CN113024409A - 一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,先将一氧化氮与水在高效气‑液混合器中进行气‑液分散混合,然后所制得的气‑液分散混合物吸收二氧化氮后反应生成亚硝酸,制得的亚硝酸水溶液与伯芳胺的无机酸水溶液混合发生重氮化反应制得重氮盐。本发明具有原子利用率高、制备过程简单、生产成本低、能量消耗少、安全可靠及环境友好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,以一氧化氮、二氧化氮和水为原料,先将一氧化氮与水进行气-液分散混合,然后所制得的气-液分散混合物吸收二氧化氮后反应生成亚硝酸,制得的亚硝酸水溶液与伯芳胺的无机酸水溶液混合发生重氮化反应制得重氮盐。属于有机化工和染料合成技术领域。
背景技术
1.亚硝酸的主要性质和用途
亚硝酸是一种弱酸,电离平衡常数Ka=5.1×10-4(298K)。亚硝酸中的氮处于中间价态,既具有氧化性又具有还原性。亚硝酸仅存在于稀的水溶液中,浓缩亚硝酸稀溶液时,亚硝酸会同时发生歧化和分解,生成歧化产物硝酸和一氧化氮以及分解产物三氧化二氮,同时三氧化二氮又迅速分解为一氧化氮和二氧化氮,亚硝酸见光同样会分解。因此,一般使用亚硝酸为反应物时,采用现场制备方法,即现场制备和使用亚硝酸同时进行,可以减少亚硝酸发生歧化和分解副反应。
亚硝酸广泛用于有机合成,在工业上主要作为胺类转变成重氮化合物的反应原料,因此研发生产成本低、过程安全、环保的亚硝酸制备方法具有重要的应用价值。
2.现有亚硝酸的制备工艺及存在的问题
现有亚硝酸制备工艺主要是亚硝酸盐与无机酸反应制备亚硝酸或氮氧化物与水反应制备亚硝酸,得到亚硝酸水溶液。
(1)亚硝酸盐与无机酸反应制备亚硝酸工艺
在亚硝酸盐溶液中加入无机酸,可得到亚硝酸。亚硝酸盐中最具代表性的是亚硝酸钠,主要用于有机染料。
亚硝酸钠可作为生产有机染料的原料其本质是利用亚硝酸钠与无机酸反应可生成亚硝酸。亚硝酸钠易潮解,易溶于水,其水溶液呈碱性,pH约为9;微溶于乙醇、甲醇、乙醚等有机溶剂。
采用亚硝酸盐制备亚硝酸所用的原料亚硝酸盐具有纯度高、反应物的保存及运输方便等优点,但该方法存在以下问题:
①亚硝酸盐制备过程除了使用NO和NO2外还会消耗碱
亚硝酸盐(以亚硝酸钠为例)是以NaOH水溶液作为吸收液,吸收NO和NO2制得亚硝酸钠,其反应式为:
NO+NO2+2NaOH→2NaNO2+H2O
制备亚硝酸时除了必须要使用NO和NO2外,还需要消耗碱,才能生成亚硝酸钠。
②使用亚硝酸钠制备亚硝酸会消耗无机酸
无机酸(以盐酸为例)与亚硝酸钠反应生成亚硝酸,其反应式为:
NaNO2+HCl→HNO2+NaCl
显然,使用亚硝酸盐与无机酸反应生成亚硝酸的过程必然消耗无机酸。
③制备亚硝酸的过程会产生无机盐副产物
采用无机酸与亚硝酸钠反应生成亚硝酸的方法必然会生成难处理的无机盐。无机盐的存在给后续的分离精制及废物处理带来困难,不仅使工艺流程复杂化,而且也降低了过程的原子利用率及经济效益。
显然,该工艺无论是物料利用、经济效益、还是环境保护等都存在明显的缺陷。
(2)氮氧化物与水反应制备亚硝酸工艺
理论上,一氧化氮、二氧化氮和水反应可以生成亚硝酸。因此,将一氧化氮和二氧化氮混合物溶解于水中,即生成亚硝酸的水溶液,反应式为:
NO2+NO+H2O→2HNO2
该方法的原料为一氧化氮、二氧化氮和水,从根本上解决了亚硝酸盐与酸反应制备亚硝酸的缺点。虽然从原理上分析,一氧化氮和二氧化氮混合溶于水就能够形成亚硝酸,但由于一氧化氮和二氧化氮在水中的溶解度与其反应速率之间存在差异,亦即一氧化氮在水中的溶解度比较小,且与水不发生反应,而二氧化氮易溶于水,与水反应生成硝酸和一氧化氮。显然,将一氧化氮与二氧化氮混合后直接与水反应制备亚硝酸的工艺存在反应转化率低、有副反应发生等突出问题。
3.重氮盐的性质和主要用途
重氮盐通过伯芳胺与亚硝酸在低温和酸性条件下发生重氮化反应制得。重氮化合物很易质子化,容易失去重氮离子,一些路易斯酸也可促使重氮化合物分解产生正碳离子,可与许多带有酸性氢的化合物如醇、酚、胺、羧酸、酰胺等作用,进行烷基化反应;重氮化合物也有一定的亲核性,可与醛、酮、酰卤反应;重氮化合物在光照或加热条件下可产生卡宾,由重氮酮产生的卡宾,极易发生重排生成烯酮,水解或醇解后可得到相应的酸和酯。由此可见,重氮盐化学性质活泼,是合成芳香族化合物的重要试剂。
4.现有重氮盐制备工艺
现有重氮盐制备工艺是以伯芳胺、无机酸和亚硝酸钠为原料,首先将伯芳胺与无机酸混合,然后在上述溶液中滴加亚硝酸钠溶液,亚硝酸钠与无机酸反应生成亚硝酸,生成的亚硝酸与伯芳胺在无机酸溶液中发生重氮化反应生成重氮盐。
一般情况下,芳胺碱性较弱,需要用较强的亚硝化试剂,所以通常在较强的酸性下进行反应。重氮化反应的反应式为:
Ar-NH2+2HX+NaNO2=Ar-N2X+NaX+2H2O
由于亚硝酸很不稳定,通常是用亚硝酸钠和盐酸使其生成的亚硝酸,立即与伯芳胺反应形成重氮盐。通过无机酸过量使反应混合物呈酸性,以避免重氮离子与活性芳环发生偶联反应。考虑到亚硝酸不稳定,反应中亚硝酸钠须略微过量,反应后过量的亚硝酸钠可用尿素除去。
重氮化反应一般在0℃~5℃进行,这是因为大部分重氮盐在低温下较稳定;另外,亚硝酸在较高温度下也容易分解。在重氮化反应中,无机酸的主要作用有:
(1)无机酸与亚硝酸钠反应生成亚硝酸,生成的亚硝酸作为重氮化反应的重氮化剂,生成一摩尔亚硝酸需要消耗一摩尔无机酸。
(2)生成的亚硝酸与伯芳胺作用生成重氮盐,形成重氮盐也要消耗一摩尔无机酸,生成的重氮盐一般不稳定,易分解,只有在过量的酸液中才比较稳定。
反应过程中,每生成一摩尔重氮盐的酸量在2.5mol~3.0mol之间,其中一摩尔是与亚硝酸钠反应生成亚硝酸,另外一摩尔是与产物结合生成重氮盐,余下的是维持酸度,以避免产物重氮盐与未反应的伯芳胺发生耦合反应。所以,尽管按反应式计算,1mol氨基重氮化仅需2mol无机酸,但要使反应得以进行,酸必须适当过量。酸的过量取决于芳胺的碱性。碱性越弱,过量越多,一般过量25%~100%。
5.现有重氮化工艺存在的主要问题
由重氮化反应中无机酸的作用可以看出,该工艺主要存在以下问题:
(1)为了现场制备重氮化反应试剂亚硝酸,采用无机酸与亚硝酸钠反应生成亚硝酸的方法,必然生成难处理的无机盐。
(2)为了提高生成的重氮盐的稳定性,采用在过量的酸溶液环境中稳定方法同样存在消耗无机酸的问题。
(3)重氮化反应一般要控制在较低的温度(0℃~5℃)进行,这是因为大部分重氮盐在低温下较稳定,在较高温度下重氮盐分解速率会加快;另外,亚硝酸在较高温度下也容易分解,使重氮化反应的操作需控制较低的温度。重氮化反应一般在较低温度下进行这一原则不是绝对的,在间歇反应器中重氮反应时间长,保持较低的反应温度是正确的,但在高效气-液分散混合反应器中进行重氮化时,反应中生成的重氮盐会很快转化,因此重氮化反应可在较高温度下进行。
发明内容
本发明的目的是针对现有伯芳胺重氮化过程存在的问题,提供一种气-液分散混合效率高、反应速率快、副产物少、能量消耗低、安全可靠、环境友好的制备重氮盐的方法。一氧化氮、二氧化氮和水反应生成亚硝酸,生成的亚硝酸直接作为重氮化反应的原料,与伯芳胺在无机酸水溶液中发生重氮化反应制得重氮盐。
实现上述目的技术方案是:
本发明涉及一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,先将一氧化氮与水进行气-液分散混合,然后所制得的气-液分散混合物吸收二氧化氮后反应生成亚硝酸,制得的亚硝酸水溶液与伯芳胺的无机酸水溶液混合发生重氮化反应制得重氮盐。具体步骤如下:
(1)气-液分散混合:在气-液分散混合设备中,将一氧化氮与水进行气-液分散混合,经气-液分散混合的物料进入下一步;
(2)亚硝酸的制备:在亚硝酸制备反应器中,由上一步得到的气-液分散混合物料吸收二氧化氮,二氧化氮与一氧化氮、水发生反应制得亚硝酸,所制得的亚硝酸水溶液进入下一步;
(3)重氮化反应:在重氮化反应器中,将上一步制得的亚硝酸水溶液与伯芳胺的无机酸水溶液混合后经重氮化反应生成重氮盐。
进一步,第一步气-液分散混合过程中的气-液分散混合设备为静态混合器、喷射式混合器、文丘里混合器中的任意一种。
进一步,第一步气-液分散混合过程中,一氧化氮与水的摩尔比为1.0:20~1.0:100,操作温度为0℃~40℃,体系的绝对压强为0.1MPa~0.6MPa。
进一步,第二步亚硝酸制备的反应器为静态混合器、喷射式混合器、文丘里混合器中的任意一种。
进一步,第二步亚硝酸制备过程中,二氧化氮的吸收量与第一步中一氧化氮的吸收量摩尔比为1.0:0.98~1.0:1.02,操作温度为0℃~60℃,体系的绝对压强为0.1MPa~0.6MPa。
进一步,第三步重氮化反应的伯芳胺为苯胺、对溴苯胺、对甲基苯胺、对甲氧基苯胺、对硝基苯胺、对叔丁基苯胺、间甲基苯胺中的任意一种;所述的无机酸为盐酸、硫酸、四氟硼酸、三氟甲基磺酸中的任意一种。
进一步,第三步重氮化反应过程中的液-液分散混合设备可以是静态混合器、喷射式混合器、撞击流混合器中的任意一种。
进一步,在第三步重氮化反应过程中,亚硝酸与伯芳胺的摩尔比为1.0:1.02~1.0:1.2,操作温度为20℃~60℃,体系的绝对压强为0.1MPa~0.6MPa。
本发明采用的原理如下:
(1)充分利用了重氮化反应中亚硝酸与伯芳胺反应过程以及反应产物的特殊性。亚硝酸与对伯芳胺的反应为放热、不可逆、快反应过程,生成的重氮化反应产物相对稳定。虽然制得的亚硝酸不够稳定,但由于制得的亚硝酸能够在重氮化反应过程中迅速消耗,因此亚硝酸在反应系统中的浓度比较低,从而减少了亚硝酸的分解,有利于反应向生成亚硝酸的方向进行。
(2)充分利用了NO2能溶解于水,并能快速与NO、水反应生成亚硝酸的特性。虽然NO2在水中溶解度不大,但NO2在分散混合有NO的水中能与快速与NO、水反应生成亚硝酸,将生成的亚硝酸直接作为重氮化试剂进行重氮化反应,避免了消耗亚硝酸盐和无机酸,同时也避免了副产物无机盐。虽然制得的亚硝酸稳定性较差,但由于制得的亚硝酸能够减少反应消耗、维持亚硝酸在反应系统中处于比较低的浓度,减少了亚硝酸的分解,有利于NO、NO2和水反应向生成亚硝酸的方向进行。
(3)充分考虑了NO不溶于水的特性,采用气-液高效分散混合设备,不但提高了NO和NO2分散混合的速率和效率,而且通过强化NO和H2O预混合,然后再和NO2在水溶液的混合,显著提高了反应生成亚硝酸的选择性。
(4)充分考虑了亚硝酸合成过程的特性,先将NO和水分散混合,得到的NO和水分散混合的物料再吸收NO2,不但易于控制NO和NO2量,而且使难分散的NO通过高效气-液混合器预混合,提高了反应过程的速率,同时也减少了NO2的副反应。
采用上述技术方案的好处是:
(1)采用NO和NO2作为制备亚硝酸的前驱体,以NO和NO2在水中生成亚硝酸作为重氮化反应的原料,避免了制备亚硝酸过程消耗无机酸、亚硝酸盐以及副产无机盐的问题,也为物料的后处理及分离精制创造了有利条件。
(2)采用了高效的气-液混合设备,不但提高了NO、NO2分散混合的速率和效率,提高了亚硝酸过程的生成速率,而且通过强化NO、NO2在水溶液中的混合,提高了设备的利用率;同时因为不生成无机盐副产物,也利于重氮化反应产物的后处理及分离精制。
(3)亚硝酸与伯芳胺的反应是不可逆的快反应过程,虽然制得的亚硝酸稳定性较差,但由于制得的亚硝酸在重氮化反应生成重氮化合物的过程中能够迅速反应消耗掉,使得亚硝酸在反应系统中的浓度比较低,从而降低了亚硝酸的分解,有利于NO、NO2和H2O的反应向生成亚硝酸的方向进行。
(4)亚硝酸与伯芳胺发生重氮化反应的摩尔比为1:1,在本技术方案中采用伯芳胺过量,使生成的亚硝酸反应彻底,减少了亚硝酸的分解;重氮化反应后物料经分离重氮化合物后的液相物料可直接返回第三步重氮化反应过程循环利用,简化了分离过程,降低了物料及能量的消耗。
(5)重氮化反应为放热、不可逆的快反应过程,采用绝热反应操作,从根本上解决了反应系统低温移热的困难,减少了过程能量消耗,提高了过程的能量利用率。通过提高反应系统的操作温度,提高了反应速率,也为大幅度降低反应系统中的酸消耗及后处理创造了条件。
实现本发明需要的主要工艺设备为高效气-液分散混合设备、高效液-液分散混合设备等。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,以一氧化氮、二氧化氮和水为原料,先将一氧化氮与水进行气-液分散混合,然后所制得的气-液分散混合物吸收二氧化氮后反应生成亚硝酸,制得的亚硝酸水溶液与苯胺的盐酸水溶液混合发生重氮化反应制得重氮苯盐酸盐,操作步骤如下:
(1)气-液分散混合:在静态混合器混合器中,操作温度为0℃,体系的绝对压强为0.6MPa,将一氧化氮与水的摩尔比为1.0:100的物料进行气-液分散混合,经气-液分散混合物料进入下一步;
(2)亚硝酸制备:在静态混合器中,操作温度为0℃,体系的绝对压强为0.6MPa,上一步得到的气-液分散混合物料吸收二氧化氮,二氧化氮的吸收量与第一步中一氧化氮的吸收量摩尔比1.0:1.02,一氧化氮、二氧化氮和水发生反应现场制得亚硝酸水溶液。
(3)重氮化反应:将上一步制得的亚硝酸水溶液与苯胺、盐酸组成的溶液在静态混合器中混合,经重氮化反应生成重氮苯盐酸盐。亚硝酸与苯胺的摩尔比为1.0:1.02,操作温度为20℃,体系的绝对压强为0.1MPa。
实施例二
一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,以一氧化氮、二氧化氮和水为原料,先将一氧化氮与水进行气-液分散混合,然后所制得的气-液分散混合物吸收二氧化氮后反应生成亚硝酸,制得的亚硝酸水溶液与对硝基苯胺的硫酸水溶液混合发生重氮化反应制得对硝基重氮苯硫酸盐,操作步骤如下:
(1)气-液分散混合:在喷射式混合器中,操作温度为40℃,体系的绝对压强为0.1MPa,将一氧化氮与水的摩尔比为1.0:80的物料进行气-液分散混合,经气-液分散混合物料进入下一步;
(2)亚硝酸制备:在喷射式混合器中,操作温度为40℃,体系的绝对压强为0.6MPa,上一步得到的气-液分散混合物料吸收二氧化氮,二氧化氮的吸收量与第一步中一氧化氮的吸收量摩尔比为1.0:1.0,一氧化氮、二氧化氮和水发生反应现场制得亚硝酸水溶液。
(3)重氮化反应:将上一步制得的亚硝酸水溶液直接与对硝基苯胺、硫酸组成的溶液在喷射式混合器中混合,经重氮化反应生成对硝基重氮苯硫酸盐。亚硝酸与对硝基苯胺的摩尔比为1:1,操作温度为40℃,体系的绝对压强为0.4MPa。
实施例三
一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,以一氧化氮、二氧化氮和水为原料,先将一氧化氮与水进行气-液分散混合,然后所制得的气-液分散混合物吸收二氧化氮后反应生成亚硝酸,制得的亚硝酸水溶液与对溴苯胺的四氟硼酸水溶液混合发生重氮化反应制得对溴重氮苯四氟硼酸盐,操作步骤如下:
(1)气-液分散混合:在文丘里混合器中,操作温度为40℃,体系的绝对压强为0.2MPa,将一氧化氮与水的摩尔比为1.0:20的物料进行气-液分散混合,经气-液分散混合物料进入下一步;
(2)亚硝酸制备:在文丘里混合器中,操作温度为60℃,体系的绝对压强为0.1MPa,上一步得到的气-液分散混合物料吸收二氧化氮,二氧化氮的吸收量与第一步中一氧化氮的吸收量摩尔比为1.0:0.98,一氧化氮、二氧化氮和水发生反应现场制得亚硝酸水溶液。
(3)重氮化反应:将上一步制得的亚硝酸水溶液直接与对溴苯胺、四氟硼酸溶液在静态混合器中混合,经重氮化反应生成对溴重氮苯四氟硼酸盐。亚硝酸与对溴苯胺的摩尔比为1.0:1.2,操作温度为60℃,体系的绝对压强为0.6MPa。
实施例四
一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,以一氧化氮、二氧化氮和水为原料,先将一氧化氮与水进行气-液分散混合,然后所制得的气-液分散混合物吸收二氧化氮后反应生成亚硝酸,制得的亚硝酸水溶液与对甲基苯胺的三氟甲基磺酸水溶液混合发生重氮化反应制得对甲基重氮苯三氟甲基磺酸盐,操作步骤如下:
(1)气-液分散混合:在静态混合器中,操作温度为40℃,体系的绝对压强为0.1MPa,将一氧化氮与水的摩尔比为1.0:60的物料进行气-液分散混合,经气-液分散混合物料进入下一步;
(2)亚硝酸制备:在静态混合器中制备亚硝酸,操作温度为60℃,体系的绝对压强为0.2MPa,上一步得到的气-液分散混合物料吸收二氧化氮,二氧化氮的吸收量与第一步中一氧化氮的吸收量摩尔比为1.0:1.02,一氧化氮、二氧化氮和水发生反应现场制得亚硝酸水溶液。
(3)重氮化反应:将上一步制得的亚硝酸水溶液直接与对甲基苯胺、三氟甲基磺酸组成的溶液在撞击流混合器中混合,经重氮化反应生成对甲基重氮苯三氟甲基磺酸盐。亚硝酸与对甲基苯胺的摩尔比为1.0:1.06,操作温度为60℃,体系的绝对压强为0.6MPa。
除上述各实施例,本发明的实施方案还有很多,凡采用等同或等效替换的技术方案,均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,先将一氧化氮与水进行气-液分散混合,然后所制得的气-液分散混合物吸收二氧化氮后反应生成亚硝酸,制得的亚硝酸水溶液与伯芳胺的无机酸水溶液混合发生重氮化反应制得重氮盐,其特征在于所述方法步骤如下:
(1)气-液分散混合:在气-液分散混合设备中,将一氧化氮与水进行气-液分散混合,经气-液分散混合的物料进入下一步;
(2)亚硝酸的制备:在亚硝酸制备反应器中,由上一步得到的气-液分散混合物料吸收二氧化氮,二氧化氮与一氧化氮、水发生反应制得亚硝酸,所制得的亚硝酸水溶液进入下一步;
(3)重氮化反应:在重氮化反应器中,将上一步制得的亚硝酸水溶液与伯芳胺的无机酸水溶液混合后经重氮化反应生成重氮盐。
2.根据权利要求1所述的一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,其特征在于:第一步气-液分散混合过程中的气-液分散混合设备为静态混合器、喷射式混合器、文丘里混合器中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,其特征在于:第一步气-液分散混合过程中,一氧化氮与水的摩尔比为1.0:20~1.0:100,操作温度为0℃~40℃,体系的绝对压强为0.1MPa~0.6MPa。
4.根据权利要求1所述的一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,其特征在于:第二步亚硝酸制备的反应器为静态混合器、喷射式混合器、文丘里混合器中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,其特征在于:第二步亚硝酸制备过程中,二氧化氮的吸收量与第一步中一氧化氮的吸收量摩尔比为1.0:0.98~1.0:1.02,操作温度为0℃~60℃,体系的绝对压强为0.1MPa~0.6MPa。
6.根据权利要求1所述的一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,其特征在于:第三步重氮化反应的伯芳胺为苯胺、对溴苯胺、对甲基苯胺、对甲氧基苯胺、对硝基苯胺、对叔丁基苯胺、间甲基苯胺中的任意一种;所述的无机酸为盐酸、硫酸、四氟硼酸、三氟甲基磺酸中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,其特征在于:第三步重氮化反应的设备可以是静态混合器、喷射式混合器、撞击流混合器中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的一种以氮氧化物和伯芳胺为原料制备重氮化合物的方法,其特征在于:在第三步重氮化反应过程中,亚硝酸与伯芳胺的摩尔比为1.0:1.02~1.0:1.2,操作温度为20℃~60℃,体系的绝对压强为0.1MPa~0.6MPa。
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