2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸的合成工艺改进

齐 峰， 杨桂秋， 刘舒曼

(1.沈阳化工大学 制药与生物工程学院, 辽宁 沈阳 110142； 2.太原理工大学, 山西 太原 030024)

2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸是重要的有机合成中间体，应用于染料、医药和农药的生产[1]，是合成甲基磺草酮的重要中间体[2].而甲基磺草酮是通过磺草酮结构修饰而开发的一个三酮类除草剂品种[3]，其具有杀草谱广、可混性强、活性高[4]、毒低性、对后茬作物安全等特点，在我国拥有非常大的市场[5].

目前，关于合成2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸的报道很多，主要有硝酸氧化法、液态空气氧化法、高锰酸钾氧化法、重铬酸钠氧化法、氧气氧化法等[6].本文主要研究的是以对甲磺酰基甲苯为原料，以硫酸为反应介质，硝化得到2-硝基-4-甲磺酰基甲苯；然后再以为五氧化二钒为催化剂，硝酸为氧化剂制得2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸[7].采用“一锅合成”硝化得到2-硝基-4-甲磺酰基甲苯，不经分离直接进行下步反应，并对反应体系中的硝酸、硫酸进行回收重复利用，避免产生大量的废酸，同时降低了生产成本，减少了环境污染[8].产品总收率可达88.3 %(文献[1]收率：87.2 %).具体合成路线为：

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,天津市予华仪器科技有限公司；DHJF-8002低温恒温搅拌反应浴,广州市予华仪器科技有限公司；RE-5002旋转蒸发仪,郑州科华仪器设备有限公司；LC-10Avp型高效液相色谱仪,岛津公司；对甲磺酰基甲苯,湖北巨胜科技有限公司；五氧化二钒,湖北兴银河化工有限公司；其余所有试剂均为市售化学纯.

1.2 2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸的合成

将35 g(0.206 mol)对甲磺酰基甲苯加入到四口烧瓶中，再加入160 g(87 mL，1.633 mol)浓硫酸(质量分数为98 %)，常温搅拌使其溶解，降低温度控制在10～15 ℃，向四口烧瓶内缓慢滴加21 g(15 mL，0.216 mol)硝酸(质量分数为65 %),温度不可超过15 ℃，滴加完毕后，保温3 h，取有机相用高效液相色谱仪分析，得2-硝基-4-甲磺酰基甲苯,质量分数为99.5 %，向反应混合物中加入50 g水，搅拌，析出白色晶体.

直接向反应瓶中加入0.9 g五氧化二钒，待温度稳定后，开始升温，温度升至150 ℃时开始滴加质量分数为65 %的硝酸，温度控制在150～155 ℃，滴加速度为0.30 mL/ min，共滴加160 mL，保温9 h，在滴加过程中要控制分水量和回流量，保证硫酸质量分数不低于70 %，使反应能够快速地进行.反应结束后，加入150 g水，降温至30 ℃，搅拌30 min，过滤，得2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸粗品.

向粗品产物中加入200 g水，开启搅拌，升温至40～45 ℃，滴加碱液，将pH值调到12～13，保温2 h后加入盐酸，将pH值调到0.5，搅拌30 min，降温，过滤，干燥，即得2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸成品44.65 g，收率88.3 %，质量分数为98.7 %，m.p.205～206 ℃(文献[1] 205.6～206.5 ℃).

2 结果与讨论

2.1 对甲磺酰基甲苯的硝化

在硝化反应中，对反应总收率影响的主要因素有反应温度、时间及硝酸的用量.温度过低反应速度慢，温度过高会产生大量副产物.经过反复实验得出：最佳的反应温度为10～15 ℃，反应时间最佳为4 h，硝酸微过量.另外，为了使硝化反应停止，在硝化结束后向反应混合物中加入一定量的水，以免副反应产生多硝基副产物，同时降低了反应体系中硫酸的浓度，避免在后续的氧化过程中反应过于剧烈，产生过多杂质.

2.1.1 反应温度对收率的影响

在反应过程中，温度是主要的影响因素，其他反应条件不变，反应温度对收率的影响如表1所示.

温度过低反应速度慢，温度过高会产生大量副产物，经过反复的实验得出最佳的反应温度为10～15 ℃.

表1 温度对收率的影响

2.1.2 反应时间对收率的影响

在反应过程中，反应时间是主要的影响因素，温度在10～15 ℃时其他反应条件不变，反应时间对收率的影响如表2所示.由表可知最佳反应时间为4 h.

表2 反应时间对收率的影响

2.1.3 硝酸用量对反应收率的影响

该反应过程中，硝酸的用量是主要的影响因素，温度在10～15 ℃，反应时间为4 h，其对收率的影响如表3所示.

表3 硝酸用量对收率的影响

在反应过程中，硝酸的用量少反应不完全，硝酸的用量过多会产生多硝基副产物.经过实验证明：硝酸的用量微过量收率最高.

2.2 2-硝基-4-甲磺酰基甲苯的氧化

2.2.1 反应温度对收率的影响

在反应过程中，温度是主要的影响因素，其他反应条件不变，反应温度对反应收率的影响如表4所示.

表4 反应温度对收率的影响

反应温度太低反应很难发生，收率较低，反应温度过高容易过度氧化，产生大量的副产物，收率较低.经过实验证明:反应的最佳温度为150～155 ℃.

2.2.2 反应时间对收率的影响

反应时间也会影响反应的收率，温度在150～155 ℃时，反应时间对反应收率的影响如表5所示.

表5 反应时间对收率的影响

实验证明:反应时间较短反应不完全，收率较低;反应时间过长副产物增多，收率降低;最佳的反应时间为10 h.

2.3 废酸回用

反应由于在硫酸的介质中进行，并且硝化和氧化用的是硝酸，所以，会产生大量的废酸.由于实验中氧化直接用硝化结束的反应体系，所以废酸主要来自氧化后的母液，其中主要含有的是硫酸、硝酸及水.将母液进行蒸馏，可以将硝酸和水分离出来，能得到质量分数为90 %的硫酸，可以用于下一批的反应.蒸出硝酸的质量分数大概是35 %，可以用浓硝酸配成质量分数为65 %的硝酸用于之后的反应.同时，将反应产生的废酸回收利用，降低了生产成本.

3 结 论

(1)采用对甲磺酰基甲苯为起始原料，经硝化 、硝酸氧化制2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酸，中间产物2-硝基-4-甲磺酰基甲苯不需从反应体系中分离出来,直接用该体系进行氧化反应，减少了操作，减少了硫酸的用量，降低了成本,也减少了三废量.

(2)反应中产生的大量废酸，经过蒸馏、加入新酸，使废酸能够重复使用，减少了酸的用量，在反应产生废酸的回收利用方面进行了有益的探索.