3-氨基-4-甲基苯甲腈的合成及條件優(yōu)化

王政，閻峰，張寒冰，畢寒，卓楨成

?

3-氨基-4-甲基苯甲腈的合成及條件優(yōu)化

王政，閻峰，張寒冰，畢寒，卓楨成

（沈陽化工大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

以對甲基苯甲腈為原料，混酸硝化后所得產(chǎn)物經(jīng)水合肼還原得到目標(biāo)產(chǎn)物3-氨基-4-甲基苯甲腈，還原過程以10% FeO（OH）/C為催化劑。通過正交試驗確定最佳反應(yīng)條件，并得到硝化反應(yīng)優(yōu)化產(chǎn)率為86.55%；還原反應(yīng)優(yōu)化產(chǎn)率為79.64%；實驗總產(chǎn)率為68.93%。產(chǎn)物結(jié)構(gòu)用紅外光譜（IR）進行了表征。

氫氧化氧鐵；水合肼；4-甲基-3-硝基苯甲腈；3-氨基-4-甲基苯甲腈

3-氨基-4-甲基苯甲腈是一種重要的有機藥物中間體[1]。目前國內(nèi)外對該物質(zhì)合成方法的報道較少，因此找到一種可行性大、產(chǎn)率高的方法合成3-氨基-4-甲基苯甲腈具有重要意義。本文以對甲苯腈為原料，通過硝化和還原兩步反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物。

常規(guī)的硝化反應(yīng)主要有濃硝酸硝化法、稀硝酸硝化法、混酸硝化法、硝酸酸酐硝化法，溶劑硝化法、氣相硝化法等。本實驗中，原料對甲苯腈由于氰基是吸電子取代基，鈍化效應(yīng)使硝化條件變得苛刻，因此采用加入濃硫酸的方法加快反應(yīng)速率，且副反應(yīng)較少[2]。

關(guān)于硝基還原的方法文獻中有較詳細報道，由于傳統(tǒng)的鐵粉還原法和硫化堿還原法對環(huán)境污染較重［3］，在工業(yè)生產(chǎn)中受到越來越大的限制。催化加氫法具有效率高、無污染的優(yōu)點［4］，但反應(yīng)需在較高壓力下進行，且氫氣易爆炸具有一定的危險性，對設(shè)備要求較高。水合肼還原法具有選擇性好、無污染的優(yōu)點［5］，反應(yīng)中不還原氰基, 在不過量的情況下也不還原偶氮基,尤其適合多用途間歇式常壓反應(yīng)器內(nèi)小批量精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn), 具有清潔、常壓進行、后處理簡單、轉(zhuǎn)化率高等特點〔5〕。具體合成路線如圖1。

圖1 3-氨基-4-甲基苯甲腈的合成路線

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對甲苯腈，水合肼（80%），甲苯等均為分析純，20-30目粒狀活性炭，去離子水；紅外光譜儀（NEXUS470，美國能源公司）。

1.2 4-甲基-3-硝基苯甲腈的制備

將稱取的濃硫酸倒入250 mL的三口燒瓶中，加入對甲苯腈固體，再將三口燒瓶置于低溫恒溫水浴鍋中，預(yù)設(shè)-15 ℃，開動攪拌，待燒瓶內(nèi)的固體全部溶解且溫度降至-15 ℃時，開始緩慢滴加硝酸，控制反應(yīng)溫度在-10～-15 ℃之間。硝酸滴加結(jié)束后，計時反應(yīng)。

反應(yīng)結(jié)束后將所得溶液倒入裝有冰水的燒杯中，析出大量的白色固體，待其冷卻至室溫進行抽濾，濾餅進行中和、水洗，再用95%的乙醇重結(jié)晶得白色針狀晶體。

1.3 10% FeO(OH)/C的制備〔6〕

稱取0 .676 g FeCl3·6H2O , 放入小燒杯中, 加入少量蒸餾水并攪拌，待FeCl3·6H2O 全部溶解, 再加蒸餾水稀釋至15 mL , 得FeCl3溶液。精確稱量2.0 g 活性炭, 加至配制好的FeCl3溶液中, 攪拌后, 于室溫下晾干, 得到浸漬好的FeCl3/C。將FeCl3/C加至10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù), 下同）的氨水中, 于室溫攪拌4 h ,充分反應(yīng)后FeCl3轉(zhuǎn)變成Fe（OH）3。用蒸餾水充分洗滌固體至中性, 于120 ℃干燥4 h ,得10% FeO（OH）/C。

1.4 3-氨基-4-甲基苯甲腈的制備

將上步制得的4-甲基-3-硝基苯甲腈和催化劑10% FeO（OH）/C按一定量放入三口瓶中，加入30 mL的甲苯，升溫，在0.5 h內(nèi)滴加完水合肼, 反應(yīng)一定時間后, 冷卻、過濾。用甲苯洗滌催化劑, 濾液合并,堿洗，水洗，無水硫酸鎂干燥過濾，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸除溶劑，過層析柱得產(chǎn)物。

2 結(jié)構(gòu)表征

2.1 4-甲基-3-硝基苯甲腈的紅外譜圖解析

在3 086.75 附近是C-H伸縮振動特征吸收峰，可作為烷基存在的依據(jù)；在2 233.09 附近是C≡N的伸縮振動特征吸收峰；在1 615.39 和1 488.37 附近是苯環(huán)的C=C骨架伸縮振動特征吸收峰；在1522.67 附近是的反對稱伸縮振動特征吸收峰；在1 352.31 附近是的對稱伸縮振動特征吸收峰。從產(chǎn)物的紅外吸收光譜數(shù)據(jù)可以判斷該物質(zhì)含有苯環(huán)、甲基、硝基、氰基，與目標(biāo)產(chǎn)物4-甲基-3-硝基苯甲腈的結(jié)構(gòu)符。

2.2 3-氨基-4-甲基苯甲腈的紅外譜圖解析

在3 471.60 和3 380.26 附近是伯胺N-H伸縮振動特征吸收峰；在2 224.26 附近是C≡N的伸縮振動特征吸收峰；在1 627.84 ，1 572.12 和1 509.37 附近是苯環(huán)的C=C骨架伸縮振動特征吸收峰；在1292.58 附近是芳香胺的伯胺C-N伸縮振動特征吸收峰；在867.82 和806.10 附近是取代苯C-H面外彎曲振動吸收峰。從產(chǎn)物的紅外吸收光譜數(shù)據(jù)可以判斷該物質(zhì)含有苯環(huán)、甲基、胺基、氰基，與目標(biāo)產(chǎn)物3-胺基-4-甲基苯甲腈的結(jié)構(gòu)相符。

3 結(jié)果與討論

3.1 對甲基苯甲腈硝化反應(yīng)的產(chǎn)率優(yōu)化

以不同反應(yīng)時間、不同反應(yīng)溫度、不同原料與硝化劑比，不同加入硫酸質(zhì)量為影響因素，每個因素選擇三個水平，設(shè)計正交試驗，如表1所示。

經(jīng)由表1分析，反應(yīng)時間、溫度以及對甲苯腈-硝酸物料比對反應(yīng)產(chǎn)率的影響不明顯。濃硫酸的用量對反應(yīng)產(chǎn)率具有較大影響，這是因為反應(yīng)體系中一定量硫酸的加入可以促進反應(yīng)的進行，隨著酸量的的逐漸增加，導(dǎo)致反應(yīng)物濃度降低，且硫酸容易與原料發(fā)生磺化反應(yīng)等副反應(yīng)，從而減少了產(chǎn)物的生成。由此可推出最佳反應(yīng)條件為：對甲苯腈和濃硝酸的摩爾比為1∶1.2，對甲苯腈和濃硫酸的摩爾比為1∶8，反應(yīng)溫度為-15 ℃，反應(yīng)時長控制在6 h左右。重復(fù)實驗得到平均產(chǎn)率為86.55%。

表1 3-硝基-4-甲基苯甲腈正交試驗表

3.2 4-甲基-3-硝基苯甲腈水合肼還原反應(yīng)的產(chǎn)率優(yōu)化

以不同反應(yīng)時間、不同反應(yīng)溫度、不同原料與水合肼物料比，不同催化劑質(zhì)量為影響因素，每個因素選擇三個水平，設(shè)計正交試驗如表2所示：

表2 3-氨基-4-甲基苯甲腈正交試驗表

經(jīng)由表2.2分析,原料和水合肼的物料比對反應(yīng)條件影響最大，雖然反應(yīng)的理論值為1∶1.5，但由于反應(yīng)過程中產(chǎn)生的部分活化氫未能參與反應(yīng)，而且苯胺類由化合物在空氣中易被氧化，由于反應(yīng)過程中產(chǎn)生的部分活化氫未能參與反應(yīng)，因此要使用過量的水合肼才能使苯胺達到較高的收率。所以反應(yīng)最佳條件應(yīng)為原料4-甲基-3-硝基苯甲腈和水合肼的摩爾比為1∶2.4，催化劑的質(zhì)量為1 g，反應(yīng)溫度為80 ℃，反應(yīng)時長控制在3 h左右，重復(fù)實驗得到平均產(chǎn)率為79.64%

4 結(jié)論

以對甲苯腈作為原材料，利用混酸硝化法制備4-甲基-3-硝基苯甲腈，繼續(xù)將制得的3-硝基-4-甲基苯甲腈利用相對于綠色環(huán)保的水合肼還原后，得到目標(biāo)產(chǎn)物。產(chǎn)物結(jié)構(gòu)用紅外光譜（IR）進行了表征。通過正交試驗對反應(yīng)條件進行優(yōu)化，進一步確定混酸硝化法的最佳反應(yīng)條件為：原料對甲苯腈和濃硝酸的摩爾比為1∶1.2，原料對甲苯腈和濃硫酸的摩爾比為1∶8，反應(yīng)溫度為-15 ℃，反應(yīng)時長為6小時，強力攪拌，重復(fù)試驗得到的產(chǎn)物產(chǎn)率平均值為86.55%。還原反應(yīng)的最佳條件為：原料4-甲基-3-硝基苯甲腈和水合肼的摩爾比為1∶2.4，催化劑的質(zhì)量為1 g，反應(yīng)溫度為80 ℃，反應(yīng)時長為3 h，重復(fù)試驗得到的產(chǎn)物產(chǎn)率平均值為79.64%。實驗總產(chǎn)率為68.93%。

［1］Non-covalent Thrombin Inhibitors Featuring P3-Heterocycle with P1-Bicyclic Arginine Surrogates [J]. Cheminform, 2010, 34 (9).

［2］劉金強, 錢超, 陳新志. 鈍化芳環(huán)的硝化研究進展[J]. 化學(xué)進展, 2009 (12): 2635-2641.

［3］姚蒙正，程侶柏，王家儒．精細化工產(chǎn)品合成原理［M］．北京: 中國石化出版社，2000: 430

［4］邢錦娟，劉琳，秦金蘭，等．水合肼還原芳香族硝基化合物制備芳胺的技術(shù)進展［J］．化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2008， 29 ( 6) : 30-32.

［5］John W Larsen , et al. Mechanism of the Carbon Catalyzed Reduction of Nitrobenzene by Hydrazine. Carbon, 2000, 38 : 655-661．

［6］蔡可迎，周穎梅，岳瑋. FeO(OH)/C催化水合肼還原芳香族硝基化合物制備芳胺［J］. 化學(xué)世界，2009（7）：418-420．

Synthesis and Reaction Condition Optimization of 3-Amino-4-methylbenzonitrile

,,,,

（Shenyang University of Chemical Technology，Liaoning Shenyang 110142，China）

3-Amino-4-methyl cyanide was synthesized from p-tolunitrile as raw materialvia nitrification reaction of mixed acidwith 10%FeO(OH)/C as catalyst. The reaction conditions were optimized by orthogonal test. The results showed that optimized yield of the nitrification reaction was 86.55%, optimized yield of the reduction reaction was 79.64%,and the total yield was 68.93%. At last, the product structure was characterized by IR (IR) spectroscopy.

hydrogen peroxide iron oxide hydrazine；hydrazine hydrate；4-methyl-3-nitrobenzene nitrile；3- amino -4- methyl cyanide

遼寧省精細化工協(xié)同創(chuàng)新中心協(xié)同創(chuàng)新團隊資助項目，項目號：000053

2017-10-12

王政（1994-），男，碩士研究生，甘肅省平?jīng)鍪腥耍?015年畢業(yè)于沈陽化工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)，研究方向：精細化學(xué)品的合成。

閻峰（1965-），男，教授，博士，研究方向：精細化學(xué)品的合成。

O 625.67

A

1004-0935（2017）11-1078-03