CN1968750A - 催化剂组合物及其在芳族化合物氯化反应中的应用 - Google Patents
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Abstract
芳族化合物的环－卤化方法，该方法包括在催化剂组合物的存在下将芳族化合物与氯或溴接触，其中催化剂组合物包括：至少一种包含选自第13族的金属和源于酸的相反离子的盐，所述酸相对于水的pKa为0以上；和至少一种有机硫化合物。
Description
背景技术
本发明涉及芳族化合物的氯化反应。更具体地涉及氯化反应方法及能主要生成对-氯芳族化合物的催化剂组合物。
诸如甲苯和二甲苯的芳族化合物的氯化反应是已知的反应，提供了各种有用的化合物。这些化合物之中最有用的是对-氯芳族化合物。例如，对-氯甲苯是能够转化为多种有用化学产品的中间体。对-氯-邻-二甲苯(有时也称作4-氯-1，2-二甲苯或4-氯-o-二甲苯)是又一种有用的化合物，其可以被氧化成4-氯邻苯二甲酸，而这是一种生产聚醚酰亚胺的重要中间体。然而，这些有用的对-氯芳族化合物的生产由于同时产生大量不符合需要的副产物而变得复杂化。因此，甲苯和二甲苯(邻-二甲苯及邻-二甲苯)的氯化反应生成对-一氯取代的异构体，同时混杂有其它异构体，例如分别有邻-氯甲苯和3-氯-1，2-二甲苯。此外，通常还生成大量的多氯化产物。
许多已知的芳族化合物的氯化反应方法涉及到与单质氯的反应，反应中存在路易斯酸(Lewis acid)，例如三氯化铁、三氯化锑、五氯化锑、氯化锌和三氯化铝，这些路易斯酸类物质还通常在诸如烷基化及酰化等Friedel-Crafts反应中用作催化剂。
然而，使用这种催化剂通常不会对所需的对-氯芳族异构体有极佳的选择性，也不能最大程度减少多氯化产物的形成。包括许多美国专利的多种出版物都进一步描述了混合催化剂体系，其中另一种催化剂组分为有机硫化合物。这些出版物中公开的有机硫化合物具有非常多样的结构。已使用的有机硫化合物的一些实例包括吩噻(phenoxathiin)、噻蒽和吩噻嗪。示例的专利有美国专利3,226,447、4,031,142、4,031,145、4,031,147、4,190,609、4,250,122、4,289,916、4,647,709、4,925,994和5,210,343；以及欧洲专利申请126669。尽管在芳族化合物的对卤化反应技术领域中有一定进展，但在产物的产率及选择性方面仍然迫切需要有进一步的提高。
发明简述
本发明提供能主要形成对-氯芳族化合物的方法及催化剂组合物。该方法可以很容易转化成在工业上运转。
在本发明的一个实施方案中，芳族化合物的环-卤化方法包括在催化剂组合物的存在下，将芳族化合物与氯或溴接触，其中催化剂组合物包括：至少一种包含选自第13族的金属和源于酸的相反离子的盐，所述酸相对于水的pKa为0以上；和至少一种有机硫化合物。
在本发明的第二个实施方案中，甲苯或邻-二甲苯的环-氯化反应方法包括在催化剂组合物存在下，将甲苯或邻-二甲苯与氯接触，其中所述催化剂组合物包括：至少一种包含选自铟和铊的金属和源于酸的反离子的盐，所述酸相对于水的pKa为0以上；和至少一种选自吩噻嗪-N-甲酰氯、N-三氟乙酰吩噻嗪、3-氯-N-三氟乙酰吩噻嗪和3-三氟甲基-N-三氟乙酰吩噻嗪的有机硫化合物。
在本发明的第三个实施方案中，甲苯或邻-二甲苯的氯化反应方法包括在催化剂组合物存在下将甲苯或邻-二甲苯与氯接触，所述催化剂组合物通过将至少一种选自硫化铟、碲化铟、硫化铊和草酸铊的金属盐；至少一种有机硫化合物；和氯原子源混合而制备。
本发明的第四个实施方案为催化剂组合物，所述催化剂组合物通过将(A)至少一种盐，所述盐包含选自第13族的金属和源于至少一种酸的相反离子，所述酸选自相对于水的近似pKa值为约0以上的酸；(B)至少一种有机硫化合物和(C)卤素原子源混合而制备。
本发明的第五个实施方案为用于甲苯或邻-二甲苯氯化反应的催化剂组合物，所述催化剂组合物包括至少一种盐，所述盐包含选自铊、铟和镓的金属和源于一元羧酸、二羧酸、硫化氢、硒化氢、碲化氢和它们的衍生物的相反离子；和至少一种选自吩噻嗪-N-甲酰氯、N-三氟乙酰吩噻嗪、3-氯-N-三氟乙酰吩噻嗪或3-三氟甲基-N-三氟乙酰吩噻嗪的有机硫化合物。
发明详述
上面描述的实施方案具有多种优点，例如可以提供催化剂组合物以及使用这些催化剂组合物来促进诸如甲苯及邻-二甲苯等芳族化合物的有效对位-选择性环-卤化的方法。
通过此处公开的方法可将任何芳族化合物氯化。合适的芳族化合物包括单环和多环烃以及它们的取代衍生物。单环烃的非限制性实例包括苯、甲苯及邻-、间-、对-二甲苯；以及1，2，4，5-四甲苯。优选芳族烃包含至少一个C1-4烷基取代基，优选甲基，并且一个烷基的对位为氢所取代。最优选甲苯和邻-二甲苯。
在本发明的实施方案中，在催化剂组合物存在下将芳族化合物与氯接触以实施反应。对于液态芳族化合物，通常将氯气鼓泡通过液态反应物。虽然溶剂一般不是必要的，但也可以在液态芳族化合物中使用溶剂。对于在环境温度下为固体的芳族化合物，使用溶剂是有益的。通常优选反应在液相而非气相中进行。
为简便起见，将催化剂组合物的各成分定义为“组分”，不考虑涉及所述成分的反应是发生于氯化反应反应之前还是在氯化反应反应期间。因此催化剂组合物可包括源于一种或多种组分的反应产物。所述反应产物可以包含氯或氯化氢，或者氯和氯化氢。所述反应产物可以与一种或多种在催化剂组合中剩余未反应的组分形成混合物，也可以不形成混合物。一般地说，通过将组分(A)、(B)和(C)组合得到催化剂组合物。催化剂组合物的组分(A)为至少一种元素周期表中第13族金属的化合物，最通常的是盐。第13族金属的具体例子包括铊、铟及镓。该盐可以对应于任何相对于水的pKa为0以上的酸，无论是无机酸或有机酸。第13族金属的无机酸盐的非限制性例子包括但不局限于硫属化物盐，例如硫化铟、碲化铟、硒化铟及硫化铊。优选第13族金属的有机盐，因为它们通常更易溶于芳族化合物环卤化反应中存在的疏水反应介质。虽然不是要求金属盐必须能溶于疏水反应介质，但优选的盐包括至少部分溶于反应介质的那些。包括于该子类的是其中阴离子(以下有时也称相反离子)源于酸性有机化合物的盐。这种盐在诸如甲苯及邻-二甲苯的疏水有机溶剂中至少有一些溶解度。这种酸性有机化合物的实例包括但不限于在各实施方案中相对于水的近似pKa值为下面那些：在第一实施方案中为0以上，在第二实施方案中为1以上，在第三实施方案中为2以上，在第四实施方案中为3以上，在第五实施方案中为4以上，在第六实施方案中为5以上，在第七实施方案中为6以上，在第八实施方案中为7以上，在第九实施方案中为8以上，在第十实施方案中为9以上。在一些实施方案中，阴离子源于羧酸，例如一元羧酸或二元羧酸；2，4-二酮或其衍生物。“2，4-二酮”指1，3-二羰基化合物，包括但不限于二酮，或β-酮酯，在β-酮酯中两个羰基基团被碳原子分开，不考虑所述羰基在分子中的位置。羧酸衍生物的示例包括一元羧酸，例如苯甲酸、乙酸、三氟乙酸等等；二元羧酸的示例包括乙二酸、丙二酸等等。还可使用氢硫属化物，例如硫化氢、硒化氢和碲化氢的第13族金属盐。合适的2，4-二酮的非限制性实例包括卤化的衍生物，特别是氯化或氟化的衍生物。源于无机和有机酸的相反离子的其它非限制性实例包括磷酸根、膦酸根、醇根(alkoxide))、酚根(phenoxide)等等。适合作为组分(A)的盐的优选实例包括但不限于硫化铟、碲化铟、硒化铟、硫化铊、草酸铊和草酸铟。
组分(B)为至少一种有机硫化合物。合适的化合物包括二烷基硫醚、二芳基硫醚、二烷基二硫醚、二芳基二硫醚、硫醇、硫酚、吩噻(phenoxathiin)、噻吩二苯并噻吩、噻蒽和吩噻嗪，包括它们的取代衍生物。组分B也可以为有机硫化合物的混合物。
特别优选的有机硫化合物是吩噻嗪-N-甲酰氯，具有以下结构式
该化合物可通过已知的方法合成，例如通过吩噻嗪与碳酰氯的反应合成。N-三氟乙酰吩噻嗪也特别有效。N-三氟乙酰吩噻嗪的取代类似物，例如取代基位于芳环上，诸如2-氯-N-三氟乙酰吩噻嗪及2-三氟甲基-N-三氟乙酰吩噻嗪也是有效的。
组分(C)是诸如二卤(dihalogen)或卤化氢(例如氯化氢)的卤原子源。在一个实施方案中，卤化氢可以为市售可得的物质，例如瓶装氯化氢气体。在另一个实施方案中，卤化氢由芳族化合物与亲电卤素源的亲电芳族取代反应原位生成。
本发明的方法可通过将芳族化合物、组分(A)和组分(B)的混合物与氯接触来进行，优选于液相中进行，最通常的温度为约0-100℃，优选约5-50℃，最优选低于25℃。优选通过将反应混合物与诸如氮或氩等惰性气体接触以防空气和潮湿，而且应避免暴露于环境的光线中，以最大程度减少在芳族化合物烷基侧链上的氯化反应程度。本文中的术语“光线”指的是在光谱的可见光及紫外线区域的辐射。使反应混合物避免潮湿也是重要的。在一个实施方案中，需要卤化的芳族化合物的潮湿度应优选低于或等于约50ppm，在另一个实施方案中，更优选低于或等于约25ppm。
在制备规模上，优选通过将至少一部分(更优选基本上所有的)氯通过反应混合物来实现接触。但是，为筛选的目的，通常方便地将氯载入反应体系的上部空间(head-space)，并且通过施加较小程度的真空来排除副产物氯化氢。反应进行的压力可以在低于大气压(sub-atmospheric)至超大气压(super-atmospheric)间变化，例如为约0.5至高达约10个大气压，尽管超大气压压力通常不是必要的。已经发现，为了筛选的目的，可以方便地使用过量的氯，相对于芳族化合物通常高达约50摩尔％，优选约10-30摩尔％。从诸如亚硫酰氯、硫酰氯、碳酰氯、草酰氯等试剂原位生成氯也在本发明的范围之内。
在制备规模上，可以简单地将氯通入到混合物中并周期性地提取样品，直到通过本领域中已知的分析方法(例如气相色谱法)确定生成的所期望的对-一氯芳族化合物产物已经达到期望量或最大量。但是在制备规模上，并不希望使用过量的氯，因为这会导致过度氯化反应。通常相对于氯化反应的芳族化合物的量而言，使用25-100摩尔％的氯，优选50-90摩尔％的氯，最优选70-85摩尔％的氯。在这些条件下，氯的利用率几乎为100％，因此过量的氯将不可避免地产生过度氯化反应产物。
基于芳族化合物的重量而言，组分(A)的量通常为约0.005至约10.0％重量，组分(B)的量为约0.005至约10.0％重量。优选它们分别为约0.01-5.0％和约0.01-0.1％，最优选分别为0.07-3.0％和约0.05-0.1％。大多数情况下，本发明方法中组分(A)的使用量高于在传统路易斯酸催化的氯化反应反应中(使用诸如三氯化铁的路易斯酸)的使用量。相反，相对于组分(A)而言，在本发明的方法中组分(B)的使用量通常比采用本领域中公认的路易斯酸氯化反应催化剂时更低。在不同的实施方案中，组分(A)与组分(B)的重量比为约2000∶1至1∶2000。在一些特定的实施方案中，组分(A)与组分(B)的重量比为约2∶1至约100∶1；在其它实施方案中为约3∶1至约80∶1；而在其它实施方案中为约3∶1至约70∶1。
在对制备所需的对-氯芳族化合物的条件进行优化的情况下，可以直接将本发明方法的氯化反应产物用于进一步的目的，例如不经进一步的纯化而直接用作化学中间体。进一步的纯化(如需要)可以通过采用一种或多种常规纯化技术，包括分馏、分级结晶和制备色谱法实现。可以间歇、半间歇或连续法进行上文描述的卤化方法。
此处教导的催化剂组合物可用于任何通过下面物质催化的反应：(1).(A)和(B)的组合；(2).包含(A)和(B)的反应产物；(3)组分(A)、(B)和包含(A)或(B)的至少一种反应产物；或(4).(A)、(B)和组分(C)；其中(A)是至少一种盐，所述盐包含选自第13族的金属和有机相反离子，所述有机相反离子源于至少一种相对于水的近似pKa值至少约为0的酸性化合物，(B)是至少一种有机硫化合物。催化剂组合物的示例性应用包括但不限于卤化反应(如氯化反应、溴化反应、碘化反应)和Friedel-Crafts反应。
此处公开的催化剂组合物和方法可特别用于通过邻-二甲苯的氯化反应制备4-氯-邻-二甲苯中，能得到邻-二甲苯的高转化率，同时保持对于一-氯-邻-二甲苯相对高水平的选择性和相对较低水平的过度氯化反应产物的形成。这就提高了下游操作(例如纯化步骤)回收纯化的4-氯-邻-二甲苯的效率；也降低了通过蒸馏回收及再循环未反应的邻-二甲苯的成本。
实施例
通过下列实施例举例说明本发明。所有的百分比都基于重量计算。实施例号码之后带有星号(“*”)或两个星号(“**”)的表示该实施例是对照实施例或比较实施例。缩写词“PNCC”和“DBT”分别代表N-氯甲酰基吩噻嗪和二苯并噻吩。“转化率”是转化为氯化反应产物的邻-二甲苯的百分数。缩写“一-Cl”代表芳族一氯化反应产物(即芳环被一氯化，而不是侧链被氯化反应的产物)的量作为总氯化反应产物的百分比，“4-Cl”代表4-一氯(p-氯)异构体的量作为总芳族一氯化反应产物的百分比。
实施例1-7和对照实施例1-9
使用PNCC为组分(B)进行高通量的催化剂筛选。采用邻-二甲苯或甲苯为芳族化合物进行氯化反应试验。
于10℃和大气压力下，在48-孔组合式铝块反应器中进行筛选试验，所述反应器被封在不透明盒中以防环境辐射。将氩气吹扫过的含有352mg(3.3mmol)邻-二甲苯、不同比例的第13族金属盐(在表中表示为基于邻-二甲苯的盐的重量百分数(％重量))和0.02％重量(基于邻-二甲苯)的PNCC的玻璃管瓶置于反应器各孔中。管瓶独个搅动。在20分钟内通过聚四氟乙烯气体歧管和具有1.59mm外径(OD)的MONEL管将氯(基于邻-二甲苯计算120摩尔％)加入至各管瓶的顶部空间。对每个反应器管瓶施加较小程度的真空来排除过量的氯以及反应中形成的HCl。另外，在反应将结束时，通过用氩气吹扫管瓶30分钟来排除管瓶中残留的氯。通过气相色谱法确定每个管瓶中反应混合物的组成。结果列于表1中。在表中，“A”代表邻-二甲苯，“B”代表甲苯。
表1
| 实施例 | Ar-H | 金属盐 | 有机硫化合物 | 转化率(％) | 一-Cl(％) | 4-Cl(％) | ||||
| 物质 | wt％ | (1) | wt％(1) | (2) | wt％(2) | |||||
| 1 | A | In2S3 | 0.01 | PNCC | 0.1 | NA | NA | 93 | 95 | 75 |
| 1* | A | In2S3 | 0.01 | NA | NA | NA | NA | 35 | 91 | 58 |
| 2 | A | In2Te3 | 0.01 | PNCC | 0.1 | NA | NA | 96 | 94 | 75 |
| 2* | A | In2Te3 | 0.01 | NA | NA | NA | NA | 88 | 93 | 54 |
| 3 | A | Tl2S | 0.01 | PNCC | 0.1 | NA | NA | 91 | 96 | 75 |
| 3* | A | Tl2S | 0.01 | NA | NA | DBT | 0.1 | 90 | 97 | 69 |
| 4* | A | Tl2S | 0.01 | NA | NA | NA | NA | 74 | 95 | 57 |
| 4 | A | Tl2C2O4 | 0.01 | PNCC | 0.1 | NA | NA | 97 | 94 | 77 |
| 5* | A | Tl2C2O4 | 0.01 | NA | NA | NA | NA | 83 | 96 | 54 |
| 6* | A | FeCl3 | 0.01 | PNCC | 0.1 | NA | NA | 91 | 92.7 | 74.5 |
| 5 | B | In(TFA)3 | 0.25 | PNCC | 0.1 | NA | NA | 76 | 99 | 54 |
| 7* | B | In(TFA)3 | 0.25 | NA | NA | NA | NA | 80 | 99 | 45 |
| 6 | B | In2S3 | 0.25 | PNCC | 0.1 | NA | NA | 64 | 99 | 56 |
| 8* | B | In2S3 | 0.25 | NA | 0 | NA | NA | 6 | 94 | 35 |
| 7 | B | Tl2S | 0.25 | PNCC | 0.1 | NA | NA | 76 | 99 | 56 |
| 9* | B | Tl2S | 0.25 | NA | NA | NA | NA | 20 | 97 | 34 |
| 10* | B | FeCl3 | 0.024 | PNCC | 0.02 | NA | NA | 85 | 95 | 56 |
从表1的结果中可见，通过本发明获得令人满意的转化率及有利的产物分布。这些结果还表明，与单独使用金属盐的情况相比，具有相对于水的pKa为0以上的酸的第13族金属盐与PNCC的组合可以得到更高的邻-二甲苯转化率、对4-氯-邻-二甲苯更高的选择性及对于一氯化邻-二甲苯更高的选择性。
实施例8和比较实施例11。
在制备规模上完成这些实施例，对于实施例8，使用邻-二甲苯(7克)、In(acac)3(1.35毫克)及PNCC(相对于In(acac)3的量为10摩尔当量)；对于比较实施例11，使用邻-二甲苯(7克)、FeCl3(0.89毫克)及PNCC(相对于FeCl3的量为10摩尔当量)。结果示于表2中。在表2中指出的时间过后取反应混合物的等分试样并进行分析。
表2
| 实施例 | 金属盐 | 时间(分) | 转化率(％) | 4-Cl(％) | 一-Cl(％) |
| 8 | In(acac)3 | 10 | 15 | 71 | 100 |
| 30 | 89 | 75 | 96 | ||
| 35 | 99 | 77 | 91 | ||
| 40 | 100 | 80 | 80 | ||
| 50 | 100 | 83 | 74 | ||
| 11* | FeCl3 | 10 | 21 | 72 | 100 |
| 30 | 83 | 73 | 96 | ||
| 35 | 90 | 74 | 94 | ||
| 40 | 94 | 74 | 90 | ||
| 50 | 97 | 75 | 89 |
表2显示的结果表明，与使用FeCl3为金属盐的情况相比，使用In(acac)3金属盐，显著降低了过度氯化反应产物的水平。
虽然为示例的目的给出了典型的实施方案，但不能认为前面的描述及实施例是对本发明范围的限制。因此，在不偏离本发明的实质及范围的情况下，本领域的技术人员可以做出各种改变、变通及替代方案。
Claims (28)
1.一种芳族化合物的环-卤化方法，所述方法包括在催化剂组合物的存在下，将所述芳族化合物与氯或溴接触，其中所述催化剂组合物包括：
至少一种包含选自第13族的金属和源于酸的相反离子的盐，所述酸相对于水的pKa为0以上；和
至少一种有机硫化合物。
2.权利要求1的方法，其中所述接触在液相中进行。
3.权利要求1的方法，其中所述接触在约0-100℃下进行。
4.权利要求1的方法，其中所述接触避免暴露于环境的光线和环境的潮湿中。
5.权利要求1的方法，其中所述芳族化合物是单环烃。
6.权利要求5的方法，其中所述芳族化合物是甲苯或邻-二甲苯。
7.权利要求1的方法，其中所述酸选自一元羧酸、二元羧酸、硫化氢、硒化氢、碲化氢、2，4-二酮及其衍生物。
8.权利要求1的方法，其中所述金属选自铟、镓和铊。
9.权利要求1的方法，其中所述至少一种盐选自硫化铟、碲化铟、硫化铊、草酸铊和草酸铟。
10.权利要求1的方法，其中所述至少一种有机硫化合物选自二烷基硫醚、二芳基硫醚、二烷基二硫醚、二芳基二硫醚、硫醇、硫酚、吩噻、噻吩二苯并噻吩、噻蒽和吩噻嗪。
11.权利要求1的方法，其中所述至少一种有机硫化合物选自吩噻嗪-N-甲酰氯、N-三氟乙酰吩噻嗪、2-氯-N-三氟乙酰吩噻嗪和2-三氟甲基-N-三氟乙酰吩噻嗪。
12.权利要求1的方法，其中所述至少一种盐的存在量占所述芳族化合物的约0.005-10.0％重量。
13.权利要求1的方法，其中所述至少一种盐的存在量占所述芳族化合物的约0.07-3.0％重量。
14.权利要求1的方法，其中所述至少一种有机硫化合物的存在量占所述芳族化合物的约0.005-10.0％重量。
15.权利要求1的方法，其中所述至少一种有机硫化合物的存在量占所述芳族化合物的约0.01-0.1％重量。
16.一种用于甲苯或邻-二甲苯的环-氯化反应方法，所述方法包括在催化剂组合物存在下，将甲苯或邻-二甲苯与氯接触，其中所述催化剂组合物包括：
至少一种盐，所述盐包含选自铟和铊的金属及源于酸的相反离子，所述酸相对于水的pKa为0以上；和
至少一种选自吩噻嗪-N-甲酰氯、N-三氟乙酰吩噻嗪、3-氯-N-三氟乙酰吩噻嗪和3-三氟甲基-N-三氟乙酰吩噻嗪的有机硫化合物。
17.权利要求16的方法，其中所述至少一种盐选自碲化铟、硫化铊、硫化铟、草酸铊和草酸铟。
18.权利要求16的方法，其中所述催化剂组合物包括所述至少一种盐与所述至少一种有机硫化合物的至少一种反应产物。
19.权利要求16的方法，其中所接触在液相中进行。
20.一种用于甲苯或邻-二甲苯的氯化反应方法，所述方法包括在催化剂组合物存在下，将甲苯或邻-二甲苯与氯接触，其中所述催化剂组合物通过将至少一种选自硫化铟、碲化铟、硫化铊和草酸铊的金属盐；至少一种有机硫化合物；和氯原子源混合而制备。
21.权利要求20的方法，其中所述有机硫化合物选自吩噻嗪-N-甲酰氯、N-三氟乙酰吩噻嗪、3-氯-N-三氟乙酰吩噻嗪和3-三氟甲基-N-三氟乙酰吩噻嗪。
22.权利要求20的方法，其中所述催化剂组合物包括所述至少一种盐与所述至少一种有机硫化合物的至少一种反应产物。
23.权利要求20的方法，其中所述接触在液相中进行。
24.权利要求20的方法，其中所述氯原子源包括分子氯或氯化氢。
25.一种催化剂组合物，所述催化剂组合物通过将(A)至少一种盐，所述盐包含选自第13族的金属和源于至少一种酸的相反离子，所述酸选自相对于水的近似pKa值为0以上的酸；(B)至少一种有机硫化合物；和(C)卤原子源混合而制备。
26.权利要求25的催化剂组合物，其中所述酸包括一元羧酸、二元羧酸、硫化氢、硒化氢、碲化氢或上述酸的衍生物。
27.一种用于甲苯或邻-二甲苯的氯化反应的催化剂组合物，所述催化剂组合物包括：
至少一种盐，所述盐包含选自铊、铟和镓的金属和源于一元羧酸、二元羧酸、硫化氢、硒化氢、碲化氢和它们的衍生物的相反离子；和
至少一种选自吩噻嗪-N-甲酰氯、N-三氟乙酰吩噻嗪、3-氯-N-三氟乙酰吩噻嗪或3-三氟甲基-N-三氟乙酰吩噻嗪的有机硫化合物。
28.权利要求27的催化剂组合物，其中所述至少一种盐选自硫化铟、碲化铟、草酸铊和草酸铟。
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