CN116903542A - 一种微通道反应器中合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机合成领域，具体涉及一种微通道反应器中合成5‑硝基‑6‑甲基苯并咪唑酮的方法。该方法将5‑甲基苯并咪唑酮的有机溶液，硝酸、浓度98%硫酸的混酸溶液通入微通道反应器中，进行硝化反应。本发明5‑硝基‑6‑甲基苯并咪唑酮的合成方法，与传统釜式工艺相比，反应时间更短，成本更低，安全性更高，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于有机合成领域，具体涉及一种微通道反应器中合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法。
背景技术
5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮是合成5-氨基-6-甲基苯并咪唑酮的重要原料5-氨基-6-甲基苯并咪唑酮在医药、农药、染颜料及特殊材料合成领域用途广泛，是合成高性能颜料品种颜料橙64的专用中间体，颜料橙64适用于高档塑胶着色、高档汽车漆、油墨、纺织物着色。
目前5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的产品的主要生产工艺是在反应釜内以5-甲基苯并咪唑酮为原料，在硝酸硫酸的混酸体系中，加热进行硝化。使用硝酸硫酸体系进行硝化，硝化能力强、反应速度快、硝酸用量接近理论值。但是传统的釜式硝化依然有很多缺点，如：腐蚀设备，环境污染大，硝化反应是强放热反应，容易发生安全事故，产品的副产物多增大了产品纯化的难度。因此寻找一种成本低，安全性更高，收率纯度更高的5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的合成方法具有非常重要的意义。
催化剂硝化法：目前工业上硝化主要采用在反应釜内使用硝酸-硫酸混酸硝化，这种方法有腐蚀设备，环境污染大等弊端。因此国内外研究者开始寻找绿色催化剂进行硝化，例如：金属氧化物催化剂、离子液体催化剂、分子筛催化剂、金属盐催化剂等。该方法可以提高转化率与选择性，减少污染，但由于催化剂大部分价格比较昂贵，不适用于工艺放大或工业化。
气相硝化法：20世纪70年代由法国GP公司开发以氮氧化物作为硝化剂，引入富氧或空气作为氧化剂进行硝化，该硝化取消了废酸回收体系，缩短了硝化工艺流程与时间，但是由于引入空气，反应体系随时可能处于爆炸边缘，安全性较差，虽然该方法缩短反应时间，但转化率与选择性均低于混酸硝化工艺。
高压硝化法：21世纪初美国Dow化学公司在高压下稀硝酸进行硝化，压力达到9.5MPa提高了硝化的选择性，简化了提纯步骤，但由于该方法对设备的耐压水平要求较高，且在高压条件下很可能会发生安全事故。
澳大利亚科蒂科股份有限公司在中国发表专利[CN1675185A]中提到在冰水浴中，使用69%的硝酸反应2h,得到产物5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮，纯度为99.7%。中国专利[CN109627219A]中提到在醋酸体系下，加热至60℃，滴加硝酸反应1h得到产物5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮，收率为99.05%。中国专利[CN101863840A]中提到在25℃条件下，使用30%的稀硝酸进行反应，反应时间为6h，最终5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的纯度为99.4%，收率98.3%。
目前为止，尚未有采用微通道反应器的方式进行5-甲基苯并咪唑酮的一段硝化合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种微通道反应器中合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法。本发明采用微通道反应器合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮，该方法将5-甲基苯并咪唑酮-二氯乙烷的混合有机溶液、混酸通入微通道反应器中，进行硝化反应。与现有传统釜式反应相比，该工艺有如下优势：可以精确控制反应条件，减少有机废物的排放，可以明显降低反应时间，使反应在几分钟之内完成，且原料转化率高，产物选择性高。
本发明以二氯乙烷为溶剂，硝酸硫酸混酸体系，在加热条件下进行5-甲基苯并咪唑酮的一段硝化合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮。具体反应方程式如下：
。
微通道反应器中合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法，按照下述步骤进行：
（1）将5-甲基苯并咪唑酮与有机溶剂混合搅拌，使5-甲基苯并咪唑酮完全溶于有机溶剂中，用不同浓度的硝酸与浓度98%的硫酸混合配置成硝酸硫酸的混合溶液，分别通入微通道反应器中预热区30℃～40℃进行预热，设定温度由外部换热器进行控制，换热器介质为导热油；
（2）预热结束后的物料同步进入微通道反应器反应区混合进行反应，通过控制计量泵流量控制反应停留时间，通过外部换热器控制反应温度，反应过程完成后，将反应器出口流出的5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮料液，使用氢氧化钠水溶液与去离子水反复进行洗涤，直至反应液为中性，经过旋蒸除去溶剂，在烘箱中将剩余的水分烘干，得到5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮产品。
其中步骤（1）中5-甲基苯并咪唑酮与有机溶剂混合配置成的有机溶液，使用的有机溶剂为二氯乙烷、三氯甲烷、四氯化碳，其中5-甲基苯并咪唑酮的质量浓度为20%。
其中步骤（1）中用的不同浓度的硝酸，硝酸溶液的质量浓度为70%～90%，优选为85%。
其中步骤（1）中用的硝酸与浓度98%的硫酸混合配置成硝酸硫酸的混合溶液，硝酸：硫酸的摩尔比=1：（1～2.5），优选为1：2。
其中步骤（1）中通过控制流量改变5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比=1：（1～1.4），优选为1：1.2。
其中步骤（1）中控制有机溶液的流速：30mL/min～60mL/min，优选为38.6 mL/min。
其中步骤（1）中控制混酸的流速：8 mL/min～16mL/min，优选为10.3mL/min。
其中步骤（2）中该反应控制反应时间为70s～160s，优选为122s。
其中步骤（2）中该反应温度控制为35℃～75℃，优选为55℃。
本发明进行硝化反应所采用的微通道反应器包含预热模块和反应模块，确定反应模块数量，通过进料流速决定硝化反应的停留时间。
本发明使用的微通道反应器的内部结构为弯曲-分裂重组结构的微通道模片。
本发明的微通道反应器为增强传质型微通道反应器，该反应器由多模块组成，材质为涂有耐腐蚀涂层的不锈钢或合金金属，该系统可以耐腐蚀耐高压。
本发明将换热介质与各个模块集成于一体，将模块浸没在换热介质中，在换热介质中配有热电偶，用于测量换热介质的实际温度。
本发明方法中，当硝酸浓度达到85%，5-甲基苯并咪唑酮与硝酸的摩尔比为1：1.2，硝酸与硫酸摩尔比为1：2，混酸流量为10.3mL/min，5-甲基苯并咪唑酮有机溶液流量为38.6mL/min，硝化反应总时间为122s，反应温度为55℃，原料的转化率达到99.1%，选择性达到99.4%，此条件下的硝化效果最佳。
与现有技术相比，本发明有如下特点：
本发明采用了在微通道反应器中进行硝化反应，将反应时间明显缩短，在数分钟之内就可以结束反应，提高了反应的效率。
微通道反应器拥有特殊的内部结构，拥有良好的传热传质能力，可以让原料充分反应，从而提高原料的转化率，减少副产物的生成，提高产物的收率。
微通道反应器具有尺寸较小的特点，同时反应在微通道反应器中可以安全平稳地进行，在整个反应进程中为连续反应，可以避免常规间歇反应出现的泄露，环保安全，生产效率高。
附图说明
图1为本发明中使用的微通道反应器内部结构。
图2为本发明中微通道反应器膜片的换热结构。
图3为本发明的连续流反应装置流程图：1，2—原料罐，3，4—原料计量泵，5，6—预热区，7，8—反应区，9—产物收集区。
具体实施方式
参照图3的工艺流程，按照如下步骤进行实验：
（1）用不同浓度的硝酸与浓度98%的硫酸混合配置成硝酸硫酸的混合溶液，将硝酸硫酸的混合溶液放入原料罐1中；将5-甲基苯并咪唑酮与有机溶剂混合搅拌，使5-甲基苯并咪唑酮完全溶于有机溶剂中，将有机溶液放入原料罐2中。
（2）将硝酸硫酸的混合溶液与有机溶液分别通过泵3、泵4通入预热区，预热区温度在30℃～40℃之间。预热结束后两股物料进入反应区进行反应，反应数分钟后得到产物，在产物收集区进行产物收集。
（3）将产物收集区收集的5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮反应液使用氢氧化钠水溶液与去离子水反复进行洗涤，直至反应液为中性，经过旋蒸除去溶剂，在烘箱中将剩余的水分烘干，称重得到5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮产品。
（4）取5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮产品进行气相色谱分析。气相色谱分析方法：气相色谱仪型号（上海灵华仪器有限公司HPLC-500），SESTEK-5 型 0. 25 mm×30 m 玻璃毛细管柱，氢火焰离子化检测器( FID) ，检测室温度 300 ℃，汽化室温度 300 ℃，N2 压力0. 4 MPa，H2 压力 0. 4 MPa，进样量 1μL，升温程序，在100℃温度下以20℃/min升温速率升温至270℃，保温15分钟。溶剂使用二氯乙烷。
实施例1
原料罐1，2配置好5-甲基苯并咪唑酮的二氯乙烷溶液质量浓度为20%，改变硝酸的质量浓度，质量浓度区间为70%～90%。设定计量泵3，4的流量保证5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比=1：1.2，硝酸：硫酸摩尔比=1：2，控制反应温度为55℃，停留时间为122s，在出料口处对产物进行收集，经过洗涤、旋蒸、烘干最终得到产物5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮。
表1改变硝酸浓度，不同硝酸浓度下的硝化结果
上述结果表明，在不同硝酸浓度条件下进行反应对该硝化反应的转化率与副产物的生成有很大的影响，这是因为随着硝酸浓度增加，硝酰阳离子的数量与浓度增加，增强了硝酸的硝化能力，随着硝酸浓度增加反应的转化率也逐渐提高，但副产物也随之增加，分析表格中的数据可以看出当硝酸浓度达到85%时反应的转化率、选择性最高，因此本发明选择硝酸的浓度为85%。
实施例2
原料罐1，2配置好5-甲基苯并咪唑酮的二氯乙烷溶液质量浓度为20%，浓硝酸的质量浓度为85%。设定计量泵3，4的流量保证5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比=1：1.2，硝酸：硫酸摩尔比=1：2，将反应温度设定在35℃～75℃之间，停留时间为122s，在出料口处对产物进行收集，经过洗涤、旋蒸、烘干最终得到产物5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮。
表2改变温度，不同温度下的硝化结果
上述结果表明，随着温度的升高，原料的转化率逐渐升高，这是因为随着温度的升高，硝酰阳离子的活性逐渐增强，增大了硝酰阳离子攻击苯环的能力，随着温度达到一定高度对转化率的影响也会达到平台期。与此同时随着温度升高副产物的含量也逐渐升高，这是因为温度升高，增大了硝酰阳离子攻击苯环的能力，也增加了二硝化副产物的生成。分析表格中的数据可以看出当温度达到55℃时反应的转化率、选择性较高，因此本发明选择反应的温度为55℃。
实施例3
原料罐1，2配置好5-甲基苯并咪唑酮的二氯乙烷溶液质量浓度为20%，浓硝酸的质量浓度为85%。设定计量泵3，4的流量改变5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比=1：（1～1.4），硝酸：硫酸摩尔比=1：2，将反应温度设定为55℃，停留时间为122s，在出料口处对产物进行收集，经过洗涤、旋蒸、烘干最终得到产物5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮。
表3改变5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比，不同摩尔比下的硝化结果
上述结果表明，随着5-甲基苯并咪唑酮与硝酸摩尔比的增加，原料的转化率逐渐增加，这是因为当硝酸含量较少时，体系中硝酰阳离子的数量较少，导致原料不能充分反应，随着摩尔比增加硝酰阳离子数量增加，使硝化反应可以充分进行，但是随着摩尔比增加硝酰阳离子过多，就会导致二硝化副产物增加。分析表格中的数据可以看出当5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比=1：1.2时反应的转化率、选择性较高，因此本发明反应时5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比=1：1.2。
实施例4
原料罐1，2配置好5-甲基苯并咪唑酮的二氯乙烷溶液质量浓度为20%，浓硝酸的质量浓度为85%。保证5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比=1：1.2，硝酸：硫酸摩尔比=1：2，将反应温度设定为55℃，通过改变计量泵3，4的流量（泵3控制混酸流量，泵4控制有机溶液流量），改变反应停留时间，在出料口处对产物进行收集，经过洗涤、旋蒸、烘干最终得到产物5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮。
表4通过流量改变反应停留时间，不同停留时间下的硝化结果
上述结果表明，随着停留时间的增加原料的转化率逐渐升高，这是因为随着时间的增长可以使硝化反应充分进行，当达到一定时间硝化反应基本结束，增加停留时间不会继续提高转化率，综合考虑当混酸流量为10.3mL/min，5-甲基苯并咪唑酮-二氯乙烷的混合有机溶液流量为38.6 mL/min，硝化反应总时间为122s时反应效果最好。
实施例5
原料罐1，2配置好5-甲基苯并咪唑酮的二氯乙烷溶液质量浓度为20%，浓硝酸的质量浓度为85%。设定计量泵3，4的流量保证5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比=1：1.2，改变硝酸：硫酸摩尔比=1：（1～2.5），将反应温度设定为55℃，停留时间为122s，在出料口处对产物进行收集，经过洗涤、旋蒸、烘干最终得到产物5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮。
表5改变硝酸：硫酸摩尔比，不同摩尔比下的硝化结果
上述结果表明，随着硝酸与硫酸摩尔比的增加，原料的转化率逐渐增加，这是因为当硫酸含量较少时，体系中硝酰阳离子的数量较少，导致原料不能充分反应，随着摩尔比增加硝酰阳离子数量增加，使硝化反应可以充分进行，但是随着摩尔比增加硝酰阳离子过多，就会导致二硝化副产物增加。分析表格中的数据可以看出当硝酸：硫酸摩尔比=1：2时反应的转化率、选择性较高，因此本发明反应时硝酸：硫酸摩尔比=1：2。
实施例6
原料罐1，2配置好20% 5-甲基苯并咪唑酮的有机溶液，改变溶剂种类（二氯乙烷、三氯甲烷、四氯化碳）硝酸的质量浓度为85%。设定计量泵3，4的流量保证5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比=1：1.2，硝酸：硫酸摩尔比=1：2，将反应温度设定为55℃，停留时间为122s，在出料口处对产物进行收集，经过洗涤、旋蒸、烘干最终得到产物5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮。
表6改变不同溶剂，不同溶剂下的硝化结果
上述结果表明，改变不同溶剂对反应的转化率、选择性没有特别大的影响，这是因为溶剂不参加化学反应，只是作为 5-甲基苯并咪唑酮与混酸硝化的载体，从经济性出发考虑，二氯乙烷在这三种溶剂中价格最为便宜，所以最终选择二氯乙烷作为溶剂。
实施例7
根据实施例1～6可以确定当浓硝酸浓度达到85%，5-甲基苯并咪唑酮与硝酸的摩尔比为1：1.2，硝酸：硫酸摩尔比=1：2，混酸流量为10.3mL/min，5-甲基苯并咪唑酮-二氯乙烷的混合有机溶液流量为38.6 mL/min，硝化反应总时间为122s，反应温度为55℃时反应的转化率和选择性较高。
原料罐1，2配置好5-甲基苯并咪唑酮的二氯乙烷溶液质量浓度为20%，浓硝酸的质量浓度为85%。保证5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比=1：1.2，硝酸：硫酸摩尔比=1：2，将反应温度设定为55℃，计量泵3，4的流量（泵3控制混酸流量，泵4控制有机溶液流量）设置为泵3：10.3mL/min、泵4：38.6 mL/min，在出料口处对产物进行收集，经过洗涤、旋蒸、烘干最终得到产物5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮。在该流程下重复4次。
表7四次重复实验结果
上述实验结果可以看出，当浓硝酸浓度达到85%，5-甲基苯并咪唑酮与硝酸的摩尔比为1：1.2，硝酸：硫酸摩尔比=1：2，混酸流量为10.3mL/min，5-甲基苯并咪唑酮-二氯乙烷的混合有机溶液流量为38.6 mL/min，硝化反应总时间为122s，反应温度为55℃时，多次实验结果相差不大，具有一定的准确性，对四次转化率与选择性结果取平均值分别为：99.1%、99.4%。根据最后结果可以看出该发明提高了5-甲基苯并咪唑酮一硝化的转化率与选择性，一定程度上降低了副产物的出现，提高反应的时间效率，增加了5-甲基苯并咪唑酮一硝化的安全性。
Claims (10)
1.一种微通道反应器中合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
（1）用硝酸与质量分数98%的硫酸混合配制成硝酸硫酸的混合溶液；将5-甲基苯并咪唑酮与有机溶剂混合配制成5-甲基苯并咪唑酮的有机溶液；物料分别经计量泵通入微通道反应器预热区预热；
（2）预热结束后的物料同步进入反应区混合反应，通过控制计量泵流量控制反应停留时间，通过外部换热器控制反应温度，反应完成后，在出料口处对产物进行收集，经过洗涤、旋蒸、烘干最终得到产物5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮。
2.根据权利要求1所述的微通道反应器中合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法，其特征在于，所述预热区温度为30℃～40℃。
3.根据权利要求1所述的微通道反应器中合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法，其特征在于，5-甲基苯并咪唑酮：硝酸摩尔比=1：1～1.4。
4.根据权利要求1所述的微通道反应器中合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法，其特征在于，硝酸：硫酸的摩尔比=1：1～2.5。
5.根据权利要求1所述的微通道反应器中合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法，其特征在于，5-甲基苯并咪唑酮的有机溶液的流速为30mL/min～60mL/min；硝酸硫酸的混合溶液的流速：8 mL/min～16mL/min。
6.根据权利要求1所述的微通道反应器中合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法，其特征在于，反应停留时间为70s～160s，反应温度为35℃～65℃。
7.根据权利要求1所述的微通道反应器中合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法，其特征在于，5-甲基苯并咪唑酮的有机溶液中有机溶剂为二氯乙烷、三氯甲烷、四氯化碳中的一种，其中5-甲基苯并咪唑酮的质量浓度为20%。
8.根据权利要求1所述的微通道反应器合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法，其特征在于其中步骤（1）中用的硝酸溶液的质量浓度为70%～90%。
9.根据权利要求1所述的微通道反应器合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法，其特征在于，微通道反应器的内部结构为弯曲-分裂重组结构的微通道模片。
10.根据权利要求1所述的微通道反应器合成5-硝基-6-甲基苯并咪唑酮的方法，其特征在于，微通道反应器为增强传质型微通道反应器，由多模块组成，材质为涂有耐腐蚀涂层的不锈钢或合金。
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