重氮化-水解法制备间甲酚的合成工艺研究

张清玉

（1.哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001；2.中策橡胶集团有限公司，浙江建德311600）

间甲酚（m-cresol）是农药、医药和香料方面的重要中间体，同时也广泛应用于染料、增白剂、聚氨酯树脂等的合成[1-3]。近年来，随着医药、农药市场对间甲酚需求量的增加，天然合成法已经远不能满足下游产品发展的需求。天然合成法存在资源有限、工艺过程复杂、分离装置众多等缺点。而化学合成法具有工艺生产周期短、反应条件温和、操作方便、产品纯度高等众多优点[4-5]，故用其制备间甲酚的研究和开发逐渐受到国内外的广泛关注。

目前，国内外间甲酚的合成工艺主要有邻氯甲苯水解法、异丙基甲苯法、邻二甲苯氧化法、甲苯磺化碱熔法和间甲苯胺法[6-8]。国内主要采用间甲苯胺法，该法工艺简单，收率高，反应条件温和，分离过程简单，具有较好的工业化前景。但该工艺存在收率低、产品纯度低、工业三废多等缺点，因此本研究着重对重氮化-水解法制备间甲酚的影响因素进行了探讨，并对工艺中产生的废酸进行了回收利用。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

1.1.1 实验原料

间甲苯胺；亚硝酸钠；浓硫酸；尿素等（均为分析纯）。

1.1.2 实验仪器

FTIR-7600红外光谱仪；低温冷却循环泵；恒流泵；旋转蒸发仪；气相色谱仪等。

1.2 实验工艺路线

图1为重氮化-水解法制备间甲酚的实验工艺路线。

图1 重氮化-水解法制备间甲酚工艺路线

1.3 重氮盐的制备

在250mL容量瓶中加入一定量的水，然后在搅拌条件下加入一定量的浓H2SO4，滴加完毕后，待温度降至30～40℃之间时，用恒压滴液漏斗缓慢滴加间甲苯胺（21.65mL，0.2mol），待生成的硫酸氢铵盐完全溶解后，冷却降温至0℃。然后在氮气保护条件下，缓慢滴加浓度为30%的亚硝酸钠（14.49 g）溶液，滴加完毕后，继续反应15min左右，用淀粉碘化钾试纸检测亚硝酸钠是否剩余，如有剩余，剩余的亚硝酸钠用少量尿素晶体除去。

1.4 重氮盐的水解

量取一定量的水，然后在搅拌条件下加入一定量的硫酸，滴加完毕后，升温至110℃左右，在水蒸气蒸馏条件下，用计量泵液面以下滴加重氮盐溶液，滴加完毕后继续进行水蒸气蒸馏，直至馏出液澄清为止。

1.5 产品的后处理及纯化

流出组分用二氯甲烷萃取3次，然后合并有机相，水洗有机相至中性，分出有机相，旋蒸出二氯甲烷，得间甲酚粗品。所得间甲酚粗品减压精馏（回流比为1:1）得无色透明状间甲酚产品（其中釜温为150℃，塔顶温度为120℃，真空度为0.1 MPa）。纯化后的间甲酚经气相色谱分析，得知纯度达99.9%以上。

1.6 产品表征

图2 间甲酚的红外谱图

由图2可知，在3 340.2 cm-1处，为酚羟基中O—H的伸缩振动的缔合峰；在3 039.1 cm-1处，为苯环上C—H的伸缩振动峰；在1 930 cm-1处，为苯环上C—H的面外弯曲振动；在1 456.9 cm-1、1492.2 cm-1和1 590 cm-1处，为苯环上C——C的骨架振动；在1 340 cm-1处，为O—H的面内弯曲振动；在1 280 cm-1处，为C—O的伸缩振动峰；在685.1 cm-1和733 cm-1处，为C—H的面外弯曲振动；在2859 cm-1和2 923.8 cm-1处，为甲基上C—H的伸缩振动峰；在1 470 cm-1和1 380 cm-1处，为甲基上C—H的弯曲振动。由以上分析可知，可确定该物质为间甲酚。

2 实验结果与讨论

参考相关文献[5,9]，对实验中间甲酚收率和对生产成本影响因素较小的变量加以确定，即重氮盐制备时硫酸的用量为间甲苯胺的3倍，亚硝酸钠的浓度为35%。考察亚硝酸钠滴加时间、重氮化时硫酸浓度、水解时硫酸浓度和重氮盐滴加时间对间甲酚收率的影响。

2.1 重氮化时亚硝酸钠滴加时间对间甲酚收率的影响

图3 亚硝酸钠滴加时间对间甲酚收率的影响

由图3可知，在重氮化时硫酸浓度为30%，重氮盐水解时重氮盐滴加时间为50min条件下，间甲酚的收率先随着亚硝酸钠滴加时间的增加而增加，当时间达到一定值后，间甲酚收率随着滴加时间的增加而降低。

其原因可能是由于重氮化过程是快速、剧烈的放热反应，当亚硝酸钠滴加过快时，会使得体系中的温度增长过快，体系温度不易控制，并且导致局部高温，由于生成的重氮化合物在超过5℃时会急剧分解，从而导致间甲酚收率下降。同时，重氮化过程是一快速反应，当亚硝酸钠滴加速度过慢时，不能够保证体系中生成的亚硝酸始终处于过量状态，从而引起生成的重氮化合物与体系中的间甲苯胺或者与重氮化合物本身发生自偶合反应，从而导致间甲酚收率的下降。

综上所述，亚硝酸钠的滴加速度应该在尽量保证体系温度不超过5℃的条件下，尽可能地快速滴加，从而避免重氮化合物的分解和偶合反应的发生，进而获得较高收率的间甲酚。由图3可知，亚硝酸钠的滴加时间应控制在20min左右。

2.2 重氮化时硫酸浓度对间甲酚收率的影响

图4 重氮化时硫酸浓度对间甲酚收率的影响

由图4可知，在亚硝酸钠滴加时间为20min，水解过程中重氮盐滴加时间为50min的条件下，重氮化反应过程中，间甲酚的收率先随着硫酸浓度的增加而增加，当硫酸浓度超过一定值后，间甲酚的收率随着硫酸浓度的增加而降低。

其原因可能是由于体系中存在着以下平衡：

当硫酸浓度过大时，平衡（1）向右移动，有助于间甲苯胺向着铵盐方向转化，进而使得游离态间甲苯胺的浓度降低，从而不利于重氮化反应的进行。同时硫酸浓度较大时可以使得平衡（2）向左移动，即抑制生成的亚硝酸的水解，进而有助于重氮化反应的进行。如果硫酸的浓度过高时，在较低温度条件下，就会有大量的铵盐从体系中析出，使得体系成为非均相反应，不利于反应的快速进行。

当硫酸浓度过低时，虽有助于游离态间甲苯胺的存在，对重氮化反应是有利的；但当硫酸浓度过低时，在平衡（2）中，平衡右移，使得体系中亚硝酸的含量较低，同样不利于重氮化反应的进行。

即当硫酸浓度较低时，平衡（2）是控制反应的主要步骤，增加硫酸的浓度有助于体系中亚硝酸含量的增加，进而有助于重氮化反应的进行；随着硫酸浓度的增加，平衡（1）成为了控制反应的主要步骤，增加硫酸的浓度使得体系中游离态的间甲苯胺含量降低，从而不利于反应的进行。

综上所述，硫酸的浓度需要控制在一定范围内，使体系中游离态的间甲苯胺和亚硝酸均保持一定的浓度，由图4可知，硫酸的浓度应控制在35%左右。

2.3 重氮盐水解时硫酸浓度对间甲酚收率的影响

由图5可知，在亚硝酸钠滴加时间为20min，重氮盐水解时间为50min条件下，间甲酚收率随着硫酸浓度的增加而增加，当硫酸浓度到达一定值后，间甲酚的收率随着硫酸浓度的增加略微有所下降。

图5 重氮盐水解时硫酸浓度对间甲酚收率的影响

其可能原因是由于在碱性条件下或者是弱酸性条件下，重氮盐容易发生偶合反应，生成偶氮化合物。重氮盐正离子具有一定的亲电性，易于和芳香化合物发生偶合作用，生成相应的偶氮化合物；在硫酸浓度较大，即较强的酸性条件下，偶氮化合物生成铵盐，生成的铵盐正离子是较强的间位定位基团，能够和苯环上的电子云发生超共轭效应，进而降低了苯环上的电子云密度，从而抑制偶合反应的发生；同时在强酸性条件下，生成的间甲酚也不容易失去酚羟基上的氢离子，使得偶合反应不容易发生。

但酸性过强时，使得重氮盐的水解过程不容易发生，并且在工业生产中也会产生大量的废酸。

综上所述，硫酸的浓度应该保持在一定的范围，要在使其尽可能抑制副反应发生的条件下，尽可能降低硫酸的浓度。由图5可知，硫酸的浓度应该控制在50%左右。

2.4 重氮盐滴加时间对间甲酚收率的影响

图6 水解时重氮盐的滴加时间对间甲酚收率的影响

由图6可知，在亚硝酸钠滴加时间为20min，水解时硫酸浓度为50%的条件下，间甲酚的收率随着水解时间的增加而增加，当水解时间达到一定值后，间甲酚的收率随时间的增加基本不变。

其原因可能是由于当重氮盐水解时，重氮盐滴加过快时，重氮盐水解生成的间甲酚不能够及时在水蒸气蒸馏条件下从水溶液中蒸出，很容易引起生成的间甲酚和未水解的重氮化合物发生偶合反应生成偶氮化合物，从而导致间甲酚收率的降低，同时由于副反应的发生，也导致产品纯度下降。

当生成的重氮盐滴加过慢时，导致流出液体积过大，使得能耗增加，后处理复杂，并且产生大量废酸。

综上所述，重氮盐水解时间应该尽可能在保证偶合反应不发生的条件下，尽可能快速水解偶氮化合物。由图6可知，重氮盐的水解时间应在60min左右。

2.5 间甲酚主要影响因素的正交实验的设计

建立L9（34）正交实验，其水平和因素见表1，实验结果见表2，所得目的产物以间甲酚的收率为标准。

表1 重氮化反应因素水平表

由表2可知，由正交实验筛选出的最佳工艺条件是A3B2C2D1，即亚硝酸钠滴加时间为25min，重氮化反应时硫酸浓度为35%，重氮盐水解时硫酸浓度为50%，重氮盐水解时重氮盐滴加时间为60min。

实验计算过程中，极差R的大小反应了实验中各因素对实验结果影响的大小，极差较大，说明这种因素对指标的影响较大，通常为重要因素；极差较小，说明这种因素对指标的影响较小，通常为次要因素。根据极差R判断，A、B、C和D四因素的影响显著顺序为A>B>C>D，说明亚硝酸钠的滴加时间对间甲酚的收率影响最大，其次依次为重氮化时硫酸浓度、重氮盐水解时硫酸浓度、重氮盐水解时重氮盐滴加时间。

表2 正交实验结果

在正交实验确定的最佳实验条件下进行3次重复性实验，得间甲酚的平均收率为86.82%。

2.6 废酸的回收利用

重氮盐水解过程中产生的废酸，加入0.2%的活性炭，在室温、搅拌条件下，吸附0.5 h左右，除去溶液中的有机物。除去有机物后的酸液，用电解法除去溶液中的钠离子。所得硫酸溶液浓缩处理后即可再次循环利用。

3 结 论

间甲苯胺制备间甲酚的最佳工艺条件为：亚硝酸钠滴加时间为25min，重氮化反应时硫酸浓度为35%，重氮盐水解时硫酸浓度为50%，重氮盐水解时重氮盐滴加时间为60min，亚硝酸钠的浓度为35%，重氮化时硫酸的用量为3倍的间甲苯胺的量。在最佳工艺条件下，间甲酚的收率为86.82%。减压精馏后间甲酚的纯度达99.9%以上。用活性炭吸附法除去废酸中的有机物，同时用电解法除去酸中的钠离子。

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