對氟苯胺是一種重要的精細化工產品，主要用于醫藥、染料和農藥等行業。國外對該產品的開發較早，而國內始于上世紀90年代初。
綜合文獻報道，對氟苯胺的合成方法可分為一步法和二步法。一步法通常是以疊氮基苯或N-苯基氫氧化銨或對氯硝基苯等為原料經一步反應直接合成對氟苯胺。一步法受原料來源限制或需采用氫氟酸等原因，目前尚無工業化報道。二步法通常是先以氟苯或對氯硝基苯為原料合成對氟硝基苯，再經還原而制得對氟苯胺。如以氟苯為原料，先經混酸硝化制得對氟硝基苯，再經還原而得對氟苯胺。但氟苯硝化的選擇性較差，需高效精餾塔分離硝化產物，且氟苯的價格較高，因此氟苯路線的生產成本較高。
我國對氯硝基苯的年產量已超過300kt，而合成對氟硝基苯的高效氟化劑活性氟化鉀在我國也已投入生產，因此選擇對氯硝基苯為起始原料，在相轉移催化劑存在下與堿金屬氟鹽(氟化鉀)進行氟代(Halex法)制備對氟硝基苯是適合我國國情的1條工藝路線。在硝基化合物的各種還原技術中，催化加氫還原操作是最簡便，又安全環保的工藝。
本研究以對氯硝基苯為原料、二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑，添加復合季銨鹽為相轉移催化劑，經活性氟化鉀氟化制得對氟硝基苯，再經阮內鎳(Raney-Ni)催化加氫還原制得對氟苯胺。
1 實驗部分
1.1 試劑與儀器
對氯硝基苯，工業品，質量分數≥99.8%，熔點≥82℃；DMF，AR；噴霧干燥活性氟化鉀，工業品，細度為篩孔0.076mm，質量分數≥99%。
四口瓶、蒸餾燒瓶等玻璃儀器，攪拌器，GC-14C型氣相色譜儀等。
1.2 對氟硝基苯的合成
在裝有攪拌器、溫度計和回流冷凝器的250mL四口瓶中，加入對氯硝基苯100.0g(0.635mol)，DMF100.0g(1.368mol)，活性氟化鉀44.2g(0.762mol)，復配季銨鹽催化劑4g，甲苯100mL；攪拌，加熱升溫至回流，通過分水器除去系統中的水分，至分水器中沒有明顯的水珠滴下，改回流裝置為蒸餾裝置回收甲苯；反應體系改回流，溫度控制在155-160℃，保溫反應12h后，每小時取樣分析1次，至轉化率增長緩慢時為反應終點，共約18h。反應液經冷卻后進行過濾，濾餅用適量DMF洗滌3次；濾液減壓精餾得對氟硝基苯83.3g，收率92.7%(以對氟硝基苯計)。經氣相色譜法測定，質量分數≥99.0%。
1.3 對氟苯胺的合成
在1L加氫釜中加入100g(0.707mol)對氟硝基苯，250mL無水甲醇和自制的阮內鎳催化劑(-1.1g)，蓋好釜蓋，用氮氣吹掃3次后充入氫氣(1.0MPa)；起動電磁攪拌，轉速350r/min，升溫至80℃反應；當壓力降至0.8MPa時充入氫氣到1.0MPa，約4h后壓力下降不再明顯時可認為反應到終點，保持30min；卸壓，打開釜蓋，GC檢測無原料峰，對氟苯胺質量分數98.8%。將反應液過濾，濾餅用適量甲醇洗滌3次；將濾液轉移到蒸餾裝置中并加入抗氧劑，減壓蒸餾出甲醇，收集70-72℃，3.3kPa的餾分，得產品75.88g，收率96.3%(以對氟苯胺計)，其質量分數大于99.0%。
1.4 色譜分析條件
高純氮為載氣，使用氫離子火焰離子化檢測器(FID)，色譜柱為長30m的SE-54石英毛細管柱，汽化室溫度250℃。柱箱溫度采用程序升溫，初溫120℃(6min)，升溫速率40℃/min，終溫200℃(6min)。
2 結果與討論
2.1 氟化反應
2.1.1 溶劑對合成對氟硝基苯的影響
常用溶劑有DMF，二甲基亞砜和環丁砜等。二甲基亞砜的沸點與產品沸點相近，以其為溶劑時需水汽蒸餾，操作復雜，溶劑回收率低，且有苯硫醚副產物形成，帶惡臭氣味，操作環境差；用環丁砜做溶劑，雖然轉化率和溶劑回收率高，但環丁砜價格昂貴，一般回收80%，在成本中所占比例較大，且其沸點較高，蒸餾比較困難。用DMF做溶劑，價格較低，沸點和產品相差較大可用蒸餾的方法分離。綜合考慮以上條件，選用DMF做溶劑。
2.1.2 催化劑的選擇
試驗使用不同的催化劑與反應轉化率結果見表1。
表1 使用不同催化劑的反應轉化率
|
序號 |
催化劑 |
轉化率/% |
|
1 |
1#1) |
93 |
|
2 |
四甲基氯化銨 |
45 |
|
3 |
四苯基溴化膦 |
10 |
|
4 |
十六烷基三甲基溴化銨 |
20 |
1)自配復合季銨鹽催化劑。
由表1可見，選擇1#催化劑效果最好。
2.1.3 催化劑用量的選擇
試驗了不同的催化劑用量對反應的影響，結果見表2。
表2 不同催化劑用量對轉化率的影響
|
序號 |
催化劑質量分數1)/% |
轉化率/% |
|
1 |
0.5 |
40.8 |
|
2 |
1.0 |
70.9 |
|
3 |
2.0 |
78.6 |
|
4 |
3.0 |
86.3 |
|
5 |
4.0 |
93.8 |
|
6 |
5.0 |
94.3 |
|
7 |
6.0 |
95.1 |
1)以對硝基氯苯計。
由表2可見，選擇催化劑用量以對硝基氯苯質量的4%為宜。
2.1.4 溶劑用量的選擇
試驗了不同的DMF與對硝基氯苯的質量比對反應的影響，結果見表3。
表3 溶劑用量對反應的轉化率影響
|
序號 |
m(DMF)：m(對硝基氯苯) |
轉化率/% |
|
1 |
3：7 |
56.6 |
|
2 |
4：6 |
85.7 |
|
3 |
1：1 |
93.8 |
|
4 |
1.5：1 |
94.1 |
|
5 |
2：1 |
95.3 |
由表3可見，DMF與對硝基氯苯的質量比太低則轉化率低；2：1時轉化率較高，但與1：1時提高的不多，反應物變稀反應時間延長，且后處理需回收大量溶劑，故DMF與對硝基氯苯的質量比為1：1較適宜。
2.2 還原反應
2.2.1 還原體系的選擇
常用的還原體系有Fe/HCl，Fe/NH4Cl，Fe/有機酸以及H2/過渡金屬(催化加氫)。用鐵粉還原，雖然成本較低，但收率不高、品質較次、色澤較差，且操作環境惡劣，易造成工人中毒。近年來，催化加氫技
術有了長足的進步，該法雖然投資較大，但操作簡便、安全環保，產品色澤較好、品質較高。
2.2.2 產品精制
產品的甲醇溶液即使在常溫下放置也極易窆色，所以直接加熱回收甲醇和蒸出產品會產生較多的焦油，收率較低。本研究是在加入適量抗氧劑的條件下進行蒸餾操作的。真空度越高，則焦油越少。本研究的總收率為89.3%，產品純度達99.5%以上，在室內敞口暴露放置2個月未見明顯變色。
3 結論
(1)實驗選用自配復合季銨鹽為催化劑、DMF為溶劑，可在155-160℃低溫條件下氟化對氯硝基苯，減少了副反應，高收率地制得產品。
(2)對硝基氯苯氟化反應的最佳條件為：n(對硝基氯苯)：n(KF)=1：1.2，m(催化劑)：m(對硝基氯苯)=4%，m(DMF)：m(對硝基氯苯)=1：1。