對溴苯甲醛合成過程中影響因素研究*

王克塵，梁紅梅

（1.江蘇豪森藥業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222000；2.江蘇恒瑞醫(yī)藥股份有限公司，江蘇 連云港 222000）

對溴苯甲醛又稱4-溴苯甲醛，是一種重要的化工中間體，主要用于染料和醫(yī)藥合成工業(yè)中[1]，傳統(tǒng)的制備方法是將對溴甲苯經(jīng)溴化、水解，制得對溴苯甲醛[2]。以對溴甲苯為原料的制備方法有溴化水解、間接電解氧化、在乙酸酐中三氧化鉻氧化水解等[3,4]。以對溴甲苯經(jīng)溴化、水解制得對溴苯甲醛的方法比較成熟，產(chǎn)率也較高，但合成過程中有大量的有毒性的廢氣、廢液產(chǎn)生，對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[5,6]。因?qū)︿灞郊兹┰诤铣晒I(yè)中的重要性以及環(huán)境有害性，關(guān)于對溴苯甲醛性質(zhì)方面的研究一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題[2]，如有學(xué)者從熒光光譜角度揭示了對溴苯甲醛與體血清蛋白的相互作用關(guān)系[9]；有學(xué)者以Mn2O3為催化劑合成了對溴苯甲醛，并探討了該工藝工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的可能性[7]；有學(xué)者認(rèn)為在對溴苯甲醛生產(chǎn)過程中加入乙醚溶劑可促進(jìn)反應(yīng)的正向進(jìn)行，但會擬制硝化物的生成[2]。

截止目前，對溴苯甲醛在國內(nèi)還沒有形成工業(yè)化大規(guī)模的生產(chǎn)，產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國內(nèi)市場需求[8]，我國對溴苯甲醛很大程度上還是依賴從國外進(jìn)口[9]。鑒于對溴苯甲醛有著巨大的消費(fèi)市場，開發(fā)出一條綠色無污染、適合于工業(yè)化的生產(chǎn)工藝顯得尤為迫切。本文以二芐醚，Br2為主要原料，經(jīng)加Br2、HNO3氧化兩步反應(yīng)得到對溴苯甲醛，并對該工藝生產(chǎn)過程中的影響因素進(jìn)行探討，研究結(jié)論以期為進(jìn)一步揭示對溴苯甲醛生成機(jī)制提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本文以二芐醚，Br2為主要原料，經(jīng)加Br2、HNO3氧化兩步反應(yīng)得到最終產(chǎn)物對溴苯甲醛。對溴苯甲醛合成反應(yīng)式見式（1），對溴二芐醚的合成反應(yīng)式見式（2），對甲苯胺重氮置換反應(yīng)式見式（3），二溴二苯醚由二苯醚溴化而得，反應(yīng)式見式（4）。

1.2 試劑與儀器

對溴二芐醚（GR湖南華騰制藥有限公司）；NaNO2（AR雞澤縣浩瀚化工有限公司）；HNO3（AR昊龍化工有限公司）；飽和NaOH溶液（AR茂名雄大化工有限公司）；Na2CO3溶液（AR淮南市眾誠化工有限公司）；二芐醚（GR湖北成豐化工有限公司）；Br2（GR江蘇潤豐合成科技有限公司）；NaHSO3飽和溶液（AR武漢斯麥克生物科技有限公司）；鐵粉（20目湖北東曹化學(xué)科技有限公司）；濃H2SO4（AR昊龍化工有限公司）；稀HNO3（AR山東豪順化工有限公司）。

HMS07型控溫電熱套（深圳市博大精科技實(shí)業(yè)有限公司）；2BE-1型真空泵（山東富安集團(tuán)真空可有限公司）；PIDS3型電子天平（上海巖舍儀器有限公司）；ZKGZ04S型恒溫干燥箱（上海善志儀器設(shè)備有限公司）；TS3-D型恒溫振蕩器（武漢析達(dá)儀器有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）對溴甲苯的合成 將甲苯胺、濃H2SO4、NaNO2混合攪拌，生成重氮鹽溶液，隨后滴加HBr-CuBr溶液，經(jīng)過蒸餾、調(diào)節(jié)pH值，干燥、分餾等操作制得對溴甲苯；

（2）對溴苯酚的合成 反應(yīng)器中添加苯酚、Br2、CS2溶液攪拌2h，后將反應(yīng)物蒸餾、減壓分餾、冷卻、結(jié)晶、分離等操作，即得對溴苯酚；

（3）對溴二芐醚的合成 稱取一定量的二芐醚、鐵粉混合攪拌，依次添加濃H2SO4、液Br2，經(jīng)飽和NaHCO3溶液洗滌后得對溴二芐醚；

（4）對溴苯甲醛的合成 65%的稀HNO3慢慢滴入上述合成的對溴二芐醚中，使其反應(yīng)生成對溴苯甲醛，然后進(jìn)行減壓蒸餾提純。

1.4 計(jì)算公式

對溴苯甲醛收率計(jì)算公式如下：

式中YR：產(chǎn)品收率，%；nA：目的產(chǎn)物生成量，mol；nB：目的產(chǎn)物理論生成量，mol。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度的影響

確定反應(yīng)時(shí)間為5h，Br2和二芐醚物質(zhì)的量之比為2∶1，催化劑Fe用量為1g·L-1的情況下，選擇反應(yīng)溫度分別為40、45、50、55和60℃，考察反應(yīng)溫度對產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 反應(yīng)溫度對對溴苯甲醛收率的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on the yield of p-bromobenzaldehyde

由圖1可見，當(dāng)裝置內(nèi)反應(yīng)溫度從40℃增至60℃時(shí)，對溴苯甲醛收率經(jīng)歷了一個(gè)先升后降的過程。當(dāng)反應(yīng)溫度從40℃升至50℃時(shí)，產(chǎn)品收率由48.7%升至68.2%，當(dāng)溫度繼續(xù)升至60℃時(shí)，產(chǎn)品收率降至61.8%。這是因?yàn)樵?0℃反應(yīng)條件下，催化劑活性最高，反應(yīng)最完全。因此，最終確定50℃為最佳反應(yīng)溫度。

2.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

確定反應(yīng)溫度為50℃，Br2和二芐醚物質(zhì)的量之比為2∶1，催化劑Fe用量為1g·L-1的情況下，選擇反應(yīng)時(shí)間分別為3、4、5、8和10h，考察反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對對溴苯甲醛收率的影響Fig.2 Effect of reaction time on the yield of p-bromobenzaldehyde

由圖2可見，反應(yīng)時(shí)間從3h增至10h時(shí)，對溴苯甲醛收率呈先上升后保持平緩的趨勢。反應(yīng)8h時(shí)，產(chǎn)品收率達(dá)到最大值，為78.3%；反應(yīng)3h時(shí)，產(chǎn)品收率最低，為56.4%。這是因?yàn)榉匠蹋?）反應(yīng)完全需要7～8h，但反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)增加，產(chǎn)品收率幾乎沒有變化。因此，最終確定8h為最佳反應(yīng)時(shí)間。

2.3 原料配比的影響

確定反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)時(shí)間為8h，催化劑Fe用量為1g·L-1的情況下，選擇Br2與二芐醚物質(zhì)的量之比分別為1.8∶1、2∶1、2.2∶1、2.5∶1、2.8∶1，考察原料配比對產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可見，當(dāng)原料中Br2與二芐醚物質(zhì)的量之比從1.8∶1逐漸增至2.8∶1時(shí)，對溴苯甲醛收率先上升后下降的趨勢。Br2與二芐醚物質(zhì)的量之比為1.8∶1時(shí)，產(chǎn)品收率為60.1%；Br2與二芐醚物質(zhì)的量之比為2∶1時(shí)，產(chǎn)品收率最高，為77.0%；Br2與二芐醚物質(zhì)的量之比為1.8∶1時(shí)，產(chǎn)品收率最低，為60.1%。說明若添加的Br2量過少會導(dǎo)致反應(yīng)不完全，無法達(dá)到最大產(chǎn)品收率。若添加的Br2量過多，容易引起副反應(yīng)，降低產(chǎn)品收率，為后續(xù)的分離帶來困難。因此，最終確定反應(yīng)器內(nèi)Br2與二芐醚物質(zhì)的量之比為2.2∶1為最佳原料配比。

圖3 原料配比對對溴苯甲醛收率的影響Fig.3 Effect of raw material ratio on the yield of p-bromobenzaldehyde

2.4 催化劑用量的影響

確定反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)時(shí)間為8h，溴和二芐醚物質(zhì)的量之比為2∶1情況下，選擇催化劑Fe用量分別為0.1、0.5、1、3和5g·L-1，考察催化劑用量對產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 催化劑Fe用量對對溴苯甲醛收率的影響Fig.4 Effect of catalyst Fe dosage on the yield of p-bromobenzaldehyde

由圖4可見，當(dāng)催化劑Fe用量由0.1g·L-1逐漸增至5g·L-1時(shí)，對溴苯甲醛收率經(jīng)歷了了一個(gè)先上升后緩慢下降再快速下降的過程。當(dāng)催化劑Fe用量為0.5g·L-1時(shí)，產(chǎn)品收率最大，為77.2%；當(dāng)催化劑Fe用量為5g·L-1時(shí)，產(chǎn)品收率最低，為54.1%。

催化劑Fe對反應(yīng)式（2）有良好的催化活性，控制催化劑的用量可以使催化劑Fe迅速和Br2反應(yīng)，生成Fe（Br）3，在催化劑用量為0.5g·L-1時(shí)，產(chǎn)品收率最高，催化劑用量過多，產(chǎn)品收率反而下降。這是因?yàn)榇呋瘎┰谶^量的情況下，反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)放出大量的熱，改變各物質(zhì)的性狀，使反應(yīng)無法進(jìn)行所至。最終確定最佳催化劑Fe用量為0.5g·L-1。

綜上，最佳反應(yīng)條件為：反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)時(shí)間為8h，原料中Br2與二芐醚物質(zhì)的量之比為2.2∶1，催化劑Fe最佳用量為0.5g·L-1，在該條件下對溴苯甲醛產(chǎn)品收率為77.2%。

3 結(jié)論

本文對二芐醚的對位加溴反應(yīng)和對溴二芐醚的分解生成對溴苯甲醛方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了該方案在合成對溴苯甲醛過程中的影響因素，定量分析了溫度、反應(yīng)時(shí)間、原料配比以及催化劑用量對對溴苯甲醛收率的影響。確定最佳反應(yīng)條件為：反應(yīng)器內(nèi)溫度為50℃，反應(yīng)時(shí)間為8h，原料中溴與二芐醚物質(zhì)的量之比為2.2∶1，催化劑Fe最佳用量為0.5g·L-1，此時(shí)產(chǎn)品收率為77.2%。