CN107827731A - 一种光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法 - Google Patents

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    • C07C51/21—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen
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Abstract

本发明属于化工技术领域，具体为一种光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法。本发明方法包括：以甲苯为原料，9‑噻吩酮类化合物为催化剂，无需溶剂，室温空气条件下，在可见光照射下反应40‑48 h，即可高效的实现甲苯氧化生成苯甲酸。本发明方法能够在室温和无溶剂的条件下进行甲苯的光氧化法制备苯甲酸，实现了对甲苯氧化法制备苯甲酸的现行生产工艺进行优化及改造。本发明采用可见光光敏剂作为催化剂，降低了成本；本发明能够大幅降低能耗，彻底解决由重金属和醋酸溶剂带来的废弃物排放污染环境的问题、产品中重金属残留的问题，节能环保。本发明方法与传统的生产工艺相比较，整体耗电量，设备投资以及整体运营成本大大降低。

Description

一种光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体涉及一种光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法。
背景技术
苯甲酸为具有苯或甲醛的气味的鳞片状或针状结晶，熔点122.13℃，沸点249℃，相对密度1.2659（15/4℃），结构式为：。在100℃时迅速升华，它的蒸气有很强的刺激性，吸入后易引起咳嗽。微溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。
苯甲酸主要用于抗真菌及消毒防腐，用于医药、染料载体、增塑剂、香料和食品防腐剂等的生产，也用于醇酸树脂涂料的性能改进，也作为钢铁设备的防锈剂、农业化学品。
苯甲酸可以用作食品、饲料、乳胶、牙膏的防腐剂。
苯甲酸可以作为生产苯甲酸酯和苯二甲酸酯的中间体，苯甲酸酯和苯二甲酸酯是重要的增塑剂。
目前，全球普遍采用的是甲苯热氧化法制备苯甲酸的工艺。该方法利用重金属盐钴或锰作为催化剂，在高温高压的条件下实现甲苯的氧化，并最终合成苯甲酸。然而这种方法一直存在着能耗高，污染严重等问题。
随着节能环保概念的提出，传统的甲苯氧化生成苯甲酸的方法所暴露出来的具有不可持续发展性的弊端已经越来越不被人们所接受。
光化学，作为一门新兴的科学，已经得到了高速的发展。与传统的热化学相比，光化学更为清洁节能。因此，一种新型的光照条件下的苯甲酸的合成方法亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减少环境污染、大幅降低能耗的光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法。
本发明提供的光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法，是采用有机光化学的方法，具体步骤为，以甲苯为原料，9-噻吩酮类化合物为催化剂，无需溶剂，室温（如15--40℃）、空气条件下，在可见光照射下反应40-48 h，即可高效的实现甲苯氧化生成苯甲酸。
本发明提供的光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法，可实现5-10公斤级的规模放大反应。
优选的，本发明中，所述的9-噻吩酮类化合物催化剂为1,4-二羟基-9-噻吩酮，结构式为：。
优选的，本发明中，所述的9-噻吩酮类化合物的用量为甲苯质量分数的1-5%。
优选的，本发明中，所述的可见光照为4台800 W投光灯照射。
本发明方法的原理在于：1,4-二羟基-9-噻吩酮在可见光的照射下由基态变为激发态，之后，与反应底物甲苯分子发生碰撞将能连传递给反应底物分子，使底物分子达到高能量的激发态，从而活化催化底物分子甲苯使其脱除一个氢原子，生成相应的苄基自由基中间体，随后苄基自由基在空气的氧化作用下氧化成苯甲醛，苯甲醛进一步被空气氧化生成苯甲酸。
本发明提供的光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法，与传统的热化学工艺相比有着显著的优点：
第一，反应在室温条件下进行，与传统的加热生产工艺相比，能耗大为降低。
第二，反应在无溶剂条件下进行，从而解决了传统工艺中由于采用醋酸做溶剂而带来的所有问题。大大降低了能耗，解决了废酸排放对环境的严重污染，大大降低了对设备的腐蚀性，从而可以采用不锈钢代替钛合金材料来制造反应釜，大大降低了设备制造成本。
第三，采用可见光催化剂而非重金属催化剂，从而彻底解决了传统工艺中由于采用过渡金属催化剂而造成的环境污染问题，以及产品中的重金属残留问题。这意味着，此法有可能直接用来生产食品甚至药品级的苯甲酸产品。这将大大降低食品药品级苯甲酸的生产成本。而且，催化剂成本较传统的甲苯热氧化法有所降低。
第四，本发明采用空气作为氧化剂来源，进一步节约了成本。
第五，本发明后处理简单易操作，不再涉及醋酸和水的分离以及重金属对环境的污染。所产生的废水中不含醋酸和重金属，可以方便地进行综合处理，而且光敏剂可以回收利用。
第六，本发明所提供的一种苯甲酸的生产工艺使用的原料单一，提高了工艺的经济性，并且甲苯的转化率超过99%，苯甲酸的收率超过97%。
第七，本发明所提供的一种苯甲酸的生产工艺采用可见光作为能源，无需热氧化，后处理设备简单，整体耗电量较现有氧化生产工艺降低50%以上。
第八，本发明所提供的一种苯甲酸的生产工艺无需氧化反应塔，气提塔，精馏塔，可以采用不锈钢代替钛合金材料来制造反应釜，设备投资较传统的生产工艺降低30%以上。
第九，本发明所提供的一种苯甲酸的生产工艺无需重金属催化剂，无需溶剂，无需氧化反应塔，无需气提塔，无需精馏塔，常温光照下即可进行，整体运营成本较传统生产工艺降低50%以上。
总之，本项目将要发展的节能环保新技术，在环保上面将彻底解决重金属污染问题以及废酸污染问题；在产品品质上将有望应用此技术直接生产食品药品级的苯甲酸产品，从而大大提高产品的附加值。
附图说明
图1为苯甲酸核磁谱图。
具体实施方式
实施例1
在50 L的反应釜中加入8kg的甲苯，2%质量分数的可见光催化剂1,4-二羟基-9-噻吩酮，在空气氛围中搅拌，25 ℃温度下，在4台800 W投光灯的照射下反应48 h。反应时间到达后，经高效液相色谱分析，只有单一的产物苯甲酸生成，甲苯转化率超过99%。反应混合物中加入氢氧化钠水溶液至PH为中性，乙酸乙酯萃取回收光敏剂，水层加入稀盐酸调至PH = 1-2，重结晶，真空干燥，核磁鉴定，产品质量为10.5kg，产率为99%。
实施例2
在50 L的反应釜中加入8kg的甲苯，3%质量分数的可见光催化剂1,4-二羟基-9-噻吩酮，在空气氛围中搅拌，25 ℃温度下，在4台800 W投光灯的照射下反应47h。反应时间到达后，经高效液相色谱分析，只有单一的产物苯甲酸生成，甲苯转化率超过99%。反应混合物中加入氢氧化钠水溶液至PH为中性，乙酸乙酯萃取回收光敏剂，水层加入稀盐酸调至PH = 1-2，重结晶，真空干燥，核磁鉴定，产品质量为10.4kg，产率为98%。
实施例3
在50 L的反应釜中加入8kg的甲苯，4%质量分数的可见光催化剂1,4-二羟基-9-噻吩酮，在空气氛围中搅拌，25 ℃温度下，在4台800 W投光灯的照射下反应45h。反应时间到达后，经高效液相色谱分析，只有单一的产物苯甲酸生成，甲苯转化率超过99%。反应混合物中加入氢氧化钠水溶液至PH为中性，乙酸乙酯萃取回收光敏剂，水层加入稀盐酸调至PH = 1-2，重结晶，真空干燥，核磁鉴定，产品质量为10.4 kg，产率为98%。
实施例4
在50 L的反应釜中加入8kg的甲苯，5%质量分数的可见光催化剂1,4-二羟基-9-噻吩酮，在空气氛围中搅拌，25 ℃温度下，在4台800 W投光灯的照射下反应42h。反应时间到达后，经高效液相色谱分析，只有单一的产物苯甲酸生成，甲苯转化率超过99%。反应混合物中加入氢氧化钠水溶液至PH为中性，乙酸乙酯萃取回收光敏剂，水层加入稀盐酸调至PH = 1-2，重结晶，真空干燥，核磁鉴定，产品质量为10.4kg，产率为98%。
实施例5
在50 L的反应釜中加入9kg的甲苯，3%质量分数的可见光催化剂1,4-二羟基-9-噻吩酮，在空气氛围中搅拌，25 ℃温度下，在4台800 W投光灯的照射下反应46h。反应时间到达后，经高效液相色谱分析，只有单一的产物苯甲酸生成，甲苯转化率超过99%。反应混合物中加入氢氧化钠水溶液至PH为中性，乙酸乙酯萃取回收光敏剂，水层加入稀盐酸调至PH = 1-2，重结晶，真空干燥，核磁鉴定，产品质量为11.8 kg，产率为99%。
实施例6
在50 L的反应釜中加入10kg的甲苯，2%质量分数的可见光催化剂1,4-二羟基-9-噻吩酮，在空气氛围中搅拌，25 ℃温度下，在4台800 W投光灯的照射下反应48 h。反应时间到达后，经高效液相色谱分析，只有单一的产物苯甲酸生成，甲苯转化率超过99%。反应混合物中加入氢氧化钠水溶液至PH为中性，乙酸乙酯萃取回收光敏剂，水层加入稀盐酸调至PH = 1-2，重结晶，真空干燥，核磁鉴定，产品质量为13.0 kg，产率为98%。
实施例7
在50 L的反应釜中加入10 kg的甲苯，3%质量分数的可见光催化剂1,4-二羟基-9-噻吩酮，在空气氛围中搅拌，25 ℃温度下，在4台800 W投光灯的照射下反应46h。反应时间到达后，经高效液相色谱分析，只有单一的产物苯甲酸生成，甲苯转化率超过99%。反应混合物中加入氢氧化钠水溶液至PH为中性，乙酸乙酯萃取回收光敏剂，水层加入稀盐酸调至PH = 1-2，重结晶，真空干燥，核磁鉴定，产品质量为13.0kg，产率为98%。
实施例8
在50 L的反应釜中加入10kg的甲苯，5%质量分数的可见光催化剂1,4-二羟基-9-噻吩酮，在空气氛围中搅拌，25 ℃温度下，在4台800 W投光灯的照射下反应42 h。反应时间到达后，经高效液相色谱分析，只有单一的产物苯甲酸生成，甲苯转化率超过99%。反应混合物中加入氢氧化钠水溶液至PH为中性，乙酸乙酯萃取回收光敏剂，水层加入稀盐酸调至PH = 1-2，重结晶，真空干燥，核磁鉴定，产品质量为13.0 kg，产率为99%。

Claims (4)

1.一种光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法，其特征在于，以甲苯为原料，9-噻吩酮化合物为催化剂，在室温、空气条件下，在可见光照射下反应40-48 h，即实现甲苯氧化生成苯甲酸。
2.根据权利要求1所述的光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法，其特征在于，所述的9-噻吩酮类化合物催化剂为1,4-二羟基-9-噻吩酮，结构式为：。
3.根据权利要求1所述的光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法，其特征在于，所述的9-噻吩酮类化合物的用量为甲苯质量分数的1-5%。
4.根据权利要求1所述的光照条件下氧化生成苯甲酸的合成方法，其特征在于，所述的可见光为4台800 W投光灯。
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