2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸的合成工藝改進

齊 峰， 楊桂秋， 劉舒曼

(1.沈陽化工大學 制藥與生物工程學院, 遼寧 沈陽 110142； 2.太原理工大學, 山西 太原 030024)

2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸是重要的有機合成中間體，應用于染料、醫藥和農藥的生產[1]，是合成甲基磺草酮的重要中間體[2].而甲基磺草酮是通過磺草酮結構修飾而開發的一個三酮類除草劑品種[3]，其具有殺草譜廣、可混性強、活性高[4]、毒低性、對后茬作物安全等特點，在我國擁有非常大的市場[5].

目前，關于合成2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸的報道很多，主要有硝酸氧化法、液態空氣氧化法、高錳酸鉀氧化法、重鉻酸鈉氧化法、氧氣氧化法等[6].本文主要研究的是以對甲磺酰基甲苯為原料，以硫酸為反應介質，硝化得到2-硝基-4-甲磺酰基甲苯；然后再以為五氧化二釩為催化劑，硝酸為氧化劑制得2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸[7].采用“一鍋合成”硝化得到2-硝基-4-甲磺酰基甲苯，不經分離直接進行下步反應，并對反應體系中的硝酸、硫酸進行回收重復利用，避免產生大量的廢酸，同時降低了生產成本，減少了環境污染[8].產品總收率可達88.3 %(文獻[1]收率：87.2 %).具體合成路線為：

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,天津市予華儀器科技有限公司；DHJF-8002低溫恒溫攪拌反應浴,廣州市予華儀器科技有限公司；RE-5002旋轉蒸發儀,鄭州科華儀器設備有限公司；LC-10Avp型高效液相色譜儀,島津公司；對甲磺酰基甲苯,湖北巨勝科技有限公司；五氧化二釩,湖北興銀河化工有限公司；其余所有試劑均為市售化學純.

1.2 2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸的合成

將35 g(0.206 mol)對甲磺酰基甲苯加入到四口燒瓶中，再加入160 g(87 mL，1.633 mol)濃硫酸(質量分數為98 %)，常溫攪拌使其溶解，降低溫度控制在10～15 ℃，向四口燒瓶內緩慢滴加21 g(15 mL，0.216 mol)硝酸(質量分數為65 %),溫度不可超過15 ℃，滴加完畢后，保溫3 h，取有機相用高效液相色譜儀分析，得2-硝基-4-甲磺酰基甲苯,質量分數為99.5 %，向反應混合物中加入50 g水，攪拌，析出白色晶體.

直接向反應瓶中加入0.9 g五氧化二釩，待溫度穩定后，開始升溫，溫度升至150 ℃時開始滴加質量分數為65 %的硝酸，溫度控制在150～155 ℃，滴加速度為0.30 mL/ min，共滴加160 mL，保溫9 h，在滴加過程中要控制分水量和回流量，保證硫酸質量分數不低于70 %，使反應能夠快速地進行.反應結束后，加入150 g水，降溫至30 ℃，攪拌30 min，過濾，得2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸粗品.

向粗品產物中加入200 g水，開啟攪拌，升溫至40～45 ℃，滴加堿液，將pH值調到12～13，保溫2 h后加入鹽酸，將pH值調到0.5，攪拌30 min，降溫，過濾，干燥，即得2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸成品44.65 g，收率88.3 %，質量分數為98.7 %，m.p.205～206 ℃(文獻[1] 205.6～206.5 ℃).

2 結果與討論

2.1 對甲磺酰基甲苯的硝化

在硝化反應中，對反應總收率影響的主要因素有反應溫度、時間及硝酸的用量.溫度過低反應速度慢，溫度過高會產生大量副產物.經過反復實驗得出：最佳的反應溫度為10～15 ℃，反應時間最佳為4 h，硝酸微過量.另外，為了使硝化反應停止，在硝化結束后向反應混合物中加入一定量的水，以免副反應產生多硝基副產物，同時降低了反應體系中硫酸的濃度，避免在后續的氧化過程中反應過于劇烈，產生過多雜質.

2.1.1 反應溫度對收率的影響

在反應過程中，溫度是主要的影響因素，其他反應條件不變，反應溫度對收率的影響如表1所示.

溫度過低反應速度慢，溫度過高會產生大量副產物，經過反復的實驗得出最佳的反應溫度為10～15 ℃.

表1 溫度對收率的影響

2.1.2 反應時間對收率的影響

在反應過程中，反應時間是主要的影響因素，溫度在10～15 ℃時其他反應條件不變，反應時間對收率的影響如表2所示.由表可知最佳反應時間為4 h.

表2 反應時間對收率的影響

2.1.3 硝酸用量對反應收率的影響

該反應過程中，硝酸的用量是主要的影響因素，溫度在10～15 ℃，反應時間為4 h，其對收率的影響如表3所示.

表3 硝酸用量對收率的影響

在反應過程中，硝酸的用量少反應不完全，硝酸的用量過多會產生多硝基副產物.經過實驗證明：硝酸的用量微過量收率最高.

2.2 2-硝基-4-甲磺酰基甲苯的氧化

2.2.1 反應溫度對收率的影響

在反應過程中，溫度是主要的影響因素，其他反應條件不變，反應溫度對反應收率的影響如表4所示.

表4 反應溫度對收率的影響

反應溫度太低反應很難發生，收率較低，反應溫度過高容易過度氧化，產生大量的副產物，收率較低.經過實驗證明:反應的最佳溫度為150～155 ℃.

2.2.2 反應時間對收率的影響

反應時間也會影響反應的收率，溫度在150～155 ℃時，反應時間對反應收率的影響如表5所示.

表5 反應時間對收率的影響

實驗證明:反應時間較短反應不完全，收率較低;反應時間過長副產物增多，收率降低;最佳的反應時間為10 h.

2.3 廢酸回用

反應由于在硫酸的介質中進行，并且硝化和氧化用的是硝酸，所以，會產生大量的廢酸.由于實驗中氧化直接用硝化結束的反應體系，所以廢酸主要來自氧化后的母液，其中主要含有的是硫酸、硝酸及水.將母液進行蒸餾，可以將硝酸和水分離出來，能得到質量分數為90 %的硫酸，可以用于下一批的反應.蒸出硝酸的質量分數大概是35 %，可以用濃硝酸配成質量分數為65 %的硝酸用于之后的反應.同時，將反應產生的廢酸回收利用，降低了生產成本.

3 結 論

(1)采用對甲磺酰基甲苯為起始原料，經硝化 、硝酸氧化制2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸，中間產物2-硝基-4-甲磺酰基甲苯不需從反應體系中分離出來,直接用該體系進行氧化反應，減少了操作，減少了硫酸的用量，降低了成本,也減少了三廢量.

(2)反應中產生的大量廢酸，經過蒸餾、加入新酸，使廢酸能夠重復使用，減少了酸的用量，在反應產生廢酸的回收利用方面進行了有益的探索.