對硝基苯甲酸的制備新工藝

王松林， 李永祥， 任 君

(中北大學化學工程與技術學院，山西 太原 030051)

對硝基苯甲酸是一種重要的有機中間體，簡稱PNBA(p-nithbenzoic acid)，淡黃色晶體或粉末，熔點239 ℃～242 ℃，在醫藥領域有著廣泛應用，例如，用于生產鹽酸普魯卡因、普魯卡因胺鹽酸鹽，對氨甲基苯甲酸、葉酸、苯佐卡因、退嗽、頭孢菌素V、貝尼爾等[1]各種醫藥品。它也可以用于生產活性艷紅M-8B、活性紅紫X-2R、濾光劑、彩色膠片成色劑、金屬表面除銹劑、防曬劑等化工產品。當今，工業上對硝基苯甲酸(PNBA)主要是由對硝基甲苯(PNT)氧化生產的，氧化劑包括高錳酸鉀、重鉻酸鉀、次氯酸鈉和硝酸等。

于澍等[2]以KMnO4為氧化劑，用相轉移催化氧化法合成對硝基苯甲酸，其中，十六烷基三丁基溴化磷的催化效果最好，得率達76.6%。邵嘯等[3]在酸性介質中90 ℃下以KMnO4、PEG-200為氧化催化體系，KMnO4與對硝基甲苯摩爾比為3∶1，對硝基苯甲酸得率達47.25%。高錳酸鉀氧化法條件溫和、時間短，但是成本高、“三廢”多，違背綠色化學理念，現僅用于實驗室制備對硝基苯甲酸。

袁知舜等[4]小試了硝酸氧化工藝，他們控制反應條件為對硝基甲苯與硝酸的摩爾比1∶2.2～1∶4.0，20%～45%硝酸，反應溫度150 ℃～220 ℃，反應壓力1 MPa～4 MPa，反應時間0.5 h～2 h，對硝基苯甲酸得率可達95%。硝酸氧化法雖然工藝簡便、成本低廉，但是由于生產中使用稀硝酸對設備腐蝕嚴重，反應產生的NOx是形成酸雨的主要氣體，故此種方法也受到嚴格限制。

空氣氧化法是近年發展的生產工藝，該氧化法就是利用空氣或氧氣在液相中氧化[5-6]PNT生產PNBA，主要分為酸法和堿法，以使用介質的酸堿性進行區分。馬玉龍等[7]以芳烴為溶劑，加入自制催化劑，直接用空氣氧化PNT，PNBA得率可達94.55%。高敏等[8]以鄰二氯苯-丙酸作溶劑，在乙酸鈷、溴化物復合催化劑催化下，用空氣氧化PNT合成PNBA，并對反應條件進行研究，PNBA得率可達90.4%。

綜上所述，目前工業生產制備對硝基苯甲酸的工藝均有環境污染和設備腐蝕的缺陷[9-10]。因此，探究一種條件溫和、環境友好的對硝基苯甲酸制備工藝十分有必要，具有一定現實意義。本文采用的氧化劑氯酸鈉中不含重金屬離子，反應液對設備腐蝕輕微，有助于減少維護成本，廢液后處理成本低廉，是一種良好的對硝基苯甲酸制備工藝。

1 實驗材料、試劑及儀器

1.1 材料及試劑

對硝基甲苯，甘肅銀光化學工業集團有限公司。

98%濃硝酸，天津市化學試劑研究所；氯酸鈉，國藥集團化學試劑有限公司；98%濃硫酸，天津市化學試劑研究所；苯，天津市申泰化學試劑有限公司；丙酮，天津申泰化工試劑；冰醋酸，西隴科學股份有限公司；無水甲醇，天津市天力化學試劑有限公司；氫氧化鈉，天津市大茂化學試劑廠。

1.2 儀器

SHZ-CA循環水式多用真空泵，鞏義市予華儀器有限公司；FTIR-7600紅外光譜儀，天津分析儀器廠；WRX-4熔點儀，上海易測儀器設備有限公司。

2 實驗方法

本實驗以對硝基甲苯為原料，氯酸鈉作為氧化劑，合成路線如式(1)所示。

2.1 制備對硝基苯甲酸

在裝有冷凝器、溫度計、攪拌器的四口燒瓶中，稱量5 g對硝基甲苯、加入10 mL98%濃硝酸，開啟水浴、攪拌(500 r/min左右)，直至其升溫至80 ℃。稱量9.72 g氯酸鈉溶于10 mL蒸餾水制成飽和溶液，移入恒壓滴液漏斗，撤掉冷凝器，緩慢滴加2滴～3滴氯酸鈉飽和溶液，待燒瓶內黃綠色變淡時，再滴加2滴～3滴氯酸鈉的飽和溶液，如此反復，直至滴加完畢。待反應溫度降至80 ℃左右開始計時，水浴(或油浴)保溫。4 h后停止反應，繼續攪拌，待燒瓶內溫度降至常溫后，將反應液倒入100 mL冰水混合物中，冰塊融化后抽濾，抽濾所得濾渣再次水洗抽濾，如此反復3次，所得濾渣即為對硝基苯甲酸粗品。

2.2 對硝基苯甲酸粗品的提純

將上一步所得的對硝基苯甲酸加入燒杯中，加入30 mL蒸餾水，進行磁力攪拌，緩慢滴加15%NaOH溶液，直至液體呈現紅色，停止滴加NaOH溶液，靜置30 s，溶液不褪色即開始下一步，若中途褪色則繼續滴加NaOH溶液。所得溶液繼續攪拌，緩慢滴加無水乙酸，直至溶液褪色且30 s內不變回原來的顏色，所得液體抽濾，濾渣即為此次提純的雜質，雜質應該包括未反應的對硝基甲苯及其他副產物。濾液進行磁力攪拌，緩慢滴加50%稀硫酸，直至無明顯沉淀生成，所得液體抽濾，濾渣即為較純的對硝基苯甲酸，所得濾液回收，重復滴加50%稀硫酸，如有產品則抽濾，如此重復3次。將濾出產物于50 ℃烘箱中進行干燥，稱量，計算得率。

3 結果與分析

3.1 產物的表征

產品外觀為淡黃色晶體，通過熔點測定，得出其初熔點為234.1 ℃，終熔點為235.9 ℃，與文獻報道基本相符。

3.1.1 薄層色譜分析

對所得產物進行薄層色譜分析(TLC)，TLC條件為乙醇為溶劑，n(苯)∶n(丙酮)∶n(冰醋酸)∶n(甲醇)=5∶1∶1∶1為展開劑，硅膠板上只有一個聚集不發散的點。

3.1.2 紅外光譜測試

圖1為對硝基苯甲酸的紅外光譜圖。

圖1 對硝基苯甲酸的紅外光譜圖

圖1中，3 105.61、3 079.22、2 880.90 cm-1有弱吸收存在，為苯環上C-H伸縮振動；1 604.25、1 537.76、1 487.73 cm-1有中強吸收峰存在，為苯環C=C的骨架振動；890.07、868.14、770.46、743.49 cm-1有吸收，為苯環上C-H面外彎曲振動；1 537.76、1 317.73、565.31 cm-1有吸收表明有C-NO2存在；3 500 cm-1～2 500 cm-1的寬吸收峰為游離羧酸的O-H伸縮振動、1 722.02 cm-1處為C=O伸縮振動、917.80 cm-1處為O-H彎曲振動，表明有-COOH存在。根據譜圖分析的結果可以確定該物質為對硝基苯甲酸。

3.2 對硝基甲苯制備對硝基苯甲酸的工藝優化

3.2.1 反應物摩爾比對PNBA得率的影響

以對硝基甲苯5 g，反應時間為4 h，反應溫度為80 ℃左右為例，考察對硝基甲苯與氯酸鈉摩爾比對PNBA得率的影響，單因素實驗結果如第3頁圖2。

圖2 反應物摩爾比對PNBA得率的影響

3.2.2 反應時間對PNBA得率的影響

以對硝基甲苯5 g，反應料比(對硝基甲苯與氯酸鈉摩爾比)1∶2.5，即，9.72 g氯酸鈉溶于10 mL蒸餾水制成氯酸鈉的飽和溶液作為氧化劑，反應溫度80 ℃左右為例，考察反應時間對PNBA得率的影響，單因素實驗結果如圖3。

圖3 反應時間對PNBA得率的影響(1)

由圖3看出，隨著反應時間的增加，得率先增加后降低，反應時間在4h左右，得率最大為80.9%。主要原因是，氧化過程分為多個階段，時間太短會使反應停留在中間階段，生成中間產物如醇、醛等。適當延長時間可以使反應物較完全地轉化為羧酸，于4 h左右達到最大轉化率。當反應時間過長時，由于酯化反應等副反應的存在，得率反而降低。

在4 h附近得率起伏較大，為了得到更精確的最佳反應時間，在4 h附近取新的時間點，進行幾組單因素實驗。以對硝基甲苯5 g，反應料比(對硝基甲苯與氯酸鈉摩爾比)1∶2.5，反應溫度80 ℃左右為例，在反應時間4 h附近，精確考察反應時間對PNBA得率的影響，結果如圖4。

由圖4看出，PNBA合成的最佳時間是4.1 h，得率為81.5%。

3.2.3 反應溫度對PNBA得率的影響

以對硝基甲苯5 g，反應時間4.1 h，反應料比(對硝基甲苯與氯酸鈉摩爾比)1∶2.5，考察反應溫度對PNBA得率的影響，單因素實驗結果如圖5。

圖4 反應時間對PNBA得率的影響(2)

圖5 反應溫度對PNBA得率的影響

由圖5看出，隨著反應溫度的增加，得率先增加后基本持平然后開始降低，反應的較佳溫度范圍為80 ℃～85 ℃。主要原因是，反應溫度較低時不足以達到反應所需的活化能，部分分子未活化，后降低是因為反應溫度過高氧化副反應加劇，氣體副產物比例增加。

研究表明，合成PNBA的最佳工藝條件為對硝基甲苯與氯酸鈉摩爾比1∶2.5，反應溫度為80 ℃～85 ℃，反應時間4.1 h。按此實驗條件進行3次，并計算其平均得率，結果如表1所示。

表1 單因素法最優實驗條件合成PNBA得率

4 結論

本文選擇氯酸鈉氧化對硝基甲苯制備對硝基苯甲酸，通過實驗研究和產品檢測，得出如下結論：

使用氯酸鈉作氧化劑，通過控制原料比、時間和溫度進行單因素實驗，確定了制備對硝基苯甲酸的最佳工藝條件為:對硝基甲苯與氯酸鈉的摩爾比1∶2.5，反應溫度80 ℃～85 ℃，反應時間4.1 h，產品的得率為81.37%。并且對產物進行熔點測定、薄層色譜分析及紅外光譜分析，結果表明該物質與目標產物一致。可見這是一條比較理想的對硝基苯甲酸制備途徑，為放大中試進一步工業化奠定了基礎。