绿色硝化合成硝基苯和硝基甲苯

论文摘要

芳烃硝基化合物是重要的化工原料和中间体,在现代科学领域有着非常广泛的用途。传统的硝硫混酸硝化芳烃合成方法存在原子经济性差、环境污染严重等缺点。近年,新型清洁合成工艺成为国内外的研究热点。本文对新型硝化剂N2O5硝化苯、甲苯合成硝基苯和硝基甲苯的绿色工艺进行了研究,重点考察了工艺条件对反应转化率和选择性的影响,并对硝化反应动力学及硝化反应机理进行了探索研究。评价了一系列分子筛催化剂催化N2O5与苯硝化合成硝基苯的反应性能,考察了反应温度、时间、溶剂对苯硝化反应的影响,得出了最佳的工艺条件:NaY为催化剂,CH2Cl2为溶剂,温度为15℃,反应时间为4小时,原料配比为N2O5:苯:NaY=1.66:1:0.7（质量比）。在此条件下,苯的转化率和硝基苯的选择性分别为99%和100%。结合吡啶吸附红外光谱法和氨程序升温脱附法表征结果,初步得出了分子筛酸性质与其催化性能之间的关系。考察了反应温度、时间、溶剂对N2O5与甲苯非催化硝化反应合成硝基甲苯的影响,得到最佳的工艺条件:CH2Cl2为溶剂,温度为15℃,反应时间0.5小时,N2O5与甲苯的摩尔比为1.2:1。在此条件下,甲苯的转化率和硝基甲苯的选择性分别为98.6%和97.7%。研究了苯及甲苯硝化反应的动力学,建立了NaY催化N2O5与苯的硝化反应动力学方程: ,以及N2O5与甲苯的非催化硝化反应动力学方程:。探索研究了N2O5与苯及甲苯硝化反应机理,结合拉曼光谱的分析结果,以及-H、-CH3和-NO2三种取代基电子效应与相应芳烃化合物硝化反应活性的关系,推测N2O5与苯及甲苯的硝化反应符合亲电取代反应机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 硝化反应
• 1.2 芳烃硝基化合物的制备
• 1.2.1 芳烃硝基化合物的性质及用途
• 1.2.2 传统的硝硫混酸合成工艺
• 1.2.3 传统工艺的改进
• 1.2.4 绿色合成工艺
• 1.3 本课题的研究内容及意义
• 第二章 芳烃化合物绿色硝化的实验方法
• 2.1 实验材料
• 2O₅的制备和精制'>2.2 N₂O₅的制备和精制
• 2.3 硝化反应步骤
• 2.4 分析方法
• 2O₅纯度的分析'>2.4.1 N₂O₅纯度的分析
• 2.4.2 产物定性分析
• 2.4.3 产物定量分析
• 2.4.4 催化剂表征
• 2.5 小结
• 2O₅与苯硝化反应的研究'>第三章 N₂O₅与苯硝化反应的研究
• 3.1 硝化产物结构鉴定
• 3.1.1 红外光谱分析结果
• 3.1.2 气质联用分析结果
• 3.2 催化剂表征结果
• 3.2.1 吡啶吸附红外光谱测试结果
• 3.2.2 氨程序升温脱附测试结果
• 3.3 反应条件对苯的转化率和硝基苯的选择性的影响
• 3.3.1 催化剂的影响
• 3.3.2 反应温度的影响
• 3.3.3 反应时间的影响
• 3.3.4 原料配比的影响
• 3.3.5 溶剂的影响
• 2O₅中HNO₃和N₂O₄含量的影响'>3.3.6 N₂O₅中HNO₃和N₂O₄含量的影响
• 3.4 小结
• 2O₅与甲苯硝化反应的研究'>第四章 N₂O₅与甲苯硝化反应的研究
• 4.1 硝化产物结构鉴定
• 4.1.1 红外光谱分析结果
• 4.1.2 气质联用分析结果
• 4.1.3 典型气相色谱分析结果
• 4.2 反应条件对甲苯的转化率和硝基甲苯的选择性的影响
• 4.2.1 催化剂的影响
• 4.2.2 反应温度的影响
• 4.2.3 反应时间的影响
• 4.2.4 原料配比的影响
• 4.2.5 溶剂的影响
• 4.3 小结
• 第五章 硝化反应的动力学研究
• 5.1 苯硝化反应动力学研究
• 5.1.1 实验方法
• 5.1.2 动力学实验结果
• 5.2 甲苯硝化反应动力学研究
• 5.2.1 实验方法
• 5.2.2 动力学实验结果
• 5.3 小结
• 第六章 芳烃硝化反应机理研究
• 2O₅的存在形式'>6.1 硝化反应中N₂O₅的存在形式
• 6.2 催化剂作用机理
• 2O₅硝化芳烃反应机理研究'>6.3 N₂O₅硝化芳烃反应机理研究
• 6.4 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 附录1 芳烃硝化反应动力学原始数据
• 附录2 溶液的配制及标定
• 附录3 指示剂的配制
• 致谢