背景及概述

3-氟-4-硝基苯胺是一種重要的有機合成原料，黃色針狀結晶，高毒，易升華。微溶于冷水，溶于沸水、乙醇、乙醚、苯和酸溶液。其是一種重要的化工原料，可直接用于合成多種染料和顏料，也可合成農(nóng)藥氯硝胺、醫(yī)藥卡柳腫；同時還是防老劑、光穩(wěn)定劑、顯影劑等的原料。3-氟-4-硝基苯胺英文名稱：3-Fluoro-4-nitroaniline，中文別名：4-硝基-3-氟苯胺，CAS號：2369-13-3，分子式：C6H5FN2O2，分子量：156.115。

制備

工業(yè)生產(chǎn)3-氟-4-硝基苯胺一般以3-氟-4-硝基氯苯為原料，可采用高壓釜間歇法生產(chǎn)，收率在 98%以上，而采用管道反應器連續(xù)化生產(chǎn)，收率在 94%左右。目前生產(chǎn)企業(yè)都以壓間歇法生產(chǎn)，以3-氟-4-硝基氯苯為原料，可采用高壓釜進行間歇生產(chǎn)，根據(jù)原料氨水的濃度可分為高壓法和低壓法，氨水濃度高于 40%的稱為高壓法。3-氟-4-硝基苯胺合成的機理為：3-氟-4-硝基氯苯和一定濃度氨水在一定溫度好壓力條件下進行氨化反應，氨基取代氯基反應，屬于高溫高壓反應。由于苯環(huán)上存在強吸電基—硝基，因此氯基較活潑，反應不需催化劑，但仍需在高溫高壓下氨解。由于屬于非催化氨化，因此為雙分子親核取代反應，反應速度與3-氟-4-硝基氯苯和氨水的濃度成正比。氨的理論用量為3-氟-4-硝基氯苯的 2 倍（摩爾比），為了防止發(fā)生副反應生成二芳基仲胺和酚，同時也為了降低反應生成的氯化銨在高溫時對反應釜的腐蝕，氨的用量遠遠超過理論量。其實質(zhì)為親核置換反應，首先是帶有未共用電子對的氨分子同苯環(huán)上與氯相連的碳原子發(fā)生親核反應，得到帶有極性的中間加成產(chǎn)物，加成產(chǎn)物迅速轉(zhuǎn)化為銨鹽并恢復環(huán)的芳香性，然后再與氨反應得到反應產(chǎn)物3-氟-4-硝基苯胺。其合成反應式如下圖：

圖1 3-氟-4-硝基苯胺的合成反應式

實驗操作：

方法一、

氨水的配置，經(jīng)計量的工藝水打入氨水配置罐，液氨罐的液氨經(jīng)計量進入氨水配置罐進行氨水配置，氨水濃度 40%以上。3-氟-4-硝基氯苯儲罐的3-氟-4-硝基氯苯經(jīng)泵打入計量槽，3-氟-4-硝基氯苯加入氨化釜，隨后配置好的一定濃度氨水打入氨化釜中。檢查氨化釜處于工作狀態(tài)后，通蒸汽加熱升溫，溫度升至 150℃后停止加熱，氨化釜溫度隨氨化反應的進行而升高，釜內(nèi)溫度不上升時，說明反應基本結束。通蒸汽維持釜內(nèi)溫度 175～178℃，這個過程為保溫過程，保溫時間 8 h 以上。保溫結束，進行過量氨氣的高壓、低壓回收，高壓吸收利用氨化釜與吸收罐的壓力差進行，過量的氨和部分水蒸氣經(jīng)冷凝器冷卻后進入高壓吸收罐，高壓吸收的氨水經(jīng)檢測濃度后由泵送至氨水配置罐，當氨化釜內(nèi)壓力降至 0.2 MPa 時，開啟真空系統(tǒng)進行低壓吸收，吸收至釜內(nèi)壓力為 0 MPa。低壓吸收的氨水檢測到一定濃度后由泵送至氨水配置罐。高壓吸收 2 h，低壓吸收 0.5 h。氨氣回收結束，釜內(nèi)壓入 0.2 MPa 的空氣，物料壓至結晶釜冷卻至室溫，出料時氨水濃度過大，用結晶釜真空管道進行除味，并打開水閥進行稀釋和降溫，結晶后的物料放至離心機離心，晶體3-氟-4-硝基苯胺計量待用，濾液去濾液儲存罐。具體各單元操作時間：投對硝基氯化苯 20 min，加氨水 50 min，升溫至 140℃ 2.5～3.0 小時，保溫 9～10 小時，放壓氨吸收 3.0～3.5 小時，出料水洗 0.5 小時。

方法二、

在 500 mL 高壓釜中，投入甲醇 200 mL，水 20mL，3-氟-1，4-二硝基苯 30 g，1%Pt/C 催化劑 1 g，1#助劑0. 3 g，2#助劑 1 g。保壓試驗 1 min，不漏氣為合格。氮氣置換 3 遍，氫氣置換 3 遍，最終放空至0. 001 MPa。開啟攪拌 100 r/min，打開電加熱開關，升溫至40～45 ℃，將轉(zhuǎn)速調(diào)至 750 r/min。開啟氫氣閥門，沖壓至 0. 800 MPa，關閉氫氣閥門，待壓力下降至0. 400 MPa。再開啟氫氣閥門將壓力沖至 0. 800MPa，待壓力下降至 0. 04 MPa。如此反復沖壓，合計下降壓力降共 4. 5 MPa 為反應終點。反應過程中控制溫度在 55～63 ℃，反應時間約 1 h。開蓋，迅速將溶液過濾，催化劑回收使用。甲醇母液取樣分析。黃色的甲醇溶液至 500 mL 四口瓶中，攪拌冷卻結晶。結晶溫度 0～2 ℃，得到3-氟-4-硝基苯胺結晶，抽濾，烘干得產(chǎn)品，稱重計算收率，取樣分析。

結論

3-氟-1，4-二硝基苯催化加氫還原合成3-氟-4-硝基苯胺是典型的連串反應，3-氟-4-硝基苯胺是中間產(chǎn)物，控制合適的反應條件是合成3-氟-4-硝基苯胺獲得較高轉(zhuǎn)化率的關鍵所在。通過實驗證實，催化劑、助劑在反應體系中是關鍵的條件，決定高選擇性的實現(xiàn); 同時各工藝參數(shù)也決定了合成反應的得率。離心后的甲醇母液套用達到一定濃度時可以用于深度加氫還原，合成間苯二胺，經(jīng)脫溶劑、脫水、精餾得到副產(chǎn)品間苯二胺，實現(xiàn)了清潔生產(chǎn)、循環(huán)套用。3-氟-4-硝基苯胺是一種具有較好市場前景的項目，關鍵在于氨化過程溫度和壓力控制和廢水的處理。降低氨耗和廢水量是該產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的關鍵，廢水中的副產(chǎn)物氯化銨的回收也是各生產(chǎn)企業(yè)值得考慮的問題。另外各生產(chǎn)企業(yè)自動化控制程度不高，基本還采用人工間歇操作，每套裝置的定員頗多，人工成本較大，采用先進的自動化控制是今后降本的首選。

參考文獻

[1]WO2003/76413 A1, 2003