专利名称：由脲和硝基苯制备4－亚硝基苯胺的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备4-亚硝基苯胺的方法，更具体地涉及一种选择性制备4-亚硝基苯胺的方法，其中在碱存在时，脲与硝基苯在极性有机溶剂中反应。
4-亚硝基苯胺用于某些应用中，如用作制备染料或制备染发剂以及光稳定剂的中间体。但由于其制备困难，尚未对其应用进行大量研究。
已知由苯胺和亚硝酸钠(NaNO2)合成N-亚硝基苯胺，然后通过费歇尔-赫普重排作用来制备4-亚硝基苯胺(Tetrahedron，1975，31，1343-9和US 3338966)。这种方法的缺点是在费歇尔-赫普重排过程中发生脱亚硝基作用(denitrososation)，并且会大量产生含有对环境有害的亚硝基(NO)化合物的废物。
还已知由对亚硝基苯酚和氨或氯化铵反应来制备4-亚硝基苯胺(J.Chem.Soc.，1955，2049)。这种方法的缺点是4-亚硝基苯胺的收率太低。
最近发现，在碱存在时，通过芳环氢的亲核取代(NASH)作用，使苯胺和硝基苯反应可以制备4-硝基二苯胺(4-NDPA)，4-硝基二苯胺为用于制备橡胶抗臭氧剂的4-氨基二苯胺的前体。与制备4-NDPA的其它方法相比，NASH方法奇迹般地减少了所产生的化学废物量和废水量(90％或更多)，不再使用对环境不利的化学物质(氯)，改善了方法的安全性。另外，这种方法的优点在于不需要从异构体混合物中分离4-氯代硝基苯的过程，并且最终产品的纯度极高。
在利用NASH的反应中，公知的是在四甲基铵氢氧化物(TMA(OH))存在时，使苯胺和硝基苯直接反应制备4-NDPA和4-亚硝基二苯胺(4-NODPA)。参见J.Am.Chem.Soc.，1992，114(23)，9237-8；US 5117063；US 5253737；US 5331099；US 5453541；US5552531和US5633407。
据报道在反应过程中所生成的4-NDPA和4-NODPA的比可以通过苯胺和硝基苯的摩尔比来控制。例如，当苯胺和硝基苯的摩尔比为1左右时，4-NODPA和4-NDPA的收率分别为15mol％和80mol％。另一方面，当苯胺和硝基苯的摩尔比为50左右时，得到的4-NODPA和4-NDPA的收率为86mol％和9mol％。已知最终产物的选择性取决于由苯胺和硝基苯形成的中间加合物的氢负离子(H-)是否通过分子内反应或分子间反应消耗掉。
还已知在NASH反应中由硝基苯和苯甲酰胺来制备4-硝基苯胺。这是通过一个两步反应来完成的，该两步反应包括合成稳定的中间产物N-(4-硝基苯)苯甲酰胺，然后加入水(或氨)使加合物分解成4-硝基苯胺和苯甲酸(或苯甲酰胺)。参见J.Am.Chem.Soc.，1992，114(23)；J.Org.Chem.，1993，58，6883-6888；US 5436371；US 5380946和PCT公开的WO93/24447。在反应过程中，当水分被完全除去时，N-(4-硝基苯)苯甲酰胺的收率为98％左右，而在未除去水分，在氧气氛围中进行制备时，N-(4-硝基苯)苯甲酰胺的收率只有20％左右。这些结果表明形成无水反应条件是特别重要的。另外，所报道的这种反应是在与制备4-亚硝基苯胺无关的情况下来制备4-硝基苯胺的。
同时，对4-亚硝基苯胺进行加氢处理可制备对苯二胺(PPD)。PPD被广泛用作化妆品和抗氧化剂原料、以及燃料添加剂，并且由于其能够容易被氧化形成色料的性质，在染料应用中具有很大的用途。另外，PPD的最大用途是作为具有高耐化学性、高耐热性以及高强度的功能性纤维用来制备aramid，以及用来制备聚氨酯原料亚苯基二异氰酸酯。
我们勤奋努力，为了发现一种与现有技术方法相比改进的制备4-亚硝基苯胺的方法，现有方法的问题在于在反应后产生对环境有害的副产物亚硝基化合物，该反应很难生产4-亚硝基苯胺，并且收率很低。作为结果，我们已经发现，在碱存在时，脲和硝基苯直接反应可以制备4-亚硝基苯胺，并且还发现，当使用碱金属或碱土金属作为碱、并大致控制所使用的脲和硝基苯的量时，可以在高收率和高选择性的条件下制备4-亚硝基苯胺，从而实现了本发明。
本发明的优点在于可以以高收率制备4-亚硝基苯胺，只有少量或没有邻位化合物，如2-硝基苯胺和2-亚硝基苯胺，并且加氢得到高纯度的PPD。另外，本发明可以用于在很大程度上不受水分含量影响的反应中，并且不必形成无水状态的反应条件。另外，该方法的优点是其中不进行中间体形成然后分解的两步反应，从而该反应可以在一个反应器中在较短的时间内完成。
通过阅读下列说明书，对本发明所涉及的技术领域的熟练技术人员来说，本发明的前述及其它目的、特征和优点将更加明显。
本发明涉及一种在常用碱存在时，在极性有机溶剂中，由脲和硝基苯制备4-亚硝基苯胺的方法。
与现有技术方法相比，本发明在比较温和条件下，在便宜的碱金属碱存在时，使脲和硝基苯反应，并利用NASH反应，来选择性制备4-亚硝基苯胺。
在碱存在时很容易失去质子的脲与硝基苯的反应性能很好，并且基本上不受水分含量影响。另外，脲和硝基苯的加合物是不稳定的，从而在反应过程中所产生的水作用下，很容易分解成4-硝基苯胺和4-亚硝基苯胺。因此缩短了反应时间及处理时间。
按照本发明，适当控制所使用的硝基苯/脲的摩尔比，在最终产物的选择性方面可以起到决定性的作用。当硝基苯/脲的摩尔比超过1时，所生成的主要是4-硝基苯胺和4，4′-二硝基二苯胺(下文简称为“DNDPA”)。但当硝基苯/脲的摩尔比小于1时，主产物为4-亚硝基苯胺。
在实施本发明的过程中，可以使用大量的极性有机溶剂。在这些溶剂中，从与碱混溶的角度来看，优选的极性有机溶剂的例子包括二甲亚砜(下文简称为“DMSO“)、N，N-二甲基甲酰胺(下文简称为“DMF”)、以及N-甲基-2-吡咯烷二酮(pyrrolidinone)(下文简称为“NMD”)，但并不局限于这些物质。在DMSO中的反应具有最高的反应活性和收率。所使用的溶剂与脲的重量比范围为大约50∶1至大约1∶1，优选的比值范围为大约30∶1至大约1∶1。
按照本发明，所使用的碱的例子包括碱金属和碱土金属碱，如氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、叔丁醇钾(t-BuOK)、以及氢化钠(NaH)和TMA(OH)，但并不局限于这些碱。所使用的碱与脲的摩尔比范围为大约1∶1至大约10∶1，优选的比值范围为大约1∶1至大约4∶1。
按照本发明，所使用的硝基苯量对最终产物的选择性具有很大影响。所使用的硝基苯与脲的摩尔比超过1时，可以增大4-硝基苯胺的选择性，并加速DNDPA的生成。另一方面，硝基苯与脲的摩尔比小于1时，可以使4-亚硝基苯胺具有良好的选择性。
为了从反应溶液中除去在反应开始时或反应过程中产生的水分，可以进行真空精馏或使用干燥剂。例如，可以用作干燥剂的物质包括无水碳酸钙、无水硫酸钠、无水硫酸镁、氢氧化钠、氢氧化钾、氢化钠、分子筛及类似物。但是由于本发明的方法在反应过程中，在很大程度上不受水分含量影响，因此使用干燥剂或连续精馏从反应溶液中除去水分，仅使收率少量增加。该反应可以在氮气或氧气氛围中或在空气中进行。另外，水分与碱的摩尔比超过3时，会导致反应速率降低。
按照本发明，反应是在氧或氮从中流过的氛围中进行的。在氮气氛围中，产生副产物，如偶氮苯、氧化偶氮苯及类似物质。但是，在硝基苯/脲的摩尔比小于1的情况下，反应不受气体氛围影响，即使在氮气氛围中，所产生的氧化偶氮苯量也只有1％。
实施例下列实施例只用于说明目的，不以任何方式限定本发明的范围。
在下列实施例中，利用核磁共振(NMR)谱图和气相色谱/质量选择检测器分析并确定产物。另外，利用气相色谱和高性能液相色谱分析产物，确定其定量分析值。在这种定量分析中，除DNDPA以外，所有物质均利用气相色谱进行分析，分析条件如下毛细管柱ULTRA 2(5％交联的Ph.Me硅)50m×0.2mm×0.33μm载气氮压头20psig烘箱150℃(2min.)至280℃，β=10℃/min检测器及温度FID(280℃)分流比30∶1混合气体流量38ml由于DNDPA具有高沸点，是不适合利用气相色谱进行分析的物质，因此使用高性能液相色谱对其进行定量分析。这种高性能液相色谱分析是采用日本的Hitachi Co.所制造的产品来进行的，这种色谱由L-6200智能泵和L-4200 UV-VIS检测器组成。在高性能液相色谱中，所有定量值均是在254nm的波长下测得的，洗脱流量为1ml/min。另外，在高性能液相色谱中，使用的是Cosmosil 5C18-AR(4.6×150mm)填料柱。高性能液相色谱的洗脱梯度由下表1给出。
表1HPLC的洗脱梯度
为了定量分析每种产物，使用芘作为内标物。相对芘的面积以及标正后的标准，计算每种物质浓度的面积比。由标定曲线计算产物摩尔浓度，收率以硝基苯为基准。
实施例1向配有冷凝器及温度计的100ml三颈反应器中加入3.60g(60mmol)脲、1.50g碳酸钾、3.96g(60mmol)氢氧化钾、0.3034g芘以及25gDMSO。然后，在氧气氛围下，在搅拌条件下，将所形成的混合物加热到90℃。一旦反应温度达到90℃，则在5到10分钟的时间内，利用注射器缓慢滴加2.48g(20mmol)硝基苯和5g DMSO的混合溶液。然后注意保持温度为90±4℃，同时加入硝基苯溶液。为了进行定量分析，采出试样并将其溶解在2.5ml含有少量水的乙酸乙酯中，然后利用硫酸镁(MgSO4)，从所形成的溶液中除去水分。定量分析表明，以硝基苯为基准，所得到的4-亚硝基苯胺和4-硝基苯胺的收率分别为87mol％和12mol％。
对比例1向配有冷凝器及温度计的100ml三颈反应器中加入7.32g(60mmol)苯甲酰胺、1.50g碳酸钾、3.96g(60mmol)氢氧化钾、0.3034g芘以及25g DMSO。接下来在氧气氛围下搅拌所形成的混合物，然后加热到90℃。一旦反应温度达到90℃，则在5到10分钟的时间内，利用注射器缓慢滴加2.48g(20mmol)硝基苯和5g DMSO的混合溶液。在反应两小时后，采出试样并将其溶于2.5ml乙酸乙酯中。然后利用硫酸镁(MgSO4)除去所形成的溶液中的水分。利用GC对产物的定量分析表明，以硝基苯为基准，所得到的4-亚硝基苯胺和4-硝基苯胺的收率分别为14mol％和1mol％，还得到中间体N-(4-硝基苯)苯甲酰胺。为了确定N-(4-硝基苯)苯甲酰胺的生成，用己烷处理反应溶液，加入5 g水和30g DMSO，然后放置在80-90℃的温度下反应8小时。然后采出试样，将其溶解于2.5ml乙酸乙酯中。然后利用硫酸镁(MgSO4)除去所形成的溶液中的水分。对所生成的物质的定量分析表明，以硝基苯为基准，所得到的4-硝基苯胺的收率为26mol％。
实施例2在与实施例1相同的条件下进行反应，只是改变了各反应的反应温度。结果由下表2给出。
表2
*收率由液相色谱得到实施例3在与实施例1相同的条件下进行反应，只是改变了各反应的硝基苯与脲的摩尔比。结果由下表3给出。
表3
*收率以脲为基准实施例4在与实施例1相同的条件下进行反应，只是改变了各反应的碱的种类。结果由下表4给出。
表4
实施例5向配有冷凝器及温度计的100ml三颈反应器中加入1.20g(20mmol)脲、2g碳酸钾、0.1011g芘、25g DMSO以及摩尔比随表5中给出的脲变化的KOH。然后，搅拌所形成的混合物，并将其加热到90℃。一旦反应温度达到90℃，则在5到10分钟的时间内，利用注射器缓慢滴加0.83g(6.7mmol)和5g DMSO的混合溶液。在反应器内部温度不超过90±4℃时，使所形成的混合物反应2小时。然后对产物进行定量分析。结果由下表5给出。
表5
实施例6在与实施例1相同的条件下进行反应，只是改变了各反应所使用的溶剂种类。结果由下表6给出。
表6
*二甲苯和二噁烷分别按1∶1的重量比与DMSO混合。
实施例7在与实施例1相同的条件下进行反应，只是改变了所使用的溶剂量。结果由下表7给出。
表7
实施例8在与实施例1相同的条件下进行反应，只是改变了各反应的反应体系中的水分含量。结果由下表8给出。
表8
A使用未纯化的工业溶剂。B使用干燥剂除去反应体系中的水分。C在真空条件下，除去水分后进行反应。D和E水的用量以KOH为基准。
实施例9在与实施例1相同的条件下进行反应，只是各反应的气体氛围分别为氧、氮、和空气。结果由下表9给出。
表9
工业实用性由上述说明可知，本发明提供了一种制备4-亚硝基苯胺的方法，其中使用相对便宜的脲和硝基苯为原料，并且使用相对便宜的碱，从而降低了生产成本。在本发明方法中，作为胺供体的脲与硝基苯的反应性能很好，以高收率制备4-亚硝基苯胺，只有少量或没有邻位化合物，并且与4-(4-硝基苯)苯甲酰胺相比，反应中间体是不稳定的，容易分解成4-硝基苯胺和4-亚硝基苯胺。这缩短了反应时间和处理时间。另外，本发明方法的优点在于，其中不产生对环境有害的副产废物。
尽管已经针对说明目的公开了本发明的优选实施方案，但在不偏离如所附的权利要求书所公开的本发明范围和精神实质的情况下，本领域的熟练技术人员会意识到各种改进、添加和取代都是可能的。
权利要求
1．一种制备4-亚硝基苯胺的方法，该方法包括在室温至150℃的温度下，在碱存在时，在极性有机溶剂中使脲和硝基苯反应。
2．权利要求1的方法，其中硝基苯和脲的摩尔比小于1。
3．权利要求1的方法，其中极性有机溶剂选自二甲亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷二酮(NMP)、与二甲亚砜混合的二甲苯、以及与二甲亚砜混合的二噁烷。
4．权利要求1的方法，其中碱选自氢氧化钠、氢化钠、氢氧化钾、叔丁醇钾、以及四甲基铵氢氧化物。
5．权利要求1的方法，其中碱和脲的摩尔比范围为1-10。
6．权利要求1的方法，其中反应是在氮、氧或空气氛围下进行的。
全文摘要
本申请公开了一种制备4－亚硝基苯胺的方法,该方法是在室温至150℃下,在碱存在时,在极性有机溶剂中使脲和硝基苯反应。该方法使用相对便宜的脲和硝基苯为原料,并且使用相对便宜的碱,从而降低了生产成本。作为胺供体的脲与硝基苯的反应性能很好，并且与4－(4－硝基苯)苯甲酰胺相比,其反应中间体是不稳定的,容易分解成4－硝基苯胺和4－亚硝基苯胺。这缩短了反应时间和处理时间。另外,该方法的优点是不产生对环境有害的副产废物。
文档编号C07C211/52GK1296002SQ0010695
公开日2001年5月23日 申请日期2000年4月26日 优先权日1999年11月16日
发明者朱泳悌, 金镇亿, 元贞姙, 黄今意 申请人:锦湖石油化学株式会社