,7/,一f 7f, 乙 第38卷第2期 1 9 9 8年3月 大连理工大学学报 Journal of Dalian University of Technology V0I.38,No.2 M4r.1 9 9 8 司硝基甲苯还原一烷基化合成N一乙基间甲苯胺 周小建,吴祖望 林-_————__一’ —_———一 (大连理工大学精细化工国家重点实验室,大连116012) 丁 z午 / 烷基 莉,王桂娟,李佳萍 摘要 芳香硝基化合物在加氢催化剂存在下与氢、醇反应,可直接制得N一 单烷基芳胺.研究了在雷尼镍(Raney nicke1)催化下间硝基甲苯还原化直接制N一乙基问甲苯胺的工艺,通过GC—MS对反应产物进行了分析t证 明该工艺兼有高转化率和高选择性的优点 关键词 催化加氢;芝星垦皇;塑 分类号TQ612 硝蒸 笮 雷尼镍 ^/ 蕴闸甲苇脖 N一烷基芳胺是染料、医药、农药等精细化学品工业的重要中间体.常规的以芳胺为原料的 合成方法,因反应是典型的连串反应,双烷化副产多,N一单烷化选择性差.如间甲苯胺用常规 工艺进行N一乙基化,转化率在9O%以上时,单烷化选择性只有65 ~8O “ .以硅、铝化合物 催化闻甲苯胺和乙醇的气相烷化,在较低的转化率下选择性可达85 ~87 。。 ,但增加了原 料和能源的消耗和设备投资.近期报道气相催化连续反应由间甲苯胺可制得选择性高达88 ~95 的N一乙基问甲苯胺“。 ,芳胺的N一单烷化以相转移催化技术和以分子筛催化的方法也 由硝基物出发将催化加氢和芳胺的还原烷基化反应在同一催化剂下一釜中一次连续制备 有报道“ . N一单烷基芳胺,工艺大为简化,产品损失少,收率高;加氢还原属清洁工艺,环境效益好.吴祖 望等。 曾以钯一碳为催化剂,将3_(B一羟乙砜基)一硝基苯与氢及乙醛反应,合成3一( 羟乙砜基)一 N一乙基苯胺,产物含量在80 以上;而溴乙烷与相应的3一( 羟乙砜基)一苯胺反应,N一单烷化 物只有65%.由硝基物与氢和醇还原烷基化制得N一烷基芳胺,所用催化剂有负载于氧化铝上 的金属催化剂。 及雷尼镍。 等;由于铝镍合金有工业生产,雷尼镍更具有实际生产意义. 1实验部分 实验所用试剂均为化学纯,铝镍合金为大连油脂化学厂产品,镍铝比50:50,细度180~ 350 m.测试仪器:气相色谱为HP 6890 Series GC System,HP5毛细管柱,氢火焰检测器;核 磁共振仪为JEOLFX90Q型;色一质谱联用分析采用Varian 3700GC,SE一54毛细管柱和 Finnigan MAT31 2/SS2OO色一质谱联用仪. 豫 嚣链.韬 ” 。 维普资讯 http://www.cqvip.com
大连理工大学学报 第3s卷 1.1雷尼镍催化剂的制备 W一1、W一2、W一4、W一7和T一1型催化剂按照文献[1O]所载方法制备;A型和B型催化剂制 备方法相同,但B型催化剂所用原料为含3 钼的铝镍合金,细度约为70 m.A型和B型催 化剂制备过程如下:在100 mL烧杯中加入10 g氢氧化钠和50 mL蒸馏水;溶解后在5O~ 55C在30 rain内加入8.0 g铝镍合金粉;然后升温至90"C保温2 h,水洗至中性;用95 乙醇 及无水乙醇各洗3次,每次10 mL;所得骨架镍(约3.8 g)浸入装有大量无水乙醇的磨口瓶中 备用. 1.2催化加氢还原烷基化制备N一乙基间甲苯胺 在200 mL带有电磁搅拌的加氢压热釜中加入问硝基甲苯6.85 g(0.O5 too1)、乙醇和雷尼 镍催化剂,乙醇加入量为E,雷尼镍加入量为c;密闭后,以氮气置换釜内空气三次,然后再用 氢气置换三次.油浴加热至9O℃,氢压2.0 MPa下反应1.5 h,降温至50X2,排氢泄压,再加热 至指定温度0,在此温度下保温,时间为t.反应毕,玲至室温,滤 H c、 去催化剂,用气相色谱分析产物各组分含量.粗品蒸出过量乙醇 0l NHCH2CH3 后,减压精馏,收集81~83c(0.54 kPa)的馏分,取样核磁共振分 析.(CCI4/TMS):a 1.18(t,3H);b 2.21(s,3H);c 3.01(q,2H), d 3.19(s,1H);e 6.28~6.45(m,3H),f 6.92(t,1H).N一乙基间 甲苯胺制备方法中各项参数E,C,0,t按照正交设计试验法L。(3 )表所设计的试验条件进行 (表2),优化条件见2 2.3节. 2结果和讨论 2.1雷尼镍活性比较 7种型号雷尼镍在间甲苯胺还原乙基化中的活性结果如表1所示.B型雷尼镍的活性最 高;原因之一可能是其铝镍台金原料颗粒 表1各种型号雷尼镍还原 较细,使制得催化剂表面积较大.至于含 乙基化时的产物成分分析 3 钼是否为提高活性的主要原因,尚有待 于进一步证实,但该催化剂原料价格较高 且应用不够普遍.A型催化剂原料易得,价 格较低,其活性占第二位,具有较好的实用 价值.值得注意的是加氢活性较高的w一4 和w一7型两种雷尼镍在芳胺与醇的还原 烷基化时活性反而相对较低,这点将在下 反应条件 0.1 tool间甲苯胺,0.65 gfI吐化剂 面讨论反应历程中进行解释.综合考虑各 0.5tool乙醇;l40℃{l8 h 种因素,A型雷尼镍是首选的. 2.2正交设计试验结果及反应工艺条件优选 以A型雷尼镍为催化剂,试验结果如表2.因硝基物均100 转化,以中间产物间甲苯胺 转化率和N一乙基间甲苯胺选择性两项参数来表征反应优劣 2.2.1在试验范围内,不管工艺如何变化,间硝基甲苯转化率均可达100 ;单烷化的选择性 不论间甲苯胺转化率如何变化均高达94 ~97 ,芳胺双烷化物很少.可见还原烷基化合成 维普资讯 http://www.cqvip.com
第2朝 周小建等:间硝基甲苯还原 烧基化合成N一乙基问甲苯胺 173 N烷基芳胺,可将反应有效控制在单烷化阶段;在工艺条件选择时,可主要考虑间甲苯胺的转 化率.与要控制烷化深度,避免多烷化产物产生的常规工艺相比,该方法优点十分明显. 表2 L (3 )烷基化正交实验结果 转化率;(1一产物中间甲苯胺百分含量)xlo0 ・选择性一(N乙基间甲苯胺百分含量/间甲苯胺转化率)×l00 2.2.2在反应工艺条件的比较中,催化剂用量对转化率的 影响最大.对催化剂量进行单因子实验,结果如图1所示. 鉴于催化剂价格占原料成本相当太的比重,综合表3和图 1的结果选择0.58 g催化剂即硝基物重量的8.5 为宜. 2.2.3相对于催化剂来说乙醇量及温度、时间的影响稍 小.进一步比较各因素并优化组合后,实验表明间硝基甲 苯还原烷基化制N一乙基间甲苯胺每0.05 tool硝基物加 0.58 gA型雷尼镍、I4.6mL乙醇在140℃反应18 h为宜. 问硝基甲苯转化率100 ,间甲苯胺转化率97 ,N一乙基间 甲苯胺选择性95 . 2.3雷尼锦催化剂套用试验 由于雷尼镍用量相对较大,应考虑套用以适应生产需 要;表3列出在前述优化条件下雷尼镍反复使用6次的试 验结果.随着使用次数增加,催化剂活性下降,间甲苯胺的 o.05 mo【间硝基甲苯加氢 还原后l30℃反应18 h 转化率降低.如在每次使用后的催化剂中补加原用量5 图1催化剂量对烷化反应影响 ~1O 的新雷尼镍,则其催化活性仍可接近全部用新催化 剂的结果.如此补加套用4次,转化率仅下降 4 左右,选择性无明显变化.此一结果对实际 生产中降低催化剂用量及大幅度降低生产成本 有重要价值. 2.4硝基物还原烷基化历程 硝基物与醛在加氢过程中还原烷基化历程 巳明确:首先通过还原成芳伯胺;然后,醛形成 希夫碱;再加氢成仲胺.在雷尼镍存在下以醇为 烷化剂进行还原烷基化时,被认为也是通过希 反应条件:间硝基甲苯0.1too1.无水乙醇0.5tool 表3催化剂套用欢数对反应的影响 A型雷尼镍1.16 g 维普资讯 http://www.cqvip.com
大连理工大学学报 第38卷 夫碱再加氢形成仲胺的历程,但首先要经历醇在雷尼镍表面脱氢形成醛的过程“ “ ArNO +3H 墨竺 ArNH +2H。o (1) RCH2OH—Raney Ni RCHO+H 2 (2) ArNH2+RCHO—ArN=CHR+H2O (3) ArN=CHR+H _Ra竺 ArNHcH2R (4) A HcH R+RcHO——A NcH2R (5) (oH1R ArNCH R +H。 兰 ArN(CH R) +H(6) I 。o CH(OH)R 式(1)~(6)各步反应实际不是截然分开,而是连续进行的.醇脱氢是一个十分关键的步骤,只 有在催化剂表面不断形成醛才能形成希夫碱,从而保证烷基芳胺的形成.催化剂加氢活性强有 利于反应(1)、(4)及(2)的逆反应,但可能不利于醛的生成,从而导致伯胺转化率下降.所以 w一4,w 7型雷尼镍还原烷基化反而不如A型催化剂,且实验表明活性更高的钯一碳催化剂用 醇为烷化剂的反应效果不如雷尼镍活性好.形成希夫碱(反应式(3))的速度需比醛加氢成醇 (反应式(2)的逆反应)快,除了与伯胺上氮原子电子云密度及反应物空间构型有关以外,反应 体系中氢的浓度对反应也有很大影响;大量氢的存在对加氢固然有利,但不利于醛的生成,导 致N一烷基芳胺收率下降.在间硝基甲苯第一阶段加氢还原为间甲苯胺后如不排除过多的氢, 则烷基化产物中N一乙基间甲苯胺含量降至63 ,间甲苯胺量增至5.5 ,产生了高达30 的 环上加氢的副产物,进一步说明反应中醛和希夫碱的形成是关键步骤.由于反应(2)中正反应 比逆反应速度常数低得多“ ,且反应(5)和(6)更困难,用醇为烷化剂时控制好反应条件,一般 可保证反应停留在单烷化阶段,这正是该法的优点. 2.5还原烷基化的副反应 用GC—MS测碍反应产物中各组分如表4所示.由表4可见还原烷基化的主要副反应是 环上加氢产物,其总和达5、5 .副反应主要在高温烷基化阶段产生;随着温度升高,雷尼镍催 表4问硝基甲苯还原乙基化产物GC—MS分析及其结构 组分古量 MS(70 eV) m ( ) 结 柯 维普资讯 http://www.cqvip.com
第2期 周小建等:问硝基甲苯还原 烷基化合成N一乙基问甲苯胺 175 : ≥一 n +sn — !!!! <:: >_一 n C>-N +0=CHCH ̄-= (>_NH z+ 一n Ct'I3 CH C 一c >__ zns (>一w+ C 一-H2 NH,+3c H;oH— 竺 旦<C2Hs) ̄N+3H,() 化芳环上双键和氢的加成容易.环上加氢后由于没有p一 共轭,环己胺具有更强的碱性,不仅 可生成N一单烷基环己胺,而且可进一步生成N,N一=乙基一3一甲基环己胺和其他副产.副产物 的存在可作为还原烷基化历程的佐证. 3 结 论 二 (1)间硝基甲苯和氢及乙醇在雷尼镍存在下,通过还原烷基化,可一次直接合成N一乙基 间甲苯胺;优化工艺下,转化率>97 ,选择性95 . (2)反应通过硝基还原为氨基,醇脱氢成醛,形成希夫碱,希夫碱加氢形成N一烷基芳胺. 其中醛和希夫碱的形成是合成N一烷基芳胺的关键.上述历程保证了单烷化兼有高转化率和高 选择性的特征.环上加氢是间硝基甲苯催化加氢一还原烷基化的主要副反应. (3)对雷尼镍催化剂进行了筛选;A型雷尼镍较易制得,具有良好的烷基化活性,且可进 行多次套用. 参 考 文 献 1董 源,严伐.N一乙基一N一苄基问甲苯胺合成研究.染料工业,1994,3l(3):23~24 2 Harg[s C W.Preparation of N—alkylated aromatic amines.USP 4 029 707,l977-06—14 3 Motoyama Y。Nanbu H,Hir0se N.N—Alkyl aromatic amines.JP 78 90 227,1978—08-08 4章哲彦,郭利平.醇与芳胺的常压N一烷基化.染斟工业,1991,28(6):29~30 5刘润柱.常压气相催化合成N一己基间甲苯胺.染料工业,1995,32(4):23 ̄25 6周小建,吴租望.芳胺N一烷化定向控制工艺进展、化工进展,1996(1):5~9 7吴祖望,战莉洁,彭孝里,等.N一烷基一 羟己砜基苯胺衍生物曲合成方法.CN l 097 738,1995—01—25 8 Imme[O,Shwarz H—H,Braden R.Catalysts containing alumina—supperted copper,manganese and rare earths for reductive alkylation of nitrobenzene and anilines with alcohols.DE 38 401 94,1990-05—31 9 吴祖望,周小建,林 莉,等.硝基物还原一烷基化制N一单烷基劳胺.CN l 127 748,1996—07—31 10尾崎萃,田丸谦三,田部浩三,等.催化荆手册.北京:化学工业出版社,1982.608 ¨ Rice R G,Kohn E J.Raney n[ckel catalyzed N—alkylation of aniline and benzidine with alcohols.J Am Chem So ̄+1955.77:4052 ̄4054 12 Map ̄HoB I-I B,BpmcK月E.MexalJ ̄3M apoMar ̄ectc4x H¨Tp000 n co cnn ““.PeaKT Cnc ̄o6HOCT r‰Ⅱ,1964.4(2):413~423 (下转第222页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
大连理工大学学报 第38卷 Smoldering ignition of packed beds of cellulosic materials Sun Wence,Xie Maozhao,Xu Min (Dept.of Power Eng.,Dal[an Univ.of Techno1.,China) Abstract The ignition characteristics of packed beds of cellulosic materials on a hot surface are investigated experimentally.The minimum ignition temperatures for initiating smoldering are measured under typical thermal and geometric conditions.The experiments show that the continuous slow temperature rising is a basic characteristic of the smoldering ignition process.A three dimensional mathematical model for heating and ignition is pr6sented.Results of simulating computations show reasonable agreement with the experiments. Key words smoldering;experiment;numerical simulation/ignition (上接第1 75页) Synthesis of N-ethyl-m-toluidine from m-nitrotoluene by reductive alkylation Zhou Xiaojian,Wu Zuwang,Lin Li,Wang Guijuan,Li Jiaping (State Key Lab.of Dyest.&Surfactant Fine Chem.symh.,Dalian Un[v.of Techno1.,China) Abstract N—monoalkyl aromatic amines are synthesized in high conversions and selectimtms from corresponding nitro compounds by reacting with hydrogen and alcohol in the presence of hydrogenation catalyst,The synthetic techniques of N—ethyl—m—toluidine from m—nitrotoluene and ethanol by catalysis of Raney nickel are studied.The reaction products are analysed by GC— MS,The reaction mechanism of reductive alkylation is discussed, Key words catalytic hydrogenation;reductive reactions;alkylation/Raney nickel
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