CN1136147C - 浓度大于等于10.3%的氯胺溶液的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及优质氯胺溶液的合成方法，该溶液通过次氯酸盐溶液和组合的氨混合物反应获得。

Description

浓度大于等于10.3％的氯胺溶液的合成方法
技术领域
本发明涉及优质氯胺的制备方法，即在氯化铵的存在下，用4.46mol/L(100氯量度(chlorometric degree))的市售次氯酸钠消毒水溶液(eau de Javelle)对氨溶液作用。根据该方法，得到的氯胺含量大于或等于2mol L-1，也就是说，大于或等于10.3％。该方法可能连续进行，也可以非连续进行。其除了用作漂白剂、消毒剂和杀菌剂外，一氯胺还在许多反应中用作合成中间体。特别地，在通过Raschig方法来合成有药用价值的肼类的反应中，该物质还是主要的反应物质。例如，按照EP 462 016和EP 277 267的专利说明书中描述的方法，通过NH2Cl与2-甲基二氢吲哚和3-氮杂双环[3.3.0]辛烷反应来制备N-氨基-2-甲基二氢吲哚和N-氨基-3-氮杂双环[3.3.0]辛烷。
背景技术
该制备方法目前引起了广泛的兴趣，因为与以前应用N-亚硝基化合物的制备方法相比，该方法几乎无污染。然而，其还具有缺点，就是反应液体中肼含量低，通常不超过2-4％。与这种限制主要相关的事实是：反应试剂，特别是次氯酸钠，是高度稀释的，需要复杂的和繁重的提取步骤。结果，即使在最好的情况下，氯胺在反应器中的瞬间浓度也不超过1摩尔/升(5.15％)。
由于NH2Cl在水溶液中高度不稳定这一事实，因此没有尝试在更高浓度介质中的合成。与其不稳定性有关的是水解和自催化歧化反应之间的竞争，其导致介质的快速酸化以及主要形成二氯胺和氮氯化物(nitrogen chloride)。在非缓冲介质中，降解反应能够快速导致溶液沸腾。得到较高的一氯胺滴定度需要应用高氯量度的新试剂，并且需要研究合适的操作条件。
发明内容
通过应用约4.46mol/L的次氯酸钠消毒水，在适合得到优质(H.G.)氯胺的条件下，本发明有可能使NH2Cl的滴定度至少加倍。这种新方法有可能从相同单位体积的次氯酸盐开始，使肼的生产率加倍，并在合成、试剂循环和蒸馏步骤中节省原料和能源。
因为通过次氯酸钠氧化氨是放热反应，为了限制降解反应的发生，必须在低温下进行。因此在它们注入之前，需要预先冷却试剂。例如，对于2.14mol/L的次氯酸钠消毒水溶液(结晶点＝-21.4℃)，反应器中的温度必须不高于-5℃。如果NaOCl含量加倍，则所限制的温度必须更低。与2.14摩尔/升的次氯酸盐(48°氯)不同，对于100氯量度的次氯酸钠消毒水溶液，其在14℃的搅拌介质中结晶。然而，如果不引发，结晶是困难的。在静置的介质中，观察到结晶非常明显的延迟，因此在单相介质中，在玻璃容器中，有可能使优质次氯酸钠消毒水溶液在-20℃下维持数小时。然而，尽管溶液几乎没有结晶趋势，但为了避免在管道中可能的结块，有必要在持续的工业合成中应用约14℃的优质次氯酸钠消毒水溶液。
正如从2.14mol/L的次氯酸钠来制备NH2Cl的方法，需要把一定量受体化合物引入到含氨试剂中，所述的受体化合物能够完全中和反应现场产生的羟基离子：
该受体可以是酸、水溶性酸性盐或水溶性中性盐。然而，优选应用(NH+ 4)αH+ βA(α+β)-类型的铵盐，以便缓冲约在NH+ 4/NH3的pKa下的反应介质，以减少HO-离子，维持恒定的游离氨浓度：
  
另外，合并的含氨混合物必须冷却到完全在-10℃以下，以便吸收放出的热并补偿与在高于结晶温度的温度下注射次氯酸盐有关的热量。在此条件下，主要由含氨溶液引起的冷却效应避免应用过冷状态的次氯酸钠消毒水溶液，因此确保合成在均相介质中进行。
这些约束需要发现-20℃至-30℃低结晶点的含氨新组合。通过次氯酸盐溶液的含量确定这些混合物的组成，所述次氯酸盐溶液具有的滴定度为约100氯量度，这表明：在正常条件下，通过氯化氢的作用，1升释放出100升氯。此时，NaOCl的摩尔浓度为4.46摩尔/升。和48氯量度的提取物不同，NaCl和NaOCl滴定度不是等摩尔比例。
为了得到定量产率，合成条件必须符合下列标准：
·所用的优质次氯酸钠消毒水溶液为过冷状态，但为了防止任何的引发结晶，优选在大于或等于15℃的温度下注射。优质次氯酸钠消毒水溶液是相对稳定的，在17℃下每24小时降低约0.06mol/L(1.3度)，或在10℃下每24小时降低约0.02mol/L(0.47度)。
·路易斯酸的总含量必须足以中和至少90％由NH3/NaOCl反应产生的羟基离子。
·pH值必须维持在10-12，优选约10.5。
·[总氨]/[ClO-]比例必须为2-5(优选2.7)，以便稳定形成的氯氨。
·(NH+ 4)αH+ βA(α+β)-/NH3/H2O三元混合物的结晶点必须为-20℃至-30℃，以补偿单相介质合成中与注射T≥15℃的氯化试剂有关的致冷缺陷。
·反应器中的温度必须为-5℃至-20℃，优选约-15℃。
在氯胺合成中，可以应用大量酸(盐酸、硫酸等)、中性盐(CaCl2、MgCl2和ZnSO4等)和酸性盐(NaH2PO4、NH4HCO3、NH4Cl和NH4NO3等)。已知这些物质中有一些物质是非常有趣的，因为它们在同一分子中具有不止一个酸官能团。另一方面，很少物质是可溶解的，并且很少物质在0℃下沉淀。就此而言，铵盐是最有利的，因为它们显示较大的溶解性，并且其溶解性随着介质中氨含量的增加而增加。
在上述定义的合成条件下，  应用涉及NH+ 4离子的多热图(polythermal diagram)显示：符合上述标准的含氨组合需要应用硝酸铵：NH3-NH4Cl-NH4NO3-H2O或NH3-NH4NO3-H2O。这些组合混合物允许在低至-30℃的均相介质中操作。当不含有NH4NO3时，只能成批地进行优质氯胺的制备。事实上，在反应开始时，一部分中和盐是不溶的；HO-离子稀释和中和的结果使混合物迅速均相化。
因此，根据本发明，在均相介质中的氯胺连续制备必须在基于硝酸铵的含氨组合(NH3/(NH+ 4)αH+ βA(α+β)-/NH4NO3/H2O)、优选NH3/NH4NO3/H2O或NH3/NH4Cl/NH4NO3/H2O存在下进行；进行氯胺的非连续制备时，必须应用NH3/(NH+ 4)αH+ βA(α+β)-/H2O类型的混合物，优选NH3/NH4Cl/H2O，在加入氯化试剂的过程中其可能部分不溶。
下列实施例阐明本发明持续和断续进行的方法，但本发明并不限于这些实施例：
具体实施方式实施例1：
反应在圆柱形硅硼酸盐玻璃双壁反应器中进行，通过恒温流体循环维持其温度为-20℃。在含氨溶液中，NH3的滴定度为7.2mol L-1，NH4Cl的滴定度为4.76mol L-1，其相应于下列重量比的组成：12.1％NH3、25.2％NH4Cl和62.7％H2O。然后把这样的混合物30ml引入到容器中，搅拌直至达到热平衡。然后把过冷状态的次氯酸钠溶液(104.4度；4.64mol L-1)以固定速率倾入(加入时间10分钟)以使反应器内温度不超过-10℃。由于在反应开始时，代表含氨混合物的点位于NH3-NH4Cl-H2O元组成图(等温线-20℃)的液体+NH4Cl两相区域中，29.3％起始量的氯化铵被沉淀。在加入NaOCl的过程中，稀释和消除羟基离子的结果使混合物迅速变成均相，在反应结束后，得到的氯胺溶液的滴定度为2.18mol L-1(11.2％)，相当于相对于次氯酸盐的产率为98％。在此实验描述的条件下，形成的优质NH2Cl溶液在-20℃下相对稳定，15分钟后只失去1.4％。实施例II：
在相同条件下进行合成，但没有NH4Cl的起始沉淀(均相介质)，这样需要降低氯化铵的含量。如三元混合物的饱和曲线所示，NH3滴定度必须提高(注射氨气)以溶解NH4Cl。例如，从市售32％氨溶液开始，-20℃等温线允许的NH4Cl最大溶解量相当于下列总组成：25.3％NH3(14.25mol L-1)，20.9％NH4Cl(3.74mol L-1)。得到的浓NH2Cl溶液具有的滴定度为1.99mol L-1(10.2％)，也就是说，相对于NaOCl的产率为90％。产率的微弱减少是由于在非缓冲介质中进行了16％的反应。实施例III：
进行试验时，应用不再是超冷状态但温度高于其结晶点(+15℃)的次氯酸盐溶液。对于30ml合并的含氨溶液，其NH3滴定度为12.4molL-1(21.2％)，NH4Cl滴定度为5mol L-1(26.8％)，将该溶液引入到维持在-25℃的容器中。然后把等体积的次氯酸钠消毒水溶液(103.8氯量度；4.63mol L-1)滴入(加入持续时间为15分钟)其中以使反应器内部温度不超过-15℃。如实施例1所示，反应介质在开始时是非均相的(NH4Cl部分沉淀)，得到NH2Cl的浓度为2.19mol L-1(11.3％)，即产率为94％。实施例IV：
为了在中和所有HO-离子的同时应用次氯酸钠消毒水溶液在+15℃下于单相介质中进行制备反应，应用四元混合物NH4Cl-NH4NO3-NH3-H2O。其组成为：NH3、NH4Cl、NH4NO3和水分别是13.14mol L-1(22.4％)、3.02mol L-1(16.2％)、1.76mol L-1(14.1％)和26.2mol L-1(47.3％)。实验条件和实施例3相同。应用98.4氯量度(4.39mol L-1)的次氯酸钠消毒水溶液，得到的NH2Cl溶液具有滴定度为2.01mol L-1(产率90％)，也就是说，重量含量为10.3％。实施例V：
该试验和实施例4相同，但用硝酸铵代替所有氯化铵。因此，起始物质是4.65mol L-1(104.3氯量度)的次氯酸钠消毒水溶液和含有7.55mol L-1 NH3(12.9％)和5mol L-1NH4Cl(27％)的含氨混合物，反应产率为95％，相当于2.21mol L-1的NH2Cl溶液(11.4％)。实施例VI： 优质氯胺的连续合成
在搅拌的圆筒形连续反应器中，维持温度为-20℃至-30℃，进行氯胺合成。在沿直径相对的方向有两个侧入口，允许优质次氯酸盐和含氨溶液的连续引入。通过在两个圆筒形恒温夹套中整合的螺状蛇管中循环预先冷却共反应剂。其组成对应于实施例4所定义的。预先调节质量流速以使注射等体积(4ml.min-1)。关于试剂的注入温度，对于NaOCl和四元混合物NH4Cl-NH4NO3-NH3-H2O分别固定在15℃和-30℃。在反应混合物中，通行的温度为-11℃。在反应器出口，连续获得的NH2Cl溶液的滴定度为2.07mol L-1(10.6％)。从优质氯胺合成N-氨基-3-氮杂双环[3.3.0]辛烷
把30ml NH2Cl冷却到-15℃，让其作用于130g含有3.8g氢氧化钠的非均相共沸碱性溶液(30％3-氮杂双环[3.3.0]辛烷)，制备肼(N-氨基-3-氮杂双环[3.3.0]辛烷)溶液。根据实施例4和5中描述的方法，分别合成滴定度为2.18和2.21mol L-1的氯胺溶液。加料的持续时间为20分钟，反应混合物温度维持在60℃。在这些条件下，得到的N-氨基-3-氮杂双环[3.3.0]辛烷溶液滴定度为0.36和0.365molL-1(4.34和4.42％)，也就是说，相对于NH2Cl的产率为92-93％。从优质氯胺合成N-氨基-2-甲基二氢吲哚
以相同的方式，在EP 462 016专利说明书的条件下进行，氯胺对2-甲基二氢吲哚的醇溶液作用得到N-氨基-2-甲基二氢吲哚溶液。

Claims (11)

1、浓度大于等于10.3％的氯胺溶液的合成方法，其特征在于在-5℃至-20℃的温度下使4.46mol/L的次氯酸钠溶液与氨和铵盐的混合物反应。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于在均相介质中的连续制备必须在基于硝酸铵的含氨组合NH3/(NH+ 4)αH+ βA(α+β)-/NH4NO3/H2O存在下进行，其中α为0或1，β为0或1，A为Cl或CO3。
3、根据权利要求2的方法，其特征在于在均相介质中的连续制备在NH3/NH4NO3/H2O或NH3/NH4Cl/NH4NO3/H2O存在下进行。
4、根据权利要求1的方法，其特征在于非连续制备应用NH3/(NH+ 4)H+ βA(1+β)-/H2O类型的混合物进行，其中β为0或1，A为Cl，CO3或NO3。
5、根据权利要求4的方法，其特征在于非连续制备应用NH3/NH4Cl/H2O进行。
6、根据权利要求2或3的方法，其特征在于在高于或等于15℃的温度下，应用4.46mol/L的次氯酸钠。
7、根据权利要求1的方法，其特征在于含氨试剂的温度必须维持在-20℃至-30℃。
8、根据权利要求1的方法，其特征在于反应产生的羟基离子中至少有90％被中和，pH值维持在10-12。
9、根据权利要求8的方法，其特征在于pH值维持在10.5。
10、根据权利要求1的方法，其特征在于试剂([NH3]+[NH4 +])/[ClO-]的比例为2-5。
11、根据权利要求10的方法，其特征在于试剂[NH3]+[NH4 +])/[ClO-]的比例为2.7。
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