CN1229319C - 制备4-羟基苯甲醛及其衍生物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制备4-羟基苯甲醛及其衍生物的方法。更具体地说,本发明涉及3-甲氧基-4-羟基苯甲醛和3-乙氧基-4-羟基苯甲醛,即香草醛和乙基香草醛的制备。制备4-羟基苯甲醛及其衍生物的方法的特征在于:该方法包括将至少包括下列组分的混合物中的酚类化合物中相对于羟基2位上的基团选择性地氧化为羧基:一种4位和2位上带有甲酰基和/或羟甲基的酚类化合物(A);一种4位上带有甲酰基或羟甲基的酚类化合物(B);一种2位上带有甲酰基或羟甲基的酚类化合物(C);得到含有3-羧基-4-羟基苯甲醛、4-羟基苯甲醛和2-羟基苯甲酸的混合物,然后进行脱羧处理制得4-羟基苯甲醛和视具体情况而定可以回收的酚。
Description
本发明涉及一种制备4-羟基苯甲醛及其衍生物的方法。
本发明更具体地涉及3-甲氧基-4-羟基苯甲醛和3-乙氧基-4-羟基苯甲醛,即香草醛和乙基香草醛的制备。
法国专利申请95/06186公开了一种制备4-羟基苯甲醛,更具体地是香草醛和乙基香草醛的方法。
这种公开的方法包括制备3-羧基-4-羟基苯甲醛,然后将所说的化合物进行脱羧处理制成4-羟基苯甲醛。
按照法国专利FR95/06186,由尤其是具有下述分子式(IIa),(IIb),(IIc)和(IId)的化合物及其混合物制备3-羧基-4-羟基苯甲醛:
其中
M代表氢原子和/或Ia或IIa族的金属阳离子或铵阳离子,
Z1,Z2和Z3可以相同也可以不同,代表氢原子、烷基、链烯基、烷氧基、羟烷基、烷氧烷基、环烷基、芳基、羟基、硝基、卤原子或三氟乙基。
在这篇专利方法中,原料是芳环的邻位和对位上有两个官能团的双官能团酚类化合物,这两个官能团可以是基团-CHO和/或-CH2OH。
首先,处于邻位的基团选择性地氧化为羧基;处于对位的基团最多被氧化为甲酰基。因此,在脱掉邻位的羧基后就得到了4-羟基苯甲醛。
因此,按照一种选择性的但由于其反应原料便宜因而在工业上也有很强的竞争力的方法可以有利的得到香草醛和乙基香草醛。
但是,由于要得到高产率的双官能团酚类化合物就伴随有副产物即二芳基甲烷形成,因此上述方法难于得到大于70%的反应产率(以起始酚为基准计的产率)。
在研究过程中,申请人发现在法国专利申请96/12479中,可以由单取代的酚类化合物混合物制备4-羟基苯甲醛,在该酚类化合物的混合物中,化合物(A)在2位上有一个甲酰基或羟甲基,另一种化合物(B)在4位上有一个甲酰基或羟甲基,化合物(A)2位上甲酰基或羟甲基选择性地氧化为羧基,以及可能地将化合物(B)4位上的羟甲基视具体情况而定氧化为甲酰基,因而就得到了2-羟基苯甲酸和4-羟基苯甲醛的混合物,从该混合物中分离后者。
更具体地说,使用的酚类化合物混合物具有下述通式(II):
其中,在分子式(IIA)和(IIB)中:
●可以相同也可不同的Y1和Y2代表下列基团之一:
●-CHO
●-CH2OH,
●可相同也可不同的Z1,Z2和Z3代表氢原子、烷基、链烯基、烷氧基、羟烷基、烷氧基烷基、环烷基、芳基、羟基、硝基、卤原子或三氟甲基。
上述方法的缺点是,为了通过酚的羟甲基化作用得到具有分子式(IIA)和(IIB)的化合物,必须使用低转化率的起始酚,这样就导致了低的产率。
因此,为了得到能最大限度地减少副产物以及产生高的设备生产率的经济上非常令人感兴趣的方法,必须改善现有方法。
我们业已发现并且也构成本发明的一个方面的制备4-羟基苯甲醛及其衍生物的方法,其特征在于包括将至少包含下列组分的混合物中的酚类化合物中相对于羟基2位上的基团选择性地氧化为羧基:
●一种4位和2位上带有甲酰基和/或羟甲基的酚类化合物(A);
●一种4位上带有甲酰基或羟甲基的酚类化合物(B);
●一种2位上带有甲酰基或羟甲基的酚类化合物(C);
得到含有3-羧基-4-羟基苯甲醛、4-羟基苯甲醛和2-羟基苯甲酸的混合物,然后进行脱羧处理制得4-羟基苯甲醛和视具体情况而定回收的酚。
另一方面,本发明涉及要求保护的酚类化合物起始混合物和氧化后得到的混合物。
最后,制备这些混合物的方法构成了本发明的另一方面。
本发明方法中,我们发现由上述定义的起始化合物的混合物开始,由于形成羧基的氧化过程优选发生在邻位上取代的羟甲基或甲酰基,所以可能同时进行(A)的分子内氧化和(B+C)的分子间氧化。
因此本发明方法包括将3-羧基-4-羟基苯甲醛经过氧化步骤和脱羧步骤制成4-羟基苯甲醛和2-羟基苯甲酸,这样就制成了可以回收的起始酚类化合物;然后可以常规地回收4-羟基苯甲醛。
用于本发明方法的起始物质是下述酚类化合物的混合物:2位和4位上带有甲酰基和/或羟甲基的化合物(A),4位上带有甲酰基或羟甲基的第二种化合物(B)和2位上带有甲酰基或羟甲基的最后一种化合物(C)。
术语“酚类化合物”表示芳环上有一个羟基的任何芳香化合物。
在本发明下列描述中,术语“芳香”表示文献中定义的常规的芳香性概念,尤其是Jerry MARCH所著的“高等有机化学”,第四版,John Wiley and Sons,1992,第40页及后续内容。
因此,使用更具体地对应下列分子式的酚类化合物的混合物(II):式(IIA)到(IIC)中:
●可以相同也可不同的Y1和Y2代表下列基团之一:
●-CHO
●-CH2OH,
●可相同也可不同的Z1,Z2和Z3代表氢原子、烷基、链烯基、烷氧基、羟烷基、烷氧基烷基、环烷基、芳基、羟基、硝基、卤原子或三氟甲基。
特别适用于本发明方法的化合物具有(IIA)到(IIC)的分子式,其中Z1,Z2和Z3可以相同也可不同,代表下列基团之一:
●氢原子,
●含有1-12个碳原子,优选1-4个碳原子的直链或支链烷基,例如甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基或叔丁基,
●含有2-12个碳原子,优选2-4个碳原子的直链或支链链烯基,例如乙烯基或烯丙基,
●含有1-12个碳原子,优选1-4个碳原子的直链或支链烷氧基,例如甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、丁氧基、异丁氧基、仲丁氧基或叔丁氧基,
●苯基,
●卤原子,优选F、Cl或Br原子。
如果不干扰本发明方法的反应,本发明并不排除在芳环上存在不同性质的取代基。
本发明优选应用式(IIA)到(IIC)的化合物,其中Z1代表氢原子或含有1-6个碳原子,优选1-4个碳原子的直链或支链烷基或烷氧基;Z2和Z3代表氢原子;Y1和Y2相同并代表甲酰基或羟甲基。
适用于本发明方法的酚类化合物混合物优选实例是,
●邻-羟甲基愈创木酚、对-羟甲基愈创木酚和4,6-二羟甲基愈创木酚,
●邻-甲酰基愈创木酚、对-甲酰基愈创木酚和4,6-二甲酰基愈创木酚,
●邻-羟甲基guetol、对-羟甲基guetol和4,6-二羟甲基guetol,
●邻-甲酰基guetol、对-甲酰基guetol和4,6-二甲酰基guetol。
按照本发明方法,优先对应于分子式(II)的酚类化合物的混合物被用作起始物。
混合物中每种酚类化合物的比例取决于其制备方式。
优选的混合物包括:
●30%-70%重量,更优选50%-70%酚类化合物(A);
●30%-70%重量,更优选50%-70%酚类化合物混合物(B+C);
作为说明,混合物中大约含有等摩尔量的异构体B和C。
为了便于理解本发明,下面给出了本发明方法的反应途径,但并不是说本发明的范围仅限于该图。
式(I)-(VI)中:
●Y1和Y2可以相同也可以不同,代表下列基团之一:
●-CHO,
●-CH2OH,
●M代表氢原子和/或周期表中(Ia)或(IIa)的金属阳离子,或铵离子,
●Z1,Z2和Z3与上述意义相同。
在本发明文本中,出版在“Bulletin de la SociétéChimiquede France”no.1(1966)的元素周期表做本文的参考。
按照本发明的方法,分子式优选为(IIA)和(IIC)的酚类化合物(A)和(C)2位上的Y1基团选择性地氧化为羧基,并且可能存在于分子式优选为(IIA)和(IIB)的酚类化合物(A)和(B)4位上的羟甲基选择性地被氧化为甲酰基。
氧化通常是在催化剂存在下通过分子氧或含分子氧的气体进行。
一个优选的氧化方法包括在基于选自元素周期表1b和8族的金属M1的催化剂的存在下,以及在含有碱性试剂的含水介质中用分子氧或含有分子氧的气体在液相中氧化酚类化合物(II)的混合物,该催化剂视具体情况而定含有作为活化剂的金属,例如镉、铈、铋、铅、银、碲或锡。
按照本发明,出人意料地发现,如果升高温度并且反应优选在压力下进行,或如果氧化过程中碱的量增加,分子式优选为(IIA)和(IIC)的酚类化合物(A)和(C)2位上的基团Y1被选择性地氧化为羧基,并且分子式优选为(IIA)和(IIB)的酚类化合物(A)和(B)4位的基团最多被氧化为甲酰基。
本发明方法使用的催化剂基于元素周期表中1b和8族金属。
基于元素周期表中8族金属的催化剂的实例有镍、钌、铑、钯、锇、铱、铂和它们的混合物。1b族金属优选铜。
优选使用铂和/或钯催化剂,可以使用所有存在的形式,例如:铂黑、钯黑、氧化铂、氧化钯或沉积于不同载体例如碳黑、碳酸钙、氧化铝或活化二氧化硅或等价物上的贵金属本身。基于碳黑的催化混合物特别适合。
所用催化剂的量,以式(II)酚类化合物的混合物的重量为基准计,以金属M1的重量表示可以为0.01-10%,优选0.04-2%。
有关催化剂的其它细节可以从US-A-3673257、FR-A-2305420和FR-A-2350323中得到。
活性剂可以从上述专利提及的所有活性剂中选取。优选使用呈金属单质或阳离子形式的铋、铅和镉。在后者的情况下,缔合的阴离子并不重要并且所有这些金属的衍生物都可以使用。优选使用铋金属或其衍生物。
可以使用无机或有机铋衍生物,其中铋原子氧化数大于0,例如2,3,4或5。只要满足这个条件,与铋缔合的残基并不重要。活化剂可以溶于反应介质也可不溶。
可以用在本发明方法中的活化剂的说明性化合物是:氧化铋;氢氧化铋;无机氢酸的铋或氧铋盐例如:铋的氯化物、溴化物、碘化物、硫化物、硒化物、或碲化物;无机含氧酸的铋或氧铋盐例如:亚硫酸铋、硫酸铋、亚硝酸铋、硝酸铋、亚磷酸铋、磷酸铋、焦磷酸铋、碳酸铋、高氯酸铋、锑酸铋、砷酸铋、亚硒酸铋或硒酸铋;从过渡金属衍生的含氧酸盐例如:钒酸铋、铌酸铋、钽酸铋、铬酸铋、钼酸铋、钨酸铋或高锰酸铋。
其它适合的化合物是脂肪族或芳香族有机酸的铋或氧铋盐例如:乙酸铋、丙酸铋、苯甲酸铋、水杨酸铋、草酸铋、酒石酸铋、乳酸铋或柠檬酸铋;和酚的铋或氧铋盐例如:棓酸铋或焦棓酸铋。这些盐和酚盐也可以是氧铋基的盐。
具体的实例是:
●氧化物:BiO、Bi2O3、Bi2O4、Bi2O5,
●氢氧化物:Bi(OH)3,
●无机氢酸盐:三氯化铋BiCl3、三溴化铋BiBr3、三碘化铋BiI3、硫化铋Bi2S3、硒化铋Bi2Se3、碲化铋Bi2Te3,
●无机含氧酸盐:碱性亚硫酸铋、Bi2(SO3)3,Bi2O3.5H2O、中性硫酸铋Bi2(SO4)3、硫酸氧铋(BiO)HSO4、亚硝酸氧铋(BiO)NO2,0.5H2O、中性硝酸铋Bi(NO3)3,5H2O、铋和镁的硝酸复盐2Bi(NO3)3.3Mg(NO3)2.24H2O、硝酸氧铋(BiO)NO3、亚磷酸铋Bi2(PO3H)3,3H2O、中性磷酸铋BiPO4、焦磷酸铋Bi4(P2O7)3、碳酸氧铋(BiO)2CO3,0.5H2O、中性高氯酸铋Bi(ClO4)3,5H2O、高氯酸氧铋(BiO)ClO4、锑酸铋BiSbO4、中性砷酸铋Bi(AsO4)3、砷酸氧铋(BiO)AsO4,5H2O、亚硒酸铋Bi2(SeO3)3,
●从过渡金属衍生出的含氧酸盐:钒酸铋BiVO4、铌酸铋BiNbO4、钽酸铋BiTaO4、中性铬酸铋Bi2(CrO4)、重铬酸氧铋[(BiO)2]2Cr2O7、酸性铬酸氧铋H(BiO)CrO4、氧铋钾铬酸复盐K(BiO)CrO4、钼酸铋Bi2(MoO4)3、钨酸铋Bi2(WO4)3、铋钠钼酸复盐NaBi(MoO4)2、碱性高锰酸铋Bi2O2(OH)MnO4,
●脂肪族或芳香族有机酸盐:乙酸铋Bi(C2H3O2)3、丙酸氧铋(BiO)C3H5O2、碱性苯甲酸铋C6H5CO2Bi(OH)2、水杨酸氧铋C6H4CO2(BiO)(OH)、草酸铋(C2O4)3Bi2、酒石酸铋Bi2(C4H4O6)3,6H2O、乳酸铋(C6H9O5)OBi,7H2O、柠檬酸铋C6H5O7Bi,
●酚盐:碱性棓酸铋C7H7O7Bi、碱性焦棓酸铋C6H3(OH)2(OBi)(OH)。
其它的无机或有机化合物也适合:磷化铋BiP、砷化铋Bi3As4、铋酸钠NaBiO3、铋-硫氰酸H2[Bi(BNS)5],H3[Bi(CNS)6]以及它们的钠盐和钾盐:三甲基
Bi(CH3)3,、三苯基
Bi(C6H5)3。
本发明方法优选使用的铋衍生物是:氧化铋、氢氧化铋、无机氢酸的铋盐或氧铋盐、无机含氧酸的铋盐或氧铋盐、脂肪族或芳香族有机酸的铋盐或氧铋盐、和酚的铋盐或氧铋盐。
特别适用于实施本发明的活性剂是由下述化合物组成:氧化铋Bi2O3和Bi2O4、氢氧化铋Bi(OH)3、中性硫酸铋Bi2(SO4)3、三氯化铋BiCl3、三溴化铋BiBr3、三碘化铋BiI3、中性硝酸铋Bi(NO3)3,5H2O、硝酸氧铋BiO(NO3)、碳酸氧铋(BiO)2CO3,0.5H2O、乙酸铋Bi(C2H3O2)3、和水杨酸氧铋C6H4CO2(BiO)(OH)。
活化剂的使用量(以活化剂中金属的量相对于所用的金属M1重量的比表示)范围可以很宽。例如,这个量可以小到0.1%,以及可以与金属M1的重量持平,甚至毫无问题地可以超过金属M1的重量。
更为特别地是,选择该使用量以便使氧化介质中相对于分子式为(II)的酚类化合物混合物含有10-900ppm重量金属活化剂。此时,自然可以使用约900-1500ppm的更高量的活化剂,但未产生明显的附加优点。
根据本发明的方法,氧化在含有呈溶液形式碱性试剂的含水介质中进行,这些碱性试剂更特别地是氢氧化铵、碱金属或碱土金属碱,例如氢氧化物如钠、钾、锂和钡的氢氧化物;碱金属链烷醇酸盐,例如甲醇、乙醇、异丙醇、和叔丁醇钠或钾盐,碳酸或碳酸氢钠或钾、以及通常碱金属或碱土金属碱与弱酸的盐。
因此,具有分子式(III)~(V)的化合物可以根据所用碱性试剂的量完全或部分地成盐。在所说的式中,碱的残基M通常代表氢原子和/或Ia或(IIa)族金属阳离子或铵的阳离子。
出于经济上的考虑可以使用氢氧化钠或钾。无机碱的使用比例为每摩尔式(II)的酚类化合物可以使用0.5-10摩尔无机碱,优选1-4摩尔,更优选2-4摩尔。
液相中式(II)酚类化合物的混合物的浓度(重量计)通常为1%-60%,优选2%-30%。
实际上,本发明方法的实施方式之一包括:将含有式(II)酚类化合物的混合物、碱性试剂、基于金属M1的催化剂和视具体情况而存在的活性剂的溶液按上述比例与分子氧或含分子氧的气体例如空气接触。
可以在大气压下进行,但优选在1-20bar的压力下进行。
然后在适当的温度下搅拌混合物直到对应于该温度的用于将化合物(A)和(C)的羟甲基或甲酰基转化为羧基以及将化合物(A)和(B)上可能存在的羟甲基转化为甲酰基所需氧气消耗完毕为止。
使用的反应温度随制备的产品的热稳定性而调整。
根据本发明,反应温度优选选自30-200℃,优选40-160℃。
本领域技术人员将根据反应条件(特别是碱量、金属M1的性质、压力和搅拌情况)调整反应温度。特别地是,业已发现温度越低,碱性试剂的用量越高。
通过实施例,给出对优选金属铂和钯的优选条件。对于铂,反应温度可以为60-160℃,所用碱量有利地为每摩尔分子式(II)的酚类化合物使用1-3摩尔的碱。对于钯,反应温度可以为30-200℃,优选30-150℃,并且对于后一个温度范围,碱量优选每摩尔酚类化合物使用2-4摩尔。
因此,碱量须足以将位于邻位的Y1基团氧化为羧基。本领域技术人员可根据反应温度和所用金属确定碱量。
反应优选持续进行30分钟到6小时,反应结束时刻,可以回收含有部分或完全成盐的优选具有分子式(III)的3-羧基-4-羟基苯甲醛、优选具有分子式(V)的4-羟基苯甲醛和优选具有分子式(IV)的2-羟基苯甲酸的混合物。
在可能的冷却后,将催化剂混合物从反应介质中,例如通过过滤分离出来。
按照本发明方法的第二步,在反应结束后对反应介质进行脱羧反应。
为此,通过加入无机质子酸,优选盐酸或硫酸或有机酸例如三氟甲磺酸或甲磺酸将PH值调整为3或更小来酸化得到的反应介质。
酸的浓度并不重要,并且优选使用工业用浓度酸。
将反应介质加热到例如120℃-350℃,优选150℃-220℃。
这一过程优选在反应试剂自生压力下进行。
反应结束后,反应介质冷却到20-80℃。
得到的两相介质,由含有分子式优选为(VI)的4-羟基苯甲醛和分子式为(I)的起始酚类化合物的有机相和含盐的水相组成。
分离有机相和水相,并且将4-羟基苯甲醛从有机相中用常规分离方法,例如使用合适溶剂(例如甲基异丁基酮或异丙醚)萃取或蒸馏的方法回收。
本发明改进方法以一种在2位和4位上有一个甲酰基或羟甲基,另外两种在2位或4位上有一个甲酰基或羟甲基的两类酚类化合物的混合物作为起始物。
更特别地,起始混合物具有如下分子式:
式中,
●M代表氢原子和/或(Ia)或(IIa)族金属阳离子或铵阳离子;
●Z1,Z2和Z3具有上述意义。
本发明方法中可以使用的酚类化合物混合物是通过构成本发明的又一方面的方法制备的。
因此,在液相中在碱金属或碱土金属碱存在下,分子式为(IIa1)~(IIc1)的酚类化合物的混合物可以通过酚与甲醛或甲醛发生剂缩合而产生的酚的羟甲基化反应制得,结果酚的转化率最多为95%,并视具体情况而定接着进行氧化步骤。
更为准确地说,由其羟基邻位和对位未被取代的通式(I)的酚作为原料:
其中Z1,Z2和Z3具有上述意义。
在可以作为合成分子式为(II)的化合物的起始原料的分子式为(I)的酚中,可以列举愈创木酚、guetol、3-甲氧基苯酚、3-乙氧基苯酚、3-异丙氧基苯酚、3-叔丁氧基苯酚、间甲酚和邻甲酚。
为了实现该羟甲基化步骤所选用的条件是下述现有技术中公开的那些条件:尤其是H.G.PEER,Rec.Tray.Chim.[荷兰]
79,825-835(1960);GB-A-774696;GB-A-751845;EP-A-165;J.H.FREEMAN,J.Am.Chem.Soc.
74,6 257-6 260(1952)和
76 2080-2087(1954);H.G.PEER,Rec.Tray.Chim.荷兰
78 851-863(1959);H.EULER等Arkiv für Chem.
13 1-7(1939);P.CLAUS等Monath.Chem.
1031178-11293(1972)。
可以使用甲醛或任何甲醛发生剂,例如三噁烷或以任何聚合度,优选含有8-100个(CH2O)单元的线性聚甲醛形式使用的多聚甲醛。
甲醛可以以浓度高低并不重要的水溶液的形式使用。其变化范围在20%-50%重量;优选使用浓度大约在30-40%重量的工业溶液。
以甲醛摩尔数/每摩尔酚表达的甲醛用量范围可以很宽。甲醛/酚的摩尔比可以为1.0到4.0,优选在1.0到2.5。
以碱的摩尔数/有待被羟甲基化的酚的酚羟基摩尔数比值表达,羟甲基化介质中碱用量的变化范围可以很宽。通常,随着碱性质变化的这个比值为1.0到4.0,优选0.9到2.0。作为碱,可以使用上述氧化阶段提及的种类。碱金属氢氧化物的水溶液特别适用。
通常,羟甲基化步骤在0到100℃下进行,优选在20到70℃。
该方法优选在反应试剂自生压力下进行以避免反应温度下可以为气态的多聚甲醛任何可能的损失。
反应优选在可控制的惰性气体例如氮气或稀有气体,如氩气下进行。
本领域技术人员可以根据起始酚的理想转化率并考虑到最大限度地减少副产物例如二芳基甲烷的必要性而容易地确定反应时间。该时间通常为15分钟到4小时,优选1小时到3小时。
酚的转化率可以通过不同参数(温度、时间、反应剂的量)来控制。该转化率有利地为60%-95%,优选80%-95%。
实际上,通过向装置中加入酚、甲醛和视具体情况而存在的碱,然后搅拌并加热反应混合物以达到所需温度和反应完成所需的时间,反应容易完成。
反应试剂的加入顺序并不重要,因此可以变化。
这样就得到分子式为(IIa1)到(IIc1)的酚类化合物的混合物。
分子式为(IIa2)到(IIc2)的化合物可以通过在碱性含水相中和在催化剂存在下通过使用分子氧或含分子氧的气体氧化分子式为(IIa1)到(IIc1)的己羟甲基化酚类化合物制得,其中催化剂是基于元素周期表8族的一种金属,优选铂和钯,该催化剂视具体情况而定含有诸如镉、铈、铋、铅、银、碲或锡等作为活化剂的金属。这样的方法已经公开在US-A-3 673 257,FR-A-2 305 420和FR-A-2350 323中。
如果需要,可视具体情况而定通过加入碱金属或碱土金属碱将溶液pH值调整到8-13。最佳的pH值取决于己羟甲基化酚的性质。
氧化反应的温度在10-100℃之间,优选在20-60℃之间。
更特别地,本发明的方法适合于在未经过己羟甲基化酚类化合物的中间分离过程的条件下,在催化剂的存在下通过分子氧或含分子氧的气体氧化第一步中得到的式(IIa1)到(IIc1)酚类化合物制备分子式为(IIa2)到(IIc2)的化合物,其中催化剂基于元素周期表8族的一种金属,并视具体情况而定含有一种用作活化剂的金属。
看起来通过使用两步法得到的式(IIa2)到(IIc2)化合物来实施
本发明的方法在工业上特别有利,该两步法包括:
●在一种碱金属或碱土金属碱存在下在含水介质中,通过甲醛或甲醛发生剂使酚发生羟甲基化反应,制得己羟甲基化的酚类化合物的混合物,其中一种在2位和4位上羟甲基化,另两种在2位或4位上羟甲基化,
●不经中间分离,在催化剂存在下在碱性水相中,酚类化合物通过分子氧或含分子氧的气体发生氧化反应,其中催化剂基于元素周期表8族的一种金属,视具体情况而定含有用作活化剂的金属,例如上文中引用的那些金属。
本发明方法的补充重要性是它允许使用直接从羟甲基化和视具体情况而进行的氧化的前序步骤制得的酚类化合物的混合物。
如上所述,本发明的方法特别适合从通过愈创木酚或guetol的羟甲基化得到的酚类化合物混合物制备香草醛和乙基香草醛。
可以通过将酚类化合物4,6-二羟甲基愈创木酚(A)、对-羟甲基愈创木酚(B)和邻-羟甲基愈创木酚(C)的混合物中的化合物(A)和(C)2位上的羟甲基选择性地氧化为羧基,并且将化合物(A)和(B)4位上的羟甲基选择性地氧化为甲酰基制备香草醛,因而产生3-羧基-4-羟基-5-甲氧基苯甲醛、香草醛和2-羟基-3-甲氧基苯甲酸的混合物,该混合物脱羧处理后,产生香草醛和可以回收的愈创木酚。
一种变化方式包括将酚类化合物4,6-二甲酰基愈创木酚(A)、对-甲酰基愈创木酚(B)和邻-甲酰基愈创木酚(C)的混合物中的化合物(A)和(C)2位上的甲酰基选择性地氧化为羧基,得到3-羧基-4-羟基-5-甲氧基苯甲醛、香草醛和2-羟基-3-甲氧基苯甲酸的混合物,该混合物脱羧处理后,产生香草醛和可以回收的愈创木酚。
按照本发明方法,制备乙基香草醛的过程包括将酚类化合物4,6-二羟甲基guetol(A)、对-羟甲基guetol(B)和邻-羟甲基guetol(C)的混合物中的化合物(A)和(C)2位上的羟甲基选择性地氧化为羧基,并且将化合物(A)和(B)4位上的羟甲基选择性地氧化为甲酰基,因而就产生3-羧基-4-羟基-5-乙氧基苯甲醛、乙基香草醛和2-羟基-3-乙氧基苯甲酸的混合物,该混合物脱羧处理后,产生乙基香草醛和可以回收的guetol。
另一种变化方式是将酚类化合物4,6-二甲酰基guetol(A)、对-甲酰基guetol(B)和邻-甲酰基guetol(C)的混合物中的化合物(A)和(C)2位上的甲酰基选择性地氧化为羧基,得到3-羧基-4-羟基-5-乙氧基苯甲醛、乙基香草醛和2-羟基-3-乙氧基苯甲酸的混合物,该混合物脱羧处理后,产生乙基香草醛和可以回收的愈创木酚。
本发明的实施例将在下面给出。这些实施例是为了说明而决不是用于限制本发明。
在这些实施例中,定义了转化率和产率。
转化率(TT)是指已转化物质的摩尔数与所用物质摩尔数之比。
产率(RR)是指得到产品的摩尔数与所用物质摩尔数之比。
产率(RT香草醛)是指得到的香草醛的摩尔数与反应中转变的愈创木酚的摩尔数之比。
在这些实施例中,缩写如下:
邻-羟甲基愈创木酚=OMG
对-羟甲基愈创木酚=PMG
邻-香草醛=3-甲氧基-2-羟基苯甲醛=OVA
对-香草醛=3-甲氧基-4-羟基苯甲醛=PVA
邻-香草酸=2-羟基-3-甲氧基苯甲酸=AOV
对-香草酸=4-羟基-3-甲氧基苯甲酸=APV
4,6-二羟甲基愈创木酚=DMG
4,6-二甲酰基愈创木酚=DFG
邻-羧基香草醛=OCVA
4,6-二羧基愈创木酚=DCG
实施例1
1、缩合步骤
将下述物质加入带有机械搅拌器和温度调节装置的2升反应器中:
●152g愈创木酚;
●249g30%的甲醛水溶液;
●49.2g氢氧化钠;
●672g水。
将反应介质保持在45℃下经过1小时,然后冷却并用高效液相色谱分析。
反应结果如下:
●愈创木酚转化率=90%
●邻-羟甲基愈创木酚(OMG)产率=15%
●对-羟甲基愈创木酚(PMG)产率=18%
●4,6-二羟甲基愈创木酚(DMG)产率=50%
●(OMG+DMG+PMG)产率=83%
可增值产物的总产率是93%。
2、氧化步骤
然后用1500g水和148g氢氧化钠稀释反应介质。
然后将反应介质加入带有自动排气涡轮的3.9升高压釜中。
将22g沉积在碳黑上的3%重量金属的钯催化剂和0.54g三氧化铋加入反应介质中。
在氮气下以1500rpm的速度开始搅拌并将反应介质的温度升到45℃。然后放置在3bar压力下并将空气以300g/h的速度引入反应介质中。反应介质在该条件下保持6小时。
冷却反应介质,压力减小到大气压,然后过滤催化剂。
然后用高效液相色谱分析反应介质。
所得产率如下(对应于整个过程):
●愈创木酚的TT=92%
●邻位系列
●邻羟甲基愈创木酚(OMG)的RR=0%
●邻-香草醛(OVA)的RR=1%
●邻香草酸(AOV)的RR=14%
●对位系列
●对-羟甲基愈创木酚(PMG)的RR=0%
●香草醛(PVA)的RR=16%
●对-香草酸(APV)的RR=1%
●二取代系列
●4,6-二羟甲基愈创木酚(DMG)的RR=0%
●4,6-二甲酰基愈创木酚(DFG)的RR=1%
●邻羧基香草醛(OCVA)的RR=47%
●4,6-二羧基愈创木酚(DCG)的RR=10%
可增值产物的总产率(愈创木酚+OAV+PVA+APV+OCVA+DCG)是87%。
3、反应混合物的脱羧处理
用16.69g92%的硫酸中和199.91g该反应混合物,并将其加入带有涡轮和温度调节系统的300ml高压釜中。
在自生压力下将反应介质加热到175℃,持续3小时,然后冷却并用液相色谱测试。
香草醛产率和愈创木酚转化率如下:
●愈创木酚的TT=76%/起始愈创木酚
●香草醛的RR=61%/起始愈创木酚,即香草醛的RT=80%
实施例2
1.缩合步骤
将下述物质加入带有机械搅拌器和温度调节装置的2升反应器中:
●133g愈创木酚;
●202g30%重量甲醛水溶液;
●145g30%重量氢氧化钠水溶液;
●480g水。
将反应介质保持在47℃下经过50分钟,然后冷却。
加入290g30%重量氢氧化钠水溶液。
使用高效液相色谱分析。
反应结果如下:
●愈创木酚转化率=97%
●邻-羟甲基愈创木酚(OMG)产率=10%
●对-羟甲基愈创木酚(PMG)产率=12%
●4,6-二羟甲基愈创木酚(DMG)产率=70%
●(OMG+DMG+PMG)产率=92%
可增值产物的RT总产率是95%。
2、氧化步骤
然后用1230g水稀释反应介质。
然后将反应介质加入带有自动排气涡轮的3.9升高压釜中。
将34.5g沉积在碳黑上的2%重量金属的钯催化剂和0.54g三氧化铋加入反应介质中。
在氮气下以950rpm的速度开始搅拌并将反应介质的温度升到70℃。然后放置在4bar压力下并将空气以200g/h的速度引入反应介质中。反应介质在该条件下保持5小时。
冷却反应介质,压力减小到大气压,然后过滤催化剂。
然后用高效液相色谱分析反应介质。
产率如下(对应于整个过程):
●愈创木酚的TT=97%
●邻位系列
●邻羟甲基愈创木酚(OMG)的RR=0%
●邻-香草醛(OVA)的RR=1%
●邻-香草酸(AOV)的RR=6%
●对位系列
●对-羟甲基愈创木酚(PMG)的RR=0%
●香草醛(PVA)的RR=9%
●对-香草酸(APV)的RR=2%
●二取代系列
●4,6-二羟甲基愈创木酚(DMG)的RR=0%
●4,6-二甲酰基愈创木酚(DFG)的RR=1%
●邻羧基香草醛(OCVA)的RR=54%
●4,6-二羧基愈创木酚(DCG)的RR=6%
可增值产物的总产率(愈创木酚+OAV+PVA+APV+OCVA+DCG)是80%。
3、反应混合物的脱羧处理
用15ml 10摩尔/升的硫酸中和150g该反应混合物,并将其加入带有涡轮和温度调节系统的300ml高压釜中。
在自生压力下将反应介质加热到175℃,持续2小时,然后冷却并用液相色谱测试。
香草醛产率和愈创木酚转化率如下:
●愈创木酚的TT=91%/起始愈创木酚
●香草醛的RR=52%/起始愈创木酚,即RT香草醛=57%。
Claims (75)
1.一种制备4-羟基苯甲醛及其衍生物的方法,其特征在于包括将至少包含下列组分的混合物中的酚类化合物中相对于羟基2位上的基团选择性地氧化为羧基:
●一种4位和2位上带有甲酰基和/或羟甲基的酚类化合物(A);
●一种4位上带有甲酰基或羟甲基的酚类化合物(B);
●一种2位上带有甲酰基或羟甲基的酚类化合物(C);得到含有3-羧基-4-羟基苯甲醛、4-羟基苯甲醛和2-羟基苯甲酸的混合物,然后进行脱羧处理制得4-羟基苯甲醛。
3.根据权利要求1的方法,其特征在于酚类化合物具有分子式(IIA)到(IIC),其中Z1,Z2和Z3可以相同也可不同,代表下列基团或原子之一:
●氢原子,
●含有1-12个碳原子的直链或支链烷基,
●含有2-12个碳原子的直链或支链链烯基,
●含有1-12个碳原子的直链或支链烷氧基,
●苯基,
●卤原子。
4.根据权利要求3的方法,其特征在于酚类化合物具有分子式(IIA)到(IIC),其中Z1代表氢原子或含有1-6个碳原子的直链或支链的烷基或烷氧基;Z2和Z3代表氢原子;Y1和Y2相同并代表甲酰基或羟甲基。
5.根据权利要求2的方法,其特征在于具有分子式(II)的酚类化合物的混合物是:
●邻-羟甲基愈创木酚、对-羟甲基愈创木酚和4,6-二羟甲基愈创木酚,
●邻-甲酰基愈创木酚、对-甲酰基愈创木酚和4,6-二甲酰基愈创木酚,
●邻-羟甲基-2-乙氧基苯酚、对-羟甲基-2-乙氧基苯酚和4,6-二羟甲基-2-乙氧基苯酚,
●邻-甲酰基-2-乙氧基苯酚、对-甲酰基-2-乙氧基苯酚和4,6-二甲酰基-2-乙氧基苯酚。
6.根据权利要求2的方法,其特征在于在基于选自元素周期表1b和8族的金属M1的催化剂存在下,在含有碱性试剂的含水介质中用分子氧或含有分子氧的气体在液相中氧化具有分子式(II)的酚类化合物的混合物。
7.根据权利要求6的方法,其特征在于催化剂是基于铜、镍、钌、铑、钯、锇、铱、铂或它们的混合物。
8.根据权利要求6和7中任一项的方法,其特征在于基于铂和/或钯的催化剂是以下述存在形式使用的:铂黑、钯黑、氧化铂、氧化钯或沉积于不同载体上的贵金属本身。
9.根据权利要求6-7中任一项的方法,其特征在于所用催化剂的量,以分子式为(II)的酚类化合物混合物的重量为基准计,以金属M1的重量表示可以为0.01-10%。
10.根据权利要求6-7中任一项的方法,其特征在于活化剂是选自下列化合物的无机或有机铋的衍生物:氧化铋;氢氧化铋;无机氢酸的铋或氧铋盐;无机含氧酸的铋或氧铋盐;脂肪族或芳香族有机酸的铋或氧铋盐;以及酚的铋或氧铋盐。
11.根据权利要求10的方法,其特征在于铋的衍生物选自:氧化铋Bi2O3和Bi2O4、氢氧化铋Bi(OH)3、三氯化铋BiCl3、三溴化铋BiBr3、三碘化铋BiI3、中性硫酸铋Bi2(SO4)3、中性硝酸铋Bi(NO3)3,5H2O、硝酸氧铋BiO(NO3)、碳酸氧铋(BiO)2CO3,0.5H2O、乙酸铋Bi(C2H3O2)3、和水杨酸氧铋C6H4CO2(BiO)OH。
12.根据权利要求6-7中任一项的方法,其特征在于选择活化剂的使用量以便使介质至少含有以所用金属M1重量为基准计0.1%重量的金属活化剂,含有以分子式为(II)的酚类化合物混合物为基准计10-900ppm重量的金属M1。
13.根据权利要求6-7中任一项的方法,其特征在于氧化反应在30-200℃下进行。
14.根据权利要求6-7中任一项的方法,其特征在于使用的压力为1-20bar。
15.根据权利要求6-7中任一项的方法,其特征在于氧化反应是在含有碱性试剂的含水介质中进行,其用量为每摩尔具有分子式(II)的酚类化合物可以使用0.5-10摩尔无机碱。
16.根据权利要求13的方法,其特征在于在使用铂催化剂的情况下,温度为60-160℃,所用碱量为每摩尔式(II)酚类化合物使用1-3摩尔。
17.根据权利要求13的方法,其特征在于在使用钯催化剂的情况下,温度为30-200℃,所用碱量为每摩尔式(II)酚类化合物使用2-4摩尔。
18.根据权利要求1的方法,其特征在于,将进行脱羧处理制得的酚回收。
19.根据权利要求3的方法,其特征在于,Z1、Z2和Z3代表下列基团或原子之一:
●含有1-4个碳原子的直链或支链烷基,
●含有2-4个碳原子的直链或支链链烯基,
●含有1-4个碳原子的直链或支链烷氧基。
20.根据权利要求19的方法,其特征在于,Z1、Z2和Z3代表下列基团或原子之一:
●甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基或叔丁基,
●乙烯基或烯丙基,
●甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、丁氧基、异丁氧基、仲丁氧基或叔丁氧基,
●F、Cl或Br原子。
21.根据权利要求4的方法,其特征在于,Z1代表含1-4个碳原子的直链或支链烷基或烷氧基。
22.根据权利要求6的方法,其特征在于,所述催化剂还含有作为活化剂的金属。
23.根据权利要求22的方法,其特征在于,所述作为活化剂的金属选自镉、铈、铋、铅、银、碲或锡。
24.根据权利要求7的方法,其特征在于,所述催化剂基于铂和/或钯。
25.根据权利要求8的方法,其特征在于,所述载体选自碳黑、碳酸钙、氧化铝和活化二氧化硅。
26.根据权利要求25的方法,其特征在于,所述载体为碳黑。
27.根据权利要求9的方法,其特征在于所用催化剂的量,以分子式为(II)的酚类化合物混合物的重量为基准计,以金属M1的重量表示可以为0.04-2%。
28.根据权利要求10的方法,其特征在于,所述活化剂是选自下列化合物的无机或有机铋的衍生物:氯化物、溴化物、碘化物、硫化物、硒化物、碲化物;亚硫酸盐、硫酸盐、亚硝酸盐、硝酸盐、亚磷酸盐、磷酸盐、焦磷酸盐、碳酸盐、高氯酸盐、锑酸盐、砷酸盐、亚硒酸盐或硒酸盐;乙酸盐、丙酸盐、水杨酸盐、苯甲酸盐、草酸盐、酒石酸盐、乳酸盐或柠檬酸盐;棓酸盐或焦棓酸盐。
29.根据权利要求13的方法,其特征在于,氧化反应在40-160℃下进行。
30.根据权利要求15的方法,其特征在于,所述碱性试剂是氢氧化钠或氢氧化钾,其用量为每摩尔具有分子式(II)的酚类化合物可以使用1-4摩尔无机碱。
31.根据权利要求30的方法,其特征在于,所述碱性试剂是氢氧化钠或钾溶液,其用量为每摩尔具有分子式(II)的酚类化合物可以使用2-4摩尔无机碱。
32.根据权利要求17的方法,其特征在于,所述温度为30-150℃。
33.根据权利要求6的方法,其特征在于对得到的反应介质进行脱羧处理,该反应介质包括完全或部分地成盐的3-羧基-4-羟基苯甲醛、2-羟基苯甲酸和4-羟基苯甲醛。
35.根据权利要求33的方法,其特征在于通过向反应介质中加入无机质子酸或有机酸直到pH值小于或等于3为止来对所说的酸进行脱羧处理。
37.根据权利要求35的方法,其中所述无机质子酸为盐酸或硫酸。
38.根据权利要求36的方法,其中将反应介质加热到150~220℃。
39.权利要求1的方法,其特征在于:具有通式(II)的酚类化合物的起始混合物:
式中:
●M代表氢原子和/或(Ia)或(IIa)族金属阳离子或铵阳离子;
●Z1、Z2和Z3具有权利要求2中的意义。
41.如权利要求1的方法,其特征在于:酚类化合物的起始混合物包括:
●30-70%重量的酚类化合物(A);
●30-70%重量的酚类化合物(B+C)的混合物。
42.根据权利要求41的方法,其特征在于,该混合物中所有组分的含量之和为100重量%,其中包括:
●50-70%重量的酚类化合物(A);
●50-70%重量的酚类化合物(B+C)的混合物。
43.如权利要求39的方法,其特征在于具有通式(II)的酚类化合物的起始混合物通过在含水相中在碱金属或碱土金属碱存在下,通过使酚与甲醛或甲醛发生剂缩合而产生的酚的羟甲基化反应制得,结果酚的转化率最多为95%。
44.如权利要求40的方法,其特征在于具有通式(II)的酚类化合物的起始混合物通过在含水相中的碱金属或碱土金属碱存在下,通过使酚与甲醛或甲醛发生剂缩合而产生的酚的羟甲基化反应制得,结合酚的转化率最多为95%,接着进行氧化步骤。
45.根据权利要求43或44的方法,其特征在于酚的转化率是60-95%。
46.如权利要求45的方法,其特征在于酚的转化率是80-95%。
48.根据权利要求47的方法,其特征在于具有通式(I)的酚是愈创木酚、2-乙氧基苯酚、3-甲氧基苯酚、3-乙氧基苯酚、3-异丙氧基苯酚、3-叔丁氧基苯酚、间甲酚或邻甲酚。
49.根据权利要求43的方法,其特征在于甲醛/酚的摩尔比是1.0-4.0。
50.根据权利要求43的方法,其特征在于,羟甲基化介质中,用碱的摩尔数与要被羟甲基化的酚的酚羟基摩尔数比值表示的碱量是1.0-4.0。
51.根据权利要求43的方法,其特征在于羟甲基化温度为0-100℃。
52.根据权利要求43的方法,其特征在于羟甲基化反应的时间是15分钟到4小时。
53.根据权利要求43的方法,其特征在于向装置中加入酚、甲醛,边搅拌边加热反应混合物以达到0-100℃直到得到具有通式(IIa1)~(IIc1)的酚类化合物的混合物。
54.根据权利要求43的方法,其特征在于分子式为(IIa2)和(IIc2)的化合物的混合物是在碱性水溶液和催化剂存在下通过使用分子氧或含分子氧的气体氧化分子式为(IIa1)~(IIc1)的己羟甲基化酚类化合物制得,其中催化剂是基于元素周期表8族的一种金属。
55.根据权利要求54的方法,其特征在于将溶液pH值调整为8-13。
56.根据权利要求54的方法,其特征在于氧化反应温度为10-100℃。
57.根据权利要求43的方法,其特征在于通过两步法得到分子式为(IIa2)到(IIc2)的酚类化合物的混合物,该两步法包括:
●在一种碱金属或碱土金属碱存在下在含水介质中,通过甲醛或甲醛发生剂使酚发生羟甲基化反应,制得己羟甲基化的酚类化合物的混合物,其中一种在2位和4位上羟甲基化,另两种在2位或4位上羟甲基化,
●不经中间分离,在催化剂存在下在碱性水相中,得到的酚类化合物通过分子氧或含分子氧的气体发生氧化反应,其中催化剂基于元素周期表8族的一种金属。
58.根据权利要求43的方法,其特征在于,还进行氧化步骤。
59.根据权利要求43的方法,其特征在于,所述甲醛发生剂是三噁烷或以含有8-100个CH2O单元的线性聚甲醛形式使用的多聚甲醛。
60.根据权利要求49的方法,其特征在于,甲醛/酚的摩尔比为1.0-2.5。
61.根据权利要求50的方法,其中所述碱量为0.9-2.0。
62.根据权利要求51的方法,其中,羟甲基化温度为20-70℃。
63.根据权利要求52的方法,其中,羟甲基化反应的时间为1~3小时。
64.根据权利要求53的方法,其中,还向装置内加入碱。
65.根据权利要求54的方法,其中,所述催化剂基于铂和钯。
66.根据权利要求54的方法,其中,所述催化剂还含有作为活化剂的金属。
67.根据权利要求66的方法,其中,所述活化剂金属选自镉、铈、铋、铅、银、碲或锡。
68.根据权利要求55的方法,其特征在于,通过加入碱金属或碱土金属碱而将溶液pH调整为8~13。
69.根据权利要求56的方法,其中氧化反应温度为20~60℃。
70.根据权利要求6的方法,其特征在于,催化剂是基于钯、铂或它们的混合物。
71.权利要求1-32中任一项的香草醛的制备方法,其特征在于将酚类化合物4,6-二羟甲基愈创木酚(A)、对-羟甲基愈创木酚(B)和邻-羟甲基愈创木酚(C)的混合物中的化合物(A)和(C)2位上的羟甲基选择性地氧化为羧基,并且将化合物(A)和(B)4位上的羟甲基选择性地氧化为甲酰基,因而产生3-羧基-4-羟基-5-甲氧基苯甲醛、香草醛和2-羟基-3-甲氧基苯甲酸的混合物,该混合物脱羧处理后,产生香草醛和可以回收的愈创木酚。
72.权利要求1-32中任一项的香草醛的制备方法,其特征在于将酚类化合物4,6-二甲酰基愈创木酚(A)、对-甲酰基愈创木酚(B)和邻-甲酰基愈创木酚(C)的混合物中的化合物(A)和(C)2位上的甲酰基选择性地氧化为羧基,得到3-羧基-4-羟基-5-甲氧基苯甲醛、香草醛和2-羟基-3-甲氧基苯甲酸的混合物,该混合物脱羧处理后,产生香草醛和可以回收的愈创木酚。
73.权利要求1-32中任一项的乙基香草醛的制备方法,其特征在于将酚类化合物4,6-二羟甲基-2-乙氧基苯酚(A)、对-羟甲基-2-乙氧基苯酚(B)和邻-羟甲基-2-乙氧基苯酚(C)的混合物中的化合物(A)和(C)2位上的羟甲基选择性地氧化为羧基,并且将化合物(A)和(B)4位上的羟甲基选择性地氧化为甲酰基,因而产生3-羧基-4-羟基-5-乙氧基苯甲醛、乙基香草醛和2-羟基-3-乙氧基苯甲酸的混合物,该混合物经脱羧处理后,产生乙基香草醛和可以回收的2-乙氧基苯酚。
74.权利要求1-32中任一项的乙基香草醛的制备方法,其特征在于将酚类化合物4,6-二甲酰基-2-乙氧基苯酚(A)、对-甲酰基-2-乙氧基苯酚(B)和邻-甲酰基-2-乙氧基苯酚(C)的混合物中的化合物(A)和(C)2位上的甲酰基选择性地氧化为羧基,得到3-羧基-4-羟基-5-乙氧基苯甲醛、乙基香草醛和2-羟基-3-乙氧基苯甲酸的混合物,该混合物经脱羧处理后,产生乙基香草醛和可以回收的愈创木酚。
75.权利要求1-32中任一项所述方法在制备香草醛和乙基香草醛中的应用。
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