鄰硝基苯乙酸制備方法的研究進(jìn)展

上官春軒，渠小峰，王鼎，王建龍

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

鄰硝基苯乙酸制備方法的研究進(jìn)展

上官春軒，渠小峰，王鼎，王建龍

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

對(duì)以鄰硝基甲苯為原料合成鄰硝基苯乙酸的研究進(jìn)行了綜述。分析和評(píng)價(jià)了各種合成方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合作者工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)未來(lái)發(fā)展方向做出了分析。

鄰硝基苯乙酸；制備；有機(jī)中間體

鄰硝基苯乙酸及其衍生物是有機(jī)合成及藥品制造的重要中間體，也是很好的除草劑。工業(yè)生產(chǎn)上鄰硝基甲苯在甲苯硝化產(chǎn)物中比例最大但需求量卻沒(méi)有對(duì)硝基甲苯大，造成了其價(jià)格比較低。因此研究從鄰硝基甲苯合成鄰硝基苯乙酸有很大的實(shí)用價(jià)值和必要性。本文就以鄰硝基甲苯為原料合成鄰硝基苯乙酸的合成方法及其各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)作一綜述和分析。并且對(duì)近一步研究提出具體的建議，指出其發(fā)展趨勢(shì)。

1 制備方法

1.1 相轉(zhuǎn)移催化法

這種方法是目前工業(yè)上合成鄰硝基苯乙酸采用的方法。其具體過(guò)程為以鄰硝基甲苯為原料，先經(jīng)溴化得鄰硝基溴芐，再與氰化鈉反應(yīng)得鄰硝基苯乙腈，水解后即得鄰硝基苯乙酸[1]。另外太原理工的一篇專(zhuān)利中對(duì)這種方法進(jìn)行了改進(jìn)[2]：以鄰硝基芐氯和氰化鈉為原料，在聚苯乙烯固載的季銨鹽相轉(zhuǎn)移催化劑下，一步生成鄰硝基苯乙腈，然后加入NaOH水溶液使鄰硝基苯乙腈水解生成鄰硝基苯乙酸。其最高收率可以達(dá)到88%。

此后陳芬兒等[3]又提出了一種更加簡(jiǎn)單的相轉(zhuǎn)移合成方法，其過(guò)程是：將41.2 g鄰硝基甲苯、30 g氫氧化鈉、0.5 g聚乙二醇-600、200 mL甲苯加熱攪拌回流1 h，通入二氧化碳至不吸收二氧化碳停止加熱。冷卻至室溫加入150 mL水，在60℃攪拌1 h后冷卻到室溫分出有機(jī)層。用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值到1-2，析出固體。過(guò)濾干燥的白色粉末53.3 g。其收率達(dá)到98%。此外又介紹了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別是以N,N-二甲基甲酰胺為溶劑，用氫氧化鉀替代氫氧化鈉，聚乙二醇-400替換聚乙二醇-600和以二甲基亞砜為溶劑的實(shí)驗(yàn)二和用氫化鋰替代氫氧化鈉，聚乙二醇-1500替換聚乙二醇-600的實(shí)驗(yàn)三。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)這種方法存在如下問(wèn)題：在實(shí)驗(yàn)一中，甲苯也發(fā)生了反應(yīng)，生成大量黑色物質(zhì)并且產(chǎn)率相當(dāng)?shù)瓦h(yuǎn)沒(méi)有報(bào)道的98%。產(chǎn)物為膠狀固體無(wú)法分離。實(shí)驗(yàn)二中，N,N-二甲基甲酰胺在堿性溶液中發(fā)生反應(yīng)放出大量的氨氣使得合成鄰硝基苯乙酸的反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)三中，二甲基亞砜可以和水以任意比混溶，無(wú)法分出有機(jī)層。通過(guò)空白實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)間加熱回流后二甲基亞砜也部分發(fā)生了反應(yīng)，并放出刺激性氣味的氣體。直接酸化混合溶液后通過(guò)薄層液相色譜分析發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有產(chǎn)物生成，也有可能生成產(chǎn)物特別微量，通過(guò)這種方法無(wú)法分析出來(lái)。

相轉(zhuǎn)移催化法總體來(lái)說(shuō)反應(yīng)過(guò)程比較溫和，改進(jìn)以后得率有所上升分離過(guò)程比較簡(jiǎn)單適合工業(yè)化生產(chǎn)要求。但是它存在如下缺點(diǎn)：1）氰化鈉為劇毒品，應(yīng)用不安全；2）反應(yīng)步驟多收率低，雖然其改進(jìn)后從鄰硝基芐氯合成鄰硝基苯乙酸收率最高可以達(dá)到88%，但是總體收率還是偏低，由此也帶來(lái)了嚴(yán)重的三廢問(wèn)題；3）改進(jìn)方法中使用的固載清洗處理過(guò)程復(fù)雜。4）相轉(zhuǎn)移催化劑除去比較困難，很難達(dá)到高純度要求，因此應(yīng)用此法有一定局限性。另外陳芬兒等提出的合成方法有一定的參考價(jià)值，由于其工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、沒(méi)有使用腐蝕性太強(qiáng)或危險(xiǎn)的試劑，對(duì)設(shè)備要求不高并且生產(chǎn)過(guò)程比較環(huán)保，如果采用這種合成方法產(chǎn)率較高有很大的實(shí)用價(jià)值，比較適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)要求。

1.2 羧基化合成法

這種合成方法最早是G．P．Chiusoli等[4]提出在六甲基磷酰胺中，對(duì)硝甲苯在苯酚鈉的存在下能和二氧化碳進(jìn)行羧基化反應(yīng)并生成相應(yīng)的對(duì)硝基苯乙酸，收率可達(dá)到50%。1986年林富欽等[5，6]介紹了羰基化合成鄰硝基苯乙酸的過(guò)程。其具體過(guò)程是將96 g苯酚鈉溶解于40 g氫氧化鈉水溶液中攪拌、加熱蒸除水分然后干燥備用。然后將7．5 g上述制成的苯酚鈉、2．2 g干燥的鄰硝基甲苯溶于20 mL干燥的二甲基亞砜，通入二氧化碳在60℃回流4 h。然后將反應(yīng)混合物冷卻到室溫倒入50 g冰、40 mL濃鹽酸、60 mL乙醚的燒杯中分離出有機(jī)層，水層再用乙醚萃取五次。合并醚層用10%碳酸氫鈉萃取五次，然后酸化碳酸氫鈉層，再用乙醚萃取五次。合并醚層用水洗滌后蒸干。后用1:3的乙醇和水溶液重結(jié)晶就可以得到純的鄰硝基苯乙酸。

這種合成方法其苯酚鈉用量太大，在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了一系列的研究[7～9]。如：采用苯并三唑、醇鈉、無(wú)水碳酸鹽等溶劑替代部分苯酚鈉；利用四丁基溴化銨為催化劑等方法來(lái)減少苯酚鈉的用量。

總體來(lái)說(shuō)羧基化合成方法避免了使用劇毒性物質(zhì)并且反應(yīng)條件溫和。但是這種合成方法也有如下四個(gè)缺點(diǎn)決定了其工業(yè)化生產(chǎn)難度很大。1）要求絕對(duì)無(wú)水的條件。這種合成方法要求在絕對(duì)無(wú)水條件下進(jìn)行如果有水的話得率會(huì)非常低甚至沒(méi)有產(chǎn)物，但是在反應(yīng)中會(huì)生成水很難處理。在工業(yè)化生產(chǎn)上要達(dá)到絕對(duì)無(wú)水的條件非常困難。2）使用苯酚鈉為催化劑。在反應(yīng)中使用苯酚鈉為催化劑，并且用量特別大，至少在物質(zhì)的量比上是鄰硝基甲苯的2倍以上才可以。苯酚鈉又不穩(wěn)定，通常是在5℃以下儲(chǔ)存或者溶解在乙醇中儲(chǔ)存。要在130℃的情況下真空干燥8 h，這樣干燥完成后苯酚鈉在真空度不高的情況下很容易失效。3）產(chǎn)品提純難度大。在實(shí)驗(yàn)中會(huì)生成一種黑色雜質(zhì)很難處理，在多次萃取后仍然無(wú)法分離。4）生產(chǎn)成本高且不安全。在萃取中使用了大量的乙醚致使生產(chǎn)成本提高，造成生產(chǎn)過(guò)程不安全。其使用的催化劑苯酚鈉造價(jià)也比較高。

1.3 先縮合后氧化法

美國(guó)專(zhuān)利3814755中提到了合成鄰硝基苯乙酸的方法[10]，其具體過(guò)程是將23 g金屬鈉分批加入300 mL無(wú)水乙醇溶液。每次1 g，反應(yīng)放熱等冷卻到室溫在攪拌的情況下滴加135 mL草酸二乙酯和118 mL鄰硝基苯乙酸的混合溶液在1．5 h內(nèi)滴加完后再回流1．5 h。當(dāng)溫度降到60℃時(shí)加入500 mL水，水蒸氣蒸餾回收未反應(yīng)的鄰硝基甲苯。蒸餾后液體用5 g活性炭吸收殘余的鄰硝基甲苯后過(guò)濾。用氫氧化鈉溶液把濾液的pH值調(diào)到8～9之間。然后升溫到30～40℃之間，在攪拌的情況下逐漸加入6%的雙氧水，同時(shí)不斷的用氫氧化鈉溶液進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)反應(yīng)液遇到氫氧化鈉溶液不變成黑色的時(shí)候就停止加入雙氧水。繼續(xù)反應(yīng)一段時(shí)間，然后停止加熱。等反應(yīng)液降低到室溫的時(shí)候加入5 g活性吸附雜質(zhì)后過(guò)濾。濾液用鹽酸酸化，然后過(guò)濾出固體并且用100 mL水沖洗三次。然后用200 mL比600 mL乙醇水溶液重結(jié)晶可以得到81．3 g鄰硝基苯乙酸，收率達(dá)45%。

由于其收率比較低隨后又有一些改進(jìn)這種方法的報(bào)道[11～13]。如：采用乙醇鉀替代乙醇鈉催化、采乙醚為溶劑、對(duì)合成的工藝進(jìn)行優(yōu)化、避免使用造價(jià)比較高的活性炭。

采用本合成方法避免使用苯酚鈉、乙醚等儲(chǔ)存保管困難的試劑，生產(chǎn)過(guò)程也比較綠色環(huán)保，但是這種合成方法也存在如下幾個(gè)問(wèn)題：1）收率低。采用本合成方法其收率最高不足60%。收率偏低造成其造價(jià)也就明顯增加并且造成需要處理的有機(jī)物增加。2）使用了雙氧水不安全的試劑。雙氧水腐蝕性比較強(qiáng)對(duì)設(shè)備要求較高，并且安全性比較差。應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)上有一定的困難。3）污染比較嚴(yán)重。由于采用了大量的有機(jī)物質(zhì)使得后處理比較困難，并且造成嚴(yán)重的污染。

2 各種制備方法的改進(jìn)方向

2.1 相轉(zhuǎn)移催化法的改進(jìn)方向

相轉(zhuǎn)移催化法應(yīng)考慮從以下方面來(lái)進(jìn)行改進(jìn)：1）改變其反應(yīng)機(jī)理或找到替代品避免使用氰化鈉?？梢钥紤]生成芐基后利用芐基為羧基的保護(hù)基來(lái)直接合成鄰硝基苯乙醛然后進(jìn)一步氧化得到鄰硝基苯乙酸。也可以考慮采用其它毒性不是很大的物質(zhì)來(lái)替代氰化鈉。2）優(yōu)化分離條件?？梢钥紤]使用適當(dāng)?shù)脑噭┰诓黄茐漠a(chǎn)物的情況下氧化相轉(zhuǎn)移催化劑從而使得分離比較容易，因?yàn)槿绻邢噢D(zhuǎn)移催化劑存在使得產(chǎn)物分散在水相中很難分離?；蛘哌x擇加入一定的鹽來(lái)破壞相轉(zhuǎn)移催化劑的乳化作用。

陳芬兒等[3]所提到的方法其能否制備鄰硝基苯乙酸由于上述在實(shí)驗(yàn)中遇到的種種問(wèn)題值得研究。如果應(yīng)用這種方法可以制備鄰硝基苯乙酸由于其工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件比較溫和、符合環(huán)保的要求，其必然有很大的應(yīng)用價(jià)值。

這種制備方法建議從以下兩方面來(lái)進(jìn)行研究：1）選擇比較合適的溶劑。首先所選擇的溶劑必須不和參加反應(yīng)的物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，并且要保證其在高溫回餾時(shí)也不發(fā)生反應(yīng)。其次溶劑的粘度和極性必須符合反應(yīng)的要求。再次沸點(diǎn)必須達(dá)到反應(yīng)的溫度要求。2）尋找適當(dāng)?shù)姆蛛x方法。由于使用了相轉(zhuǎn)移催化劑亦造成分離困難，因此也應(yīng)該使用以上建議的方法來(lái)改進(jìn)。

2.2 羧基化合成法的改進(jìn)方向

羧基化合成方法如果要應(yīng)用到生產(chǎn)上應(yīng)做如下改進(jìn)：1）找到苯酚鈉的替代品。由于苯酚鈉制備和儲(chǔ)存特別是儲(chǔ)存比較困難，因此有必要找到一種和苯酚鈉有同樣作用的試劑替代。可以嘗試使用醇鈉或其他試劑配合使用來(lái)活化鄰硝基甲苯使其生成芐基以便進(jìn)一步反應(yīng)。2）改變反應(yīng)條件，使得其對(duì)無(wú)水條件要求不高?？梢試L試在反應(yīng)時(shí)加入無(wú)水氯化鈣之類(lèi)的干燥試劑使其可以吸收反應(yīng)生成的水分、選擇不需要特別干燥的方法。從而降低前期的干燥要求并且放松嚴(yán)苛的反應(yīng)要求使得其適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)要求。3）簡(jiǎn)化后處理。尋找一種比較簡(jiǎn)單的后處理方法來(lái)提純，避免使用乙醚這種易燃易爆的試劑、加強(qiáng)提純的效果?？梢赃x擇在鹽酸酸化后蒸干溶劑，固體用水沖洗出去氯化鈉，再次溶于堿性溶液過(guò)濾出去有機(jī)物，再次酸化過(guò)濾后得到較純的鄰硝基苯乙酸。

2.3 先縮合后氧化法的改進(jìn)方向

先縮合后氧化法是目前比較適合工業(yè)化生產(chǎn)的方法。但是這種合成方法也應(yīng)該有如下改進(jìn)：1）避免使用雙氧水。由于雙氧水腐蝕性強(qiáng)、應(yīng)用和儲(chǔ)存不安全等特點(diǎn)，使得對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)安全條件提出更高的要求。因此必須找到一種可以替代雙氧水的試劑來(lái)進(jìn)行氧化。建議可以使用雙氧水和其他試劑配合使用來(lái)進(jìn)行氧化或改變工藝條件來(lái)進(jìn)行氧化。2）提高收率，如果收率低必然使得生產(chǎn)造價(jià)提高并對(duì)后處理造成麻煩。因此建議進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件。對(duì)反應(yīng)的每個(gè)階段都進(jìn)行檢測(cè)使得反應(yīng)盡可能的完全，從而提高收率降低污染和浪費(fèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

羧基化合成方法收率高、先縮合后氧化的方法其工藝簡(jiǎn)單易行、相轉(zhuǎn)移催化兼有二者優(yōu)缺點(diǎn)，目前這三種方法都還存在各自的缺陷。隨著研究的深入和現(xiàn)代合成技術(shù)的發(fā)展相信可以找到一種把三者結(jié)合起來(lái)的簡(jiǎn)單易行、所用試劑安全方便、對(duì)環(huán)境危害小的新方法新工藝。這種合成方法必然既能適應(yīng)工業(yè)化要求又符合現(xiàn)代化環(huán)保的要求。

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book=2010,ebook=34

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.01.003

TQ246.1+6

A

1008－1267（2010）01-0009－03

2009-10-09

上官春軒，男，碩士研究生，主要從事有機(jī)中間體合成及分離研究。