本发明属于合成四溴氢醌的一种新工艺。 四溴氢醌为高分子材料的一种新型阻燃剂。其需要量正随高分子工业的发展而增加。四溴氢醌一般是由溴素和氢醌按下述溴化反应直接合成:
副产物为溴化氢。合成中既要保证溴化完全,避免反应停留在生成低溴(包括三溴、二溴、一溴)氢醌阶段,又要防止“过度溴化”而生成四溴对苯醌:
溶剂在合成中起着重要作用,适宜的溶剂应具备两个条件:①对原料和产物呈惰性(因此这里不能用水作溶剂);②产物在该溶剂中的溶解度要小,而原料的溶解度则要大。这样才能保证反应有效地进行,并便于产物的分离和提纯。
曾先后有人采用过四氯化碳〔Jareslaw Bohem and Waclaw Zamlynski;Rocz.Chem.,41(4),707-16(1967)〕、醋酸〔Beilstein,H6,854;Ⅱ848;Ⅲ4440;Paul D.Bartlett and Saul G.Cohen.,J.Org.Chem.,4,88-94(1939);Peter P.T.Sah and S.A.Peoples.,Arzneimittel Forach,11,27-33(1961)〕、甲醇/氯仿等溶剂,但都没有得到最佳的合成效果。在四氯化碳溶剂中反应,操作程序复杂,产率很低(59.6%);采用醋酸作溶剂者,对反应温度、时间和原料配比等未作系统的研究,最高产率仅为65%。采用甲醇/氯仿混合溶剂时产率可提高到86%,并因此获得美国专利(US3,143,576)。但所得产品的纯度和副产物溴化氢的回收率都比较低,且溶剂不易循环使用。本发明根据溶剂筛选的实验结果确认,醋酸为该反应的一种优良溶剂,并对以醋酸为溶剂的溴化方法作了系统的研究,发现在合理的原料配比下,反应的温度和时间是影响产率和产品质量的最重要的因素,从而建立了一种分段控温的溴化方法。按照此方法,是将原料氢醌溶解在醋酸中,于搅拌下滴加溴素,溴化反应是在三个不同的温度范围内来完成的。在滴加溴素地过程中反应液的温度宜控制在40℃以下,滴加时间不低于1.5小时;温度过高时将造成部分溴素外逃,滴加速度太快时反应体系中有溴素积累,增加了形成四溴对苯醌的机会,使产量降低,产物的纯度下降。溴素加完后反应继续进行,但反应速度渐渐变慢,需要提高温度来加速反应,但在高温下溴素将挥发失去。实验发现以60±3℃为宜,在此温度下保持3小时,大部分溴素都在反应中消耗;然后再升温至100±3℃保持0.5-1.0小时,促使溴化完全,并驱出反应体系中的副产物溴化氢。冷却后经过滤、脱溴、水洗、干燥处理后得产物白色晶体,产率高达95%。
原料的用量和配比也是影响产物质量和产量的一个重要因素。按照本方法,溴素的用量以化学计算量的101%为宜(即溴素/氢醌=5.868,w/w);溴素过量时形成四溴苯醌,溴素不足时反应不完全,并形成低溴化产物。溶剂醋酸的配比以醋酸/氢醌=7.4-8.3(w/w)为宜,溶剂太少时反应液过于粘稠,搅拌困难,反应物分布不均,导致反应不完全,产率降低,产品质量下降。
整个合成的工艺流程如图1所示。
本工艺的优点是:
(1)产品纯度高。不经重结晶提纯即得白色晶体,熔点和总溴含量接近纯品的手册记载值和理论计算值。
(2)产率高。一般可达92.5-95%,远高于文献报道值。
(3)溶剂(冰醋酸)可循环使用。即反应完成后,过滤所得母液可直接用作下次反应的溶剂,无须作任何处理。母液循环使用中产率进一步提高到97%以上。
(4)便于副产物溴化氢的回收。回收率高于80%。
表1为分段控温法与甲醇/氯仿混合溶剂法的比较。
表 1平均产率(%)熔点(℃)色泽HBr平均回收率%溶剂利用分段控温法混合溶剂法97.283.4>240<240白黄或灰84.346.2稳定,能循环使用不稳定,不能多次循环使用,易挥发毒性大
实施例1:在一个干燥的250毫升四口园底烧瓶上,分别装上机械搅拌器、回流冷凝管、恒压漏斗和温度计,在冷凝管上连接盛有氢氧化钠溶液的溴化氢吸收瓶。往四口瓶中加入17.0克氢醌和148毫升冰醋酸,在恒压漏斗中放入99.7克溴素。开动搅拌,使大部分氢醌溶解后开始滴加溴素,于110分钟滴加完毕,在此期间反应液的温度为10~29℃之间;然后升温,在60~62℃之间保温180分钟,再升温至~100℃继续反应30分钟。反应告终。继续搅拌使反应液冷却至室温,在3号砂芯漏斗中作减压过滤,得滤液(即母液)132毫升(留作下次反应的溶剂)。将滤饼转入玻璃研钵中,加入100毫升3%Na2SO3溶液后研磨30分钟。抽滤,用260毫升自来水分4次洗涤滤饼(2×70毫升,2×60毫升),抽滤并尽量压干后置于烘箱中于105℃干燥2.5小时。得白色粉末状产品61.1克,产率为92.7%。用毛细管法测得熔点为240~243℃。盛氢氧化钠溶液的溴化氢吸收瓶增重43.8克,即溴化氢回收率为86.9%。
实施例2:于实例1的母液中补加16毫升冰醋酸作为反应溶剂,其余原料的用量。操作均与实施例1相同。溴素的滴加于15~30℃下进行,经历95分钟;于61~63℃保持3小时,在100~102℃继续反应30分钟。反应液经抽滤得母液124毫升。最后得白色晶体产物65.8克,产率99.7%,熔点240~244℃。溴化氢回收量44.7克,即回收率为88.7%。