CN1735587A - 制备4－氨基二苯胺的中间体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备4－氨基二苯胺的方法，其包括以下步骤：(a)使苯胺或其衍生物与硝基苯在限定区域中在包含碱和含有过氧化氢的氧化剂的混合物的存在下反应，其中过氧化氢的量相对于每摩尔硝基苯为约0.01－约0.60摩尔，从而得到至少一种4－氨基二苯胺的中间体；(b)将所述中间体还原成4－氨基二苯胺；以及(c)将4－氨基二苯胺任选还原烷基化成4－氨基二苯胺的烷基化衍生物。本发明进一步涉及一种制备上述反应中得到的4－氨基二苯胺的中间体的方法。
Description
本发明涉及一种制备4-氨基二苯胺的方法、4-氨基二苯胺以及烷基化4-氨基二苯胺衍生物。
4-氨基二苯胺类广泛地用作制备在如下方面具有实用性的烷基化衍生物的中间体：作为防臭氧剂和抗氧化剂，作为单体和聚合物的稳定剂，以及在各种特殊应用中。例如，4-氨基二苯胺(4-ADPA)与甲基异丁基酮的还原性烷基化提供N-(1，3-二甲基丁基)-N′-苯基-对苯二胺，它是一种用于保护各种橡胶制品的有用防臭氧剂。
4-氨基二苯胺衍生物可用多种方法制备。一种引人注目的合成方法是：将任选取代的苯胺与任选取代的硝基苯在碱存在下反应，例如在US5,608,111(授予Stem等)和US5,739,403(授予Reinartz等)中所公开的那样。US5,608,111中公开了一种制备任选取代的4-ADPA的方法，其中在第一步中将任选取代的苯胺与任选取代的硝基苯在碱存在下反应(偶合)。在其制备实施例中，将苯胺和硝基苯在作为碱的氢氧化四甲铵的存在下反应，并在偶合反应过程中共沸除去水和苯胺。
国际公开WO 00/35853中公开了一种通过苯胺与硝基苯在液体介质中反应而制备4-氨基二苯胺的中间体的方法，其中反应体系包含实实在在的两性离子与氢氧化物的盐的溶液。具体实施了氢氧化钾和水合甜菜碱的组合。反应可在游离氧的存在下进行。
EP 566783中公开了一种通过硝基苯与苯胺在极性非质子溶剂中在强碱性反应体系中反应而制备4-硝基二苯胺的方法。使用例如硫酸氢四丁基铵之类的相转移催化剂。该文献中要求反应在无氧气氛中进行，以免由于氧化引起不希望的副反应。
美国专利5,117,063和国际公开WO 01/14312中公开了制备4-硝基二苯胺和4-亚硝基二苯胺的方法，其中使用各种碱作为相转移催化剂，包括单独的氢氧化四烷基铵，或无机碱和冠醚。例如包括需氧条件的使用。对于在使用苯胺作为溶剂的厌氧条件下的反应，或使用DMSO以及其它类似溶剂作为溶剂的有氧条件下的反应，报道使用较少的偶氮苯。
美国专利5,612,483中公开了一种制备硝基取代的芳基胺(包括4-硝基二苯胺)的方法，包括芳基胺与硝基芳基胺在碱的存在下反应，同时在极性溶剂中引入氧。该专利表明，使用普通的碱，优选无机碱，该反应得到较高收率的相应胺。
美国专利6,140,538中公开了一种制备任选取代的4-氨基二苯胺的方法，包括任选取代的苯胺与任选取代的硝基苯在水和碱的存在下反应，同时控制水含量以保证加入的水与碱的摩尔比在偶联反应开始时不小于约4∶1，而在偶联反应结束时不少于约0.6∶1，从而产生4-硝基二苯胺和/或4-亚硝基二苯胺和/或它们的盐。偶联反应之后进行氢化反应，其中偶联反应产物在氢化催化剂的存在下氢化，并且加入水以保证在氢化结束时所有水与碱的摩尔比至少为约4∶1。得到水相和有机相，从有机相中回收任选取代的4-氨基二苯胺，并将含有碱的水相重复利用。
美国专利6,395,933中公开了一种制备一种或多种4-氨基二苯胺的中间体的方法，其包括以下步骤：使苯胺或苯胺衍生物与硝基苯进行反应性接触；以及苯胺和硝基苯在限定区域中在合适的时间和温度下在包括强碱、合适的相转移催化剂和氧化剂的混合物存在下反应。某些相转移催化剂还可用作强碱，例如氢氧化四烷基铵。给出的实施例表明，在空气或过氧化氢以及作为强碱的KOH和作为相转移催化剂的氯化四甲铵的存在下，反应的选择性增加。当H2O2/NB的摩尔比由0增加到1.0时，使用过氧化氢的实施例并没有显示出过氧化物的最佳量，然而当摩尔比增加时转化率一直下降。没有给出其中同时使用氧化剂和也作为强碱的相转移催化剂的实施例。
本发明的目的是提供一种制备一种或多种4-ADPA的中间体的优良方法，通过使苯胺与硝基苯在有机强碱(或其等效物)和包含过氧化氢的氧化剂的存在下反应。
总之，本发明的第一实施方案为一种制备4-氨基二苯胺的方法，其包括以下步骤：
a)使苯胺或其衍生物与硝基苯在限定区域中在包含碱和含有过氧化氢的氧化剂的混合物的存在下反应，其中过氧化氢的量相对于每摩尔硝基苯为约0.01-约0.60摩尔，从而得到至少一种4-氨基二苯胺的中间体；
b)将该中间体还原成4-氨基二苯胺；以及
c)任选将4-氨基二苯胺还原烷基化成4-氨基二苯胺的烷基化衍生物。
在另一实施方案中，本发明为一种制备4-氨基二苯胺的中间体的方法，其包括以下步骤：使苯胺或其衍生物与硝基苯在限定区域中在包含碱和含有过氧化氢的氧化剂的混合物的存在下反应，其中过氧化氢的量相对于每摩尔硝基苯为约0.01-约0.60摩尔。
本发明其它实施方案包括以下细节：反应混合物、组分比例、特定的有机强碱和反应条件，所有这些内容在下文公开在本发明各个方面的详述中。
如上所述，本发明涉及一种制备4-ADPA的中间体的方法，对于这些中间体，该方法具有良好的收率和选择性。这些中间体包括4-亚硝基和/或4-硝基二苯胺(分别表示为p-NDPA和4-NDPA)以及它们的盐。这些中间体随后可被氢化以产生4-氨基二苯胺。
虽然苯胺可与硝基苯最有效偶联，某些苯胺衍生物，包括酰胺例如N-甲酰苯胺、苯基脲、对称二苯脲和对称二苯硫脲或其混合物，可代替苯胺或与苯胺一起使用以制备4-ADPA的中间体
虽然本发明方法的反应物称作“苯胺”和“硝基苯”，并且当制备的产物为4-ADPA时反应物事实上就是苯胺和硝基苯，但应理解，反应物还可包括取代的苯胺和取代的硝基苯。可用于本发明方法的取代苯胺的典型例子包括但不限于：2-甲氧基苯胺、4-甲氧基苯胺、4-氯苯胺、对甲苯胺、4-硝基苯胺、3-溴苯胺、3-溴-4-氨基甲苯、对氨基苯甲酸、2，4-二氨基甲苯、2，5-二氯苯胺、1，4-苯二胺、4，4′-亚甲基双苯胺、1，3，5-三氨基苯及其混合物。可用于本发明方法的取代硝基苯的典型例子包括但不限于：邻和间甲基硝基苯、邻和间乙基硝基苯、邻和间甲氧基硝基苯及其混合物。
本发明方法中苯胺与硝基苯的摩尔比没有特别限定，使用过量的任何一种，该方法都能实施。
在本发明方法中，过氧化氢可以以含有约3重量％-50重量％过氧化氢的水溶液提供。
本发明的中间体可被还原成4-氨基二苯胺。还原可通过包括使用氢气的任何已知方法进行，其涉及使用氢化催化剂。有关催化剂的选择以及氢化反应的其它方面，例如水的加入可参见美国专利6,140,538。氢化终点可通过反应时间和/或氢气流量曲线和/或通过本领域普通技术人员所公知的各种仪表技术确定。还可使用其它不涉及直接使用氢气并且为本领域技术人员所公知的还原方法，以将4-ADPA的中间体或其取代衍生物还原成4-ADPA或其取代衍生物。
产生的4-氨基二苯胺可被还原烷基化成4-氨基二苯胺的烷基化衍生物，其可用于保护橡胶产品，在该方法中，任选取代的苯胺与任选取代的硝基苯偶合，然后根据本发明方法进行还原，接着根据本领域技术人员所公知的方法将由此得到的4-氨基二苯胺还原烷基化成4-氨基二苯胺的烷基化衍生物。通常而言，4-ADPA和合适的酮或醛在氢和作为催化剂的铂/碳的存在下反应。氢化终点可通过反应时间和/或氢气流量曲线和/或通过本领域普通技术人员所公知的各种仪表技术确定。合适的酮包括异丁基甲酮、丙酮、甲基异戊酮或2-辛酮。例如参见US4,463,191和Banerjee等人，J.Chem.Soc.Chem.Comm(化学会志，化学通讯)，该文献引用于此作为参考。合适的催化剂可以与上述用于得到4-ADPA的催化剂相同，但并不限于上述催化剂。过氧化氢为比空气更优越的氧化剂，因为为了达到选择性的有意义增加需要的空气量将会使工业上经济的冷凝系统大大过载，由此导致有机化合物通过冷凝器的较高损失。并且，尽管纯氧比空气更加有效，然而使用纯氧会产生不安全的反应环境。另外，使用过氧化氢并不需要使用除过量苯胺之外的溶剂。
氧化剂可在硝基苯开始引入到限定区域中之后引入到该限定区域中，或者氧化剂向限定区域中的引入可在硝基苯引入到限定区域中完成之前进行，或者同时进行。
硝基苯和苯胺反应形成迈森海默(Meisenheimer)配合物，并且氧化剂最好在所述迈森海默配合物浓度最高的点引入到限定区域中。氧化剂可以以可变速率引入，以使其与由硝基苯和苯胺制成的迈森海默配合物的形成和消失的反应动力学最佳匹配。氧化剂进入限定区域中的进入点可以为硝基苯的进入点，或在硝基苯进入点附近。
苯胺和硝基苯在碱存在下的偶合经由迈森海默配合物进行，其进行得到p-NOPDA盐的分子内部氧化，以及通过硝基苯和某些过程杂质进行分子间氧化，得到4-NDPA盐。通过与硝基苯和杂质相比更快速地氧化配合物，并且通过与氧化苯胺相比优先氧化配合物，过氧化物提高了选择性。因此，任何影响迈森海默形成和分子内部氧化速率的工艺参数，例如回收料流中的杂质浓度、反应温度、水的除去速率和硝基苯的进料速率，将会影响最佳过氧化物摩尔比和过氧化物的有效范围。并且，过氧化物浓度还可影响过氧化物与苯胺相比对迈森海默的局部选择性。所以，虽然使用再循环碱的特定反应方法的实施例表明H2O2/NB的有效范围为0.01-0.2，并且使用新鲜碱的实施例表明H2O2/NB的有效范围为0.01-0.46，但是可以预计，可以找到H2O2/NB的有效范围为0.01-0.6的条件。另外，反应进程分布图表明在开始时硝基苯快速反应，此时基面最高，在接近反应结束时反应更慢，此时基面最低。因此对于过氧化物备选的方法是，延迟过氧化物的开始并使其尽早结束，同时当硝基苯反应速率处于其中间范围时，过氧化物以固定速率或可变速率加入。另一可供选择的方法是，在整个期间加入过氧化物，只不过在开始和结束时加入得更加缓慢。再一可供选择的方法是在整个期间以不同速率加入过氧化物。本发明方法使用新鲜碱、再循环碱、通过电解(例如如WO 2002034372中所述，该文献引用于此作为参考)或通过其它方法回收的再循环碱及其混合物。
为达到使用过氧化氢的最高效率，过氧化物应当在由苯胺和硝基苯制备的迈森海默配合物浓度最高的点加入反应器。这样使过氧化物最大限度地与迈森海默反应，而不与苯胺反应。可以预见到，在工业用反应器中过氧化物的最佳进入点应该为硝基苯进入点或在该点附近，这是由于迈森海默的浓度在该点应当最高。然而根据工业用反应器的结构和操作方式，最佳加入点可稍微不同，这可由本领域技术人员确定。
在本发明方法中使用过氧化物的主要优点在于，与不使用过氧化物的方法相比，大大减少了为了再循环必须氢化成苯胺的偶氮苯的量。对于既有的4-ADPA用工业设备，这样将显著量的剩余产能转到苯胺回收(从偶氮苯中)操作中。这种剩余产能可通过将硝基苯进料到偶氮苯加氢反应器中而得到利用，从而产生部分苯胺，苯胺为本发明方法中较昂贵的原料。对于新的4-ADPA设备，大大减少的偶氮苯量可使苯胺回收(从偶氮苯中)系统资金显著减少。或者，对于可同时将硝基苯和偶氮苯转化成苯胺以循环使用的系统，可转化为适量的资本投资。
本发明方法中尤其有效的碱包括有机强碱，例如选自氢氧化四甲铵、氢氧化四丁基铵、氢氧化甲基三丁基铵、氢氧化苄基三甲基铵、氢氧化三辛基甲基铵、氢氧化十六烷基三甲基铵的季铵盐，以及氢氧化胆碱。除了可以使用氢氧化当量季铵盐，还可使用例如醇盐、乙酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐、氰化物、酚醛树脂、磷酸盐、磷酸氢盐、次氯酸盐、硼酸盐、硼酸氢盐、硼酸二氢盐、硫化物、硅酸盐、硅酸氢盐、硅酸二氢盐和硅酸三氢盐之类的盐。最优选的有机碱为氢氧化四甲铵(TMAH)。
所述中间体可被还原成4-氨基二苯胺，并且碱可从还原反应产物中再循环，这种碱的再循环可单独进行，或与补充量的新鲜碱或纯化的再循环碱或与这两者同时再循环，以用于本发明方法的反应中。更具体而言，中间体可被还原成4-氨基二苯胺，并且还原反应产物中的碱可被纯化以除去部分或全部在本发明方法的偶联反应和还原反应中形成的季铵盐杂质。纯化的碱可以单独的碱的形式再循环，或与未纯化的再循环碱和/或与补充量的新鲜碱结合而再循环。
本发明方法的反应性接触在含有过氧化氢的氧化剂的存在下进行。当有机碱为氢氧化四甲铵时，过氧化氢可以以包含约3重量％-约50重量％过氧化氢的水溶液，或者更优选以包含约3重量％-约7重量％过氧化氢的水溶液并且过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为约0.01-约0.5摩尔的量提供。过氧化氢更优选以包含约15重量％-约25重量％过氧化氢的水溶液并且过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为约0.01-约0.45摩尔的量提供。过氧化氢最优选以包含约25重量％-约40重量％过氧化氢的水溶液并且过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为约0.01-约0.35摩尔的量提供。
有机碱，特别是氢氧化四甲铵可以从还原反应产物中再循环，单独或与补充的新鲜碱或纯化的再循环碱或与两者同时用于所述方法的反应中。过氧化氢于是可以以包含约20重量％-约40重量％过氧化氢的水溶液并且过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为约0.01-约0.25摩尔的量提供，或者更优选的是，其中过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为约0.06-约0.21摩尔的量提供，或者尤其优选的是，其中过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为约0.08-约0.17摩尔的量提供。过氧化氢可以以包含约3重量％-约7重量％过氧化氢的水溶液并且过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为约0.01-约0.20摩尔的量提供，优选过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为约0.03-约0.16摩尔的量提供，或者更优选的是，其中过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为约0.06-约0.12摩尔的量提供。对于过氧化氢的其它浓度，本领域普通技术人员可确定的类似有效摩尔比范围为3重量％-50重量％。对于任何过氧化物浓度，还可使用更少量的过氧化氢得到相等选择性，其包括在硝基苯进料的仅仅部分时间进料过氧化物，或者改变过氧化物的进料速率，或者综合使用两种措施。
纯化的再循环碱可作为单独的碱使用，或与补充量的新鲜碱组合使用，并且硝基苯进料时间可为约100分钟或更少。
在本发明方法的偶联反应中，反应性接触可在约20℃-约125℃，优选约65℃-约95℃下进行。反应性接触的其它条件包括约20毫巴至约大气压的压力。反应时间通常小于约4小时。在整个反应期间通常有利地搅拌反应混合物。
本发明通过以下非限定性实施例说明。
分析
各个组分的收率通过外标HPLC由两次分析的平均值确定。将约0.06g待分析的物质准确称重，放入50ml容量瓶中，并用含有39体积％水、36％体积乙腈、24体积％甲醇和1体积％pH为7的缓冲剂的缓冲溶液稀释。所述溶液使用二元梯度泵送系统和在1.5毫升/分钟的恒定流速下的下列洗脱梯度经由10μl环行管道注射到反相Zorbax ODS HPLC柱(250×4.6毫米)上。
| 时间，分钟 | 洗脱液A，％ | 洗脱液B，％ |
| 0253537.53840 | 1002500100100 | 07510010000 |
洗脱液A含有75体积％水、15体积％乙腈和10体积％甲醇。洗脱液B含有60体积％乙腈和40体积％甲醇。在254nm下进行紫外线检测。
试验
试验程序在每一实施例中说明。使用再循环碱的试验使用得自工厂操作的典型样品而不加入过氧化物，其中TMAH分析(24.4重量％和26.8重量％)通过滴定法确定。再循环碱含有多种四甲铵盐和苯胺，以及少量的其它有机杂质。其中一种盐为(TMA)2CO3，当与TMAH一起滴定第一等份时，(TMA)2CO3促进再循环碱的分析。
实施例中的转化率基于留在最终偶联反应物质中未反应的硝基苯的量计算。如果没有检测到硝基苯，则假定转化率为100％。选择性由以下摩尔比定义：(p-NDPA+4-NDPA)/(p-NDPA+4-NDPA+偶氮苯+吩嗪)。4-NDPA为4-硝基二苯胺，p-NDPA为4-亚硝基二苯胺。在实施例中，“NB”为硝基苯，“t-Azo”为反式偶氮苯，“Phen”为吩嗪，“其它”指的是苯胺和硝基苯偶合副产品，主要为4-苯偶氮基-二苯胺以及其它不明物质。
实施例1
该实施例提供参考信息，以讨论在其它实施例中的偶联反应期间使用过氧化氢的影响。试验1-3的程序与实施例2相似，不同的是使用工厂再循环TMAH(26.8重量％)和工厂再循环苯胺，使用碱浓度并且在62乇下干燥，并且在60乇下反应。试验4-6的程序是向装有热电偶、加热套、用于硝基苯和过氧化物或水进料的液面下进料管以及Teflon桨式搅拌器的500ml圆底烧瓶中加入145.28g新鲜苯胺(1.56摩尔)和87.36g新鲜TMAH预浓缩溶液(36.0％，0.345摩尔TMAH)。在70乇压力下，将混合物加热以除去18ml水和苯胺(约30分钟)，然后开始加入硝基苯进料(36.93g，0.30摩尔)。在反应期间温度从约66℃-67℃升至80℃，同时煮去水和苯胺。表1给出了所有6个试验中的硝基苯进料时间和反应持续时间。在反应持续时间，水和苯胺被煮去。在反应持续阶段后，用20ml水冷却试验4-6中的批料。过氧化氢进料为与硝基苯呈并流的20.40g(0.03摩尔)浓度为5重量％的水溶液。由于通过防止TMAH降解和移动反应平衡水可影响反应选择性，水与硝基苯并流地进料，以与过氧化物直接比较。
该实施例表明，虽然对于较长进料时间水并不是非常有效，较短的硝基苯进料时间和水的加入都可增加选择性。然而过氧化物得到最高选择性，比加入水高1.9％。对于包括再循环和废物处理的方法，更重要的是，与单独使用水相比，含水过氧化物大大降低了两种关键副产物的水平，即偶氮苯(降低39％)和吩嗪(降低36％)。用稍微不同的程序重复基线试验，得到92.7和92.6的选择性，这表明此处记录的试验结果是可高度再现的。并且重复试验表明，较小的选择性差异，例如过氧化物比水高1.9％，实际上非常重要。
| 表1：用于过氧化氢比较的背景数据 | ||||||||
| 添加剂 | 时间(分钟) | 转化率(％) | 选择性(％) | 批料产品组成(重量％) | ||||
| 进料 | 持续 | p-NDPA | 4-NDPA | t-Azo | Phen | |||
| 1.无 | 110 | 20 | ～99 | 91.5 | 25.36 | 2.30 | 2.01 | 0.32 |
| 2.水1 | 110 | 20 | ～99 | 91.9 | 26.24 | 2.30 | 2.01 | 0.29 |
| 3.水2 | 110 | 20 | ～98 | 91.5 | 25.91 | 2.45 | 2.14 | 0.25 |
| 4.无 | 80 | 40 | 100.0 | 94.0 | 26.61 | 2.32 | 1.31 | 0.37 |
| 5.水3 | 80 | 40 | 100.0 | 95.3 | 30.11 | 2.02 | 1.04 | 0.39 |
| 6.过氧化物4 | 80 | 40 | 100.0 | 97.2 | 31.42 | 2.42 | 0.63 | 0.25 |
| 1H2O/NB＝0.56摩尔；2H2O/NB＝1.9摩尔；两批的平均值 | ||||||||
| 3水加入量等于5重量％过氧化物加入量，H2O/NB＝3.8摩尔 | ||||||||
| 4H2O2/NB＝0.10的5.0重量％过氧化氢水溶液 | ||||||||
实施例2
以下实施例中的部分试验具有相对较低的转化率，这是由于该程序使用固定硝基苯进料时间加持续时间，而没有使批料反应完全。该实施例表明延长的持续时间对选择性的影响。
该程序是将432.85g工厂再循环碱(24.4重量％TMAH、1.16摩尔)加入到1升水/乙二醇夹套反应器中。以150rpm开始搅拌，并在65乇恒压下在72℃的初始温度并且在每除去10ml水就增加1℃的水浴温度的条件下煮掉92ml水。然后利用真空加入301.50g(3.24摩尔)新鲜苯胺。通过每除去9ml水就增加l℃水浴温度并在65乇下继续除去水和苯胺，同时由侧面加压排气滴液漏斗连续加入120ml苯胺。当已经除去72ml水(总共162m1)时，开始在80分钟内经由蠕动泵液面下共进料123.11克硝基苯(1.00mol)和27.20克过氧化氢(10重量％水溶液，0.08mol)。在反应步骤期间连续加入60ml苯胺，同时将压力保持为65乇，并煮出水和苯胺。每次以0.5℃的增量逐渐升高水浴温度，使得在反应步骤结束的时候水浴达到91℃，而反应器内达到80-82℃。通过将压力降至60乇且将水浴和反应器温度再升高1℃，开始持续期。在持续期内，继续除去水和苯胺。
该实施例表明，保持低转化率批料到基本完全转化对选择性仅仅具有最小的影响。在该实施例之后的实施例中，转化率为73.4-100％。这些结果表明，将转化率由89.3％提高到99.8％仅仅使得选择性降低0.5％，而将转化率由96％提高到99.8％仅仅使得选择性降低0.2％。因此，在下列实施例中，一些试验的低转化率并不影响所述结论。
| 表2：延长持续时间的过氧化物批料分布 | ||||||
| 持续时间(分钟) | 转化率(％) | 选择性(％) | 批料产品组成(重量％) | |||
| p-NDPA | 4-NDPA | t-Azo | Phen | |||
| 0 | 89.3 | 97.5 | 22.78 | 1.50 | 0.36 | 0.20 |
| 10 | 93.9 | 97.2 | 24.37 | 1.72 | 0.49 | 0.21 |
| 20 | 95.9 | 97.2 | 25.00 | 1.82 | 0.49 | 0.20 |
| 30 | 97.1 | 97.1 | 25.05 | 1.86 | 0.51 | 0.22 |
| 40 | 97.9 | 97.1 | 25.45 | 1.91 | 0.53 | 0.21 |
| 50 | 98.5 | 97.1 | 25.70 | 1.95 | 0.53 | 0.21 |
| 60 | 98.9 | 97.1 | 26.07 | 2.00 | 0.55 | 0.22 |
| 70 | 99.2 | 97.1 | 26.22 | 2.01 | 0.56 | 0.22 |
| 80 | 99.5 | 97.1 | 26.48 | 2.04 | 0.57 | 0.22 |
| 90 | 99.7 | 97.0 | 26.59 | 2.06 | 0.58 | 0.22 |
| 100 | 99.8 | 97.0 | 26.83 | 2.09 | 0.61 | 0.22 |
实施例3
进行具有压力、硝基苯进料速率和过氧化物作为变量的三个因素、8次试验的试验设计(DOE)。对于使用过氧化物的四次试验，过氧化物(5重量％水溶液)和H2O2/NB(摩尔比：0.1)的浓度可任意选择。向装有加热套、热电偶、用于硝基苯和过氧化物进料的液面下进料管和Teflon桨式搅拌器的500ml圆底烧瓶中，加入130.02g再循环碱(24.4重量％)，然后通过在表3中列出的压力下煮出28ml水而浓缩到31重量％。然后加入145.28g苯胺，并且连同苯胺一起另外除去16ml水(总共44ml水)。然后开始加入36.93g硝基苯，继续煮去水和苯胺。当使用过氧化物时，将24.40g浓度为5重量％的过氧化物溶液与硝基苯在合适的进料速率下共同进料，以硝基苯进料结束。批料持续如下，然后用20ml水冷却。反应在80℃下并且在65或95乇(根据设计指定)下以0.3摩尔规模进行。对于110分钟硝基苯进料，持续期固定在20分钟，而对于70分钟硝基苯进料，持续期固定在45分钟，两者都进一步煮出水和苯胺。
表3中的结果表明，当过氧化物以较低水平使用时，选择性一贯比较高，并且对于不同反应压力和硝基苯进料速率，变化范围小得多(使用过氧化物时为96.1-96.6％，不使用过氧化物时为89.8-94.8％)。并且使用过氧化物，制备的4-NDPA比偶氮苯多，然而不使用过氧化物，仅仅生成接近等摩尔量的4-NDPA。使用过氧化物在更长的硝基苯进料时间制备了更少的4-NDPA(少30-40％)，并且在所有的试验中，使用过氧化物产生了更少的偶氮苯和吩嗪。实施例1表明，硝基苯进料速率可影响不使用过氧化物时的选择性，并且该实施例表明，过氧化物降低了硝基苯进料速率和反应压力的影响，这是出乎意料的。
| 表3：对于过氧化物的三因素实验设计 | ||||||||
| 实验编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 设计目标 | ||||||||
| NB进料速率(分钟) | 75 | 75 | 110 | 110 | 75 | 75 | 110 | 110 |
| 压力(乇) | 95 | 65 | 95 | 65 | 95 | 65 | 95 | 65 |
| 过氧化物 | 有 | 有 | 有 | 有 | 无 | 无 | 无 | 无 |
| 实际NB进料(分钟) | 74 | 76 | 113 | 111 | 73 | 74 | 115 | 112 |
| 结果 | ||||||||
| 转化率(％) | 98.1 | 99.8 | 89.6 | 96.8 | 99.7 | 100.0 | 98.9 | 100.0 |
| 选择性(％) | 96.1 | 96.4 | 96.6 | 96.5 | 94.8 | 92.8 | 94.5 | 89.8 |
| 批料产品组成(重量％) | ||||||||
| p-NDPA | 24.05 | 26.06 | 22.76 | 24.31 | 24.31 | 24.23 | 23.78 | 22.35 |
| 4-NDPA | 1.78 | 2.13 | 1.20 | 1.83 | 1.66 | 2.21 | 1.71 | 2.98 |
| t-偶氮苯 | 0.85 | 0.77 | 0.62 | 0.68 | 1.09 | 1.58 | 1.11 | 2.28 |
| 吩嗪 | 0.12 | 0.18 | 0.14 | 0.20 | 0.21 | 0.30 | 0.25 | 0.34 |
实施例4
进行精选DOE以评价1)过氧化物量和2)过氧化物浓度对偶联反应的影响。该程序与实施例3相同，但是使用列于表4中的摩尔比和过氧化物浓度，并且硝基苯进料时间为约70分钟，持续时间为30分钟。表4表明，在较快的硝基苯进料速率下，选择性与过氧化物浓度较不相关，在低摩尔比时尤其是这样。这是令人惊奇的，因为实施例1表明水的加入可增加选择性，并且使用5重量％过氧化物的试验具有的水量为使用25重量％过氧化物的水量的6.33倍。结果还表明，选择性可受氧化剂量的影响。具有表4中相同过氧化物浓度的试验比较表明，在每种情况下摩尔比越高，得到的选择性越低。这再次令人惊奇，因为在较高摩尔比时加入了两倍量的水。所以当过氧化物的影响占主导地位时，水和过氧化物的影响呈非加合性。
| 表4：精选实验设计 | ||||
| 实验编号 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 设计目标 | ||||
| H2O2∶NB摩尔比 | 0.10 | 0.10 | 0.20 | 0.20 |
| 过氧化物浓度 | 5重量％ | 25重量％ | 5重量％ | 25重量％ |
| NB进料时间(分钟) | 68 | 72 | 70 | 70 |
| 相对水进料 | 6.33 | 1.0 | 12.7 | 2.0 |
| 结果 | ||||
| 转化率(％) | 98.1 | 98.3 | 98.6 | 97.8 |
| 选择性(％) | 96.4 | 96.0 | 92.8 | 93.8 |
| 批料产品组成(重量％) | ||||
| p-NDPA | 25.62 | 24.41 | 27.86 | 25.40 |
| 4-NDPA | 2.06 | 2.08 | 2.84 | 2.45 |
| t-偶氮苯 | 0.80 | 0.79 | 2.05 | 1.53 |
| 吩嗪 | 0.14 | 0.21 | 0.13 | 0.16 |
实施例5
当使用过氧化物时，该实施例进一步表明压力对选择性的影响。使用110分钟的硝基苯进料时间，20分钟的持续时间，使用工厂再循环碱(26.8重量％)和工厂再循环苯胺而不使用新鲜进料的样品，批料通过类似于实施例2中的程序制备。实施例5中的结果表明，当使用30重量％过氧化物时，正如在使用5重量％过氧化物的实施例3中，压力对选择性没有影响。这是过氧化物降低其它反应变量的影响的其它证据。
| 表5：使用过氧化物时反应压力的影响 | ||
| 压力，毫巴 | 80 | 160 |
| 选择性(％) | 95.56 | 95.52 |
实施例6
实施例1表明，较短的硝基苯进料时间(80分钟)可单独增加选择性，或者与水或与过氧化物水溶液一起增加选择性。实施例3表明，对于固定的过氧化物浓度和摩尔比，硝基苯进料时间(约75分钟和约110分钟)对选择性几乎没有影响。实施例4表明，对于较短的硝基苯进料时间(约70分钟)，选择性与过氧化物浓度相对无关，在低摩尔比时尤其是这样。
该实施例研究了对于较长硝基苯进料时间过氧化物浓度对选择性的影响。一系列批料以类似于实施例5中的程序制备。并且对于0.064摩尔比的试验，过氧化物通过活塞泵进料(参见实施例14)。过氧化物浓度为5重量％-35重量％，并且H2O2/NB＝0.1和0.064。表6中的结果表明，对于较长的硝基苯进料时间，选择性基本上与过氧化物浓度无关。并且，当显著更少的水与过氧化物一起加入时，吩嗪浓度仅仅略微增加，这与实施例4一致。使用较长的硝基苯进料时间，相对于硝基苯加入速率的水除去速率大于使用较短硝基苯进料时间时的水除去速率。所以，由于更少量的水与过氧化物一起加入，批料变得更加干燥。然而，即便是在表6中最少的水加入量也要比表1中单独使用水与110分钟硝基苯进料时间的结合具有显著更高的选择性。这表明，虽然水和过氧化物都可以起增加选择性的作用，过氧化物的影响更加重要。并且，由于水可能影响迈森海默配合物的形成速率以及其被硝基苯氧化的速率，因此可通过使H2O2/NB与批料中的迈森海默浓度相匹配而提高使用过氧化物的选择性。
| 表6：过氧化物浓度的影响 | |||||||
| 过氧化物重量％ | H2O2/NB摩尔比 | H2O/NB摩尔比 | 选择性(％) | 批料产品组成(重量％) | |||
| p-NDPA | 4-NDPA | t-Azo | Phen | ||||
| 0 | 0 | 0 | 91.5 | 25.36 | 2.30 | 2.01 | 0.32 |
| 5 | 0.10 | 3.59 | 96.1 | 27.56 | 2.99 | 0.98 | 0.16 |
| 10 | 0.10 | 1.70 | 96.0 | 26.82 | 3.24 | 0.96 | 0.17 |
| 20 | 0.10 | 0.76 | 95.1 | 27.22 | 2.75 | 1.22 | 0.18 |
| 20 | 0.10 | 0.76 | 95.3 | 26.53 | 3.02 | 1.16 | 0.19 |
| 24.3 | 0.064 | 0.38 | 95.8 | 26.63 | 2.53 | 0.92 | 0.24 |
| 24.3 | 0.064 | 0.38 | 96.1 | 26.38 | 2.55 | 0.86 | 0.21 |
| 30 | 0.10 | 0.44 | 95.7 | 26.95 | 2.59 | 1.00 | 0.22 |
| 30 | 0.10 | 0.44 | 95.1 | 26.72 | 3.07 | 1.21 | 0.20 |
| 35 | 0.064 | 0.22 | 96.1 | 26.41 | 2.63 | 0.87 | 0.21 |
| 35 | 0.064 | 0.22 | 96.4 | 26.42 | 2.64 | 0.79 | 0.20 |
实施例7
以5重量％的固定过氧化物浓度进行一系列偶联反应，以确定温度对选择性的影响。该程序如下所示：向500ml偶合器中加入130.02g再循环碱(24.4重量％TMAH)并煮掉28ml水。加入145.28g苯胺并连同苯胺一起另外除去16ml水(总共44ml水)。将36.93g硝基苯与5重量％过氧化物水溶液并流地以H2O2/NB摩尔比为0.08都在液面下进料，同时煮出苯胺和水。在表7中列出的温度下并且在65乇的恒压下在100-110分钟内完成共进料。保持30分钟，同时煮出苯胺和水，然后用20ml水冷却。
表7中的结果表明了迈森海默配合物的形成速率和分子内部氧化对使用过氧化物的选择性的影响。当温度上升时，选择性在约80℃下达到最高。在较低温度下，相对于过氧化物添加的速率，迈森海默形成的速率太低，以致因过氧化物导致的苯胺氧化成偶氮苯的氧化作用增加。在较高温度下，迈森海默分子内部氧化成p-NDPA的较高速率降低了与过氧化物的反应可利用的迈森海默量，由此再次增加了过氧化物导致的苯胺氧化成偶氮苯的氧化作用。并且，在70℃下的选择性比不使用过氧化物在其它可比的反应条件下得到的选择性高。因此，该实施例的有效范围可延至约65℃。
因此，80℃是明显的最佳温度，但这取决于反应程序。改变迈森海默形成速率的任何程序变化，例如改变水除去的速率，将会影响使用过氧化物的选择性。这样可以使最佳选择性出现在不同温度。并且，可通过简单调节H2O2/NB摩尔比以匹配迈森海默的形成速率或分子内部氧化速率，在较低和较高温度下增加选择性。因此对于H2O2/NB摩尔比为0.08的这种特定反应程序，选择性在80℃下最高。然而，最佳温度将随着其它变量，例如反应器中的水含量和H2O2/NB摩尔比的改变而变化。并且，不同温度将需要不同H2O2/NB摩尔比以实现最佳选择性。因此，在其它实施例中得到的有效范围并不是绝对的。
| 表7：使用过氧化物时的反应温度的影响 | |||||||
| 温度(℃) | 转化率(％) | 选择性(％) | 批料产品组成(重量％) | ||||
| p-NDPA | 4-NDPA | t-Azo | Phen | 其它 | |||
| 70 | 73.4 | 94.2 | 16.93 | 1.64 | 0.94 | 0.11 | 0.13 |
| 75 | 93.8 | 96.6 | 24.60 | 1.78 | 0.67 | 0.18 | 0.22 |
| 80 | 97.4 | 97.0 | 26.35 | 1.94 | 0.61 | 0.18 | 0.29 |
| 85 | 99.8 | 95.8 | 26.68 | 2.80 | 0.92 | 0.27 | 0.27 |
| 90 | 100.0 | 89.8 | 25.11 | 4.16 | 2.74 | 0.27 | 0.67 |
实施例8
以固定过氧化物浓度进行两组偶联反应，以确定将增加反应选择性的有效摩尔比范围。用于5重量％过氧化物的程序与实施例3基本上相同。对于在80℃和65乇下的反应，将过氧化物和硝基苯在105-110分钟内进料，并反应持续20分钟。用于30重量％过氧化物的程序与实施例5相似。
图1和表8表明，对于5重量％过氧化物的有效范围约为H2O2/NB＝0.01-0.20，并且更优选的范围约为H2O2/NB＝0.03-0.16，最优选的范围约为H2O2/NB＝0.06-0.12。在该程序中使用5重量％过氧化物的最佳摩尔比为H2O2/NB＝0.07-0.09，其与由硝基苯制成的4-NDPA的摩尔百分数基本相同。所以过氧化物以高选择性反应制备4-NDPA，同时偶氮苯的形成最少。这是令人惊奇的结果，因为可用于被氧化成偶氮苯的苯胺大量摩尔过量。
对于30重量％过氧化物的有效摩尔比范围约为0.01-0.25。最佳范围不能由数据得出，然而其看来似乎为0.06-0.21，其比使用5重量％过氧化物更高。更优选的范围看来似乎为0.08-0.17。所以过氧化物的有效摩尔比范围、优选范围和最优范围可随着某些工艺参数，例如过氧化物浓度、再循环料流中的杂质水平、反应温度、水除去速率和硝基苯进料速率的变化而改变。因此这些范围对于过氧化物并不是绝对的，而只是代表性的。可以设想，使用再循环碱的有效范围可延伸到H2O2/NB＝0.01-0.4，也许甚至更宽。
| 表8：使用再循环碱时过氧化物摩尔进料的最优化 | |||||||
| H2O2重量％ | H2O2/NB摩尔比 | 转化率(％) | 选择性(％) | 批料产品组成(重量％) | |||
| p-NDPA | 4-NDPA | t-Azo | Phen | ||||
| 5 | 0.00 | 100.0 | 91.7 | 23.78 | 2.76 | 1.84 | 0.35 |
| 0.04 | 99.2 | 93.7 | 24.16 | 2.39 | 1.31 | 0.33 | |
| 0.06 | 98.9 | 96.0 | 25.14 | 2.36 | 0.75 | 0.29 | |
| 0.07 | 98.0 | 96.9 | 25.22 | 1.95 | 0.55 | 0.24 | |
| 0.08 | 98.3 | 96.9 | 25.66 | 2.04 | 0.57 | 0.23 | |
| 0.09 | 97.6 | 96.9 | 25.46 | 1.94 | 0.59 | 0.20 | |
| 0.10 | 97.6 | 96.7 | 25.80 | 1.97 | 0.68 | 0.19 | |
| 0.12 | 98.3 | 96.0 | 26.02 | 2.15 | 0.91 | 0.17 | |
| 0.16 | 97.5 | 93.9 | 25.05 | 2.11 | 1.42 | 0.20 | |
| 0.20 | 97.0 | 92.2 | 25.19 | 2.27 | 1.97 | 0.16 | |
| 30 | 0.00 | ～99.0 | 91.5 | 25.36 | 2.30 | 2.01 | 0.32 |
| 0.05 | ～98.5 | 92.1 | 26.00 | 3.08 | 2.04 | 0.23 | |
| 0.10 | ～96.5 | 95.7 | 26.95 | 2.59 | 1.00 | 0.22 | |
| 0.10 | ～97.0 | 95.1 | 26.72 | 3.07 | 1.21 | 0.20 | |
| 0.20 | ～94.5 | 92.7 | 25.94 | 3.04 | 1.92 | 0.16 |
实施例9
对于使用过氧化物的新鲜碱进行优化研究，以确定碱质量的影响。对于5重量％和20重量％过氧化物，该程序与实施例3相似，加入126.89g浓度为25重量％的碱，对于35重量％过氧化物，该程序与实施例10相似。如图2和表9所示，与再循环碱相比，新鲜碱得到了更平坦和更宽的优化曲线。并且，最佳摩尔比和有效范围随着浓度的变化而改变，最大选择性比再循环碱的最大选择性低，并且在经过最初最佳状态后选择性增加。这种上升是由于当摩尔比增加时水加入量更高，其在使用35重量％过氧化物时并不发生，因为其中加入了最少量的水。选择性上升是由于水抑制了迈森海默被硝基苯的氧化，由此更容易被过氧化物氧化。结果表明：在实施例8和9使用的条件下，使用再循环碱，过氧化物更加有效。并且，再循环碱中的盐必定缓和水的影响，因为由于有盐选择性不会上升。尽管如此，使用新鲜碱的选择性增加是明显的。35重量％过氧化物的有效范围约为0.01-0.33，并且如果水用20重量％过氧化物更快地除去，有效范围的曲线轨迹约为0.01-0.46。由于在工业化制备过程中硝基苯的进料速率可充分延长至110分钟以上，该有效范围可充分延到0.01-0.5，或甚至更宽。如上所述，增加硝基苯进料速率得到具有新鲜碱的更湿的批料，其增加了选择性并应得到更陡的优化曲线。因此，有效范围将随着硝基苯进料速率和水除去速率的变化而改变，然而，约0.01-0.6的有效范围应当包括所有的可能性。使用新鲜碱的结果还适用于已经通过电解回收，例如通过WO2002034372中所述的方法回收或任何其它方法回收的再循环碱。
| 表9：使用新鲜碱时过氧化物摩尔进料的最优化 | |||||||||
| 过氧化物浓度 | H2O2/NB摩尔比 | 转化率(％) | 选择性(％) | 批料产品组成(重量％) | |||||
| An | NB | 4-NO | 4-N | t-Azo | Phen | ||||
| 5重量％ | 0.00 | 100.0 | 91.6 | 44.7 | 0.00 | 25.1 | 2.10 | 1.85 | 0.42 |
| 0.04 | 100.0 | 93.4 | 43.2 | 0.01 | 26.6 | 2.08 | 1.45 | 0.41 | |
| 0.08 | 100.0 | 94.2 | 41.4 | 0.00 | 26.7 | 1.92 | 1.27 | 0.35 | |
| 0.12 | 100.0 | 94.3 | 41.8 | 0.00 | 27.0 | 2.11 | 1.24 | 0.36 | |
| 0.16 | 100.0 | 94.4 | 39.7 | 0.00 | 27.6 | 2.37 | 1.28 | 0.35 | |
| 0.20 | 100.0 | 95.2 | 38.3 | 0.00 | 28.4 | 2.29 | 1.21 | 0.20 | |
| 0.30 | 99.9 | 96.2 | 37.6 | 0.00 | 27.1 | 2.63 | 0.88 | 0.19 | |
| 20重量％ | 0.00 | 100.0 | 92.2 | 46.8 | 0.00 | 25.4 | 1.88 | 1.69 | 0.40 |
| 0.10 | 100.0 | 95.1 | 45.7 | 0.00 | 25.6 | 2.10 | 0.94 | 0.36 | |
| 0.15 | 100.0 | 95.9 | 45.6 | 0.00 | 26.6 | 2.20 | 0.85 | 0.28 | |
| 0.20 | 99.9 | 96.0 | 44.2 | 0.02 | 27.0 | 2.13 | 0.84 | 0.27 | |
| 0.25 | 100.0 | 95.6 | 42.6 | 0.00 | 27.5 | 2.55 | 1.05 | 0.22 | |
| 0.30 | 100.0 | 95.0 | 43.2 | 0.00 | 27.1 | 2.62 | 1.20 | 0.22 | |
| 0.40 | 98.9 | 95.2 | 43.0 | 0.20 | 26.1 | 2.56 | 1.11 | 0.20 | |
| 35重量％ | 0.00 | 100.0 | 92.8 | 46.7 | 0.00 | 25.5 | 1.73 | 1.55 | 0.38 |
| 0.00 | 100.0 | 92.7 | 46.5 | 0.00 | 25.4 | 1.95 | 1.56 | 0.41 | |
| 0.10 | 100.0 | 94.8 | 45.6 | 0.00 | 25.8 | 2.02 | 1.05 | 0.35 | |
| 0.15 | 100.0 | 95.3 | 45.4 | 0.00 | 26.6 | 1.95 | 1.00 | 0.28 | |
| 0.20 | 99.9 | 95.0 | 44.9 | 0.02 | 26.4 | 2.07 | 1.11 | 0.26 | |
| 0.30 | 100.0 | 93.4 | 43.9 | 0.00 | 26.4 | 2.43 | 1.63 | 0.23 | |
| 0.40 | 99.6 | 92.4 | 43.2 | 0.08 | 26.0 | 2.56 | 1.95 | 0.20 | |
| 0.50 | 98.8 | 91.4 | 41.8 | 0.21 | 25.8 | 2.67 | 1.28 | 0.17 | |
实施例10
该实施例进一步说明了硝基苯进料时间和碱质量对选择性的影响。该程序与实施例3相似，但不使用新鲜碱，而是使用87.36g预先浓缩的碱(36重量％)，并且在加入苯胺后仅仅除去18ml水。所有批料具有H2O2/NB＝0.01的摩尔比。表10中的结果表明，当不使用过氧化物时，使用新鲜碱比使用再循环碱得到更高的选择性，而与硝基苯进料时间无关。然而，当使用过氧化物时，情况差别很大。当使用过氧化物时，对于较长的硝基苯进料时间，使用再循环碱比使用新鲜碱碱得到更高的选择性；然而对于较短的硝基苯进料时间，使用新鲜碱与使用再循环碱得到的选择性相当。
这种结果可通过硝基苯进料时间和碱质量对批料中水含量的影响而得到部分解释。例如，溶于再循环碱中的盐提高了沸点，所以在恒定反应温度和压力下，再循环碱批料将比新鲜碱批料更加湿润。然而，当通过滴定测定时，新鲜碱具有比再循环碱更高的TMAH浓度。再循环碱中含有TMA2CO3作为最大量的杂质，并且TMA2CO3的第一等份作为TMAH滴定。例如，具有10重量％TMA2CO3的25重量％再循环碱实际上仅仅含有20.6重量％的TMAH。由于在偶联反应中TMA2CO3是比TMAH效率更低的碱，新鲜碱产生更好的反应性。不使用过氧化物时，更高的反应性解释了尽管条件更干燥，但是，不同使用新鲜碱使选择性更高。所以使用过氧化物时，与再循环碱的高选择性相等是令人惊奇的，这尤其是因为通过滴定，再循环碱的实际用量仅仅为24.4重量％。过氧化物能够克服由于低TMAH浓度和溶于再循环碱中的盐引起的低效率。
| 表10：在不同碱质量下过氧化物的影响 | |||||
| 压力，乇 | 95 | 65-70 | 65 | 65-70 | 65-70 |
| NB进料时间目标(分钟) | 75-80 | 75-80 | 105-110 | 75-80 | 110-130 |
| 过氧化物(5重量％) | 有 | 有 | 有 | 无 | 无 |
| 碱质量 | 选择性(％) | ||||
| 再循环碱 | 96.1 | 96.4 | 96.5 | 92.8 | 89.8 |
| 新鲜碱 | 96.4 | 97.2 | 94.2* | 94.0 | 91.8 |
| *表9中0.08和0.12摩尔比的平均值；用25重量％TMAH开始 | |||||
实施例11
在美国专利5,117,603(引用于此作为参考)和相关专利中已经报道，在偶联反应期间存在的水量对(p-NDPA+4-NDPA)/(2-NDPA+吩嗪)的摩尔比有深远的影响。实施例4中的数据表明，与过氧化物一起加入的水对形成吩嗪的量具有较小的影响(根本没有观察到形成了2-NDPA)。这在图3和图4中进一步说明。图3中的数据(得自实施例6)表明，尽管与过氧化物一起加入的水量减少至1/16，当过氧化物浓度增加至7倍时，吩嗪的浓度仅仅略微增加。图4中的数据(得自实施例8)表明，当H2O2/NB摩尔比增加时，吩嗪的浓度显著降低。然而，尽管与30重量％过氧化物相比，与5重量％过氧化物一起加入了8倍水量，吩嗪的浓度基本上与过氧化物浓度无关。由于在恒定过氧化物加入时水的加入没有影响，这表明过氧化物的加入具有比水加入更大的影响。这是过氧化物改进偶联反应体系以最小化程度减少副反应的又一证据。
实施例12
该实施例表明过氧化物的部分进料可增加过氧化物的效率。设备与实施例2相同，并且基本程序相似。加入432.85g浓度为24.4重量％的再循环碱，在150rpm下开始搅拌并在65乇下煮掉92毫升水。加入301.50g苯胺，并在65乇下煮掉水和苯胺，同时继续加入苯胺。当已经除去164毫升水和苯胺时，开始根据表11中列出的时间进料123.11克硝基苯，同时继续加入苯胺，并同时除去水和苯胺。在干燥和反应期间加入的苯胺总共为180.90克。过氧化物水溶液与硝基苯并流地根据表11中列出的时间进料。反应条件为80℃和65乇。硝基苯进料结束后，保持在60乇下达30分钟，然后用50毫升水冷却。
表11中的试验1和2表明，当过氧化物仅仅在部分硝基苯进料时间内进料时，可得到稍微更高的选择性。这一点的好处在于，或可以增加选择性，或对于相同的选择性减少过氧化物加入量(由此降低成本)。例如，试验3和4表明，对于使用部分进料，当过氧化物加入量减少25％时，选择性降低很少(0.37％)。
| 表11：全部和部分过氧化物进料的比较 | ||||
| 实验编号 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| H2O2进料分布 | 全部 | 部分 | 部分 | 全部 |
| H2O2进料，NB进料时间的百分数 | 99 | 61 | 78 | 100 |
| H2O2浓度，重量％ | 15.0 | 15.0 | 22.5 | 22.5* |
| H2O2/NB摩尔比，全部 | 0.04 | 0.04 | 0.06 | 0.08 |
| H2O2/NB摩尔比，进料期间 | 0.04 | 0.066 | 0.077 | 0.08 |
| NB进料时间，分钟 | 107 | 109 | 110 | 107 |
| H2O2进料开始，分钟 | 0 | 21 | 11 | 0 |
| H2O2进料结束，分钟 | 106 | 87 | 97 | 107 |
| 转化率，％ | 99.12 | 98.71 | 97.80 | 97.55 |
| 选择性，％ | 94.12 | 94.74 | 96.33 | 96.70 |
| *对于15％和30％过氧化氢实际上相同结果的平均值；这与实施例5一致，这表明20-30％过氧物的平坦结果。 | ||||
实施例13
该实施例比较了使用过氧化物部分进料时破质量的影响。设备与实施例2相同，并且基本程序相似。主要区别在于：过氧化物进料的开始延迟大约5分钟，并且比硝基苯进料提前大约10分钟结束，过氧化物总共进料105分钟。过氧化物以24.3重量％的水溶液以H2O2/NB摩尔比＝0.064加入。表12中的结果表明，在试验条件下，工厂再循环碱、新鲜碱和通过电解从工厂再循环碱回收的碱得到相同的结果。这表明，回收碱适于与过氧化物一起使用，其或者单独使用或者与再循环碱和/或新鲜碱组合使用。这也进一步证明，使用过氧化物胜过使用新鲜碱而不使用过氧化物的优点。
| 表12：碱类型的比较 | ||
| 碱类型 | 碱分析(重量％) | 选择性(％) |
| 工厂再循环碱 | 24.4 | 96.04 |
| 新鲜碱 | 25.0 | 96.20 |
| 电解再循环碱 | 20.2 | 96.16 |
实施例14
该实施例说明过氧化物与迈森海默配合物的良好接触对最佳选择性来说是不可或缺的。表13比较了在试验室中多输送20μL过氧化物时，经由蠕动泵与经由活塞泵进料过氧化物的不同。该程序与实施例2中的程序类似，不同之处在于对于低摩尔比试验，过氧化物进料比硝基苯晚开始5分钟，并且比硝基苯进料早结束10分钟。表13中的数据表明，蠕动泵产生不稳定的并且比活塞泵低的选择性。实施例12表明，具有部分和全部进料的两种摩尔比的比较是有效的。活塞泵的小容量输入保证了过氧化物快速分散，以与迈森海默密切接触。从蠕动泵输入的较大液滴的过氧化物产生更差的分散，这降低了过氧化物相互作用的效率，由此导致较低的选择性。良好的分散在较高过氧化物浓度下时尤其重要，这是由于局部存在相对于反应物质更高摩尔比的过氧化物(在一滴过氧化物中)。这支持了需要在最高迈森海默浓度的点处引入过氧化物。
| 表13：过氧艺物用泵对分散性的影响 | ||||
| H2O2用泵 | 试验编号 | H2O2浓度(重量％) | H2O2/NB摩尔比 | 选择性(％) |
| 蠕动泵 | 1 | 24.3 | 0.064 | 96.05 |
| 活塞泵 | 2 | 24.3 | 0.064 | 95.82-96.09 |
| 蠕动泵 | 3 | 35.0 | 0.10 | 93.61-94.36 |
| 活塞泵 | 2 | 35.0 | 0.064 | 96.07-96.39 |
实施例15
该实施例表明50重量％过氧化氢水溶液对于在有机强碱的存在下苯胺与硝基苯偶联反应的适用性。除使用50重量％过氧化氢水溶液外，进行实施例13中的程序。鉴于加入少量的物质(4.35g)，通过手动控制蠕动泵，将过氧化物溶液小心地从液面下进料到反应器中，以尽可能得到平稳加料。得到95.56％的选择性，其仅仅比使用较低过氧化物浓度的选择性略微低一点。实施例14中的结果表明，如果小型活塞泵已经可用于该试验中，50重量％过氧化物很可能得到与较低过氧化物浓度相同的选择性。在所有情况下的结论为，50重量％为过氧化氢合适的浓度。
对比例1
该实施例表明，对于在有机强碱存在下苯胺与硝基苯的偶联反应，过氧化氢是比空气更优越的氧化剂。可通过类似于实施例1中的程序制备若干偶合批料，其中多种流量的空气用作氧化剂。表14中的数据表明，空气并不适于用作氧化剂，这是由于要显著增加选择性所需的流速将使通常的工厂冷凝器过载。并且，在条件范围内使用空气得到的最高选择性远远低于使用过氧化物得到的选择性。
| 表14：空气对选择性的影响 | |||
| 空气流量，基于1升规模实验室批料内的700克总质量 | 选择性(％) | ||
| 空气进料 | 实验室流速 (ml/分钟) | 工厂当量 (Nm3/h) | |
| 无空气(3批料) | 0.0 | 0.0 | 93.0-93.1 |
| 液面下 | 2.6 | 20 | 93.1 |
| 液面下 | 14.2 | 110 | 93.5 |
| 液上空间 | 14.2 | 110 | 93.9 |
| 液面下 | 58.4 | 450 | 94.0 |
| 典型的冷凝器设计流速 | 18 | ||
对比例2
该实施例通过下列程序研究了使用无机强碱和相转移催化剂(PTC)时过氧化物的影响。将苯胺(99％，22.58克，240mmol)、硝基苯(99％，4.97克，40mmol)、过氧化氢(50重量％，下图5中列出的摩尔量)、水(加入水使总水量保持在2.16克)、氢氧化钾(86％研磨粉末，7.83克，120mmol)和氯化四甲基铵(97％，4.52克，40mmol)加入到装有磁力搅拌器的50毫升圆底烧瓶中。在加入KOH和TMACl之前，将过氧化物加入到反应混合物中。然后将烧瓶快速塞好，并使反应在60℃下进行1小时。在此实施例中，以反应副产物得到了氧化偶氮苯和2-NDPA，而使用TMAH时没有得到这些副产物。因此在计算选择性时，这些副产物将包括在内。
图5表明，使用无机强碱和相转移催化剂时，当过氧化物/NB的摩尔比从0增加到1时，选择性持续增加。然而当使用有机强碱，亦即TMAH时，不管对于新鲜碱还是再循环碱都存在最佳摩尔比。出乎意料的是，使用有机强碱存在最佳摩尔比，然而使用无机强碱和将在原位生成相同有机强碱的PTC时不存在最佳摩尔比。并且，无机体系得到1.1％-2.4％的2-NDPA+氧化偶氮苯，然而使用TMAH时没有形成2-NDPA+氧化偶氮苯。此外令人惊讶的是，使用无机强碱形成了这些副产物，而使用有机强碱时没有形成。
Claims (10)
1.一种制备4-氨基二苯胺的方法，包括以下步骤：
a)使苯胺或其衍生物与硝基苯在限定区域中在包含碱和含有过氧化氢的氧化剂的混合物的存在下反应，其中过氧化氢的量相对于每摩尔硝基苯为约0.01-约0.60摩尔，从而得到至少一种4-氨基二苯胺的中间体；
b)将所述中间体还原成4-氨基二苯胺；以及
c)将4-氨基二苯胺任选还原烷基化成4-氨基二苯胺的烷基化衍生物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将碱从步骤b)的产物中分离，并单独或与新鲜碱一起再循环到步骤a)中。
3.根据权利要求1所述的方法，其中碱为季铵盐，其从步骤b)的产物中分离，并纯化以除去在该步骤中形成的至少部分季铵盐杂质，然后将纯化的季铵盐以单独的碱，或与未纯化的再循环碱和/或补充量的新鲜碱组合后再循环到步骤a)中以用于所述方法。
4.一种制备4-氨基二苯胺的中间体的方法，包括以下步骤：使苯胺或其衍生物与硝基苯在限定区域中在包含碱和含有过氧化氢的氧化剂的混合物的存在下反应，其中过氧化氢的量相对于每摩尔硝基苯为约0.01-约0.60摩尔。
5.根据权利要求4所述的方法，其中权利要求2中的再循环碱以单独的碱使用，或与补充量的新鲜碱组合使用，或者其中权利要求3中的再循环碱以单独的碱使用，或与未纯化的再循环碱和/或补充量的新鲜碱组合使用。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中碱为选自下组的季铵盐：四甲铵、四丁铵、甲基三丁基铵、苄基三甲铵、三辛基甲基铵、十六烷基三甲铵和胆碱中至少一种的氢氧化物、醇盐、乙酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐、氰化物、酚盐、磷酸盐、磷酸氢盐、次氯酸盐、硼酸盐、硼酸氢盐、硼酸二氢盐、硫化物、硅酸盐、硅酸氢盐、硅酸二氢盐或硅酸三氢盐。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中过氧化氢以含有3重量％-50重量％，优选3重量％-7重量％过氧化氢的水溶液并且过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为0.01-0.5摩尔的量提供，以含有15重量％-25重量％过氧化氢的水溶液并且过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为0.01-0.45摩尔的量提供，或以含有25重量％-40重量％过氧化氢的水溶液并且过氧化氢以相对于每摩尔硝基苯为0.01-0.35摩尔的量提供。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中反应温度为20℃-125℃，优选65℃-95℃。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其中氧化剂向限定区域中的引入在硝基苯引入限定区域中开始之后开始，和/或氧化剂的引入在硝基苯引入结束之前完成。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的方法，其中氧化剂进入限定区域中的进入点为硝基苯进入点，或在硝基苯进入点附近。
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