硝基苯乙腈异构体溶剂结晶分离过程的基础研究

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2-硝基苯乙腈和4-硝基苯乙腈是重要的有机合成中间体,广泛应用于化工、医药、液晶、农化品等行业,在化工生产和药物合成领域具有重要作用。硝基苯乙腈也是合成阿克他利、红景天苷、米拉贝隆、降压药氨酰心安和抗抑郁药Venlafaxine等的重要中间体,国内外市场需求较大。目前工业上多采用苯乙腈硝化生产2-硝基苯乙腈和4-硝基苯乙腈,该生产工艺选择性不高,在得到大部分4-硝基苯乙腈的同时副产少量的2-硝基苯乙腈,二者的物化性质相近,尤其是沸点相近,不宜采用精馏的方式加以分离,结合硝化反应温度较低的特点,可以通过溶剂结晶的方式将二者有效分离。溶剂结晶法作为一种经济、低耗且环境友好的分离方法可以解决精馏、萃取、吸附等不能解决的问题,实现绿色安全分离。本文研究了两种异构体在不同体系中的固-液相平衡,为硝基苯乙腈异构体的分离提供基础数据。采用等温溶解平衡法测定了 2-硝基苯乙腈与4-硝基苯乙腈在甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、乙腈、丙酮、甲苯、乙酸乙酯、正丁醇、2-丁酮、异丁醇、环己烷、乙酸、水、1,4-二氧六环以及乙基苯中的溶解度数据。随着温度的升高,硝基苯乙腈异构体在纯溶剂中的溶解度都不断增大。在相同温度下,2-硝基苯乙腈的溶解度大小顺序为:(1,4-二氧六环,乙酸乙酯,丙酮>2-丁酮>乙腈>甲苯)>(乙酸,乙基苯)>甲醇>乙醇>正丙醇>异丙醇>正丁醇>异丁醇>环己烷>水;4-硝基苯乙腈的溶解度大小顺序为:(1,4-二氧六环,乙酸乙酯)>丙酮>(乙腈,2-丁酮)>甲苯>乙酸>乙基苯>甲醇>乙醇>正丙醇>正丁醇>异丙醇>异丁醇>环己烷>水。采用Apelblat模型、λh模型、NRTL模型和Wilson模型对溶解度实验数据进行关联,平均相对偏差(RAD)均小于4.97%,均方根偏差(RMSD)值均不超过4.97×10-3 Apelblat模型关联结果整体上更好。采用KAT-LSER方程讨论了硝基苯乙腈异构体在溶解过程中溶质-溶剂和溶剂-溶剂间的相互作用,并计算了 2-硝基苯乙腈和4-硝基苯乙腈在溶液中的混合性质。采用等温溶解平衡法测定了硝基苯乙腈异构体在(乙酸乙酯+甲醇)、(乙酸乙酯+乙醇)、(乙酸乙酯+正丙醇)和(乙酸乙酯+异丙醇)混合体系中的溶解度数据,随着温度升高以及乙酸乙酯溶剂质量分数的增加,2-硝基苯乙腈和4-硝基苯乙腈的溶解度均不断增大,且未出现增溶作用。采用Jouyban-Acree模型、Van’t Hoff-Jouyban-Acree模型、Apelblat-Jouyban-Acree模型、Sun模型和Ma模型对测得的溶解度数据进行关联,得到了相应的模型参数,平均相对偏差(RAD)最大值不超过6.34%,均方根偏差(RMSD)最大值不超过6.44×10-3,其中,Jouyban-Acree模型关联效果更好。同时,计算了 2-硝基苯乙腈与4-硝基苯乙腈在混合溶剂中的标准溶解焓和传递性质。采用湿渣法测定了 303.15 K、313.15 K和323.15 K三个温度下2-硝基苯乙腈+4-硝基苯乙腈+乙醇/甲苯三元体系相平衡数据,并绘制了相应的三元体系相图。随着温度的升高,共结晶区不断减小。在相同温度下,4-硝基苯乙腈的结晶区比2-硝基苯乙腈的结晶区大,4-硝基苯乙腈在该体系中更易析出,特别是甲苯溶剂更有利于硝基苯乙腈异构体的分离。采用NRTL模型和Wilson模型对数据进行关联,二者的均方根偏差(RMSD)最大值分别为5.02×10-3和8.45×10-3,结果表明NRTL模型更能很好地关联2-硝基苯乙腈+4-硝基苯乙腈+乙醇/甲苯三元体系。
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