王明強(qiáng),李凌云,楊永強(qiáng)
(1.甘肅貝斯化工有限公司,甘肅 蘭州 730000;2.中石油蘭州石化公司安全處,甘肅 蘭州 730070)
1881年,A.W.Hofmann發(fā)現(xiàn),將乙酰胺在KOH或NaOH作用下,與1倍量溴反應(yīng),生成N-溴代乙酰胺。在無(wú)水條件下加熱,生成甲基異氰酸酯,在過(guò)量堿溶液中生成甲胺[1]。此反應(yīng)被稱(chēng)為Hofmann酰胺降級(jí)或重排反應(yīng),是合成伯胺的重要方法。鄰氨基苯甲酸為合成染料、醫(yī)藥、香料、光伏材料等的重要的原料[2,6]。本實(shí)驗(yàn)以反應(yīng)式(見(jiàn)圖1)方法合成鄰氨基苯甲酸[7],并測(cè)定了反應(yīng)熱。從不同方面探討了其危險(xiǎn)工藝界定,以期為工業(yè)生產(chǎn)安全評(píng)價(jià)提供依據(jù)。
圖1 鄰氨基苯甲酸合成的反應(yīng)式
鄰苯二甲酸酐、尿素、次氯酸鈉、氫氧化鈉均為市售分析純,主要有機(jī)物料基本信息見(jiàn)表1。
表1 物料基本信息表
差示掃描量熱儀(簡(jiǎn)寫(xiě)為DSC1,)瑞士 METTLER TOLEDO 公司,見(jiàn)圖2。
圖2 差示掃描量熱儀
全自動(dòng)反應(yīng)量熱儀 RC1e,瑞士 METTLER TOLEDO 公司,見(jiàn)圖3。
按鄰氨基苯甲酸生產(chǎn)工藝,向圖3裝置的玻璃反應(yīng)釜加入苯酐380g,加熱,熔化后開(kāi)啟攪拌,快速加入80g尿素,反應(yīng)結(jié)束后停止攪拌,加水490g、液堿324g,加熱升溫,待物料熔解后開(kāi)啟攪拌,反應(yīng)結(jié)束后得到鄰甲酰胺基苯甲酸鈉混合物,迅速加入預(yù)先混合好的789g次氯酸鈉和液堿溶液,降溫至5℃。保溫10min后,攪拌,反應(yīng)結(jié)束后,混合物未分離直接進(jìn)行DSC測(cè)定。
圖3 合成鄰氨基苯甲酸裝置——全自動(dòng)反應(yīng)量熱儀 RC1e
2.2.1 反應(yīng)熱測(cè)試條件
樣品坩堝:HP plated 25μL;樣品中量:1.39mg;程序方法:溫度范圍(0~480)℃,升溫速率為10℃/min。
2.2.2 反應(yīng)熱測(cè)定結(jié)果
鄰氨基苯甲酸熱穩(wěn)定性DSC測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖 4。
圖4顯示在 0~480 ℃之間檢測(cè)到 3 個(gè)吸熱峰,未檢測(cè)到明顯放熱峰。第 1 個(gè)吸熱峰從88.29℃開(kāi)始,到 113.09℃結(jié)束,吸熱量為 36.77J/g;第 2 個(gè)吸熱峰從 143.70℃開(kāi)始,到 170℃ 結(jié)束,吸熱量為 121.49J/g;第 3 個(gè)吸熱峰從 220℃開(kāi)始,到 320℃結(jié)束,吸熱量為313.64J/g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該反應(yīng)在0~480 ℃之間吸熱471.9J/g。
圖4 鄰氨基苯甲酸 DSC 測(cè)試曲線圖
《重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝目錄(2013年版)》胺基化工藝描述“胺化是在分子中引入胺基(R2N-)的反應(yīng),包括 R-CH3烴類(lèi)化合物(R:氫、烷基、芳基)在催化劑存在下,與氨和空氣的混合物進(jìn)行高溫氧化反應(yīng),生成腈類(lèi)等化合物的反應(yīng)。涉及上述反應(yīng)的工藝過(guò)程為胺基化工藝”[8]。本生產(chǎn)工藝中是酸酐與尿素反應(yīng),生成酰亞胺,酰亞胺與堿反應(yīng)生成酰胺的反應(yīng),酰胺屬于羧酸衍生物,具有羧酸衍生物的物化性質(zhì),酰胺是羧酸衍生物中(水解、醇解、氨解氧化和還原等)反應(yīng)活性最小的,且酰胺不具有胺的物化性質(zhì),如胺顯堿性而酰胺則是中性的,伯胺仲胺可與酰氯或酸酐生成酰胺等;苯胺常溫下極易被氧化,苯胺硝化反應(yīng)通常先將氨基乙?;梢阴1桨泛笤龠M(jìn)行硝化[1]。故筆者認(rèn)為苯酐和尿素反應(yīng)后堿化生成鄰甲酰胺基苯甲酸鈉的反應(yīng)不應(yīng)歸屬于胺基化危險(xiǎn)工藝。鄰甲酰胺基苯甲酸鈉的合成反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)熱安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為I級(jí)[9],故較少發(fā)生反應(yīng)失控。
鄰甲酰胺基苯甲酸鈉反應(yīng)生成鄰甲基苯甲酸鈉的反應(yīng)為Hofmann酰胺降級(jí)反應(yīng)。該反應(yīng)機(jī)理為酰胺重排反應(yīng),反應(yīng)總方程式中可以看出產(chǎn)物未生成N-氯化物,反應(yīng)機(jī)理[1](見(jiàn)圖5)顯示,有中間產(chǎn)物2-(N-氯化甲酰胺基)苯甲酸鈉(c)生成,該步反應(yīng)的發(fā)生羰基起到?jīng)Q定性作用,羰基與氨基的N共軛[1],N原子上的孤對(duì)電子給C=O供電子,使氨基N原子上的電子云密度降低,N原子上連的H原子具有酸性[9],因此堿性試劑才能奪取N原子上的一個(gè)H+,生成的活性中間體(a)也是由于羰基的存在,負(fù)電荷集中在電負(fù)性大的氧原子上而穩(wěn)定,下一步次氯酸鈉中的氯離子才能進(jìn)一步加成,生成2-(N-氯化甲酰胺基)苯甲酸鈉(c),中間產(chǎn)物(c)中N原子與兩個(gè)吸電子基團(tuán)連接(-Cl和C=O),N上的H具有更強(qiáng)的酸性,極易被堿奪取,故在堿性溶液中會(huì)轉(zhuǎn)化成不穩(wěn)定的鹽(d),接著迅速重排為異氰酸酯(e)[9]。本實(shí)驗(yàn)條件下快速將次氯酸鈉加入自制的鄰甲酰胺基苯甲酸鈉中,反應(yīng)熱測(cè)定結(jié)果顯示在0~480 ℃之間檢測(cè)到3個(gè)吸熱峰(見(jiàn)圖4),未檢測(cè)到明顯放熱峰。該反應(yīng)中,次氯酸鈉中的氯在溶液中與C=N雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)后又快速離去,反應(yīng)結(jié)束后,在堿性條件下,氯元素在NaCl無(wú)機(jī)鹽溶液中以Cl-形式存在。筆者認(rèn)為該反應(yīng)不穩(wěn)定中間體的生成為次氯酸鈉與酰胺基的反應(yīng),《重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝目錄(2013年版)》氯化工藝中的“次氯酸、次氯酸鈉或 N-氯代丁二酰亞胺與胺反應(yīng)制備N(xiāo)-氯化物”[8],不適用于本反應(yīng),因此該反應(yīng)不屬于氯化危險(xiǎn)工藝。該反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)熱安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為I級(jí)[11],故導(dǎo)致事故發(fā)生的概率較低。
圖5 鄰甲酰胺基苯甲酸鈉Hofmann酰胺降級(jí)反應(yīng)機(jī)理
Hofmann酰胺降級(jí)反應(yīng)機(jī)理也有認(rèn)為是生成的氨基負(fù)離子進(jìn)攻X2而不是NaOX[1,9],在本實(shí)驗(yàn)中,是將次氯酸鈉加入自制的鄰甲酰胺基苯甲酸鈉中,故該機(jī)理不適用于本反應(yīng)工藝。
本合成鄰氨基苯甲酸的工藝,總反應(yīng)為吸熱反應(yīng),《重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝目錄(2013年版)》[8]中氯化工藝和胺基化工藝指出反應(yīng)類(lèi)型均為放熱反應(yīng),鄰氨基苯甲酸的合成涉及的兩個(gè)重要反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)熱安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果均為I級(jí),反應(yīng)工藝過(guò)程反應(yīng)危險(xiǎn)性較低。生產(chǎn)過(guò)程中配置常規(guī)的裝備,嚴(yán)格按照安全生產(chǎn)操作規(guī)程,對(duì)主要反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)控及自動(dòng)調(diào)節(jié)(DCS 或 PLC),即可保證安全生產(chǎn)。筆者認(rèn)為此合成鄰氨基苯甲酸的工藝不屬于《重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝目錄(2013年版)》規(guī)定的胺基化或氯化危險(xiǎn)工藝。該研究可為今后有關(guān)該類(lèi)反應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的安全評(píng)價(jià)提供依據(jù)。