催化加氢合成3,5-二甲基-1,2-苯二胺的工艺优化

毛仁群， 许庆博， 徐保明， 陈 梦， 陈 坤

(湖北工业大学 材料与化学工程学院， 湖北 武汉 430068)

催化加氢合成3,5-二甲基-1,2-苯二胺的工艺优化

毛仁群， 许庆博， 徐保明， 陈 梦， 陈 坤

(湖北工业大学 材料与化学工程学院， 湖北 武汉 430068)

研究以1,5-二甲基-2,3-二硝基苯为底物，通过Pd/C催化氢化合成3,5-二甲基-1,2-苯二胺的工艺。考察不同溶剂、反应压力、催化剂用量、反应温度、反应时间及催化剂重复使用次数诸因素对产物3,5-二甲基-1,2-苯二胺收率的影响。最佳工艺为：底物0.015 mol，甲醇溶剂30 mL，10%Pd/C催化剂质量分数为5%，反应压力0.5 MPa，反应温度60℃，反应时间5 h，产物3,5-二甲基-1,2-苯二胺为白色晶体，平均收率大于94%。产品结构经红外、质谱及核磁数据表征确认。

1,5-二甲基-2,3-二硝基苯； 3,5-二甲基-1,2-苯二胺； 催化氢化； 合成

3,5-二甲基-1,2-苯二胺含有2个活性基团氨基，因而在医药领域有着十分广泛的应用。其下游产品苯并咪唑类化合物，许多具有显著的生物活性，在抗高血压、抗肿瘤、抗病毒、杀菌、消炎和抗寄生虫等方面有着重要的医用价值[1]。作为苯并咪唑的上游药品，对其合成的研究及工艺优化不仅具有学术意义，而且具有一定的社会及经济效益。

苯环上的硝基还原制备成相应的胺基，因其操作简单，收率高，现已成为精细化工行业制备芳胺的常用方法[2-4]。硝基化合物的氢化还原主要有以下几个方法：1)催化氢化法；2)CO/H2O还原；3)金属还原法；4)硫化碱还原法；5)金属氢化物还原法。比较这几种氢化还原法，催化加氢法和CO/ H2O还原法较符合绿色化学的要求，尤其催化加氢法工艺相对成熟，具有很高的工业应用价值，因此选择环保、高效、操作相对简单以及后处理简单的催化氢化法合成目标产物。本文探究了一种新的合成工艺方法：以氢气作氢源，10%Pd/C作催化剂，优化3,5-二甲基-1,2-苯二胺的合成工艺，为Pd/C催化加氢合成3,5-二甲基-1,2-苯二胺的工业化研究提供参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1,5-二甲基-2,3-二硝基苯，自制；10%Pd/C；氢气，纯度为99.9%；其他试剂均在国药试剂公司采购，分析纯。GC9160气相色谱分析仪(上海欧华分析仪器厂)；YZPR-100型反应釜(上海岩征仪器有限公司)。

1.2 实验步骤

向YZPR-100型高压釜内通入一定压力的氮气，若压力2 h以上保持不变，则表明高压反应釜不漏气。确定反应釜不漏气后，将1,5-二甲基-2,3-二硝基苯3.0 g(15 mmol)，10%Pd/C 0.15 g，无水甲醇30 mL加入装有温度计、磁力搅拌器的反应釜中。先通入一定压力的氮气，排空反应釜中的空气，连续排三次，再通入一定压力的氢气，连续置换3次，通氢气至高压反应釜压力0.5 MPa，搅拌转速350 r/min，反应温度控制在60℃左右。待氢气不再被吸收，反应基本结束，反应釜温度冷却至室温，放气。用一定压力氮气置换三次，开釜放出料液，过滤回收催化剂，除去部分甲醇等低沸点组分，结晶，得到产品3,5-二甲基-1,2-苯二胺，经GC检测纯度大于98%，收率94%左右。

2 结果与讨论

2.1 反应溶剂的选择

10%Pd/C催化剂5%(质量分数)，反应压力0.5 MPa，反应温度60℃，反应时间5 h。在此相同的实验条件和反应方式下，分别考察水、乙醇和甲醇为溶剂对产物收率的影响。根据气相色谱检测的含量结果，计算出产品的收率。分析结果如表1所示。

表1 不同溶剂对3,5-二甲基-1,2-苯二胺收率的影响

由表1可清楚的观察到，1,5-二甲基-2,3-二硝基苯在有机溶剂中比在水中更容易氢化，并且在极性有机溶剂中收率较高，故将极性有机溶剂甲醇作为反应溶剂。

第三，必须把融合理念作为抓手。推进精准扶贫、精准脱贫，不能就扶贫抓扶贫，必须把扶贫开发作为推进整个农村“五位一体”战略布局的“撬杠”。金鸡产业项目的入驻，不仅有力推动了脱贫攻坚，也引发了一系列链条效应，衍生出蛋鸡养殖、食品加工和鸡粪发电三大产业，形成一个配套衔接、链条完备、类别多样的产业体系，带动现代物流、农村旅游、特色小镇等融合发展，有效提升了威县现代农业发展大格局，加快推动了一二三产业融合发展。

2.2 反应压力的选择

甲醇 30 mL，10%Pd/C催化剂5%(质量分数)，反应温度60℃，反应时间5 h。在此相同的实验条件及反应方式下进行实验，考察氢气压力对产物收率的影响，分析结果如表2所示。

表2 反应压力对3,5-二甲基-1,2-苯二胺收率的影响

从表2可见，反应压力的增大有利于底物的被还原部分接近催化剂表面活性部位，促进催化氢化反应的顺利进行，产物3,5-二甲基-1,2-苯二胺的收率增加。当反应压力超过0.5 MPa时，产物收率增加速度减慢。考虑到安全及能耗的问题，选用0.5 MPa为最佳反应压力。

2.3 催化剂用量的选择

甲醇30 mL，反应压力0.5 MPa，反应温度60℃，反应时间5 h。在此相同的实验条件及反应方式下进行反应，考察10%Pd/C催化剂用量分别占底物质量分数为1%、3%、5%、7%、10%时对反应产物组成的影响。分析结果如表3所示。

表3 催化剂用量对产物组成的影响 %

由表3数据分析比较可知，随着催化剂用量的增加，目标产物收率越高。当催化剂用量低于5%时，收率增加明显；当催化剂用量高于5%时，产物收率增加不明显。综合考虑，10%Pd/C催化剂的最佳用量为5%。

2.4 反应温度的选择

表4 反应温度对产物组成的影响

由表4分析结果可知，在设计的反应温度内，反应温度越高，催化剂活性越高，反应进度越大，当反应温度超过60℃后，反应进度增加不明显。故确定60℃为最佳反应温度。

2.5 反应时间的选择

甲醇30 mL，10%Pd/C催化剂5%(质量分数)，反应压力0.5 MPa，反应温度60℃。反应在此相同的实验条件及反应方式下进行，考察不同的反应时间对产物组成的影响。分析结果如表5所示。

表5 反应时间对产物组成的影响

由表5结果可知，适当的延长时间有利于提供目标产物的收率。当超过5h以后，目标产物的收率增加不明显，反而会造成过多的能耗。故确定5 h为最佳反应时间。

2.6 催化剂的循环利用

甲醇30 mL，10%Pd/C催化剂5%(质量分数)，反应压力0.5 MPa，反应温度60℃，反应时间5 h。在此最佳工艺条件下进行实验，将过滤截留下来的催化剂进行回收套用实验。考察套用催化剂对产品收率的影响。催化剂的回收利用实验结果如表6所示。

表6中显示了10%Pd/C催化剂套用次数及相对应的产品收率.由表中实验数据可知，随着催化剂套用次数的增加，催化活性有明显的下降，当催化剂被套用3次以后，催化剂明显失活，产品收率仅为48.9%，与稳定性实验所得平均收率94.16%相差较大。说明催化剂循环使用4次后，其活性才明显下降。

表6 催化剂循环利用实验

2.7 稳定性实验

在确定的最佳条件下，进行了稳定性试验，3,5-二甲基-1,2-苯二胺的平均收率为94%左右。分析结果如表7所示。

表7 最佳工艺条件下的稳定性实验

3 结论

通过以上分析比较，得出较佳的工艺条件：底物0.015 mol，30 mL甲醇，5%用量的10%Pd/C为催化剂，0. 5 MPa的反应压力，反应温度60℃，反应时间5 h，3,5-二甲基-1,2-苯二胺的平均收率大于94%。

本工艺通过催化氢化法合成目标产物3,5-二甲基-1,2-苯二胺，产物收率和纯度高，操作及后处理简单，反应中几乎无三废，催化剂可重复使用。

[1] Kopanska K, Zebrowska N J, Chomicz L, et al. Synthesis and activity of 1H-benzimidazole and 1H-benzotriazole derivatives as inhibitors of Acanthamoeba castellanii[J]. Bioorganic & Medicinal Chemistry, 2004, 12(10):2617-2624.

[2] Figueras F, Coq B. Hydrogenation and hydrogenolysis of Nitro-, Nitroso-, Azo-, Azoxy- and other nitrogen-containing compounds on palladium[J]. ChemInform, 2002, 173(10):223-230.

[3] Mohapatra S K, Sonavane S U, Jayaram R V, et al. Reductive cleavage of azo dyes and reduc- tion of nitroarenes over trivalent iron incorporated hexagonal mesoporous aluminophosphate molecular sieves[J]. Applied Catalysis B Environmental, 2003, 46(1):155-163.

[4] 周云,徐保明,阮华屹,等.催化加氢合成对甲氧基苯甲醇的工艺优化[J].化学世界,2013,54(4):237-240.

[责任编校： 张 众]

Process Optimization of Synthesizing 3,5-dimethylbenzene-1,2-diamine by Catalytic Hydrogenation

MAO Renqun, XU Qingbo, XU Baoming, CHEN Meng, CHEN Kun

(SchoolofMaterialsandChemicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

In this paper, the process of synthesizing 3,5-dimethyl-1,2-diaminobenzene by using the methods of catalytic hydrogenation which use 1,5-dimethyl-2,3-dinitrobenzene as the substrate,and Pd/C as the catalyst is studied. The different factors which may influence the yield of the3,5-dimethyl-1,2-diaminobenzene, such as solvents, pressure,catalyst dosage, temperature, time and the number of the catalyst reused are discussed.The results show that the best performance occurs under the circumstance of 0.015 mol substrate , 30 mL methanol solvent, 5% dosage of catalyst ,0.5MPa of the pressure , 60℃ of the temperature ,5 hours of the reaction time; after filtering,vacuum distillation and recrystallization, we can get the product 1,5-dimethyl-2,3-diaminobenzene which is white crystal ,and the yield is greater than 94%.The structure of the product is also confirmed by IR, MS and1H-NMR data.

1,5-dimethyl-2,3-dinitrobenzene; 1,5-dimethyl-2,3-diaminobenzene; catalytic hydrogenation; synthesis

2017-02-21

毛仁群(1990-)， 男， 湖北枣阳人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为精细化学品合成

陈坤(1963-), 男, 湖北武汉人，湖北工业大学教授,研究方向为精细化学品绿色工艺

1003-4684(2017)02-0055-03

Q621.3

A