二溴海因綠色合成工藝條件的探究

李偉光,李偉憲,李麗敏,李愛軍*,陳波,高燕云,趙曉鵬,黨邵杰,田良杰,董利波

(1.河北利仕化學科技有限公司,河北 邯鄲 057550;2.河北鑫淘沅醫藥科技有限公司,河北 邯鄲 057250)

1,3-二溴-5,5-二甲基海因簡稱二溴海因,分子式為C5H6Br2N2O2,是一種白色或淡黃色結晶固體,微溶于水,可溶于常用有機溶劑,包括乙醇、丙酮、三氯甲烷等[1]。具有活性溴含量高、貯存穩定且價格經濟等優點。因其活性溴含量達到54%左右,可作為催化劑、氧化劑、溴化劑和消毒劑使用,被廣泛應用于醫藥,農藥及橡膠工業等產品的合成[2]。由于二溴海因在水溶液中能與水反應生成強氧化性的次溴酸,并以次溴酸的形式不斷在水中釋放出游離溴而起到殺菌作用,在二溴海因的存在下,可有效地對微生物的細胞壁、活性酶或其DNA產生破壞,導致微生物因氧化分解而失活,從而實現殺滅微生物的功能,可有效殺滅各種病菌、真菌、病毒、藻類及一些寄生蟲等大多數微生物[3-6]。具有高效快速,光譜低毒及低殘留,適應環境能力強,有效周期長,穩定性好,安全性高,配伍性好且廉價經濟的先天優勢,成為目前應用較為廣泛的新型廣譜殺菌劑[7-9]。有學者就采用1 mg/L的二溴海因消毒液對水中的細菌進行殺滅實驗,結果發現,向水中加入消毒劑30 min可有效殺滅水中大腸桿菌,消毒1 h可完全消除游泳池水中的細菌,且不受水溫、水中有機物含量及酸堿度的影響[10-11];二溴海因在水中除藻方面也得到了很好的應用,與次氯酸鈉的除藻效果相當[12]。在較低濃度下6 mg/L,對海水中的不同種水藻樣品進行滅殺,2 d后去除率可達到86%以上[13]。若將二溴海因結合其他產品一起使用,則會表現出更佳的除藻效果。有研究將二溴海因和活性炭配合使用,結果發現適宜濃度的活性炭和二溴海因除藻效果較好,且不影響其他植物的正常生長[14]。此外,由于二溴海因的分子結構中氮溴鍵具有較強的活潑性,使其成為十分優秀的溴化劑使用,可通過溴化反應、取代反應、加成反應和氧化反應等來制備化工和制藥生產中關鍵中間體等高值化學品[15-16],如可用于芳香烴、烯烴、芐醇等化學物的溴化合成醫藥中間體等[17-19]。隨著科技和化工醫藥的快速發展和人們生活水平的不斷提升,二溴海因的應用范圍也隨之擴展,需求量快速地增加。因此,如何高效綠色地合成二溴海因成為目前工藝生產關注的重點。

早在1994年,我國學者就采用了二甲基海因溴堿法來合成二溴海因,采用二甲基海因、溴單質及氫氧化鈉水溶液為原料,在12 ℃左右反應1.5 h,使二甲基海因的氮原子上的氫與溴發生取代反應得到二溴海因產物、溴化鈉副產物和大量的水,目標產物的收率可達到88%[20]。在此基礎上,通過進一步控制反應pH值、提高反應溫度、改善氫氧化鈉溶液用量等優化反應條件可進一步提高二溴海因產品的收率,且可降低廢水量的產生,在一定程度上降低了生產成本,提高了效益[21]。

目前,二溴海因合成方法主要有5,5-二甲基海因溴化法、5,5-二甲基海因溴化氯化法、5,5-二甲基海因氯化法等三種方法[22-23]。其中,5,5-二甲基海因溴化法不使用氯氣,但在合成過程中需用到溴素,由于溴素的易揮發導致溴素單耗高,其利用率僅50%,成本太高且毒性大,操作不便;5,5-二甲基海因溴化氯化法首先經過溴化、再氯化得到最終產品,該方法可使溴素得到充分利用,溴素單耗低,但是合成過程用到氯氣,需要配置復雜的尾氣處理裝置,同樣地,生產過程中易發生氯氣泄露,造成危害;5,5-二甲基海因氯化法則采用全氯合成法,同樣需要配置復雜的尾氣處理裝置,以盡可能地消除尾氣污染,但很難滿足國家對安全、環保的要求[24-25]。有學者報道,采用5,5-二甲基海因、硫酸、溴酸鉀、氫溴酸為原料來合成二溴海因,在室溫條件下反應1 h可制備得到二甲基海因,通過考察5,5-二甲基海因、硫酸、水的用量和溴酸鉀與溴化氫的配比對反應的影響,得到優化生產條件,當采用0 ℃為析出溫度時,二溴海因產品的收率達到較好的效果[26]。該方法避免了使用溴素、氯氣等毒性較大的原料,在一定程度上簡化了生產工藝、降低了尾氣污染的發生和生產設備成本,可較好地提高生產效益。然而,該方法中采用的氫溴酸作為原料,在一定程度上仍存在污染風險和操作難度大的情況。因此,開發一種環境友好、操作簡單、成本低廉且能清潔生產二溴海因的方法或工藝是推動其廣泛應用的關鍵之舉。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

試劑:溴酸鉀(KBr)、溴化鈉(NaBr)、硫酸(H2SO4)、5,5-二甲基海因(DMH),試劑均為分析純。儀器:反應釜、WRR熔點測定儀(上海儀電物理光學儀器有限公司)。

1.2 反應原理

本文中二溴海因清潔合成方法是以二甲基海因、溴酸鉀、溴化鈉和硫酸為反應原料,在溫和條件進行反應,其主要反應方程式如下所示。

1.3 實驗步驟

(1)在25 ℃及攪拌的條件下,將一定量的二甲基海因、溴酸鉀、溴化鈉溶解到一定量的水中。然后,向反應釜中滴加98%的硫酸,加完后在一定溫度下攪拌反應3 h。

(2)反應結束后,將反應體系過濾、干燥,得到干燥的二溴海因產品,稱重并按照下式計算二溴海因產品的收率(y)。

(1)

式中,mo和m1分別為二溴海因產品和理論二溴海因的質量(g)。

首先進行單因素實驗,然后在單因素分析實驗的基礎上進行正交實驗。5,5-二甲基海因的加人量0.5 mmoL,將溴酸鉀、溴化鈉、硫酸和水的加人量作為4個因素。每個因素選取3個水平進行正交實驗,各因素及水平的取值如表1所示。

表1 正交實驗數值表

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

在本合成實驗中,原料溴酸鉀和溴化鈉作為溴化試劑。在酸性條件下(H2SO4),原位氧化Br-生成溴, 溴取代二甲基海因分子中N-H上的H,得到目標產物1,3-二溴-5,5-二甲基海因,副產物主要為硫酸鹽。由反應方程式的化學計量數關系可知,各個原料的理論反應量為:n(DMH)∶n(KBrO3)∶n(NaBr)∶n(H2SO4)=3∶2∶4∶3,首先,固定5,5-二甲基海因的用量為0.5 mmolL,在此基礎上討論其他各原料對反應產率的影響。

2.1.1 溴酸鉀的用量對實驗結果的影響

反應溫度為25 ℃下,再加入水400 mL、DMH 64 g、溴化鈉58.8 g,然后滴加硫酸11 g,加入溴酸鉀反應時間3 h的條件下,考察不同溴酸鉀的加人量對二溴海因產物收率的影響,由表2的結果可以看出,產品的收率隨溴酸的加入有所升高,但升高幅度不大。在該反應中,溴酸鉀作為氧化劑,溴酸鉀、溴化鈉在硫酸的作用下原位生成溴,若溴酸鉀過少,則產生的溴源不足,影響反應收率。若溴酸鉀過多,可能會進一步氧化產物二溴海因,產生其他副產物,降低產率,同時產生過量溴,還會使產品顏色加深,且易造成環境污染。

表2 溴酸鉀用量對反映的影響

2.1.2 溴化鈉的用量對實驗結果的影響

表3是在反應溫度為25 ℃,加入水400 mL、DMH 64 g、溴酸鉀72.1 g、滴加硫酸11 g,加入溴化鈉反應3 h的條件下,反應產物的收率隨溴化鈉的變化。隨著溴化鈉的增加,產物收率先增加然后趨于平衡。按化學反應式的計量比,n(溴化鉀)∶n(溴化鈉)=1∶2。當溴化鈉用量較少時,產生的溴單質不足,使反應收率降低。

表3 溴化鈉用量對反應的影響

表4 硫酸用量對反應的影響

表5 水用量對反應的影響

2.1.3 硫酸用量對實驗結果的影響

加入水400 mL、DMH 64 g、溴化鈉58.8 g、溴酸鉀72.1 g,在反應溫度為25 ℃下反應3 h,向反應中滴加硫酸,考察硫酸用量對反應的影響。由結果可知,目標產物的收率隨硫酸的增加而增加。在反應中硫酸提供了一個酸性環境,以保證溴酸鉀與溴化鈉原位反應生成溴,若硫酸過少則該步反應難以順利進行。若硫酸過量,二溴海因的溶解度會增大,降低收率,浪費原料。

2.1.4 水的用量對實驗結果的影響

進一步考察了水的用量對反應影響,在25 ℃條件下加入DMH 64 g、溴化鈉58.8 g、溴酸鉀72.1 g及硫酸11 g,反應時間為3 h。結果發現,反應產物的收率隨水的加入量基本無變化。一般情況下,適當增加水的用量會提高二溴海因在水中的溶解度,加快反應速率。若水量過少,則反應體系變得黏稠,反應不均勻,直接影響產品的純度和顏色,導致目標產品的質量變差。因此,水的用量對目標產物的收率影響不大,但對反應過程具有一定的影響。

2.2 正交實驗

關于水的用量,當采用350 mL導致反應體系后期物料較稠。用500 ml時產物收率相差無幾,因此考慮到節能減排,水的用量采用400 mL比較適合,我們以下實驗均用400 mL。

為確定關鍵影響因素對二溴海因收率的影響大小關系,設計正交實驗以確定產品收率最佳工藝條件,正交實驗結果見表6。由表中結果可知,各因素對二溴海因收率的影響大小順序為:溴化鈉>硫酸>溴酸鉀,合成二溴海因的最佳條件為:64g5,5-二甲基海因、58.8 g溴酸鉀、72.1 g溴化鈉溶解到400 mL水中,滴加12 g 98%硫酸,在常溫下攪拌反應3 h。

表6 正交實驗結果表

通過以上分析可以發現,在各因素的影響下,溴化鈉的影響最大,水的影響最小。獲得了合成二溴海因的較優工藝:n(二甲基海因)∶n(溴酸鉀)∶n(溴化鈉)∶n(硫酸)=1∶0.86∶1.14∶0.24,在室溫下攪拌反應3 h。在該優化條件下,二溴海因產物的收率可達到91%。對所得產品進行進一步分析,發現所得產品的有效溴含量為55.9%,純度達到98.8%。該合成方法中采用溴化鹽,綠色安全,是一種環境友好、操作簡單、成本低廉且能清潔生產工藝。

3 結論

對二溴海因的合成工藝進行考察和優化,采用溴酸鉀和溴化鈉為產溴原料,環境友好。該合成方法得到的二溴海因產品不僅收率高,而且品質好,同時減少了溴的浪費,降低了生產成本,在很大程度上降低了對環境的污染。本合成技術綠色環保,操作方便,具有較好的經濟效益和社會效益。