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(xué)科技有限公司,河北 邯鄲 057550;2.河北鑫淘沅醫(yī)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(jié)晶固體,微溶于水,可溶于常用有機(jī)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(wěn)定且價(jià)格經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。因其活性溴含量達(dá)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(yīng)用于醫(yī)藥,農(nóng)藥及橡膠工業(yè)等產(chǎn)品的合成[2]。由于二溴海因在水溶液中能與水反應(yīng)生成強(qiáng)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(duì)微生物的細(xì)胞壁、活性酶或其DNA產(chǎn)生破壞,導(dǎo)致微生物因氧化分解而失活,從而實(shí)現(xiàn)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(shù)微生物[3-6]。具有高效快速,光譜低毒及低殘留,適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng),有效周期長,穩(wěn)定性好,安全性高,配伍性好且廉價(jià)經(jīng)濟(jì)的先天優(yōu)勢(shì),成為目前應(yīng)用較為廣泛的新型廣譜殺菌劑[7-9]。有學(xué)者就采用1 mg/L的二溴海因消毒液對(duì)水中的細(xì)菌進(jìn)行殺滅實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),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(xì)菌,且不受水溫、水中有機(jī)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(yīng)用,與次氯酸鈉的除藻效果相當(dāng)[12]。在較低濃度下6 mg/L,對(duì)海水中的不同種水藻樣品進(jìn)行滅殺,2 d后去除率可達(dá)到86%以上[13]。若將二溴海因結(jié)合其他產(chǎn)品一起使用,則會(huì)表現(xiàn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)中氮溴鍵具有較強(qiáng)的活潑性,使其成為十分優(yōu)秀的溴化劑使用,可通過溴化反應(yīng)、取代反應(yīng)、加成反應(yīng)和氧化反應(yīng)等來制備化工和制藥生產(chǎn)中關(guān)鍵中間體等高值化學(xué)品[15-16],如可用于芳香烴、烯烴、芐醇等化學(xué)物的溴化合成醫(yī)藥中間體等[17-19]。隨著科技和化工醫(yī)藥的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提升,二溴海因的應(yīng)用范圍也隨之?dāng)U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(chǎn)關(guān)注的重點(diǎn)。

早在1994年,我國學(xué)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(zhì)及氫氧化鈉水溶液為原料,在12 ℃左右反應(yīng)1.5 h,使二甲基海因的氮原子上的氫與溴發(fā)生取代反應(yīng)得到二溴海因產(chǎn)物、溴化鈉副產(chǎn)物和大量的水,目標(biāo)產(chǎn)物的收率可達(dá)到88%[20]。在此基礎(chǔ)上,通過進(jìn)一步控制反應(yīng)pH值、提高反應(yīng)溫度、改善氫氧化鈉溶液用量等優(yōu)化反應(yīng)條件可進(jìn)一步提高二溴海因產(chǎn)品的收率,且可降低廢水量的產(chǎn)生,在一定程度上降低了生產(chǎn)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(fā)導(dǎo)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(jīng)過溴化、再氯化得到最終產(chǎn)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(fù)雜的尾氣處理裝置,同樣地,生產(chǎn)過程中易發(fā)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(fù)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(duì)安全、環(huán)保的要求[24-25]。有學(xué)者報(bào)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(yīng)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(duì)反應(yīng)的影響,得到優(yōu)化生產(chǎn)條件,當(dāng)采用0 ℃為析出溫度時(shí),二溴海因產(chǎn)品的收率達(dá)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(chǎn)工藝、降低了尾氣污染的發(fā)生和生產(chǎn)設(shè)備成本,可較好地提高生產(chǎn)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(fēng)險(xiǎn)和操作難度大的情況。因此,開發(fā)一種環(huán)境友好、操作簡單、成本低廉且能清潔生產(chǎn)二溴海因的方法或工藝是推動(dòng)其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵之舉。

1 實(shí)驗(yàn)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(yīng)釜、WRR熔點(diǎn)測定儀(上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司)。

1.2 反應(yīng)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(yīng)原料,在溫和條件進(jìn)行反應(yīng),其主要反應(yīng)方程式如下所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(yīng)釜中滴加98%的硫酸,加完后在一定溫度下攪拌反應(yīng)3 h。

(2)反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)體系過濾、干燥,得到干燥的二溴海因產(chǎn)品,稱重并按照下式計(jì)算二溴海因產(chǎn)品的收率(y)。

(1)

式中,mo和m1分別為二溴海因產(chǎn)品和理論二溴海因的質(zhì)量(g)。

首先進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),然后在單因素分析實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。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(gè)因素。每個(gè)因素選取3個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),各因素及水平的取值如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)值表

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

在本合成實(shí)驗(yàn)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(biāo)產(chǎn)物1,3-二溴-5,5-二甲基海因,副產(chǎn)物主要為硫酸鹽。由反應(yīng)方程式的化學(xué)計(jì)量數(shù)關(guān)系可知,各個(gè)原料的理論反應(yīng)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(chǔ)上討論其他各原料對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率的影響。

2.1.1 溴酸鉀的用量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

反應(yīng)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(yīng)時(shí)間3 h的條件下,考察不同溴酸鉀的加人量對(duì)二溴海因產(chǎn)物收率的影響,由表2的結(jié)果可以看出,產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)生的溴源不足,影響反應(yīng)收率。若溴酸鉀過多,可能會(huì)進(jìn)一步氧化產(chǎn)物二溴海因,產(chǎn)生其他副產(chǎn)物,降低產(chǎn)率,同時(shí)產(chǎn)生過量溴,還會(huì)使產(chǎn)品顏色加深,且易造成環(huán)境污染。

表2 溴酸鉀用量對(duì)反映的影響

2.1.2 溴化鈉的用量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

表3是在反應(yīng)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(yīng)3 h的條件下,反應(yīng)產(chǎn)物的收率隨溴化鈉的變化。隨著溴化鈉的增加,產(chǎn)物收率先增加然后趨于平衡。按化學(xué)反應(yīng)式的計(jì)量比,n(溴化鉀)∶n(溴化鈉)=1∶2。當(dāng)溴化鈉用量較少時(shí),產(chǎn)生的溴單質(zhì)不足,使反應(yīng)收率降低。

表3 溴化鈉用量對(duì)反應(yīng)的影響

表4 硫酸用量對(duì)反應(yīng)的影響

表5 水用量對(duì)反應(yīng)的影響

2.1.3 硫酸用量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)溫度為25 ℃下反應(yīng)3 h,向反應(yīng)中滴加硫酸,考察硫酸用量對(duì)反應(yīng)的影響。由結(jié)果可知,目標(biāo)產(chǎn)物的收率隨硫酸的增加而增加。在反應(yīng)中硫酸提供了一個(gè)酸性環(huán)境,以保證溴酸鉀與溴化鈉原位反應(yīng)生成溴,若硫酸過少則該步反應(yīng)難以順利進(jìn)行。若硫酸過量,二溴海因的溶解度會(huì)增大,降低收率,浪費(fèi)原料。

2.1.4 水的用量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

進(jìn)一步考察了水的用量對(duì)反應(yīng)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(yīng)時(shí)間為3 h。結(jié)果發(fā)現(xiàn),反應(yīng)產(chǎn)物的收率隨水的加入量基本無變化。一般情況下,適當(dāng)增加水的用量會(huì)提高二溴海因在水中的溶解度,加快反應(yīng)速率。若水量過少,則反應(yīng)體系變得黏稠,反應(yīng)不均勻,直接影響產(chǎn)品的純度和顏色,導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)量變差。因此,水的用量對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的收率影響不大,但對(duì)反應(yīng)過程具有一定的影響。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

關(guān)于水的用量,當(dāng)采用350 mL導(dǎo)致反應(yīng)體系后期物料較稠。用500 ml時(shí)產(chǎn)物收率相差無幾,因此考慮到節(jié)能減排,水的用量采用400 mL比較適合,我們以下實(shí)驗(yàn)均用400 mL。

為確定關(guān)鍵影響因素對(duì)二溴海因收率的影響大小關(guān)系,設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)以確定產(chǎn)品收率最佳工藝條件,正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。由表中結(jié)果可知,各因素對(duì)二溴海因收率的影響大小順序?yàn)?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(yīng)3 h。

表6 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn),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(yōu)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(yīng)3 h。在該優(yōu)化條件下,二溴海因產(chǎn)物的收率可達(dá)到91%。對(duì)所得產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)所得產(chǎn)品的有效溴含量為55.9%,純度達(dá)到98.8%。該合成方法中采用溴化鹽,綠色安全,是一種環(huán)境友好、操作簡單、成本低廉且能清潔生產(chǎn)工藝。

3 結(jié)論

對(duì)二溴海因的合成工藝進(jìn)行考察和優(yōu)化,采用溴酸鉀和溴化鈉為產(chǎn)溴原料,環(huán)境友好。該合成方法得到的二溴海因產(chǎn)品不僅收率高,而且品質(zhì)好,同時(shí)減少了溴的浪費(fèi),降低了生產(chǎn)成本,在很大程度上降低了對(duì)環(huán)境的污染。本合成技術(shù)綠色環(huán)保,操作方便,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。