CN1185195C - 二烷基和三烷基取代苯甲醛的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过取代苯和一氧化碳及氯化铝在相对低压、低温及存在至多为催化剂剂量的酸(优选含水HCl)的情况下进行反应制备特定取代苯甲醛的方法。得到的取代苯甲醛可用作前体形成许多不同的化合物，例如染料、调味品、香料、成核剂、聚合物添加剂等。本发明为高产率地生产这种取代苯甲醛提供了一种成本低又安全的方法。
Description
本发明涉及一种通过取代苯和一氧化碳及氯化铝在相对低压、低温及存在至多为催化量的酸(如盐酸水溶液)的情况下进行反应制备特定取代苯甲醛的方法。得到的取代苯甲醛可用作前体形成许多不同的化合物，例如染料、调味品、香料、成核剂、聚合物添加剂等。本发明为高产率地生产这种取代苯甲醛提供了一种成本低又安全的方法。
下面所谈及的所有美国专利文献和其它的公开出版物在此全部引入作为参考。
生产取代苯甲醛的技术已经应用了一百多年。甲酰化取代苯的起初方法是1897年开发的Gattermann-Koch反应。这个反应要求等当量的氯化铝、一氧化碳和气态氯化氢结合在取代苯存在下进行反应，温度控制在25-50℃，压力保持在1000psig。所要的取代苯甲醛在这个反应中的产率是大约70％；然而，从安全性角度考虑，使用气态HCl及必须使用高的反应压力是极不希望的。另外，从生产这种取代苯甲醛的高成本考虑，70％的产率是不可接受的。
为了得到特定单烷基取代的苯甲醛，开发了Gattermann-Koch反应的改进方法，例如Blank等的US4,622,429；但是，这些改进并没有产生大量的二烷基或三烷基取代的化合物。实际上，在这些改进的Gattermann-Koch反应中，专利权人只关心单烷基取代苯的反应中二烷基或三烷基取代化合物的产率。当使用二或三取代化合物时，专利权人的方法没有教导也没有合理的暗示如何进行进一步改进以产生极高产率的相应的纯苯甲醛。另外，Blank等的生产单烷基取代的苯甲醛的方法中，其最终的高产率只达到77％。
在Renner的US4,195,040中公开了另外一种甲酰化烷基化苯的方法。这样的方法包括甲酰化二和三烷基苯；但是，此文献还要求存在并使用大量的盐酸和非原料溶剂(如卤代甲苯)。因为在工业化生产中最好避免使用HCl作为反应物，并且使用除甲酰化的那些苯之外的溶剂，这就需要进一步的蒸馏，这无形中加大了成本和危险步骤，所以这些方法是极不希望的。特别是，从安全和环境方面考虑，应避免在大规模的反应中使用卤化溶剂。
另一个更新的方法使用HF-BF3作为介质，用一氧化碳和取代苯体系反应以甲酰化这些化合物。这个方法生产二烷基取代苯甲醛有非常好的产率；但是，催化剂HF-BF3存在大量的安全隐患，这最终增加了产品的成本。
所以，现在需要开发一种合适的甲酰化二烷基或三烷基取代苯的反应，既有高产率，又不需要使用大量的潜在危险的HCl(或其它酸)及其它的催化剂(这样操作时相对安全)，又不需要存在除反应过程本身的原料之外的溶剂(即，使之是纯反应)，并且成本很低。到目前为止，现有技术中还没有记录这样一种改进的二和/或三烷基取代苯的甲酰化方法。
因此，本发明的目的是提供一种高产率生产二烷基或三烷基取代苯甲醛的方法。本发明的另一个目的是提供一种低成本的(以前不能高产率生产的)从安全方面考虑，特别是在大规模生产过程中不会产生潜在问题的生产这种苯甲醛的方法。本发明的再一个目的是提供一种很少或没有单烷基取代化合物同时生成的，因而从反应溶剂中蒸馏以分离出目的产物苯甲醛时不会有什么问题的生产二烷基和三烷基取代苯甲醛的方法。另外，本发明的一个目的是提供一种为了实现必要的甲酰化反应，即使有也仅仅需要非常少量HCl(含水的、无水的或气态的)的生产特定二和三烷基化苯甲醛的方法。
因此，本发明包括一种生产式(I)苯甲醛的方法
其中R1，R2和R3相同或不同，其表示氢和C1-C4的烷基；且其中
R1，R2和R3最多有一个是氢；
该方法是一个纯过程，它包括将式(II)的取代苯在压力为大约20-200psig的一氧化碳气氛下反应，
其中R1，R2和R3相同或不同，其表示氢和C1-C4的烷基；且其中
R1，R2和R3最多有一个是氢；
所述反应是在金属卤化物和选自HCl，HBr，HF，HI及其混合物的酸的存在下进行的；
其中所述的酸以催化量存在，每摩尔金属卤化物大约0.005到大约0.01摩尔的酸；和
其中反应温度是大约-20℃到大约25℃。
在本发明的方法中可以引入任何C1-C4的二烷基或三烷基取代苯。具体的化合物包括，仅仅作为例子的有邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、对二乙苯、邻二乙苯、间二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。这些苯化合物不包含卤素基团也不包括稠环体系如四氢化萘和/或茚满。
金属卤化物优选为氯化铝，尽管其它的卤化物如溴化铝、氯化铁(III)、氯化铜(II)、氯化锌、氯化锆、溴化锆等、及其任意的混合物也可使用。还可使用部分水合的金属卤化物，因为它们在反应器内分解时可产生盐酸，由此提供必须的酸组分(如AlCl3.XH2O，其中的X最大是1，优选为低于0.5，最优选为0.01-0.1)。这种分解确实可产生所需的少量，催化量的盐酸水溶液，这就不必往反应中加入具有潜在危险性的盐酸水溶液(尽管这种外部加入是可以的并且是一种优选的替代方法)。在过去Gattermann-Koch改进方法中，理论上认为金属卤化物与氯化氢及一氧化碳反应(所有都是等当量量)生成能亲电进攻芳香环系的甲酰基阳离子络合物。水洗后，除去金属卤化物，就剩下了甲酰化的苯衍生物。在本发明中使用的氯化氢即使有也很少，只是很小的催化量(每摩尔金属卤化物使用大约0.005到大约0.01摩尔)。金属卤化物的使用量优选为与二或三烷基取代苯相比是化学计量的摩尔比，其比为大约1∶2到大约1∶6，优选为大约1∶3到大约1∶5，最优选为大约1∶4。并非想具体依靠哪一种科学理论，我们相信这种很小的催化量的酸(例如选自HCl，HBr，HF，HI及其混合物的酸)与金属卤化物偶合能产生一定“驱动量”的甲酰基阳离子络合物。这种“驱动量”好象还能降低在以往的方法中使用标准量和非常大量的HCl(特别是气态的)时形成的副产物(作为简单的例子，如二聚或多聚产物)的比例。这样就可以确定这种催化量的HCl水溶液能产生必要的最终高产率地生成非常纯的目的产物二和/或三烷基苯甲醛的反应。
另外，令人惊奇地是，使用催化剂剂量的酸对于最终形成所需的取代苯甲醛非常关键。如上所述，已经假定为了与真正反应试剂的金属卤化物和一氧化碳反应形成亲电进攻的甲酰基阳离子络合物必须使用大化学计量的氯化氢(气态的)。现在发现气态HCl并不是制备所需苯甲醛所必需的(尽管在本发明的方法中气态仍然是可以的)。还出乎预料地发现只需要非常少的催化量(其定义如上)的盐酸水溶液(优选)就可形成为了高产率地得到所需的基本上纯的取代苯甲醛所要的甲酰基阳离子络合物(尽管也可使用气态的和无水形式的HCl)。从安全和方便的角度考虑，在本发明的方法中，优选使用盐酸水溶液。气态的HCl对健康有潜在的危险，因为现在控制这种气体态很困难。处理无水盐酸比液态盐酸困难得多。然而，可加入各种形式的盐酸，只是优选其水溶液。
如上所谈到的，值得注意的是这种优选的含水HCl组分可加入到整个反应中也可只是由水合形式的金属卤化物分解产生。只要满足与金属卤化物相比其量是催化量(摩尔量)的要求并小心处理这种有潜在腐蚀性的材料，可以使用任意摩尔浓度的盐酸，其摩尔浓度优选为大约0.01到大约12，更优选为大约10到12，最优选为大约10(浓缩的)。没有任何盐酸(含水的，无水的或气态的)存在时，取代苯甲醛的产率将降低；存在太多盐酸时，这种反应或者产生不同的苯甲醛的异构体、二聚物和/或多聚物(这样就降低了产率并不利地降低了最终反应产品的纯度)或者导致产生淤泥样固体的反应。使用含水HCl与金属卤化物(尤其是氯化铝)的另一个优点在于甲酰化反应完成后，剩下的氯化铝的pH值水平是相对中性的。这种中和的氯化铝产品在本发明的方法中不能再次使用，但是可以出售以作它用(如絮凝剂、防汗组分等)。这种化合物的重新循环和使用提供了一种对环境友好的工艺，这就减少了需要从生产现场除去的废物的量。
引入一氧化碳的压力是大约20到200psig，优选为大约50到大约110psig，最优选为大约90psig。在过去如Gattermann-Koch改进反应中最常使用较高的压力(即，200-600psig)，因为通常都相信并理解为压力越高，反应时间越短(从理论上说将减少最后的成本)。现在认识到化合物上存在的烷基受到反应高压时由于这种高压所造成的高反应条件将产生不同的异构体、二聚物等。令人惊奇地是，与公认的实践相反，本发明的高产率地生产纯二和三烷基取代苯甲醛的方法在反应中只要求相对较低的反应压力，在这个压力下引入一氧化碳反应试剂。另外，在大规模生产过程中，从安全角度(特别是使用象一氧化碳这样有潜在危害性的化合物)考虑，较低的压力是非常需要的并较为容易操作。在大规模生产过程中使用的易于得到的标准反应器至多能够承受100psig的压力。在本发明的优选实施方案的方法中使用低压，通过使用这种可以得到的标准反应器可以降低成本。所以，本发明的方法是低成本的，这会将低成本转移到目标产物取代苯甲醛的最终用户身上。
已经发现，以催化量使用HCl(优选为盐酸水溶液)，最优化反应温度是大约0℃时，目的产物取代苯甲醛化合物的产率最高(目的产物取代苯甲醛的产率为～95％)。可以使用的温度是大约-10℃到大约25℃，优选为大约-5℃到大约5℃，且最优选为大约0℃。当HCl水溶液不是人为加入时(是由于水合金属卤化物的分解而产生的)，令人惊奇地是，为了优化产率(大约70％)，温度必须升高到大约25℃。由于认为是温度越高，反应时间越短，这样可能有更高的产率，所以必须使用很低的反应温度控制系统是非常令人惊奇，特别是因为其产率达到了Gattermann-Koch改进方法所没有预料到的水平。另外，从安全和成本的角度考虑，使用这样低的温度是有好处的。大家都知道，氯化物反应活性(由此而来的腐蚀性)的增加与温度有关，例如，反应温度是大约0℃时，其不会以温度是50℃或更高时同样的速度腐蚀反应容器(事实上，从理论上来说，这样较高的温度将导致氯化物的活性比上面列举的轻低温度下的活性高32倍)。因此，使用低温能使反应容器的生产寿命延长并改善了对这样材料的处理。
本发明方法的另外一个优点在于不必加入除原料之外的任何溶剂。这样，邻二甲苯(仅仅作为一个例子)反应时，存在的溶剂只有二甲苯自身的异构体。不需要有潜在危险性的卤化溶剂或其它有机液体来完成这种反应。结果，一般来说，最终产品是基本上纯的含有同一化合物的液体。不再需要进行花费时间和费用的蒸馏步骤以纯化由优选的本发明的方法所生产的最终化合物。这里所用的术语“纯过程”其含义和定义即在于此。因此，在纯过程中所用的溶剂只是那些在本发明的方法中自身是原料的溶剂。
本发明方法中特别优选的实施例概括如下。
实施例1
204.90g的氯化铝(分子量133.34；1537mmol)和大约817.08g的邻二甲苯(分子量106.17；7696mmol)置于2升商标为Paar的不锈钢反应容器内。往这种混合物中加入5滴浓HCl。密封容器，用一氧化碳吹洗三次，每一次吹洗使容器的压力增加到90psi。第三次吹洗后，将容器排气，最后引入CO使压力再次达到大约90psi，在时间大约14个小时的整个反应中，使反应保持这个压力(在整个过程中同样使反应温度保持在-3℃)。一旦反应完成，将得到的混合物倒进大约500mL的冰水中以产生大约900mL的两相混合物。用分液漏斗分出上面的有机层，水洗三次并用硫酸镁干燥。然后用活性炭将残余的有机相脱色，随后进行真空蒸馏以除去过量的邻二甲苯，从而最后纯化目的产物苯甲醛。最后回收的产品含有基本上纯的3，4-二甲基苯甲醛(196.66g；1466mmol)。以起始氯化铝材料计算得出最终产率大约是95.4％(1466mmol/1537mmol＝95.4％)。
实施例2
200g的氯化铝(分子量133.34；1500mmol)和大约730g的1，2，3-三甲基苯(分子量120.2；6073mmol)置于2升商标为Paar的不锈钢反应容器内。密封容器，用氮气在50psi的压力下吹洗二次，接着用一氧化碳在100psi的压力下吹洗一次。最后一次吹洗后，将容器排气，最后引入CO使压力再次达到大约100psi，在时间大约14个小时的整个反应中，使反应保持这个压力(在整个过程中同样使反应温度保持在-3℃)。一旦反应完成，将得到的混合物倒进大约500mL的冰水中以产生大约900mL的两相混合物。用分液漏斗分出上面的有机层，水洗三次并用硫酸镁干燥。然后用活性炭将残余的有机相脱色，随后进行真空蒸馏以除去过量的1，2，3-三甲苯，从而最后纯化目的产物苯甲醛。最后回收的产品2，3，4-三甲基苯甲醛的量是大约222.0g(大约1124mmol)，其产率大约是74.9％。
实施例3
101.1g的氯化铝(758mmol)和大约268.8g的邻二甲苯(2530mmol)置于2升商标为Paar的不锈钢反应容器内。密封容器，用一氧化碳吹洗三次，每一次吹洗使容器的压力增加到90psi。第三次吹洗后，将容器排气，最后引入CO使压力再次达到大约90psi，在时间大约1.5个小时的整个反应中，使反应保持这个压力(在整个过程中同样使反应温度保持在15℃)。一旦反应完成，用氮气在50psi的压力下吹洗反应容器(和得到的混合物)二次，然后将回收的产品混合物倒进大约500mL的冰水中以产生大约900mL的两相混合物。用分液漏斗分出上面的有机层，水洗三次并用碳酸钠过滤。然后从碳酸钠中蒸馏余下的有机相，结果得到大约99％纯的3，4-二甲基苯甲醛(通过气相色谱分析)。产量是大约80.0g(596.6mmol)。以起始氯化铝材料计算得出产率大约是78.7％。
实施例4(对比例)
105.4g的氯化铝和大约390g的氯甲苯置于2升商标为Paar的反应容器内。密封容器，用一氧化碳吹洗三次，每一次吹洗使容器的压力增加到90psi。第三次吹洗后，将容器排气，最后引入CO使压力再次达到大约90psi，在持续时间大约3天的整个反应中，使反应保持这个压力(在整个过程中同样使反应温度保持在25℃)。一旦反应完成，用氮气在50psi的压力下吹洗反应容器(和得到的混合物)二次。然后将回收的产品混合物倒进大约500mL的冰水中以产生大约900mL的单相均一混合物。然后用核磁共振(NMR)检测这种混合物发现其仅仅是由起始材料的氯甲苯组成，由此意味着没有进行以任何催化剂进行的制备苯甲醛的反应。
已经对本发明进行了详细的描述，对于本领域技术人员来说在不偏离本发明保护范围的情况下进行变化和改进是显而易见的。因此，本发明的保护范围应当仅有所附的权利要求书确定。
Claims (18)
1.一种生产式(I)苯甲醛的方法
其中R1，R2和R3相同或不同，其表示氢或C1-C4的烷基；且其中
R1，R2和R3最多有一个是氢；
该方法是一个纯过程，它包括将式(II)的取代苯在压力为20-200psig的一氧化碳气氛下反应，
其中R1，R2和R3相同或不同，其表示氢或C1-C4的烷基；且其中
R1，R2和R3最多有一个是氢；
反应是在金属卤化物和选自HCl，HBr，HF，HI和其混合物的酸的存在下进行的；
其中所述的酸以催化量存在，每摩尔金属卤化物0.005到0.01摩尔的酸；
和
其中反应温度是-20℃到25℃。
2.权利要求1的方法，其中所说的酸是盐酸。
3.权利要求1的方法，其中所说的金属卤化物选自于氯化铝、溴化铝、氯化锆及其任意的混合物。
4.权利要求2的方法，其中所说的金属卤化物选自于氯化铝、溴化铝、氯化锆及其任意的混合物。
5.权利要求2的方法，其中所说的盐酸是水溶液形式。
6.权利要求2的方法，其中所说的盐酸在反应中产生。
7.权利要求2的方法，其中所说的温度是-5℃到5℃且向反应中加入所说的盐酸。
8.权利要求5的方法，其中所说的温度是-5℃到5℃且向反应中加入所说的盐酸。
9.权利要求6的方法，其中所说的金属卤化物是氯化铝。
10.权利要求7的方法，其中所说的温度是0℃且所说的金属卤化物是氯化铝。
11.权利要求8的方法，其中所说的温度是0℃且所说的金属卤化物是氯化铝。
12.权利要求1的方法，所说的式(II)的取代苯选自于邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、对二乙苯、邻二乙苯、间二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
13.权利要求2的方法，其中所说的式(II)的取代苯选自于邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、对二乙苯、邻二乙苯、间二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
14.权利要求5的方法，其中所说的式(II)的取代苯选自于邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、对二乙苯、邻二乙苯、间二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
15.权利要求6的方法，其中所说的式(II)的取代苯选自于邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、对二乙苯、邻二乙苯、间二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
16.权利要求9的方法，其中所说的式(II)的取代苯选自于邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、对二乙苯、邻二乙苯、间二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
17.权利要求10的方法，其中所说的式(II)的取代苯选自于邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、对二乙苯、邻二乙苯、间二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
18.权利要求11的方法，其中所说的式(II)的取代苯选自于邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、对二乙苯、邻二乙苯、间二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
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