苯并三氮唑合成工艺的改进

薛循育 柯德宏 刘征宙

1上海沃凯生物技术有限公司 (上海 201507)

2国药集团化学试剂有限公司 (上海 200002）

苯并三氮唑（BTA）是一种极其重要的含氮类杂环物质，关于其合成以及应用的报道有很多。在精细化学品领域，苯并三氮唑主要作为水处理剂、金属防锈剂和缓蚀剂，广泛用于循环水处理剂、防锈油、脂类产品中，也用作铜及铜合金的气相缓蚀剂、润滑油添加剂。在电镀中，苯并三氮唑用于表面纯化银、铜、锌，有防变色的作用。较高纯度的苯并三氮唑可用作分析试剂，与氨水及乙二胺四乙酸合用，可用于选择性地测定银、铜、锌。高纯度苯并三氮唑可以作为合成用试剂和高纯分析标准物质，如德国默克集团生命科学业务部的分析标准品苯并三氮唑（Sigma-Aldch）、ReagentPlus（试剂纯，99%）、VetecTM（优级纯，98%）等三个规格的试剂，可用作环境污染和人类接触源方面的分析标准物质[1]、小分子氨基脲衍生物的合成用试剂[2]等。

苯并三氮唑的合成路线有邻苯二胺法、苯并咪唑酮法、邻硝基苯肼法和邻硝基氯苯法等[3-7]。苯并咪唑酮法是苯并咪唑酮与亚硝酸钠水溶液在190℃、高压下反应，经酸化、水洗、干燥获得产品。邻硝基苯肼法是邻硝基苯肼在氨水、异丙醇和己二醇混合水溶液中，在140℃和高压下反应，生成1-羟基苯并三氮唑，用Cu-Cr2O3作催化剂，通入氢气和氮气，在160℃和高压下脱氧加氢，生成苯并三氮唑。这2种方法原料价格高，且都需要高温、高压的条件，制约了在工业上的应用。黄清东等[8]发明的苯并三氮唑的合成方法，是以四氢呋喃为溶剂，加入邻硝基氯苯与水合肼合成1-羟基苯并三唑，再脱氧加氢还原1-羟基苯并三唑，然后经中和、萃取、重结晶制备苯并三氮唑。该法收率较高，但后处理麻烦。邻苯二胺法是最经典的合成苯并三氮唑的方法，包括邻苯二胺常压合成法和经过改进的邻苯二胺高压法。常压合成法即在1～5℃的低温下，邻苯二胺、冰乙酸与亚硝酸钠进行重氮化反应，然后迅速升温至80℃，脱水环化成苯并三氮唑，冷却后得到粗品，粗品经过减压蒸馏并用苯重结晶，干燥后得纯品。该法存在一些缺点：（1）由于重氮、环化反应温度不易控制，生成的油状物难以凝结成固体，给后续操作带来麻烦；（2）粗品用减压蒸馏法提纯，由于苯并三氮唑真空蒸馏时可能发生分解爆炸[9]，带来极大的安全隐患；（3）重结晶时用大量苯、四氢呋喃等作溶剂，不仅易燃、污染环境，而且给操作者带来严重的健康威胁。由于该法收率低、环境污染严重，我国科研人员采用加压一步法合成苯并三氮唑，现已取得成功。经过改进的高压法，反应在200℃和4.8×106Pa的压力下进行，无需冰乙酸，副反应少，减少了重氮偶合产生深颜色焦油状物质的机会，从而提高了产品的收率，同时使产品的纯化变得容易，但该法设备投资大。为此，采用邻苯二胺的常压合成方法，并作了多参数的实验研究，从而使苯并三氮唑合成工艺得到改进。

绿色化工是化学工作者对自然界绿色意识的完美追求。针对上述合成方法威胁操作者健康与安全、污染生态环境等缺点，作了工艺改进。（1）提高反应温度，由于重氮、环化反应同时进行，其中重氮盐环化时又必须给予重氮物足够的活化能，即环化反应须在较高的温度下进行。因此，苯并三氮唑的重氮反应速率实际上取决于环化反应速率，所以提高反应温度有利于反应向生成苯并三氮唑的方向进行。研究表明，将反应温度提高至90～95℃为最佳范围。（2）为防止粗品成为油状物，在反应液温度下降至45～50℃时，直接投入干净的冰块，使反应液温度急剧下降，此时可立即析出固体状小颗粒，使后续操作更加容易，解决了固体油状物不易处理的问题。（3）采用水作溶剂的重结晶提纯方法取代真空蒸馏和苯重结晶，解决了安全隐患和环境污染问题。

1 实验部分

1.1 主要仪器和实验试剂

Auatar 360傅里叶红外光谱仪、熔点仪，美国尼高力仪器公司。

邻苯二胺、亚硝酸钠、冰乙酸，实验所用均为工业级产品。

1.2 合成原理

以邻苯二胺、亚硝酸钠为原料制备苯并三氮唑的合成路线见反应方程式（1），在冰乙酸与水的混合液中加温反应，控制回流温度，进行反应条件的筛选。

1.3 实验操作

分别称取一定量的邻苯二胺、亚硝酸钠，投入水中搅拌，并把冰乙酸快速加到混合液中，升温进行反应。合成反应中亚硝酸钠为强氧化剂，反应配比少于邻苯二胺，使反应更温和。同时，控制加温回流，当温度迅速上升后，保持在90～95℃，反应一定时间。然后在反应液冷却至一定温度时，将碎冰块直接加到反应液中，使其温度迅速冷却至15℃以下，得到易沉淀的颗粒状固体，离心得苯并三氮唑粗品。

苯并三氮唑粗品中存在少量的副产物。用过量的水溶解苯并三氮唑粗品，加入活性炭，加热到95～100℃，回流1 h，趁热压滤，滤液冷却到10～15℃，析出白色针状结晶，经过离心脱水、干燥得苯并三氮唑纯品。以邻苯二胺计算收率。

2 结果与讨论

2.1 反应温度对反应收率的影响

设定反应温度分别为 80，85，90，95 和 100℃，反应时间均为1 h，实验结果见表1。

表1 反应温度对反应收率的影响

从表1可以看出，温度偏低或偏高对反应均有影响。这是因为温度偏低时反应不完全，偏高时邻苯二胺易被氧化，均不利于邻苯二胺的缩合反应。因此，合适的温度范围为90～95℃。

2.2 反应时间对成品收率的影响

固定反应温度为90℃，将反应时间分别设定为30，45，60，75和 120 min，考察时间对收率的影响。实验结果见表2。

表2 反应时间对收率的影响

由表2可知，反应时间为60 min时，产物收率较高。这是因为：反应时间较短时，反应不完全，收率较低；反应至60 min时，反应程度达到峰值，此时副产物少，产品收率高；反应时间过久，由于有酸的存在，增加了重氮偶合产生深颜色焦油状物的机会，使副产物增加。因此，适宜的反应时间取60 min。

2.3 反应液迅速冷却时的温度对反应的影响

固定反应温度为90℃、反应时间为60 min，将反应液急冷时的温度分别设定为70，60，50，40和30℃，实验结果见表3。

表3 反应液急冷时的温度对收率的影响

由表3及反应过程现象可知：反应60 min，在温度高于50℃时加入碎冰块，不能使反应温度快速下降，达不到急冷的效果；在温度低时加入碎冰块，焦油状物已开始析出，后处理困难。在反应液温度降到50℃时，立即加入碎冰块，使反应液温度迅速下降至15℃以下，促进缩合反应产物析出，此时，产物的收率较高，为滑爽的固体状颗粒，极易分离收集得到苯并三氮唑粗品，使后续处理简便、安全。

苯并三氮唑纯品的熔点为97～99℃，因此结晶干燥温度不宜过高，结晶在60℃干燥时，苯并三氮唑纯品的收率达90%以上，且结晶颗粒形态良好。

3 结论

控制反应原料比、加热温度以及温度维持是苯并三氮唑合成工艺的关键。在90～95℃下反应60 min，在反应液温度下降至约50℃时，投入碎冰块使其温度急剧下降，此时可得苯并三氮唑粗品，且收率较高。改进后的合成工艺缩短了反应时间，操作安全、简便，工艺简单、制备过程容易控制，产物收率高、质量好，易于工业化生产。