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环己烷液相催化硝化制备硝基环己烷

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第8卷第6期 中国科技论文 CHINA SCIENCEPAPER V01.8 No.6 2013年6月 June 2013 环己烷液相催化硝化制备硝基环己烷 刘四化,鄢艳华,郝 芳,刘平乐,游奎一,罗和安 (湘潭大学化工学院,湖南湘潭411105) 摘要:研究了温和条件下N一羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)催化环己烷液相硝化合成硝基环己烷的过程,考察了反应时间、反应 温度、催化剂用量等因素的影响,确定了液相催化硝化合成硝基环己烷的较优反应条件。结果表明当反应温度为7O℃,环己烷 与的物质的量比为2:1,催化剂用量为环己烷质量的3.75 时,硝基环己烷的单程收率可达13.7 。通过气一质联用对 反应产物进行了定性分析,表明反应产物除硝基环己烷外,其他主要为环己酮、环己醇、硝基环己烯。 关键词:化学工程;环己烷;液相硝化;硝基环己烷 中图分类号:TQ226.1 文献标志码:A 文章编号:2095—2783(2013)06—0580—04 Preparation of nitrocyclohexane by liquid—phase catalytic nitration of cyclohexane Liu Sihua,Yan Yanhua,Hao Fang,Liu Pingle,You Kuiyi,Luo Hean (College of Chemical Engineering,Xiangtan University,Xiangtan,Hunan 411105,China) Abstract:Nitrocyclohexane has been prepared from liquid-phase nitration of cyclohexane catalyzed by N-hydroxyphthalimide un der mild conditions.Effects of reaction temperature,reaction time and amount of catalyst on liquid-phase cyclohexane nitration reaction were examined in order to obtain the optimal conditions.The results indicated that the single-process yield of nitrocyclo— hexane was up to 1 3.7 under the following reaction conditions:reaction temperature 70℃,amount of substance ratio of cyclo— hexane to nitric acid 2:1,and mass fraction of catalyst to cyclohexane 3.75 .Besides nitrocyclohexane,some other major prod— Hcts including cyclohexanone,cyclohexano1 and 1-nitroeyclohexene,were also identified by GC-MS. Key words:chemical engineering and technology;cyclohexane;liquid-phase nitration;nitrocyclohexane 硝基化合物是一种具有广泛用途的精细化工中 间体,其完全还原产物胺类化合物,主要用于燃料、 颜料和医药原料,硝基化合物也可加氢制备亚硝基 化合物和肟类化合物_1 ]。按烃基的不同,硝基化合 物可分为脂肪族硝基化合物和芳香族硝基化合物。 目前工业中芳香族硝基化合物是由芳烃经或硝 酸与硫酸的混酸硝化而得到;脂肪烃和环烷烃的硝 化反应活性低,因而很难采用混酸法对脂肪烃和环 烷烃进行硝化,目前脂肪族硝基化合物品种较少,通 常由气相硝化制得。 脂肪烃和环烷烃的选择性硝化比芳烃难进行, 低碳硝基烷烃能发生氧化、还原、中和等多种化学反 应,因而其工业应用前景十分广泛。由于低碳烷烃 (如甲烷、丙烷)和环烷烃的硝化反应活性低,因此它 们多采用气相法硝化而很少采用混酸法硝化ll 。传 统的环己烷硝化以或氮氧化物做硝化剂,在较 高温度下发生气相硝化反应制得硝基环己烷,除发 生硝化反应外,高温还将引起C C键的断裂,导致 诸多副反应的发生,反应产物非常复杂。 近年来,人们对硝化反应进行了更为深入的研 究。Stanley等E“]的研究表明,在激光作用下环丙 烷、环丁烷和环戊烷能够与NOz发生硝化反应。他 们还对反应的工艺条件进行了优化,但该法需要使 用激光,在工业生产上存在着较大的局限性。近年 来以氟磷酸盐为硝化剂的液相硝化得到了一定的发 展,但氟磷酸盐价格昂贵,反应的成本较高。1977 年,N一羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)的催化用途首次 被报导,它可用于烷烃、烷基苯等的催化氧化和催化 硝化等催化反应,具有很好的应用前景。在传统的 环己烷气相硝化反应中,环己基的产生是反应的控 制步骤,而NHPI的存在能使环己基在较温和的条 件下产生,从而为环己烷的液相硝化提供了一种新 的途径。 1实验部分 1.1实验药品和仪器 环己烷,分析纯(天津市大茂化学试剂厂);硝 酸,质量分数65 ~68 (湖南省株洲市化学工业 研究所);97 N一羟基邻苯二甲酰亚胺(浙江省东阳 市天宇化工有限公司)。 不锈钢反应釜(北京昆仑永泰科技有限公司); DF-101S集热式恒温加热搅拌器(巩义市英山谷予 华仪器厂);气相色谱仪,Auto System XL(America tlI:20@NB I基金项目高等划资助项目(NCET-10 0168) 作者简介:刘四化(1988一),男,博士研究生,主要研究方向:催化及催化材料的研究 通信联系人:刘平乐,教授,主要研究方向:催化过程及催化材料的研究,liupingle@xtu.edu.cn .基金项目:高等学科博士学科点专项科研基金资助项目13 斋士学科点专项科研基金资助项目( 20124301110007);国家自然科学基金资助项目(国家自然科学基金资助项目 21276218);教育部新世纪优秀人才计 教霄邵新世纪优夯人才计 第6期 刘四化,等:环己烷液相催化硝化制备硝基环己烷 581 Perkin Elmer仪器公司);气相色谱一质谱联用仪, GCMS-QP2010型(SHIMADZU);FTIR-800型红外 反应温度对环己烷液相硝化过程的影响,结果如图3 所示,硝基环己烷的收率以环己烷为基准计算所得。 光谱仪(美国热电Therimo集团)。 1.2实验方法 将环己烷、65 ~68 的浓和N一羟基邻苯 二甲酰亚胺(NHPI)按一定比例加人不锈钢反应釜 中,开启磁力搅拌,在一定温度下反应一段时间,然 后将反应液过滤,取有机相进行分析。 1.3产物分析 1.3.1产物定性分析 在气相色谱仪和气一质联用仪上对反应后的有机 相进行定性分析。反应产物中除环己醇和环己酮外 还存在两种物质,其质谱图分别如图1和图2所示。 l 0 0 .. .』 .. .一. . 1O 3O 5O 7O 90 110 130 ,n,2 图1环己烷硝化反应产物质谱图 Fig.1 The mass spectrum of cyclohexane nitration products 。V , . .  .一b} 一一  .图2环己烷硝化反应产物质谱图 Fig.2 The 1T ̄SS spectrum of cyelohexane nitration products 质谱图1和质谱图2分别与硝基环己烷和硝基 环己烯的标准谱图一致,说明NHPI可以催化环己 烷进行硝化反应,制备硝基环己烷,同时,该反应还 会生成副产物硝基环己烯。 1.3.2产物定量分析 采用内标法,以苯乙酮为内标物对硝基环己烷 进行定量分析。配制由硝基环己烷、苯乙酮和环己 酮(溶剂)组成的标准溶液,测得硝基环己烷与内标 物苯乙酮的相对校正因子为1.12。测定相对校正因 子后按式(1)可求出被测组分在样品中的质量分数: 叫 一 L △.~ × .Ji×100 。 (1) ./ifts’IH j s 式中:ZUi为被测组分的质量分数;A、A。分别为被测 组分和内标物的峰面积;fl/fs为硝基环己烷和内标 物苯乙酮的相对校正因子; 。为内标物的质量; 为 样品的质量。 2结果与讨论 2.1反应温度的影响 在NHPI催化环己烷硝化的反应中,温度对反 应收率的影响很大,因此反应温度的控制很重要。 在环己烷与物质的量比为2:1,催化剂NHPI 的用量为环己烷质量的3.75 时反应,考察了不同 图3反应温度对环己烷硝化反应的影响 Fig.3 Effect of reaction temperature on the nitration of cyclohexane 从图3可以看出,随着温度的升高,硝基环己烷 的收率上升,当温度达到7O℃时,硝基环己烷的收 率达到最高值13.7 ,继续升高反应温度,硝基环 己烷收率下降。这是因为在低温条件下几乎不 分解,随着温度的升高分解加快,在NHPI存在 的条件下,当温度达到70℃,大量分解生成 NOz,NO。与环己烷反应生成硝基环己烷;温度继续 升高时,一方面由于催化剂NHPI会分解为没有催 化活性的邻苯二甲酸酐和邻苯二甲酰亚胺[12-13],另 一方面温度升高导致副反应速率加快,副产物增多, 反应收率下降。因此,环己烷与反应时的硝化 温度以控制在70℃左右为宜。 2.2反应时间的影响 Sakaguch等__l _l5J研究了环己烷硝化过程,当环 己烷与NO 的物质的量比为10:1~20:1时,也就 是环己烷大大过量时,以NOz为基准来计算反应过 程的收率为70 9/6。同时,由于环己烷大大过量,NO。 浓度相对很低,所以反应速率非常慢,反应需要较长 时间。 笔者以NHPI为催化剂,在7O℃的反应温度 下,环己烷与物质的量比为2:1,催化剂NHPI 的用量为环己烷质量的3.75 9/6时,考察了反应时间 对环己烷硝化的影响,硝基环己烷的收率以环己烷 为基准来计算,结果如图4所示。从图4可以看出, 硝基环己烷的收率由5 min时的0.65 很快增加到 10 min时的13.7 9/6,这是因为分解产生的NO 浓度相对较高,反应速率较快。若在此基础上继续 延长反应时间,硝基环己烷的收率会有略微的下降, 这可能是由于反应时间的延长导致了连串副反应的 发生,反应副产物增多。所以,从经济和效率的角度 考虑,液相催化硝化环己烷的反应时间应以10 min为宜。 2.3催化剂用量的影响 当环己烷与物质的量比为2:1,反应温度 为7O℃时,考察了催化剂用量对反应的影响,结果 如图5所示。 从图5可以看出,当催化剂用量为环己烷质量 582 中国科技论文 第8卷 图4反应时间对环己烷硝化反应的影响 Fig.4 Effect of reactiontime onthe nitration of cyclohexane 的1.25 9/6时,硝基环己烷的收率仅为2.66 ,随着催 化剂用量的增加,硝基环己烷的收率呈先增加后减 小的趋势。当催化剂用量为环己烷质量的3.75 时,硝基环己烷的收率达到最大值13.7 。如果继 续增加催化剂的用量,由于NHPI具有较强的催化 氧化能力,使得该过程生成环己烷的氧化产物环己 醇和环己酮的量增加。由此可见,催化剂的用量为 环己烷质量的3.75 时较优。 1.01.52.0 2.5 3.0 3.54.04.5 5.05.5 HP/m B烷/% 图5催化剂用量对环己烷硝化反应的影响 Fig.5 Effect of amount of catalyst on the nitration of cyclohexane 2.4催化剂失活的初步研究 Hirai等[ ]和Koguchi等l13 提出了NHPI催化 硝化反应的机理,如图6所示。一般认为首先是硝 酸吸收NHPI上的氢原子生成了NO ,同时NHPI 失去氢原子产生了PINO自由基;然后烷烃上的氢 被PINO自由基吸收而产生烷烃自由基,与此同时 PINO自由基因吸收了氢原子而重新形成NHPI;最 后烷烃自由基与NOz发生硝化反应生成了硝基环 己烷。 图6硝化反应机理 Fig.6 The nitration mechanism 将反应失活后的NHPI催化剂与反应液分离, 经过滤、洗涤和干燥后进行红外光谱表征,与新鲜的 NHPI红外光谱进行对比。红外光谱图分别如图7 和图8所示。对照两红外谱图可以发现,反应失活 后的NHPI结构发生了变化。反应前NHPI为环状 酰亚胺,分子中存在2个羰基,环状酰亚胺的2个C —o伸缩振动发生耦合,成2个吸收谱带。如 图7所示在特征区这2个C—O振动频率分别为 1 789.27 ClTI 和1 708.60 cm,其中振动频率为 1 708.60 cm 的谱带为 O 环为五元环。 图7反应前NHPI的红外谱图 Fig.7 FT-IR spectrum of N-hydroxyphalimide before reaction 反应失活后的NHPI红外谱图上这两个特征峰 已经不存在,初步分析认为可能是NHPI在反应过 程中发生了酯化或聚合反应导致,NHPI的酰亚胺结 构在反应过程中遭到破坏,这可能是催化剂失活的 一个重要原因。对NHPI结构发生变化失活的机理 还有待进一步研究。 图8反应后NHPI的红外谱图 Fig.8 FT-IR spectrum of N-hydmxy-phalimide after reaction 3结论 研究了以NHPI为催化剂催化环己烷硝化合成 硝基环己烷的过程,并对反应的工艺条件进行了优 化,考察了反应时间、反应温度、原料配比和催化剂 用量等因素对反应收率的影响。结果表明:反应温 度为70℃,环己烷与物质的量比为2:1,催化 剂NHPI用量为环己烷质量的3.75 ,反应时间为 10 min时硝化环己烷收率可达13.7 。采用气一质 联用的分析方法对反应产物进行了定性分析,发现 反应产物主要有硝基环己烷、环己酮,环己醇,硝基 环己烯。并对催化剂的失活进行了初步探索。该工 艺具有路线简单,操作方便,反应条件温和的特点。 第6期 刘四化,等:环己烷液相催化硝化制备硝基环己烷 583 [参考文献](References) [1]Lee Y,Haute T.Preparation of nitrocyclohexane:US 3066173 A[P].1962—11-27 [2] Taub B,Hino J B Nitrocyclohexane manufacturing process:US 3194845 A l P 1.1965—07—13. 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