CN88102535A - 改进制备4-氨基苯酚的氢化方法 - Google Patents

Abstract

在高温，中压下，加入含水硫酸，表面活性剂和催化剂构成反应区间，通过用氢还原硝基苯生产4-氨基苯酚的方法，本发明的改进措施包括使用载于炭上的铂催化剂；利用一种不完全充满反应物的，因而有蒸气空间和下部的液相区两者共存的反应区，并将氢气导入所说反应区的蒸气空间部分；用置于液深的40～60％的叶轮剧烈搅拌混合物达到工作指数为0.2或更高[工作指数用每升反应体积每分钟生成的4-氨基苯酚的克数来表示]。

Description

本发明涉及由硝基苯制备4-氨基苯酚（对氨基苯酚;PAP）的方法，即，将硝基苯催化氢化生成苯胲，然后不分离中间体产物，随之重排形成对氨基苯酚，更准确地说，本发明通过改进氢化反应的选择性和速率从而提高反应效率。

本发明包括对从硝基苯制备4-氨基苯酚（对氨基苯酚;PAP）的已知方法所作出的改进，使成本的效率更高。4-氨基苯酚是用作制备乙酰氨基苯酚（APAP，对乙酰氨基苯酚，N-乙酰基对氨基苯酚，4-乙酰氨基酚，N-（4-羟苯基）乙酰胺）的中间体，因此，凡是降低成本的工艺改革在工业上都有重大的意义。

更详细地说，本发明利用了斯比哥勒（Spiegler）的美国专利2，765，342，和苯纳（Benner）的美国专利3，383，416所述的方法类型（该两份专利在本文中引为参考文献）。

根据美国专利（如：美国专利2，198，249，2，765，342）的内容，上述苯纳的专利首先讨论了由硝基苯经催化氢化生产对氨基苯酚的早期公知技术，继之公开了生产对氨基苯酚的方法，该方法包括在下列反应条件下用氢还原硝基苯，即，在约5-20%（重量）硫酸水溶液和选自铂，钯及其混合物的含金属催化剂存在下，于约60-120℃进行还原。就该方法而言，在反应完成前，即令中止硝基苯的还原，所得到的反应产物含有大量的未反应的硝基苯，因此，就形成了与水不混溶的硝基苯层，其中含有悬浮催化剂，而在分离水层中含有对氨基苯酚，这样就需要从含催化剂的硝基苯层中分离水层。

前述苯纳的专利详细给出了可采用的，并且是优选的反应物，设备，反应条件，如：催化剂，反应温度，反应压力，反应混合物所需要的搅拌，湿润剂等等，这对于在合理的还原（氢化）时间内得到合理量的对氨基苯酚是必不可少的。

既然苯纳的指定专利的实例是分批操作法，这就需要讨论在连续过程中如何操作了。本发明的方法既可分批操作也可连续操作。

前述的美国专利4，176，136描述制备对氨基苯酚的方法，该方法以苯胺为副产物，是在含有十二烷基二甲基胺硫酸盐的酸性反应介质中通过硝基苯催化氢化制得。

用苯纳的专利得到的对氨基苯酚是粗对氨基苯酚，美国专利4，137，562和3，694，500所描述的方法是用来提纯用于制造APAP（乙酰氨基苯酚）的粗对氨基苯酚。

现已发现，有关制造4-氨基苯酚的前述美国专利苯纳3，383，416所述方法，其氢化速度更快，因此，其工作指数可大大提高至0.2或更高，而先有技术则为约0.1或更低。所谓工作指数是以每升反应体积每分钟产生4-氨基苯酚的克数（g    PAP）来表示。该高工作指数使产量提高，因此减少了投资，最终降低了生产成本。随着比率的增大，选择性不会减小，而且实际上还增大，即产物与副产物之比率增大（与斯比哥勒的美国专利2，765，342相对照）。在本发明最佳的实例中，通过用过氧化氢溶液对硫酸水溶液进行预处理，防止催化剂中毒，从而氢化速率增大。然后，将氢通入反应器的蒸气空间，并在输入功率不小于每加仑0.01马力，使用涡轮叶轮，剧列搅拌化合物，而该叶轮置于从叶轮中间起液体深度的40-60%处。因为在不改变最佳产物与副产物的比例下可以得到高的工作指数，因此，可以认为使用过氧化氢预处理过的硫酸，搅拌器的设计以及反应条件对于此类PAP制造方法来说是新颖的。

就实施本发明所说方法而言，即通过将硝基苯催化氢化，继之由所得苯胲经Bamberger重排来制备4-氨基苯酚，其中所用作起始材料的硫酸和硝基本两者必须不含催化毒物。

但是，即使使用优质的工业级硫酸，例如：使用杜邦公司电解级（低铁）93%的硫酸，都会引起催化剂完全减活化。并且即使鼓入过量的氮气，反应速率仍然为零。用巴可尔（Baker）化学公司分析纯试剂级硫酸，对不同批次的观察结果表明：其中在不同程度上也出现上述现象者占96%。

已经发现，若硫酸在使用之前用过氧化氢进行处理，即使使用上述的工业酸（杜邦公司电解级产品）都可得到极好的结果。这种排除硫酸中催化毒物的方法如下：将少量过氧化氢溶液（我们用30%的溶液，也可用其它浓度），例如：1.0%（重量）左右，加入到硫酸中，然后进行搅拌，搅拌持续的时间要足够长，以除去催化毒物，也就是说，直到不再产生气泡为止，而硫酸的颜色应该变成水般澄清。过氧化氢的用量和浓度并不严格，可以按需要变化。完全排除二氧化碳或排除其它潜在的催化毒物所需的精确处理时间是随所用的硫酸的级别而变化的。随着过氧化氢的消耗会有氧气放出，一般需要2～4小时才能停止排气，此时，酸的黄色会减淡至水般澄清液，这样的硫酸就可用于本发明的方法。

在本发明的方法中，使用不含有噻吩和其它含硫化合物的优质工业级硝基苯可得到极好的结果。

有效的表面活性剂对完成反应也是极其重要的。斯比哥勒和苯纳的专利都列出了各种润湿剂，如：可以使用季铵化合物。美国专利4，176，138中推荐使用作用良好的十二烷基二甲基胺硫酸盐。在本发明的方法中，Lonza    Barquat    CME-35%（N-十六烷基-N-乙基-吗啉乙氧硫酸盐）和WiTCO    Emcol    CC-55（多丙氧基季铵乙酸盐）都已试用，效果良好。

对于本发明来说，适用的催化剂是载于炭上的铂催化剂。我们使用载于炭上5%的铂干充填催化剂，实例所用的载体是从Engelhar工业公司买来的CP-86产品，其表面积是每克850平方米，筛孔尺寸是90%的粒子小于25微米、10%的粒子小于5微米，平均粒径为10微米，这种催化剂的作用良好。

使用上述试剂，典型的实施方法如下面实例1所述。实例1反应所用的装置如图1所示。

图1是反应器1的简图，实施本发明氢化（还原）方法用的搅拌器。反应器1是一个5升的三颈四折流板圆底烧瓶（即莫顿（Morton）烧瓶），瓶上装有加热夹套2、顶部机械搅拌电动机3。其中搅拌电动机是由控制器3A控制，控制器还可读出转速和转矩的值。搅拌电动机3驱动搅拌器4，搅拌器4下端有弧形的叶轮5。三颈烧瓶的其中之一颈是原料气（即氢气或氮气）的进口管6。

该烧瓶的另一颈装有温度计7和通向出气口和水塔的冷凝器8。四块折流板10（有一块没标出）以等间距分布在莫顿烧瓶四周，使搅拌反应物时得到更大的搅拌力而加速反应物的混合。

叶轮5的位置是均衡在其中点11。该烧瓶有液相区12和蒸气空间13。在图1中，H是液体的深度，D是叶轮的内径，W是叶轮宽度，Z是叶轮长度。

实例1

将一个5升三颈四折流板的圆底烧瓶（氢化器）装上加热夹套，顶部机械搅拌电动机〔搅拌电动机由控制器控制，控制器有速度和转矩的显示和控制装置〕驱动弧形的叶轮（图1），并且在最初温度为20℃～23℃之间，将1700毫升去离子水装入用来向蒸气空间通气的导管。接着，在适度的搅拌下加入217克过氧化氢处理过的93%的硫酸（制法如前所述）。加酸产生相当强烈的放热现象，从而使溶液的温度升高到36℃～38℃之间。这对达到反应要求温度为94℃的开始加热的系统是有利的。利用酸的溶解使这一温度上升可收到节约时间降低能耗的效果。用固定在80伏的自耦度压器以适当的速率进行加热。随之，加入271克硝基苯，以便进行连续操作的初始运转。加入硝基苯通常会使系统的温度降低1℃左右。对于使用循环催化剂的连续操作，有40～50克硝基苯与催化剂同时被循环使得易于操作，因此，新的硝基苯的加入量将相应地减少。加入2.25毫升十二烷基二甲基胺或其它表面活性剂，然后将系统封闭。此时以100毫升/分钟的氮气流进行吹洗，将氧气和任何微量挥发性的催化毒物从该系统排走，在出气鼓泡器中用12英寸的水柱使系统维持在稳定的正压下。此正压值相当于比大气压高26mmHg左右。

将搅拌速度增加到700转/分或更高，并用氮气连续吹洗。极其剧烈的搅拌是非常重要的。输入功率从转矩和转速的读数可以算出。调节速度使输入功率合乎要求，所要求的输入功率是每加仑0.01马力或以上。对5英寸的叶轮，转速为700转/分时输入功率为0.0225（见表1）。搅拌器的长度是一个关键的参数。对给定的输入功率，最大的气液界面面积通常在搅拌器深度等于液体深度的一半的地方发生。就实用而言，反应速率是与输入功率和搅拌器的位置成正比，初始氮气吹洗要维持足够的时间，如10分钟，以驱除反应器中的氧气，然后通过氮气气流加入1.40克载于炭上的5%铂干充填催化剂。该氮气气流经过25毫升去离子水清洗。重新封闭该系统，并且用100毫升/分钟的氮气再连续吹洗10分钟。以确保在该系统中无氧存在。将试剂加入系统期间，必须认真监测温度，保证温度不超过90℃，必要时调节加热自耦变压器，使温度保持在此温度之下，

完成氮气吹洗后，开始通入氢气。最初时要求流速达到500毫升/分钟，并且气源必须在满足这一流速的同时，在任何时候都能够使系统维持正压。如果系统产生部分真空并将空气吸入反应器，就会导致严重的爆炸。氢化反应是放热反应，反应开始时放出的热量会使系统的温度升高4℃左右即为温和放热反应。反应可以达到的转化率为75～85%〔用氢的消耗量来表示〕。未反应的硝基苯足使催化剂保持润湿。〔在先有技术中，苯纳的美国专利3，383，416或美国专利4，176，138此步需要5～7小时，而本发明2～3小时即可〕。

为终止氢化反应，最后要进行氮气吹洗。为了维持系统在正压状态，开始时需用高达500毫升/分钟的氮气进行吹洗，随后逐渐减到100毫升/分钟，并停止搅拌。需要使温度保持在85℃左右时可增大自耦变压器的置数。在氮气条件下将水溶液层（含粗4-氨基苯酚）泵到3升的带底阀的夹套烧瓶滗析器中。反应器的夹套固定在80℃的循环浴中。因为反应混合物暴露在空气后会立即变色，所以整个操作过程都要在氮气条件下进行。

〔下述的提纯方法是新颖的，并且是与同日申请的相关专利申请案（代理人办案编号为NOR2）的主题，为了更好地理解本发明的方法，也将该申请内容包括在本文中。〕

用氨将水层的pH值调到4.6～4.8。一般大约需要80毫升（54克）。然后用300毫升（260.1克）甲苯进行4～7次萃取，除去已溶解的杂质，例如：苯胺、硝基苯和氧化双苯胺（ODA）。由于萃取时杂质被萃取入有机层，pH值有下降的趋势，为此，在萃取操作的同时必须调节pH值。萃取过程完成以后，加入28.6克Anderson    AX-21的活性炭。此原料的湿度为65%（用水表示）（这是为了改善处理特性），使用的活性炭净重为10.0克。为了脱色，还要加入5.0克连二亚硫酸钠。通过过滤除去活性炭，过滤使用12.5厘米级的布氏漏斗和＃3华特曼（WhATMAN）滤纸。将炭饼用一等分为100克的热的去离子水冲洗两次，然后弃去。滤液和清洗水送回烧瓶。氮气重新通入到反应混合物后，用液氨将pH值调到7.2。一般约需30毫升（20.2克）。用1.5～2小时以上的时间使系统逐渐冷却到0℃，然后pH值维持在7.2，放置1小时。

用真空过滤分离4-氨基苯酚，用一等分为200克的冷的1%的连二亚硫酸钠溶液冲洗两次，并在玻璃器上抽干数分钟。此时可以将该物料乙酰化来制造APAP，或在50℃下进行真空干燥过夜。干燥的4-氨基苯酚呈白色，称重为139克。用HPLC方法分析时，4-氨基苯酚的纯度大于99%。这就表明：用已反应的硝基苯为基准时，分离率为68%。含有催化剂的未反应的硝基苯可以循环使用。

实例2-4

用实例1说明的一般方法进行多次实验，但改变其中之一个或多个反应条件，如以下表1所示，叶轮设计和功率计算所得的结果如表所示。

表1    叶轮设计和功率计算

反应器    简写    单位    实例2    实例3    实例4

叶轮尺寸    英寸    4    5    2

反应器尺寸    升    5    5    2

体积（液相）    升    2.10    2.10    0.84

容器内径    T    英寸    8.35    8.35    4

叶轮内径    D    英寸    4    4.85    2.27

叶轮宽度    W    英寸    0.8    1    0.48

折流板    B    是    是    是

折流板数    4    4    4

叶轮片数    2    2    2

液深    H    英寸    4.18    4.18    4.00

叶轮长度    Z    英寸    3.68    2.36    1.97

参数    T/D    2.09    1.72    1.76

参数    W/D    0.20    0.21    0.21

参数    H/D    1.04    0.86    1.76

参数    Z/D    0.92    0.49    0.87

叶片位置    Z/H    %    88%    57%    49%

实验数值

转速    转/分    700    700    1500

转矩    盎-英寸    12    22    20.5

无载转矩    盎-英寸    4    4    4

净转矩    盎-英寸    8    18    16.5

输入功率    马力/加仑    1.00E-02    2.25E-02    1.11E-0.1

Hz流速 厘米³/分 201 660 380

生产率指数    加仑/升/分    0.09    0.29    0.42

表Ⅰ中第二栏“简写”是第一栏术语的简写，这些简写示于图1中。

右边的数栏是A、B和C三个实例，这些实例说明使用不同的叶轮尺寸，位置和转速的情况。叶轮的结构，也用参数表示。表Ⅰ中，就输入功率和叶轮深度而言实例A是说明先有技术的情况，而实例B和C是本发明的结果。

实例5

在连续操作中，氢化器按上述的实例1装配，反应开始后一直进行到达到合乎要求的转化率。将反应混合物连续泵送出滗析器，同时按前述实施例1所述比例连续将试剂泵送进去。从滗析器底部分离含有催化剂的未反应的硝基苯，并连续用泵送回氢化器。在滗析器中积聚有要求量的含水反应混合物后，即相当于实例1分批操作时一定体积的水层，把氮气通入氢化器，这样可使反应中断，并停止全部的泵。然后和实例1一样处理滗析器中的混合物。

Claims (10)

1、一种用氢和在硫酸溶剂中的氢化催化剂还原硝基苯来合成4-氨基苯酚的方法，其改进措施包括用过氧化氢预先处理硫酸。

2、根据权利要求1所述的方法，其中的过氧化氢是与硫酸混合，直至没有气泡产生为止。

3、根据权利要求1所述的方法，其中加入到硫酸中的过氧化氢的量约为硫酸重量的1%。

4、根据权利要求1所述的方法，其中的过氧化氢是与硫酸混合，直至硫酸呈水般澄清。

5、一种用氢和在硫酸溶剂中的氢化催化剂还原硝基苯，从而合成4-氨基苯酚的方法，其改进措施包括：剧烈搅拌还原反应混合物，达到还原反应的工作指数为0.2或更高，该工作指数是用每升反应体积每分钟生成的4-氨基苯酚的克数来表示。

6、根据权利要求5所述的方法，其中的反应混合物是在输入功率不小于每加仑0.01马力的条件下剧烈搅拌。

7、根据权利要求5所述的方法，其中的反应是在装有涡轮叶轮的反应器中进行，所说叶轮的位置在反应区内液深的40～60%左右。

8、根据权利要求5所述的方法，其中所说的硫酸是用过氧化氢预先处理过的。

9、根据权利要求8所述的方法，其中过氧化氢是与硫酸混合，直至没有气泡产生为止。

10、根据权利要求5所述的方法，其中的反应是在未完全充满反应物的，因而有蒸气空间和下部的液相区两者共存的反应区内进行。