CN1660748A - 生产卤素取代的芳族醛的方法 - Google Patents
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Abstract
在本发明的生产方法中，使卤素取代的芳香族化合物与一氧化碳在氟化氢和三氟化硼的存在下反应，形成相应的卤素取代的芳族醛。通过使用氟化氢和三氟化硼，即使在低于室温的温度下，卤素原子的对位也被选择性地甲酰化，由此在短的反应时间内以高的收率提供卤素取代的芳族醛。
Description
发明的技术背景
1.技术领域
本发明涉及生产卤素取代的芳族醛，特别是对-氟代苯甲醛和同时含有各自直接键合到芳环上的卤素原子和烃基的卤素取代的芳族醛的方法，该芳族醛可用作染料、香水、药物、农业化学品和树脂添加剂的原料。
2.现有技术描述
通过在催化剂如氯化氢-氯化铝的存在下芳烃与一氧化碳的甲酰化来生产芳族醛的方法已众所周知为Gattermann Koch反应。然而，这种反应只在芳烃被给电子基团如烷基取代时才顺利进行，而在芳烃被吸电子基团取代时反应进行缓慢，这使其工业应用困难。
例如，US 6,300,525 B1公开了通过在包含氯化铝和非常少量氯化氢的催化剂体系存在下氟苯与一氧化碳的反应来生产对-氟代苯甲醛。然而，即使在反应18小时后，对-氟代苯甲醛的收率极低，基于所使用的氯化铝催化剂计为约24.1％，和基于起始的氟苯计为3.4％(实施例4)。该专利文件教导可以用4-甲基苯甲醚来促进该反应。然而，即使在4-甲基苯甲醚存在下反应89小时后，所报导的收率按照减去所加入的4-甲基苯甲醚的摩尔量后的氯化铝摩尔量计为64.3％(可能是由于4-甲基苯甲醚和氯化铝形成了1∶1络合物)，按照不减去4-甲基苯甲醚的摩尔量的氯化铝摩尔量计为29.7％，和按照起始的氟苯计为9.4％。因为US6,300,525 B1没有在实施例说明中提及副产物，因此不知道所生成的副产物的类型和量。
US 6,455,739 B1公开了在氯化铝-氯化氢催化剂体系存在下通过氟苯与一氧化碳在45至100℃的反应来生产对-氟代苯甲醛。虽然该专利文件没有提供对-氟代苯甲醛的收率数值，但可以从图5中读出，收率基于氯化铝为约74％，并且在教导为优选的初期装料的氯化铝比氟苯为50∶50的情况下，转化率为约58％，选择性为约91.1％，和基于氟苯的收率为约53％。US 6,455,739 B1教导到，邻-氟代苯甲醛、间-氟代苯甲醛、氯双(氟苯基)甲烷和低聚物为副产物，而生成三种氟代苯甲醛异构体的比例为邻-异构体∶间-异构体∶对-异构体＝1.8∶0.2∶98.3。
作为Gattermann Koch反应的替代方案之一，US 5,068,450公开了在氟化氢/三氟化硼催化剂的存在下通过氟苯与甲酸甲酯的反应来生产对-氟代苯甲醛。然而，因为在建议的方法中预期会副产甲醇，所以存在难以将副产的甲醇从氟化氢和三氟化硼中分离的问题。
US 4,588,844公开了在氟化氢的存在下通过乌洛托品与氟苯反应来生产对-氟代苯甲醛。然而，在所建议的反应中，副产相当大量的邻-氟代苯甲醛，并且邻-和对-氟代苯甲醛的总收率极低至约30％。
以上所提及的US 6,300,525 B1进一步公开了通过在包含氯化铝和非常少量氯化氢的催化剂体系存在下与一氧化碳反应，将2-氟代甲苯、3-氟代甲苯等转化成为相应的醛。该专利文件在操作实施例中教导到，2-氟代甲苯通过与一氧化碳在60℃反应20小时，以基于所使用的氯化铝计约67.4％的收率转化为4-氟-3-甲苯。基于原料2-氟苯计算的收率只有约11％。
因此，在已知的方法中，即使反应时间较长，也只能以低的收率生产卤素取代的芳族醛，从而导致低的生产效率和增加的生产成本。在使用氯化铝-氯化氢催化剂体系的反应中，甲酰化后常用水来处理反应产物混合物以分离产物和催化剂，这使得催化剂的再生极为困难。因为水解产生大量的废料，因此其处理非常昂贵。
发明简述
如上所述，迄今为止的已知方法不适宜通过将醛基直接引入卤素取代的芳香族化合物来工业生产卤素取代的芳族醛，原因在于几个问题：即使在长的反应时间后收率低，和因为将催化剂从产物中分离困难，所以催化剂不能再利用，由此增加了生产成本。
这样，本发明的目的是提供一种通过将醛基直接引入卤素取代的芳香族化合物来生产卤素取代的芳族醛的工业有利的方法。
本发明人对通过将醛基直接引入卤素取代的芳香族化合物来生产卤素取代的芳族醛做了广泛深入的研究。结果发现，当卤素取代的芳族化合物与一氧化碳在包含氟化氢和三氟化硼的催化剂存在下反应时，即使在低于室温的温度下，卤素取代的芳香族化合物在短的时间周期内被以高的转化率、极高的选择性、高的收率和高的纯度转化为相应的卤素取代的芳族醛。还发现，用作催化剂的氟化氢和三氟化硼可以容易地回收和重新使用，这使得该方法在工业上非常有优势。基于这些发现本发明得以完成。
这样，本发明提供了一种生产卤素取代的芳族醛的方法，包括如下步骤：通过在氟化氢和三氟化硼存在下与一氧化碳的反应，将由下式1所表示的卤素取代的芳香族化合物：
其中R1、R2、R3和R4是相同的或不同的，且各自表示氢原子或含1至6个碳原子的脂族烃基，X在R1、R2、R3和R4全部是氢原子时为氟原子，并且当R1、R2、R3和R4中至少之一是脂族烃基时X为选自氟原子、氯原子、溴原子和碘原子的卤素原子，
转化为由下式2所表示的卤素取代的芳族醛：
其中X、R1、R2、R3和R4与式1中所定义的相同。
根据本发明的方法，通过单一步骤的反应，以高的选择性和高的收率从卤素取代的芳香族化合物便宜地生成了高纯度的卤素取代的芳族醛。
发明详述
由式1
所表示的起始卤素取代的芳香族化合物含有氟原子，或除了在苯环上的卤素原子外含脂族烃基，并含在卤素原子的对位的氢原子。
R1、R2、R3和R4是相同的或不同的，各自表示氢原子或含1至6个碳原子的脂族烃基。该脂族烃基选自甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基，及它们的异构体，特别优选甲基。
X在R1、R2、R3和R4全部是氢原子时为氟原子。当R1、R2、R3和R4中至少之一是脂族烃基时，X为选自氟原子、氯原子、溴原子和碘原子的卤素原子，优选氟原子和氯原子。
式1的卤素取代的芳香族化合物实例包括氟取代的芳香族化合物，例如一氟代苯、2-氟代甲苯、3-氟代甲苯、2-氟代乙苯、3-氟代-邻-二甲苯、2-氟代-间-二甲苯、5-氟代-间-二甲苯和2-氟代-对-二甲苯；氯取代的芳香族化合物，例如2-氯甲苯、3-氯甲苯、3-氯-邻-二甲苯和2-氯-对-二甲苯；溴取代的芳香族化合物，例如2-溴甲苯和2-溴-对-二甲苯；及碘取代的芳香族化合物，例如2-碘甲苯。
在这些卤素取代的芳香族化合物在包含氟化氢和三氟化硼的催化剂存在下的甲酰化中，卤素原子的对位而不是脂族烃基的对位被一氧化碳攻击而形成醛。因此，卤素原子的对位应该是氢原子。
在本发明中，重要的是在包含氟化氢和三氟化硼的催化剂存在下进行卤素取代的芳香族化合物与一氧化碳的反应(甲酰化)。通过使用这种催化剂，可以达到极高的生产效率，因为即使在短的反应时间内和在低于室温的温度下，相应的卤素取代的芳族醛也被以极高的收率生产。当所述卤素取代的芳香族化合物是一氟代苯时，对于对-氟代苯甲醛的选择性极高，邻-氟代苯甲醛异构体的产生被降至最低，间-氟代苯甲醛异构体的产生被完全地阻止。因为氟化氢和三氟化硼是高度挥发性的，所以使用的催化剂可以方便地回收再利用。因此，避免了对用过的催化剂的处理，这使得该方法经济，并降低了环境的负担。
氟化氢的用量优选为每一摩尔卤素取代的芳香族化合物原料5.0摩尔或更多，更优选7.0摩尔或更多。随着氟化氢量的增加，卤素取代的芳香族化合物原料的转化率变高。然而，过分大量使用氟化氢降低生产装置的体积效率，并增加了要回收的氟化氢的量，因此优选该用量的上限为每一摩尔卤素取代的芳香族化合物原料30.0摩尔。
三氟化硼的用量优选为每一摩尔卤素取代的芳香族化合物原料1.1至5.0摩尔，更优选1.2至3.5摩尔。如果小于1.1摩尔，甲酰化的速率极度下降，使得该方法工业上不利。三氟化硼的用量可以超过5.0摩尔。然而，因为反应体系的压力即使在提供一氧化碳之前就达到了较高的水平，且由于一氧化碳的提供压力会进一步增加，所以要求反应器耐受相当高的压力，这是不利的。当卤素取代的芳香族化合物是一氟代苯时，优选三氟化硼的用量为每一摩尔氟苯原料1.3至5.0摩尔，更优选为1.5至3.5摩尔。
为防止不利的副反应，反应温度是重要的工艺参数，本发明的方法优选在10℃或更低，更优选在0℃或更低，更更优选在-10℃或更低的温度下进行。通过使用包含氟化氢和三氟化硼的催化剂，卤素取代的芳香族化合物的甲酰化即使在这样低的温度下也快速地进行。所产生的醛可能与未反应的卤素取代的芳香族化合物原料反应形成副产物。因此，还考虑到使副产物最少化，其中甲酰化在低于室温的温度下进行的本发明方法是有利的。过低的温度是不需要的，甲酰化通常在约-40℃或更高的温度下进行。
考虑到收率，甲酰化中一氧化碳的分压优选为0.5MPa或更高，更优选为0.7MPa或更高。高于3MPa的分压是经济上不希望的和不需要的。
在上述条件下，甲酰化通常进行1至50小时。
甲酰化完成后，得到了含卤素取代的芳族醛-氟化氢-三氟化硼络合物的溶液。通过例如在合适的分解助剂存在下热分解该络合物，该络合物溶液被分离成为含卤素取代的芳族醛和未反应的卤素取代的芳香族化合物的分解助剂溶液，及含氟化氢和三氟化硼的催化剂。分离的氟化氢和三氟化硼不用处理，而是作为催化剂在随后的反应运行中重复利用。因为分解助剂溶液除未反应的卤素取代的芳香族化合物外几乎不含副产物，所以通过简单的提纯方法如蒸馏就得到了精制的卤素取代的芳族醛。未反应的卤素取代的芳香族化合物被回收并在随后的反应运行中重新使用。
结合实施例，本发明将被更详细地描述。然而应该指出，本发明的范围不局限于此。
具体实施方式
实施例1
将装有搅拌器、三个上入口、一个下出口以及用于控制内部温度的夹套的500毫升高压釜用作为甲酰化反应器。
在通过使冷却介质经过夹套而将高压釜冷却至-20℃或更低后，投入150g(7.5摩尔)氟化氢和72.1g(0.75摩尔)氟苯。然后，在搅拌下加入101.7g(1.5摩尔)三氟化硼，同时控制温度以使其不超过-20℃。
在加入了三氟化硼后，高压釜的内部温度降低至-25℃，并将一氧化碳引入直至内部压力达到2MPa，同时保持温度在-25℃。在保持温度在-25℃、压力在2MPa下搅拌一小时后，将反应液混合物倒入冰水中。加入甲苯并充分振荡后，油层被分离。用水洗涤并用气相色谱分析油层。氟苯的转化率是37.1摩尔％，对于对-氟代苯甲醛的选择性是99.8摩尔％。生成的对-氟代苯甲醛与邻-氟代苯甲醛的比例为99.96∶0.04，间-氟代苯甲醛未检测到。
实施例2
按照与实施例1中的相同方法进行反应和对反应液混合物的处理，除了改变初期投料为氟化氢100g(5.0摩尔)，氟苯96.1g(1.0摩尔)，和三氟化硼135.6g(2.0摩尔)以外。对油层的气相色谱分析结果表明，氟苯的转化率是20.3摩尔％，对于对-氟代苯甲醛的选择性是99.8摩尔％。生成的对-氟代苯甲醛与邻-氟代苯甲醛的比例为99.96∶0.04，间-氟代苯甲醛未检测到。
实施例3
按照与实施例1中的相同方法进行反应和对反应液混合物的处理，除了改变三氟化硼初期投料为152.6g(2.25摩尔)，改变反应温度至-30℃和反应时间至3小时以外。对油层的气相色谱分析表明，氟苯的转化率是71.6摩尔％，对于对-氟代苯甲醛的选择性是99.9摩尔％。生成的对-氟代苯甲醛与邻-氟代苯甲醛的比例为99.97∶0.03，间-氟代苯甲醛未检测到。
实施例4
按照与实施例1中的相同方法进行反应，除了改变初期投料为氟化氢200g(10.0摩尔)，氟苯48.1g(0.5摩尔)，和三氟化硼101.7g(1.5摩尔)，改变反应温度至-30℃和反应时间至5小时以外。按照如实施例1中的相同方法处理反应液混合物，并用气相色谱分析油层。氟苯的转化率是90.6摩尔％，对于对-氟代苯甲醛的选择性是99.9摩尔％。生成的对-氟代苯甲醛与邻-氟代苯甲醛的比例为99.97∶0.03，间-氟代苯甲醛未检测到。
实施例5
按照与实施例1中的相同方法进行反应，除了改变初期投料为氟化氢200g(10.0摩尔)，氟苯48.1g(0.5摩尔)，和三氟化硼67.8g(1.0摩尔)，改变反应温度至20℃和反应时间至3小时以外。按照如实施例1中的相同方法处理反应液混合物，并用气相色谱分析油层。氟苯的转化率是30摩尔％，对于对-氟代苯甲醛的选择性是97.0摩尔％。经证实高沸点产物的形成可归因于对-氟代苯甲醛与氟苯原料之间的反应。
实施例6
将装有搅拌器、三个上入口、一个下出口以及用于控制内部温度的夹套的500毫升高压釜用作为甲酰化反应器。
在通过使冷却介质经过夹套而将高压釜冷却至-20℃后，投入150g(7.5摩尔)氟化氢和82.6g(0.75摩尔)2-氟代甲苯。然后，在搅拌下加入75.9g(1.12摩尔)三氟化硼，同时控制温度以使其不超过-20℃。
在加入了三氟化硼后，将一氧化碳引入高压釜直到内部压力达到2MPa，同时保持内部温度在-20℃。在保持温度在-20℃、压力在2MPa下搅拌一小时后，将反应液混合物倒入冰水中。加入己烷并充分振荡后，油层被分离。用水洗涤并用气相色谱分析油层。2-氟代甲苯的转化率是73.5摩尔％，对4-氟-3-甲基苯甲醛的选择性是99.3摩尔％，对3-氟-4-甲基苯甲醛的选择性是0.5摩尔％，对两种异构体的总选择性是99.8摩尔％。
实施例7
按照与实施例6中的相同方法进行反应和对反应液混合物的处理，除了改变三氟化硼初期投料为101.7g(1.5摩尔)以外。对油层的气相色谱分析结果表明，2-氟代甲苯的转化率是84.2摩尔％，对4-氟-3-甲基苯甲醛的选择性是99.4摩尔％，对3-氟-4-甲基苯甲醛的选择性是0.5摩尔％，对两种异构体的总选择性是99.9摩尔％。
实施例8
按照与实施例6中的相同方法进行反应和对反应液混合物的处理，除了改变三氟化硼初期投料为101.7g(1.5摩尔)和改变反应温度至0℃以外。对油层的气相色谱分析结果表明，2-氟代甲苯的转化率是80.5摩尔％，对4-氟-3-甲基苯甲醛的选择性是99.1摩尔％，对3-氟-4-甲基苯甲醛的选择性是0.6摩尔％，对两种异构体的总选择性是99.7摩尔％。
实施例9
按照与实施例6中的相同方法进行反应和对反应液混合物的处理，除了改变氟化氢初期投料为100.0g(5.0摩尔)和2-氟代甲苯初期投料为110.1g(1.0摩尔)以外。对油层的气相色谱分析结果表明，2-氟代甲苯的转化率是57.8摩尔％，对4-氟-3-甲基苯甲醛的选择性是99.3摩尔％，对3-氟-4-甲基苯甲醛的选择性是0.5摩尔％，对两种异构体的总选择性是99.8摩尔％。
实施例10
在通过使冷却介质经过夹套而将实施例6中所使用的相同类型的高压釜冷却至-20℃后，投入150g(7.5摩尔)氟化氢和82.6g(0.75摩尔)3-氟代甲苯。然后，在搅拌下加入101.7g(1.5摩尔)三氟化硼，同时控制温度以使其不超过-20℃。
在加入了三氟化硼后，将高压釜的内部温度降低至-25℃，并将一氧化碳引入高压釜直到内部压力达到2MPa，同时保持内部温度在-25℃。在保持温度在-25℃、压力在2MPa下搅拌一小时后，将反应液混合物倒入冰水中。加入己烷并充分振荡后，油层被分离。用水洗涤并用气相色谱分析油层。3-氟代甲苯的转化率是90.8摩尔％，对4-氟-2-甲基苯甲醛的选择性是96.7摩尔％，对2-氟-4-甲基苯甲醛的选择性是3.2摩尔％，对两种异构体的总选择性是99.9摩尔％。
实施例11
在通过使冷却介质经过夹套而将实施例6中所使用的相同类型的高压釜冷却至-20℃后，投入120.0g(6.0摩尔)氟化氢和76.0g(0.6摩尔)2-氯甲苯。然后，在搅拌下加入81.4g(1.2摩尔)三氟化硼，同时控制温度以使其不超过-20℃。
在加入了三氟化硼后，将高压釜的内部温度降低至-30℃，并将一氧化碳引入高压釜直到内部压力达到2MPa，同时保持内部温度在-30℃。在保持温度在-30℃、压力在2MPa下搅拌一小时后，将反应液混合物倒入冰水中。加入己烷并充分振荡后，油层被分离。用水洗涤并用气相色谱分析油层。2-氯甲苯的转化率是18.0摩尔％，对4-氯-3-甲基苯甲醛的选择性是90.8摩尔％，对3-氯-4-甲基苯甲醛的选择性是8.8摩尔％，对两种异构体的总选择性是99.6摩尔％。
实施例12
按照与实施例11中的相同方法进行反应和对反应液混合物的处理，除了改变原料化合物为3-氯甲苯以外。对油层的气相色谱分析结果表明，3-氯甲苯的转化率是57.1摩尔％，对4-氯-2-甲基苯甲醛的选择性是75.8摩尔％，对2-氯-4-甲基苯甲醛的选择性是23.9摩尔％，对两种异构体的总选择性是99.7摩尔％。
实施例13
在通过使冷却介质经过夹套而将实施例6中所使用的相同类型的高压釜冷却至-5℃后，投入120.0g(6.0摩尔)氟化氢和84.4g(0.6摩尔)2-氯-对-二甲苯。然后，在搅拌下加入81.4g(1.2摩尔)三氟化硼，同时控制温度使其不超过-5℃。
在加入了三氟化硼后，将一氧化碳引入高压釜直到内部压力达到2MPa，同时保持内部温度在-5℃。在保持温度在-5℃、压力在2MPa下搅拌一小时后，将反应液混合物倒入冰水中。加入己烷并充分振荡后，油层被分离。用水洗涤并用气相色谱分析油层。2-氯-对-二甲苯的转化率是78.5摩尔％，对4-氯-2，5-二甲基苯甲醛的选择性是99.2摩尔％。
Claims (8)
1.一种生产卤素取代的芳族醛的方法，包括如下步骤：通过在氟化氢和三氟化硼存在下与一氧化碳的反应，将由下式1所表示的卤素取代的芳香族化合物：
其中R1、R2、R3和R4是相同的或不同的，且各自表示氢原子或含1至6个碳原子的脂族烃基，X在R1、R2、R3和R4全部是氢原子时为氟原子，并且当R1、R2、R3和R4中至少之一是脂族烃基时X为选自氟原子、氯原子、溴原子和碘原子的卤素原子，
转化为由下式2所表示的卤素取代的芳族醛：
其中X、R1、R2、R3和R4与式1中所定义的相同。
2.权利要求1的方法，其中所述的卤素取代的芳香族化合物为氟苯。
3.权利要求2的方法，其中基于每一摩尔的氟苯，使用5.0至30.0摩尔的氟化氢和1.3至5.0摩尔的三氟化硼。
4.权利要求2或3的方法，其中反应温度为0℃或更低。
5.权利要求1的方法，其中R1、R2、R3和R4中至少之一为脂族烃基。
6.权利要求5的方法，其中基于每一摩尔的卤素取代的芳香族化合物，使用5.0至30.0摩尔的氟化氢和1.1至5.0摩尔的三氟化硼。
7.权利要求5或6的方法，其中反应温度为10℃或更低。
8.权利要求5至7中任何一项的方法，其中X是氯原子或氟原子。
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