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铁粉还原资料参考

更新时间:2017-02-14     来源:http://www.myjsyj.com/    浏览:         分享:
摘要:铁粉还原 铁粉还原反应是通过电子的转移而实现的。即Fe是电子给体,被还原物的某个原子首先在Fe粉的表面得到电子生成负离子自由基,后者再从质子给体(例如水水)得到质子而生成产物。Fe的给电…

      铁粉还原

      铁粉还原反应是通过电子的转移而实现的。即Fe是电子给体,被还原物的某个原子首先在Fe粉的表面得到电子生成负离子自由基,后者再从质子给体(例如水水)得到质子而生成产物。Fe的给电子能力比较弱,适用于容易被还原的基团的还原,是一种选择性还原剂,尤其是苯系硝基衍生物的还原,基本不影响苯环上其它基团(水不稳定性和热不稳定性基团除外)。

      以Fe为还原剂对苯系硝基衍生物的还原在工业上获得广泛应用,至今任然是在某些苯系硝基物的还原中使用,虽然国家发改委在2005年左右下达停止使用Fe还原的文件。加氢还原工艺非常好,但是面临的最大问题是氢源的问题。理论上需要不到3瓶氢气即完活,结果用了15瓶氢气。换瓶子(每瓶大概只装2kg左右的氢气)的速度很难跟上呀,是个繁重的体力活。

      1.反应特点

      以金属Fe为还原剂,反应在弱酸性电解质溶液中进行,一般都选择回流温度。

      其优点为:选择性好,可以避免脱卤、氰基还原等副反应的发生,收率高(后处理得好的话,>95%很容易达到),工艺简单、成熟,对设备要求低、可执行性好,常压反应。

      其缺点为:分离难,含胺废水不好处理且量大,产生大量固体Fe泥(现在有人收购,抢着要)。

      2.反应历程

      硝基先被还原成亚硝基,亚硝基再变成胲(即羟胺),胲变成氨基。

      在Fe还原过程中,中间态存在时间很短,很难分离出来,不过可以通过动力学跟踪发现其存在。

      Fe粉还原反应式:4Ar-NO2+9Fe+4H2O---4Ar-NH2+3Fe3O4

      3.应用范围

      具体应用实例请见唐培堃老先生《精细有机合成化学与工艺学》,此书对一些基础反应有详实的论述与总结,最好把一版和二版(对一版有精简,更有补充)结合起来看。

      3.1芳环上的硝基还原成氨基

      3.2环羰基还原成环羟基

      3.3醛基还原成醇羟基

      3.4芳磺酰氯还原成硫酚

      3.5二芳基二硫化物还原成硫酚

      3.6还原脱溴

      4.Fe还原的主要影响因素

      4.1Fe质量

      Fe还原的本质是一个微电池的反应,即必须在电解质溶液中有效地对Fe进行电化学腐蚀以释放出电子。因此使用高硅铸铁粉(含碳高,碳正极,Fe负极)有利于反应的进行,还原Fe粉采用60-80目为宜:太细易导致反应剧烈而冒锅;太粗就减少了与被还原物的接触面积,反应速率降低,但是有利于后处理。

      4.2Fe的用量

      从Fe粉还原反应式可知,1分子(mol)硝基理论上需要2.25分子Fe(9除以4,从配平即知),但是实际上是基本要用3-4分子Fe。目前Fe粉价格高涨,建议使用2.8-3.0分子就足以(仅对苯系硝基物而言)。

      4.3电解质

      Fe还原一般在水溶液中进行,因此需要有电解质增加水的导电性,而有效地使Fe释放出电子。为了维持体系中Fe离子的存在,体系需维持pH=3-5,一般是pH=4-5。可以加入氯化铵、盐酸、硫酸、低碳脂肪酸(如甲酸、乙酸)来调节体系pH。一般易溶于水的苯系硝基物宜使用氯化铵、盐酸,硫酸也能用,但有时反应速率较前二者大幅下降;不易溶于水的苯系硝基物可以使用低碳脂肪酸来调节体系pH,而且某些苯系硝基物必须使用低碳脂肪酸(氯化铵、盐酸根本就不反应,本虫在看某一苯系硝基物的一些国内文献时就发现很多文章在信口开河,实在让本小虫汗颜)。特别注明:苯系硝基物上有磺酸基的一定要先中和磺酸基,即使磺酸苯系硝基衍生物溶液pH=5-6。

      4.4反应温度

      Fe还原反应温度大都采用回流温度即100-105℃,温度越高越有利于Fe释放出电子,加快还原速率。一般都采用直接蒸汽加热,也有采用夹套汽加热的方式。实验室直接用电加热套就足以了,如果需要模拟工业化,可以自制水蒸气直接通入反应瓶。特别注明:关于本方法,本虫未见实验室用油浴加热(除非那人脑袋被驴踢了)。对于某些带酰胺基的苯系硝基物,为了避免酰胺基的水解,反应温度控制在75-80℃为宜[1],甚至更低,但不能低于60℃。

      4.5反应时间

      一般反应时间为加毕原料保温4-6h即可,有的因为Fe目数高(100-120目以上)还原速率超快,20-30min即完成。

      4.6水量

      由于水是质子给体,从反应式知:一分子硝基只要一分子水。但是为了有利于搅拌,一般都采用80-100mol水:1mol硝基,也有采用50-80:1的。水量多废水就多,因此需要虫友们根据反应优化。

      4.7反应器

      4.7.1反应釜

      工业上一般采用碳钢衬瓷砖的反应釜,贴瓷砖的树脂最好用呋喃树脂(能有效避免瓷砖脱落)。可以采用平底釜形式,一般釜上是侧出放料,有两个或三个不同位差的侧出口。

      也有采用搪瓷釜的特例,但需要定期检查搪瓷是否爆瓷或被Fe磨损,尤其是釜底即釜底截门处,因为那里有弧度(基本都是从弧度开始爆瓷或损坏),有一定应力。

      4.7.2搅拌

      Fe粉重,只有充分地把Fe粉搅拌起来,才能增大接触面,有利于反应的进行。本小虫在工业上遇到过因搅拌效果不好而使反应进行了24h的情况,多亏小虫练就一双火眼金睛,一看就没反应完全,其时未放料(虽然到了工艺规定的反应时间),要不小虫就会被罚得几月啃馒头就咸菜,反之,小厂奖励本小虫一笔可观收入(也就几百元,还不够诸位大神潇洒一回的)。碳钢衬瓷砖釜一般都使用不锈钢多层桨式搅拌,距釜底10cm左右(小试的话就直接贴着四口瓶底部即可),转数在95-120r/min。当然也能直接用碳钢,就是要定期检查搅拌而已。搪瓷釜最好采用推进式搅拌,不锈钢材质,转数在200-240r/min。因为推进式搅拌产生的是轴向流,可以大幅减少Fe对搪瓷釜壁的摩擦而造成的损坏。有时还需要在釜内增加挡板(一定要好的不锈钢材质)减弱循环流。当然也能采用锚式或框式搅拌,转数在75-85r/min。但Fe粉粒径最好控制在80-100目。

      4.7.3冷凝器

      大多数Fe还原都没有冷凝器,但极少数除外,可以使用不锈钢或碳钢冷凝器(此类材质不太适用,仅可以救急),最好是搪瓷或石墨冷凝器(换热效果不好)。

      4.7.4过滤装置

      抽滤槽:一般都是碳钢抽滤槽,现在大都用增强聚丙,也有自己拿砖垒一个,上贴瓷砖,使用耐酸多孔瓷砖做滤板的。

      压滤机:聚丙材质。

      压滤包:本人独创,过滤速率较上两种快5-8倍,甚至10倍不止。结构独特,付费咨询,本虫在这里窃笑。

      离心机:离心机是利用离心力,分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械。离心机主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开,或将乳浊液中两种密度不同,又互不相溶的液体分开(例如从牛奶中分离出奶油);它也可用于排除湿固体中的液体。

      滤布在使用前必须与目标化合物一起沸煮一下(如需加溶剂萃取就得和溶剂沸煮),以验证该型滤布是否可用。滤纸一般采用过油滤纸,其厚,可以阻隔微小铁泥。一般是先铺一层钢丝网在滤板上,然后铺滤纸,滤纸上铺滤网(这个是对于抽滤装置来说)。压滤机直接用滤布即可。

      4.7.5蒸馏装置

      有些产品可以通过水蒸汽蒸馏得到,即可以边反应边出料,而水汽偏酸,所以一般采用石墨、搪瓷或玻璃冷凝器,蒸馏管道采用玻璃或碳钢衬玻璃。

      4.7.6

      电机和减速机

      因为Fe粉重,阻力大,因此还原釜电机一定要配功率稍大的电机,对于桨式搅拌可以配5.5-7.5kw电机,锚式和框式搅拌配7.5kw电机,推进式搅拌最好配置11kw的电机(以上电机配置均为3000L搪瓷釜为例)。

      减速机最好采用涡轮涡杆减速机,一句话:皮实。不过要定期检查皮带的松紧程度(定期打点皮带蜡),避免丢速。涡轮涡杆减速机还有一个优点是:可以通过换轮(电机轮或减速机轮)而调整搅拌转速。它的缺点是:不太美观;不防爆,那是因为皮带与轮的高速摩擦生热。

      摆线式减速机优点是防爆、美观、噪音小、不丢速。但是缺点一大堆:减速机不能缺油,一缺油就很快烧电机;减速机油温过高膨胀易喷溅,会导致整个釜盖脏兮兮;工厂自己不能调速,调速需换里面的牙(就是控制齿轮,小虫管其叫牙,小虫打开过,一牙一牙的,并且成功调速,在没有减速机厂家技术人员在场下)。因此不建议使用摆线式减速机,但是如果采用推进式搅拌,必须使用摆线式减速机,因为涡轮涡杆减速机达不到推进式搅拌的转速(理论上可以达到,但是传动皮带受不了那么高速的摩擦及釜内的大阻力,除非你一批几次更换皮带,但是一停电机,再启动时容易影响推进式搅拌的动平衡)。

      5.通法

      硝基物:Fe:水=1:3.0-3.5:60-80(分子比是对一个硝基而言),先把依次加入水和Fe,快速搅拌,醋酸(大部分用盐酸或氯化铵,但有部分底物必须用有机酸)调pH=4-5,加热升温至100度,作用1h(活化Fe,这是Fe还原的一个非常必要的过程),然后加入硝基物,不能加快,加快了可能冒锅。加毕作用4-5h(中间如果渗圈检测Fe离子少,可以补加点酸),渗圈法(Fe还原的一个最常见中控方法)检测Fe离子是否大量存在,如果大量存在则反应结束。

      降温至80-90℃用碳酸钠中和pH=9-10,待后处理。切记一定要用碳酸钠中和,否则过滤不干净Fe离子或会有凝胶(用氢氧化钠就是如此)。

      注:渗圈法即是点样(还原体系水溶液)于滤纸,然后在样点旁,点一小滴硫化钠溶液,两者渗圈交集处发黑(Fe2S),即证明?Fe存在,越黑越多。

      6.后处理

      Fe粉还原的后处理有以下方法:

      1)产物溶于水,那在一定温度下过滤即可,滤饼用热水洗涤;

      2)产物不溶于水,但能水蒸汽蒸馏,即水蒸汽蒸馏得到产品;

      3)产物不溶于水,且不能水蒸汽蒸馏,加入疏水性溶剂(如甲苯、二甲苯、??氯苯)萃取,过滤,滤饼用热溶剂洗涤即可,也有用低级脂肪醇助溶的,但是那样醇消耗量高,成本大,且不易回收。

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