張清玉

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江建德311600）

間甲酚（m-cresol）是農(nóng)藥、醫(yī)藥和香料方面的重要中間體，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于染料、增白劑、聚氨酯樹(shù)脂等的合成[1-3]。近年來(lái)，隨著醫(yī)藥、農(nóng)藥市場(chǎng)對(duì)間甲酚需求量的增加，天然合成法已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足下游產(chǎn)品發(fā)展的需求。天然合成法存在資源有限、工藝過(guò)程復(fù)雜、分離裝置眾多等缺點(diǎn)。而化學(xué)合成法具有工藝生產(chǎn)周期短、反應(yīng)條件溫和、操作方便、產(chǎn)品純度高等眾多優(yōu)點(diǎn)[4-5]，故用其制備間甲酚的研究和開(kāi)發(fā)逐漸受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

目前，國(guó)內(nèi)外間甲酚的合成工藝主要有鄰氯甲苯水解法、異丙基甲苯法、鄰二甲苯氧化法、甲苯磺化堿熔法和間甲苯胺法[6-8]。國(guó)內(nèi)主要采用間甲苯胺法，該法工藝簡(jiǎn)單，收率高，反應(yīng)條件溫和，分離過(guò)程簡(jiǎn)單，具有較好的工業(yè)化前景。但該工藝存在收率低、產(chǎn)品純度低、工業(yè)三廢多等缺點(diǎn)，因此本研究著重對(duì)重氮化-水解法制備間甲酚的影響因素進(jìn)行了探討，并對(duì)工藝中產(chǎn)生的廢酸進(jìn)行了回收利用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

間甲苯胺；亞硝酸鈉；濃硫酸；尿素等（均為分析純）。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

FTIR-7600紅外光譜儀；低溫冷卻循環(huán)泵；恒流泵；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；氣相色譜儀等。

1.2 實(shí)驗(yàn)工藝路線

圖1為重氮化-水解法制備間甲酚的實(shí)驗(yàn)工藝路線。

圖1 重氮化-水解法制備間甲酚工藝路線

1.3 重氮鹽的制備

在250mL容量瓶中加入一定量的水，然后在攪拌條件下加入一定量的濃H2SO4，滴加完畢后，待溫度降至30～40℃之間時(shí)，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加間甲苯胺（21.65mL，0.2mol），待生成的硫酸氫銨鹽完全溶解后，冷卻降溫至0℃。然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下，緩慢滴加濃度為30%的亞硝酸鈉（14.49 g）溶液，滴加完畢后，繼續(xù)反應(yīng)15min左右，用淀粉碘化鉀試紙檢測(cè)亞硝酸鈉是否剩余，如有剩余，剩余的亞硝酸鈉用少量尿素晶體除去。

1.4 重氮鹽的水解

量取一定量的水，然后在攪拌條件下加入一定量的硫酸，滴加完畢后，升溫至110℃左右，在水蒸氣蒸餾條件下，用計(jì)量泵液面以下滴加重氮鹽溶液，滴加完畢后繼續(xù)進(jìn)行水蒸氣蒸餾，直至餾出液澄清為止。

1.5 產(chǎn)品的后處理及純化

流出組分用二氯甲烷萃取3次，然后合并有機(jī)相，水洗有機(jī)相至中性，分出有機(jī)相，旋蒸出二氯甲烷，得間甲酚粗品。所得間甲酚粗品減壓精餾（回流比為1:1）得無(wú)色透明狀間甲酚產(chǎn)品（其中釜溫為150℃，塔頂溫度為120℃，真空度為0.1 MPa）。純化后的間甲酚經(jīng)氣相色譜分析，得知純度達(dá)99.9%以上。

1.6 產(chǎn)品表征

圖2 間甲酚的紅外譜圖

由圖2可知，在3 340.2 cm-1處，為酚羥基中O—H的伸縮振動(dòng)的締合峰；在3 039.1 cm-1處，為苯環(huán)上C—H的伸縮振動(dòng)峰；在1 930 cm-1處，為苯環(huán)上C—H的面外彎曲振動(dòng)；在1 456.9 cm-1、1492.2 cm-1和1 590 cm-1處，為苯環(huán)上C——C的骨架振動(dòng)；在1 340 cm-1處，為O—H的面內(nèi)彎曲振動(dòng)；在1 280 cm-1處，為C—O的伸縮振動(dòng)峰；在685.1 cm-1和733 cm-1處，為C—H的面外彎曲振動(dòng)；在2859 cm-1和2 923.8 cm-1處，為甲基上C—H的伸縮振動(dòng)峰；在1 470 cm-1和1 380 cm-1處，為甲基上C—H的彎曲振動(dòng)。由以上分析可知，可確定該物質(zhì)為間甲酚。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

參考相關(guān)文獻(xiàn)[5,9]，對(duì)實(shí)驗(yàn)中間甲酚收率和對(duì)生產(chǎn)成本影響因素較小的變量加以確定，即重氮鹽制備時(shí)硫酸的用量為間甲苯胺的3倍，亞硝酸鈉的濃度為35%?？疾靵喯跛徕c滴加時(shí)間、重氮化時(shí)硫酸濃度、水解時(shí)硫酸濃度和重氮鹽滴加時(shí)間對(duì)間甲酚收率的影響。

2.1 重氮化時(shí)亞硝酸鈉滴加時(shí)間對(duì)間甲酚收率的影響

圖3 亞硝酸鈉滴加時(shí)間對(duì)間甲酚收率的影響

由圖3可知，在重氮化時(shí)硫酸濃度為30%，重氮鹽水解時(shí)重氮鹽滴加時(shí)間為50min條件下，間甲酚的收率先隨著亞硝酸鈉滴加時(shí)間的增加而增加，當(dāng)時(shí)間達(dá)到一定值后，間甲酚收率隨著滴加時(shí)間的增加而降低。

其原因可能是由于重氮化過(guò)程是快速、劇烈的放熱反應(yīng)，當(dāng)亞硝酸鈉滴加過(guò)快時(shí)，會(huì)使得體系中的溫度增長(zhǎng)過(guò)快，體系溫度不易控制，并且導(dǎo)致局部高溫，由于生成的重氮化合物在超過(guò)5℃時(shí)會(huì)急劇分解，從而導(dǎo)致間甲酚收率下降。同時(shí)，重氮化過(guò)程是一快速反應(yīng)，當(dāng)亞硝酸鈉滴加速度過(guò)慢時(shí)，不能夠保證體系中生成的亞硝酸始終處于過(guò)量狀態(tài)，從而引起生成的重氮化合物與體系中的間甲苯胺或者與重氮化合物本身發(fā)生自偶合反應(yīng)，從而導(dǎo)致間甲酚收率的下降。

綜上所述，亞硝酸鈉的滴加速度應(yīng)該在盡量保證體系溫度不超過(guò)5℃的條件下，盡可能地快速滴加，從而避免重氮化合物的分解和偶合反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而獲得較高收率的間甲酚。由圖3可知，亞硝酸鈉的滴加時(shí)間應(yīng)控制在20min左右。

2.2 重氮化時(shí)硫酸濃度對(duì)間甲酚收率的影響

圖4 重氮化時(shí)硫酸濃度對(duì)間甲酚收率的影響

由圖4可知，在亞硝酸鈉滴加時(shí)間為20min，水解過(guò)程中重氮鹽滴加時(shí)間為50min的條件下，重氮化反應(yīng)過(guò)程中，間甲酚的收率先隨著硫酸濃度的增加而增加，當(dāng)硫酸濃度超過(guò)一定值后，間甲酚的收率隨著硫酸濃度的增加而降低。

其原因可能是由于體系中存在著以下平衡：

當(dāng)硫酸濃度過(guò)大時(shí)，平衡（1）向右移動(dòng)，有助于間甲苯胺向著銨鹽方向轉(zhuǎn)化，進(jìn)而使得游離態(tài)間甲苯胺的濃度降低，從而不利于重氮化反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)硫酸濃度較大時(shí)可以使得平衡（2）向左移動(dòng)，即抑制生成的亞硝酸的水解，進(jìn)而有助于重氮化反應(yīng)的進(jìn)行。如果硫酸的濃度過(guò)高時(shí)，在較低溫度條件下，就會(huì)有大量的銨鹽從體系中析出，使得體系成為非均相反應(yīng)，不利于反應(yīng)的快速進(jìn)行。

當(dāng)硫酸濃度過(guò)低時(shí)，雖有助于游離態(tài)間甲苯胺的存在，對(duì)重氮化反應(yīng)是有利的；但當(dāng)硫酸濃度過(guò)低時(shí)，在平衡（2）中，平衡右移，使得體系中亞硝酸的含量較低，同樣不利于重氮化反應(yīng)的進(jìn)行。

即當(dāng)硫酸濃度較低時(shí)，平衡（2）是控制反應(yīng)的主要步驟，增加硫酸的濃度有助于體系中亞硝酸含量的增加，進(jìn)而有助于重氮化反應(yīng)的進(jìn)行；隨著硫酸濃度的增加，平衡（1）成為了控制反應(yīng)的主要步驟，增加硫酸的濃度使得體系中游離態(tài)的間甲苯胺含量降低，從而不利于反應(yīng)的進(jìn)行。

綜上所述，硫酸的濃度需要控制在一定范圍內(nèi)，使體系中游離態(tài)的間甲苯胺和亞硝酸均保持一定的濃度，由圖4可知，硫酸的濃度應(yīng)控制在35%左右。

2.3 重氮鹽水解時(shí)硫酸濃度對(duì)間甲酚收率的影響

由圖5可知，在亞硝酸鈉滴加時(shí)間為20min，重氮鹽水解時(shí)間為50min條件下，間甲酚收率隨著硫酸濃度的增加而增加，當(dāng)硫酸濃度到達(dá)一定值后，間甲酚的收率隨著硫酸濃度的增加略微有所下降。

圖5 重氮鹽水解時(shí)硫酸濃度對(duì)間甲酚收率的影響

其可能原因是由于在堿性條件下或者是弱酸性條件下，重氮鹽容易發(fā)生偶合反應(yīng)，生成偶氮化合物。重氮鹽正離子具有一定的親電性，易于和芳香化合物發(fā)生偶合作用，生成相應(yīng)的偶氮化合物；在硫酸濃度較大，即較強(qiáng)的酸性條件下，偶氮化合物生成銨鹽，生成的銨鹽正離子是較強(qiáng)的間位定位基團(tuán)，能夠和苯環(huán)上的電子云發(fā)生超共軛效應(yīng)，進(jìn)而降低了苯環(huán)上的電子云密度，從而抑制偶合反應(yīng)的發(fā)生；同時(shí)在強(qiáng)酸性條件下，生成的間甲酚也不容易失去酚羥基上的氫離子，使得偶合反應(yīng)不容易發(fā)生。

但酸性過(guò)強(qiáng)時(shí)，使得重氮鹽的水解過(guò)程不容易發(fā)生，并且在工業(yè)生產(chǎn)中也會(huì)產(chǎn)生大量的廢酸。

綜上所述，硫酸的濃度應(yīng)該保持在一定的范圍，要在使其盡可能抑制副反應(yīng)發(fā)生的條件下，盡可能降低硫酸的濃度。由圖5可知，硫酸的濃度應(yīng)該控制在50%左右。

2.4 重氮鹽滴加時(shí)間對(duì)間甲酚收率的影響

圖6 水解時(shí)重氮鹽的滴加時(shí)間對(duì)間甲酚收率的影響

由圖6可知，在亞硝酸鈉滴加時(shí)間為20min，水解時(shí)硫酸濃度為50%的條件下，間甲酚的收率隨著水解時(shí)間的增加而增加，當(dāng)水解時(shí)間達(dá)到一定值后，間甲酚的收率隨時(shí)間的增加基本不變。

其原因可能是由于當(dāng)重氮鹽水解時(shí)，重氮鹽滴加過(guò)快時(shí)，重氮鹽水解生成的間甲酚不能夠及時(shí)在水蒸氣蒸餾條件下從水溶液中蒸出，很容易引起生成的間甲酚和未水解的重氮化合物發(fā)生偶合反應(yīng)生成偶氮化合物，從而導(dǎo)致間甲酚收率的降低，同時(shí)由于副反應(yīng)的發(fā)生，也導(dǎo)致產(chǎn)品純度下降。

當(dāng)生成的重氮鹽滴加過(guò)慢時(shí)，導(dǎo)致流出液體積過(guò)大，使得能耗增加，后處理復(fù)雜，并且產(chǎn)生大量廢酸。

綜上所述，重氮鹽水解時(shí)間應(yīng)該盡可能在保證偶合反應(yīng)不發(fā)生的條件下，盡可能快速水解偶氮化合物。由圖6可知，重氮鹽的水解時(shí)間應(yīng)在60min左右。

2.5 間甲酚主要影響因素的正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

建立L9（34）正交實(shí)驗(yàn)，其水平和因素見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，所得目的產(chǎn)物以間甲酚的收率為標(biāo)準(zhǔn)。

表1 重氮化反應(yīng)因素水平表

由表2可知，由正交實(shí)驗(yàn)篩選出的最佳工藝條件是A3B2C2D1，即亞硝酸鈉滴加時(shí)間為25min，重氮化反應(yīng)時(shí)硫酸濃度為35%，重氮鹽水解時(shí)硫酸濃度為50%，重氮鹽水解時(shí)重氮鹽滴加時(shí)間為60min。

實(shí)驗(yàn)計(jì)算過(guò)程中，極差R的大小反應(yīng)了實(shí)驗(yàn)中各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的大小，極差較大，說(shuō)明這種因素對(duì)指標(biāo)的影響較大，通常為重要因素；極差較小，說(shuō)明這種因素對(duì)指標(biāo)的影響較小，通常為次要因素。根據(jù)極差R判斷，A、B、C和D四因素的影響顯著順序?yàn)锳>B>C>D，說(shuō)明亞硝酸鈉的滴加時(shí)間對(duì)間甲酚的收率影響最大，其次依次為重氮化時(shí)硫酸濃度、重氮鹽水解時(shí)硫酸濃度、重氮鹽水解時(shí)重氮鹽滴加時(shí)間。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在正交實(shí)驗(yàn)確定的最佳實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行3次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得間甲酚的平均收率為86.82%。

2.6 廢酸的回收利用

重氮鹽水解過(guò)程中產(chǎn)生的廢酸，加入0.2%的活性炭，在室溫、攪拌條件下，吸附0.5 h左右，除去溶液中的有機(jī)物。除去有機(jī)物后的酸液，用電解法除去溶液中的鈉離子。所得硫酸溶液濃縮處理后即可再次循環(huán)利用。

3 結(jié) 論

間甲苯胺制備間甲酚的最佳工藝條件為：亞硝酸鈉滴加時(shí)間為25min，重氮化反應(yīng)時(shí)硫酸濃度為35%，重氮鹽水解時(shí)硫酸濃度為50%，重氮鹽水解時(shí)重氮鹽滴加時(shí)間為60min，亞硝酸鈉的濃度為35%，重氮化時(shí)硫酸的用量為3倍的間甲苯胺的量。在最佳工藝條件下，間甲酚的收率為86.82%。減壓精餾后間甲酚的純度達(dá)99.9%以上。用活性炭吸附法除去廢酸中的有機(jī)物，同時(shí)用電解法除去酸中的鈉離子。

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