苯甲醛直接氯化法合成间氯苯甲醛

采用极差法进行实验数据统计和分析 ,得以下 2 点结论 :
1) 氯化反应的优惠条件组合为 : 苯甲醛 1133 mol/ L 、催化剂 1170 mol/ L 、氯化温度 50 ℃、氯化时 间 40 min 。
2) 各因素对间氯苯甲醛的收率的影响大小为 : A > B > C > D ,即苯甲醛和催化剂的浓度是影响反 应收率的主要因素 ,而氯化温度和时间是次要因素 。
无水三氯化铝 、盐酸等均为分析纯 ,间氯苯甲醛为进 口色谱纯试剂 (97 %) ,液氯为工业品 (9915 %) 。
仪器 : CS50123C 型恒温器 、强力电动搅拌机 、 BS210 电子天平 、PE200 气相色谱仪 ,配 ANASTAR 色谱工作站 ,30 m ×0. 32 mm (i. d. ) ×0. 25μm 熔融 石英毛细管柱 。 212 实验步骤
5 22154 26146 17182 21184 60174 65137
从所选定的几种催化剂的反应结果 (表 2) 来 看 ,无水三氯化铁和碘的催化性能不是很理想 ,收率 比较低 (最高也只有 24 %左右) ,选择性也不好 (最 高达 40 %) ,相去甚远 ,而无水三氯化铝的却相对比
较理 想 , 其 收 率 和 选 择 性 分 别 可 达 到 6017 % 和 8215 % ,但是其消耗量较大 ,根据以上初步比较和结 果分析 ,以下的实验选择无水三氯化铝作为研究直 接氯化反应的催化剂 。
表 4 苯甲醛氯化合成间氯苯甲醛的结果表 L9 (34)
实验号
A
B
C
D 收率 ( %)
1
1
1
1
1
38115
2
1
2
2
2
46174
3
1
3
3
3
38199
4
2
1
2
3
59130
5
2
2
3
1
72127
6
2
3
1
2
57176
7
3
1
3
2
64126
8
3
2
1
3
64164
9
3
3
2
1
25133
T1
123188 161171 160155 135175
据此 ,笔者初步选定催化活性较强的无水三氯 化铝 、无水三氯化铁和碘作为氯化反应的催化剂并 进行择优实验 。催化剂筛选过程所采用的实验条件 和反应结果分别列入表 1 和表 2 。
表 1 催化剂选择过程所采用的实验条件
催化剂 氧化温度 催化剂用量 溶剂用量 苯甲醛用量 反应时间
种类 ( ℃)
( g)
89170
30
78165
89162
88124
40
66190
93100
75119
实验结果表明 :该反应条件下所得原料的转化 率 ,产物的收率均比较稳定 。因此 ,该实验反应条件 具有较高的可靠性和重现性 。
原料和目的产物浓度随时间的变化的情况如图 1 所示 。
从图 1 可知 ;随着反应的进行 ,间氯苯甲醛的产 物浓度出现了一个峰值 ,这说明苯甲醛的氯化反应 属于串联反应 。由于一氯化与二氯化的反应速度常 数相差较少[13 ] ,一氯化后 ,由于产物对亲电取代反 应仍具有相当的活泼性 ,使二氯化反应比较容易进 行 。因此 ,串联反应导致反应的选择性急剧下降 (由 8917 %下降到 75 %) ,同时还将加大产物的后续分
水平
1 2 3
表 3 四因素三水平正交表 L9 (34) 因素
A
B
C
催化剂浓度 苯甲醛浓度 氯化温度
( mol/ L)
( mol/ L)
( ℃)
110499
110415
30
116775
113019
50
212104
118227
65
D 氯化时间
( min) 20 30 40
按照设计的正交实验条件 (表 3) 及前述的操作 步骤进行实验 ,得到了不同实验条件下由苯甲醛直 接氯化合成间氯苯甲醛的结果 (如表 4 所示) 。
T2
189. 33 183163 131137 168176
T3
154123 122108 175152 162193
X1
41129 53190 53152 45125
X2
63111 61121 43179 56125
X3
51141 40169 58151 54131
R
21182 20652 14172 11100
( ml)
( mol)
( min)
无
25
水
50
三 氯
20
化
40
铁
50
3215
80
3215
80
018
0
018
0
018
0
015
300
015
300
015
300
015
300wenku.baidu.com
015
300
70
50
碘
70
70
70
015
80
015
120
110
80
015
120
110
80
015
120
211
80
015
120
310
80
015
6 结论
1) 研究了以苯甲醛为原料直接氯化合成间氯苯 甲醛合成工艺 ,通过实验筛选了无水三氯化铝做为 该反应的催化剂 。
2) 通过单因素方法以及正交实验考察了原料液 浓度 、催化剂用量 、反应温度和时间对氯化反应的影 响 ,得到了较优的反应条件 :苯甲醛 1133 mol/ L - 1 , 无水三氯化铝 1170 mol/ L - 1 ,反应时间 30 min ,反应 温度 50 ℃。
第 33 卷第 4 期 2003 年 8 月
F IN E
精细化工中间体
CHEM ICAL IN TERM ED IA TES
Vol. 33
August
No. 4 2003
苯甲醛直接氯化法合成间氯苯甲醛 Ξ
童刚生 ,杨运泉 ,段正康 (湘潭大学化工学院 ,湖南 湘潭 411105) 摘 要 :以苯甲醛为原料直接氯化合成间氯苯甲醛 ,通过对几种可能的催化剂进行比较 , 选择了无水三氯化铝作为该氯化反应的催化剂 ;用单因素方法和正交实验考察了原料液浓度 、 催化剂用量 、反应温度和反应时间对氯化反应的影响 ,得到了氯化反应优惠条件 :苯甲醛 1133 mol/ L ,无水三氯化铝 1170 mol/ L ,反应时间 30 min ,反应温度 50 ℃。苯甲醛的转化率 ≥90 % , 间氯苯甲醛的收率 ≥79 % ,选择性为 88 % ,氯化产品中基本无同分异构体 。 关键词 :苯甲醛 ;间氯苯甲醛 ;催化氯化 中图分类号 : TQ22414 文献标识码 :A 文章编号 :1009 - 9212 (2003) - 04 - 0031 - 03
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第 4 期 童刚生 ,等 :苯甲醛直接氯化法合成间氯苯甲醛 3 3
4 正交实验结果
根据前述探索性实验结果 ,可以确定影响氯化 反应的主要因素为 :催化剂浓度 A 、苯甲醛浓度 B 、 氯化温度 C、氯化时间 D 和氯气用量 E 等五个因 素 ,由于实验中采用了氯气过量 ,因此 ,该因素的影 响可以消除 。由于 A 、B 、C、D 四个因素相互独立可 控 ,因此其相关性可不考虑 。据此 ,笔者为获得氯化 反应的较优条件和各因素对反应过程的影响显著 性 ,采取正交实验方案进行过程分析和研究 ,所用正 交实验表如表 3 所示 。
1 前言
间氯苯甲醛 (m2chlorobenzaldehyde) 主要用作新 型农药 、医药等有机合成的中间体[1 ] 。它是一氯苯 甲醛的三种同分异构体中最贵重的一种异构体 ,目 前市场上该产品的价格比其他两种同分异构体约高 出 3～6 倍 ,其利润也较高 。间氯苯甲醛常用的合成 路线主要有 : ①苯甲醛硝化2水解2取代法[2 ,3 ] ; ②间 氯甲苯氯化法[4 ] ; ③间氯甲苯间接电氧化法[5 ] 。长 期以来 ,生产厂家主要采用第二种方法合成 ,该生产 过程普遍存在原料消耗高 、选择性和转化率低以及 分离困难等因素 ,部分厂家已经停产 ;但由于它是很 多新型的医药 、农药的原料 ,产品附加值较高 ,进一 步降低其生产成本的潜力也较大 ,同时 ,由于一些西 方国家对氯化产品的限制 ,需求基本上靠从东南亚 和中国进口弥补 ,因此该产品不仅国内市场前景广 阔 ,而且具有出口潜力 ,探索新的合成工艺已成为迫 切需要[6 ] 。
实验分多步进行 ,具体如下 : 1) 称取一定量催化剂 ,在设定的恒温 (水浴) 条 件和不断搅拌下 ,加入装有一定量二氯乙烷的三口 烧瓶中 ,搅拌 1 h 。 2) 将一定量的苯甲醛以 1 ml/ min 左右的速度 慢慢滴加到溶有催化剂的二氯乙烷溶剂中 ,在设定 的恒温下 (不超过 80 ℃,以防二氯乙烷挥发) ,搅拌 2 h。 3) 向溶液中通入氯气进行反应 。反应过程中 , 每隔一定时间取样 ,用毛细管气相色谱法[7 ]进行分 析 ,确定氯化的深度 。 4) 当一氯化反应进行比较完全时 ,停止通氯 ,向 三口烧瓶内滴加盐酸水解 ,滴加速度为 1ml·min - 1 左右 ,同时还需将三口烧瓶置于冰水浴中 ,控制温度 < 4 ℃水解 。 5) 用分液漏斗除去水相 ,将油相洗涤 2～3 次后 用水蒸汽蒸馏 ,收集馏出液 。用乙醚萃取 2 次 ,萃取 液加入无水氯化钙干燥 ,过滤 ,蒸除乙醚后减压蒸 馏 ,收集 107～109 ℃(34167 kPa) 馏分[8 ] ,所得淡黄 色液体即为产品 。
3 2 精细化工中间体 第 33 卷
3 催化剂的筛选
有关研究[9～12 ]表明 :在非极性溶剂中 ,氯 、溴和 碘只能与芳香族化合物发生很慢的亲电取代反应 。 强极性的溶剂或所谓“卤素载体”(如三氯化铝 、三氯 化铁等这些路易氏酸 ,以及金属铁) 使卤素极化 ,从 而赋予它以路易氏酸的性质 ,这将大大地加快亲电 取代的速度 ,甚至能够极化到对芳香族化合物发生 较快的亲电取代反应 。此外 ,芳环的亲电取代氯化 催化剂也可以用硫酸或碘进行 。
120
无
4
水
30
三 氯
40
化
50
铝
65
2617
80
2617
80
2617
80
2617
80
2617
80
015
120
015
120
015
30
015
30
015
25
表 2 不同催化剂和间氯苯甲醛收率及选择性的关系
无水三氯化铁 实验号 收率 选择性
碘 收率 选择性
无水三氯化铝 收经 选择性
( %) ( %)
( %) ( %)
( %) ( %)
1 0128 13107 17189 22127 18145 79123
2 0113 1190 19179 24167 20116 80175
3 24155 40124 1913 27156 40134 82153
4 19149 32156 19177 23164 50143 74131
5 验证性实验
考虑到该氯化反应可能是一个串联反应 ,笔者 在正交实验所得的优化实验条件下 ,进行了三组验 证性实验 ,并对氯化反应进度进行了全过程监测 。 测得三组平行实验的苯甲醛转化率和间氯苯甲醛收 率随时间的变化的关系 ,并求得对应的选择性 ,所得 结果如表 5 。
离工序难度 ,据此 ,苯甲醛直接氯化合成间氯苯甲醛 的较优条件调整为 :氯化时间为 30 min ,其它条件不 变。
Ξ 作者简介 :童刚生 (1975 - ) ,男 ,湖南常德人 ,工学硕士研究生 ,从事反应工程研究 。 收稿日期 :2002 - 10 - 08
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笔者研究了苯甲醛直接氯化合成间氯苯甲醛的 新工艺 ,通过实验筛选了合成催化剂 ,考察了影响氯 化反应收率的主要因素 ,得到了优惠工艺条件 。此 法具有工艺简单 、操作方便 、设备投资少 、生产成本 较低 、溶剂可以回收利用 ,同时三废排放量也少 ,适 于工业化生产 。
2 实验部分
211 实验试剂及仪器 试剂 :1 ,2 二氯乙烷 、环己酮 (内标物) 、苯甲醛 、
3) 在上述条件下 , 苯甲醛的转化率达 90 %以 上 ,间氯苯甲醛的收率达 79 %以上 ,选择性为 88 % , 同时氯化产品中基本无同分异构体 。
表 5 优惠反应条件下转化率 、收率和选择性随时间变化关系
反应时间 (min) 收率 ( %)
转化率 ( %) 选择性 ( %)
20
68146
76132