基于连续流反应的间二硝基苯合成工艺研究

李 波 ，朱晓磊 ，孙 聪 ，顾 卫 ，韩璐璐 ，狄 梦 ，茆勇军 ，王 晗

（上海工程技术大学 化学化工学院，上海 201620）

间二硝基苯（m-DNB）是一种非常重要的基础工业化学品，广泛应用于农药、感光材料、印染等行业[1]. 其衍生物包括间苯二胺（MPA）、间氨基苯酚（MAP）和间苯二酚都有许多工业用途[2−4]，仅间苯二胺全球年产量就超过50 000 t.

1 NB同系物及传统工艺介绍

以硝基苯（NB）为原料，硝酸和硫酸混合硝化制备邻二硝基苯（o-DNB）、间二硝基苯（m-DNB）、对二硝基苯（p-DNB），产物比例为12∶85∶3，实验方法如图1所示. 实验室一般用大量水稀释酸性反应液，过滤分离得到3种异构体，其中的主要产物m-DNB是通过Na2SO3水溶液洗涤得到，但这样会产生大量废水[5].考虑到多余酸的回收再利用，以及有效地重结晶来纯化产物，本研究选用更为高效绿色环保的反应方法.

图1 m-DNB及其同系物的制备Fig. 1 Preparation of m-DNB and congeners

二硝基苯的工业生产是在传统的反应器中进行的[6]. 由于硝基苯转化为二硝基苯的反应热为155.03 kJ/mol，因此传统工艺存在一定的安全风险，此外，过热也有可能导致主产品产量低下. 为开发用于制备二硝基苯的可靠且可重复的连续流动工艺[7−9]，本研究开展了微通道反应技术的一系列研究，以降低二硝基苯大规模生产和分离的风险，连续流程如图2所示. 研究考察了反应温度、停留时间、硝基苯与硝酸的比例、硫酸与硝酸的比例等因素对反应的影响.

图2 间二硝基苯制备的连续流程图Fig. 2 Continuous-flow process diagram for the preparation of m-dinitrobenzene

2 实验设备与方法

2.1 实验仪器与试剂

实验仪器：微通道反应器、气相色谱仪、烧杯、量筒、天平.

实验试剂：98%浓度（质量分数，全文同）的H2SO4、65% 浓度的HNO3、水、硝基苯、NaOH 水溶 液、95%浓度的乙醇、CH2Cl2、NaHCO3水溶液.

2.2 实验方法

制备含有98% 浓度的H2SO4、65%浓度的HNO3和水的混合物，放入试剂瓶B中，将硝基苯放入试剂瓶A中，将A、B两瓶分别置于天平A、B上，通过减重校正实际用于反应的物料质量.

当微通道达到一定温度时，混合酸溶液和硝基苯分别以一定的流速由两台泵A和B泵送入反应器. 系统稳定（约5 min）后，将产物收集到500 mL绝缘提取器中（不搅拌）. 全连续流反应器运行1 h，记录消耗的混合酸和硝基苯.

将提取器中的反应溶液冷却至室温，分离产物和混合酸（下层）. 将酸排放到烧杯中，并添加计算量的98%浓度的H2SO4和发烟HNO3以将酸浓度调节至一定量后可再次使用. 向得到的二硝基苯产品中添加水，加热混合物，直至熔融.

用20%浓度的NaOH水溶液将上层水层调节至pH=7～7.5，静置20 min后，将下层（二硝基苯）通过绝缘管转移到500 mL结晶器中，向结晶器中加入95%浓度的乙醇，在80 ℃下加热并搅拌30 min，然后将溶液冷却至室温，通过抽滤收集产物，用95%浓度的乙醇洗涤2次，最后在35 ℃下干燥4 h以得到白色固体形式的m-DNB，用气相色谱测其纯度.

3 实验研究内容

3.1 硫酸浓度的研究

混合酸的硫酸浓度计算公式为

传统方法中，工业生产二硝基苯是用硝基苯和混合酸在90 ℃下反应2 h，硫酸浓度为96%，反应物的摩尔比为n(H2SO4)∶ n(HNO3)=1.8/1，n(HNO3)∶n(NB)=1.07∶1[10]. 本研究将该反应方法与微通道技术相结合，对此进行研究.

当微通道反应器夹套温度上升到设定点（温度>72 ℃）时，硝基苯和混合酸分别从柱塞泵A（SANOTACTM MP0506C，316SS）和 泵B（SANOTACTM MP0502C）输送到微通道反应器芯片（苏州文豪有限公司，持液率3 mL × 3串联），即图2中的QA和QB所示. 因为二硝基苯的熔点为60～70 ℃，所以流体管道必须用保温棉保温，以防止产品凝固. 同时产物收集到含有冰水和CH2Cl2的容器中，将反应液分离，分别用3%浓度的NaHCO3和去离子水洗涤，除去微量酸和无机物，通过高效液相色谱分析，结果如图3所示.

图3 硫酸浓度对NB转化率和产物产率的影响Fig. 3 Effect of sulfuric acid concentration on conversion of NB and product productivity

从图中可以看出硫酸浓度从96%降低到92%后，硝基苯的转化率和主要产物m-DNB的选择性显著提高. 当硫酸浓度低于92%时，硝基苯的转化率明显降低. 因此，选择92%的硫酸浓度进行后续优化研究.

3.2 n(H2SO4)∶ n(HNO3)的影响研究

当混合酸作为硝化剂时，硫酸可作为催化剂或脱水剂. 混合酸中硫酸的含量是硝化反应的重要影响因素. 实验中改变n(H2SO4)∶ n(HNO3)为1.8∶1～5.8∶1，影响如图4所示. 从图中可以看出，硝基苯的转化率随着硫酸用量的增加而增加，最佳摩尔比n(H2SO4)∶ n(HNO3)为5.3∶1.

图4 n(H2SO4)∶ n(HNO3)对NB转化率和产物产率的影响Fig. 4 Effect of molar ratio of H2SO4 and HNO3 on conversion of NB and product productivity

3.3 n(HNO3): n(NB)的影响研究

适当的反应物摩尔比可促进转化，提高产物产率. HNO3与NB摩尔比对硝基苯转化率和产品产率的影响如图5所示. 硝基苯的转化率随反应物摩尔比的增加而增加，当n(HNO3)∶ n(NB)>1.15时，硝基苯的转化率基本不变.

图5 n(HNO3)∶ n(NB)对NB转化率和产物产率的影响Fig. 5 Effect of the molar ratio of HNO3 and NB on conversion of NB and product productivity

3.4 反应温度的研究

根据上述的熔点，反应温度需要高于70 ℃，否则微通道和管道易被堵塞. 而当温度高于100 ℃时，高效液相色谱分析结果表明硝基苯的产率降低. 硝酸的分解速率可能在较高的温度下增加. 反应温度对硝基苯转化率和产物产率的影响如图6所示. 从图中可以看出，硝基苯的转化率随反应温度的升高先升高后降低，在85 ℃下二硝基苯的产率达到84.9%，为使经济效益最大化，将反应温度控 制在85 ℃.

图6 反应温度对NB转化率和产物产率的影响Fig. 6 Effect of reaction temperature on conversion of NB and product productivity

3.5 停留时间的研究

停留时间过短可能导致试剂转化率过低，而停留时间过长则会导致副产物过多. 停留时间对硝基苯转化率和产品产率的影响如图7所示. 在实验过程中，当保留时间达到一定水平时，硝基苯的转化率和产物产率几乎保持不变，因此反应的保留 时间最好为70 s.

图7 保留时间对NB转化率和产物产率的影响Fig. 7 Effect of retention time on conversion of NB and product productivity

3.6 最优实验条件实例

取98%浓度的H2SO4、65%浓度的HNO3和水制备成硫酸浓度为92% 的混酸置于试剂瓶B，在试剂瓶A中放入硝基苯，将A、B两瓶分别置于天平A、B上，通过减重校正实际用于反应的物料质量.

当微通道温度达到85 ℃时，混合酸溶液和硝基苯分别以6.0 mL/min和1.6 mL/min的流速由两台泵A和B泵送入反应器. 系统稳定（约5 min）后，将产物收集到500 mL绝缘提取器中（但不搅拌）. 全连续流反应器运行15 min，消耗混合酸（124 g，平衡B）和硝基苯（22.4 g）.

将提取器中的反应溶液冷却至室温，分离产物和混合酸（下层）. 将酸排放到烧杯中，根据实际计算，可再添加98% 浓度的H2SO4和发烟HNO3，将酸浓度调节至92%后再次使用. 向提取器中得到的二硝基苯产品中添加水（25.7 g），并将混合物加热至80 ℃，熔化固体并搅拌溶液.

用20% 的NaOH水溶液（10 min）将上层水层调节至pH=7.0～7.5. 在80 ℃下静置20 min后，将下层（二硝基苯）通过绝缘管转移到500 mL结晶器中，向结晶器中加入95%浓度的乙醇（60 mL），在80 ℃下加热并搅拌30 min，将溶液冷却至室温.通过抽滤收集产物，用95%浓度的乙醇（10 mL×2）洗涤，在35 ℃下干燥4 h以得到白色固体形式的m-DNB（26.2 g，85.5%），熔点89.1～90.2 ℃，纯度>99%（气相色谱分析）.

4 实验结果

综上所述，本研究通过分析硝基苯连续流动硝化过程中反应参数对实验的影响，获得的最佳反应条件为：T = 85 ℃，t = 70 s，硫酸浓度为92%，x（H2SO4/HNO3）= 5.3，x（HNO3/NB）= 1.15，QA=1.6 mL/min，QB= 6.0 mL/min. 在此条件下，硝基苯的转化率为99.2%，对二硝基苯、间二硝基苯和邻二硝基苯的产量分别为3.5%、85.5%和10.2%，可以满足高效工业生产的需要.

将混合的二硝基苯产品收集到一个绝缘的提取器中，多余的混合酸冷却至室温后被分离，通过添加适当计算量的H2SO4和HNO3后，可再次使用. 将固化的二硝基苯和水在80 ℃加热搅拌，用NaOH水溶液将上层水层调节至pH=7～7.5，下部的二硝基苯层通过保温管转移到结晶器中，在结晶器中加入95%浓度的乙醇，通过重结晶可分离出总收率在75%以上的产物m-DNB.

采用CBP1-S25-050色谱柱（25 m×0.32 mm×0.5 μm），在岛津2014C上用火焰离子化检测器进行气相色谱分析，氢气流速为30 mL•min−1；氮气流速为20 mL•min−1. 温度在80 ℃下保持恒定3 min，然后以10 ℃•min−1的速率从80 ℃升高到170 ℃，然后以4 ℃•min−1的速率立即从170 ℃升高到200 ℃，并在200 ℃下保持恒定5 min. 前进口温度为230 ℃，气相色谱法测定组分（保留时间）为：NB（11.2 min）、p-DNB（19.5 min）、m-DNB（20.6 min）、o-DNB（22.0 min）. 测量成分比例的气相色谱（GC）校准曲线如图8所示.

图8 硝基苯（NB）和p-DNB、m-DNB、o-DNB的典型气相色谱分析Fig. 8 A typical GC run of nitrobenzene (NB) and p-DNB, m-DNB, o-DNB

5 结 语

利用微流控反应技术，在调节硫酸酸强、硝酸与硫酸的摩尔比、硝酸与硝基苯的摩尔比、反应温度和停留时间等参数的基础上，得到一条合成间二硝基苯的路线，该路线绿色环保高效且操作简便，可以满足高效工业生产的需要.