对氟苯胺是一种重要的精细化工产品，主要用于医药、染料和农药等行业。国外对该产品的开发较早，而国内始于上世纪90年代初。
综合文献报道，对氟苯胺的合成方法可分为一步法和二步法。一步法通常是以叠氮基苯或N-苯基氢氧化铵或对氯硝基苯等为原料经一步反应直接合成对氟苯胺。一步法受原料来源限制或需采用氢氟酸等原因，目前尚无工业化报道。二步法通常是先以氟苯或对氯硝基苯为原料合成对氟硝基苯，再经还原而制得对氟苯胺。如以氟苯为原料，先经混酸硝化制得对氟硝基苯，再经还原而得对氟苯胺。但氟苯硝化的选择性较差，需高效精馏塔分离硝化产物，且氟苯的价格较高，因此氟苯路线的生产成本较高。
我国对氯硝基苯的年产量已超过300kt，而合成对氟硝基苯的高效氟化剂活性氟化钾在我国也已投入生产，因此选择对氯硝基苯为起始原料，在相转移催化剂存在下与碱金属氟盐(氟化钾)进行氟代(Halex法)制备对氟硝基苯是适合我国国情的1条工艺路线。在硝基化合物的各种还原技术中，催化加氢还原操作是最简便，又安全环保的工艺。
本研究以对氯硝基苯为原料、二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，添加复合季铵盐为相转移催化剂，经活性氟化钾氟化制得对氟硝基苯，再经阮内镍(Raney-Ni)催化加氢还原制得对氟苯胺。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
对氯硝基苯，工业品，质量分数≥99.8%，熔点≥82℃；DMF，AR；喷雾干燥活性氟化钾，工业品，细度为筛孔0.076mm，质量分数≥99%。
四口瓶、蒸馏烧瓶等玻璃仪器，搅拌器，GC-14C型气相色谱仪等。
1.2 对氟硝基苯的合成
在装有搅拌器、温度计和回流冷凝器的250mL四口瓶中，加入对氯硝基苯100.0g(0.635mol)，DMF100.0g(1.368mol)，活性氟化钾44.2g(0.762mol)，复配季铵盐催化剂4g，甲苯100mL；搅拌，加热升温至回流，通过分水器除去系统中的水分，至分水器中没有明显的水珠滴下，改回流装置为蒸馏装置回收甲苯；反应体系改回流，温度控制在155-160℃，保温反应12h后，每小时取样分析1次，至转化率增长缓慢时为反应终点，共约18h。反应液经冷却后进行过滤，滤饼用适量DMF洗涤3次；滤液减压精馏得对氟硝基苯83.3g，收率92.7%(以对氟硝基苯计)。经气相色谱法测定，质量分数≥99.0%。
1.3 对氟苯胺的合成
在1L加氢釜中加入100g(0.707mol)对氟硝基苯，250mL无水甲醇和自制的阮内镍催化剂(-1.1g)，盖好釜盖，用氮气吹扫3次后充入氢气(1.0MPa)；起动电磁搅拌，转速350r/min，升温至80℃反应；当压力降至0.8MPa时充入氢气到1.0MPa，约4h后压力下降不再明显时可认为反应到终点，保持30min；卸压，打开釜盖，GC检测无原料峰，对氟苯胺质量分数98.8%。将反应液过滤，滤饼用适量甲醇洗涤3次；将滤液转移到蒸馏装置中并加入抗氧剂，减压蒸馏出甲醇，收集70-72℃，3.3kPa的馏分，得产品75.88g，收率96.3%(以对氟苯胺计)，其质量分数大于99.0%。
1.4 色谱分析条件
高纯氮为载气，使用氢离子火焰离子化检测器(FID)，色谱柱为长30m的SE-54石英毛细管柱，汽化室温度250℃。柱箱温度采用程序升温，初温120℃(6min)，升温速率40℃/min，终温200℃(6min)。
2 结果与讨论
2.1 氟化反应
2.1.1 溶剂对合成对氟硝基苯的影响
常用溶剂有DMF，二甲基亚砜和环丁砜等。二甲基亚砜的沸点与产品沸点相近，以其为溶剂时需水汽蒸馏，操作复杂，溶剂回收率低，且有苯硫醚副产物形成，带恶臭气味，操作环境差；用环丁砜做溶剂，虽然转化率和溶剂回收率高，但环丁砜价格昂贵，一般回收80%，在成本中所占比例较大，且其沸点较高，蒸馏比较困难。用DMF做溶剂，价格较低，沸点和产品相差较大可用蒸馏的方法分离。综合考虑以上条件，选用DMF做溶剂。
2.1.2 催化剂的选择
试验使用不同的催化剂与反应转化率结果见表1。
表1 使用不同催化剂的反应转化率
|
序号 |
催化剂 |
转化率/% |
|
1 |
1#1) |
93 |
|
2 |
四甲基氯化铵 |
45 |
|
3 |
四苯基溴化膦 |
10 |
|
4 |
十六烷基三甲基溴化铵 |
20 |
1)自配复合季铵盐催化剂。
由表1可见，选择1#催化剂效果最好。
2.1.3 催化剂用量的选择
试验了不同的催化剂用量对反应的影响，结果见表2。
表2 不同催化剂用量对转化率的影响
|
序号 |
催化剂质量分数1)/% |
转化率/% |
|
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)以对硝基氯苯计。
由表2可见，选择催化剂用量以对硝基氯苯质量的4%为宜。
2.1.4 溶剂用量的选择
试验了不同的DMF与对硝基氯苯的质量比对反应的影响，结果见表3。
表3 溶剂用量对反应的转化率影响
|
序号 |
m(DMF)：m(对硝基氯苯) |
转化率/% |
|
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可见，DMF与对硝基氯苯的质量比太低则转化率低；2：1时转化率较高，但与1：1时提高的不多，反应物变稀反应时间延长，且后处理需回收大量溶剂，故DMF与对硝基氯苯的质量比为1：1较适宜。
2.2 还原反应
2.2.1 还原体系的选择
常用的还原体系有Fe/HCl，Fe/NH4Cl，Fe/有机酸以及H2/过渡金属(催化加氢)。用铁粉还原，虽然成本较低，但收率不高、品质较次、色泽较差，且操作环境恶劣，易造成工人中毒。近年来，催化加氢技
术有了长足的进步，该法虽然投资较大，但操作简便、安全环保，产品色泽较好、品质较高。
2.2.2 产品精制
产品的甲醇溶液即使在常温下放置也极易窆色，所以直接加热回收甲醇和蒸出产品会产生较多的焦油，收率较低。本研究是在加入适量抗氧剂的条件下进行蒸馏操作的。真空度越高，则焦油越少。本研究的总收率为89.3%，产品纯度达99.5%以上，在室内敞口暴露放置2个月未见明显变色。
3 结论
(1)实验选用自配复合季铵盐为催化剂、DMF为溶剂，可在155-160℃低温条件下氟化对氯硝基苯，减少了副反应，高收率地制得产品。
(2)对硝基氯苯氟化反应的最佳条件为：n(对硝基氯苯)：n(KF)=1：1.2，m(催化剂)：m(对硝基氯苯)=4%，m(DMF)：m(对硝基氯苯)=1：1。