催化加氫合成3,5-二甲基-1,2-苯二胺的工藝優(yōu)化

毛仁群， 許慶博， 徐保明， 陳 夢， 陳 坤

(湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

催化加氫合成3,5-二甲基-1,2-苯二胺的工藝優(yōu)化

毛仁群， 許慶博， 徐保明， 陳 夢， 陳 坤

(湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

研究以1,5-二甲基-2,3-二硝基苯為底物，通過Pd/C催化氫化合成3,5-二甲基-1,2-苯二胺的工藝。考察不同溶劑、反應(yīng)壓力、催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間及催化劑重復(fù)使用次數(shù)諸因素對產(chǎn)物3,5-二甲基-1,2-苯二胺收率的影響。最佳工藝為：底物0.015 mol，甲醇溶劑30 mL，10%Pd/C催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，反應(yīng)壓力0.5 MPa，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時間5 h，產(chǎn)物3,5-二甲基-1,2-苯二胺為白色晶體，平均收率大于94%。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)經(jīng)紅外、質(zhì)譜及核磁數(shù)據(jù)表征確認(rèn)。

1,5-二甲基-2,3-二硝基苯； 3,5-二甲基-1,2-苯二胺； 催化氫化； 合成

3,5-二甲基-1,2-苯二胺含有2個活性基團氨基，因而在醫(yī)藥領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。其下游產(chǎn)品苯并咪唑類化合物，許多具有顯著的生物活性，在抗高血壓、抗腫瘤、抗病毒、殺菌、消炎和抗寄生蟲等方面有著重要的醫(yī)用價值[1]。作為苯并咪唑的上游藥品，對其合成的研究及工藝優(yōu)化不僅具有學(xué)術(shù)意義，而且具有一定的社會及經(jīng)濟效益。

苯環(huán)上的硝基還原制備成相應(yīng)的胺基，因其操作簡單，收率高，現(xiàn)已成為精細化工行業(yè)制備芳胺的常用方法[2-4]。硝基化合物的氫化還原主要有以下幾個方法：1)催化氫化法；2)CO/H2O還原；3)金屬還原法；4)硫化堿還原法；5)金屬氫化物還原法。比較這幾種氫化還原法，催化加氫法和CO/ H2O還原法較符合綠色化學(xué)的要求，尤其催化加氫法工藝相對成熟，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價值，因此選擇環(huán)保、高效、操作相對簡單以及后處理簡單的催化氫化法合成目標(biāo)產(chǎn)物。本文探究了一種新的合成工藝方法：以氫氣作氫源，10%Pd/C作催化劑，優(yōu)化3,5-二甲基-1,2-苯二胺的合成工藝，為Pd/C催化加氫合成3,5-二甲基-1,2-苯二胺的工業(yè)化研究提供參考。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

1,5-二甲基-2,3-二硝基苯，自制；10%Pd/C；氫氣，純度為99.9%；其他試劑均在國藥試劑公司采購，分析純。GC9160氣相色譜分析儀(上海歐華分析儀器廠)；YZPR-100型反應(yīng)釜(上海巖征儀器有限公司)。

1.2 實驗步驟

向YZPR-100型高壓釜內(nèi)通入一定壓力的氮氣，若壓力2 h以上保持不變，則表明高壓反應(yīng)釜不漏氣。確定反應(yīng)釜不漏氣后，將1,5-二甲基-2,3-二硝基苯3.0 g(15 mmol)，10%Pd/C 0.15 g，無水甲醇30 mL加入裝有溫度計、磁力攪拌器的反應(yīng)釜中。先通入一定壓力的氮氣，排空反應(yīng)釜中的空氣，連續(xù)排三次，再通入一定壓力的氫氣，連續(xù)置換3次，通氫氣至高壓反應(yīng)釜壓力0.5 MPa，攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min，反應(yīng)溫度控制在60℃左右。待氫氣不再被吸收，反應(yīng)基本結(jié)束，反應(yīng)釜溫度冷卻至室溫，放氣。用一定壓力氮氣置換三次，開釜放出料液，過濾回收催化劑，除去部分甲醇等低沸點組分，結(jié)晶，得到產(chǎn)品3,5-二甲基-1,2-苯二胺，經(jīng)GC檢測純度大于98%，收率94%左右。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溶劑的選擇

10%Pd/C催化劑5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，反應(yīng)壓力0.5 MPa，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時間5 h。在此相同的實驗條件和反應(yīng)方式下，分別考察水、乙醇和甲醇為溶劑對產(chǎn)物收率的影響。根據(jù)氣相色譜檢測的含量結(jié)果，計算出產(chǎn)品的收率。分析結(jié)果如表1所示。

表1 不同溶劑對3,5-二甲基-1,2-苯二胺收率的影響

由表1可清楚的觀察到，1,5-二甲基-2,3-二硝基苯在有機溶劑中比在水中更容易氫化，并且在極性有機溶劑中收率較高，故將極性有機溶劑甲醇作為反應(yīng)溶劑。

第三，必須把融合理念作為抓手。推進精準(zhǔn)扶貧、精準(zhǔn)脫貧，不能就扶貧抓扶貧，必須把扶貧開發(fā)作為推進整個農(nóng)村“五位一體”戰(zhàn)略布局的“撬杠”。金雞產(chǎn)業(yè)項目的入駐，不僅有力推動了脫貧攻堅，也引發(fā)了一系列鏈條效應(yīng)，衍生出蛋雞養(yǎng)殖、食品加工和雞糞發(fā)電三大產(chǎn)業(yè)，形成一個配套銜接、鏈條完備、類別多樣的產(chǎn)業(yè)體系，帶動現(xiàn)代物流、農(nóng)村旅游、特色小鎮(zhèn)等融合發(fā)展，有效提升了威縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展大格局，加快推動了一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。

2.2 反應(yīng)壓力的選擇

甲醇 30 mL，10%Pd/C催化劑5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時間5 h。在此相同的實驗條件及反應(yīng)方式下進行實驗，考察氫氣壓力對產(chǎn)物收率的影響，分析結(jié)果如表2所示。

表2 反應(yīng)壓力對3,5-二甲基-1,2-苯二胺收率的影響

從表2可見，反應(yīng)壓力的增大有利于底物的被還原部分接近催化劑表面活性部位，促進催化氫化反應(yīng)的順利進行，產(chǎn)物3,5-二甲基-1,2-苯二胺的收率增加。當(dāng)反應(yīng)壓力超過0.5 MPa時，產(chǎn)物收率增加速度減慢。考慮到安全及能耗的問題，選用0.5 MPa為最佳反應(yīng)壓力。

2.3 催化劑用量的選擇

甲醇30 mL，反應(yīng)壓力0.5 MPa，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時間5 h。在此相同的實驗條件及反應(yīng)方式下進行反應(yīng)，考察10%Pd/C催化劑用量分別占底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%、5%、7%、10%時對反應(yīng)產(chǎn)物組成的影響。分析結(jié)果如表3所示。

表3 催化劑用量對產(chǎn)物組成的影響 %

由表3數(shù)據(jù)分析比較可知，隨著催化劑用量的增加，目標(biāo)產(chǎn)物收率越高。當(dāng)催化劑用量低于5%時，收率增加明顯；當(dāng)催化劑用量高于5%時，產(chǎn)物收率增加不明顯。綜合考慮，10%Pd/C催化劑的最佳用量為5%。

2.4 反應(yīng)溫度的選擇

表4 反應(yīng)溫度對產(chǎn)物組成的影響

由表4分析結(jié)果可知，在設(shè)計的反應(yīng)溫度內(nèi)，反應(yīng)溫度越高，催化劑活性越高，反應(yīng)進度越大，當(dāng)反應(yīng)溫度超過60℃后，反應(yīng)進度增加不明顯。故確定60℃為最佳反應(yīng)溫度。

2.5 反應(yīng)時間的選擇

甲醇30 mL，10%Pd/C催化劑5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，反應(yīng)壓力0.5 MPa，反應(yīng)溫度60℃。反應(yīng)在此相同的實驗條件及反應(yīng)方式下進行，考察不同的反應(yīng)時間對產(chǎn)物組成的影響。分析結(jié)果如表5所示。

表5 反應(yīng)時間對產(chǎn)物組成的影響

由表5結(jié)果可知，適當(dāng)?shù)难娱L時間有利于提供目標(biāo)產(chǎn)物的收率。當(dāng)超過5h以后，目標(biāo)產(chǎn)物的收率增加不明顯，反而會造成過多的能耗。故確定5 h為最佳反應(yīng)時間。

2.6 催化劑的循環(huán)利用

甲醇30 mL，10%Pd/C催化劑5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，反應(yīng)壓力0.5 MPa，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時間5 h。在此最佳工藝條件下進行實驗，將過濾截留下來的催化劑進行回收套用實驗?？疾焯子么呋瘎Ξa(chǎn)品收率的影響。催化劑的回收利用實驗結(jié)果如表6所示。

表6中顯示了10%Pd/C催化劑套用次數(shù)及相對應(yīng)的產(chǎn)品收率.由表中實驗數(shù)據(jù)可知，隨著催化劑套用次數(shù)的增加，催化活性有明顯的下降，當(dāng)催化劑被套用3次以后，催化劑明顯失活，產(chǎn)品收率僅為48.9%，與穩(wěn)定性實驗所得平均收率94.16%相差較大。說明催化劑循環(huán)使用4次后，其活性才明顯下降。

表6 催化劑循環(huán)利用實驗

2.7 穩(wěn)定性實驗

在確定的最佳條件下，進行了穩(wěn)定性試驗，3,5-二甲基-1,2-苯二胺的平均收率為94%左右。分析結(jié)果如表7所示。

表7 最佳工藝條件下的穩(wěn)定性實驗

3 結(jié)論

通過以上分析比較，得出較佳的工藝條件：底物0.015 mol，30 mL甲醇，5%用量的10%Pd/C為催化劑，0. 5 MPa的反應(yīng)壓力，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時間5 h，3,5-二甲基-1,2-苯二胺的平均收率大于94%。

本工藝通過催化氫化法合成目標(biāo)產(chǎn)物3,5-二甲基-1,2-苯二胺，產(chǎn)物收率和純度高，操作及后處理簡單，反應(yīng)中幾乎無三廢，催化劑可重復(fù)使用。

[1] Kopanska K, Zebrowska N J, Chomicz L, et al. Synthesis and activity of 1H-benzimidazole and 1H-benzotriazole derivatives as inhibitors of Acanthamoeba castellanii[J]. Bioorganic & Medicinal Chemistry, 2004, 12(10):2617-2624.

[2] Figueras F, Coq B. Hydrogenation and hydrogenolysis of Nitro-, Nitroso-, Azo-, Azoxy- and other nitrogen-containing compounds on palladium[J]. ChemInform, 2002, 173(10):223-230.

[3] Mohapatra S K, Sonavane S U, Jayaram R V, et al. Reductive cleavage of azo dyes and reduc- tion of nitroarenes over trivalent iron incorporated hexagonal mesoporous aluminophosphate molecular sieves[J]. Applied Catalysis B Environmental, 2003, 46(1):155-163.

[4] 周云,徐保明,阮華屹,等.催化加氫合成對甲氧基苯甲醇的工藝優(yōu)化[J].化學(xué)世界,2013,54(4):237-240.

[責(zé)任編校： 張 眾]

Process Optimization of Synthesizing 3,5-dimethylbenzene-1,2-diamine by Catalytic Hydrogenation

MAO Renqun, XU Qingbo, XU Baoming, CHEN Meng, CHEN Kun

(SchoolofMaterialsandChemicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

In this paper, the process of synthesizing 3,5-dimethyl-1,2-diaminobenzene by using the methods of catalytic hydrogenation which use 1,5-dimethyl-2,3-dinitrobenzene as the substrate,and Pd/C as the catalyst is studied. The different factors which may influence the yield of the3,5-dimethyl-1,2-diaminobenzene, such as solvents, pressure,catalyst dosage, temperature, time and the number of the catalyst reused are discussed.The results show that the best performance occurs under the circumstance of 0.015 mol substrate , 30 mL methanol solvent, 5% dosage of catalyst ,0.5MPa of the pressure , 60℃ of the temperature ,5 hours of the reaction time; after filtering,vacuum distillation and recrystallization, we can get the product 1,5-dimethyl-2,3-diaminobenzene which is white crystal ,and the yield is greater than 94%.The structure of the product is also confirmed by IR, MS and1H-NMR data.

1,5-dimethyl-2,3-dinitrobenzene; 1,5-dimethyl-2,3-diaminobenzene; catalytic hydrogenation; synthesis

2017-02-21

毛仁群(1990-)， 男， 湖北棗陽人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為精細化學(xué)品合成

陳坤(1963-), 男, 湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)教授,研究方向為精細化學(xué)品綠色工藝

1003-4684(2017)02-0055-03

Q621.3

A