由脲和硝基苯製備4－亞硝基苯胺的方法
2023-04-28 04:18:56
專利名稱：由脲和硝基苯製備4－亞硝基苯胺的方法
技術領域：
本發明涉及一種製備4-亞硝基苯胺的方法，更具體地涉及一種選擇性製備4-亞硝基苯胺的方法，其中在鹼存在時，脲與硝基苯在極性有機溶劑中反應。
4-亞硝基苯胺用於某些應用中，如用作製備染料或製備染髮劑以及光穩定劑的中間體。但由於其製備困難，尚未對其應用進行大量研究。
已知由苯胺和亞硝酸鈉(NaNO2)合成N-亞硝基苯胺，然後通過費歇爾-赫普重排作用來製備4-亞硝基苯胺(Tetrahedron，1975，31，1343-9和US 3338966)。這種方法的缺點是在費歇爾-赫普重排過程中發生脫亞硝基作用(denitrososation)，並且會大量產生含有對環境有害的亞硝基(NO)化合物的廢物。
還已知由對亞硝基苯酚和氨或氯化銨反應來製備4-亞硝基苯胺(J.Chem.Soc.，1955，2049)。這種方法的缺點是4-亞硝基苯胺的收率太低。
最近發現，在鹼存在時，通過芳環氫的親核取代(NASH)作用，使苯胺和硝基苯反應可以製備4-硝基二苯胺(4-NDPA)，4-硝基二苯胺為用於製備橡膠抗臭氧劑的4-氨基二苯胺的前體。與製備4-NDPA的其它方法相比，NASH方法奇蹟般地減少了所產生的化學廢物量和廢水量(90％或更多)，不再使用對環境不利的化學物質(氯)，改善了方法的安全性。另外，這種方法的優點在於不需要從異構體混合物中分離4-氯代硝基苯的過程，並且最終產品的純度極高。
在利用NASH的反應中，公知的是在四甲基銨氫氧化物(TMA(OH))存在時，使苯胺和硝基苯直接反應製備4-NDPA和4-亞硝基二苯胺(4-NODPA)。參見J.Am.Chem.Soc.，1992，114(23)，9237-8；US 5117063；US 5253737；US 5331099；US 5453541；US5552531和US5633407。
據報導在反應過程中所生成的4-NDPA和4-NODPA的比可以通過苯胺和硝基苯的摩爾比來控制。例如，當苯胺和硝基苯的摩爾比為1左右時，4-NODPA和4-NDPA的收率分別為15mol％和80mol％。另一方面，當苯胺和硝基苯的摩爾比為50左右時，得到的4-NODPA和4-NDPA的收率為86mol％和9mol％。已知最終產物的選擇性取決於由苯胺和硝基苯形成的中間加合物的氫負離子(H-)是否通過分子內反應或分子間反應消耗掉。
還已知在NASH反應中由硝基苯和苯甲醯胺來製備4-硝基苯胺。這是通過一個兩步反應來完成的，該兩步反應包括合成穩定的中間產物N-(4-硝基苯)苯甲醯胺，然後加入水(或氨)使加合物分解成4-硝基苯胺和苯甲酸(或苯甲醯胺)。參見J.Am.Chem.Soc.，1992，114(23)；J.Org.Chem.，1993，58，6883-6888；US 5436371；US 5380946和PCT公開的WO93/24447。在反應過程中，當水分被完全除去時，N-(4-硝基苯)苯甲醯胺的收率為98％左右，而在未除去水分，在氧氣氛圍中進行製備時，N-(4-硝基苯)苯甲醯胺的收率只有20％左右。這些結果表明形成無水反應條件是特別重要的。另外，所報導的這種反應是在與製備4-亞硝基苯胺無關的情況下來製備4-硝基苯胺的。
同時，對4-亞硝基苯胺進行加氫處理可製備對苯二胺(PPD)。PPD被廣泛用作化妝品和抗氧化劑原料、以及燃料添加劑，並且由於其能夠容易被氧化形成色料的性質，在染料應用中具有很大的用途。另外，PPD的最大用途是作為具有高耐化學性、高耐熱性以及高強度的功能性纖維用來製備aramid，以及用來製備聚氨酯原料亞苯基二異氰酸酯。
我們勤奮努力，為了發現一種與現有技術方法相比改進的製備4-亞硝基苯胺的方法，現有方法的問題在於在反應後產生對環境有害的副產物亞硝基化合物，該反應很難生產4-亞硝基苯胺，並且收率很低。作為結果，我們已經發現，在鹼存在時，脲和硝基苯直接反應可以製備4-亞硝基苯胺，並且還發現，當使用鹼金屬或鹼土金屬作為鹼、並大致控制所使用的脲和硝基苯的量時，可以在高收率和高選擇性的條件下製備4-亞硝基苯胺，從而實現了本發明。
本發明的優點在於可以以高收率製備4-亞硝基苯胺，只有少量或沒有鄰位化合物，如2-硝基苯胺和2-亞硝基苯胺，並且加氫得到高純度的PPD。另外，本發明可以用於在很大程度上不受水分含量影響的反應中，並且不必形成無水狀態的反應條件。另外，該方法的優點是其中不進行中間體形成然後分解的兩步反應，從而該反應可以在一個反應器中在較短的時間內完成。
通過閱讀下列說明書，對本發明所涉及的技術領域的熟練技術人員來說，本發明的前述及其它目的、特徵和優點將更加明顯。
本發明涉及一種在常用鹼存在時，在極性有機溶劑中，由脲和硝基苯製備4-亞硝基苯胺的方法。
與現有技術方法相比，本發明在比較溫和條件下，在便宜的鹼金屬鹼存在時，使脲和硝基苯反應，並利用NASH反應，來選擇性製備4-亞硝基苯胺。
在鹼存在時很容易失去質子的脲與硝基苯的反應性能很好，並且基本上不受水分含量影響。另外，脲和硝基苯的加合物是不穩定的，從而在反應過程中所產生的水作用下，很容易分解成4-硝基苯胺和4-亞硝基苯胺。因此縮短了反應時間及處理時間。
按照本發明，適當控制所使用的硝基苯/脲的摩爾比，在最終產物的選擇性方面可以起到決定性的作用。當硝基苯/脲的摩爾比超過1時，所生成的主要是4-硝基苯胺和4，4′-二硝基二苯胺(下文簡稱為「DNDPA」)。但當硝基苯/脲的摩爾比小於1時，主產物為4-亞硝基苯胺。
在實施本發明的過程中，可以使用大量的極性有機溶劑。在這些溶劑中，從與鹼混溶的角度來看，優選的極性有機溶劑的例子包括二甲亞碸(下文簡稱為「DMSO「)、N，N-二甲基甲醯胺(下文簡稱為「DMF」)、以及N-甲基-2-吡咯烷二酮(pyrrolidinone)(下文簡稱為「NMD」)，但並不局限於這些物質。在DMSO中的反應具有最高的反應活性和收率。所使用的溶劑與脲的重量比範圍為大約50∶1至大約1∶1，優選的比值範圍為大約30∶1至大約1∶1。
按照本發明，所使用的鹼的例子包括鹼金屬和鹼土金屬鹼，如氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)、叔丁醇鉀(t-BuOK)、以及氫化鈉(NaH)和TMA(OH)，但並不局限於這些鹼。所使用的鹼與脲的摩爾比範圍為大約1∶1至大約10∶1，優選的比值範圍為大約1∶1至大約4∶1。
按照本發明，所使用的硝基苯量對最終產物的選擇性具有很大影響。所使用的硝基苯與脲的摩爾比超過1時，可以增大4-硝基苯胺的選擇性，並加速DNDPA的生成。另一方面，硝基苯與脲的摩爾比小於1時，可以使4-亞硝基苯胺具有良好的選擇性。
為了從反應溶液中除去在反應開始時或反應過程中產生的水分，可以進行真空精餾或使用乾燥劑。例如，可以用作乾燥劑的物質包括無水碳酸鈣、無水硫酸鈉、無水硫酸鎂、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫化鈉、分子篩及類似物。但是由於本發明的方法在反應過程中，在很大程度上不受水分含量影響，因此使用乾燥劑或連續精餾從反應溶液中除去水分，僅使收率少量增加。該反應可以在氮氣或氧氣氛圍中或在空氣中進行。另外，水分與鹼的摩爾比超過3時，會導致反應速率降低。
按照本發明，反應是在氧或氮從中流過的氛圍中進行的。在氮氣氛圍中，產生副產物，如偶氮苯、氧化偶氮苯及類似物質。但是，在硝基苯/脲的摩爾比小於1的情況下，反應不受氣體氛圍影響，即使在氮氣氛圍中，所產生的氧化偶氮苯量也只有1％。
實施例下列實施例只用於說明目的，不以任何方式限定本發明的範圍。
在下列實施例中，利用核磁共振(NMR)譜圖和氣相色譜/質量選擇檢測器分析並確定產物。另外，利用氣相色譜和高性能液相色譜分析產物，確定其定量分析值。在這種定量分析中，除DNDPA以外，所有物質均利用氣相色譜進行分析，分析條件如下毛細管柱ULTRA 2(5％交聯的Ph.Me矽)50m×0.2mm×0.33μm載氣氮壓頭20psig烘箱150℃(2min.)至280℃，β=10℃/min檢測器及溫度FID(280℃)分流比30∶1混合氣體流量38ml由於DNDPA具有高沸點，是不適合利用氣相色譜進行分析的物質，因此使用高性能液相色譜對其進行定量分析。這種高性能液相色譜分析是採用日本的Hitachi Co.所製造的產品來進行的，這種色譜由L-6200智能泵和L-4200 UV-VIS檢測器組成。在高性能液相色譜中，所有定量值均是在254nm的波長下測得的，洗脫流量為1ml/min。另外，在高性能液相色譜中，使用的是Cosmosil 5C18-AR(4.6×150mm)填料柱。高性能液相色譜的洗脫梯度由下表1給出。
表1HPLC的洗脫梯度
為了定量分析每種產物，使用芘作為內標物。相對芘的面積以及標正後的標準，計算每種物質濃度的面積比。由標定曲線計算產物摩爾濃度，收率以硝基苯為基準。
實施例1向配有冷凝器及溫度計的100ml三頸反應器中加入3.60g(60mmol)脲、1.50g碳酸鉀、3.96g(60mmol)氫氧化鉀、0.3034g芘以及25gDMSO。然後，在氧氣氛圍下，在攪拌條件下，將所形成的混合物加熱到90℃。一旦反應溫度達到90℃，則在5到10分鐘的時間內，利用注射器緩慢滴加2.48g(20mmol)硝基苯和5g DMSO的混合溶液。然後注意保持溫度為90±4℃，同時加入硝基苯溶液。為了進行定量分析，採出試樣並將其溶解在2.5ml含有少量水的乙酸乙酯中，然後利用硫酸鎂(MgSO4)，從所形成的溶液中除去水分。定量分析表明，以硝基苯為基準，所得到的4-亞硝基苯胺和4-硝基苯胺的收率分別為87mol％和12mol％。
對比例1向配有冷凝器及溫度計的100ml三頸反應器中加入7.32g(60mmol)苯甲醯胺、1.50g碳酸鉀、3.96g(60mmol)氫氧化鉀、0.3034g芘以及25g DMSO。接下來在氧氣氛圍下攪拌所形成的混合物，然後加熱到90℃。一旦反應溫度達到90℃，則在5到10分鐘的時間內，利用注射器緩慢滴加2.48g(20mmol)硝基苯和5g DMSO的混合溶液。在反應兩小時後，採出試樣並將其溶於2.5ml乙酸乙酯中。然後利用硫酸鎂(MgSO4)除去所形成的溶液中的水分。利用GC對產物的定量分析表明，以硝基苯為基準，所得到的4-亞硝基苯胺和4-硝基苯胺的收率分別為14mol％和1mol％，還得到中間體N-(4-硝基苯)苯甲醯胺。為了確定N-(4-硝基苯)苯甲醯胺的生成，用己烷處理反應溶液，加入5 g水和30g DMSO，然後放置在80-90℃的溫度下反應8小時。然後採出試樣，將其溶解於2.5ml乙酸乙酯中。然後利用硫酸鎂(MgSO4)除去所形成的溶液中的水分。對所生成的物質的定量分析表明，以硝基苯為基準，所得到的4-硝基苯胺的收率為26mol％。
實施例2在與實施例1相同的條件下進行反應，只是改變了各反應的反應溫度。結果由下表2給出。
表2
*收率由液相色譜得到實施例3在與實施例1相同的條件下進行反應，只是改變了各反應的硝基苯與脲的摩爾比。結果由下表3給出。
表3
*收率以脲為基準實施例4在與實施例1相同的條件下進行反應，只是改變了各反應的鹼的種類。結果由下表4給出。
表4
實施例5向配有冷凝器及溫度計的100ml三頸反應器中加入1.20g(20mmol)脲、2g碳酸鉀、0.1011g芘、25g DMSO以及摩爾比隨表5中給出的脲變化的KOH。然後，攪拌所形成的混合物，並將其加熱到90℃。一旦反應溫度達到90℃，則在5到10分鐘的時間內，利用注射器緩慢滴加0.83g(6.7mmol)和5g DMSO的混合溶液。在反應器內部溫度不超過90±4℃時，使所形成的混合物反應2小時。然後對產物進行定量分析。結果由下表5給出。
表5
實施例6在與實施例1相同的條件下進行反應，只是改變了各反應所使用的溶劑種類。結果由下表6給出。
表6
*二甲苯和二噁烷分別按1∶1的重量比與DMSO混合。
實施例7在與實施例1相同的條件下進行反應，只是改變了所使用的溶劑量。結果由下表7給出。
表7
實施例8在與實施例1相同的條件下進行反應，只是改變了各反應的反應體系中的水分含量。結果由下表8給出。
表8
A使用未純化的工業溶劑。B使用乾燥劑除去反應體系中的水分。C在真空條件下，除去水分後進行反應。D和E水的用量以KOH為基準。
實施例9在與實施例1相同的條件下進行反應，只是各反應的氣體氛圍分別為氧、氮、和空氣。結果由下表9給出。
表9
工業實用性由上述說明可知，本發明提供了一種製備4-亞硝基苯胺的方法，其中使用相對便宜的脲和硝基苯為原料，並且使用相對便宜的鹼，從而降低了生產成本。在本發明方法中，作為胺供體的脲與硝基苯的反應性能很好，以高收率製備4-亞硝基苯胺，只有少量或沒有鄰位化合物，並且與4-(4-硝基苯)苯甲醯胺相比，反應中間體是不穩定的，容易分解成4-硝基苯胺和4-亞硝基苯胺。這縮短了反應時間和處理時間。另外，本發明方法的優點在於，其中不產生對環境有害的副產廢物。
儘管已經針對說明目的公開了本發明的優選實施方案，但在不偏離如所附的權利要求書所公開的本發明範圍和精神實質的情況下，本領域的熟練技術人員會意識到各種改進、添加和取代都是可能的。
權利要求
1．一種製備4-亞硝基苯胺的方法，該方法包括在室溫至150℃的溫度下，在鹼存在時，在極性有機溶劑中使脲和硝基苯反應。
2．權利要求1的方法，其中硝基苯和脲的摩爾比小於1。
3．權利要求1的方法，其中極性有機溶劑選自二甲亞碸(DMSO)、N，N-二甲基甲醯胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷二酮(NMP)、與二甲亞碸混合的二甲苯、以及與二甲亞碸混合的二噁烷。
4．權利要求1的方法，其中鹼選自氫氧化鈉、氫化鈉、氫氧化鉀、叔丁醇鉀、以及四甲基銨氫氧化物。
5．權利要求1的方法，其中鹼和脲的摩爾比範圍為1-10。
6．權利要求1的方法，其中反應是在氮、氧或空氣氛圍下進行的。
全文摘要
本申請公開了一種製備4－亞硝基苯胺的方法,該方法是在室溫至150℃下,在鹼存在時,在極性有機溶劑中使脲和硝基苯反應。該方法使用相對便宜的脲和硝基苯為原料,並且使用相對便宜的鹼,從而降低了生產成本。作為胺供體的脲與硝基苯的反應性能很好，並且與4－(4－硝基苯)苯甲醯胺相比,其反應中間體是不穩定的,容易分解成4－硝基苯胺和4－亞硝基苯胺。這縮短了反應時間和處理時間。另外,該方法的優點是不產生對環境有害的副產廢物。
文檔編號C07C211/52GK1296002SQ0010695
公開日2001年5月23日 申請日期2000年4月26日 優先權日1999年11月16日
發明者朱泳悌, 金鎮億, 元貞姙, 黃今意 申請人:錦湖石油化學株式會社