间氨基苯酚制备及产物分离工艺的研究_张敏

摘要

间氨基苯酚（MAP）是一种重要的精细化工原料和有机中间体，在石油化学工业、农药、医药、染料等领域的应用十分广泛。到目前为止，开发出了多种合成间氨基苯酚的工艺，主要有硝基苯磺化碱熔法、间苯二酚氨解法、间硝基苯酚电解法、苯胺羟基化法和间苯二胺盐酸水解法等，但它们大都分别存在着工艺落后、污染严重、成本较高和对设备要求较高等的问题。

本文重点研究了间苯二胺硫酸水解制备间氨基苯酚的合成新工艺和水解产物结晶分离制备MAP的纯化工艺两部分。具体研究内容和结果如下：

通过单因素实验和正交实验，考察了反应时间、温度、物料配比和酸的浓度对间苯二胺水解反应的影响，确定了最佳的工艺条件为：酸的浓度为23%，反应温度为190 ℃，间苯二胺与浓硫酸的摩尔比为1:2.10，反应时间为20 h。在此条件下间苯二胺的转化率达到了99.0%，间氨基苯酚的收率为43.8%，间苯二酚的收率是54.4%。通过动力学实验，分别得到了在190 ℃、200 ℃、210 ℃温度条件下间苯二胺水解反应的速率方程，并求得水解反应的频率因子和活化能。

鉴于间苯二胺硫酸水解制备间氨基苯酚工艺的水解产物包含间氨基苯酚、间苯二酚和少量间苯二胺三种组分的情况，先用乙酸丁酯萃取分离间苯二酚，然后对间苯二胺和MAP进行结晶分离得到纯净的MAP，并确定了结晶工艺条件。其条件为：溶液的pH值为7.08，结晶温度为15 ℃，结晶时间为40 min，搅拌转速为500 r·min-1。

本文提出了硫酸法水解制备间氨基苯酚的新工艺，优化了水解工艺条件，得出不同温度条件下的间苯二胺水解反应的速率方程，并对产物进行先萃取后结晶的分离工艺进行研究。对此未见国内外文献报导，为该工艺的深入研究打下了基础。

关键词：间氨基苯酚 间苯二胺 间苯二酚 萃取 结晶

Abstract

m-Aminophenol(MAP), an important chemical raw material and organic intermediate, has been widely used for many fields such as, petrochemical industry, agricultural chemicals, pharmacy, and dyestuff. Now so many methods had been discovered to prepare MAP, which included nitrobenzene sulfonated alkali fusion, resorcinol liquid ammonolysis solution, m-nitrophenol electrolysis, hydroxylation of aniline, and m-phenylenediamine hydrolysis with HCl, but those technics have many limitations such as, outdated technics, serious pollution, high costs, high equipment requirement and so on.

The paper mainly studied two parts which were the new technics for MAP by m-phenylenediamine hydrolysis with H2SO4 and the separation of hydrolyzate. The contents and results were as follows.

The synthetic process of MAP was reviewed, and the optimal reaction conditions were

℃confirmed as follow: the concentration of acid 23%, reaction temperature 190 , the mole ratio of m-phenylenediamine to acid 1:2.10, reaction time 20 h. Under these conditions the conversion of m-phenylenediamine acid reach up to 99.0%, the yield of MAP was 43.8%and the yield of resorcinol was 54.4%.In addition, the rate equations of m-phenylenediamine hydrolysis at different temperature of 190 ℃,200 ℃,and 210 ℃ were also obtained through kinetic experiment and achieved the activation energy and frequency factor of the hydrolysis reaction.

In view of process of the preparation of m-aminophenol by hydrolysis of m-phenylenediamine with sulfuric acid contained three components, product of m-aminophenol, resorcinol and a small number of m-phenylenediamine. using butyl acetate to extract resorcinol, and then pure MAP can be accquired by separated the m-phenylenediamine and MAP through crystallization. The crystallization conditions are as follows: the solution

℃ min, stirring speed pH 7.08, the crystallization temperature15 , the crystallization time 40

500 r·min-1.

In this acticle, the new technics for MAP by m-phenylenediamine hydrolysis with H2SO4 was recored, the separation of hydrolyzate with the method of solvent extraction was studied, the reaction condition was optimized,and rate equation under different temperature was obtained. Those results had not been reported with any literature, and lay foundation for the in-depth research on this process. In addition the product of resorcinol of separation is also an important organic chemical intermediates, so the process is a line of zero emissions of green technology.

Key words: m-Aminophenol, m-Phenylenediamine, Resorcinol, Hydrolysis

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (2)

第一章 绪论 (1)

1.1间氨基苯酚的用途 (1)

1.2 市场消费情况及发展前景 (2)

1.2.1 市场消费情况 (2)

1.2.2 发展前景 (3)

1.3MAP的生产发展和合成技术现状 (4)

1.3.1 MAP的生产发展 (4)

1.3.2 MAP的合成技术现状 (5)

1.4课题的提出及研究的目的和意义 (8)

1.4.1研究目的和意义 (8)

1.4.2 研究内容 (9)

第二章 间苯二胺水解制备MAP工艺的研究 (10)

2.1 引言 (10)

2.2 实验设备、药品及仪器 (11)

2.2.1实验设备 (11)

2.2.2实验药品和仪器 (11)

2.3 实验步骤 (12)

2.3.1 单因素实验 (12)

2.3.2 正交实验 (13)

2.3.3动力学实验 (14)

2.4 单因素实验结果与讨论 (14)

2.4.1以时间为变量对合成收率和转化率的影响 (14)

2.4.2间苯二胺和硫酸的摩尔比对合成收率及转化率的影响 (16)

2.4.3硫酸的浓度对合成收率及转化率的影响 (17)

2.4.4反应温度为变量对水解反应的影响 (18)

2.4.5 单因素实验结果分析 (20)

2.5正交实验数据处理及讨论 (20)

2.5.1 数据处理 (20)

2.5.2验证实验 (21)

2.5.3分析讨论 (22)

2.6 动力学实验数据处理与结果讨论 (22)

2.6.1 实验数据的测定 (23)

2.6.2 反应动力学公式的推导 (23)

2.6.3 动力学数据的处理及分析 (24)

2.6.4 活化能及频率因子 (29)

2.7 本章小结 (29)

第三章 间苯二胺、MAP结晶分离工艺的研究 (31)

3.1 引言 (31)

3.2 间苯二酚、MAP及间苯二胺萃取、结晶分离方法分析 (32)

3.3 溶解度的测定 (32)

3.4影响结晶工艺的因素[80-82] (33)

3.5 实验药品与仪器 (34)

3.6 实验步骤 (35)

3.6.1 MAP溶解度测定实验 (35)

3.6.2 MAP结晶工艺实验 (35)

3.6.3 结晶工艺验证实验 (36)

3.7 分析方法 (37)

3.7.1 操作条件的确定 (37)

3.7.2 外标曲线的建立 (38)

3.8实验结果与讨论 (39)

3.8.1 MAP溶解度的结果与讨论 (39)

2.8.2 MAP结晶工艺实验结果与讨论 (43)

2.9 本章小结 (47)

第四章 工艺验证、表征及探索性实验分析 (48)

4.1 工艺验证结果 (48)

4.2 表征 (48)

4.3 探索性实验分析 (49)

第五章 结论 (50)

参考文献 (51)

研究生期间发表的文章 (55)

致谢 (56)

第一章 绪论

间氨基苯酚（m-Aminophenol），又名间羟基苯胺，化学名为3-氨基苯酚(3-Aminophenol)。

分子式：C6H7NO

结构式：

NH2

OH

分子量：109.12

理化性质：熔点为122～123 ℃[1]。间氨基苯酚的干燥纯品为白色或浅黄色片状结晶，易溶于热水，乙醇和乙醚，溶于冷水，难溶于苯和汽油，有还原性，易被空气中的氧所氧化，成品暴露于空气中和日光下颜色逐渐变黑。

1.1间氨基苯酚的用途

间氨基苯酚(MAP)是一种重要的有机化工原料和医药中间体，广泛应用于医药、农药和染料等领域。

在医药方面，MAP主要用于生产抗结核病药对氨基水杨酸钠，在合成其他药物方面也得到科研工作者的广泛研究和探讨，如以MAP为原料合成抗癌、镇定、止痛药物曲吗多的中间体[2]；以MAP原料合成依酚氯铵，一种超短时间作用的抗胆碱酯酶药，可以作为非去极化型骨骼松弛药的拮抗剂及重症肌无力的诊断剂[3-4]；以MAP为原料合成化合物N,N′-二(间甲氧基苯基)-3,6-二甲基-1,4-二氢-1,2,4,5-四嗪-1,4-二甲酰胺[5-8]，对小鼠白血病细胞和人肺腺癌细胞肿瘤的生长具有明显抑制作用。

在农药方面，MAP的作用也日益受到人们的重视，应用也很广泛。如以MAP为原料反应合成甜菜安和甜菜宁[9]。甜菜安与甜菜宁均属二氨基甲酸酯类除草剂，是低毒、高选择性的除草剂，可防除甜菜田多种阔叶杂草，效果好，且残留少，使用时多两者混用，两种除草剂按一定比例混合就是目前使用最多的甜菜除草剂甜安宁。另外，MAP 还可以用来合成抗球虫药物甲苄氧喹啉的中间体3-苄氧基-4-丁基苯胺[10]。除此之外，间氨基苯酚还可以用于生产杀菌剂灭锈胺及氟酰胺[11]。灭锈胺对由担子菌、纲菌引起的病害有高效，主要用于防治水稻的纹枯病，药效长，毒性低，可以在水中、土壤中使用，同时它也是木材的良好防腐剂、防霉剂。氟酰胺属于酰胺类杀菌剂，也可以用于防止丝核菌引起的水稻纹枯病。

在染料方面，MAP的应用相对于其他方面最为广泛。在现代染料工业中，近年来随着传真技术在全世界范围内的快速发展和普及，由MAP生产功能性染料——无色压、热敏染料的应用越来越广泛，其中最重要的应用之一就是生产传真纸和热、压敏记录纸。以MAP为原料合成2-羧基-4’-（N,N-二烷基）氨基-2’-羟基二苯甲酮（KETO酸）[12]。KETO 酸是合成荧烷类压敏、热敏染料及荧光物质的重要中间体，可以与不同的芳香族化合物缩合而成不同发色性能、不同用途的系列产品，如：用作氧杂蒽-10-苯甲酸内酯类黑色素的合成[13]。在传统染料工业中，应用最为广泛的为罗丹明系列染料[14]。MAP经N-烷基化后再与邻苯二甲酸酐熔化、缩合就可制得传统的罗丹明系列染料[15]。除此之外，MAP可用来制造N，N-三甲基-3-氨基苯酚，用作煤染和碱性染料中间体及造相显影剂[16]；用来制造3-苯胺基苯酚，用作偶氮染料中间体[16]；用来制造N,N-二乙基-3- 氨基苯酚，用作各种染料中间体及喷气燃料的抗腐蚀剂[16]；还可用来制造毛皮染料如毛皮棕、毛皮黄等[16]。

除了以上应用之外, MAP还可以用作有机化学反应的催化剂,如环氧丙烷的聚合及

丙烯腈二聚反应等[17]；也可用作碱性介质中金属防腐蚀剂以及生产抗氧剂、稳定剂、显影剂等[17]。

1.2 市场消费情况及发展前景

1.2.1 市场消费情况

在国外，日本是世界上最大的间氨基苯酚生产国和消费国，染料消费量的72%用于生产功能性染料，特别是生产无色压、热敏型染料占绝对主导地位，其余传统染料的消费量仅占总消费量的28%。此外，随着传真技术的发展和普及，无色压、热敏型染料的市场需求量高速增长，20世纪80年代中期至90年代初，日本该类型染料年均增长率高达26.6%。近年来其增长速度虽有所减缓，但仍是世界间氨基苯酚需求增长的一个重要领域。2005年日本用于生产热敏染料的MAP约为1050 t，到2008年日本仅用于该染料的MAP消费量就达到1750 t。另外，用MAP生产传统染料的市场需求也基本保持稳定，且近几年来，随着农药、医药领域研究的快速发展，MAP在此领域的需求也呈一定的增长趋势[18]。

北美和西欧市场的间氨基苯酚主要来自于日本三井石油化学公司和住友化学公司，且也主要用于生产染料和医药。随着传真技术在全世界范围内的快速发展普及，无色压、热敏型染料在北美和西欧市场上的需求量也快速增加，20世纪90年代以来，北美、西欧等国家和地区给该类染料带来的年均增长率高达13%左右[19]。

此外，近十多年来，随着印度化学工业的快速发展，尤其是印度染料工业的快速发展，印度也有几家工厂建有间氨基苯酚生产装置，其生产的MAP基本可以满足自己国家的需求，且尚有一定余量出口西欧[20]。

在国内，消费结构为：医药行业约占10%，染料行业约占85%，其它行业约占5%。间氨基苯酚另一重要用途是合成抗结核药物。近几十年来由于结核病的发病率和危害逐

渐减少，国内外对结核病的药物研究进展比较缓慢，新型药物问世较少，且由于耐药性的出现，增加了抗结核药物的消费量。2004年我国抗结核药物对MAP的需求约为200 t 左右，近几年来对MAP的需求增长率为5%，预计2009年医药对MAP的需求量将达到260 t左右[21-22]。

在染料行业中，随着我国染料业的结构调整和新产品的开发，目前我国已经能够采用MAP与溴代烷生产无色压、热敏系列功能性染料，且随着我国合成技术的不断完善，目前国内已有数家企业生产该类染料，产品不仅替代了国外产品，还进入国际市场，改变了以往国内无色压、热敏系列染料被日本垄断的局面。近年来我国信息工业的迅猛发展，对该类染料的需求呈现年均10%以上的增长速度。2004年国内无色压、热敏染料对MAP的年消费量达到1000 t左右，2005～2008年间该领域对MAP消费的年均增长率在15%左右，预计2009年需求间氨基酚约为2000 t左右[21-22]。

传统染料领域对MAP的需求多年来保持相对稳定的局面，我国作为全球染料第一大生产国，几乎所有的传统染料品种国内均能生产，且质量和价格在国际市场上极具竞争力，国内已有多家企业采用国产MAP生产一定数量的传统染料，2004年传统染料对MAP的需求约为200 t，而目前该领域对MAP的消耗量已达到550 t左右[21-22]。

农药行业也是间氨基苯酚的重要消费领域，部分含氟的杀虫剂、杀菌剂都是以MAP 为原料来生产的，不过由于品种少，产量也相对较小，目前国内该领域消耗MAP约80 t，预计2009年将达到110 t左右[21]。

重要的中间体间羟基-N,N-二乙基苯胺也是间氨基苯酚一个较大的潜在消费领域，是合成多种染料和香豆素类荧光增白剂的重要原料。目前该中间体采用间硝基苯磺酸钠为原料进行生产，工艺落后，污染严重，而采用以MAP为原料的生产工艺相对简单，产品质量好。如果MAP在价格方面更具竞争力，供应充足，仅间羟基-N,N-二乙基苯胺每年将消耗MAP约为1500 t[22]。

综合来看，预计2009年我国间氨基苯酚的需求量约为2900 t，再加上潜在的间羟基-N,N’-二乙基苯胺的需求，到2009年，我国对间氨基苯酚的需求有望达到4400 t[21]。

1.2.2 发展前景

目前世界市场上流通的产品主要来自于日本，三井石油化学公司和住友化学公司是世界上最大的两家间氨基苯酚生产公司。住友化学公司于1987年率先改进MAP传统生产工艺，由硝基苯法转为间苯二酚法，建设年生产能力1500 t的装置投产，三井石油化学公司也于1988年采用间苯二酚法建设500 t/a装置。建设之初，MAP生产能力较原有传统工艺有所下降，且受原料间苯二酚价格较高的影响，经济效益并不十分明显。但近十几年来，随着传真技术的快速发展普及， MAP衍生物应用的日益广泛，世界环保意识的逐渐增强，此工艺的经济效益也有一定的增长，住友化学公司于2000年进一步增加生产能力，达到2500 t/a左右，三井石油化学公司也将生产能力扩大为1500 t/a。但2005年，间苯二酚的价格同比2004年上涨一倍以上，这又致使MAP的生产成本大幅度增长，从而导致全球范围内MAP供求紧张[23]。

欧美许多公司仍采用传统的磺化碱熔法来生长MAP。近几年来，由于受到本国环

保要求的制约、产品质量以及发展中国家产品价格的竞争等多种因素，美国正准备关闭这一生产线，而欧洲已有多家工厂停止此生产线，如原世界最大MAP的生产商意大利的Aeta有机化学公司于1993年退出生产；此外，日本原来的硝基苯磺化碱熔法生产企业如本洲化学、东洋化学药品公司也先后停止生产。美国生产线的关闭以及欧洲和日本几个企业的退出和停产更进一步加剧了社会对MAP需求量日益增长与生产量相对减小的矛盾，同时也给世界间氨基苯酚市场留下巨大的空缺和机遇[23]。

通过以上可以看出，受近年来间苯二酚价格迅猛增长，以及欧美市场出现巨大空缺的影响，未来几年内，间氨基苯酚的价格不但不会下降，反而会有一定的上升空间。而目前我国生产MAP所采用的工艺技术落后，产生大量三废污染环境，在环境保护要求日趋严格的今天，硝基苯磺化碱熔法生产MAP工艺已没有太大的发展前途，因此许多企业被迫关闭生产装置。以前我国是MAP的主要出口国，由于部分装置关闭，加上下游一直由日本等国家掌握的以MAP为原料生产的热敏染料技术近年来在我国取得突破，我国已由主要出口国变成主要进口国。

另一值得关注的是间氨基苯酚合成重要染料中间体间羟基-N,N’-二乙基苯胺的应用。目前我国间羟基-N,N’-二乙基苯胺产量约为2000 t，但国内仍有部分企业因MAP价格昂贵，生产成本高等因素而采用间硝基苯磺酸钠为原料生产间羟基-N,N’-二乙基苯胺，假设国内能够大量生产间氨基苯酚，并开发出更好的工艺路线，解决目前MAP紧缺的难题，则可有效地开拓MAP在染料方面的消费市场，仅间羟基-N,N’-二乙基苯胺这一项每年约消费MAP1400 t。

我国现在的间氨基苯酚生产能力约有2500 t/a，但由于工艺落后，生产能力较小，产品的质量和数量均不能满足国内需求[24]。

综合分析，国内外间氨基苯酚的需求量仍在持续增长，但受原料价格及技术落后灯问题的影响，未来市场将出现很大的缺口。MAP作为一种是重要的有机中间体，尤其是作为功能性染料的中间体，具有很好的发展潜力和广阔市场前景。

1.3 MAP的生产发展和合成技术现状

1.3.1 MAP的生产发展

19世纪70年代，在工业化生产的中早期采用硝基苯磺化、还原、碱熔的工艺流程来制备MAP，且为了满足工业需求，这一流程经过许多改进后，相继被美国、日本，意大利、联邦德国等世界各国普遍采用。我国MAP的生产始于20世纪70年代，生产工艺也主要采用硝基苯磺化碱熔法[25]。

MAP最初主要是用于生产抗结核病药物PAS，但随着结核病患者的减少，PAS需求量的大减，MAP的产量曾大幅度降低。但自20世纪70年代以来，随着染料工业，特别是功能性染料工业的飞速发展，MAP的需求量猛增，加之人们对环境保护的关注和重视，传统的生产方法已没有多大发展前途。1987日本住友化学公司率先采用间苯二酚氨基法生产MAP。新工艺工业化的实现加剧了淘汰旧工艺的步伐，1993年原世界最

大MAP的生产商意大利的Aeta有机化学公司关闭传统工艺路线，停止生产。此外，日本原来的硝基苯磺化碱熔法生产企业如本洲化学、东洋化学药品公司也先后停止生产[26-28]。

住友化学公司于1987率先建设年生产能力1500 t的新工艺装置投产后，又于2000年进一步增加生产能力，达到2500 t/a左右。三井石油化学公司也于1988年采用间苯二酚法建设500 t/a装置，不久后扩大为1500 t/a[26]。

1.3.2 MAP的合成技术现状

MAP的传统生产方法是硝基苯磺化碱熔法，但此法的的生产工艺较为粗糙，环境的负荷较大[27-29]。为改善产品质量，减少环境污染，通过各国化学工作者的努力，MAP 的合成工艺得到了很大的改进，已开发出多种合成路线[30-43]，如间苯二胺水解法、间硝基基酚电解法、苯胺羟基化法、间苯二酚氨化法及间苯二胺部分氧化法。分别如下：1.3.2.1 硝基苯法

该法采用以硝基苯为原料，工艺过程分为五个步骤[44]：磺化，硝基苯经发烟硫酸磺化反应生成间硝基苯磺酸；还原，间硝基苯磺酸用铁粉还原生成间氨基苯磺酸；碱熔，间氨基苯磺酸与氢氧化钠作用生成间氨基苯酚钠；酸化，间氨基苯酚钠与盐酸作用生成MAP；蒸馏，粗品MAP经真空蒸馏即得成品MAP。主要化学反应式如下：

NO2

+H2SO4SO3NO2

SO3H+H2O

NO2

SO3H+Fe+H2O NH2

SO3H+Fe3O4

NH2

SO3H+NaOH NH2

ONa+Na2SO3

NH2

ONa+HCl NH2

OH+NaCl

（磺化）

（还原）

（碱溶）

(酸化）

该法是传统方法，至今印度及国内一些厂家仍在采用。硝基苯磺化碱熔法突出的问题是需要大量的强酸强碱，环境污染严重。为了减少环境污染，部分生产厂家和科研院所在磺化、还原等步骤上开发出不同的工艺，如沈阳化工研究院开发利用SO3代替发烟硫酸作磺化剂[25]，目前国内普遍采用该法；国外有的生产厂家利用Ni作催化剂，用氢气代替铁扮作还原剂[36]，但成本较高，工业化意义不大。

1.3.

2.2 间苯二胺水解法

此方法以间苯二胺为原料，盐酸为催化剂，在170 o C下密封条件下水解44 h生成

间氨基苯酚和副产物间苯二酚。反应设备简单，流程短，操作方便，无副产物，且反应原料价格低廉，反应全过程无任何污物排放，是符合当今环境保护为主题的绿色工程，但此工艺对容器的耐腐蚀性要求较高，反应时间较长。

2NH 2盐酸

OH NH 2

1.3.

2.3 间硝基苯酚电解法

近年来，随着电化学的快速发展，国内外关于间硝基苯酚电解法的研究报道也逐渐增多，曾有人报道过用Hg 电极在醇的酸溶液中电解还原间硝基苯酚制备MAP [45]，虽然Hg 电极具有很高的析氢电位，是一种优良的阴极材料，但由于Hg 电极污染严重，且使用不便，因此无法工业化生产。也有人报道过在碱性介质中用恒电流法电解还原间硝基苯酚[46]，用Cu 作阴极，Pb 作阳极， Na 2CO 3溶液和间硝基苯酚为阴极液，Na 2CO 3溶液为阳极液，取得了较好的效果。

国内陈黎明等也对间硝基苯酚电解法进行了研究[47]，最终确定了间硝基苯酚的浓度为0.014 mol·L -1，电位控制在-0.95 V ，温度控制在40 ℃，碳酸钠的浓度为0.2 mol·L -1，通以理论电量时，间氨基苯酚的收率为80.2％，电流效率为80.2％。

电化学合成法是把电子作为试剂来合成有机化合物的一种“绿色化学”方法.它在很大程度上从工艺本身消除了污染，保护了环境，副产物少，能耗低，工艺简单，反应过程容易控制，有很大的发展前途。但由于原料的来源和价格问题，目前都尚未实现工业化。

1.3.

2.4 苯胺羟基化法

欧洲专利曾报道过在超强酸HF-SbF 5 催化下,用H 2O 2 羟基化苯胺,可得主产物MAP ，具体反应式如下： NH 2+H 2O 2

此工艺采用H 202作羟基化试剂，成本较高，且生成间氨基酚的选择性较低，仅为64％，目前尚处于研究阶段[48-49]。

1.3.

2.5 间苯二酚氨解法

该法于 1987 首次研制开发成功，具有污染小、流程短、工业生产总收率较高的优点，同时其副产仅为水，具有较大的优越性，为国外（主要是日本）生产间氨基苯酚的主要方法，也是国际上学者讨论的热点[50-52]。它解决了传统工艺无法解决的环境污染问题，是今后间氨基苯酚生产发展的主要方向，但我国目前还没有此方面的成熟技术，做该方面研究的人也很少。此工艺的反应式如下：

OH

OH +NH

2

+H2O

关于这一合成方法的研究，经历很多过程，首先是气相氨基法的研究，但由于种种问题，并未实现工业化。而后学者将目光转向间苯二酚液相氨基法的研究，并最终取得了显著的成果[53]。

（1）气相法氨解

上世纪70年代，三井石化首先采用气相法氨解合成MAP。使用SiO3 与5%的Ga2O3焙烘制得的催化剂，间苯二酚与10倍NH3的蒸汽相混合，在320 ℃下通过催化剂,即可生成MAP 和水。反应5 h，MAP 的选择性为96 %，间苯二酚的转化率为26 %。随着反应的进行，催化剂的活性显著下降。采用各种方法再生催化剂,仍未取得效果。后来采用的多种催化剂，如H3PO4、ZnO、V2O5 、MoO3 等，效果仍不明显。因此，此工艺未实现工业化。据分析，可能是由于气相氨化法中生成的高沸点副产物降低了催化剂的活性。

（2）液相氨解法[54-63]

由于在气相氨解法中无法抑制高沸点副产物的生成，从而不能阻止催化剂活性的下降。于是温度相对低的液相氨解法便成为研究的热点。在无催化剂存在下，间苯二酚液相氨解的反应速度很慢，MAP 的选择性也较低,反应中的副产物主要有两种。可见，主要是MAP 不太稳定，易继续氨解生成间苯二胺或形成二聚体，甚至三聚体，四聚体。为了提高间苯二酚的活性，抑制副产物的生成，各国学者和企业尝试了不同的催化剂[64]。

反应中的两种副产物:

NH2

OH NH3

NH2

OH

NH2

OH

N OH

HO

H

副产物1

副产物2

其中钼酸铵为此工艺较理想的催化剂。即反应体系用钼酸铵作催化剂，在210 ℃左右间苯二酚与氨水反应。MAP 经蒸馏分离,蒸馏分离的MAP 纯度已很高，再用重结晶除去微量的间苯二胺,经重结晶得到的白色的MAP 晶体纯度可达到99.15 %，此法催化剂和氨气均可回收套用。但是从经济角度考虑，间苯二酚的市场价格较高，因此此法工业化生产的经济效益低，稍有风险就会导致亏损。

1.3.

2.6 间苯二胺部分氧化法

1994 年Sephene Jacobson 以间苯二胺为原料经3-氨基-2-环己烯-1-酮氢解直接合成MAP，获得的MAP 产品，无需纯化，可直接用于3 ,4′-苯胺醚的合成[27]，反应是如下：

2

2

22

本法原料很容易得到，但在中间体3-氨基-2-环己烯-1-酮氢解的过程中，要用到昂贵的Pd - Pt 作催化剂，从生产成本考虑这条路线不理想。

1.4 课题的提出及研究的目的和意义

1.4.1研究目的和意义

间氨基苯酚的合成路线很多，目前实现工业化生产的只有两种，即硝基苯磺化碱熔法和间苯二酚液相氨基法，前者具有工艺条件简单，反应平缓，技术成熟等优点，但受污染严重的影响，发展前景很不乐观；而后者虽具有具有污染小、流程短等优点，但受原料价格较高的影响，该工艺路线的经济效益并不高。

间苯二胺酸性条件下水解制备MAP 的方法是新合成路线中的一种，具有反应设备简单，流程短，操作方便，且原料价格低廉等优点，是值得研究的一条合成路线。

1980年日本专利[30]最早提出了间苯二胺水解制备MAP 的合成路线，其中以盐酸为催化剂，在溶液中浓度为20%，间苯二胺与盐酸的摩尔比为1：2， 在170 ℃下反应44 h 可以较好地合成间氨基苯酚，副产物为间苯二酚。反应式如下：

2NH 2盐酸OH NH 2OH

OH

+69.8%

27.1% 此专利提出了一种合成间氨基苯酚的新方法，并取得了一定的成果，但由于较大浓度的盐酸在高温高压下具有很强的腐蚀性，所以此工艺对设备的耐腐性要求很高，同时反应时间较长。受到这两方面因素的制约，这条合成MAP 的新路线最终并未实现工业化。

针对以上问题，本文对间苯二胺水解工艺进行了改进，完善了整个水解工艺，增加了MAP 的结晶分离工艺。

首先，为了减小盐酸催化剂对设备的腐蚀，大胆的提出以硫酸代替盐酸来作催化剂的设想，并通过实验证明了，以硫酸为催化剂时，间苯二胺于高温高压下水解同样可以制备目标产品间氨基苯酚，且与在盐酸作催化剂条件下的水解情况相似，同样会有副产物间苯二酚生成，尽管MAP 收率小于日本专利，但是硫酸催化剂对设备的腐蚀性要远远小于盐酸，同时硫酸的催化效果大于盐酸，使反应的时间大大缩短，反应式如下：

NH 2NH 2+H 2O

其次，对硫酸作催化剂的间苯二胺水解工艺进行了全面细致的研究，这主要包括反应设备的设计、间苯二胺的水解反应、水解产物的分离纯化、溶剂的回收及废液的后处理等几大部分。其中，对间苯二胺的水解反应和水解产物的分离纯化两部分为本文着重研究的主要目的。

本文的研究工作，探索了一条具有很好经济效益和市场前景的MAP 生产工艺，为以后该工艺的进一步深入研究乃至实现工业化打下了基础。在日本专利的基础上，由于增加了分离工艺。尽管我们研究的工艺路线得到的产物除MAP 外还含有间苯二酚、且MAP 收率小于间苯二酚，但间苯二酚也是重要的有机化工中间体，经过萃取和结晶两步分离，获得间苯二酚和MAP 、硫酸钠三种产物，母液中的间苯二胺循环使用，达到零排放，所以该工艺路线是绿色环保的工艺路线。

1.4.2 研究内容

确定得到高转化率、高收率水解工艺条件和水解产物的分离工艺是本课题研究的目的，因此本文主要对以下几方面内容进行了研究：

1）研究含不同浓度的间苯二胺、一定量Na 2SO 4、不同pH 值条件及以上综合条件下的混合液中MAP 的溶解度。考察MAP 与间苯二胺结晶分离的可能性。

2）研究在一定的间苯二胺溶液中，温度、时间和转速对MAP 结晶纯度和结晶颗粒大小及MAP 收率的影响。确定MAP 的结晶工艺条件。

3）确定水解反应设备材质，对间苯二胺水解合成间氨基苯酚的工艺条件进行了详细的研究。通过单因素实验，考查了反应中各因素对反应的影响，总结了各因素下的水解反应规律；通过正交实验对水解反应进行了优化，探索出反应的较好工艺条件；通过动力学实验，推导出了速率方程，得出动力学参数。

第二章 间苯二胺水解制备MAP工艺的研究

2.1 引言

日本专利曾对间苯二胺水解工艺进行过相关报道。在此专利中，当间苯二胺与盐酸的摩尔比为1:2，盐酸的浓度为20%，于170 ℃的高温高压下反应44 h，MAP的选择性达到71%，为生成MAP的最佳反应条件。但是由于浓度较大的盐酸在高温高压下具有很强的腐蚀性，故此反应对设备的耐腐蚀要求很高。

本文依据上述专利和相关文献报道，改用硫酸作催化剂，利用硫酸具有强氧化性，可以使与它接触的金属产生密致氧化膜的特点，以阻断硫酸对金属的继续腐蚀，达到在一定程度上保护设备的目的。

此外，为了提高设备的耐腐蚀性，选用了较为常用的耐腐蚀材料铅、锆，设计加工成分别具有铅、锆内衬材质的不锈钢反应釜，分别进行初步探讨实验，通过对比了解到两反应釜在经历高温高压后均无明显变形情况，外部抗压效果都不错。在铅内衬反应釜内，虽然与溶液接触的部位形成了一层白色的抗腐蚀薄瞙，但仍有一定程度的腐蚀，而锆内衬反应釜内则并未反现腐蚀痕迹，因此锆内衬反应釜的耐腐蚀能力要比铅内衬反应釜强。

本文选用锆内衬的不锈钢反应器为间苯二胺水解反应釜，反应过程中效果一直很好，无任何腐蚀现象。

以硫酸为催化剂时，间苯二胺水解制备间氨基苯酚的反应式如下所示：

H2

2

在确定硫酸催化剂以及反应釜材质之后，本文从几个具体方面探讨研究间苯二胺的水解工艺，具体研究内容如下：

1）单因素实验在若干个影响反应的变化因素中，在某组实验中每次只改变其中一个因素的值而维持其它因素的值不改变，考察单一因素对实验结果的影响，总结单因素变化的影响规律[65]。

2）正交实验[65]根据单因素实验结果，设计正交实验，制定因素水平表，确定正交方案，做水解正交实验，并通过对实验结果的分析，确定最优的水解方案，并进行验证。

3）动力学实验测定最佳工艺条件下的速率方程，求解动力学参数。

2.2 实验设备、药品及仪器

2.2.1实验设备

1.反应釜：内衬为有锆涂层的不锈钢制成。外套为厚度8 mm钢管和12 mm厚的钢板焊接制得。主体为圆柱体，12 mm钢板主要作为法兰和封底。反应釜的法兰密封主要由6个螺栓完成。见图

2.1

2.电热炉：功率 W=1500 W。见图2.1

3.数显调节仪：型号-XMTD 上海德兆仪器仪表有限公司量程：0-400 ℃

4.盐浴：7%NaNO3 ，40%NaNO2，53%KNO3。

5.热电阻：分度号-E

6.特制保温盖：外用玻璃布包裹，既可保温，又可使反应釜受热均匀。在保温盖旁边

打有两个孔，用于插入热电阻连接数显调节仪以观察反应的温度。

图2.1设备全图

Fig 2.1 The drawing of all equipments

2.2.2实验药品和仪器

实验过程中所用到的药品和仪器见表2.1和表2.2：

表2.1 实验用药品表

Table 2.1 The table of the drugs using in the test

药品名生产厂家规格

间苯二胺浙江龙盛基团分析纯

MAP 北京理工大学分析纯

间苯二酚天津市博迪化工有限公司分析纯

硫酸天津市江天化工技术有限公司分析纯氢氧化钠天津市江天化工技术有限公司分析纯

无水甲醇天津市阳光允能试剂公司色谱纯