對硝基苯甲醚合成工藝研究

　　摘要：本文綜述了合成對硝基苯甲醚的各種方法。本文重點介紹以對硝基氯苯、甲醇和氫氧化鈉為原料合成對硝基苯甲醚的相轉移催化劑法。
　　關鍵詞：對硝基苯甲醚 合成 相轉移催化劑 研究進展
　　中圖分類號：O625文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（c）-0065-03
　　1 前言
　　1.1 開題依據
　　對硝基苯甲醚（C7H7NO3，p-Nitroan isole，簡稱PNA）又稱對硝基茴香醚，熔點54℃，沸點259℃，溶于乙醇和乙醚，在水中溶解度很小，為黃色結晶。對硝基苯甲醚是合成對氨基苯甲醚等化合物的重要前期物質[2，9]，是合成顏料、染料和醫藥的重要中間體[1，7]。
　　對硝基苯甲醚作為重要的有機中間體，近年以來由于我國紡織、染料、制藥等工業的發展，以及國內外市場需求的增加，從而有著巨大的市場前景。
　　國內對硝基苯甲醚的生產目前最常用的方法是對硝基氯苯催化甲氧基化。本文重點介紹以對硝基氯苯、甲醇和氫氧化鈉為原料合成對硝基苯甲醚的相轉移催化劑法。
　　1.2 對硝基苯甲醚合成工藝發展
　　目前，我國大多采用對硝基氯苯法。在大量甲醇存在下對硝基氯苯與固體氫氧化鈉在加壓釜中反應約10～13h合成對硝基苯甲醚。但此工藝有著反應時間長，甲醇消耗量大，副產物對硝基苯酚生成大，收率低下，環境污染等問題[4，11]。而采用相轉移催化法合成對硝基苯甲醚，可以克服現行工藝中的諸多缺點，而且相轉移催化反應副反應極少，反應體系中未能檢出氧化偶氮苯、偶氮苯和酚類等副產物，從而能創造出更多的社會、經濟以及環境效益[4]。
　　對硝基苯甲醚的產量和質量直接影響其下游產品的生產和銷售，相轉移催化劑的應用給對硝基苯甲醚的市場帶來新的生機。
　　常用的小分子相轉移催化劑有季銨鹽（芐基三乙基氯化銨、四丁基溴化銨、四丁基硫酸氫銨）、季銨堿、季磷鹽、叔胺（吡啶，三丁胺）、聚醚（如鏈狀聚乙二醇，鏈狀聚乙二醇二烷基醚）以及環狀冠醚（如18冠6，15冠5）等，其催化效果好，但有著一次使用且穩定性差的缺點[6，7]。
　　為此，近年來研發的高分子相轉移催化劑，能夠克服上述小分子相轉移催化劑的缺點，在有機合成中的逐漸得到廣泛的應用。例如，聚苯乙烯固載聚乙二醇樹脂作催化劑；高分子固載季銨鹽作催化劑，其中有聚苯乙烯固載的季銨鹽樹脂、吡啶樹脂、三乙胺樹脂、三乙醇胺樹脂，聚苯乙烯固載的吡啶樹脂，氯化聚氯乙烯固載三乙胺樹脂，聚氯乙烯固載的吡啶樹脂、多乙烯多胺樹脂等。以上幾種高分子相轉移催化劑在合成對硝基苯甲醚中效果均良好，產品收率達90%以上[6]。
　　高分子催化劑使用、保存方便，可重復使用，對環境友好，對設備腐蝕小，應用前景廣闊。但高分子相轉移催化劑也有合成麻煩、成本較高的缺點。
　　若將PTC活性中心以一定方法接枝到聚合物載體上，可制成三相轉移催化劑。該催化劑除具有PTC的反應條件溫和，選擇性高，副產物少等優點外，還具有高分子試劑穩定性好，能回收和重復使用，分離方便等[11]諸多優越性，克服傳統工藝甚至二相轉移催化工藝中的一些缺陷。
　　2 文獻綜述
　　2.1 以對硝基氯苯、甲醇和氫氧化鈉（或氫氧化鉀）為原料簡易合成法
　　在不使用催化劑時，甲醇和氫氧化鈉反應生先成甲醇鈉，甲醇鈉再和對硝基氯苯反應生成對硝基苯甲醚。此法條件溫和，操作簡單，但由于反應體系里含有苯環結構，因此在甲醇中的溶解度極低。所以，在沒有催化劑的情況下，互溶性差，反應耗時長，而且副產物對硝基苯酚等較多，對環境污染較為嚴重[1]。
　　俞善信和文瑞明由對硝基氯苯和甲醇在氫氧化鉀存在下，未使用催化劑而直接合成對硝基苯甲醚[9]，反應時間短，操作方便。因為氯化鉀在甲醇中的溶解度小于氯化鈉在甲醇中的溶解度，所以在非催化劑存在下使用氫氧化鉀能更有效地合成對硝基苯甲醚[9]。
　　2.2 以對硝基氯苯、甲醇和氫氧化鈉（或氫氧化鉀）為原料相轉移催化劑法
　　研究發現在反應中使用相轉移催化劑，速率可顯著提高。因相轉移催化劑可使參加反應的離子OCH3-從水相轉移到有機相，加速處在不互相溶解的兩種溶劑中的甲醇鈉與對硝基氯苯的反應[1]。
　　該反應過程中，首先是溶解在水相中甲醇與氫氧化鈉反應，生成CH3ONa，CH3ONa是一個強堿，CH3O-具有很強的親核性，由于對硝基氯苯中氯原子的對位有很強的吸電基-NO2的存在，與氯原子相連的芳環碳原子電子云密度較少，具有較強的接受電子的能力[4]，受到親核試劑CH3O-的進攻，發生芳香族親核取代反應。
　　以一種相轉移催化劑季銨鹽（Q+X-）為例，季銨鹽的分子既有可溶于有機相的基團，又有可溶于水的基團。季銨鹽中的正與負離子在水相形成離子對，可以將負離子從水相轉移到有機相，而在有機相中，負離子無溶劑化作用，而且正負離子之間作用弱，因而反應活性大大提高[5]。
　　鹵代苯和脂肪醇在季銨鹽作為相轉移催化劑的條件下反應生成醚，脫去一份氯化氫，以氫氧化鈉水溶液為縛酸劑。
　　在對硝基苯甲醚合成反應中，甲醇與氫氧化鈉先反應生成親核試劑CH3ONa，然后催化劑與水相中的親核試劑形成離子對Q+CH3O-，使原來不溶于有機相的親核試劑進入有機相，與有機相中的反應物生成產物，反應后離去的基團與Q-又結合成離子對，返回水相.循環此過程就實現了兩相間的轉移[4]。
　　常用的催化劑有季銨鹽、季磷鹽、冠醚、線性聚氧乙烯類催化劑（如聚氧乙烯脂肪醇、聚氧乙烯烷基酚以及聚乙二醇等）[3]、殼聚糖鈀、聚苯乙烯-多乙烯多胺樹脂、聚苯乙烯固載聚乙二醇樹脂、苯乙烯和二乙烯苯共聚物固載季銨鹽等[1]。
　　2.2.1 季銨鹽作催化劑
　　季銨鹽雖不大穩定，但卻是相轉移催化劑中研究得最早、應用較廣的一類相轉移催化劑[7]。其中三乙基芐基氯化銨作為常用的季銨鹽，可以使正常條件下難進行的反應進行，縮短反應時間，提高產率，在有機合成中有著非常廣泛的應用[8]。
　　章亞東和高曉蕾等在氫氧化鈉堿性介質中，以氯化芐基三乙基銨為相轉移催化劑，由對硝基氯苯和甲醇反應合成了對硝基苯甲醚，產品收率高純度也高[4]。
　　李玉紅，孟小華的相關研究表明：在對硝基苯甲醚的合成反應中，加入相轉移催化劑TEBA后，此反應的反應收率可達到92%以上，較不加催化劑的反應收率提高了10個百分點[8]。
　　作者使用一定量的對硝基氯苯，甲醇和季銨鹽加熱至70℃，恒溫回流。然后一次性加入預熱至65℃的35%的氫氧化鈉溶液反應2h，升溫至80℃再反應2h。得到的反應物在不斷攪拌下倒入冷水中，進行抽濾，再用蒸餾水洗，抽干得到結晶物。經過分析，產品純度高，收率良好。
　　2.2.2 聚乙二醇作催化劑
　　相轉移催化劑中，季銨鹽的乳化作用明顯，穩定性差，產物的分離、純化有一定的困難；冠醚類價格貴，且有毒性，應用受到一定的限制[3]。采用聚乙二醇（又稱聚氧乙烯化合物）為相轉移催化劑制取對硝基苯甲醚，不僅價廉、來源豐富、化學穩定性好、無毒，且反應條件溫和，操作簡便[3，7]。
　　陳邦俊采用聚氧乙烯化合物為相轉移催化劑，比較了原料與催化劑，原料與堿的不同摩爾此，對轉化率的影響。在適當控制配比的條件下，獲得對硝基苯甲醚收率為95%，含量為98%的結果[3]。
　　褚斐，楊祥，周朝昕也研究了對硝基氯苯在聚乙二醇相轉移催化劑作用下合成對硝基苯甲醚[16]。研究表明：此法能在常壓下進行，條件溫和，操作簡便，產品質量好，收率高而且副產物少。克服了之前老工藝甲醇循環量大，能耗大及污染嚴重等缺點[3，7]。
　　2.2.3 聚氯乙烯-多乙烯多胺樹脂作催化劑
　　聚氯乙烯與多乙烯多胺反應，制備一種具有固載季銨離子結構的樹脂，根據其在甲醇中的良好溶脹性能，成功地用它合成了對硝基苯甲醚[10]。
　　李善吉的對硝基苯甲醚的合成技術如下：在三頸燒瓶中加入一定量的季銨堿型樹脂催化劑（聚氯乙烯（PVC）與多乙烯多胺反應而成）和無水甲醇溶脹過夜。再加入反應物對硝基氯苯和氫氧化鈉，在60～65℃中攪拌反應一定時間。然后蒸餾回收多余的甲醇，加水攪拌，冷卻濾出堿液。沉淀用水洗至中性，用熱乙醇溶解產物，趁熱過濾分離出催化劑（可重復使用），冷卻，析出沉淀，過濾，干燥得產品并測定熔點。將乙醇液蒸餾回收，待蒸出大部分乙醇后，加入少量水，搖動，冷卻，抽濾，水洗，得淺黃色結晶（第二批產品）[2，10]。
　　實驗表明合成的聚氯乙烯-多乙烯多胺樹脂具有穩定的催化性能以及良好的親水性能。
　　2.2.4 殼聚糖鈀作催化劑
　　殼聚糖是甲殼素的脫乙酰化產物，分子內有大量氨基和羥基，對過渡金屬離子具有較強的吸附和螯合能力。殼聚糖作為金屬催化劑的首選載體，是一種用途廣泛的環境友好型高分子材料[17]。
　　童永芬，唐星華，舒紅英以天然可降解高分子殼聚糖為載體，在室溫下通過與PdCl2鹽酸溶液作用制得殼聚糖PdCl2的黃色粉末，然后進一步在乙醇中回流還原制得殼聚糖鈀配合物催化劑。他們三人研究了在不同反應條件下該催化劑對合成對硝基苯甲醚的催化性能。研究表明：將殼聚糖載鈀催化劑應用于合成對硝基苯甲醚的反應，條件溫和，產率較高。而且殼聚糖在自然界中的儲量巨大，且催化劑重復使用率高，從而有效地提高了貴金屬鈀的利用率[17]。
　　2.3 聚苯乙烯-二乙烯苯接枝聚乙二醇作催化劑
　　章亞東，蔣登高合成出了聚苯乙烯-二乙烯苯接枝PEG-400并以此為三相轉移催化劑，研究了對硝基苯甲醚的合成工藝。考察了催化劑、氫氧化鈉、甲醇用量等對反應轉化率的影響，建立了較佳的合成工藝條件[11，15]。此法產品純度高，催化活性高，無毒、反應后易分離可重復使用。
　　三相相轉移催化是將PTC活性中心通過一定方法接枝到載體上，形成高分子支載化三相相轉移催化劑，與可溶性PTC相比具有不溶于水、酸、堿和有機溶劑等特點。
　　三相催化劑已高分子化，揮發性小，毒性相應減少，且有容易保存、分離、回收等優點。常用載體有聚苯乙烯樹脂、氯化聚氯乙烯等有機載體以及硅膠、氧化鋁等無機載體。有機載體中，聚苯乙烯樹脂價廉易得、穩定性好，成為目前應用最廣泛的高分子載體[15]。
　　2.4 以硝基酚與鹵代甲烷為原料合成
　　以對硝基苯酚和氯甲烷為原料，加入氫氧化鈉作用下，在145～155℃的溫度和0.8～1.8mP的壓力下，可以制得對硝基苯甲醚。此方法產率高，產物純度高，但需要在加壓的條件下才能進行，所以目前只適合在實驗室中合成，還不適合工業化生產[1]。
　　2.5 苯甲醚的硝化
　　以苯甲醚和硝酸為原料，在硫酸的催化下硝化，可以制得對硝基苯甲醚。該法的主要原料苯甲醚不易大量獲得，在硝化過程中有副產物，而且分離比較困難。所以此法不常使用，必須尋找比較理想的催化劑減少副產物鄰硝基苯甲醚的生成[1]。
　　2.6 以碳酸二甲酯與對硝基苯酚為原料合成
　　在以活性炭為載體和以KOH為活性組分的固體作為催化劑的條件下，碳酸二甲酯和對硝基苯酚合成對硝基苯甲醚[1]。
　　碳酸二甲酯是一種環境友好的化學品，其分子中含有甲基、羰基、甲氧基等活性基團，可以替代劇毒化學品氯甲烷、光氣等，活性遠高于甲醇。雖然它目前的價格比較昂貴，但價格有望降低從而會有更廣泛的應用。所以以DMC為烷基化試劑與對硝基苯酚反應合成對硝基苯甲醚是一條環境友好的綠色工藝路線[13]。
　　蔡明明，薛冰，李永昕研究表明：負載型KOH/AC催化劑對對硝基苯酚和碳酸二甲酯反應合成對硝基苯甲醚具有較高的活性[13]。
　　3 結論
　　綜上所述，對硝基苯甲醚通常以對硝基氯苯、甲醇和氫氧化鈉為原料，用相轉移催化法合成。相轉移催化法不需要特殊的儀器設備，也不需要價格昂貴的無水溶劑或非質子溶劑，而且反應條件溫和、操作簡便、副產物量少，因此成為近年來的研究熱點[1，16]。
　　相轉移催化劑有的不穩定（如季銨鹽）、有的有毒（如冠醚），而高分子相轉移催化劑雖然是效果良好且能重復使用的催化劑，但其合成麻煩且成本也較高，所以也未能得到廣泛應用[13]。
　　有研究者在研究在使用相轉移催化劑的同時，采用微波輻射，發現可以極大地促進化學反應，縮短反應時間，提高收率，同時成本低，具有良好的應用前景[14]。
　　未來的研究方向是：用盡可能少的成本，盡可能簡便的方法制備催化性能良好、選擇性高、來源廣泛、重復使用率高、安全方便、穩定性高、無毒環保的催化劑，達到縮短生產時間，提高反應轉化率等的目的，實現生態效益、經濟效益和社會效益的統一。
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