2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸制備工藝的優(yōu)化

(徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州，221006)

2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸，本品為淺黃色固體，無(wú)臭無(wú)味，mp.246-247℃。本品易溶于有機(jī)溶劑，而不易溶于水，需儲(chǔ)存于陰涼、干燥、通風(fēng)好的區(qū)域[1]。該化合物在制備的過(guò)程中，由于從有機(jī)合成反應(yīng)中分離出來(lái)的固體粗產(chǎn)物通常含有未反應(yīng)完全的原料、未知單質(zhì)及雜質(zhì)，必須對(duì)其加以分離純化，因此本研究采用重結(jié)晶提純法制備2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸。在該制備工藝中，需要考察反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、pH值和DMF(N,N二甲基甲酰胺)用量四個(gè)影響因素，以HPLC分析的結(jié)果作為考察依據(jù)，得到四個(gè)因素的最佳參數(shù)范圍。最后利用正交試驗(yàn)的方法設(shè)計(jì)了十組試驗(yàn)，以化合物收率為主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，確立最優(yōu)的2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸工藝配方。

圖1 本文所采用的2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸(3)的合成路線

1 試驗(yàn)材料

1.1 原料和試劑

起始原料2,5-二氯硝基苯和鄰氨基苯甲酸，以及2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)品均采購(gòu)于美國(guó)Sigma公司，試驗(yàn)用水主要為雙蒸水、甲醇和乙腈，規(guī)格為色譜純，主要試劑有無(wú)水碳酸鉀、鹽酸為分析純，DMF純度為99.99%，乙醇重結(jié)晶純度為70%。

1.2 儀器

試驗(yàn)所用的HPLC為美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)的Agilent1200型高效液相色譜儀，色譜工作站為Agilent Chemstation(A.10.02)；其他儀器主要有GM-0.33A型真空干燥泵(深圳瑞鑫達(dá)化玻儀器有限公司)、JT202N型電子天平(上海精天電子儀器有限公司)和J2077型電加熱器(泰州美旭儀器有限公司)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 化合物2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸的制備方法

將2,5-二氯硝基苯(150g,0.8mol)、鄰氨基苯甲酸(142g,0.96mol)、無(wú)水碳酸鉀(167g，1.26mol)選取后加入DMF進(jìn)行混合，加熱到140℃時(shí)，攪拌反應(yīng)至5h。冷卻后，加入純凈水2.5L，攪拌約1.5h。再加鹽酸(6mol/L)約316mL調(diào)節(jié)pH值至1，過(guò)濾用濾餅(70%乙醇重結(jié)晶)，干燥后得到淺黃色固體2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸(202g，純度：96%),計(jì)算收率。文獻(xiàn)為收率40%-43%,純度80%[2-4]。收率=(目的產(chǎn)物生成量/反應(yīng)物進(jìn)料量)×100%；純度=純物質(zhì)的質(zhì)量/(純物質(zhì)的質(zhì)量+雜質(zhì)的質(zhì)量)×100%=1-雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2 分析試驗(yàn)

2.2.1 色譜條件

所選的固定相為Agilent Eclipse XDB C18型色譜柱，大小為4.6×250mm，流動(dòng)相為水和乙腈體系，(3:7,v/v)(用磷酸調(diào)節(jié)pH值至2.5)，流速設(shè)定為1.0mL/min，保持柱溫30±0.5℃，進(jìn)樣量為10mL。

2.2.2 供試品溶液的配制

利用電子天平精密稱取2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸4.000±0.0005g于100mL量瓶中，加流動(dòng)相溶解，逐級(jí)稀釋，最終制成0.4mg/mL的2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)品溶液，作為供試溶液。

2.2.3 對(duì)照品溶液的制備

在100mL量瓶中精密稱取2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸對(duì)照品0.8±0.0005，加流動(dòng)相溶解，逐級(jí)稀釋，最終制成8mg/mL的溶液，作為內(nèi)標(biāo)溶液。

2.2.4 分析方法

在1.5mL離心管中取供試品溶液200mL,加入80mL內(nèi)標(biāo)溶液，漩渦混勻，加入甲醇320mL，漩渦5min，靜置20min，離心(1500r/min)5min，吸取上清液，然后轉(zhuǎn)移至自動(dòng)進(jìn)樣器樣品瓶中，進(jìn)行HPLC分析[5]。將供試品溶液和內(nèi)標(biāo)溶液在“2.2.1”項(xiàng)下的色譜條件下，進(jìn)行樣品檢測(cè)，記錄檢測(cè)結(jié)果色譜圖(見(jiàn)圖2)。

由圖2可見(jiàn)，化合物2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸出峰的保留時(shí)間為8.213min，各雜質(zhì)峰的保留時(shí)間分別是：雜質(zhì)1為4.236min，雜質(zhì)2為17.246min。

2.3 單因素試驗(yàn)

2.3.1 反應(yīng)體系中反應(yīng)溫度對(duì)2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸合成的影響

改進(jìn)工藝中，2,5-二氯硝基苯、鄰氨基苯甲酸加上無(wú)水碳酸鉀和DMF進(jìn)行混合反應(yīng)后，需要對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行加熱，對(duì)不同溫度下所得的化合物質(zhì)量進(jìn)行考察，并通過(guò)高效液相色譜儀對(duì)2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，確定最合適的加熱溫度。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

A:空氣峰；B:雜質(zhì)1； C:2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸；D:雜質(zhì)2圖2 化合物 2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸的高效液相色譜圖

反應(yīng)溫度參數(shù)值(℃)產(chǎn)率(%)2,5-二氯硝基苯(%)總雜(%)50073.490.0010044.7518.626.1811078.437.084.3212091.051.352.7712591.350.702.3513093.900.401.9514094.110.331.7815093.860.261.8416092.600.122.26

從表1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，反應(yīng)溫度不到100℃沒(méi)有產(chǎn)物生成。當(dāng)反應(yīng)溫度在160℃時(shí)，高效液相色譜法儀顯示有較大的雜質(zhì)生成，當(dāng)反應(yīng)溫度低于130℃，雜質(zhì)總量較大，同時(shí)也增加了能耗，因此確定反應(yīng)溫度的選取范圍為130-150℃。反應(yīng)溫度與2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸制備優(yōu)化的關(guān)系示意圖見(jiàn)圖3所示。

2.3.2 反應(yīng)體系中反應(yīng)時(shí)間對(duì)2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸合成的影響

2,5-二氯硝基苯與鄰氨基苯甲酸加上無(wú)水碳酸鉀在DMF中反應(yīng)的過(guò)程中，加熱攪拌后反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短使所得的產(chǎn)物質(zhì)量也不同。設(shè)計(jì)在其他反應(yīng)條件不變的情況下，分別針對(duì)不同的反應(yīng)時(shí)間(1-6h)進(jìn)行試驗(yàn)，并通過(guò)高效液相色譜儀檢測(cè)所得產(chǎn)物的質(zhì)量，確定最合適的反應(yīng)時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖3 反應(yīng)溫度與2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸制備優(yōu)化的關(guān)系示意圖

反應(yīng)時(shí)間參數(shù)值(h)產(chǎn)率(%)2,5-二氯硝基苯(%)總雜(%)00.0050.280.00153.310.332.75271.750.422.66382.900.351.99492.850.241.95595.050.381.85695.020.271.74

從表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，反應(yīng)時(shí)間不足1h(0h)時(shí)不能生成目的產(chǎn)物，2,5-二氯硝基苯還未反應(yīng)完全。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在1h、2h時(shí)，所得產(chǎn)物質(zhì)量相對(duì)較差，反應(yīng)時(shí)間在3h時(shí)，雖雜質(zhì)總量較小，但是產(chǎn)量遠(yuǎn)不如反應(yīng)時(shí)間在4h、5h、6h時(shí)所得的產(chǎn)物，因此確定最適合的反應(yīng)時(shí)間為4-6h。反應(yīng)時(shí)間與2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸制備優(yōu)化的關(guān)系示意圖見(jiàn)圖4所示。

圖4 反應(yīng)時(shí)間與2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸制備優(yōu)化的關(guān)系示意圖

2.3.3 反應(yīng)體系中pH值對(duì)2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸合成的影響

設(shè)計(jì)反應(yīng)體系中不同pH值進(jìn)行反應(yīng)，并通過(guò)高效液相色譜法，對(duì)生成的產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)，考察不同pH值條件下(0.5-7)，所得2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸的產(chǎn)量及有關(guān)物質(zhì)的大小，確定其是否為關(guān)鍵的關(guān)鍵工藝參數(shù)以及最優(yōu)的反應(yīng)條件。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 pH值對(duì)2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸合成的影響

從表3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，反應(yīng)液的pH值在1.5-7時(shí)，生成的產(chǎn)物雜質(zhì)逐漸增多，雜質(zhì)總量較大，當(dāng)反應(yīng)液的pH值在1-2時(shí)，產(chǎn)物的總體質(zhì)量較好，因此確定最適宜的反應(yīng)液pH值在1-2。pH值與2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸制備優(yōu)化的關(guān)系示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 pH值與2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸制備優(yōu)化的關(guān)系示意圖

2.3.4 DMF用量對(duì)2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸合成的影響

反應(yīng)體系中是以DMF作為催化劑與原料進(jìn)行混合，分別設(shè)計(jì)不同用量的DMF(50-500mL)進(jìn)行試驗(yàn)，采用高效液相色譜儀觀察所得產(chǎn)物的質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 DMF用量對(duì)2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸合成的影響

通過(guò)表4的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，DMF用量為0mL不反應(yīng)，用量為50-100mL時(shí)反應(yīng)不完全，仍有較多底物殘留，雜質(zhì)較多。DMF的用量在200mL-500mL時(shí)，底物逐漸反應(yīng)完，雜質(zhì)減少，此時(shí)繼續(xù)增加用量產(chǎn)率增加不明顯，到500mL時(shí)產(chǎn)率降低。因此確定適宜的DMF用量為300mL、400mL、500mL。DMF用量與2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸制備優(yōu)化的關(guān)系示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 DMF用量與2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸制備優(yōu)化的關(guān)系示意圖

2.4 正交試驗(yàn)

通過(guò)單因素試驗(yàn)，確定了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、pH值和DMF用量4個(gè)因素作為影響化合物2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸合成的主要因子，對(duì)于各因素分別選取三個(gè)水平，設(shè)計(jì)四因素三水平的L9(34)正交試驗(yàn)[6-8]。正交試驗(yàn)因素水平如表5所示，正交試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從表6的正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，極差R的計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸合成產(chǎn)生影響的順序是反應(yīng)溫度>DMF用量>pH值>反應(yīng)時(shí)間。由K值可以看出2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸合成的最優(yōu)配方為A2B2C2D3，正交試驗(yàn)4號(hào)A2B1C2D3化合物2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸的收率最高為85.95%。為了真正確定最優(yōu)2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸的配方，設(shè)計(jì)了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在其他條件都一致的情況下，配方A2B1C2D3的收率為85.95%，配方A2B2C2D3的收率為86.14%，因此最終確定最優(yōu)2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸的配方為A2B2C2D3，即反應(yīng)溫度140℃、反應(yīng)時(shí)間5h、pH值1.5、DMF用量500mL。

表5 因素水平表

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸制備工藝的影響因素為反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、pH值和DMF用量，通過(guò)控制這四項(xiàng)因素能有效地減少副產(chǎn)物的生成，提高收率及產(chǎn)品純度[9]。通過(guò)本研究，筆者確定了四項(xiàng)影響因素的范圍：分別是反應(yīng)溫度為130-150℃；反應(yīng)時(shí)間為4-6h；pH值為1-2；干燥溫度為0-10℃。根據(jù)正交試驗(yàn)以及驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果，綜合考慮后確定了2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸制備工藝的關(guān)鍵工藝參數(shù)為反應(yīng)溫度140℃、反應(yīng)時(shí)間5h、pH值1.5和DMF用量500mL。2-(4-氯-2-硝基苯胺基)苯甲酸有很多工業(yè)用途，被廣泛地應(yīng)用于化工及一些原料藥的有機(jī)合成，具有很好的應(yīng)用前景。