CN1196669C - 氧化相应的硝基甲苯、硝基苯甲醇、酯及/或醚生产取代硝基苯甲酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在高温及高压下在硝酸存在下，通过对专用硝基甲苯类、硝基苯甲醇类、其酯类及/或醚类的氧化，生产硝基苯甲酸类的产品。可以通过特别安全及经济的方法，将专用硝基甲苯类、硝基苯甲醇类、其酯及/或醚类加至硝酸中，对其进进行氧化，以形成高收率的苯甲酸衍生物。

Description

氧化相应的硝基甲苯、硝基苯甲醇、酯 及/或醚生产取代硝基苯甲酸的方法
本发明涉及一种用硝酸氧化相应的硝基甲苯类、硝基苯甲醇类、其酯类及/或其醚类以专门制备取代硝基苯甲酸类的方法。
取代硝基苯甲酸类是医药和农用化学品活性成分中的重要中间体。
具有附加的吸电子的尤其含氧的取代基的硝基甲苯类是一类在其自热分解时会导致释放相当大量的能量的化合物。由于同时要求高的反应温度，从安全观点看，对这种化合物的氧化难以实现。在工业规模实施时，它要求严格控制，而且还必须采取特殊安全措施，以使危险减至最小。
商业上，对缺电子的硝基甲苯类，是在连续操作的停留时间管中用硝酸进行氧化的，如Chamiker-Zeitung(化学家报)104(1980)，p349-351中所述。硝酸和甲苯的混合物经预热并在高压下经由直立反应管泵送的。据指出，这里总是存在爆炸的危险，为此原因，常常在反应器与控制室之间构造一堵防护墙，且只可采用由控制室以遥控方法来完成这个反应。
这种连续方法的又一缺点是，开车和停运都可导致物料不合格，尤其对于吨位较低的产物，这是成问题的。
GB-A-705195描述了在120-300℃高压釜中，用硝酸有时还借助于氧、亚硝气、金属硝酸盐或金属亚硝酸盐来氧化甲苯磺酸及硝基甲苯磺酸的过程。将这些组分一起加入，并加热该压力反应器直至开始强烈放热反应为止。并描述了该反应可连续及半连续操作。对于半连续方法，氧化剂是按计量加入(硝基)甲苯磺酸中的。
DE-A-19749723描述了4-硝基2-磺酸基苯甲酸的制备，它是采用在120-170℃及压力达12巴下氧化4-硝基-2-磺酸基甲苯，这时先装入溶于水的甲苯，并计量加入硝酸。明确论及了对这个反应的安全技术状况。对于工业的制备，这种方法能达到75-85％的产率，是不能令人满意的。
因此，本发明的目的在于提供一种氧化方法，通过这种氧化方法可获得取代的硝基苯甲酸类的产品而不危及安全，甚至对于小吨位也可有高的再现产率。
令人惊奇地是，已经发现，这个目的可通过一种半连续操作法达到，首先装入氧化剂，然后在高温及高压下计量加入以硝基甲苯、硝基苯甲醇、其酯及/或醚型的反应物。
因此，本发明提供了一种由化学通式(II)的化合物，制取化学通式为(I)的硝基苯甲酸类的方法，化学通式(I)的化合物：
Figure C0180789300061
其中：
X各单独是硝基、氰基、磺酸基、羧基、羰基苯基、三氟甲基或三氯甲基，
Y各单独是苯基、氟、氯、溴或碘，而该苯基也可被最多3个非氢的X及/或Y基团所取代，
m值为0、1、2或3，及
n值为0、1、2或3，和
m与n之和为0、1、2、3或4，
化学通式(II)的化合物：
其中
X、Y、m、n以及n与m之和均各同于以上对化学通式(I)中的定义，而
R是H或OR′基，及
R′是H、直链或分支链的C1-C10烷基、或直链或分支链的C1-C10羰烷基或R′是一种化学通式(I11)的基：
或一种化学通式(IV)的基：
Figure C0180789300072
其中，X、Y、n、m、以及n与m之和均各同于以上对化学通式(I)中的定义，
其特征在于在压力2-20巴及温度100-220℃范围下加热硝酸及水的混合物，并计量加入化学通式(II)的化合物至硝酸与水的该加热混合物中，
不过化学通式(II)的化合物未包括化学通式(V)的2-卤素-6-硝基苯甲醇、其醚和酯
其中
R′同化学通式(II)定义、
R1、R2及R3各单独是H、氟、氯、溴、硝基或羧基和
Hal是氟、氯或溴。
按照本发明的方法的一个决定因素是反应物和硝酸的混合是以这样一种方式进行，即先将硝酸加到有水的混合物中并加热，然后计量加入待氧化的反应物。借此反应物分解温度常常接近于发生目的反应放热的范围，因此，使反应物在反应混合物中的稳态浓度维持在特别低的范围。只要反应物一进入硝酸反应混合物中，反应物迅速与硝酸反应，形成惰性的产物。按照本发明方法，反应混合物中反应物的最大浓度是7重量％，优选6重量％和特别是5重量％。以这样的方式，氧化危险的可能性被降低得十分明显。
在化学通式(I)和(II)中，X各单独和优选为磺酸基或硝基，Y各单独和优选为氟或氯。指数n值优选为0，1或2，指数m值同样优选为0，1或2，n与m之和优选为1或2。优选地是，氢原子或氟原子，优选氢原子存在于被氧化的基团-CH2R的一个邻位上。
优先选择的是，把按照本发明的方法应用于明显易自热分解的化学通式为(II)的那些化合物上。特别优先选择的是，利用硝基甲苯类和尤其硝基甲苯磺酸类作为反应物。非常特别优先选择的是，将4-硝基甲苯-2-磺酸氧化为4-硝基-2-磺酸基苯甲酸。
按照本发明的方法是在压力2-20巴，优选4-15巴，更优选6-12巴，特别是在10-12巴下完成的。由于反应过程释放出氮氧化物，所以经保压阀控制压力并使氮氧化物选出达到所需程度是适宜的。
实现按照本发明方法的温度在100-220℃范围，优选120-200℃，更优选在140-180℃范围。
该反应是用一种10-90％，优选20-65％的硝酸为初始进料完成的。
化学通式(II)的化合物对硝酸的摩尔比在(2-20)∶1范围，优选(3-10)∶1，更优选在(4-8)∶1的范围。
按照本发明方法，通常完成方式为，初期将硝酸加入压力反应器中，然后予以加热。然后，在1-48小时，优选2-24小时，更优选4-12小时内，计量加入该反应物溶液或熔化物。完成计量加入后，在该反应温度下任选继续一段反应时间，使转化完全。继续反应时间通常在1-15小时，优选在3-8小时的范围。
氧化结束和还可继续搅拌一段时间后，可冷却该反应混合物，减压反应容器，并利用例如氮气吹出残留氮氧化物。
例如，可通过添加一种含水的，优选饱和的氯化钾水溶液，并滤出沉淀的硝基磺酸基苯甲酸钾盐一水合物的方法来分离按照本发明制备的化学通式(I)的硝基磺酸基苯甲酸。对其干燥后，一般即获得产物，其纯度95重量％以上(采用高压液体色谱法(HPLC)确定)。
沉淀该钾盐，也可通过添加氢氧化钾水溶液，例如浓度30-50重量％的水溶液，直至pH处于例如0.5-2.5范围的方法。然后，大部分硝基磺酸基苯甲酸钾盐沉淀出来。如有必要，可添加氯化钾水溶液，优选添加饱和氯化钾水溶液，使沉淀过程完全。
其它有关分离由氧化法获得的化学通式(II)的苯甲酸衍生物的方法，一般是本领域技术人员已知的。
在按照本发明方法的一个具体实施方案中，初期装入10-90％，优选20-50％的所用硝酸，并予以加热，然后对该反应器同时分别计量加入反应物和其余的硝酸。
此外，对初期装入的硝酸中添加一些释放或合NOx的物质例如碱金属亚硝酸盐或碱土金属亚硝酸盐、亚硝酸或红褐色硝酸也可能是有利的。这样会降低所需的反应温度，并由此使危险的可能性进一步降低。
可将化学通式(II)的反应物，以熔化物或溶于溶剂中的形式计量加到硝酸反应混合物中。适用的溶剂包括难氧化的或不可氧化的并在给定反应条件下对硝酸是惰性的液体，优选为水、硝基苯、1、2，4-三氯苯或二氯甲烷。低沸点溶剂如二氯甲烷和NOx物流一起离开反应器的。
按照本发明方法，优先选择的是，将化学通式(II)的化合物，尤其硝基磺酸基甲苯类，以20-70％，优选30-55％的水溶液计量加入到硝酸中。
按照本发明方法对化学通式(II)的硝基化合物进行氧化的反应混合物的DTA(差热分析)研究并没得出存在任何潜在危险的依据；在本发明的反应混合物情况下，在温度260-370℃范围，放热反应是微小的。就安全而论，这是一个明显优点，优越于最新反向操作的已有技术的方法，即初期例如装入4-硝基甲苯磺酸，并随后计量加入硝酸的方法。这种反应混合物的DTA研究表明，第一放热分解反应仅在175℃就开始了，而且在250℃以上，进一步分解达到十分剧烈的程度。
实施例
实施例1(对照)
在1升钽高压釜中，其上装有搅拌器、回流冷凝器和设定至5巴的保压阀，将108.6克含水的4-硝基甲苯-2-磺酸(0.39摩尔)悬浮于120克水中，并将其加热至140℃。这时压力升高至约3.6巴。一旦达到这个温度，于5小时内将180克的70重量％硝酸泵送至高压釜中。由于NOx出现，压力上升至预定值5巴，而当超过此压力时，所生成的氮氧化物就被放出。硝酸计量加入结束后，继续在140℃下搅拌12小时。在继续搅拌期间的最后几个小时，压力再一次下降至5巴以下，然后尾气物流停止。在高压釜被冷却至室温后，对其减压，并利用氮气清洗除去残留的氮氧化物。将高压釜内的物料转移至装有搅拌器的烧瓶中，并加入150克冷饱和的KCl水溶液。4-硝基-2磺酸基苯甲酸以钾盐形式沉淀出来，并将其滤出，用冷水洗涤，然后在干燥箱中对其进行干燥。
分离出4-硝基-2磺酸基苯甲酸钾盐一水合物96克，其纯度97％(高压液体色谱法)，相当于收率78.5％，按所用4-硝基甲苯-2-磺酸计。
表1列出了反应混合物中反应物浓度与反应时间的关系。
实施例2(对照)
在实施例1所述设备中，将108.6克含水的4-硝基甲苯-2-磺酸(0.39摩尔)悬浮于120克的水中，并对其加热至160℃。压力升高至约6.1巴。一旦达到这个温度，于4小时内将180克的70重量％硝酸泵送至高压釜中。由于NOx出现，压力上升至预定值9巴，当超过此压力时，所形成的氮氧化物被放出。计量加入硝酸结束后，继续在160℃下搅拌1小时。在继续搅拌期间的最后几个小时，压力再次下降至9巴以下，然后尾气物流停止。
以类似于实施例1的方法进行处理，分离出4-硝基2-磺酸基苯甲酸钾盐的一水合物92.4克，其纯度97％(高压液体色谱法)，相当于收率75.6％，按所用4-硝基甲苯-2-磺酸计。
表1列出了反应混合物中反应物浓度与反应时间的关系。
实施例3
在搪瓷钢高压釜中，加热581.5克的65％硝酸至160℃，然后在10小时左右的时间内，计量加入684.8克的31.7％的4-硝基甲苯-2-磺酸溶液。维持其内部压力12巴。然后在此温度下继续搅拌6小时。用150克水将这批物料转移至一个容器中，并在60℃下2小时左右的时间内，对其滴加389.5克的50％的氢氧化钾溶液。再搅拌2小时后，过滤这批物料。然后用150克冰水按每次一半的量洗涤该沉淀物两次。在50-80℃及50-100毫巴压力下，干燥该产物，获得273.8克产物，其中99.1％是4-硝基2-磺酸基苯甲酸的单钾盐，0.3％是反应物，水及硝酸钾物料的总量大约0.6％。因此其理论收率为94％，按所用4-硝基甲苯-2-磺酸计。
表1列出了反应混合物中反应物浓度与反应时间的关系。
实施例4
在搪瓷钢高压釜中，加热581.5克65％的硝酸至140℃。然后在10小时左右时间内，计量加入684.8克31.7％的4-硝基甲苯-2-磺酸溶液。维持其内部压力12巴。然后在此温度下继续搅拌6小时。
按实施例3所述方法，对反应混合物进行处理。获得产物，其4-硝基甲苯-2-磺酸钾盐残余含量2％。4-硝基2-磺酸基苯甲酸单钾盐的理论收率约91％，按所用4-硝基甲苯-2-磺酸计。
表1列出了反应混合物中反应物浓度与反应时间的关系。其温度比实施例3中略低，导致反应物稳态浓度在5重量％以下。在反应之前(实施例5)，添加0.01摩尔的亚硝酸钠至硝酸中，这个值可能降低。
实施例5
混合581.5克的65％硝酸与690毫克(0.01摩尔)的亚硝酸钠，并在搪瓷钢高压釜中对其加热至140℃。然后在10小时左右的时间内，计量加入684.8克31.7％的4-硝基甲苯-2-磺酸溶液。维持其内部压力12巴。然后在此温度下继续搅拌6小时。
按实施例3所述方法，对反应混合物进行处理，获得产物，其4-硝基甲苯-2-磺酸钾盐的残余含量为0.9％。4-硝基2-磺酸基苯甲酸单钾盐的理论收率约93％，按所用4-硝基甲苯-2-磺酸计。
表1列出了反应混合物中反应物浓度与反应时间的关系。在反应过程中反应物的稳态浓度任何时候都没超过3％。
表1：反应混合物中反应物浓度与反应时间的关系。
实施例 时间[时] 溶液中反应物含量[重量％]
1(对照) 02,5517 371350,7
2(对照) 0245 371130,8
3 3,36,71014 0,481,312,110,14
4 24681016 4,653,6933,53,60,64
5 24681016 2,622,062,382,552,830,22

Claims (11)

1、一种由化学通式(II)的化合物制取化学通式为(I)的硝基苯甲酸类的方法，其化学通式(I)的化合物：
Figure C018078930002C1
其中：
X各单独是硝基、氰基、磺酸基、羧基、羰基苯基、三氟甲基或三氯甲基，
Y各单独是苯基、氟、氯、溴或碘，而该苯基也可被最多3个非氢的X及/或Y基团所取代，
m值为0、1、2或3，及
n值为0、1、2或3，和
m与n之和为0、1、2、3或4；
化学通式(II)的化合物：
Figure C018078930002C2
其中：
X、Y、m、n以及n与m之和，均各同于以上对化学通式(I)中的定义，和
R  是H或OR′基，及
R′是H、直链或分支链的C1-C10烷基、或直链或分支链的C1-C10羰烷基、或R′是一种化学通式(I11)的基：
或一种化学通式(IV)的基：
其中，X、Y、n、m、以及n与m之和均各同于以上对化学通式(I)中的定义，
其特征在于在压力2-20巴及温度100-220℃范围下，加热硝酸及水的混合物，并计量加入化学通式(II)的化合物至硝酸与水的该加热混合物中，
不过化学通式(II)的化合物未包括化学通式(V)的2-卤素-6-硝基苯甲醇、其醚和酯
其中
R′同化学通式(II)定义、
R1、R2及R3各单独是H、氟、氯、溴、硝基或羧基和
Hal是氟、氯或溴。
2、按照权利要求1的方法，其特征在于在反应混合物中化学通式(II)化合物的最大浓度为7重量％。
3、按照权利要求1或2的方法，其特征在于在化学通式(I)和(II)中，X各单独为磺酸基或硝基，Y各单独为氟或氯。
4、按照权利要求1-3之任一项的方法，其特征在于n值为0，1或2，m值为0，1或2，n和m之和值为1或2。
5、按照权利要求1-4之任一项的方法，其特征在于氢原子或氟原子位于被氧化的基团CH2R一个的邻位上。
6、按照权利要求1-5之任一项的方法，其特征在于所用化学通式(II)的化合物是硝基甲苯磺酸。
7、按照权利要求1-6之任一项的方法，其特征在于该方法是在压力4-15巴和温度120-200℃下完成的。
8、按照权利要求1-7之任一项的方法，其特征在于初期装入10-90％的硝酸。
9、按照权利要求1-8中之任一项的方法，其特征在于化学通式(II)的化合物对硝酸的摩尔比在(2-20)∶1的范围。
10、按照权利要求1-9之任一项的方法，其特征在于初期装入10-90％的所用硝酸，并对其加热，然后同时分别地对该反应器计量加入化学通式(II)的化合物和其余的硝酸。
11、按照权利要求1-9之任一项的方法，其特征在于在硝酸中加入一些可释放或含NOx的物质。
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