第19卷第4期 南 京 化 工 大 学 学 报Vol.19No.41997年10月JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYOct.1997
综 述
,南京,210009)
摘 要 综述不同起始原料合成间氯苯甲酸的可行路线,其中间氯甲苯氧化法、苯甲酸氯化法和邻氯苯酚微生物法最有工业意义。
关键词 氧化 氯化 微生物合成 间氯苯甲酸中图号 O625153
间氯苯甲酸是一种用于医药、染料且附加值较高的精细有机化工中间体,在生产中因其原料来源和反应条件的不同存在多种合成方法,如间氯甲苯氧化法、苯甲酸氯化法对硝基氯苯vonRichter反应法、卤素与金属互变反应法、微生物制备法等。本文对以上各种方法所涉及的原料、催化剂、温度、产品分离及优缺点作了阐述,并指出了其中几种有可能工业化的路线。
1 氧化法
氧化法制备间氯苯甲酸按其原料的来源不同可分为3种类型:①以间氯甲苯为原料;②以间氯乙苯为原料;③以间氯苯甲醛为原料。1.1 以间氯甲苯为原料
以间氯甲苯为原料,按操作压力的不同又可分为常压氧化法和加压氧化法2种。1.1.1 常压氧化法
于1977年提出了间氯甲苯在冰醋酸、钴2溴催化剂的存在下进行氧化反应制
取间氯苯甲酸,反应式如下:
Tmenov
3
l+O2
Ca(OAc)2,NaB
rCH3COOH
[1]
H
l
反应在常压下进行,温度控制在55～105℃,纯氧。反应后的混合物经过一系列的分离和精制过程(如图1),间氯苯甲酸的产率可达90%～95%。该反应路线的特点是用纯氧氧化,成本高,操作难度大,但反应产率高。 收稿日期:1997205204
19卷11 南 京 化 工 大 学 学 报 第8
0.666～1.333kPa下
蒸出乙酸
→
10%KOH
洗涤
→过滤→
滤液用盐酸酸化
→过滤→洗涤→
干燥至恒重
→产品
图1 间氯甲苯常压氧化制取间氯苯甲酸的分离过程
Fig11 Separationofm2chlorobenzoicacidfromthereactionmbyoxidationmrotoluene
1.1.2 加压氧化法
日本Toray[2～3]工业公司1981l+
O2
Ca(OAc)2,CH3CHO
CH3COOH
H
l
1013MPa,温度为120℃,间氯苯甲酸的得率约为86%。反应后的乙酸和钴催化剂分别可以回收并循环使用。该公司还开发了一条以间氯甲苯为原料以溴化钴、环烷酸钴和乙酸锰为催化剂,在温度为130℃、压力为4.052MPa的条件下用空气氧化制得间氯苯甲酸的工艺路线,其得率约为85%,反应物中间氯甲苯与间氯苯甲酸的比例为1:1。
以间氯甲苯为原料的合成路线其优点是反应混合物中反应物和产品容易分离,产品的得率高且纯度好。该路线的原料间氯甲苯可由野口[4]等提出的方法获得,即以对氯甲苯和邻氯甲苯为原料,用沸石作催化剂进行异构化,再经分子筛吸附分离得间氯甲苯,其反应及分离过程如图2所示。
图2 邻、对氯甲苯异构化制取间氯甲苯
Fig.2 Preparationofm2chlorotulenefromo2chlorotolueneandp2chlorotoluenebyisomerization.
112 以间氯乙苯为原料
Emerson[5]等于1949年发现,在丁酸、Co(OAc)2、Pb(OAc)2及Mn(OAc
)2的存在下,温
度控制在140～160℃时,大量芳香族化合物在常压下通氧约6h能氧化成相应的酸,且纯度很高。甲苯在上述条件下不能被氧化,而乙苯和异丙苯在42%～49%的转化率下能得到苯甲酸,其得率约为59%～68%。Emerson还发现,取代乙苯比相应的取代甲苯更容易氧化,其中间氯乙苯在上述反应条件下能得到间氯苯甲酸,反应的摩尔转化率为7.6%,产品得率为47.5%,反应式如下:
2H5
l+O2
Ca(OAc)2,Pb(OAc)2CH3(CH2)2COOH
H
l
反应后的原料用蒸馏回收,丁酸用碱中和,催化剂用盐酸除去,可以获得纯度较高的间氯苯甲酸。在生产中,间氯乙苯可由氯苯和乙烯进行烷基化而得[6]。1.3 以间氯苯甲醛为原料
Banerjee
[7]
等于1979年提出在酸性条件下用KBrO3将苯甲醛氧化成苯甲酸的实验方
法。Samaddar[8]采用Banerjee建立的最佳反应条件,把邻、间、对硝基苯甲醛,邻、间、对氯苯甲醛和邻、间、对甲基苯甲醛氧化成相应的取代酸。以间氯苯甲醛为原料在乙酸溶液中用氧
第4期 武文良等:间氯苯甲酸的合成119
化剂溴酸钾氧化生成间氯苯甲酸为例,反应式如下:
l+KB
rO3+CH3COOH
H
l
间氯苯甲酸的得率约为85%左右,产品纯度高,,间氯苯甲醛[9～11]原料可由间硝基苯甲醛经胺化、,的价格要高于间氯苯甲酸,因此,2 氯化法
。2.1 氧化酸氯化法
[12]
此方法是用氧化酸Na2Yee和Boyle于1955年提出用氧化酸氯化法制取间氯苯甲酸。
～90℃及搅拌的条件下氯化苯甲酸。在此氯ClO3或KMnO4和HCl在水溶液中在温度为80
化反应中,氧化剂除了含有氯外,还必须有氧化2还原电势。氯化反应式如下:
H
+HCl+
——KMnO4+H2O———NaClO3+H2O—l
用NaClO3和盐酸溶液氯化苯甲酸的得率为30%左右的间氯苯甲酸;而用KMnO4和盐酸溶液氯化苯甲酸,间氯苯甲酸的得率可达50%左右.反应后混合物的分离精制过程如图3所示。用氯气和一定量的NaClO3或KMnO4在硫酸溶液中来代替盐酸,则很少或没有氯化反应出现。
用氧化酸氯化法的优点是原料易得,产品纯度好,但操作难度大。
反应混合物冷却
→
收集浅橙色产品
→冲洗,干燥→
NaOH
溶解
→过滤→
H2SO酸化
→
水洗沉淀物
→
用酒精重结晶
→产品
图3 氧化酸氯化苯甲酸制取间氯苯甲酸的分离过程
Fig13 Separationofm2chlorobenzoicacidfromthereactionmixturebychlorinationofbenzoicacid
2.2 氯阴离子氯化法
[13～14]
认为,对苯甲酸用阴离子直接卤化(如溴化和碘化)的方法,也Gorvin和Derbyshire
可用于氯化制备,即苯甲酸与理论量的AgCl反应,主要产品是间氯苯甲酸,副产品为对氯、邻氯苯甲酸和二氯衍生物.反应式如下:
H
+AgCl+H2SO4+H2O+Cl2+CCl4
l
该方法间氯苯甲酸的得率可达80%左右,原料苯甲酸[15～18]可由甲苯液相氧化制得.
3 ThevonRichter反应法
19卷12 南 京 化 工 大 学 学 报 第0
3.1 vonRichter反应法
～1875年由vonRichter发现,其反应机理由Bunnett[19～20]vonRichter反应法于1871
和Samuel[21]作了详细的研究,反应的特点是取代的硝基苯衍生物进行vonRichter反应时,
羧基处于由硝基空出的邻位,以如下反应式为例:
l
+KCN2
2
+KCN
C2H5OHH2OC2H5
OH2l
l+
H
Cl
邻硝基氯苯在进行vonRichter反应时,间氯苯甲酸的得率很小。vonRichter反应自发现以后一直未受到人们重视,直到1954年Bunnett等证实了许多vonRichter的发现,此反应才用于有机合成中。
3.2 Bunnett等对vonRichter反应条件的改进
等通过对硝基氯苯在不同的反应条件下在不同的溶剂中与KCN进行von
Richter反应(见表1),得出如下结论:1 醇类水溶液比其它类型的溶剂要好;
Bunnett
2 在醇溶液中,乙醇是最好的;3 当KCN过量较多时,转化率较高;
4 反应可在回流48%的乙醇及相对低的温度条件下进行。
[22～25]
对硝基氯苯与KCN在48%的乙醇溶液中进行反应,转化率可达20%～42%,产品的纯
度较高,未反应的对硝基氯苯和乙醇可回收循环使用,但反应后分离精制步骤较多(见图4),虽然含氰废水处理并不困难,原料对硝基氯苯可由氯苯混酸硝化[26～28]制得,但在工业应用上仍受到限制。
第4期 武文良等:间氯苯甲酸的合成
表1 对硝基氯苯在不同溶剂和不同条件下的vonRichter反应
121
Table1 Experimentsonp2chloronitrobenzenereactingwithpotassiumcyanideinvarioussolventsundervariousconditions
对硝基氯苯氰化钾
第19卷第4期 南 京 化 工 大 学 学 报Vol.19No.41997年10月JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYOct.1997
综 述
,南京,210009)
摘 要 综述不同起始原料合成间氯苯甲酸的可行路线,其中间氯甲苯氧化法、苯甲酸氯化法和邻氯苯酚微生物法最有工业意义。
关键词 氧化 氯化 微生物合成 间氯苯甲酸中图号 O625153
间氯苯甲酸是一种用于医药、染料且附加值较高的精细有机化工中间体,在生产中因其原料来源和反应条件的不同存在多种合成方法,如间氯甲苯氧化法、苯甲酸氯化法对硝基氯苯vonRichter反应法、卤素与金属互变反应法、微生物制备法等。本文对以上各种方法所涉及的原料、催化剂、温度、产品分离及优缺点作了阐述,并指出了其中几种有可能工业化的路线。
1 氧化法
氧化法制备间氯苯甲酸按其原料的来源不同可分为3种类型:①以间氯甲苯为原料;②以间氯乙苯为原料;③以间氯苯甲醛为原料。1.1 以间氯甲苯为原料
以间氯甲苯为原料,按操作压力的不同又可分为常压氧化法和加压氧化法2种。1.1.1 常压氧化法
于1977年提出了间氯甲苯在冰醋酸、钴2溴催化剂的存在下进行氧化反应制
取间氯苯甲酸,反应式如下:
Tmenov
3
l+O2
Ca(OAc)2,NaB
rCH3COOH
[1]
H
l
反应在常压下进行,温度控制在55～105℃,纯氧。反应后的混合物经过一系列的分离和精制过程(如图1),间氯苯甲酸的产率可达90%～95%。该反应路线的特点是用纯氧氧化,成本高,操作难度大,但反应产率高。 收稿日期:1997205204
19卷11 南 京 化 工 大 学 学 报 第8
0.666～1.333kPa下
蒸出乙酸
→
10%KOH
洗涤
→过滤→
滤液用盐酸酸化
→过滤→洗涤→
干燥至恒重
→产品
图1 间氯甲苯常压氧化制取间氯苯甲酸的分离过程
Fig11 Separationofm2chlorobenzoicacidfromthereactionmbyoxidationmrotoluene
1.1.2 加压氧化法
日本Toray[2～3]工业公司1981l+
O2
Ca(OAc)2,CH3CHO
CH3COOH
H
l
1013MPa,温度为120℃,间氯苯甲酸的得率约为86%。反应后的乙酸和钴催化剂分别可以回收并循环使用。该公司还开发了一条以间氯甲苯为原料以溴化钴、环烷酸钴和乙酸锰为催化剂,在温度为130℃、压力为4.052MPa的条件下用空气氧化制得间氯苯甲酸的工艺路线,其得率约为85%,反应物中间氯甲苯与间氯苯甲酸的比例为1:1。
以间氯甲苯为原料的合成路线其优点是反应混合物中反应物和产品容易分离,产品的得率高且纯度好。该路线的原料间氯甲苯可由野口[4]等提出的方法获得,即以对氯甲苯和邻氯甲苯为原料,用沸石作催化剂进行异构化,再经分子筛吸附分离得间氯甲苯,其反应及分离过程如图2所示。
图2 邻、对氯甲苯异构化制取间氯甲苯
Fig.2 Preparationofm2chlorotulenefromo2chlorotolueneandp2chlorotoluenebyisomerization.
112 以间氯乙苯为原料
Emerson[5]等于1949年发现,在丁酸、Co(OAc)2、Pb(OAc)2及Mn(OAc
)2的存在下,温
度控制在140～160℃时,大量芳香族化合物在常压下通氧约6h能氧化成相应的酸,且纯度很高。甲苯在上述条件下不能被氧化,而乙苯和异丙苯在42%～49%的转化率下能得到苯甲酸,其得率约为59%～68%。Emerson还发现,取代乙苯比相应的取代甲苯更容易氧化,其中间氯乙苯在上述反应条件下能得到间氯苯甲酸,反应的摩尔转化率为7.6%,产品得率为47.5%,反应式如下:
2H5
l+O2
Ca(OAc)2,Pb(OAc)2CH3(CH2)2COOH
H
l
反应后的原料用蒸馏回收,丁酸用碱中和,催化剂用盐酸除去,可以获得纯度较高的间氯苯甲酸。在生产中,间氯乙苯可由氯苯和乙烯进行烷基化而得[6]。1.3 以间氯苯甲醛为原料
Banerjee
[7]
等于1979年提出在酸性条件下用KBrO3将苯甲醛氧化成苯甲酸的实验方
法。Samaddar[8]采用Banerjee建立的最佳反应条件,把邻、间、对硝基苯甲醛,邻、间、对氯苯甲醛和邻、间、对甲基苯甲醛氧化成相应的取代酸。以间氯苯甲醛为原料在乙酸溶液中用氧
第4期 武文良等:间氯苯甲酸的合成119
化剂溴酸钾氧化生成间氯苯甲酸为例,反应式如下:
l+KB
rO3+CH3COOH
H
l
间氯苯甲酸的得率约为85%左右,产品纯度高,,间氯苯甲醛[9～11]原料可由间硝基苯甲醛经胺化、,的价格要高于间氯苯甲酸,因此,2 氯化法
。2.1 氧化酸氯化法
[12]
此方法是用氧化酸Na2Yee和Boyle于1955年提出用氧化酸氯化法制取间氯苯甲酸。
～90℃及搅拌的条件下氯化苯甲酸。在此氯ClO3或KMnO4和HCl在水溶液中在温度为80
化反应中,氧化剂除了含有氯外,还必须有氧化2还原电势。氯化反应式如下:
H
+HCl+
——KMnO4+H2O———NaClO3+H2O—l
用NaClO3和盐酸溶液氯化苯甲酸的得率为30%左右的间氯苯甲酸;而用KMnO4和盐酸溶液氯化苯甲酸,间氯苯甲酸的得率可达50%左右.反应后混合物的分离精制过程如图3所示。用氯气和一定量的NaClO3或KMnO4在硫酸溶液中来代替盐酸,则很少或没有氯化反应出现。
用氧化酸氯化法的优点是原料易得,产品纯度好,但操作难度大。
反应混合物冷却
→
收集浅橙色产品
→冲洗,干燥→
NaOH
溶解
→过滤→
H2SO酸化
→
水洗沉淀物
→
用酒精重结晶
→产品
图3 氧化酸氯化苯甲酸制取间氯苯甲酸的分离过程
Fig13 Separationofm2chlorobenzoicacidfromthereactionmixturebychlorinationofbenzoicacid
2.2 氯阴离子氯化法
[13～14]
认为,对苯甲酸用阴离子直接卤化(如溴化和碘化)的方法,也Gorvin和Derbyshire
可用于氯化制备,即苯甲酸与理论量的AgCl反应,主要产品是间氯苯甲酸,副产品为对氯、邻氯苯甲酸和二氯衍生物.反应式如下:
H
+AgCl+H2SO4+H2O+Cl2+CCl4
l
该方法间氯苯甲酸的得率可达80%左右,原料苯甲酸[15～18]可由甲苯液相氧化制得.
3 ThevonRichter反应法
19卷12 南 京 化 工 大 学 学 报 第0
3.1 vonRichter反应法
～1875年由vonRichter发现,其反应机理由Bunnett[19～20]vonRichter反应法于1871
和Samuel[21]作了详细的研究,反应的特点是取代的硝基苯衍生物进行vonRichter反应时,
羧基处于由硝基空出的邻位,以如下反应式为例:
l
+KCN2
2
+KCN
C2H5OHH2OC2H5
OH2l
l+
H
Cl
邻硝基氯苯在进行vonRichter反应时,间氯苯甲酸的得率很小。vonRichter反应自发现以后一直未受到人们重视,直到1954年Bunnett等证实了许多vonRichter的发现,此反应才用于有机合成中。
3.2 Bunnett等对vonRichter反应条件的改进
等通过对硝基氯苯在不同的反应条件下在不同的溶剂中与KCN进行von
Richter反应(见表1),得出如下结论:1 醇类水溶液比其它类型的溶剂要好;
Bunnett
2 在醇溶液中,乙醇是最好的;3 当KCN过量较多时,转化率较高;
4 反应可在回流48%的乙醇及相对低的温度条件下进行。
[22～25]
对硝基氯苯与KCN在48%的乙醇溶液中进行反应,转化率可达20%～42%,产品的纯
度较高,未反应的对硝基氯苯和乙醇可回收循环使用,但反应后分离精制步骤较多(见图4),虽然含氰废水处理并不困难,原料对硝基氯苯可由氯苯混酸硝化[26～28]制得,但在工业应用上仍受到限制。
第4期 武文良等:间氯苯甲酸的合成
表1 对硝基氯苯在不同溶剂和不同条件下的vonRichter反应
121
Table1 Experimentsonp2chloronitrobenzenereactingwithpotassiumcyanideinvarioussolventsundervariousconditions
对硝基氯苯氰化钾