CN105669338B

CN105669338B - 一种水合肼还原芳香硝基化合物制备芳香胺的方法

Info

Publication number: CN105669338B
Application number: CN201410675143.2A
Authority: CN
Inventors: 王峰; 张超锋; 徐杰; 张晓辰; 张哲�; 陈海军; 王业红; 王敏
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2017-09-15
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: CN105669338A

Abstract

本发明涉及一种水合肼还原硝基取代芳香化合物制备芳香胺的方法，将含有硝基取代的芳香化合物溶解于有机溶剂中，然后加入钼基氧化物催化剂，在‑10～100℃条件下以水合肼为还原剂高选择性还原硝基化合物为相应的芳香胺类物质，本发明涉及利用硝基苯还原制备苯胺的方法，具有选择性好，条件温和，环境友好的优点，在工业生产过程中具备应用价值。

Description

一种水合肼还原芳香硝基化合物制备芳香胺的方法

技术领域

本发明属于有机合成技术领域，具体涉及到一种水合肼还原芳香硝基取代芳香化合物制备芳香胺的方法。

背景技术

芳香胺类化合物是重要的有机合成中间体和原料，广泛用于合成农药、医药、染料、表面活性剂、感光材料等方面。

关于其制备，芳香胺类化合物可由其相应的芳香硝基化合物还原得到，工业上还原芳香硝基化合物的方法主有金属还原法、硫化碱还原法、催化加氢还原法、水合肼还原法和电化学还原法等。金属还原法是利用金属作为还原剂，芳香硝基化合物发生还原反应得到芳胺，而金属自身被氧化。这种方法具有产品选择性高、质量好的优点，但主要缺点是会产生大量的含盐废水和废渣。目前，在我国主要还是铁粉还原法。铁粉还原芳香硝基化合物需要在酸性介质中进行，反应结束后需加碱中和酸，因此会产生大量的含盐废水和含有机物的铁泥。为了解决含盐废水排放而造成环境污染的问题，化学工作者对此作了许多研究和改进。催化加氢还原法是在催化剂存在下用氢气还原硝基，在工业中被广泛应用于生产苯胺。但需要贵金属催化剂，且大部分要在加压条件下进行并且在使用过程中要严格避免催化剂接触空气发生钝化失活。硫化碱还原法反应条件温和，但产率低，反应后会排放出大量的含硫废水，严重污染环境。水合肼还原法其环境友好、简单易行。不足之处在于需要贵金属催化剂，且反应时间较长(>5h),需要使用大量非环境友好的有机溶剂，造成这些的主要原因是因为没有开发出合适的催化剂及催化体系。因此开发非贵金属催化剂催化水合肼高效还原硝基苯是一项很有意义的工作。

目前，关于非贵金属催化剂催化水合肼还原硝基苯制备苯胺的催化剂有贵金属催化剂、沸石催化剂、铁镍化合物催化剂等。贵金属催化剂中Pd/C、Pt/C催化剂虽然能顺利地还原硝基芳烃，且产率较高，但它对侧链的还原(CN、COOR等)的影响也比较大、需要水合肼的浓度也比较高(95％～100％)，而且为了提高催化剂的活性，必需使用过量的水合肼来弥补由于水合肼自身分解造成的损失等。而20世纪70年代出现的铁化合物催化法，如FeCl₃·6H₂O/C、Fe(OH)₃/C，克服了贵金属催化剂存在的缺点，它的还原效率非常高，苯胺的产率一般可达到85％～98％，并且苯环的侧链上存在的CN、COOR等基团在还原过程中不会受到影响，水合肼不需要大大过量。由此可见铁化合物用于水合肼还原硝基芳烃是一种较好的催化剂，选择适宜的反应条件更能发挥其催化效果，但是催化剂的稳定性及选择性仍然有待于提高。钼基催化剂作为一类重要的催化剂被广泛的应用于催化氧化，还原，耦联等反应。关于钼基催化剂应用于硝基苯还原主要是使用碳化钼及含有金属助剂的碳化钼材料，例如Zhao等最近报道了一种利用碳化钼及含有不同金属助剂负载于活性炭在80℃下高效转化硝基苯，除了碳化钼以外，其它一些过渡金属碳化物，碳化钨，碳化铁等也被用于该反应，但是通常此类催化剂的制备比较困难且收率较低。

本发明在于提供了一种利用钼基氧化物为催化剂高效催化水合肼还原硝基芳香化合物的方法。

发明内容

本发明的技术方案为：将含有硝基取代的芳香化合物溶解于有机溶剂中，然后加入钼基氧化物催化剂，在0～100℃条件下以水合肼为还原剂高选择性还原硝基化合物为相应的芳香胺类物质。

本发明的技术方案为：

将芳香硝基化合物溶解于有机溶剂中，加入钼基氧化物催化剂，以水合肼为还原剂，于-10℃～100℃，氮气气氛条件下，反应0.1～120h，将芳香硝基化合物还原为相应的芳香胺类化合物。

芳香硝基化合物中的芳香环为苯环或杂环；

其中，芳香环为苯环的芳香硝基化合物的结构式为：

R为相同或不同的取代基，R＝-H，-F，-Cl，-Br，-I，-CH₃，-OCH₃，-NH₂，-NO₂，-CHO，-Ph或-SPh中的一种或两种以上；

当芳香环为杂环时，优选杂环为吡啶环、噻吩环、呋喃环或咪唑环以及相应的苯并杂环中的一种或两种以上；其结构式为：

R_x中，R代表取代基，x代表取代基R的数目，x＝1～4，取代基的数目不为1时，R为相同或不同的取代基，其中R＝-H，-F，-Cl，-Br，-I，-CH₃，-OCH₃，-NH₂，-NO₂，-CHO或Ph中的一种或两种以上。

钼基氧化物催化剂化学式为MoO_x，x＝2～3，当x＝2或3时，代表均一价态的MoO₂或者MoO₃；当x＝2～3之间的非整数时，代表平均价态在+4与+6价态之间的非整数比的钼基氧化物以及部分被还原的MoO₃。

制备钼基氧化物催化剂的前驱体为三氧化钼，钼酸铵，钼酸钠，磷钼酸中的一种或两种以上；

钼基氧化物催化剂的制备方法为，

将钼基氧化物催化剂的前驱体置于300～600℃的氢气气氛下还原处理0～10h；

或者，将钼基氧化物催化剂的前驱体置于含有还原性试剂的水溶液中，在160～250℃的水热条件下处理1～72h，其中还原性试剂为甲醇，乙醇，乙二醇，异丙醇，丙三醇，丙二醇，水合肼或苯肼中的一种或两种以上。

其中还原性试剂优选为乙二醇，丙三醇，丙二醇，水合肼中的一种或两种以上。

所述有机溶剂为乙醇，甲醇，异丙醇，乙腈，1,4-二氧六环，N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜中的一种或二种以上。

芳香硝基化合物的摩尔浓度为0.001～1mol/L，催化剂用量为底物质量的0.5～20w％，水合肼用量为芳香硝基化合物中硝基摩尔量的1.5～10倍。

优选反应温度为25℃～100℃，优选反应时间为0.1h～24h。

有益技术效果

本发明涉及利用硝基苯还原制备苯胺的方法，具有选择性好，条件温和，环境友好的优点，在工业生产过程中具备应用价值。

具体实施方式

为了对本发明进行进一步详细说明，下面给出几个具体实施案例，但本发明不限于这些实施例。

1.催化剂的制备

(1)MoO_x的H₂还原合成

实施例1：

将1.0g MoO₃(商业购买，或者通过焙烧钼酸铵得到)置于石英焙烧管内，密闭，使用氮气置换管内的气体后，升温至350～600℃，通入氢气还原处理0～10h，完成后关闭氢气继续通入氮气，自然冷却至室温，得到的固体。将得到的样品编号为H₂-MoO_x(y-z h)，其中，y代表处理的温度，z代表处理的时间，因为处理条件的不同，得到的钼氧化物多为非整数比化合物或者为部分还原的MoO₃，x值不固定，MoO_x代表非整数比钼氧化物。催化剂的区分主要靠处理温度及时间。

(2)MoO_x的水热合成

实施例1：

将MoO₃粉末(1.0g)和乙二醇(30mL)加入到一个150mL四氟内衬的不锈钢高压釜中,在搅拌的条件下加入90mL去离子水，密闭，将不锈钢高压釜放置在160～250℃的烘箱内静置12～48h后，取出反应釜，自然冷却至室温，得到的黑色固体用去离子水与无水乙醇洗涤。将得到的样品编号为Org1-MoO_x(y-zh)，其中，y代表处理的温度，z代表处理的时间，因为处理条件的不同，得到的钼氧化物多为非整数比化合物或者为部分还原的MoO₃，x值不固定，MoO_x代表非整数比钼氧化物。催化剂的区分主要靠处理温度及时间。

实施例2：

将钼酸铵粉末(1.0g)和乙二醇(30mL)加入到一个150mL四氟内衬的不锈钢高压釜中,在搅拌的条件下加入90mL去离子水，密闭，将不锈钢高压釜放置在160～250℃的烘箱内静置12～48h后，取出反应釜，自然冷却至室温，得到的黑色固体用去离子水与无水乙醇洗涤。将得到的样品编号为Org2-MoO_x(y-zh)，其中，y代表处理的温度，z代表处理的时间，因为处理条件的不同，得到的钼氧化物多为非整数比化合物或者为部分还原的MoO₃，x值不固定，MoO_x代表非整数比钼氧化物。催化剂的区分主要靠处理温度及时间。

(3)MoO₂的合成

实施例1：通过浸渍法制备出负载有磷钼酸(PMA)的介孔SiO₂粉末(PMA-SiO₂)。然后将PMA-SiO₂粉末在H₂/N₂气氛下于500℃处理5h。得到的黑色固体使用HF溶液处理10h。然后离心用去离子水与无水乙醇洗涤干燥，得到MoO₂纳米颗粒。

2.硝基苯还原制备苯胺

实施例1：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及Org1-MoO_x(180-24h)充入氮气保护，密闭。在60℃下反应2h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率99.5％，苯胺的选择性100％。

实施例2：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及Org1-MoO_x(200-24h)0.2g充入氮气保护，密闭。在60℃下反应2h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率95.5％，苯胺的选择性100％。

实施例3：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，10mmol水合肼以及Org1-MoO_x(180-24h)0.2g充入氮气保护，密闭。在60℃下反应2h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率79.8％，苯胺的选择性100％。

实施例4：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及Org1-MoO_x(180-24h)0.2g充入氮气保护，密闭。在80℃下反应0.3h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率99.8％，苯胺的选择性100％

实施例5：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol对硝基氯苯，15mmol水合肼以及Org1-MoO_x(180-24h)0.2g充入氮气保护，密闭。在80℃下反应0.3h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。对硝基氯苯转化率99.8％，对氨基氯苯的选择性100％。

实施例6：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol对硝基甲苯，15mmol水合肼以及Org1-MoO_x(180-24h)0.2g充入氮气保护，密闭。在80℃下反应0.3h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。对硝基甲苯转化率99.8％，对氨基甲苯的选择性100％。

实施例7：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol 2-硝基吡啶，15mmol水合肼以及Org2-MoO_x(180-24h)0.2g充入氮气保护，密闭。在80℃下反应0.5h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。转化率99.8％，2-氨基吡啶的选择性100％。

实施例8：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及MoO₂充入氮气保护，密闭。在30℃下反应1h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率99.8％，苯胺的选择性100％。

实施例9：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及MoO₃0.2g充入氮气保护，密闭。在30℃下反应0.5h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率10.0％，苯胺的选择性100％。

实施例10：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，10mmol水合肼以及MoO₃0.2g充入氮气保护，密闭。在50℃下反应0.2h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率45.0％，苯胺的选择性100％。

实施例11：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol对硝基氯苯，15mmol水合肼以及MoO₂0.2g充入氮气保护，密闭。在60℃下反应0.5h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。对硝基氯苯转化率99.8％，对氨基氯苯的选择性100％。

实施例12：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol对硝基甲苯，15mmol水合肼以及MoO₂0.2g充入氮气保护，密闭。在60℃下反应0.3h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。对硝基甲苯转化率99.8％，对氨基甲苯的选择性100％。

实施例13：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol 2-硝基吡啶，15mmol水合肼以及MoO₂0.2g充入氮气保护，密闭。在60℃下反应0.5h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。2-硝基吡啶转化率99.8％，2-氨基吡啶的选择性100％。

实施例14：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及Org2-MoO_x(180-24h)充入氮气保护，密闭。在60℃下反应2h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率99.5％，苯胺的选择性100％。

实施例15：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及Org2-MoO_x(200-24h)0.2g充入氮气保护，密闭。在60℃下反应2h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率95.5％，苯胺的选择性100％。

实施例16：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，10mmol水合肼以及Org2MoO_x(180-24h)0.2g充入氮气保护，密闭。在60℃下反应2h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率79.8％，苯胺的选择性100％。

实施例17：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及H₂-MoO_x(480-2h)0.2g充入氮气保护，密闭。在80℃下反应0.3h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率99.8％，苯胺的选择性100％

实施例18：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol对硝基氯苯，15mmol水合肼以及H₂-MoO_x(500-2h)0.2g充入氮气保护，密闭。在80℃下反应0.3h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。对硝基氯苯转化率99.8％，对氨基氯苯的选择性100％。

实施例19：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol对硝基甲苯，15mmol水合肼以及H₂-MoO_x(450-6h)0.2g充入氮气保护，密闭。在80℃下反应0.3h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。对硝基甲苯转化率59.8％，对氨基甲苯的选择性100％。

实施例20：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol 2-硝基吡啶，15mmol水合肼以及H₂-MoO_x(400-9h)0.2g充入氮气保护，密闭。在80℃下反应0.5h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。转化率99.8％，2-氨基吡啶的选择性100％。

实施例21：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及H₂-MoO_x(600-0.5h)充入氮气保护，密闭。在30℃下反应1h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率69.8％，苯胺的选择性100％。

实施例22：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及H₂-MoO_x(550-1h)0.2g充入氮气保护，密闭。在30℃下反应0.5h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率80.0％，苯胺的选择性100％。

实施例23：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，10mmol水合肼以及H₂-MoO_x(350-10h)0.2g充入氮气保护，密闭。在50℃下反应0.2h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率45.0％，苯胺的选择性100％。

实施例24：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol对硝基氯苯，15mmol水合肼以及H₂-MoO_x(550-0.2h)0.2g充入氮气保护，密闭。在60℃下反应0.5h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。对硝基氯苯转化率89.8％，对氨基氯苯的选择性100％。

实施例25：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol对硝基甲苯，15mmol水合肼以及H₂-MoO_x(500-5h)0.2g充入氮气保护，密闭。在60℃下反应0.3h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。对硝基甲苯转化率99.8％，对氨基甲苯的选择性100％。

实施例26：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol 2-硝基吡啶，15mmol水合肼以及H₂-MoO_x(450-6h)0.2g充入氮气保护，密闭。在60℃下反应0.5h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。2-硝基吡啶转化率78.5％，2-氨基吡啶的选择性100％。

实施例27：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及H₂-MoO_x(500-5h)0.2g充入氮气保护，密闭。在0℃下反应4h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率95％，苯胺的选择性100％。

实施例28：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，15mmol水合肼以及H₂-MoO_x(500-5h)0.2g充入氮气保护，密闭。在-6℃下反应2h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率18.5％，苯胺的选择性100％。

实施例29：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，35mmol水合肼以及H₂-MoO_x(500-5h)0.2g充入氮气保护，密闭。在-10℃下反应12h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率36.5％，苯胺的选择性100％。

实施例30：

向带有磁力搅拌的反应釜内加入20mL乙醇，5mmol硝基苯，35mmol水合肼以及H₂-MoO_x(550-2h)0.2g充入氮气保护，密闭。在-6℃下反应10h，离心分离，所得的样品使用GC-MS和GC定性定量分析。硝基苯转化率68.5％，苯胺的选择性100％。

Claims

1.一种水合肼还原芳香硝基化合物制备芳香胺的方法，其特征在于：将芳香硝基化合物溶解于有机溶剂中，加入钼基氧化催化剂，以水合肼为还原剂，于-10℃~100℃，氮气气氛条件下，反应0.1~120 h，将芳香硝基化合物还原为相应的芳香胺类化合物；

钼基氧化催化剂化学式为MoO_x（x=2~3）;

当x=2或3时，代表均一价态的MoO₂ 或者MoO₃；

当x=2~3之间的非整数时，代表平均价态在+4与+6价态之间的非整数比的钼基氧化催化剂以及部分被还原的MoO₃。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：芳香硝基化合物中的芳香环为苯环或杂环；

其中，芳香环为苯环的芳香硝基化合物的结构式为：

R为相同或不同的取代基，R=-H，-F，-Cl，-Br，-I，-CH₃，-OCH₃，-NH₂，-NO₂，-CHO，-Ph或-SPh中的一种或两种以上；

当芳香环为杂环时，杂环为吡啶环、噻吩环、呋喃环或咪唑环以及相应的苯并杂环中的一种或两种以上；其结构式为：

R_x中，R代表取代基，x代表取代基R的数目，x=1~4，取代基的数目不为1时，R为相同或不同的取代基，其中R=-H，-F，-Cl，-Br，-I，-CH₃，-OCH₃，-NH₂，-NO₂，-CHO或Ph中的一种或两种以上。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：

制备钼基氧化催化剂的前驱体为三氧化钼，钼酸铵，钼酸钠，磷钼酸中的一种或两种以上；

钼基氧化催化剂的制备方法为，

将钼基氧化催化剂的前驱体置于300~600 ^oC的氢气气氛下还原处理1~10 h；

或者，将钼基氧化催化剂的前驱体置于含有还原性试剂的水溶液中，在160~250 ^oC的水热条件下处理1~72 h，其中还原性试剂为甲醇，乙醇，乙二醇，异丙醇，丙三醇，丙二醇，水合肼或苯肼中的一种或两种以上。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：

其中还原性试剂为乙二醇，丙三醇，丙二醇，水合肼中的一种或两种以上。

5.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：芳香硝基化合物的摩尔浓度为0.001~1mol/L，催化剂用量为底物质量的0.5~20 w%，水合肼用量为芳香硝基化合物中硝基摩尔量的1.5~10倍。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：反应温度为-10 ^oC ~ 100 ^oC，反应时间为0.1 h ~ 24 h。