CN108047009B - 甲基取代苯甲醛的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种甲基取代苯甲醛的制备方法,具体地涉及以甲基取代芳烃为原料通过羰基化反应制备烷基芳香醛的方法。该方法使用高催化活性的离子液体,使甲基取代苯在缓和的条件下高转化率的制备甲基取代苯甲醛,同时缩短反应时间,减少三废的产生,避免腐蚀性强的助剂使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种甲基取代苯甲醛的制备方法,具体地涉及以甲基取代芳烃为原料通过羰基化反应制备烷基芳香醛的方法。
背景技术
常见的甲基取代苯甲醛包括2,4,6-三甲基苯甲醛、二甲基苯甲醛、对甲基苯甲醛等,都是非常重要的重要的有机合成中间体。
2,4,6-三甲基苯甲醛俗称米醛,应用于树脂添加剂、农药、医药香料等方面。并可用于促进聚丙烯的定向聚合。以2,4,6-三甲基苯甲醛为原料合成的酞菁类染料有较好的吸光性能,可用于太阳电池等。2,4,6-三甲基苯甲醛还是合成新型的环己二酮类内吸性谷类作物除草剂Trslkoxydim(英国化学工业(ICI)澳大利亚公司开发)的重要中间体。2,4,6-三甲基苯甲醛还是制备光引发剂TPO、TPO-L等的重要原料。由于其分子机构中的三个甲基的位阻作用,显示出其作为合成催化剂的一部分日益受到广泛的关注。
二甲基苯甲醛包括3,4-二甲基苯甲醛、2,4-二甲基苯甲醛、2,5-二甲基苯甲醛、3,5-二甲基苯甲醛等均可应用于合成塑料助剂、香料、药物中间体,而且其在合成聚丙烯成核透明剂方便表现出优良的性能,其在晶粒细度、塑料透明性方面性能较之其他助剂较为理想。
对甲基苯甲醛在医药合成及精细化工中具有重要应用,可以氧化成高纯度对苯二甲酸。对苯二甲酸可作为合成纤维、合成香料、医药、聚合物添加剂和聚酯单体的原料。
甲基取代苯甲醛的合成方法有:Gattermann-Koch法(D. J. Cram, G. S.Hammond, Organic Chemistry, p 382 (New York, 1959))、酰氯加氢还原制备醛法(US4195040)、二氯甲醚法(A. Rieche, H. Gross, E. Höft, Aromatic aldehydes.Mesitaldehyde [Benzaldehyde, 2,4,6-trimethyl-] [J].Organic Syntheses,1973,5:49)、NaIO4-DMF氧化伯卤代烷烃为芳醛法(S. Das, A. K. Panigrahi, G. C. Maikap.NaIO4-DMF: A novel rea -gent for the oxidation of organic halides to carbonylcompounds[J].Tetrahedron Letters, 2003,44: 1375-1377)、格氏试剂法(L. I. Smith,J. Nichols. The synthesis of aldehydes from Grignard reage -ntsⅡ. Polymethylbenzaldehydes [J]. J. Org. Chem., 1941, 6:489-506)以及三氯乙醛酰化法(US5457239)等方法。
这些制备方法有的使用了毒性较大的氰化物原料,有的收率较低,除了Gattermann-Koch法文献(R. C. Fuson, E. C. Horning, S. P. Rowland.Mesitaldehyde[Benzaldehyde,2,4,6-trimethyl-] [J]. Organic Syntheses, 1955, 3:549)报道收率为77%具有工业前景外,基本都难以实现工业化生产。因此甲基取代苯甲醛一般通过Gattermann-Koch反应进行制备,自1897年Gattermann和Koch描述了在三氯化铝和氯化亚铜存在下用一氧化碳和氯化氢使各种芳烃直接羰基化(Gattermann L.,Koch J.A.,Chem. Ber.[J],30:1622(1897))以来,该方法中的催化剂一直是研究的热点,其研究进展:
1、固体超强酸类催化剂:比如美国专利US5679867公开的SO4 2-/ZrO2固体超强酸,负载一种或几种过渡金属作为CO的活化剂后,可以催化合成烷基取代苯甲醛,但该方法甲基苯甲醛的产率不足2%。美国专利US3369048公开的在13Y分子筛负载亚铜离子后可用于烷基取代苯甲醛的制备,在室温和3.5MPa下,连续通过干燥的CO和HCl气体,烷基苯的转化率可达75%,但是催化剂的寿命不长,HCl气体对设备腐蚀严重。
2、液体复合酸类催化剂:对这类的研究较多,US2485237公开使用HF-BF3代替氯化氢和三氯化铝,US3948998将该方法改为两步法,先形成甲苯-HF-BF3配合物,再与CO反应生成甲基苯甲醛。HF-BF3催化剂最为突出的优势是使甲苯和CO高选择性反应生成对位甲基苯甲醛,选择性大于96.5%。类似的还有HF-SbF5,HF-TaF5,HF-NbF5、CF3SO3H-SbF5。但是也存在明显难以克服的缺陷:(1)催化剂与产物难分离,催化剂损失严重;(2)对设备腐蚀严重;(3)催化剂失效后处理困难,对环境污染严重,尤其HF需要严格操作。
3、离子液体:US6320083和Welton T.,Chem. Rev.[J],1998,99(8):2071-2083公开使用三氯化铝或其多聚物与烷基咪唑制备的阳离子液体作为催化剂,在室温下,保持CO的压力为8.2MPa,快速搅拌反应1h,烷基苯的转化率可达66%。离子液体不仅可作为反应的催化剂,而且为化学反应提供了一个不同于一般分子溶剂的反应环境。其催化过程具有均相催化的特点,反应完全后分离催化剂和产品时又表现多相催化的特点,可以循环利用。但是目前仍存在催化剂用量大、反应条件苛刻、甲苯转化率低等问题,仅靠加入腐蚀性强的HCl气体助剂来提高其催化活性。
离子液体是在常温下成液态的完全由离子构成的物质,阳离子多为季铵或季磷阳离子,阴离子多为氯铝酸根等组成,作为一种良好的溶剂和催化剂体系,因其催化过程具有均相催化的特点,反应完成后离子液体与产物的分离又表现出非均相催化的特点,且离子液体催化剂有可能循环使用,近年来学术界对其产生越来越广泛兴趣和重视。
发明内容
本发明的目的就是要避免现有技术中出现的问题使用一种高催化活性的离子液体催化剂,使甲基取代苯在缓和的条件下高转化率的制备甲基取代苯甲醛,同时缩短反应时间,减少三废的产生,避免腐蚀性强的助剂使用。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,包括具体步骤:
1)将甲基取代苯和离子液体混合均匀,
2)加入助催化剂,
3)通入CO,进行反应;
其中助催化剂选自四氯化钛,助催化剂的用量选自离子液体重量的0~20%,优选0.1~10%;
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,其特征在于步骤1)离子液体的用量选自甲基取代苯物质的量的1~10倍,优选1~5倍。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,其特征在于步骤1)离子液体选自质子酸性离子液体和路易斯酸离子液体的混合,混合催化剂中质子酸性离子液体的用量为路易斯酸离子液体质量的0.01~50%,优选0.1~30%。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,其特征在于质子酸性离子液体也即是布朗斯特酸性离子液体;优选咪唑、三级胺与质子酸形成的离子液体,其中质子酸优选盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、三氟乙酸、四氟硼酸、磺酸等提供质子;质子酸性离子液体优选1-甲基咪唑硫酸氢盐、1-甲基咪唑三氟乙酸盐、1-甲基咪唑四氟硼酸盐等。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,其特征在于路易斯酸性离子液体优选季铵盐阳离子型氯铝酸离子液体,即四烷基季铵类、咪唑类、吡啶类离子液体与三氯化铝混合物形成的离子液体。优选1-甲基咪唑氯铝酸离子液体、四乙基氯化铵-三氯化铝离子液体、氯化丁基吡啶-三氯化铝等。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,其特征在于步骤1)离子液体还可以独自选自三烷基铵-三氯化铝离子液体,优选三甲基氯化铵-三氯化铝离子液体、三乙基氯化铵-三氯化铝离子液体等。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,其特征在于甲基取代苯与一氧化碳在离子液体条件下反应,其反应条件可以在常压或加压的条件下进行,压力选自0.01~10MPa,优选0.1~8MPa,在一定程度上,增加反应压力可以缩短反应时间和原料转化率,但是当压力增大一定程度是反应时间和转化率变化不大,还有可能增加副反应的发生。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,其特征在于本发明所述的甲基取代苯指至少被一个甲基取代的苯,甲基取代的数可以是1、2、3、4、5。当取代甲基数为2时,可以是邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯;当取代基为3时,可以是均三甲苯、偏三甲苯等,当取代基为4时,可以是1,2,3,4-四甲基苯、1,2,4,5-四甲基苯、1,2,3,5-四甲基苯。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,所使用离子液体可以回收套用,关于离子液体的回收方法已经有很多文献公开,比如专利CN200510108024X、范杰平等,离子液体的合成、纯化及回收方法研究进展,南昌大学学报(工科版)[J],Vol.21,No.4,2009:334-338、刘欢等,离子液体回收的研究进展,纤维素科学与技术[J],Vol.21,No.2,2013:63-69、专利CN2010101019350等。本发明所使用的离子液体的回收方法可以参考现有技术。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,根据反应情况可以使用有机溶剂也可以不使用有机溶剂,也可以甲基取代苯本身为溶剂。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,使用离子液体作为催化剂可以大大缩短该类反应的反应时间,提高原料甲基取代苯的转化率,甲基取代苯甲醛收率高到;同时在反应过程中不会产生挥发性气体,更不会产生挥发性酸性气体,对反应设备的要求不高,三废少,环境压力小;催化剂可以回收套用,节约成本。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,还有一个特别明显的优点,制备得到的甲基取代苯甲醛,可以不进行精馏提纯制备外观好、收率高的光引发剂TPO、TPO-L。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法,用于制备光引发剂TPO、TPO-L,包括具体步骤:
1)将甲基取代苯和离子液体混合均匀,
2)加入助催化剂,
3)通入CO,进行反应;
4)反应结束后,通过加入二氯甲烷和其它溶剂将离子液体层和甲基取代苯甲醛层分开;
5)得到甲基取代苯甲醛,随后与二苯基氧化膦或苯基次膦酸乙酯反应进行制备;
6)最后氧化制备得到光引发剂TPO、TPO-L等含磷光引发剂;
其中助催化剂选自四氯化钛,助催化剂的用量选自取代苯物质的量的0~5%,优选0.1~3%。
本发明提供的甲基取代苯甲醛的制备方法优点为:
(a)反应收率高,选择性高,副反应少;
(b)反应速率快,缩短反应周期;
(c)反应温度易控制,不需要高温或低温;
(d)可以不必提纯甲基取代苯甲醛制备含磷光引发剂。
具体实施例:
为了更清楚地说明本发明,下文中采取非限定性实施例进一步说明。
实施例1:咪唑类离子液体的制备(路易斯酸性离子液体)
取65.6g1-甲基咪唑(0.8mol)与溴代正丁烷(0.88mol)在1000mL四口瓶中加热回流24h,然后趁热用40mL乙酸乙酯洗涤3次,用来除去未反应的1-甲基咪唑和过量的溴代正丁烷,然后真空脱出低沸杂质和少量乙酸乙酯,得到1-甲基-3-丁基咪唑溴离子液体(简称[MBIm]Br)。分别按照物质的量比(2-1):1将1-甲基-3-丁基咪唑溴(氯)离子液体和无水三氯化铝固体混合,缓慢将三氯化铝加入到1-甲基-3-丁基咪唑溴(氯)离子液体中,在室温下搅拌至体系成颜色均匀液体,比如制备得到简称为[MBIm]Br·2AlCl3、[MBIm]Br·1.5AlCl3、 [MBIm]Br·AlCl3离子液体等备用,用类似的方法制备溴化四乙基铵·1.5AlCl3、氯化四乙基铵·2AlCl3。
实施例2:质子酸离子液体的制备
在反应瓶中加入79mL1-甲基咪唑(1mol),在冰水浴条件下,剧烈搅拌下滴加155mL质量分数为50%的硫酸溶液,滴加速度控制在反应体系的温度在0-5℃范围内为宜。滴毕,在室温下反应,然后减压蒸馏除去水,真空干燥既得1-甲基咪唑硫酸氢盐离子液体。
实施例3:三烷基铵类离子液体的制备
在氮气保护下,将110.1g三乙胺的盐酸盐(0.8mol)置于200mL正庚烷中,边搅边将1.0-2.0倍物质的量的无水三氯化铝分批缓慢加入,升温至120℃,连续搅拌2-3h,冷却后分出下层棕色离子液体,干燥备用。季铵盐类的离子液体可以参考类似或现有技术公开的方法来制备,比如溴化氢三丁基铵·1.5AlCl3、盐酸三甲基铵·2AlCl3。
实施例4:2,4,6-三甲基苯甲醛的制备
将120.2g均三甲苯(1.0mol)加入到500mL的高压釜中,加入291.5g[MBIm]Br·2AlCl3(0.6mol)和10.0g 1-甲基咪唑硫酸氢盐离子液体,闭釜,控温20℃左右,开始通CO,设定釜内压力3-4Mpa。反应完全,加入200mL二氯甲烷和200mL乙酸乙酯,搅拌均匀,静置分层,上层为均三甲苯、2,4,6-三甲基苯甲醛、乙酸乙酯混合物,下层为离子液体催化剂相二氯甲烷混合物,分出下层回收套用;对上层进行水洗,然后蒸馏回收溶剂,精馏回收未反应的均三甲苯,最后得到2,4,6-三甲基苯甲醛88.9g,其含量为96.5%。
实施例5:2,4,6-三甲基苯甲醛的制备
将120.2g均三甲苯(1.0mol)加入到500mL的高压釜中,加入291.5g[MBIm]Br·2AlCl3(0.6mol)、10.0g 1-甲基咪唑硫酸氢盐离子液体和14.0g四氯化钛,闭釜,控温20℃左右,开始通CO,设定釜内压力3-4Mpa。反应完全,加入200mL二氯甲烷和200mL乙酸乙酯,搅拌均匀,静置分层,上层为均三甲苯、2,4,6-三甲基苯甲醛、乙酸乙酯混合物,下层为离子液体催化剂相二氯甲烷混合物,分出下层回收套用;对上层进行水洗,然后蒸馏回收溶剂,精馏回收未反应的均三甲苯,最后得到2,4,6-三甲基苯甲醛126.0g,其含量为96.1%。
实施例5:2,4,6-三甲基苯甲醛的制备
将120.2g均三甲苯(1.0mol)加入到500mL的高压釜中,加入381.4g溴化四乙基铵·1.5AlCl3(0.8mol)、13.0g 1-甲基咪唑硫酸氢盐离子液体和14.0g四氯化钛,闭釜,控温20℃左右,开始通CO,设定釜内压力3-4Mpa。反应完全,加入200mL二氯甲烷和200mL乙酸乙酯,搅拌均匀,静置分层,上层为均三甲苯、2,4,6-三甲基苯甲醛、乙酸乙酯混合物,下层为离子液体催化剂相二氯甲烷混合物,分出下层回收套用;对上层进行水洗,然后蒸馏回收溶剂,最后得到2,4,6-三甲基苯甲醛120.1g,其含量为96.0%。
实施例7:3,4 -三甲基苯甲醛的制备
将106.2g邻二甲苯(1.0mol)加入到500mL的高压釜中,加入291.5g[MBIm]Br·2AlCl3(0.6mol)、10g 1-甲基咪唑硫酸氢盐离子液体和14.0g四氯化钛,闭釜,控温20℃左右,开始通CO,设定釜内压力3-4Mpa。反应完全,加入200mL二氯甲烷和200mL乙酸乙酯,搅拌均匀,静置分层,上层为邻二甲苯、3,4-二甲基苯甲醛、乙酸乙酯混合物,下层为离子液体催化剂相二氯甲烷混合物,分出下层回收套用;对上层进行水洗,然后蒸馏回收溶剂,最后得到3,4-二甲基苯甲醛107.3g,其含量为96.4%。
实施例8:2,4,6-三甲基苯甲醛的制备
将120.2g均三甲苯(1.0mol)加入到500mL的高压釜中,加入373.0溴化氢三丁基·1.5AlCl3(0.8mol)和15.0g四氯化钛,闭釜,控温20℃左右,开始通CO,设定釜内压力3-4Mpa。反应完全,加入200mL二氯甲烷和200mL乙酸乙酯,搅拌均匀,静置分层,上层为均三甲苯、2,4,6-三甲基苯甲醛、乙酸乙酯混合物,下层为离子液体催化剂相二氯甲烷混合物,分出下层回收套用;对上层进行水洗,然后蒸馏回收溶剂,最后得到2,4,6-三甲基苯甲醛118.0g,其含量为95.9%。
实施例9:2,4,6-三甲基苯甲醛的制备
将120.2g均三甲苯(1.0mol)加入到500mL的高压釜中,加入218.4g盐酸三甲基铵·2AlCl3(0.6mol)和17.0g四氯化钛,闭釜,控温20℃左右,开始通CO,设定釜内压力3-4Mpa。反应完全,加入200mL二氯甲烷和200mL乙酸乙酯,搅拌均匀,静置分层,上层为均三甲苯、2,4,6-三甲基苯甲醛、乙酸乙酯混合物,下层为离子液体催化剂相二氯甲烷混合物,分出下层回收套用;对上层进行水洗,然后蒸馏回收溶剂,最后得到2,4,6-三甲基苯甲醛110.0g,其含量为96.0 %。
实施例10:2,4,6-三甲基苯甲醛的制备(对比例)
将120.2g均三甲苯(1.0mol)加入到500mL的高压釜中,加入291.5g[MBIm]Br·2AlCl3(0.6mol),闭釜,控温20℃左右,开始通CO,设定釜内压力3-4Mpa。反应完全,加入200mL二氯甲烷和200mL乙酸乙酯,搅拌均匀,静置分层,上层为均三甲苯、2,4,6-三甲基苯甲醛、乙酸乙酯混合物,下层为离子液体催化剂相二氯甲烷混合物,分出下层回收套用;对上层进行水洗,然后蒸馏回收溶剂,精馏回收未反应的均三甲苯,最后得到2,4,6-三甲基苯甲醛51.8.g,其含量为90.7%。
实施例11:光引发剂TPO的制备(参考CN2010101376216实施例2方法)
将440.0g氯苯、10.0g水与87.5g2,4,6-三甲基苯甲醛混合(实施例8制备),冷却至5℃,搅拌下缓慢加入115.0g二苯基氯化膦,升至室温,反应2小时。冷却至5℃,缓慢滴加20%NaOH水溶液调节pH至3,依次加入6.0g(NH4)2MoO4,1.0g四丁基溴化铵,缓慢滴加65.0g双氧水,在该温度下反应20小时。
所得溶液用饱和食盐水洗涤后,静置分层,有机相用10%的Na2SO3洗涤,再用20%NaOH水溶液调节反应液pH至8,静置分层,取有机相。低压脱溶,用异丙醚进行结晶,抽滤,干燥得162.0淡黄色粉末状固体产品2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦,含量为99%。
实施例12:光引发剂TPO-L的制备(参考CN201410236420X实施例1方法)
将268.5g氯苯、46.1g无水乙醇混合,冷却至0℃,搅拌下缓慢加入89.5g苯基二氯化膦,升至室温,液相色谱监测反应,2.5小时反应结束。冷却至5℃,缓慢加入三乙胺101g,搅拌1h后,滴加111.2g 2,4,6-三甲基苯甲醛(实施例9制备),升至室温,液相色谱监测反应,反应结束后。冷却至0℃,维持温度0℃左右,加入7.5gWO3,缓慢滴加113.4g 30%的双氧水,保温反应,液相色谱监测反应。
反应结束后,所得的反应液用饱和食盐水洗涤,静置分层,向有机相中加入10%的Na2SO3溶液,搅拌0.5h,再用稀盐酸调节pH至7左右,静置分层,取有机相。常压蒸馏回收溶剂,减压蒸馏,收集180℃/10Pa馏分,得140.9g浅黄色液体,即 2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基次膦酸乙酯,含量97.0%。
实施例13:离子液体催化剂的回收利用
实施例4下层分出的 [MBIm]Br·2AlCl3(理论291.5g,0.6mol)和1-甲基咪唑硫酸氢盐离子液体(理论10.0g)粗品溶液,再加入200ml乙酸乙酯搅拌0.5h,静置,分层,下层溶液再用铺有约0.5cm厚白土的漏斗过滤,滤液进行溶剂回收,既得[MBIm]Br·2AlCl3和1-甲基咪唑硫酸氢盐离子液体催化剂,根据反应情况和回收利用需要再分别补加5-20%三氯化铝(基于第一次用量)和1-甲基咪唑硫酸氢盐。其套用在反应中的情况如表一。
表一
Claims (3)
1.一种甲基取代苯甲醛的制备方法,包括具体步骤:
1)将甲基取代苯和离子液体混合均匀,
2)加入助催化剂,
3)通入 CO,进行反应;
其中助催化剂选自四氯化钛;助催化剂的用量选自离子液体重量的0.1~10%;
离子液体选自质子酸性离子液体和路易斯酸离子液体的混合;
所述质子酸性离子液体选自 1-甲基咪唑硫酸氢盐、 1-甲基咪唑三氟乙酸盐或 1-甲基咪唑四氟硼酸盐;
所述路易斯酸性离子液体选自四烷基季铵类、咪唑类、吡啶类离子液体与三氯化铝混合物形成的离子液体;
质子酸性离子液体的用量为路易斯酸离子液体质量的 0.01~50%。
2.根据权利要求 1 所述甲基取代苯甲醛的制备方法,其特征在于甲基取代苯与一氧化碳在离子液体条件下反应,其反应选自 0.01~10MPa。
3.根据权利要求 1 所述甲基取代苯甲醛的制备方法,其特征在于制备的甲基取代苯甲醛不必进行提纯制备光引发剂 TPO 和 TPO-L。
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