磺化石墨烯催化鄰二甲苯的硝化反應(yīng)研究

單洪亮

(寧波貝斯美投資控股有限公司，浙江 寧波 315000)

以硝酸為硝化試劑進(jìn)行鄰二甲苯的硝化反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)物除了有單硝化產(chǎn)物3-硝基鄰二甲苯和4-硝基鄰二甲苯，還有2-甲基-4-硝基苯甲酸、4-硝基鄰苯二甲酸、二硝化產(chǎn)物及其氧化物。3-硝基鄰二甲苯和4-硝基鄰二甲苯都是重要的有機(jī)和醫(yī)藥中間體，在染料、高分子、植物生長(zhǎng)調(diào)劑及醫(yī)藥等方面應(yīng)用較為廣泛。例如：4-硝基鄰二甲苯是化學(xué)方法制備維生素B2、除草劑二甲戊靈(N-(1-乙基丙基)-3,4-二甲基-2,6-二硝基苯胺的原料；3-硝基鄰二甲苯是制備抗炎鎮(zhèn)痛藥甲芬那酸(N-(2,3-二甲苯基)-2-氨基苯甲酸)的重要原料[1]。

目前，3-硝基鄰二甲苯和4-硝基鄰二甲苯的工業(yè)化生產(chǎn)方法為以鄰二甲苯為原料，以硝酸為硝化試劑，濃硫酸為催化劑進(jìn)行硝化反應(yīng)制得[2]，但是反應(yīng)物容易發(fā)生磺化反應(yīng)。三氟甲基磺酸、高氯酸、硒酸等強(qiáng)酸也可用作硝化反應(yīng)的催化劑，但是產(chǎn)生的廢水污染及設(shè)備腐蝕比較嚴(yán)重[3-4]。

選用固體酸為催化劑，不僅易于從反應(yīng)體系分離，而且不會(huì)產(chǎn)生廢酸污染，對(duì)設(shè)備的腐蝕也較輕[5]。石墨烯不僅具有極大的比表面積，還具有良好的力學(xué)性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能、光學(xué)性能，而且沒有明顯的生物毒性[6-7]。石墨烯這種獨(dú)特的二維納米結(jié)構(gòu)和多種優(yōu)異的性能，在理論研究與實(shí)際應(yīng)用中都表現(xiàn)出了無窮的魅力。石墨烯經(jīng)氧化后，表面含有豐富的含氧基團(tuán)(羥基、羧基等)，在室溫下就可以很好地分散在水、乙醇等極性溶劑中[8]。本文擬采用硝酸為硝化試劑、磺化石墨烯為固體酸催化劑催化鄰二甲苯的硝化反應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

石墨粉，100nm，阿拉丁試劑有限公司。

鄰二甲苯，AR，阿拉丁試劑有限公司。

95%硝酸，AR，西隴化工股份有限公司。

1.2 磺化石墨烯的制備

氧化石墨烯通過改良的Hummers法制備。經(jīng)80℃真空干燥后。稱取2.0g片狀氧化石墨烯于250mL三口燒瓶中，然后量筒量取100mL二氯甲烷加入其中，超聲分散1h，移入水浴鍋，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加15mL氯磺酸并升溫至30℃反應(yīng)12h。離心分離后轉(zhuǎn)移至表面皿上80℃真空干燥得磺化石墨烯薄片。

1.3 磺化石墨烯催化鄰二甲苯的硝化反應(yīng)

以95%硝酸為硝化試劑，以磺化石墨烯(自制)為催化劑硝化鄰二甲苯選擇性合成單硝基鄰二甲苯。稱量1.06 g(10.0 mmol)鄰二甲苯、0.1g干燥好的磺化石墨烯于25 mL三口燒瓶中，超聲分散20min，在一定溫度下滴加95%硝酸并反應(yīng)2-5h。反應(yīng)結(jié)束后離心分離磺化石墨烯并用二氯甲烷洗滌，將二氯甲烷洗滌液與離心管上層清液合并于60mL分液漏斗中，加入一定量的去離子水洗滌未反應(yīng)的硝酸，靜置后分出二氯甲烷重新加入去離子水洗滌，重復(fù)操作數(shù)次至二氯甲烷層中性。通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸出二氯甲烷得到硝化產(chǎn)物，對(duì)硝化產(chǎn)物的組成通過氣相色譜進(jìn)行定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 磺化石墨烯用量對(duì)硝化反應(yīng)的影響

磺化石墨烯用量對(duì)硝化反應(yīng)的影響，如表1所示。

表1 磺化石墨烯用量對(duì)鄰二甲苯硝化反應(yīng)的影響Table 1 Influence of amount of sulfonated graphene on nitration of o-xylene

注：a：鄰二甲苯1.06 g (10.00 mmol)，95%硝酸2.40 g，反應(yīng)溫度40℃。

從表1可以看出，加入磺化石墨烯(序號(hào)2)和不加入磺化石墨烯(序號(hào)1)相比，可以使產(chǎn)率提高并且鄰硝基甲苯和對(duì)硝基甲苯的比值下降，可能是因?yàn)榛腔└鲗又g可以吸水，降低了反應(yīng)生成的水對(duì)硝酸的稀釋程度。隨著磺化石墨烯用量的增加，反應(yīng)時(shí)間縮短即反應(yīng)速率加快，當(dāng)磺化石墨烯用量大于0.1g時(shí)，鄰二甲苯反應(yīng)完所需要的時(shí)間不變，但是硝化產(chǎn)物的產(chǎn)率下降，這是因?yàn)殡S著磺化石墨烯用量的增加，硝化產(chǎn)物發(fā)生氧化反應(yīng)的速率增加，從而降低了硝化產(chǎn)物的產(chǎn)率。隨著磺化石墨烯量的增加，鄰硝基甲苯和對(duì)硝基甲苯的比值下降，可能是因?yàn)榛腔┲泻?SO3H、-OH、-COOH及環(huán)氧基團(tuán)等，這些基團(tuán)能夠同時(shí)與硝酸及鄰二甲苯形成氫鍵，在硝化鄰二甲苯的過程中使得鄰位的空間位阻大于對(duì)位，因此4-硝基鄰二甲苯的量相對(duì)增多。

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)硝化反應(yīng)的影響

反應(yīng)溫度對(duì)鄰二甲苯的消化反應(yīng)如表2所示。

表2 反應(yīng)溫度對(duì)鄰二甲苯硝化反應(yīng)的影響Table 2 Influence of reaction temperature on nitration of o-xylene

注：a：鄰二甲苯1.06 g (10.00 mmol)，95%硝酸2.40 g，磺化石墨烯0.10 g 。

當(dāng)硝化反應(yīng)溫度為20℃時(shí)鄰硝基甲苯和對(duì)硝基甲苯的比值比較大，在60℃以前，隨著溫度的升高，鄰硝基甲苯和對(duì)硝基甲苯的比值明顯下降。當(dāng)溫度高于60℃時(shí)比值又明顯上升。這可能是由于在溫度低于60℃時(shí)受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，3-硝基鄰二甲苯的生成速率比較快，當(dāng)溫度高于60℃時(shí)受反應(yīng)熱力學(xué)控制，繼續(xù)升高溫度增加了硝酰陽離子的活性，產(chǎn)物4-硝基鄰二甲苯的產(chǎn)率增加。由表2可以看出，反應(yīng)溫度為45℃時(shí)，鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率，硝基鄰二甲苯的收率都較高。這是因?yàn)楫?dāng)溫度低于45℃時(shí)，隨著反應(yīng)溫度的升高，硝化反應(yīng)速率加快，反應(yīng)時(shí)間縮短，使得硝化產(chǎn)物的氧化產(chǎn)物減少。當(dāng)溫度高于45℃時(shí)，隨著溫度的升高，硝化反應(yīng)速率下降，這是因?yàn)榇藭r(shí)隨著溫度的升高硝酸的分解反應(yīng)加速，使得參加硝化反應(yīng)的硝酸濃度下降，從而導(dǎo)致硝化產(chǎn)率下降。由此看出，45℃為較佳反應(yīng)溫度。

2.3 硝酸與鄰二甲苯的質(zhì)量比對(duì)硝化反應(yīng)的影響

硝酸與鄰二甲苯的質(zhì)量比對(duì)硝化反應(yīng)的影響如表3所示。

表3 硝酸與鄰二甲苯的質(zhì)量之比對(duì)鄰二甲苯硝化反應(yīng)的影響Table 3 Influence of mass ratio of Nitric acid to o-xylene on nitration of o-xylene

注：a：鄰二甲苯1.06 g (10.00 mmol)，磺化石墨烯0.10 g，反應(yīng)溫度45℃，反應(yīng)時(shí)間2h；b：8h。

從表3可以看出，硝酸的用量要遠(yuǎn)大于鄰二甲苯的用量時(shí)，鄰二甲苯才能較快的轉(zhuǎn)化完。這是因?yàn)殡S著硝化反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)生成的水會(huì)降低硝酸的濃度，從而會(huì)阻礙硝酰陽離子的生成(當(dāng)硝酸濃度低于92%時(shí)就不再理解產(chǎn)生硝酰陽離子)，硝化能力隨之降低，進(jìn)而降低了硝酸的利用率，最終導(dǎo)致硝化反應(yīng)停止。硝化反應(yīng)過程中生成的水對(duì)硝酸的稀釋，使得硝化能力不強(qiáng)的硝酸增加了氧化能力，從而增加了硝化產(chǎn)物的氧化產(chǎn)物。

序號(hào)8和序號(hào)3相比，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率僅升高了25.4%，而硝化產(chǎn)物升高的更少僅6.7%，這是因?yàn)樵诜磻?yīng)過程中，硝酸的加入通過滴加的方式加入，開始時(shí)生成的水比較少，硝酸的利用率比較高，但是隨著硝化反應(yīng)的進(jìn)行，生成的水逐漸增多，導(dǎo)致硝酸的濃度下降降低了進(jìn)行硝化反應(yīng)的硝酸的利用率，最后硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氧化反應(yīng)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)氧化副產(chǎn)物增加。

3 結(jié)論

以硝酸為硝化試劑，以磺化石墨烯為催化劑催化鄰二甲苯的硝化反應(yīng)時(shí)，較佳的反應(yīng)條件為：95%硝酸2.4g，鄰二甲苯1.06g，磺化石墨烯0.1g，反應(yīng)溫度為45℃時(shí)，反應(yīng)時(shí)間為2h，此時(shí)，鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率為99.9%，單硝基產(chǎn)物收率為87.4%，產(chǎn)物中3-硝基鄰二甲苯與4-硝基鄰二甲苯的比值為0.51。

[1] 高 山,李忠民,尹永波.催化定位硝化合成4-硝基鄰二甲苯[J].染料與染色,2003,40(4):231-238.

[2] Alwar R,John E M.Nitration of aromatic compounds：WO，03020683A1[P].2003.

[3] Bharadwaj S K,Hussain S,Kar M,et al.Acid phosphate-impregnated titania-catalyzed nitration of aromatic compounds with nitric acid[J].Appl Catal,A:general,2008,343(1-2):62-67.

[4] Coon C L,Blucher W G,Hill M E.Aromatic nitration with nitric acid and trifluoromethanesulfonic acid[J].J Org Chem,1973,38(25):4243-4248.

[6] Novoselov K S,Falko V I,Colombo L，et al.Roadmap for grapheme[J].Nature,2012,490:193-200.

[7] Rogers J A,Lagally M G,Nuzzo R G.Synthesis, assembly and applications of semiconductor nanomembranes[J].Nature,2011,477:45-53.

[8] Dikin D A,Stankovich S,Zimney E J,et al.Preparation and characterization of graphene oxide paper[J].Nature,2007,448:457-460.