高純間氯甲苯的合成研究

孫雅坤

（江蘇淮河化工有限公司，江蘇淮安 211742）

間氯甲苯又名3-氯甲苯，分子式C7H7Cl，分子量126.59。無(wú)色液體，熔點(diǎn)-47.8℃，沸點(diǎn)162℃，相對(duì)密度1.072 2，折射率1.521 4（19℃），閃點(diǎn)50℃。極易溶于乙醇、苯和氯仿，不溶于水。

間氯甲苯是一種有機(jī)中間體，可以用來(lái)合成間氯苯甲醛、間氯苯甲酸、間氯氯芐等醫(yī)藥中間體。

間氯甲苯可以用甲苯進(jìn)行氯化反應(yīng)生產(chǎn)，但由于甲苯氯化反應(yīng)的主產(chǎn)品是鄰氯甲苯和對(duì)氯甲苯，間氯甲苯只有極少的一部分。目前國(guó)內(nèi)的主要生產(chǎn)途徑是通過(guò)間甲苯胺進(jìn)行重氮化反應(yīng)生成重氮鹽酸鹽，再通過(guò)桑得邁爾反應(yīng)生成間氯甲苯，但在影響產(chǎn)品的各因素上控制各不相同，并直接導(dǎo)致最終成品的品質(zhì)與收率存在很大差異，進(jìn)而導(dǎo)致綜合成本與整體經(jīng)濟(jì)效益的巨大區(qū)別。基于此現(xiàn)狀，本文在各反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)不懈地實(shí)踐，最終尋找到了影響反應(yīng)全過(guò)程的較為全面的各控制因素的可控范圍，旨在優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)，最終對(duì)優(yōu)產(chǎn)、節(jié)能與減排等方面能有所幫助。綜合各方利弊，本法也是采用以間甲苯胺為主要原料的合成路線，只是在各控制因素上避開(kāi)了固有的思維束縛，考察了重氮化、桑得邁爾反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)溫度和鹽酸濃度對(duì)反應(yīng)的影響，獲得了比蘇南某地工業(yè)化生產(chǎn)單位的實(shí)驗(yàn)室小試（產(chǎn)品得率在75%左右）更好的結(jié)果；反應(yīng)后最終可生成粗品成分達(dá)99%以上，成品純度99.5%以上，產(chǎn)品綜合得率大于91%。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 反應(yīng)過(guò)程

1.1.1 重氮化反應(yīng)

將間甲苯胺溶解于鹽酸溶液中形成間甲苯胺的鹽酸鹽，再向該溶液中滴加亞硝酸鈉溶液，反應(yīng)一段時(shí)間后生成重氮鹽酸鹽溶液。反應(yīng)式如下：

1.1.2 桑得邁爾反應(yīng)

將上步反應(yīng)所得的重氮鹽酸鹽溶液滴加到氯化亞銅的鹽酸溶液中進(jìn)行反應(yīng)，生成間氯甲苯粗品。分離出油層進(jìn)行水洗后將油層進(jìn)行簡(jiǎn)單蒸餾后得到間氯甲苯成品。反應(yīng)式如下：

1.1.3 工藝流程簡(jiǎn)介

工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程圖

1.2 試劑和主要儀器

間甲苯胺，工業(yè)級(jí)，含量＞99.5%；亞硝酸鈉，工業(yè)級(jí)，含量＞99%；鹽酸，工業(yè)級(jí)，＞99.0%；氯化亞銅，＞98%；小蘇打，一級(jí)；尿素，工業(yè)級(jí)。

1 000mL三口燒瓶，溫度計(jì)，攪拌器，油水分離器，蛇管冷凝器，量筒，1 000mL燒杯，電熱恒溫水浴鍋，水蒸氣蒸餾裝置。

1.3 重氮化反應(yīng) 重氮鹽的生成

先將60g間甲苯胺充分溶于355g稀鹽酸中，形成間甲苯胺鹽酸鹽溶液，并隨即將此鹽酸鹽溶液放置在冰浴中，待溫度降至0℃時(shí)，慢慢滴加稀亞硝酸鈉溶液，控制滴加速度在1h左右，生成重氮鹽溶液。待反應(yīng)快到終點(diǎn)時(shí)，用淀粉碘化鉀試紙測(cè)定反應(yīng)終點(diǎn)即停加亞鈉溶液。繼續(xù)保溫?cái)嚢?h左右，加微量尿素至無(wú)氣泡冒出。將生成的重氮鹽溶液繼續(xù)放置在冰浴中備用。

1.4 桑得邁爾反應(yīng) 間氯甲苯的生成

將12g氯化亞銅充分溶于事先配制好的稀鹽酸中，在水浴鍋中維持在一定的溫度下緩慢滴加上述所得的重氮鹽溶液，并控制滴加時(shí)間為3h左右。滴加完后保溫一段時(shí)間，最后將反應(yīng)物降至常溫。分層，洗滌，蒸餾得成品。

2 結(jié)果與討論

綜合比較各次的實(shí)驗(yàn)情況，提高最終品質(zhì)與得率的最主要因素有以下兩點(diǎn)。

2.1 溫度

2.1.1 重氮化反應(yīng)溫度

重氮化反應(yīng)中，溫度的控制比較苛刻。在間甲苯胺重氮化的過(guò)程中，溫度的控制尤其嚴(yán)格，圖2為重氮化時(shí)溫度與其得率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2 重氮化時(shí)溫度與其得率的對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

由圖2得知：間甲苯胺在重氮化時(shí)，溫度控制在-5～-2℃反應(yīng)較佳，同時(shí)可發(fā)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)范圍也比較窄。除此溫度區(qū)域，其他溫度都不好且不經(jīng)濟(jì)。

2.1.2 桑得邁爾反應(yīng)溫度

對(duì)此合成的桑得邁爾反應(yīng)溫度也進(jìn)行了多次探索，圖3中反映的即為此反應(yīng)溫度與得率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 桑得邁爾反應(yīng)溫度與粗品得率關(guān)系示意圖

由圖3可看出：在桑得邁爾反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)溫度控制在25～30℃較好，而其他的溫度區(qū)域明顯較差。

2.2 鹽酸的濃度

鹽酸濃度有兩種，一是重氮化時(shí)的鹽酸濃度，另一是桑得邁爾反應(yīng)時(shí)的鹽酸濃度，這兩種濃度有一定的區(qū)別。在本實(shí)驗(yàn)中同樣做了大量的實(shí)踐與對(duì)比，總結(jié)如下。

2.2.1 重氮化時(shí)的鹽酸濃度

此時(shí)的鹽酸濃度要控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，太高與太低都會(huì)對(duì)重氮鹽產(chǎn)物產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致一些不必要的重氮絡(luò)合物的生成。如圖4所示。

圖4 鹽酸濃度與重氮鹽的得率關(guān)系示意圖

從圖4中可明顯看到，鹽酸濃度在20%時(shí)重氮鹽的得率最高，高于或低于此濃度，得率明顯降低。

2.2.2 桑得邁爾反應(yīng)時(shí)的鹽酸濃度

此反應(yīng)中的鹽酸以溶解氯化亞銅為目的，也可以說(shuō)是營(yíng)造一個(gè)適度酸度的氛圍，保護(hù)重氮鹽，抑制未來(lái)得及反應(yīng)的重氮鹽快速分解，最終使得在以氯化亞銅為催化劑的條件下讓重氮基脫氮。但考慮此反應(yīng)同樣亦生成水，因此，此處的鹽酸濃度也不能太高，但也不能太低。如圖5所示：

圖5 鹽酸濃度與桑得邁爾反應(yīng)得率的關(guān)系示意圖

由圖5可知，在桑得邁爾反應(yīng)中，鹽酸濃度在18%時(shí)，反應(yīng)最好。

3 結(jié)論

1）以間甲苯胺為原料，經(jīng)重氮化和桑得邁爾反應(yīng)制得高純間氯甲苯的合成工藝過(guò)程中：重氮化反應(yīng)溫度控制在-5～-2℃，鹽酸濃度在20%；桑得邁爾反應(yīng)溫度控制在25～30℃，鹽酸濃度在18%時(shí)，反應(yīng)效果較好，此時(shí)產(chǎn)品的得率在91%以上。

2）在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，影響反應(yīng)的因素很多，如亞硝酸鈉溶液的濃度，亞硝酸鈉的過(guò)量問(wèn)題，攪拌速度問(wèn)題，滴加速度的均勻度問(wèn)題，桑得邁爾反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)的溫度控制問(wèn)題等，這都需要做到很好的把握。

3）按上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，最終可生成粗品成分達(dá)99%以上，成品純度大于99.5%的間氯甲苯成品55g。此結(jié)果無(wú)論從產(chǎn)品的得率和最終成品的純度上，都比蘇南某地工業(yè)化生產(chǎn)單位的實(shí)驗(yàn)室小試結(jié)果好。他們的最終產(chǎn)品得率在75%左右，而本法制得的最終產(chǎn)品得率高達(dá)91%。對(duì)低濃度鹽酸溶液、氯化亞銅催化劑、洗滌水等的套用，也做了一些實(shí)踐，達(dá)到了預(yù)期效果，為更好地實(shí)現(xiàn)本產(chǎn)品的工業(yè)化節(jié)能減排工作提供了一定的幫助。