专利名称：一种利用微通道反应器合成硝基氯苯胺类化合物的方法
技术领域：
本发明涉及利用微通道反应器进行氯苯胺硝化，具体内容包括利用该反应器进行氯苯胺胺基保护及硝化以及在反应器外水解反应的方法，是一种在微通道反应器中完成原料预热，胺基保护，硝化反应过程的连续流工艺过程。本方法可在强混酸及50 110°C反应条件下连续安全的合成硝基氯苯。
背景技术：
微通道反应器一般是指经过微加工和精密加工技术制造的小型反应系统。它包括化工单元所需要的混合器、换热器、反应器、控制器等，但是，其管道尺寸远远小于常规管式反应器，微型化的结构使其拥有一些新的特性。氯苯胺硝化是重要的化学工业反应，其硝化产物是一种重要的医药、农药中间体。目前氯苯胺硝化工业生产主要采用三步间歇工艺，氯苯胺经酰化、硝化、水解得到产品硝基氯苯胺类化合物，产品总收率大多为60%左右。因此目前氯苯胺硝化工艺存在工艺操作复杂，反应时间长，收率较低等问题，并且所用硝化反应器多为釜式机械搅拌反应器或静态混合管式反应器，都不可避免因混合不均而导致局部过热以及设备腐蚀的问题，存在安全生产隐患。CN 1418861A (5_氯_2_硝基苯胺的化学合成方法)中公开了以3_氯苯胺为起始原料，经甲酰化、硝化和水解三步反应合成目标产物5-氯-2-硝基苯胺的化学合成方法。该方法操作过程复杂，溶剂消耗量大，工业化生产中难以精确控制反应条件，易造成副产物的产生,并且总反应时间达8h。CN 1418861A (5_氯_2_硝基苯胺制备方法)中公开了由间氯苯胺与乙酰氯在非质子溶剂中较温和的条件下经酰化反应获得间氯乙酰苯胺，然后在硝酸与醋酐的混酸溶液中硝化，最后在Claisen碱的存在下水解得到产物，该方法旨在减少反应的危险性，保证生产安全，但较长的反应时间以及剧烈的硝化反应过程的危险性仍然存在。由以上公开专利文献可以看出，利用微通道反应器进行合成硝基氯苯胺类化合物合成工艺研究，是对常规硝化工艺的一个突破。微通道反应器具有常规硝化反应器所不具备的一些特性:通道尺寸微型化；较大的比表面积；优良的传质传热特性；连续反应；不需中试直接放大；生产灵活且安全性能高。因此利用微通道反应器进行氯苯胺硝化这类强放热反应连续流工艺的开发具有无可比拟的优势。但在专利及期刊文献中尚未见在微通道反应器内进行连续流的氯苯胺酰化及硝化的报道。本发明选用微通道反应器进行连续流酰化以及强放热混酸硝化反应，提高传质、传热速率、反应速率以及产物硝基氯苯胺的选择性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用微通道反应器进行连续流氯苯胺酰化、硝化反应的方法以及在反应器外水解反应的方法，该方法中的酰化、硝化过程可在高于常温的反应器操作条件下，依靠流体本身动能完成传质传热，无需机械搅拌过程、无需反应通道外继续反应过程就可获得高于常规反应器转化率和硝化产物选择性的连续流反应方法，其中水解过程需要借助常规反应设备进行。利用微通道反应器可提高酰化、硝化反应本征反应速率，显著提高硝化产物的选择性，减少副产物的形成，同时大大提高空时反应速率，反应过程中避免温度与浓度波动，无飞温与过热现象，反应过程安全。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
本发明一种利用微通道反应器合成硝基氯苯胺类化合物的方法，按照下述步骤进行:I)反应中所用氯苯胺与酰化剂在微通道反应器内混合反应，将按照反应所需的氯苯胺与酰化剂配比计算的氯苯胺、酰化剂两股物料经由各自计量泵同步进入微通道反应器内进行混合，混合温度由外部换热器进行控制，换热介质为水、导热油，温度为50 100°C,通道出口即为混合反应完全的酰化氯苯胺。该反应过程在微通道反应器内反应停留时间为IOs 15s。2)将所需混酸配比计算的硝酸、硫酸两股物料经由各自计量泵同步进入该微通道反应器内进行混合，混合温度由外部换热器进行控制，换热介质为水、导热油，温度为50 100 V，通道出口即为混合均匀的混酸硝化剂。3)上步所得的酰化氯苯胺与混酸混合反应，反应温度为50 100°C，产物从反应器的出口流出，出口前进行冷却处理，出口处即可进行水解处理过程，得到反应产物。本发明所用的微通道反应器为增强传质型微通道反应器，微通道的材质为单晶硅、特种玻璃、陶瓷、 涂有耐腐涂层的不锈钢或金属合金、聚四氟乙烯等。反应系统可防腐耐压，耐压能力视材质不同而不同，系统中反应最大安全压力为15 30bar。反应通道浸没在控温导热介质中或配有换热夹套，在换热夹套或导热介质中配有热电偶，可用于测定换热通路中换热介质或外界导热介质的实际温度，微通道结构分为T型结构与直行通道结构两种，通道水力直径为0.2mnTlmm,如图1 (a)、(b)所示。本发明进行连续流氯苯胺酰化、硝化反应过程，以及装置外水解反应过程，微通道反应器系统包括酰化反应系统、混酸配置系统、硝化反应系统、水解反应系统四部分，物料的混合过程在T型结构中完成，反应过程在直行通道中完成，反应停留时间由直行通道的长度决定。本发明氯苯胺酰化所用的酰化剂可为酰氯、酸酐、冰醋酸，硝化剂所用混酸为硝酸、硫酸，其中硝酸与硫酸的摩尔比为1: 0.05 1: 0.1，水解过程仍可借助常规设备进行。氯苯胺与酰化剂的摩尔比为1:1.4 1:2.0
本发明利用微通道反应器合成硝基氯苯胺类化合物的工艺与现有技术相比，具有以下优势:
1.该工艺主要反应阶段为连续流态反应，反应时间缩短为几秒至几分钟，提高了产率以及产物选择性，因此显著提高反应效率和生产效率。2.硝硫混酸的配置过程可在微通道反应器内完成，无需额外的防腐混酸配置装备与转移装置，避免了强腐蚀性混酸的泄漏与污染危险。3.酰化氯苯胺与混酸在微通道内即可完成混合、反应过程，无需机械搅拌，混合快速均匀，反应过程反应安全。4.所采用的反应设备为微通道反应器，其微小的通道结构可加强传质、传热性能，保持反应温度恒定，避免飞温现象，减少副产物的产生。
图1为本发明所用微通道反应器典型通道结构单元图；其中(a)为T型通道结构;(b)为直行通道结构；
图2为本发明微通道反应器简易流程 图3为本发明微通道反应器简装置图；其中1-氯苯胺计量泵，2-酰化剂计量泵，3-硫酸计量泵，4-硝酸计量泵，5-氢氧化钠计量泵，6-压力表，7-T型通道，8-直行通道，9-水解釜。
具体实施例方式以上描述了本发明，以下实施例例证性说明本发明的实施效果，不能理解为是对本发明范围的限定。下列实施例系根据本发明方法的要求在微反应器中进行。一种利用微通道反应器合成硝基氯苯胺类化合物的方法，按照下述步骤进行:
I)连续流微通道内的反应过程包括氯苯胺酰化、硝化反应过程，水解反应过程在微通道装置外利用常规反应器完成。反应过程简易流程图如图2所示，简易装置图如图3所示，氯苯胺与酰化剂分别经计量泵1、2进入T型通道内进行混合反应，硝酸与硫酸经计量泵
3、4进入T型通道7内进行混合，所得酰化产物与硝化产物在T型通道与直行通道8内进行混合反应，反应结束后的水解过程在水解釜9内进行，水解过程通过氢氧化钠计量泵5通入氢氧化钠溶液，压力表6控制反应过程的压力。
2)本发明中所指的 氯苯胺类化合物包括邻氯苯胺、对氯苯胺、间氯苯胺。3)反应中所用的酰化剂包括酰氯、酸酐、冰醋酸，氯苯胺与酰化剂的摩尔比为1:
1.4 1:2.0，氯苯胺与酰化剂经由各自计量泵同步进入该微通道反应器T型结构内进行混合，在直行通道内进行反应，混合温度由外部换热器进行控制，换热介质为水、导热油，温度为50 100°C，通道出口即为反应完全的酰化氯苯胺，该反应过程在微通道反应器内反应停留时间为IOs 15s。4)反应中所用的硝化剂为硝酸与硫酸的混酸，硝酸与硫酸的摩尔比为1: 0.05 I: 0.1，硝酸与硫酸经由各自计量泵同步进入该微通道反应器T型结构内进行混合，如图1 (a)所示，混合温度为30°C，混酸自出口流出后与酰化氯苯胺进入T型结构内混合并在直行通道内进行硝化反应，其中T型结构如图1 (a)所示，直行通道如图1 (b)所示，酰化氯苯胺与硝酸的摩尔比为1:1 1:3，反应温度为50 100°C，该反应过程在微通道反应器内反应停留时间为30s 105s。5)硝化后的产物后通入15% 25%的氢氧化钠溶液中，利用常规爸式反应器进行，60 100°C加热保温2小时，减压抽滤，洗涤烘干后即可得到硝化芳胺类产物。实施例1
(I)所用装置:微通道反应器，换热介质为导热油。(2)参照图3确定微通道反应器连接模式，反应停留时间根据直行通道的长度与流速来确定，以循环导热油为换热介质，设定反应温度为50°C，待反应器热电偶显示温度稳定后，设定各计量泵的摩尔流速比为对氯苯胺:酰氯:硝酸:硫酸=1: 1.4: 1: 0.05，反应停留时间为40s，反应产物流出反应器后进入碱液水解釜式反应器。产品经过萃取、中和、洗涤可通过液相色谱进行检测，此时，对氯苯胺转化率为100%，产品中酰化氯苯胺质量含量为5.5%，5-硝基对氯苯胺质量含量为92%。实施例2
(I)所用装置:微通道反应器，换热介质为水。(2)参照图3确定微通道反应器连接模式，反应停留时间根据直行通道的长度与流速来确定，以循环导热油为换热介质，设定反应温度为70°C，待反应器热电偶显示温度稳定后，设定各计量泵的摩尔流速比为邻氯苯胺:酸酐:硝酸:硫酸=1: 1.6: 1.1: 0.07，反应停留时间为60s，反应产物流出反应器后进入碱液水解釜式反应器。产品经过萃取、中和、洗涤可通过液相色谱进行检测，此时，邻氯苯胺转化率为100%，产品中酰化氯苯胺质量含量为7.5%，4-硝基对氯苯胺含量为64.3%，3-硝基对氯苯胺质量含量为28.2%。实施例3
(I)所用装置:微通道反应器，换热介质为水。(2)参照图3确定微通道反应器连接模式，反应停留时间根据直行通道的长度与流速来确定，以循环导热油为换热介质，设定反应温度为90°C，待反应器热电偶显示温度稳定后，设定各计量泵的摩尔流速比为间氯苯胺:冰醋酸:硝酸:硫酸=1: 1.8: 1.2: 0.09，反应停留时间为80s，反应产物流出反应器后进入碱液水解釜式反应器。产品经过萃取、中和、洗涤可通过液相色谱进行检测，此时，间氯苯胺转化率为100%，产品中酰化氯苯胺质量含量为2.3%, 2-硝基间氯苯胺质量含量为20.7%, 4-硝基间氯苯胺质量含量为77%。实施例4` (I)所用装置:微通道反应器，换热介质为导热油。(2)参照图3确定微通道反应器连接模式，反应停留时间根据直行通道的长度与流速来确定，以循环导热油为换热介质，设定反应温度为100°c，待反应器热电偶显示温度稳定后，设定各计量泵的摩尔流速比为间氯苯胺:冰醋酸:硝酸:硫酸=1: 2: 1.3: 1.1，反应停留时间为120s，反应产物流出反应器后进入碱液水解釜式反应器。产品经过萃取、中和、洗涤可通过液相色谱进行检测，此时，间氯苯胺转化率为100%，产品中酰化氯苯胺质量含量为0.3%, 2-硝基间氯苯胺质量含量为25.4%, 4-硝基间氯苯胺质量含量为74.3%。
权利要求
1.一种利用微通道反应器合成硝基氯苯胺类化合物的方法，其特征在于按照下述步骤进行: 1)反应中所用氯苯胺与酰化剂在微通道反应器内混合反应，将按照反应所需的氯苯胺与酰化剂配比计算的氯苯胺、酰化剂两股物料经由各自计量泵同步进入微通道反应器内进行混合，混合温度由外部换热器进行控制，换热介质为水、导热油，温度为50 100°C，通道出口即为混合反应完全的酰化氯苯胺；该反应过程在微通道反应器内反应停留时间为IOs 15s ； 2)将所需混酸配比计算的硝酸、硫酸两股物料经由各自计量泵同步进入该微通道反应器内进行混合，混合温度由外部换热器进行控制，换热介质为水、导热油，温度为50 IOO0C，通道出口即为混合均匀的混酸硝化剂； 3)上步所得的酰化氯苯胺与混酸混合反应，反应温度为50 100°C，产物从反应器的出口流出，出口前进行冷却处理，出口处即可进行水解处理过程，得到反应产物。
2.根据权利要求1所述的一种利用微通道反应器合成硝基氯苯胺类化合物的方法，其特征在于所用的微通道反应器为增强传质型微通道反应器，反应压力为15 30bar，微通道结构分为T型结构与直行通道结构两种，通道水力直径为0.2mnTlmm。
3.根据权利要求1所述的一种利用微通道反应器合成硝基氯苯胺类化合物的方法，其特征在于所用的酰化剂为酰氯、酸酐、冰醋酸，硝化剂所用混酸为硝酸、硫酸，氯苯胺与酰化剂的摩尔比为1:1.4 1:2.0，其中 硝酸与硫酸的摩尔比为1: 0.05 1: 0.1。
全文摘要
本发明涉及一种利用微通道反应器合成硝基氯苯胺类化合物的方法，属于有机合成应用技术领域。该法以氯苯胺、酰化剂、硝酸、硫酸为起始反应原料，在微通道反应器系统内完成氯苯胺酰化、混酸配置、酰化氯苯胺硝化等过程，水解反应过程在微通道装置外利用常规反应器完成。反应中采用酰氯、酸酐、冰醋酸为酰化剂，硝硫混酸为硝化剂，氯苯胺酰化转化率可达到100%，硝基氯苯胺的质量含量达到92%以上。本发明采用的微通道反应器特别适合于进行连续酰化与硝化反应，具有控温稳定、过程安全的特点。
文档编号C07C211/52GK103113235SQ20131003664
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月30日 优先权日2012年10月15日
发明者张跃, 张沫, 严生虎, 刘建武, 沈介发, 马兵, 沈卫 申请人:常州大学