基于連續(xù)流反應(yīng)的間二硝基苯合成工藝研究

李 波 ，朱曉磊 ，孫 聰 ，顧 衛(wèi) ，韓璐璐 ，狄 夢(mèng) ，茆勇軍 ，王 晗

（上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，上海 201620）

間二硝基苯（m-DNB）是一種非常重要的基礎(chǔ)工業(yè)化學(xué)品，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、感光材料、印染等行業(yè)[1]. 其衍生物包括間苯二胺（MPA）、間氨基苯酚（MAP）和間苯二酚都有許多工業(yè)用途[2?4]，僅間苯二胺全球年產(chǎn)量就超過50 000 t.

1 NB同系物及傳統(tǒng)工藝介紹

以硝基苯（NB）為原料，硝酸和硫酸混合硝化制備鄰二硝基苯（o-DNB）、間二硝基苯（m-DNB）、對(duì)二硝基苯（p-DNB），產(chǎn)物比例為12∶85∶3，實(shí)驗(yàn)方法如圖1所示. 實(shí)驗(yàn)室一般用大量水稀釋酸性反應(yīng)液，過濾分離得到3種異構(gòu)體，其中的主要產(chǎn)物m-DNB是通過Na2SO3水溶液洗滌得到，但這樣會(huì)產(chǎn)生大量廢水[5].考慮到多余酸的回收再利用，以及有效地重結(jié)晶來純化產(chǎn)物，本研究選用更為高效綠色環(huán)保的反應(yīng)方法.

圖1 m-DNB及其同系物的制備Fig. 1 Preparation of m-DNB and congeners

二硝基苯的工業(yè)生產(chǎn)是在傳統(tǒng)的反應(yīng)器中進(jìn)行的[6]. 由于硝基苯轉(zhuǎn)化為二硝基苯的反應(yīng)熱為155.03 kJ/mol，因此傳統(tǒng)工藝存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，此外，過熱也有可能導(dǎo)致主產(chǎn)品產(chǎn)量低下. 為開發(fā)用于制備二硝基苯的可靠且可重復(fù)的連續(xù)流動(dòng)工藝[7?9]，本研究開展了微通道反應(yīng)技術(shù)的一系列研究，以降低二硝基苯大規(guī)模生產(chǎn)和分離的風(fēng)險(xiǎn)，連續(xù)流程如圖2所示. 研究考察了反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、硝基苯與硝酸的比例、硫酸與硝酸的比例等因素對(duì)反應(yīng)的影響.

圖2 間二硝基苯制備的連續(xù)流程圖Fig. 2 Continuous-flow process diagram for the preparation of m-dinitrobenzene

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：微通道反應(yīng)器、氣相色譜儀、燒杯、量筒、天平.

實(shí)驗(yàn)試劑：98%濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，全文同）的H2SO4、65% 濃度的HNO3、水、硝基苯、NaOH 水溶 液、95%濃度的乙醇、CH2Cl2、NaHCO3水溶液.

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

制備含有98% 濃度的H2SO4、65%濃度的HNO3和水的混合物，放入試劑瓶B中，將硝基苯放入試劑瓶A中，將A、B兩瓶分別置于天平A、B上，通過減重校正實(shí)際用于反應(yīng)的物料質(zhì)量.

當(dāng)微通道達(dá)到一定溫度時(shí)，混合酸溶液和硝基苯分別以一定的流速由兩臺(tái)泵A和B泵送入反應(yīng)器. 系統(tǒng)穩(wěn)定（約5 min）后，將產(chǎn)物收集到500 mL絕緣提取器中（不攪拌）. 全連續(xù)流反應(yīng)器運(yùn)行1 h，記錄消耗的混合酸和硝基苯.

將提取器中的反應(yīng)溶液冷卻至室溫，分離產(chǎn)物和混合酸（下層）. 將酸排放到燒杯中，并添加計(jì)算量的98%濃度的H2SO4和發(fā)煙HNO3以將酸濃度調(diào)節(jié)至一定量后可再次使用. 向得到的二硝基苯產(chǎn)品中添加水，加熱混合物，直至熔融.

用20%濃度的NaOH水溶液將上層水層調(diào)節(jié)至pH=7～7.5，靜置20 min后，將下層（二硝基苯）通過絕緣管轉(zhuǎn)移到500 mL結(jié)晶器中，向結(jié)晶器中加入95%濃度的乙醇，在80 ℃下加熱并攪拌30 min，然后將溶液冷卻至室溫，通過抽濾收集產(chǎn)物，用95%濃度的乙醇洗滌2次，最后在35 ℃下干燥4 h以得到白色固體形式的m-DNB，用氣相色譜測(cè)其純度.

3 實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

3.1 硫酸濃度的研究

混合酸的硫酸濃度計(jì)算公式為

傳統(tǒng)方法中，工業(yè)生產(chǎn)二硝基苯是用硝基苯和混合酸在90 ℃下反應(yīng)2 h，硫酸濃度為96%，反應(yīng)物的摩爾比為n(H2SO4)∶ n(HNO3)=1.8/1，n(HNO3)∶n(NB)=1.07∶1[10]. 本研究將該反應(yīng)方法與微通道技術(shù)相結(jié)合，對(duì)此進(jìn)行研究.

當(dāng)微通道反應(yīng)器夾套溫度上升到設(shè)定點(diǎn)（溫度>72 ℃）時(shí)，硝基苯和混合酸分別從柱塞泵A（SANOTACTM MP0506C，316SS）和 泵B（SANOTACTM MP0502C）輸送到微通道反應(yīng)器芯片（蘇州文豪有限公司，持液率3 mL × 3串聯(lián)），即圖2中的QA和QB所示. 因?yàn)槎趸降娜埸c(diǎn)為60～70 ℃，所以流體管道必須用保溫棉保溫，以防止產(chǎn)品凝固. 同時(shí)產(chǎn)物收集到含有冰水和CH2Cl2的容器中，將反應(yīng)液分離，分別用3%濃度的NaHCO3和去離子水洗滌，除去微量酸和無機(jī)物，通過高效液相色譜分析，結(jié)果如圖3所示.

圖3 硫酸濃度對(duì)NB轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物產(chǎn)率的影響Fig. 3 Effect of sulfuric acid concentration on conversion of NB and product productivity

從圖中可以看出硫酸濃度從96%降低到92%后，硝基苯的轉(zhuǎn)化率和主要產(chǎn)物m-DNB的選擇性顯著提高. 當(dāng)硫酸濃度低于92%時(shí)，硝基苯的轉(zhuǎn)化率明顯降低. 因此，選擇92%的硫酸濃度進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化研究.

3.2 n(H2SO4)∶ n(HNO3)的影響研究

當(dāng)混合酸作為硝化劑時(shí)，硫酸可作為催化劑或脫水劑. 混合酸中硫酸的含量是硝化反應(yīng)的重要影響因素. 實(shí)驗(yàn)中改變n(H2SO4)∶ n(HNO3)為1.8∶1～5.8∶1，影響如圖4所示. 從圖中可以看出，硝基苯的轉(zhuǎn)化率隨著硫酸用量的增加而增加，最佳摩爾比n(H2SO4)∶ n(HNO3)為5.3∶1.

圖4 n(H2SO4)∶ n(HNO3)對(duì)NB轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物產(chǎn)率的影響Fig. 4 Effect of molar ratio of H2SO4 and HNO3 on conversion of NB and product productivity

3.3 n(HNO3): n(NB)的影響研究

適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)物摩爾比可促進(jìn)轉(zhuǎn)化，提高產(chǎn)物產(chǎn)率. HNO3與NB摩爾比對(duì)硝基苯轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品產(chǎn)率的影響如圖5所示. 硝基苯的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)物摩爾比的增加而增加，當(dāng)n(HNO3)∶ n(NB)>1.15時(shí)，硝基苯的轉(zhuǎn)化率基本不變.

圖5 n(HNO3)∶ n(NB)對(duì)NB轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物產(chǎn)率的影響Fig. 5 Effect of the molar ratio of HNO3 and NB on conversion of NB and product productivity

3.4 反應(yīng)溫度的研究

根據(jù)上述的熔點(diǎn)，反應(yīng)溫度需要高于70 ℃，否則微通道和管道易被堵塞. 而當(dāng)溫度高于100 ℃時(shí)，高效液相色譜分析結(jié)果表明硝基苯的產(chǎn)率降低. 硝酸的分解速率可能在較高的溫度下增加. 反應(yīng)溫度對(duì)硝基苯轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物產(chǎn)率的影響如圖6所示. 從圖中可以看出，硝基苯的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的升高先升高后降低，在85 ℃下二硝基苯的產(chǎn)率達(dá)到84.9%，為使經(jīng)濟(jì)效益最大化，將反應(yīng)溫度控 制在85 ℃.

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)NB轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物產(chǎn)率的影響Fig. 6 Effect of reaction temperature on conversion of NB and product productivity

3.5 停留時(shí)間的研究

停留時(shí)間過短可能導(dǎo)致試劑轉(zhuǎn)化率過低，而停留時(shí)間過長則會(huì)導(dǎo)致副產(chǎn)物過多. 停留時(shí)間對(duì)硝基苯轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品產(chǎn)率的影響如圖7所示. 在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)保留時(shí)間達(dá)到一定水平時(shí)，硝基苯的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物產(chǎn)率幾乎保持不變，因此反應(yīng)的保留 時(shí)間最好為70 s.

圖7 保留時(shí)間對(duì)NB轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物產(chǎn)率的影響Fig. 7 Effect of retention time on conversion of NB and product productivity

3.6 最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件實(shí)例

取98%濃度的H2SO4、65%濃度的HNO3和水制備成硫酸濃度為92% 的混酸置于試劑瓶B，在試劑瓶A中放入硝基苯，將A、B兩瓶分別置于天平A、B上，通過減重校正實(shí)際用于反應(yīng)的物料質(zhì)量.

當(dāng)微通道溫度達(dá)到85 ℃時(shí)，混合酸溶液和硝基苯分別以6.0 mL/min和1.6 mL/min的流速由兩臺(tái)泵A和B泵送入反應(yīng)器. 系統(tǒng)穩(wěn)定（約5 min）后，將產(chǎn)物收集到500 mL絕緣提取器中（但不攪拌）. 全連續(xù)流反應(yīng)器運(yùn)行15 min，消耗混合酸（124 g，平衡B）和硝基苯（22.4 g）.

將提取器中的反應(yīng)溶液冷卻至室溫，分離產(chǎn)物和混合酸（下層）. 將酸排放到燒杯中，根據(jù)實(shí)際計(jì)算，可再添加98% 濃度的H2SO4和發(fā)煙HNO3，將酸濃度調(diào)節(jié)至92%后再次使用. 向提取器中得到的二硝基苯產(chǎn)品中添加水（25.7 g），并將混合物加熱至80 ℃，熔化固體并攪拌溶液.

用20% 的NaOH水溶液（10 min）將上層水層調(diào)節(jié)至pH=7.0～7.5. 在80 ℃下靜置20 min后，將下層（二硝基苯）通過絕緣管轉(zhuǎn)移到500 mL結(jié)晶器中，向結(jié)晶器中加入95%濃度的乙醇（60 mL），在80 ℃下加熱并攪拌30 min，將溶液冷卻至室溫.通過抽濾收集產(chǎn)物，用95%濃度的乙醇（10 mL×2）洗滌，在35 ℃下干燥4 h以得到白色固體形式的m-DNB（26.2 g，85.5%），熔點(diǎn)89.1～90.2 ℃，純度>99%（氣相色譜分析）.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，本研究通過分析硝基苯連續(xù)流動(dòng)硝化過程中反應(yīng)參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，獲得的最佳反應(yīng)條件為：T = 85 ℃，t = 70 s，硫酸濃度為92%，x（H2SO4/HNO3）= 5.3，x（HNO3/NB）= 1.15，QA=1.6 mL/min，QB= 6.0 mL/min. 在此條件下，硝基苯的轉(zhuǎn)化率為99.2%，對(duì)二硝基苯、間二硝基苯和鄰二硝基苯的產(chǎn)量分別為3.5%、85.5%和10.2%，可以滿足高效工業(yè)生產(chǎn)的需要.

將混合的二硝基苯產(chǎn)品收集到一個(gè)絕緣的提取器中，多余的混合酸冷卻至室溫后被分離，通過添加適當(dāng)計(jì)算量的H2SO4和HNO3后，可再次使用. 將固化的二硝基苯和水在80 ℃加熱攪拌，用NaOH水溶液將上層水層調(diào)節(jié)至pH=7～7.5，下部的二硝基苯層通過保溫管轉(zhuǎn)移到結(jié)晶器中，在結(jié)晶器中加入95%濃度的乙醇，通過重結(jié)晶可分離出總收率在75%以上的產(chǎn)物m-DNB.

采用CBP1-S25-050色譜柱（25 m×0.32 mm×0.5 μm），在島津2014C上用火焰離子化檢測(cè)器進(jìn)行氣相色譜分析，氫氣流速為30 mL?min?1；氮?dú)饬魉贋?0 mL?min?1. 溫度在80 ℃下保持恒定3 min，然后以10 ℃?min?1的速率從80 ℃升高到170 ℃，然后以4 ℃?min?1的速率立即從170 ℃升高到200 ℃，并在200 ℃下保持恒定5 min. 前進(jìn)口溫度為230 ℃，氣相色譜法測(cè)定組分（保留時(shí)間）為：NB（11.2 min）、p-DNB（19.5 min）、m-DNB（20.6 min）、o-DNB（22.0 min）. 測(cè)量成分比例的氣相色譜（GC）校準(zhǔn)曲線如圖8所示.

圖8 硝基苯（NB）和p-DNB、m-DNB、o-DNB的典型氣相色譜分析Fig. 8 A typical GC run of nitrobenzene (NB) and p-DNB, m-DNB, o-DNB

5 結(jié) 語

利用微流控反應(yīng)技術(shù)，在調(diào)節(jié)硫酸酸強(qiáng)、硝酸與硫酸的摩爾比、硝酸與硝基苯的摩爾比、反應(yīng)溫度和停留時(shí)間等參數(shù)的基礎(chǔ)上，得到一條合成間二硝基苯的路線，該路線綠色環(huán)保高效且操作簡(jiǎn)便，可以滿足高效工業(yè)生產(chǎn)的需要.