绿色硝化反应研究进展_李小青.docx
《绿色硝化反应研究进展_李小青.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《绿色硝化反应研究进展_李小青.docx(6页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、DOI :彳態麵蝙 籾 ssn_ _ 额化 工进展 2005 年第 24 卷第 10 期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 1073 进展与述 评 绿色硝化反应研宄进展 李小青杜晓华郑鹛陈盛徐振元 (浙江工业大学催化加氢研究中心、绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地,杭州 310014) 摘要介绍了磺酸镧系盐催化硝化、氮氧化物硝化、固体酸催化硝化、液相负载硝化和气相硝化等绿色硝化 反应,评述了它们的优缺点,提出了固体氧化物和全氟烷磺酸协同催化 N02/02绿色硝化反应,有望成为一种 有前途的绿色硝化方法。 关键词绿色硝化反应;磺酸镧系盐;氮
2、氧化物;固体酸;液相负载;气相硝化;协同催化 中图分类号 0 625. 61; X 383 文献标识码 A 文 章 编 号 1000 -6613(2005) 10 _ 1073 -06 Research Progress of Green Nitration Li Xiaoqing, Du Xiaohua, Zheng Mei, Chen Sheng, Xu Zhenyuan (Catalytic Hydrogenation Research Center, State Key Laboratory Breeding Base of Green Chemistry Synthesis Tech
3、nology, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014) Abstract A review, with 47 references, of research progress of some green methods for aromatic nitration including the application of lanthanide ( III) sulfonic salts as catalyst, nitrogen oxides reagents, solid acid as catalyst, solid supp
4、orted reagents in solution and vapor phase nitration is presented. Their specific features, merits and demerits are outlined. The potential application of concerted catalyst for green nitration is put forward. Keywords green nitration; lanthanide ( III) sulfonic salts; nitrogen oxides; solid acid; s
5、olid supported reagents; vapor phase nitration; concerted catalyst 硝化反应,尤其是芳香族化合物的硝化反应, 其产物芳烃硝化物大量应用于农药、医药、染料、 化纤、橡胶和炸药等产品的工业生产。目前,芳烃 硝化物的工业生产是利用硝酸或硝酸硫酸组成的 混酸处理芳烃。但该反应体系对设备腐蚀性很强, 产生大量含有机化合物的废酸和废水,环境污染严 重,治理费用高。此外,该方法的选择性差,存在 氧化、水解 、轻 基化等多种副反应,尤其不适合对 酸敏感的底物的硝化。为此,人们对各种新型的硝 化反应展开了深入的研究,开发了一些有前途的新 工艺。
6、1磺酸镧系金属盐催化硝化反应 l.i三氟甲磺酸镧系金属盐催化硝化反应 二氟甲磺酸镧系金属盐 ( Ln(OTf)3 )作为 Lewis酸催化剂,己被广泛应用于各类反应 1。它 最大的优点是能在水中起到强 Lewis酸的作用,并 且易于回收,能重复利用 1。 Waller于 1997年第 一次将 Ln(OTf)3作为可回收的催化剂用于原子经 济的芳烃硝化反应 2,结果如表 1所示。 表 1结果表明: ( 1)在催化量的 Yb(OTf)3存 表 1 Yb(OTf)3催化芳香化合物的硝化 芳烃 转化率 /% 产物分布 /% 邻位 间位 对位 PhH 75(75) - PhMe 95(95) 52 7
7、41 PhPh 89 38 痕量 62 PhBr 92 44 痕量 56 PhN02 0 对二甲苯 95 - - - 对二溴苯 8 - 间二甲苯 95 4N 2: 85 2N 2: 15 萘 95 1TN 2: 91 - 2N 2: 9 收稿日期 2005 -06-27;修改稿日期 2005 -08 - 16, 基金项目浙江省自然科学基金资助项目 ( Y404033), 第一作者简介李小青 ( 1983 ),男,硕士研究生 .联系人杜晓 华,博士。电话 0571 -88320430; E_ mail duxiaohua(jut. edu. cn。 1074 在下,化学计算量的 69%硝酸能在两
8、相溶剂体系 中硝化一系列简单芳香化合物,催化剂可以通过简 单的相分离和蒸发水相回收,并可重复利用,副产 物只有水;( 2)虽然富电子和略微缺电子的芳香化 合物能被充分硝化,但对于极度缺电子的芳环,如 硝基苯、对二溴苯等反应很难进行; ( 3)产物的异 构体分布与传统的 N 2+亲电取代相同,没有改善 反应的选择性。 2005年第 24卷 在此基础上, Waller又考察了不同种类的稀土 金属对反应的影响 3,结果表明,随着离子半径的 减小或 Z/r的增大(其中 Z为金属离子电荷数 , r 为离子半径 ), 催化剂的活性逐渐增大 。 Braddock 在对萘的硝化试验中也显示出这一现象 4。 为
9、了解释这一现象, Waller和 Braddock 等 4提出如下反应机理(式 1式 3)。式中 a表示 配位水的个数。 化 工 进 展 研宄表明镧系金属离子的半径越小,其对硝酸 根离子的束缚就越强,从而促使平衡向 右移动(式 4),使 N 2+浓度增大,反应速率加快。该机理己 由中间体 (H2 )aLn(NCh) (OTf)2的制得和其红 外光谱所验证 3 4。 2HN 3:N 3_ +N 2+ +H20 (4) 根据以上机理, Waller3和 Braddock4预测 Z/r 值更大的 Hf (Z/r=5. 13)和 Zr (Z/r=5. 06) 的三氟甲磺酸盐也能很好地催化硝化反应,而且
10、已 被实验所证实。 由于溶剂对该反应有很大的影响, Waller等认 为反应在有机相中进行。 LnCL不能催化该反应, 也说明三氟甲磺酸根不但使 HN 3质子化,而且也 起到了相转移的作用,并给出如下机理 4见图 1。 图 1 H氟甲磺酸根的相转移作用机理 a为配位水的个数, X为三氟甲磺酸根, R为取代基 1. 2长链全氟烷磺酸镧系盐催化硝化反应 Kobayashi5报道了用 Sc (OS 2C8F17 )3 Sc (OPf)3催化 Diels. Alder 反应和 Aze Diels Alder 反应 5。随后,中国科学院上海有机化学研究所的 施敏等 6将它用于硝化反应的催化,反应不需要溶
11、 剂参与,催化剂只需要简单的相分离和蒸发水相即 可回收,对甲苯的硝化结果如表 2所示。 根据以上试验结果,施敏等 6认为,即使在没 有溶剂的情况下, Ln(OPf)3也能很好地催化反 应,其中 Sc(OPf)3催化效果最好,但是 Sc也是稀 土金属中最昂贵的;同时,长链全氟烷磺酸稀土金 属盐与三氟甲磺酸稀土金属盐相比,活性更高。随 后他们又尝试在含氟溶剂如全氟萘烷 (G。 F18)存在 表 2 Ln(OPf)3催化甲苯硝化 Ln(OPf)3 x催化剂 /% 收率 /% Yb(OPfh 0. 05 63 Eu(OPf)3 0. 05 60 Sc(OPf)3 0. 05 65 La(OPf)3 0
12、. 05 50 Yb(OPfh 0. 02 60 Yb(OTf)3 0. 02 17 第 10期 李小青等:绿色硝化反应研宄进展 1075 下进行反应 7, Ln(OS 2C8F17)3可完全溶于氟相, 而全氟萘烷常温下与有机相和水相均不互溶,但加 热到 60 C时溶剂相和有机相互溶,三相体系变成 两相体系,反应结束后冷却,又变成二相体系,催 化剂重又溶于氟相。可以通过相分离将氟相连同催 化剂一起回收,用于下次反应,避免了蒸发水相的 能耗,此方法收率为 50%60%。易文斌等 8也 对该工艺进行了细致的考察。但是该工艺需要昂贵 的氟溶剂,使其工业化应用受到限制。 施敏等 9又于 2003年开发
13、出一种将 LiCl 4、 Yb(OPf)3和皿 3负载于硅胶上作为硝化反应的催 化剂,该反应不需要有机溶剂参与,转化率较好。 1. 3苯磺酸和萘磺酸稀土金属盐催化硝化反应 2004年 , 考 察 了 对 甲 苯 横 酸 (Tos)、萘磺酸 (NSA)和苯磺酸 (BSA)的镧系金 属盐催化硝化反应,结果如表 3所示。 表 3苯磺酸镱和萘磺酸镱催化甲苯硝化 转化率 /%: 催化剂 一 (a) (b) (c) Yb(Tos)3 55 65 77 Yb(NSA)3 61 72 98 Yb(BSA)3 64 74 98 注: ( a)物质的量分数为 5%的催化剂 , 3 h; (b)物质的量分数 为10
14、%的催化剂 , 3 h; (c)物质的量分数为 10%的催化剂 , 6 h。 结果表明,在较大催化剂用量和较长反应时间 下,Yb(NSA)3和 Yb(BSA)3有较好的催化效果; 另外,由于二氟甲磺酸的酸度是苯磺酸和萘磺酸的 106倍,因此用苯磺酸和萘磺酸代替三氟甲磺酸, 可以大大降低催化剂制备过程中原料的酸性和腐蚀 性,减小设备腐蚀。 2氮 氧 化 合 物 作 为 硝 化 剂 的 硝 化 反应 1. 1 N2 5催化剂体系硝化 N2 5作为硝化剂有反应条件温和、反应速率 快、在非酸介质中进行、选择性好、收率高、三废 少等特点。 蔡春等 111研究了 N2 5在惰性溶剂中对甲苯、 氯苯及硝基苯
15、进行的硝化反应。结果表明在甲苯的 一段硝化产物中,对硝基甲苯的生成比例可提高 5%以上,在氯苯的硝化产物中,邻硝基氯苯的生 成比例有明显提高,而硝基苯的硝化产物中,间二 硝基苯的比例可达 97%以上。 催化剂能够促进反应的进行和选择性的提高。 例如在 Fe(acac)3催化下, N2O5可硝化多种取代 芳环,结果如表 4所示 12。 表 4 Fe(acac)3催化 N2 5的硝化反应 取代基 产物分布比例 异构体收率 /% o :m : P CHO 18 :60 22 93 -COCH3 50 :44 1 :6 98 CH2CN 21 ! 氧化铝 、 ZSM 5沸石和 H卩沸石反 应活性较高,
16、而 ZSM 5沸石有更好的选择性,这 主要是因为 ZSM 5沸石的孔径和苯环相似,因而 具有择形催化的作用,而郭灿雄等人 则认为 HP 沸石比 ZSM 5沸石有更高的催化活性和对位选择 性。德国的 Eierman等 22发现在上述体系中加入 少量水,可以提高反应转化率。 所有这些研宄都显示了 N 2 / 2体系硝化芳烃 的诱人前景。但是根据反应机理 (式 7)判断:每硝 化 1分子芳烃,需要 2分子的 N 2, 同时生成 1分 子硝酸,N 2的利用率只有 50%,无论从原子经 济性还是从环境污染角度来考虑,该工艺都有待于 进一 步完善。 2N 2+ArH + l /2 2 - ArN 2 +
17、HN 3 (7) 3固体酸催化液相硝化反应 3.1分子筛催化剂 Smith1231于 2000年提出二氟乙酸酐与硝酸反 应生成硝酸二氟乙酰酯,以此为硝化剂,在卩沸石 的催化下,原位硝化不活泼芳环。该方法能硝化硝 基苯、苄氰、苯甲酸和 4硝基甲苯等不活泼芳香 族化合物,生成与不活泼基团呈间位的产物。反应 体系中加入乙酸酐,可以降低反应物活泼性,提高 反应选择性。例如卤苯在冰盐浴中反应 2 h, 能得 到高度对位选择的产物, 2硝基甲苯也能高度选择 性地被硝化成 2, 4硝化产物,而且甲苯能被直接 双取代硝化成 2, 4硝基甲苯和 2, 6硝基甲苯,其 比例为 25 :1,收率达 92%。将工艺略
18、微改进,第 一 步使用硝酸乙酸酐沸石体系,生成单取代产物; 第二步加入三氟乙酸酐,最终转化率可达 96%, 2,4硝基甲苯与 2, 6硝基甲苯之比可达 70 :1。 该工艺虽然效率高,选择性强,但是由于原料 三氟乙酸酐价格昂贵,挥发性和毒性都较大,并且 涉及副产物三氟乙酸的回收等问题,工业化应用受 到限制。 吕春绪等 24发现在以硝酸为硝化剂时,高硅 铝比的 ZSM 5催化剂及其金属离子交换催化剂有 很好的对位催化选择性,其中以 LaZSM 5的选择 性最高,邻对位比达到 1. 16。 3.2黏土类催化剂 吕春绪等 25考察了一系列黏土类催化剂在以 硝酸为硝化剂下硝化芳香化合物的应用,发现黏土
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 绿色 硝化 反应 研究进展 李小青
限制150内