張書(shū)文，侯林艷，潘雪靜，柏雪

（河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北保定071002）

合成4(2)-溴代甲苯的新工藝研究

張書(shū)文，侯林艷，潘雪靜，柏雪

（河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北保定071002）

研究了以水為溶劑，以甲苯和Br2為原料，在合成4-溴甲苯和2-溴甲苯的同時(shí)也回收了HBr的新工藝。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定并優(yōu)化了反應(yīng)條件，其最佳工藝條件為：反應(yīng)物的摩爾比為n(甲苯)∶n(溴)=1∶1；反應(yīng)溫度為20～25℃；溴代反應(yīng)時(shí)間為2.5h；4-溴甲苯的收率可達(dá)66.4%，鄰溴甲苯的收率可達(dá)24.7%；氫溴酸的含量為44.7%～45.1%，收率達(dá)80%以上。與重氮鹽法相比，本工藝方法的特點(diǎn)是：原料價(jià)格低廉，一次反應(yīng)可得到3種產(chǎn)品，原子利用率幾乎達(dá)到100%，一次加入的水、H2SO4和Fe可以反復(fù)循環(huán)使用，整個(gè)工藝過(guò)程基本實(shí)現(xiàn)了零排放，從而大大降低了原料成本，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益；對(duì)環(huán)境無(wú)污染，符合節(jié)能減排的要求，屬于環(huán)境友好的綠色化學(xué)工藝；工藝操作方便，設(shè)備簡(jiǎn)單，適合于規(guī)?；a(chǎn)。

4-溴甲苯；2-溴甲苯；氫溴酸；原子經(jīng)濟(jì)性；環(huán)境友好

4-溴甲苯、2-溴甲苯及HBr都是十分重要的有機(jī)合成中間體，廣泛用于染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥及香料等諸多領(lǐng)域，如對(duì)溴甲苯是合成農(nóng)藥物溴螨酯的重要原料[1]，氫溴酸是合成各種無(wú)機(jī)、有機(jī)溴化物的基本原料，如在醫(yī)藥工業(yè)用于合成鎮(zhèn)靜劑和麻醉劑、止咳藥等醫(yī)藥用品[2]。兩種溴代甲苯主要是通過(guò)甲苯的直接溴代[3]和對(duì)甲苯胺重氮鹽的Sandmeyer反應(yīng)[4-6]兩種方法合成的。多年來(lái)，人們一直認(rèn)為甲苯直接溴代法所得到的兩種溴甲苯的鄰對(duì)位異構(gòu)體分離比較困難，而作為醫(yī)藥原料的4-溴甲苯需要較高的純度，因此，目前工業(yè)上都是以4（2）-甲苯胺為原料先進(jìn)行重氮化再采用sandmeyer反應(yīng)來(lái)合成4（2）-溴甲苯。此法雖然所的產(chǎn)物的純度較高，但其缺點(diǎn)也是非常突出的，首先，該工藝所用的主要原料4（2）-甲苯胺并非基本的化工原料，追其來(lái)源仍需用甲苯經(jīng)硝化、還原合成，而且硝化產(chǎn)物中對(duì)硝基甲苯的比例很低[7]，也導(dǎo)致用其合成的對(duì)甲苯胺價(jià)格昂貴；另外該反應(yīng)工藝操作復(fù)雜，除重氮化反應(yīng)需要低溫外，主要體現(xiàn)在制備溴代試劑CuBr-HBr溶液的過(guò)程，該過(guò)程不僅操作繁瑣、耗時(shí)較長(zhǎng)而且還要使用CuSO4或Cu、NaBr、（Na）2SO3、以及H2SO4等多種反應(yīng)原料。因此，無(wú)論從原料成本、原子經(jīng)濟(jì)性、工藝操作、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排以及生產(chǎn)成本等各方面考慮此合成方法均非合理。隨著精細(xì)化工領(lǐng)域的不斷發(fā)展、環(huán)境保護(hù)以及節(jié)能減排的要求，研究開(kāi)發(fā)新的工藝方法是十分必要的。

本文首次提出了用水做溶劑，通過(guò)甲苯的溴代、磺化、水解等簡(jiǎn)單步驟合成并分離得到了溴代甲苯的兩種異構(gòu)體4-溴甲苯和2-溴甲苯，同時(shí)也回收了氫溴酸，而且所得4-溴甲苯的純度達(dá)到97.98%，2-溴甲苯的純度則達(dá)到99.4%，完全達(dá)到或超過(guò)了重氮鹽法產(chǎn)品的質(zhì)量。本方法的特點(diǎn)是工藝路線簡(jiǎn)短，原料價(jià)廉，操作方便，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，用作溶劑的水可以吸收甲苯溴代反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的HBr使成為氫溴酸，無(wú)需格外進(jìn)行HBr的吸收，即可回收恒沸氫溴酸，不僅簡(jiǎn)化了裝置，避免了HBr外泄對(duì)設(shè)備的腐蝕和環(huán)境破壞同時(shí)也制得了氫溴酸，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

VG-7070E型質(zhì)譜儀（英國(guó)VG公司）；VECTOR 22紅外光譜儀（德國(guó)Bruker公司）；GC4000A氣相色譜儀（北京東西電子）；2WAJ阿貝折光儀（上海索光）；XT-4型雙目顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀（北京泰克儀器有限公司）；溫度計(jì)（未校正）。

甲苯（工業(yè)品）；Br2、98%H2SO4、還原鐵粉均為市售化學(xué)純。

1.2 合成方法

三口燒瓶上安裝攪拌器、溫度計(jì)、滴液漏斗和裝有回流冷凝管的分水器，燒瓶外用冷水浴。向燒瓶中加入0.3g鐵粉、46g（0.5mol）甲苯和60mL水，滴液漏斗中加入80g（0.5mol）Br2，再加入10mL水覆蓋在Br2的表面以減少溴的揮發(fā)。將反應(yīng)物攪拌均勻并保持溫度在20～25℃之間，緩慢滴加Br2，反應(yīng)物溶液顏色由起初Br2的紅色變?yōu)闇\黃色，隨著B(niǎo)r2的不斷滴加，溶液顏色變?yōu)榧t棕色，控制反應(yīng)溫度并保持滴入的溴迅速褪色，直至全部滴加完。最后用滴液漏斗中覆蓋Br2的水將Br2全部洗入反應(yīng)燒瓶中，繼續(xù)攪拌0.5h使溴代反應(yīng)完全，即得到對(duì)溴甲苯、鄰溴甲苯和氫溴酸3種產(chǎn)物的混合物，然后按照下列步驟進(jìn)行分離。

1.2.1 氫溴酸的分離將上述反應(yīng)混合物加熱進(jìn)行蒸餾，餾出液進(jìn)入分水器中。當(dāng)溫度達(dá)到122℃時(shí)蒸出的餾液中除大部分水以外還有溴代甲苯和極少量的HBr，打開(kāi)分水器閥門將沉于分水器底部的溴甲苯放回?zé)?，并將上層廢水放出。繼續(xù)蒸餾收集122～126℃餾分于分水器中（其中仍有溴甲苯沉于底部，待蒸餾結(jié)束將其放回?zé)浚┕驳玫金s出液74g，經(jīng)0.5mol·L-1NaOH溶液滴定，溶液中氫溴酸的含量為45.4%，收率為81%。

1.2.24 （2）-溴甲苯的分離通過(guò)滴液漏斗向已蒸除氫溴酸的燒瓶中加入27.6g（0.28mol）98%H2SO4,充分?jǐn)嚢柘录訜釤渴篃績(jī)?nèi)溫度達(dá)到110℃，徹底蒸除燒瓶中剩余的水，然后小心升溫并維持溫度在110～120℃攪拌反應(yīng)2 h。然后冷卻至40℃以下加入75mL水，充分?jǐn)嚢韬蠓殖鱿旅嬗蛯訛?-溴甲苯粗品。將分出油層后的水層加入燒瓶中加熱蒸餾除水，此時(shí)又蒸出對(duì)溴甲苯粗品2.5g，將其與前述油層合并。繼續(xù)加熱燒瓶至180℃，然后進(jìn)行水蒸氣蒸餾，蒸出鄰溴甲苯，分離除水，干燥后再進(jìn)行蒸餾，收集181～182℃餾分（lit:179～182℃）得到鄰溴甲苯20.4g，收率24%（以甲苯計(jì)）。IR（KBr）ν:3016、2962、1597、1381、745 cm-1；MS m/z（%）:170（M+,36）,172（M++ 2，35.4）。

再將油層4-溴甲苯用水洗滌二次至中性，分離干燥后常壓蒸餾收集183～185℃餾分，得到4-溴甲苯56.6g，產(chǎn)率為66.2%（以甲苯計(jì)），產(chǎn)物冷卻至27℃（lit：27～28℃）凝固成白色結(jié)晶。IR（KBr）ν:3026、2961、1626、1487、1379、801cm-1;MSm/z（%）:170（M+, 39.2）,172（M++2,38.1）。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)中水的作用其循環(huán)利用

在傳統(tǒng)的溴代反應(yīng)中一般不使用溶劑而直接進(jìn)行溴代，由于溴代反應(yīng)為放熱反應(yīng)，如果溫度控制不好往往會(huì)產(chǎn)生二取代產(chǎn)物，本實(shí)驗(yàn)中加入了水作為溶劑可以吸收部分熱量，使溫度升高不明顯，可以很方便地控制反應(yīng)的溫度在20～25℃之間。此外，水的存在可以隨時(shí)吸收溴代產(chǎn)生的HBr氣體，不僅免除了格外安裝的吸收裝置，也避免了HBr的外溢帶出Br2的蒸氣而導(dǎo)致溴的損失以及對(duì)環(huán)境和設(shè)備的破壞，同時(shí)也回收了HBr制得了產(chǎn)品氫溴酸，原料Br2的利用也更加充分。

蒸餾制取氫溴酸時(shí)在122℃以前產(chǎn)生的餾分中主要是水和少量HBr，而經(jīng)水蒸汽蒸出2-溴甲苯后的最終殘液中主要是水、溴化鐵（起初加入的鐵已與氫溴酸反應(yīng)成為FeBr3）及H2SO4，為了充分利用其中各種物料，本實(shí)驗(yàn)將其二者合并后直接轉(zhuǎn)入下批合成反應(yīng)，效果與第一次投料完全相同，從而使H2SO4和Fe始終循環(huán)使用，使整個(gè)工藝過(guò)程基本實(shí)現(xiàn)了零排放。

2.2 Br2的用量、反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間

本實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)屬于芳環(huán)上的親電取代反應(yīng)，用鐵作為催化劑，由于甲基的供電子性使反應(yīng)很易發(fā)生，在室溫下即可順利進(jìn)行，故對(duì)反應(yīng)的溫度無(wú)需特別考察。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為了使反應(yīng)不產(chǎn)生二溴代物以保證產(chǎn)品的純度，本實(shí)驗(yàn)將甲苯與溴的投料量確定為1∶1摩爾，并在反應(yīng)開(kāi)始階段用冷水冷卻燒瓶以控制反應(yīng)溫度保持在20～25℃。由于該反應(yīng)在常溫下即可順利進(jìn)行，因此，也應(yīng)該適當(dāng)控制Br2的滴加速度，為此本實(shí)驗(yàn)考察了在不同的時(shí)間內(nèi)加完Br2對(duì)收率的影響，結(jié)果列于表1中。

表1 Br2的滴加時(shí)間對(duì)收率的影響*Tab.1Effect of bromine addition time on the yield

由表1可見(jiàn)，滴加Br2的速度對(duì)產(chǎn)率有一定影響，滴加Br2的時(shí)間應(yīng)在2h以上，滴加過(guò)快可導(dǎo)致Br2的濃度過(guò)大而產(chǎn)生二溴代物，也會(huì)導(dǎo)致Br2蒸氣溢造成出損失，從而導(dǎo)致產(chǎn)率較低。本實(shí)驗(yàn)采取2h內(nèi)加完，并保持燒瓶中的Br2都能及時(shí)褪色即可，全部Br2加完后繼續(xù)攪拌反應(yīng)0.5h。經(jīng)多次反應(yīng)證明，按此條件進(jìn)行反應(yīng)，各種產(chǎn)物的收率是穩(wěn)定的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 反應(yīng)收率的穩(wěn)定性Tab.2Stability of reaction yield

2.3 各種產(chǎn)物的質(zhì)量問(wèn)題

本實(shí)驗(yàn)中的氫溴酸是通過(guò)普通蒸餾收集122～126℃的餾分得到的恒沸物，由表2中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，僅此一次蒸餾其濃度就已達(dá)到并穩(wěn)定在45%左右，已能滿足一般工業(yè)使用。

甲苯溴代時(shí)可生成鄰位和對(duì)位兩種異構(gòu)體，其中以對(duì)位為主。從表2中可見(jiàn)，對(duì)位和鄰位異構(gòu)體的比例平均在2.69∶1。兩種產(chǎn)物的純度也較高，本實(shí)驗(yàn)僅經(jīng)過(guò)一次普通蒸餾所得的4-溴甲苯和2-溴甲苯通過(guò)GC4000A氣相色譜儀分析（SE30色譜柱，氫火焰離子化驗(yàn)檢測(cè)器，柱溫130℃，面積歸一化法）其純度分別為97.98%和99.40%，折光率分別為1.5475和1.5561。

3 結(jié)論與展望

以水為溶劑用溴作溴化劑，通過(guò)甲苯的溴代反應(yīng),高收率合成了4-溴甲苯、2-溴甲苯和氫溴酸3種產(chǎn)物，其溴代反應(yīng)的最佳工藝條件為:n(甲苯)∶n(溴)= 1∶1，反應(yīng)溫度為室溫，溴代反應(yīng)時(shí)間為2.5 h。4-溴甲苯和2-溴甲苯的收率均分別為66.4%和24.7%，其純度分別為97.98%和99.40%，氫溴酸的含量達(dá)到44.7%～45.1%，收率可達(dá)81%（以HBr計(jì)）。與重氮鹽法相比，本工藝方法具有以下特點(diǎn)：原料來(lái)源豐富，價(jià)格低廉；不使用任何有機(jī)溶劑和無(wú)機(jī)試劑，原子利用率幾乎達(dá)到100%，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，屬于環(huán)境友好的綠色化學(xué)工藝；溴代反應(yīng)在常溫下進(jìn)行無(wú)需加熱，用作溶劑的水、H2SO4和Fe可以循環(huán)使用，大大降低原料成本；最大程度的滿足了資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的現(xiàn)代化工節(jié)能、減排的要求；工藝操作方便，設(shè)備簡(jiǎn)單，適合于規(guī)模化生產(chǎn)，與重氮鹽法相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

［1］張正紅,呂亮.制備溴螨酯的新工藝［J］.合成化學(xué),2009,17（3）: 392-393.

［2］牛福水,歐育湘,高富業(yè),等.回收溴化氫生成溴的兩種新工藝［J］.化工進(jìn)展,1997,（5）：53-55.

［3］Christophe-Henrl Plerre Lusson.Process for the preparation of p-Bromotoluene［P］.U.S.：5974659，1999-02-23.

［4］高春香,楊希越,張靜,等.對(duì)溴甲苯的合成工藝研究［J］.遼寧化工, 2007,36（2）：73-74.

［5］李斌棟，呂春緒.溶劑法合成對(duì)溴甲苯［J］.淮海工學(xué)院學(xué)報(bào), 2000，9（4）：25-26.

［6］章思規(guī).精細(xì)有機(jī)化學(xué)品技術(shù)手冊(cè)（上冊(cè)）［M］.北京：科學(xué)出版社，1992.335-336.

［7］章思規(guī).實(shí)用精細(xì)化學(xué)品手冊(cè)有機(jī)卷（下）［M］.1869-1870.

A new synthetic technics of 4（2）-bromotoluene

ZHANG Shu-wen,HOU Lin-yan,PAN Xue-jing,BAI Xue
（College of Chemistry and Environment Science,Hebei University,Baoding 071002,China）

Using water as solvent,4-Bromotoluene and 2-bromotoluene were synthesized which were prepared with bromum and toluenel.Hydrobromic acid was also recovered.The optimum reaction condition is under a 1∶1 molar ratio of n(Toluenel)∶n(Bromum)=1∶1 at 20～25℃for 2.5 h,under which the yield of 4-Bromotoluene is 66.4%,the yield of 2-Bromotoluene is 24.7%,hydrobromide content is 44%～46%,the yield is 80%.Compared with the diazonium salt,the process method is characterized by low-priced raw materials,and the atomic use factor achieves 100%nearly,and the water,the sulfuric acid and the iron can be recycled repeatedly,the entire technological process realize zero emission basically,thus reduce the cost of material greatly,raised the economic efficiency greatly;it do not pollute the environment,which belongs to the environment friendly green chemical technology;The craft is easy,the equipment is simple,suits in the formalization production.

p-bromotoluene;o-bromotoluene;hydrobromic acid;atom economy;environment friendly

book=2010,ebook=272

TQ244.4

A

1002-1124（2010）11-0015-03

2010-09-16

張書(shū)文（1952-），男，教授，主要從事精細(xì)有機(jī)合成研究。