CN101423469A - 芳族化合物的氧化方法 - Google Patents

Abstract

可以使用叔－丁基氢过氧化物和微波辐射氧化亚甲基取代的芳族化合物。特别是，二甲苯主要产生苯二甲酸，而甲苯产生苯甲酸。其中亚甲基不是甲基部分的其它亚甲基取代的芳族化合物产生酮，而不是酸。例如，芴产生芴酮。所述方法避免需要金属诸如在催化剂或在氧化剂中的存在，并且可以使用水而不是有机溶剂进行。因此，所述方法可以符合绿色化学的理想。

Description

芳族化合物的氧化方法

技术领域

本发明涉及一种氧化方法。更具体地，它涉及将取代的芳族化合物氧化成酮或羧酸。

背景技术

氧化是将石油化学基的原料转化成更高氧化状态的通用化学品(commodity chemicals)的核心技术。然而，氧化反应对环境提出了一些极大的挑战。许多工业氧化方法涉及重金属或腐蚀性试剂，并且能量消耗高。

烷基取代的芳族化合物成为酮或羧酸的选择性苄型氧化基本上是重要的实验室和商业有机转化^1，2，3。氧化产物是用于制备高价值精细化学品、农用化学品、医药品和高吨位商品的基本中间体^4，5。这样的苄型氧化可以通过基于过渡金属的各种氧化剂诸如高锰酸盐和铬酸盐而完成。如果将分子氧、过氧化氢或氢过氧化物用作氧化剂，那么需要均相的或非均相的金属基(metal-based)的催化剂^2，6。

例如，对苯二甲酸是在侵蚀性条件下通过对-二甲苯的氧化而产生。对苯二甲酸是前50种工业化学品之一，每年的全球需求总计4,000万吨，并且每年的增长率约5-10％⁶。它是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的主要单体。PET是制造苏打瓶和其它包装树脂的通用原料。纺织的和合成的纤维诸如聚酯(涤纶)也是由对苯二甲酸制成的。

在制备对苯二甲酸的工业方法中，在200℃和20atm压力下在乙酸中用空气氧化对-二甲苯。催化剂体系由重金属溴化物及钴和锰的盐制成。由于反应混合物是高度腐蚀性的，所以所述反应必须在钛衬里的反应器中进行。另一方面，通过流化床V₂O₅基的催化剂进行邻-二甲苯到邻苯二甲酸的气相氧化。苯二甲酸是许多增塑剂的主要前体。在甲基芳族化合物的所有这些已知氧化方法中，需要金属基的氧化剂或催化剂。如果将空气用作氧化剂，那么通常涉及高反应温度和压力。

近年来，对于开发用于生产碳和芳族化合物原料的环境意识的方法已经进行了大量的努力^7，8，9。例如，由于它们的毒性，负面的环境影响，并且需要从反应产物去除残留的金属，所以应该避免使用重金属。如果不能完全放弃，也应该减少有机溶剂的使用，以减少VOC排放。据说这种所谓的绿色化学将是可持续化学工业的未来。

发明内容

本发明的目的是提供一种氧化方法，所述方法是更加环境可接受的，并且特别是不要求使用金属诸如重金属。在相关的目的中，如果理想的话，可以避免对有机溶剂的需要。

本发明人提供用于氧化亚甲基取代的芳族化合物的氧化步骤，所述氧化步骤使用叔-丁基氢过氧化物(TBHP)作为氧化剂并且使用微波辐射作为能量源，以产生酮或羧酸。

特别是，二甲苯通常在与其它酸的掺加物中产生苯二甲酸，而甲苯产生苯甲酸。其中亚甲基不是甲基部分的其它亚甲基取代的芳族化合物产生酮，而不是酸。例如，芴产生芴酮。所述方法避免需要诸如在催化剂或氧化剂中存在金属，并且可以使用水而不是有机溶剂进行。

附图说明

图1提供使用TBHP和微波照射氧化之前和之后的对-二甲苯的照片。

具体实施方式

本方法典型地采用过量的TBHP。对于不是芳族甲基化合物的芳族亚甲基化合物的氧化，TBHP：芳族化合物的摩尔比适宜地为至少2:1，诸如至少5:1；比如约10:1。对于芳族甲基化合物的氧化，更高的比例是理想的，优选至少15:1，或更优选至少25:1；比如约20:1或30:1。

反应温度通常在100℃-220℃范围内，诸如140℃-190℃，优选地145℃-195℃。这样的温度通过以适当功率和频率的辐射获得。

反应持续时间通常从20分钟到5小时，诸如40分钟到4小时，优选约1小时。

在一个方面中，本发明提供下式I化合物的氧化：

其中R是选自氢、烷基和芳基的基团；和

R¹是选自氢、烷基、烷氧基、卤素、羟基、氨基、环烷基、芳基或卤烷基的一个或多个取代基；

或者R与邻R¹形成可以自身被取代或稠合的环键。

烷基优选具有1-6个碳原子，特别是1或2个碳原子。芳基和芳族化合物优选是烃，并且通常是苯基。烷氧基的烷基部分优选如所限定。卤基包括氯和溴。氨基可以是简单氨基(simple amino)，或者伯或叔氨基。环烷基优选具有3-8个碳原子。

通常有1或2个R¹基团，优选1个R¹基团。

优选的化合物包括其中R是氢的那些，诸如甲苯和三种二甲苯，特别是对-二甲苯。

其它优选的化合物包括二苯基甲烷和乙苯。

当R与R¹形成环键时，它可以是聚亚甲基，诸如-(CH₂)n-，例如，其中n为2或3。所述键可以自身与芳香环稠合。这种化合物的实例包括芴和四氢化萘。

氧化的结果取决于R是否是氢。

因此，甲苯产生苯甲酸。二甲苯典型地产生苯二甲酸、甲基苯甲酸和苯甲酸的混合物。本发明人优选其中混合物中苯二甲酸的量大于其它酸产物总和的方法。

优选地，所述方法是没有金属和有机溶剂的。特别是，所述方法可以在不存在金属催化剂诸如重金属催化剂下进行。此外，尽管有机溶剂的省略不是强制性的，但是所述方法可以不用有机溶剂进行。典型地，虽然在较不优选的方面中包括有机溶剂，特别是极性溶剂诸如叔-丁醇、硝基苯或乙腈，但是本发明人采用水性TBHP。

更具体地，TBHP(叔-丁基氢过氧化物)，诸如70％水性TBHP，和例如在2450Mhz的微波照射，可以产生用于烷基取代的芳族化合物的绿色氧化流程。甲基芳族化合物(甲苯或二甲苯)可以直接氧化成工业上重要的羧酸和二羧酸。加入微量的(0.1-5％，诸如1-4％，优选比如约2％)离子性液体和/或同时冷却可以改善氧化效率。对于其它烷基取代的芳族化合物及相关的化合物，以良好的收率获得酮。反应介质优选地是水。不需要有机溶剂、金属基的试剂或金属基的催化剂。

TBHP是工业上广泛应用的廉价氧化剂^10，11。相比于浓缩的过氧化氢，TBHP对于热分解相当稳定。实际上，70％的水性TBHP构成大宗有机化学品(bulk organic chemicals)，并且在许多国家已经被确认用于卡车装运(truck shipment)。

微波辅助的有机合成是快速成长的研究领域^12-16。最初认为本技术是用于通常成数量级减少反应时间的方法，并且是用于具有增加的产物收率的清洁反应的方法。另外，它还为另外通过常规加热方法不可行的新反应提供了机会¹⁵。进行一种类比，微波反应将成为“21世纪的Bunsen燃烧器”^12，17。

本发明的实施例

方法

使用CEM Discover Unit(CEM Corporation，NC，USA)，在用橡胶片密封的10mL玻璃容器中，以搅拌方式在有或者没有同时冷却的情况下进行用0.2-0.5毫摩尔底物的实验。设定目标温度以及最大微波功率(对于没有或者有离子性液体的反应分别为250和80W)。在几分钟内达到目标温度。在反应期间，微波功率以及压力(60-240psi)变化。

对于甲苯的氧化，开发便利的NMR方法来监控反应。取出反应混合物的样品并且用CDCl₃稀释。用D₂O处理后，记录¹H NMR(270MHz)光谱。转化百分数可以从充分解析的苯甲酸芳族质子信号(对于间-、对-、和邻-质子分别为7.41-7.47，7.54-7.57和8.05-8.08ppm)和甲苯的甲基信号(2.35ppm)的积分计算。

在一个优选的方面中，本发明的氧化如方案1中所示：

方案1

烷基取代的芳族化合物的苄型氧化

实施例1

本发明人最初研究亚甲基取代的苄型芳族化合物氧化成酮(方案1，R≠H)。当将芴与10当量的70％水性TBHP的混合物在密封容器中用微波照射10分钟(250W，170℃)时，离析几乎定量收率的芴酮(表1)。作为对照实验，当本发明人通过常规油浴加热仅将相同的反应混合物回流8小时时，只有痕量的芴酮可以通过TLC检测到。具有双重活化的苄型位置的另一种底物二苯基甲烷的氧化也以高收率提供二苯甲酮。对于单活化的亚甲基单位，在该绿色流程下乙苯到苯乙酮以及四氢化萘到α-四氢萘酮的氧化也顺利进行。结果总结在表1中。

表1 在微波照射下烷基取代的芳族化合物到酮的TBHP氧化

运转              底物              条件          产物          收率

1              

        170℃，10min   

       98％

2                      180℃，30min         85％

3               

          180℃，30min    

         77％

4              

           170℃，30min    

         53％

实施例2

随着亚甲基苄型单位的氧化中的初步成功，然后本发明人致力于更有挑战性的甲基取代的芳族化合物的氧化。

首先将甲苯到苯甲酸的氧化用作模型研究。使用6当量的70％水性TBHP(过量2倍)，在160℃在微波照射1hr下甲苯以9.1％转化成苯甲酸(运转1，表2)。充分证明具有高介电常数的溶剂将提高微波加热效果。当氧化反应在叔-丁醇、硝基苯或乙腈作为共溶剂中(运转2，3，4)进行时，转化百分数增加到20-27％。本发明人还研究了其它TBHP配方诸如异辛烷和甲苯中的TBHP^18，19的应用。氧化仍然可以发生，但是结果不如使用水性TBHP的结果。

作为对照实验，本发明人通过常规加热回流(130℃)7小时而进行所述氧化反应。没有苯甲酸可以从反应混合物中检测到。另外，微波反应必须在密封容器中进行。当在开口容器中在104-114℃回流温度使用微波加热进行所述反应时，没有苯甲酸可以检测到。

表2 在微波照射下甲苯到苯甲酸的TBHP氧化

 

运转	G	甲苯/TBHP	条件	转化率
					1	H	1:6	纯的，160℃	9.1％
2	H	1:6	t-BuOH，160℃	20％
					3	H	1:6	C6H5NO2，160℃	26％
4	H	1:6	CH3CN，160℃	27％
					5	H	1:6	2％离子性液体，160℃	29％
6	H	1:20	2％离子性液体，150℃	41％
					7	H	1:20	2％离子性液体，150℃同时冷却	69％
8	H	1:20(1mmol)	2％离子性液体，150℃，2hr同时冷却	94％
					9	o-Cl	1:20	2％离子性液体，150℃同时冷却	46％
10	m-Cl	1:20	2％离子性液体，150℃同时冷却	50％
					11	p-Cl	1:20	2％离子性液体，150℃同时冷却	57％
12	p-Br	1:20	2％离子性液体，150℃同时冷却	51％
					13	o-NO2	1:20	2％离子性液体，150℃同时冷却	39％
14	p-OEt	1:20	150℃同时冷却	80％

近来，已经报道加入少量的离子性液体可以极大地增加微波反应的加热效率^20-22。为了改善甲苯氧化的收率，用2％的四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓盐(1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)进行TBHP氧化。与没有离子性液体的9.1％相比，转化率增加到29％(运转5相对于1)。

在所有粗反应混合物的¹H NMR光谱中，本发明人在2.17和3.46ppm持续观察到两条神秘的单峰。这些NMR峰分别对应丙酮和甲醇的甲基。本发明人推测TBHP在所述反应条件下分解成丙酮和甲醇。为了证实这一推测，在微波照射下将70％TBHP样品在160℃加热半小时。反应混合物的¹H NMR光谱证实了本发明人的推测。

在方案2中描述了这种TBHP分解的两种提出的机理。与氢过氧化枯烯(cumene hydroperoxide)在酸性介质中的热分解相似，离子的途径包括弱过氧化物键的断裂，然后甲基迁移到缺电子过氧化物的氧上。备选地，自由基机理可以解释这一观察。

方案 2TBHP在微波照射下的分解

考虑到这种分解，本发明人将TBHP的量增加到20当量。转化率增加到41％(运转6)。

使用离子性液体时，加热十分充分，以致反应混合物可以容易地在几秒钟内过热。因此，微波功率不能设置太高(80W对比没有离子性液体的实验的250W)。另外，在已经达到预设温度后，微波功率下降到相当低的水平(约30W)。为了保持合理水平的微波能量来维持反应，本发明人尝试了最近在文献²³中报道的想法。在微波照射期间，将室温的压缩空气或氮气流通过反应容器。

当应用离子性液体加上同时冷却时，在反应过程中(1hr)微波功率可以保持在70-40W。转化百分数提高到69％(运转7)。为了促进甲苯氧化完成，微波反应(1mmol甲苯与20mmol 70％TBHP和67mg四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓盐)(运转8)进行2小时，同时冷却。获得94％的转化率。简单后加工和重结晶后，以良好收率离析苯甲酸。

还进行了取代的甲苯的氧化，并且结果在表2中列出(运转9-13)。显然，吸电子的取代基减慢了氧化过程。通过将冷却气体的温度进一步降低到-20℃(来自高压液氮罐)，只是略微改善了TBHP直接氧化的效率。

方案3中描述了这种微波辅助直接氧化的提出的自由基机理。在微波照射时，本发明人假设TBHP断裂成叔-丁氧金属和羟基自由基。从甲苯提取氢自由基提供了苄基自由基，所述苄基自由基与羟基自由基结合产生苯甲醇。进一步的氧化可以产生苯甲醛(或其水合物)，然后是苯甲酸。事实上，如果本发明人将TBHP的量限制在4当量，那么在反应混合物的¹H NMR光谱中检测到微小量的苯甲醛。

方案3 微波-辅助的TBHP氧化的机理

如方案4中所示，还进行了在同时冷却下的3种二甲苯异构体与30当量(5倍过量)的70％水性TBHP的直接氧化。

方案4 微波照射下二甲苯的TBHP氧化

p-CH₃                         对苯二甲酸4a

m-CH₃                         间苯二甲酸4b

o-CH₃                         邻苯二甲酸4c

结果总结在表4中。这些情形中，离子性液体的应用不是至关紧要的。二甲苯的氧化可能是逐步的过程。在粗反应混合物中也获得了不同量的甲基苯甲酸(甲基苯甲酸)。这与下述事实相符：取代的甲苯氧化的容易性与芳香环的电子密度相当(表2的条目9-13)。一旦二甲苯的一个甲基被氧化，那么剩余甲基的氧化被羧基的吸电子作用去活²⁴。令本发明人惊奇的是，也检测到5-10％的苯甲酸。

除了二甲苯异构体氧化产生产物混合物外，两种产物的离析也是直接的。在对-和间-二甲苯的情形中，氧化的苯二羧酸(对苯二甲酸4a和间苯二甲酸4b)从反应混合物中沉淀出来(参见补充信息(即参考文献))。过滤和重结晶后，可以以中等收率获得纯化的对苯二甲酸和间苯二甲酸。

表4

总之，这是首次报道没有任何金属催化剂的烷基芳族化合物的直接微波辅助氧化。烷基取代的芳族化合物到酮、单和二羧酸的氧化也可以成为环境友好的绿色化学过程。这在不存在重金属下进行，并且任选地还在不存在有机溶剂下进行。需要的溶剂仅是伴随TBHP的水^16，25-27。在甲苯的氧化中可以应用少量的离子性液体，其也被视作“绿色”试剂^28-30。最后，与常规加热相比，聚焦的微波也是高度有效的“绿色”能源^31，32。

二甲苯异构体氧化成相应的苯二甲酸为合成这些经济上重要的精细化学品开辟了绿色备选方案。为了在商业上可行，本发明人意识到可能需要提高收率。使用连续流动反应器^33，34可以是可行的。在连续流动体系中，可以滤去沉淀出来的二酸，并且将溶液反向循环到微波反应中。沿着这一方向的工作以及将这种绿色氧化流程应用到其它有机化合物正在进行中。

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Claims (10)

1.一种氧化甲基或亚甲基取代的芳族化合物的方法，所述方法包括使用叔-丁基氢过氧化物和微波辐射氧化所述甲基或亚甲基取代的芳族化合物。

2.权利要求1的方法，其中所述氧化在水体系中进行。

3.权利要求2的方法，其中所述氧化在不存在金属基催化剂下进行。

4.权利要求2的方法，其中所述氧化在不存在金属基氧化剂下进行。

5.一种氧化芳族甲基化合物产生芳香羧酸的方法，所述方法包括用微波辐射照射所述芳族甲基化合物，同时将所述芳族甲基化合物与叔-丁基氢过氧化物接触。

6.权利要求5的方法，其中所述芳族甲基化合物是甲苯并且所述酸是苯甲酸。

7.权利要求5的方法，其中所述芳族甲基化合物是邻-二甲苯并且所述酸是苯二甲酸。

8.权利要求5的方法，其中所述芳族甲基化合物是间-二甲苯并且所述酸是间苯二甲酸。

9.权利要求5的方法，其中所述芳族甲基化合物是对-二甲苯并且所述酸是对苯二甲酸。

10.一种氧化芳族亚甲基化合物产生芳族酮的方法，所述芳族亚甲基化合物不是芳族甲基化合物，所述方法包括用微波辐射照射所述芳族亚甲基化合物，同时将所述芳族亚甲基化合物与叔-丁基氢过氧化物接触。

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