新冠疫情席卷全球,更彰显出了化学品作为国民支柱产业的重要性。以原料药领域为例,我国已经成长为全球最大的化学药品产出国。在众多的化学药品类别中,芳香胺类就是非常重要的一类。比如用于解热镇痛的扑热息痛(对乙酰氨基酚),该产品国内年产量近8万吨,占全球产量的60%以上。

芳香胺产品作为典型的基础化学品,被广泛用作医药中间体染料、感光材料、医药和农业化学品和抗氧化剂。对于医药、材料企业来说芳胺的制备中有几个点非常关键,比如通过工艺的优化来降低成本,把控原材料的采购,保障产品品质等。特别是原材料品质问题,与近期疫情导致需求缩减不同,多种原料药,特别是与治疗新冠肺炎相关的原料药反而逆势增长,在物流不畅的情况下,实现其上游产品的品质保障让很多原材料供应商都犯了难,但这是一个必须要完成的任务。

以下文中介绍的碘酸还原法中碘的供应为例,应对年后订单不降反增的情况,青岛金海碘化工有限公司升级了其服务流程,来保障产品的稳定供应,据金海碘化工耿冬秋女士介绍,虽然面临着各种困难,她们还是发扬化工人的吃苦耐劳精神,用实惠的价格继续为客户提供碘、碘化钾、碘酸钾等产品,尽量将目前的困难内化,不传递给后端的客户。当然,再好的产品还是要为技术为基的化工人进行服务。在芳香族硝基化合物纷繁的反应中,今天我们重点介绍还原为相应胺的方法:如化学还原法,催化加氢还原法,电解还原法,常压下CO/H2O还原法, 水合肼还原法。

一、 化学还原法是一大类还原方法,其中就金属催化剂不同,反应条件的不同分为很多类。

1、金属还原法

很多活泼金属( 如铁、锡、锂、锌等) 在供质子剂存在下, 可以将芳香族硝基化合物还原成相应的胺。其中以铁粉还原最为常见。

芳香化合物的正确使用方法 盘点芳香族硝基化合物的还原攻略(1)

此法具有较强还原能力, 基本上适用于所有硝基化合物的还原, 还原过程羰基、氰基、卤素、碳碳双键基本不受影响,且操作条件温和, 工艺简单, 副反应少, 对设备要求低。生产芳胺的同时还可以制得铁红颜料, 技术经济较合。但该生产存在着自动化水平低, 工人劳动强度大, 所产生的含芳胺铁泥和废水对环境污染严重等问题。因而, 该法已逐渐被其他生产工艺所取代。

2、硫化物还原法

在硫化碱还原法中, 常用的硫化碱有 Na2S、NaHS、Na2S2 , 可用于多硝基化合物的部分还原和全部还原。在进行部分还原时, 须严格控制硫化碱用量( 一般过量 5%~10% ) 和还原温度, 以避免多硝基化合物的完全还原。

芳香化合物的正确使用方法 盘点芳香族硝基化合物的还原攻略(2)

硫化碱还原法是一种比较成熟的生产工艺,目前国内大部分企业都采用该法生产芳胺, 其主要特点是反应比较缓和、产物易分离、易实现封闭式生产、生产周期较短、设备的腐蚀性较小等。但因采用硫化碱溶液作为原料, 造成生产成本较高,收率比铁屑还原法低, 产生的废液量较多污染环境, 因而社会效益与经济效益欠佳。

室温光照条件下甲酸/乙腈还原法

室温光照条件下甲酸在乙腈溶液中还原芳香硝基化合物。此法反应条件温和,适用于各种芳香族硝基化合物,反应时间短,副反应少。但反应用到了乙腈做溶剂对环境污染严重。

3、碘酸还原法

氢碘酸还原硝基化合物在90 ℃非回流条件下反应2~4小时,可以得到较高的产率,反应过程中不会对其他官能团包括氰基、酯、酰胺、羰基、卤素等产生影响。在此之前有在回流条件下用氢碘酸还原的报道,但那样容易导致在酸条件下不稳定的芳香化合物水解,本次报道的方法没有出现水解现象。

芳香化合物的正确使用方法 盘点芳香族硝基化合物的还原攻略(3)

4、钐/碘还原法

芳香叠氮化合物,特别在多环系列在自然条件下很难还原,由于他们对金属特别敏感,在处理时需要非常小心,新鲜的还原剂钐和催化量的碘还原芳香叠氮的化合物。

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二、催化加氢还原法

1、气相加氢

此法不需使用溶剂、铜催化剂价廉易得、生产稳定、安全性高、易实现自动化,在一定的氢气压力下进行。实验是在中性条件下进行的, 因此对那些带有在酸性或碱性条件下易水解的基团的化合物, 可用此法还原, 并有污染小等特点。但这种方法对仪器设备要求较高, 既要加压设备, 又要求仪器密闭, 操作要求严格。另外, 催化氢化法的还原选择性较差, 仅适用于沸点低、容易气化且稳定的芳香族硝基化合物的还原, 当硝基化合物分子中含有其它易被氢化的基团, 如碳一碳双键时, 也不能采用此法。

2、液相加氢

液相加氢还原是一种比较先进的生产工艺,因该法具有温度低, 易实现分离( 分离催化剂后只有芳胺与水) , 几乎无三废排放, 且不受硝基物沸点的限制, 因此适用范围更广。但因在生产过程中选用了易燃的催化剂Raney Ni 或贵金属系铂、钯、铑等作为催化剂, 故生产安全性有时不高,生产成本高, 限制了其推广与应用。

3、电解还原法

芳香族硝基化合物通常在无机酸电解液、溶剂、润滑剂、促进剂( 常用SnCl2、CuCl2、T iCl2 等)作用下, 在阴极( 材质常Cu、Ni、Pb 等) 离解产生了原子氢, 进而对硝基化合物进行还原制得芳胺。

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4、常压下CO/H2O还原法

常温条件下芳香硝基化合物与一氧化碳和水在硒、无机盐(醋酸钠)作催化剂,二甲基甲酰胺(二甲基甲酰胺)溶剂中还原为相应的胺。硒作为相转移催化剂能高效的还原硝基化合物,且此法选择性强但不会对一些敏感基团如氰基、酯、酰胺、羰基、卤素等产生影响。产物只有胺和二氧化碳,对环境友好。

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5、水合肼还原法

微波无溶剂条件下以氧化铝为载体的肼对芳香族硝基化合物的还原

芳香化合物的正确使用方法 盘点芳香族硝基化合物的还原攻略(7)

金属氧化物表面载体试剂被广泛应用于有机合成。试剂固定在多孔固体材料上相比于传统的液相反应有一些优势,因为存在良好的分散活性中心从而提高反应活性,在温和的条件中反应可以进行。在无溶剂的条件下使用载体试剂结合微波辐照可以提供理想的反应条件和特殊的属性,如减少反应时间,更容易诊断检查程序用这样反应过程对环境较好。

在催化剂 NiCl2 一 Zn (1 : 2) 与水合肼存在下对硝基化合物的还原

芳香化合物的正确使用方法 盘点芳香族硝基化合物的还原攻略(8)

芳香族硝基化合物在催化剂, NiCl2一 Zn (1 : 2) 与水合肼存在下回流,就可以得到相应的胺。

在Raney Ni存在下, 用水合肼将硝基化合物还原

芳香化合物的正确使用方法 盘点芳香族硝基化合物的还原攻略(9)

在1962年,由北京师范大 学尹承烈教援, 吸收总结国外经验,将硝基 化合物溶于乙醇或甲醇中, 然后加入催化剂Raney Ni,加热到溶剂沸腾时,慢慢滴入水合肼,即可硝基化合物还原成相应的胺。不涉及分子中其它的不饱和基, 如羰基、氰基、碳一碳双键等。但是实验过程中要控制肼的用量,溶剂的多少, 因为它们会影响这个反应的产物产率和速度。

水合肼/ FeCl3 ·6H2O还原法

水合肼还原法在后处理过程中需要调节 pH 值来析出晶体,产品中同时含有 -COOH 和 -NH2两种基团,直接影响析晶,另外反应时需回流,而水合肼的沸点为 118.5 ℃,反应温度较高,提高了副产物生成的几率,从而降低了目标产物的产率。

芳香化合物的正确使用方法 盘点芳香族硝基化合物的还原攻略(10)

6、肼/八面体沸石还原法

肼和三价离子以八面体沸石为非均相催化剂对硝基化合物进行高效、快速、选择性还原,此法在非极性溶剂中进行,增加芳香化合物溶解度,催化剂易于回收重复使用,产物除相应的胺,只有氮和水,对环境友好。

芳香化合物的正确使用方法 盘点芳香族硝基化合物的还原攻略(11)

沸腾的液体石蜡对硝基化合物的还原

芳香化合物的正确使用方法 盘点芳香族硝基化合物的还原攻略(12)

1978年, 美国化学家Laily 和John等人,用简便的方法将硝基化合物进行还原。即在烧瓶中将液体石蜡加热到沸腾380~400℃ ,然后,将一定的硝基化合物逐滴加到沸腾时液体石蜡里,在需加热十几分钟,就将硝基化合物还原为相应的胺。

用离子交换树脂D296为载体, 把催化剂/ 甲酸按还原体系还原法

芳香化合物的正确使用方法 盘点芳香族硝基化合物的还原攻略(13)

基于高分子分散催化剂的高效、高选择性、良好稳定等特点,此实验以D296树脂分散钯为催化剂,甲酸铵作供氢载体,使芳香族硝基化合物还原成胺。此法有高效、快速、无副反应,对敏感基团无影响,无污染等优点。

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