苯并三氮唑合成工藝的改進

薛循育 柯德宏 劉征宙

1上海沃凱生物技術有限公司 (上海 201507)

2國藥集團化學試劑有限公司 (上海 200002）

苯并三氮唑（BTA）是一種極其重要的含氮類雜環(huán)物質，關于其合成以及應用的報道有很多。在精細化學品領域，苯并三氮唑主要作為水處理劑、金屬防銹劑和緩蝕劑，廣泛用于循環(huán)水處理劑、防銹油、脂類產品中，也用作銅及銅合金的氣相緩蝕劑、潤滑油添加劑。在電鍍中，苯并三氮唑用于表面純化銀、銅、鋅，有防變色的作用。較高純度的苯并三氮唑可用作分析試劑，與氨水及乙二胺四乙酸合用，可用于選擇性地測定銀、銅、鋅。高純度苯并三氮唑可以作為合成用試劑和高純分析標準物質，如德國默克集團生命科學業(yè)務部的分析標準品苯并三氮唑（Sigma-Aldch）、ReagentPlus（試劑純，99%）、VetecTM（優(yōu)級純，98%）等三個規(guī)格的試劑，可用作環(huán)境污染和人類接觸源方面的分析標準物質[1]、小分子氨基脲衍生物的合成用試劑[2]等。

苯并三氮唑的合成路線有鄰苯二胺法、苯并咪唑酮法、鄰硝基苯肼法和鄰硝基氯苯法等[3-7]。苯并咪唑酮法是苯并咪唑酮與亞硝酸鈉水溶液在190℃、高壓下反應，經酸化、水洗、干燥獲得產品。鄰硝基苯肼法是鄰硝基苯肼在氨水、異丙醇和己二醇混合水溶液中，在140℃和高壓下反應，生成1-羥基苯并三氮唑，用Cu-Cr2O3作催化劑，通入氫氣和氮氣，在160℃和高壓下脫氧加氫，生成苯并三氮唑。這2種方法原料價格高，且都需要高溫、高壓的條件，制約了在工業(yè)上的應用。黃清東等[8]發(fā)明的苯并三氮唑的合成方法，是以四氫呋喃為溶劑，加入鄰硝基氯苯與水合肼合成1-羥基苯并三唑，再脫氧加氫還原1-羥基苯并三唑，然后經中和、萃取、重結晶制備苯并三氮唑。該法收率較高，但后處理麻煩。鄰苯二胺法是最經典的合成苯并三氮唑的方法，包括鄰苯二胺常壓合成法和經過改進的鄰苯二胺高壓法。常壓合成法即在1～5℃的低溫下，鄰苯二胺、冰乙酸與亞硝酸鈉進行重氮化反應，然后迅速升溫至80℃，脫水環(huán)化成苯并三氮唑，冷卻后得到粗品，粗品經過減壓蒸餾并用苯重結晶，干燥后得純品。該法存在一些缺點：（1）由于重氮、環(huán)化反應溫度不易控制，生成的油狀物難以凝結成固體，給后續(xù)操作帶來麻煩；（2）粗品用減壓蒸餾法提純，由于苯并三氮唑真空蒸餾時可能發(fā)生分解爆炸[9]，帶來極大的安全隱患；（3）重結晶時用大量苯、四氫呋喃等作溶劑，不僅易燃、污染環(huán)境，而且給操作者帶來嚴重的健康威脅。由于該法收率低、環(huán)境污染嚴重，我國科研人員采用加壓一步法合成苯并三氮唑，現(xiàn)已取得成功。經過改進的高壓法，反應在200℃和4.8×106Pa的壓力下進行，無需冰乙酸，副反應少，減少了重氮偶合產生深顏色焦油狀物質的機會，從而提高了產品的收率，同時使產品的純化變得容易，但該法設備投資大。為此，采用鄰苯二胺的常壓合成方法，并作了多參數的實驗研究，從而使苯并三氮唑合成工藝得到改進。

綠色化工是化學工作者對自然界綠色意識的完美追求。針對上述合成方法威脅操作者健康與安全、污染生態(tài)環(huán)境等缺點，作了工藝改進。（1）提高反應溫度，由于重氮、環(huán)化反應同時進行，其中重氮鹽環(huán)化時又必須給予重氮物足夠的活化能，即環(huán)化反應須在較高的溫度下進行。因此，苯并三氮唑的重氮反應速率實際上取決于環(huán)化反應速率，所以提高反應溫度有利于反應向生成苯并三氮唑的方向進行。研究表明，將反應溫度提高至90～95℃為最佳范圍。（2）為防止粗品成為油狀物，在反應液溫度下降至45～50℃時，直接投入干凈的冰塊，使反應液溫度急劇下降，此時可立即析出固體狀小顆粒，使后續(xù)操作更加容易，解決了固體油狀物不易處理的問題。（3）采用水作溶劑的重結晶提純方法取代真空蒸餾和苯重結晶，解決了安全隱患和環(huán)境污染問題。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和實驗試劑

Auatar 360傅里葉紅外光譜儀、熔點儀，美國尼高力儀器公司。

鄰苯二胺、亞硝酸鈉、冰乙酸，實驗所用均為工業(yè)級產品。

1.2 合成原理

以鄰苯二胺、亞硝酸鈉為原料制備苯并三氮唑的合成路線見反應方程式（1），在冰乙酸與水的混合液中加溫反應，控制回流溫度，進行反應條件的篩選。

1.3 實驗操作

分別稱取一定量的鄰苯二胺、亞硝酸鈉，投入水中攪拌，并把冰乙酸快速加到混合液中，升溫進行反應。合成反應中亞硝酸鈉為強氧化劑，反應配比少于鄰苯二胺，使反應更溫和。同時，控制加溫回流，當溫度迅速上升后，保持在90～95℃，反應一定時間。然后在反應液冷卻至一定溫度時，將碎冰塊直接加到反應液中，使其溫度迅速冷卻至15℃以下，得到易沉淀的顆粒狀固體，離心得苯并三氮唑粗品。

苯并三氮唑粗品中存在少量的副產物。用過量的水溶解苯并三氮唑粗品，加入活性炭，加熱到95～100℃，回流1 h，趁熱壓濾，濾液冷卻到10～15℃，析出白色針狀結晶，經過離心脫水、干燥得苯并三氮唑純品。以鄰苯二胺計算收率。

2 結果與討論

2.1 反應溫度對反應收率的影響

設定反應溫度分別為 80，85，90，95 和 100℃，反應時間均為1 h，實驗結果見表1。

表1 反應溫度對反應收率的影響

從表1可以看出，溫度偏低或偏高對反應均有影響。這是因為溫度偏低時反應不完全，偏高時鄰苯二胺易被氧化，均不利于鄰苯二胺的縮合反應。因此，合適的溫度范圍為90～95℃。

2.2 反應時間對成品收率的影響

固定反應溫度為90℃，將反應時間分別設定為30，45，60，75和 120 min，考察時間對收率的影響。實驗結果見表2。

表2 反應時間對收率的影響

由表2可知，反應時間為60 min時，產物收率較高。這是因為：反應時間較短時，反應不完全，收率較低；反應至60 min時，反應程度達到峰值，此時副產物少，產品收率高；反應時間過久，由于有酸的存在，增加了重氮偶合產生深顏色焦油狀物的機會，使副產物增加。因此，適宜的反應時間取60 min。

2.3 反應液迅速冷卻時的溫度對反應的影響

固定反應溫度為90℃、反應時間為60 min，將反應液急冷時的溫度分別設定為70，60，50，40和30℃，實驗結果見表3。

表3 反應液急冷時的溫度對收率的影響

由表3及反應過程現(xiàn)象可知：反應60 min，在溫度高于50℃時加入碎冰塊，不能使反應溫度快速下降，達不到急冷的效果；在溫度低時加入碎冰塊，焦油狀物已開始析出，后處理困難。在反應液溫度降到50℃時，立即加入碎冰塊，使反應液溫度迅速下降至15℃以下，促進縮合反應產物析出，此時，產物的收率較高，為滑爽的固體狀顆粒，極易分離收集得到苯并三氮唑粗品，使后續(xù)處理簡便、安全。

苯并三氮唑純品的熔點為97～99℃，因此結晶干燥溫度不宜過高，結晶在60℃干燥時，苯并三氮唑純品的收率達90%以上，且結晶顆粒形態(tài)良好。

3 結論

控制反應原料比、加熱溫度以及溫度維持是苯并三氮唑合成工藝的關鍵。在90～95℃下反應60 min，在反應液溫度下降至約50℃時，投入碎冰塊使其溫度急劇下降，此時可得苯并三氮唑粗品，且收率較高。改進后的合成工藝縮短了反應時間，操作安全、簡便，工藝簡單、制備過程容易控制，產物收率高、質量好，易于工業(yè)化生產。