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二硝化新案例:3,5-二硝基苯甲酸的连续合成!
时间:2022-01-13      阅读:569

二硝化新案例:3,5-二硝基苯甲酸的连续合成!

 
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康宁用“心”做反应

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3,5-二硝基苯甲酸是重要的有机合成中间体,其主要用于生产诊断用药泛影酸, 泛影酸为X线诊断用阳性造影剂,主要用于泌尿系统造影;同时也可用作树脂衍生化和氨苄青霉素测定等用途的分析试剂,是替米沙坦等药物的主要中间体,属于新兴的高附加值精细化工产品。

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传统工艺:

3,5-二硝基苯甲酸合成工艺主要有两种:

  1. 采用浓硝酸作为硝化剂直接硝化苯甲酸生成3,5-二硝基苯甲酸

  2. 间硝基苯甲酸经一步硝化生成3,5-二硝基苯甲酸

 

目前工业上两种工艺均采用间歇釜式反应,

  • 存在反应时间长、物料易积蓄、过程控制不稳定及反应釜持液量大等问题;

  • 苯甲酸硝化合成3,5-二硝基苯甲酸是强放热反应,反应热约为278.96 kJ/mol,反应温度不易控制,易产生“飞温”现象;

  • 温度是影响硝化反应的重要因素,该反应需要具有稳定且快速的传热效果的反应器来控制反应温度;

 

微通道连续流工艺:

与传统釜式反应器相比,微通道反应器:

  • 面积/体积比提高了上千倍,反应传热快速且稳定,避免局部温度过高造成的反应失控,提高反应的安全性;

  • 微通道反应器通过对物料充分混合及对时间精确把控,可提升整个反应体系的传质,相比传统间歇反应器收率和选择性都有所提高;

  • 反应时间短,控制精准,生成的产物能够及时移出反应器进行冷却处理,从而最大限度地避免副产物的产生。

 

本文将向读者介绍今年10月《天然气化工—C1 化学与化工》上的一篇文章,“微通道反应器中3,5-二硝基苯甲酸的连续合成工艺”该新工艺成果已申请技术保护,公开号:CN112679358A。

 

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研究者以苯甲酸和发烟硫酸为底物,应用了连续流微通道反应器系统,以探究不同工艺条件对苯甲酸硝化制备3,5-二硝基苯甲酸反应的影响,并获得3,5-二硝基苯甲酸连续合成的较优工艺条件,反应流程如下图所示。


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研究介绍

 

一、反应机理


浓硝酸硝化苯甲酸合成3,5-二硝基苯甲酸反应机理如图2所示。

 

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图2.苯甲酸硝化反应机理

 

苯甲酸和混酸溶液在发生一硝化反应时,可以在苯环的邻、间、对位上进行亲电取代反应,一硝产物以间硝基苯甲酸为主;该反应在室温下即可快速进行,但在引入一个硝基后,由于NO2+也是吸电子基团,会使苯环上电子云密度进一步下降, 使得二硝化速度大大降低,需要更为强化的反应条件。

 

本文采用的发烟硫酸中的三氧化硫比硫酸的脱水能力更强,使浓硝酸在发烟硫酸中尽可能完全转化为NO2+,加快反应进程,提高反应速率。

 

、实验步骤

 

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图3.连续流反应装置流程

 

  1. 连续流反应装置如图3所示。

    将苯甲酸溶于发烟硫酸中,记为原料A;

  2. 将发烟硫酸加入浓硝酸中组成混合溶液,记为原料B;

  3. 此装置主要分为预热区和反应区, 温度通过恒温循环换热器装置设定和调节;

  4. 待温度达到设定值,将原料A与原料B通过泵3和泵4同时流入反应模块,依次经过预热区、反应区,产物由出口处连续流出,然后利用冰水淬灭,冷却、结晶、过滤得到产物;

  5. 产物进行HPLC分析。

 

三、反应条件研究

 

研究者对3,5-二硝基苯甲酸的微通道连续合成工艺多个影响因素进行了考察,探究发烟硫酸用量、反应物料配比、反应温度、停留时间对合成3,5-二硝基苯甲酸收率和选择性的影响。

 

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图4. 发烟硫酸用量对反应的影响

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图6. 温度对反应的影响

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图5. 反应物料比对反应的影响

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图7. 停留时间对反应的影响

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图8. 体系各组分含量随时间变化关系

 

最终研究者获得了该合成工艺的最佳条件:取用 n(苯甲酸):n(发烟硫酸) :n(浓硝酸) = 1 : 7: 2.8,反应停留时间4min,反应体系温度为75℃,此时3,5-二硝基苯甲酸收率为91.0%,选择性达97.2%。

结果讨论与小结:

 

  • 本文以苯甲酸为原料,浓硝酸为硝化剂,发烟硫酸为催化溶剂,应用微通道反应器探究了苯甲酸硝化合成3,5-二硝基苯甲酸反应的工艺条件;

  • 与传统间歇方法相比,该工艺具有反应时间短、效率高、混合效果佳等优点,提升了苯甲酸硝化过程的本质安全性;

  • 对于单因素实验,均选最优结果,得到的最终工艺条件非常接近理论上的较优工艺条件。

  • 在n(苯甲酸):n(浓硝酸):n(发烟硫酸)= 1:2.8:7,温度75 ℃,停留时间4 min的较优工艺条件下,3,5-二硝基苯甲酸收率为91.0%,选择性达97.2%。

     

 

参考文献:《天然气化工—C1 化学与化工》:第46 卷第2 期

 

 

 

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