3-氨基-4-甲基苯甲腈的合成及条件优化

王政，阎峰，张寒冰，毕寒，卓桢成



3-氨基-4-甲基苯甲腈的合成及条件优化

王政，阎峰，张寒冰，毕寒，卓桢成

（沈阳化工大学 应用化学学院，辽宁 沈阳 110142）

以对甲基苯甲腈为原料，混酸硝化后所得产物经水合肼还原得到目标产物3-氨基-4-甲基苯甲腈，还原过程以10% FeO（OH）/C为催化剂。通过正交试验确定最佳反应条件，并得到硝化反应优化产率为86.55%；还原反应优化产率为79.64%；实验总产率为68.93%。产物结构用红外光谱（IR）进行了表征。

氢氧化氧铁；水合肼；4-甲基-3-硝基苯甲腈；3-氨基-4-甲基苯甲腈

3-氨基-4-甲基苯甲腈是一种重要的有机药物中间体[1]。目前国内外对该物质合成方法的报道较少，因此找到一种可行性大、产率高的方法合成3-氨基-4-甲基苯甲腈具有重要意义。本文以对甲苯腈为原料，通过硝化和还原两步反应合成目标产物。

常规的硝化反应主要有浓硝酸硝化法、稀硝酸硝化法、混酸硝化法、硝酸酸酐硝化法，溶剂硝化法、气相硝化法等。本实验中，原料对甲苯腈由于氰基是吸电子取代基，钝化效应使硝化条件变得苛刻，因此采用加入浓硫酸的方法加快反应速率，且副反应较少[2]。

关于硝基还原的方法文献中有较详细报道，由于传统的铁粉还原法和硫化碱还原法对环境污染较重［3］，在工业生产中受到越来越大的限制。催化加氢法具有效率高、无污染的优点［4］，但反应需在较高压力下进行，且氢气易爆炸具有一定的危险性，对设备要求较高。水合肼还原法具有选择性好、无污染的优点［5］，反应中不还原氰基, 在不过量的情况下也不还原偶氮基,尤其适合多用途间歇式常压反应器内小批量精细化工产品的生产, 具有清洁、常压进行、后处理简单、转化率高等特点〔5〕。具体合成路线如图1。

图1 3-氨基-4-甲基苯甲腈的合成路线

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

对甲苯腈，水合肼（80%），甲苯等均为分析纯，20-30目粒状活性炭，去离子水；红外光谱仪（NEXUS470，美国能源公司）。

1.2 4-甲基-3-硝基苯甲腈的制备

将称取的浓硫酸倒入250 mL的三口烧瓶中，加入对甲苯腈固体，再将三口烧瓶置于低温恒温水浴锅中，预设-15 ℃，开动搅拌，待烧瓶内的固体全部溶解且温度降至-15 ℃时，开始缓慢滴加硝酸，控制反应温度在-10～-15 ℃之间。硝酸滴加结束后，计时反应。

反应结束后将所得溶液倒入装有冰水的烧杯中，析出大量的白色固体，待其冷却至室温进行抽滤，滤饼进行中和、水洗，再用95%的乙醇重结晶得白色针状晶体。

1.3 10% FeO(OH)/C的制备〔6〕

称取0 .676 g FeCl3·6H2O , 放入小烧杯中, 加入少量蒸馏水并搅拌，待FeCl3·6H2O 全部溶解, 再加蒸馏水稀释至15 mL , 得FeCl3溶液。精确称量2.0 g 活性炭, 加至配制好的FeCl3溶液中, 搅拌后, 于室温下晾干, 得到浸渍好的FeCl3/C。将FeCl3/C加至10%（质量分数, 下同）的氨水中, 于室温搅拌4 h ,充分反应后FeCl3转变成Fe（OH）3。用蒸馏水充分洗涤固体至中性, 于120 ℃干燥4 h ,得10% FeO（OH）/C。

1.4 3-氨基-4-甲基苯甲腈的制备

将上步制得的4-甲基-3-硝基苯甲腈和催化剂10% FeO（OH）/C按一定量放入三口瓶中，加入30 mL的甲苯，升温，在0.5 h内滴加完水合肼, 反应一定时间后, 冷却、过滤。用甲苯洗涤催化剂, 滤液合并,碱洗，水洗，无水硫酸镁干燥过滤，旋转蒸发仪蒸除溶剂，过层析柱得产物。

2 结构表征

2.1 4-甲基-3-硝基苯甲腈的红外谱图解析

在3 086.75 附近是C-H伸缩振动特征吸收峰，可作为烷基存在的依据；在2 233.09 附近是C≡N的伸缩振动特征吸收峰；在1 615.39 和1 488.37 附近是苯环的C=C骨架伸缩振动特征吸收峰；在1522.67 附近是的反对称伸缩振动特征吸收峰；在1 352.31 附近是的对称伸缩振动特征吸收峰。从产物的红外吸收光谱数据可以判断该物质含有苯环、甲基、硝基、氰基，与目标产物4-甲基-3-硝基苯甲腈的结构符。

2.2 3-氨基-4-甲基苯甲腈的红外谱图解析

在3 471.60 和3 380.26 附近是伯胺N-H伸缩振动特征吸收峰；在2 224.26 附近是C≡N的伸缩振动特征吸收峰；在1 627.84 ，1 572.12 和1 509.37 附近是苯环的C=C骨架伸缩振动特征吸收峰；在1292.58 附近是芳香胺的伯胺C-N伸缩振动特征吸收峰；在867.82 和806.10 附近是取代苯C-H面外弯曲振动吸收峰。从产物的红外吸收光谱数据可以判断该物质含有苯环、甲基、胺基、氰基，与目标产物3-胺基-4-甲基苯甲腈的结构相符。

3 结果与讨论

3.1 对甲基苯甲腈硝化反应的产率优化

以不同反应时间、不同反应温度、不同原料与硝化剂比，不同加入硫酸质量为影响因素，每个因素选择三个水平，设计正交试验，如表1所示。

经由表1分析，反应时间、温度以及对甲苯腈-硝酸物料比对反应产率的影响不明显。浓硫酸的用量对反应产率具有较大影响，这是因为反应体系中一定量硫酸的加入可以促进反应的进行，随着酸量的的逐渐增加，导致反应物浓度降低，且硫酸容易与原料发生磺化反应等副反应，从而减少了产物的生成。由此可推出最佳反应条件为：对甲苯腈和浓硝酸的摩尔比为1∶1.2，对甲苯腈和浓硫酸的摩尔比为1∶8，反应温度为-15 ℃，反应时长控制在6 h左右。重复实验得到平均产率为86.55%。

表1 3-硝基-4-甲基苯甲腈正交试验表

3.2 4-甲基-3-硝基苯甲腈水合肼还原反应的产率优化

以不同反应时间、不同反应温度、不同原料与水合肼物料比，不同催化剂质量为影响因素，每个因素选择三个水平，设计正交试验如表2所示：

表2 3-氨基-4-甲基苯甲腈正交试验表

经由表2.2分析,原料和水合肼的物料比对反应条件影响最大，虽然反应的理论值为1∶1.5，但由于反应过程中产生的部分活化氢未能参与反应，而且苯胺类由化合物在空气中易被氧化，由于反应过程中产生的部分活化氢未能参与反应，因此要使用过量的水合肼才能使苯胺达到较高的收率。所以反应最佳条件应为原料4-甲基-3-硝基苯甲腈和水合肼的摩尔比为1∶2.4，催化剂的质量为1 g，反应温度为80 ℃，反应时长控制在3 h左右，重复实验得到平均产率为79.64%

4 结论

以对甲苯腈作为原材料，利用混酸硝化法制备4-甲基-3-硝基苯甲腈，继续将制得的3-硝基-4-甲基苯甲腈利用相对于绿色环保的水合肼还原后，得到目标产物。产物结构用红外光谱（IR）进行了表征。通过正交试验对反应条件进行优化，进一步确定混酸硝化法的最佳反应条件为：原料对甲苯腈和浓硝酸的摩尔比为1∶1.2，原料对甲苯腈和浓硫酸的摩尔比为1∶8，反应温度为-15 ℃，反应时长为6小时，强力搅拌，重复试验得到的产物产率平均值为86.55%。还原反应的最佳条件为：原料4-甲基-3-硝基苯甲腈和水合肼的摩尔比为1∶2.4，催化剂的质量为1 g，反应温度为80 ℃，反应时长为3 h，重复试验得到的产物产率平均值为79.64%。实验总产率为68.93%。

［1］Non-covalent Thrombin Inhibitors Featuring P3-Heterocycle with P1-Bicyclic Arginine Surrogates [J]. Cheminform, 2010, 34 (9).

［2］刘金强, 钱超, 陈新志. 钝化芳环的硝化研究进展[J]. 化学进展, 2009 (12): 2635-2641.

［3］姚蒙正，程侣柏，王家儒．精细化工产品合成原理［M］．北京: 中国石化出版社，2000: 430

［4］邢锦娟，刘琳，秦金兰，等．水合肼还原芳香族硝基化合物制备芳胺的技术进展［J］．化学工业与工程技术，2008， 29 ( 6) : 30-32.

［5］John W Larsen , et al. Mechanism of the Carbon Catalyzed Reduction of Nitrobenzene by Hydrazine. Carbon, 2000, 38 : 655-661．

［6］蔡可迎，周颖梅，岳玮. FeO(OH)/C催化水合肼还原芳香族硝基化合物制备芳胺［J］. 化学世界，2009（7）：418-420．

Synthesis and Reaction Condition Optimization of 3-Amino-4-methylbenzonitrile

,,,,

（Shenyang University of Chemical Technology，Liaoning Shenyang 110142，China）

3-Amino-4-methyl cyanide was synthesized from p-tolunitrile as raw materialvia nitrification reaction of mixed acidwith 10%FeO(OH)/C as catalyst. The reaction conditions were optimized by orthogonal test. The results showed that optimized yield of the nitrification reaction was 86.55%, optimized yield of the reduction reaction was 79.64%,and the total yield was 68.93%. At last, the product structure was characterized by IR (IR) spectroscopy.

hydrogen peroxide iron oxide hydrazine；hydrazine hydrate；4-methyl-3-nitrobenzene nitrile；3- amino -4- methyl cyanide

辽宁省精细化工协同创新中心协同创新团队资助项目，项目号：000053

2017-10-12

王政（1994-），男，硕士研究生，甘肃省平凉市人，2015年毕业于沈阳化工大学应用化学，研究方向：精细化学品的合成。

阎峰（1965-），男，教授，博士，研究方向：精细化学品的合成。

O 625.67

A

1004-0935（2017）11-1078-03