王松林， 李永祥， 任 君

(中北大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030051)

對(duì)硝基苯甲酸是一種重要的有機(jī)中間體，簡(jiǎn)稱PNBA(p-nithbenzoic acid)，淡黃色晶體或粉末，熔點(diǎn)239 ℃～242 ℃，在醫(yī)藥領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，例如，用于生產(chǎn)鹽酸普魯卡因、普魯卡因胺鹽酸鹽，對(duì)氨甲基苯甲酸、葉酸、苯佐卡因、退嗽、頭孢菌素V、貝尼爾等[1]各種醫(yī)藥品。它也可以用于生產(chǎn)活性艷紅M-8B、活性紅紫X-2R、濾光劑、彩色膠片成色劑、金屬表面除銹劑、防曬劑等化工產(chǎn)品。當(dāng)今，工業(yè)上對(duì)硝基苯甲酸(PNBA)主要是由對(duì)硝基甲苯(PNT)氧化生產(chǎn)的，氧化劑包括高錳酸鉀、重鉻酸鉀、次氯酸鈉和硝酸等。

于澍等[2]以KMnO4為氧化劑，用相轉(zhuǎn)移催化氧化法合成對(duì)硝基苯甲酸，其中，十六烷基三丁基溴化磷的催化效果最好，得率達(dá)76.6%。邵嘯等[3]在酸性介質(zhì)中90 ℃下以KMnO4、PEG-200為氧化催化體系，KMnO4與對(duì)硝基甲苯摩爾比為3∶1，對(duì)硝基苯甲酸得率達(dá)47.25%。高錳酸鉀氧化法條件溫和、時(shí)間短，但是成本高、“三廢”多，違背綠色化學(xué)理念，現(xiàn)僅用于實(shí)驗(yàn)室制備對(duì)硝基苯甲酸。

袁知舜等[4]小試了硝酸氧化工藝，他們控制反應(yīng)條件為對(duì)硝基甲苯與硝酸的摩爾比1∶2.2～1∶4.0，20%～45%硝酸，反應(yīng)溫度150 ℃～220 ℃，反應(yīng)壓力1 MPa～4 MPa，反應(yīng)時(shí)間0.5 h～2 h，對(duì)硝基苯甲酸得率可達(dá)95%。硝酸氧化法雖然工藝簡(jiǎn)便、成本低廉，但是由于生產(chǎn)中使用稀硝酸對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，反應(yīng)產(chǎn)生的NOx是形成酸雨的主要?dú)怏w，故此種方法也受到嚴(yán)格限制。

空氣氧化法是近年發(fā)展的生產(chǎn)工藝，該氧化法就是利用空氣或氧氣在液相中氧化[5-6]PNT生產(chǎn)PNBA，主要分為酸法和堿法，以使用介質(zhì)的酸堿性進(jìn)行區(qū)分。馬玉龍等[7]以芳烴為溶劑，加入自制催化劑，直接用空氣氧化PNT，PNBA得率可達(dá)94.55%。高敏等[8]以鄰二氯苯-丙酸作溶劑，在乙酸鈷、溴化物復(fù)合催化劑催化下，用空氣氧化PNT合成PNBA，并對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行研究，PNBA得率可達(dá)90.4%。

綜上所述，目前工業(yè)生產(chǎn)制備對(duì)硝基苯甲酸的工藝均有環(huán)境污染和設(shè)備腐蝕的缺陷[9-10]。因此，探究一種條件溫和、環(huán)境友好的對(duì)硝基苯甲酸制備工藝十分有必要，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。本文采用的氧化劑氯酸鈉中不含重金屬離子，反應(yīng)液對(duì)設(shè)備腐蝕輕微，有助于減少維護(hù)成本，廢液后處理成本低廉，是一種良好的對(duì)硝基苯甲酸制備工藝。

1 實(shí)驗(yàn)材料、試劑及儀器

1.1 材料及試劑

對(duì)硝基甲苯，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司。

98%濃硝酸，天津市化學(xué)試劑研究所；氯酸鈉，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；98%濃硫酸，天津市化學(xué)試劑研究所；苯，天津市申泰化學(xué)試劑有限公司；丙酮，天津申泰化工試劑；冰醋酸，西隴科學(xué)股份有限公司；無(wú)水甲醇，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器

SHZ-CA循環(huán)水式多用真空泵，鞏義市予華儀器有限公司；FTIR-7600紅外光譜儀，天津分析儀器廠；WRX-4熔點(diǎn)儀，上海易測(cè)儀器設(shè)備有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)以對(duì)硝基甲苯為原料，氯酸鈉作為氧化劑，合成路線如式(1)所示。

2.1 制備對(duì)硝基苯甲酸

在裝有冷凝器、溫度計(jì)、攪拌器的四口燒瓶中，稱量5 g對(duì)硝基甲苯、加入10 mL98%濃硝酸，開(kāi)啟水浴、攪拌(500 r/min左右)，直至其升溫至80 ℃。稱量9.72 g氯酸鈉溶于10 mL蒸餾水制成飽和溶液，移入恒壓滴液漏斗，撤掉冷凝器，緩慢滴加2滴～3滴氯酸鈉飽和溶液，待燒瓶?jī)?nèi)黃綠色變淡時(shí)，再滴加2滴～3滴氯酸鈉的飽和溶液，如此反復(fù)，直至滴加完畢。待反應(yīng)溫度降至80 ℃左右開(kāi)始計(jì)時(shí)，水浴(或油浴)保溫。4 h后停止反應(yīng)，繼續(xù)攪拌，待燒瓶?jī)?nèi)溫度降至常溫后，將反應(yīng)液倒入100 mL冰水混合物中，冰塊融化后抽濾，抽濾所得濾渣再次水洗抽濾，如此反復(fù)3次，所得濾渣即為對(duì)硝基苯甲酸粗品。

2.2 對(duì)硝基苯甲酸粗品的提純

將上一步所得的對(duì)硝基苯甲酸加入燒杯中，加入30 mL蒸餾水，進(jìn)行磁力攪拌，緩慢滴加15%NaOH溶液，直至液體呈現(xiàn)紅色，停止滴加NaOH溶液，靜置30 s，溶液不褪色即開(kāi)始下一步，若中途褪色則繼續(xù)滴加NaOH溶液。所得溶液繼續(xù)攪拌，緩慢滴加無(wú)水乙酸，直至溶液褪色且30 s內(nèi)不變回原來(lái)的顏色，所得液體抽濾，濾渣即為此次提純的雜質(zhì)，雜質(zhì)應(yīng)該包括未反應(yīng)的對(duì)硝基甲苯及其他副產(chǎn)物。濾液進(jìn)行磁力攪拌，緩慢滴加50%稀硫酸，直至無(wú)明顯沉淀生成，所得液體抽濾，濾渣即為較純的對(duì)硝基苯甲酸，所得濾液回收，重復(fù)滴加50%稀硫酸，如有產(chǎn)品則抽濾，如此重復(fù)3次。將濾出產(chǎn)物于50 ℃烘箱中進(jìn)行干燥，稱量，計(jì)算得率。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)物的表征

產(chǎn)品外觀為淡黃色晶體，通過(guò)熔點(diǎn)測(cè)定，得出其初熔點(diǎn)為234.1 ℃，終熔點(diǎn)為235.9 ℃，與文獻(xiàn)報(bào)道基本相符。

3.1.1 薄層色譜分析

對(duì)所得產(chǎn)物進(jìn)行薄層色譜分析(TLC)，TLC條件為乙醇為溶劑，n(苯)∶n(丙酮)∶n(冰醋酸)∶n(甲醇)=5∶1∶1∶1為展開(kāi)劑，硅膠板上只有一個(gè)聚集不發(fā)散的點(diǎn)。

3.1.2 紅外光譜測(cè)試

圖1為對(duì)硝基苯甲酸的紅外光譜圖。

圖1 對(duì)硝基苯甲酸的紅外光譜圖

圖1中，3 105.61、3 079.22、2 880.90 cm-1有弱吸收存在，為苯環(huán)上C-H伸縮振動(dòng)；1 604.25、1 537.76、1 487.73 cm-1有中強(qiáng)吸收峰存在，為苯環(huán)C=C的骨架振動(dòng)；890.07、868.14、770.46、743.49 cm-1有吸收，為苯環(huán)上C-H面外彎曲振動(dòng)；1 537.76、1 317.73、565.31 cm-1有吸收表明有C-NO2存在；3 500 cm-1～2 500 cm-1的寬吸收峰為游離羧酸的O-H伸縮振動(dòng)、1 722.02 cm-1處為C=O伸縮振動(dòng)、917.80 cm-1處為O-H彎曲振動(dòng)，表明有-COOH存在。根據(jù)譜圖分析的結(jié)果可以確定該物質(zhì)為對(duì)硝基苯甲酸。

3.2 對(duì)硝基甲苯制備對(duì)硝基苯甲酸的工藝優(yōu)化

3.2.1 反應(yīng)物摩爾比對(duì)PNBA得率的影響

以對(duì)硝基甲苯5 g，反應(yīng)時(shí)間為4 h，反應(yīng)溫度為80 ℃左右為例，考察對(duì)硝基甲苯與氯酸鈉摩爾比對(duì)PNBA得率的影響，單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果如第3頁(yè)圖2。

圖2 反應(yīng)物摩爾比對(duì)PNBA得率的影響

3.2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)PNBA得率的影響

以對(duì)硝基甲苯5 g，反應(yīng)料比(對(duì)硝基甲苯與氯酸鈉摩爾比)1∶2.5，即，9.72 g氯酸鈉溶于10 mL蒸餾水制成氯酸鈉的飽和溶液作為氧化劑，反應(yīng)溫度80 ℃左右為例，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)PNBA得率的影響，單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)PNBA得率的影響(1)

由圖3看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，得率先增加后降低，反應(yīng)時(shí)間在4h左右，得率最大為80.9%。主要原因是，氧化過(guò)程分為多個(gè)階段，時(shí)間太短會(huì)使反應(yīng)停留在中間階段，生成中間產(chǎn)物如醇、醛等。適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間可以使反應(yīng)物較完全地轉(zhuǎn)化為羧酸，于4 h左右達(dá)到最大轉(zhuǎn)化率。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，由于酯化反應(yīng)等副反應(yīng)的存在，得率反而降低。

在4 h附近得率起伏較大，為了得到更精確的最佳反應(yīng)時(shí)間，在4 h附近取新的時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)行幾組單因素實(shí)驗(yàn)。以對(duì)硝基甲苯5 g，反應(yīng)料比(對(duì)硝基甲苯與氯酸鈉摩爾比)1∶2.5，反應(yīng)溫度80 ℃左右為例，在反應(yīng)時(shí)間4 h附近，精確考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)PNBA得率的影響，結(jié)果如圖4。

由圖4看出，PNBA合成的最佳時(shí)間是4.1 h，得率為81.5%。

3.2.3 反應(yīng)溫度對(duì)PNBA得率的影響

以對(duì)硝基甲苯5 g，反應(yīng)時(shí)間4.1 h，反應(yīng)料比(對(duì)硝基甲苯與氯酸鈉摩爾比)1∶2.5，考察反應(yīng)溫度對(duì)PNBA得率的影響，單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)PNBA得率的影響(2)

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)PNBA得率的影響

由圖5看出，隨著反應(yīng)溫度的增加，得率先增加后基本持平然后開(kāi)始降低，反應(yīng)的較佳溫度范圍為80 ℃～85 ℃。主要原因是，反應(yīng)溫度較低時(shí)不足以達(dá)到反應(yīng)所需的活化能，部分分子未活化，后降低是因?yàn)榉磻?yīng)溫度過(guò)高氧化副反應(yīng)加劇，氣體副產(chǎn)物比例增加。

研究表明，合成PNBA的最佳工藝條件為對(duì)硝基甲苯與氯酸鈉摩爾比1∶2.5，反應(yīng)溫度為80 ℃～85 ℃，反應(yīng)時(shí)間4.1 h。按此實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行3次，并計(jì)算其平均得率，結(jié)果如表1所示。

表1 單因素法最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件合成PNBA得率

4 結(jié)論

本文選擇氯酸鈉氧化對(duì)硝基甲苯制備對(duì)硝基苯甲酸，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和產(chǎn)品檢測(cè)，得出如下結(jié)論：

使用氯酸鈉作氧化劑，通過(guò)控制原料比、時(shí)間和溫度進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，確定了制備對(duì)硝基苯甲酸的最佳工藝條件為:對(duì)硝基甲苯與氯酸鈉的摩爾比1∶2.5，反應(yīng)溫度80 ℃～85 ℃，反應(yīng)時(shí)間4.1 h，產(chǎn)品的得率為81.37%。并且對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)定、薄層色譜分析及紅外光譜分析，結(jié)果表明該物質(zhì)與目標(biāo)產(chǎn)物一致?？梢?jiàn)這是一條比較理想的對(duì)硝基苯甲酸制備途徑，為放大中試進(jìn)一步工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。