CN102584650A - 2-硝基-4-甲砜基苯甲酸的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机合成领域，公开了一种2-硝基-4-甲砜基苯甲酸的制备方法：以2-硝基-4-甲砜基甲苯为原料、双氧水为氧化剂，于浓硫酸介质中，在CuO/Al2O3催化剂存在下制备2-硝基-4-甲砜基苯甲酸。本发明的制备方法与现有技术相比，不但大大降低了浓硫酸和双氧水的用量、部分原料可以回收套用，而且降低了反应温度，产品收率高、质量好，因而是一种高效、节能、环保的2-硝基-4-甲砜基苯甲酸的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于有机合成领域，涉及一种2-硝基-4-甲砜基苯甲酸的制备方法。
背景技术
2-硝基-4-甲砜基苯甲酸(简称：NMSBA)是一种广泛应用于医药、农药等化学行业的中间体，特别地可以作为农药硝磺草酮的重要中间体，结构式如式(I)所示：
目前其常见的制备方法由2-硝基-4-甲砜基甲苯氧化制备2-硝基-4-甲砜基苯甲酸，例如专利US5591980介绍了在乙酸钴催化下空气氧化法；专利US5424481以及《农药》第45卷第11期746-747页的“硝磺酮的合成与除草效果”中介绍了在五氧化二钒催化下硝酸氧化法；上述两种方法分别存在生产效率低、三废量大和操作危险性强的缺点，特别是目前工业生产中采用的硝酸氧化法还存在二硝化产物等杂质含量高、导致硝磺草酮产品的安全性差(导致硝磺草酮Ames阳性即存在至突变的危险)的缺陷。近年来，开发一种高效、节能、安全、环保的2-硝基-4-甲砜基甲苯氧化法成为研究的热点，人们较多集中于研究以双氧水作为清洁的氧化剂进行氧化反应，例如WO2004058698A1报道了利用双氧水氧化2-硝基-4-甲砜基甲苯的方法，然而此方法浓硫酸的用量为原料量(wt)近20倍，双氧水用量为理论用量的10倍(按加料摩尔比计为30倍)，生产成本过高；WO2007099450A2中介绍了在金属或是金属盐催化下滴加双氧水氧化2-硝基-4-甲砜基甲苯的方法，其收率仅为40％左右；CN101503383A中利用双氧水和发烟硫酸混合制成过硫酸，氧化2-硝基-4-甲砜基甲苯成酸，此方法所用双氧水为理论用量的3～5倍(按加料摩尔比计为9～15倍)，且在80～130℃高温下反应，增加了反应的危险性。
发明内容
本发明目的是提出一种新的2-硝基-4-甲砜基苯甲酸的制备方法，以克服现有技术中采用双氧水作氧化剂的反应中存在的双氧水用量大、生产成本高、以及不安全因素多的弊病，满足工业生产的需要。
通过对各种催化剂的筛选，发明人确认，利用将氧化铜负载于三氧化二铝载体上的得到的一种负载型催化剂适宜作为2-硝基-4-甲砜基甲苯氧化制备相应羧酸的催化剂。进一步的研究确认了优化工艺条件，从而完成了本发明。
本发明的技术方案如下：
一种2-硝基-4-甲砜基苯甲酸的制备方法，以2-硝基-4-甲砜基甲苯为原料、双氧水为氧化剂，于浓硫酸介质中，在CuO/Al2O3催化剂存在下制备2-硝基-4-甲砜基苯甲酸。
反应式如下：
本发明的技术方案是按照以下具体操作步骤来实现的：
1.制备Cu含量为1-10％(重量百分比)的CuO/Al2O3催化剂。
CuO/Al2O3催化剂的制备方法是本领域的技术人员所熟悉的。例如，将一定量的铜盐溶于水中、加入三氧化二铝浸渍后，干燥、焙烧即可。
2.向55～80℃的硫酸中依次加入2-硝基-4-甲砜基甲苯(简称原料)、CuO/Al2O3催化剂，缓慢滴加浓度为40～50％的双氧水，滴加过程中控制反应温度在55～80℃；双氧水滴加完毕后，继续保持温度搅拌反应2～5小时，取样经HPLC分析，反应混合物中产物含量不再增加时结束反应；反应液冷却析出产品和未反应的原料的混合物(简称粗品)；粗品经纯化处理，分出未反应的原料(回收套用于下批反应)和产品。
反应中适宜的硫酸浓度为75％～98％(重量百分比)，硫酸用量为2-硝基-4-甲砜基甲苯的5～10倍(重量计)；适宜的催化剂用量为原料：CuO/Al2O3＝1∶0.0005～0.006(摩尔计)；适宜的双氧水用量为2-硝基-4-甲砜基甲苯的5～10倍(摩尔计)。
为控制温升，反应中滴加双氧水应当缓慢，通常在1～4小时加完。反应完成后先分出催化剂，再冷却反应液。析出的(产品和未反应的原料)混合物经常规的过滤、水洗、干燥，得到粗品，含量为75～89％。实际生产中，粗品可以不经干燥、直接进行纯化处理。
粗品纯化处理方法如下：将粗品加到水中，然后滴加30％的NaOH水溶液，搅拌使产品2-硝基-4-甲砜基苯甲酸充分溶解，过滤分离未反应的原料2-硝基-4-甲砜基甲苯；滤液加入稀酸调节pH值至酸性，析出2-硝基-4-甲砜基苯甲酸。通常酸析操作中使用无机酸例如盐酸或硫酸调节pH值至2～3即可。经过纯化处理，产品含量可以达到98.5％以上。
本发明的制备方法进一步优选的反应条件为：
反应温度为60～75℃；硫酸浓度为98％；硫酸用量为2-硝基-4-甲砜基甲苯的10倍重；催化剂的用量与原料的摩尔比为2-硝基-4-甲砜基甲苯：CuO/Al2O3＝1∶0.001～0.005；双氧水用量与2-硝基-4-甲砜基甲苯的摩尔比为7。
与现有技术相比，本发明的制备方法具有以下优点：
1.利用CuO/Al2O3载体催化剂，促进双氧水的氧化能力，降低了双氧水的用量；与CN101503383A报道的过硫酸氧化法相比，双氧水的用量从理论用量的3～5倍减少至理论用量的2-3倍，反应温度从80～130℃降低到55～80℃，并且不需要使用危险发烟硫酸，降低了反应的危险性。
2.反应中不使用剧毒的五氧化二钒催化剂，利于工人的健康与安全。
3.由于不使用硝酸，所得产物中不会出现多硝化杂质，用其制备除草剂硝磺草酮不会导致产品安全性问题；同时降低了操作的危险性，反应过程中也不会产生污染气体一氧化氮。
4.部分原料可以回收套用，做到了既回收资源又对环境友好。
因此，本发明的技术方案与现有技术相比提供了一种高效、节能、环保并易于工业化推广应用的2-硝基-4-甲砜基苯甲酸的制备方法。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐述本发明。实例中所用各物料均有市售。
实例1
1.CuO/Al2O3载体催化剂的制备
在6ml蒸馏水中溶解0.805g Cu(NO3)2·3H2O，之后加入4gγ-Al2O3，轻轻摇匀，室温静置12小时后110℃干燥6小时，500℃焙烧4小时，得到铜含量为5％的载体催化剂，冷却至室温待用。
2.制备2-硝基-4-甲砜基苯甲酸
500ml三口瓶中加入80g浓度为98％的硫酸，搅拌加热至60℃，将8.7g(0.04mol)2-硝基-4-甲砜基甲苯加入到硫酸溶液中，搅拌5分钟后，加入0.2g(0.00016mol)步骤1中制备的CuO/Al2O3载体催化剂，搅拌3分钟，向反应混合物中滴加21.2g 45％的双氧水，滴加过程控制反应温度在60-75℃之间，约2小时滴加完毕后，60℃保温3小时至反应完成。向反应混合物中加入100g水，分出催化剂，反应混合物冷却至5℃，经抽滤，水洗，干燥，得到粗产物8.6g，黄色固体，HPLC分析其中含有2-硝基-4-甲砜基苯甲酸79％，2-硝基-4-甲砜基甲苯18％。
将上述粗产物加到32g水中，搅拌滴加6.2g 30％NaOH，过滤收集不溶物，得到1.5g白色固体，为2-硝基-4-甲砜基甲苯，含量91％，循环套用。滤液用浓度为40％的硫酸调节pH值至2～3，过滤析出的固体，干燥后得到浅黄色固体2-硝基-4-甲砜基苯甲酸6.7g，含量98.5％。扣除回收套用的原料2-硝基-4-甲砜基甲苯，产品收率79.6％。
实例2
1.CuO/Al2O3载体催化剂的制备
在6ml蒸馏水中溶解1.61g Cu(NO3)2·3H2O，之后加入4gγ-Al2O3，具体操作同实例1，得到铜含量为10％的载体催化剂，冷却至室温待用。
2.制备2-硝基-4-甲砜基苯甲酸
除催化剂加入量为0.1g(0.00016mol)步骤1中制备的CuO/Al2O3载体催化剂外，其他各加料、反应条件及后处理操作同实例1，干燥得到8.4g粗产物，黄色固体，HPLC分析其中含有2-硝基-4-甲砜基苯甲酸86％，2-硝基-4-甲砜基甲苯9％。
粗产物纯化处理操作同实例1。得到微黄色固体2-硝基-4-甲砜基甲苯0.8g，含量90％；浅黄色固体2-硝基-4-甲砜基苯甲酸7.1.g，含量99％。扣除回收套用的原料，产品收率78.3％。
Claims (5)
1.一种2-硝基-4-甲砜基苯甲酸的制备方法，包括以2-硝基-4-甲砜基甲苯为原料、双氧水为氧化剂，于浓硫酸介质中制备2-硝基-4-甲砜基苯甲酸，其特征在于：反应在CuO/Al2O3催化剂存在下进行。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的催化剂中Cu含量以重量计为1-10％。
3.按照权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于操作步骤如下：向55～80℃的硫酸中依次加入2-硝基-4-甲砜基甲苯、CuO/Al2O3催化剂，缓慢滴加浓度为40-50％双氧水，滴加过程中控制反应温度在55～80℃；双氧水滴加完毕后，继续搅拌反应2-5小时至反应完成；反应液冷却析出粗品；粗品经纯化处理分出未反应的原料和产品；
反应所用硫酸的浓度为75％～98％，硫酸用量以重量计为2-硝基-4-甲砜基甲苯的5～10倍；催化剂用量以摩尔计为原料：CuO/Al2O3＝1∶0.0005～0.006；双氧水用量以摩尔计为2-硝基-4-甲砜基甲苯的5～10倍。
4.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：反应温度为60～75℃；反应所用硫酸浓度为98％，硫酸用量为2-硝基-4-甲砜基甲苯的10倍重；催化剂的用量与原料的摩尔比为2-硝基-4-甲砜基甲苯：CuO/Al2O3＝1∶0.002～0.005；双氧水用量以摩尔计为2-硝基-4-甲砜基甲苯的7倍。
5.按照权利要求3所述的制备方法，其特征在于：将粗品加入碱性水溶液中、过滤分离回收未反应的原料回收套用于下批反应，滤液加酸析出产品。
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