CN1023117C - 菲用相转移催化氧化法制联苯二甲酸 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种菲采用相转移催化——四氧化钌——次氯酸钠氧化制,2,2′-联苯二甲酸的方法。
相转移催化剂的通式为:R1R2R3R4N+X-,R1、R2、R3、R4可以是烷基或苄基,X-为Cl-或Br-、当菲与季铵盐和钌的摩尔比均为0.5~10%;菲与次氯酸钠的摩尔比为1∶5~15时,采用三氯(或四氧)乙烯为溶剂,在强碱性介质中氧化,可得到纯度>99%,收率85%以上的2,2′-联苯二甲酸。
本方法适用75%以上的工业菲的氧化。

Description

本发明属于用菲制备联苯二甲酸的一种方法,其特点是在四氧化钌和相转移催化剂的存在下,以价廉易得的次氯酸钠为氧化剂,由菲氧化得联苯二甲酸。因此,可简称“相转移催化-四氧化钌-次氯酸钠”法。该法获得的联苯二甲酸可合成性能优良适用于锦纶6和羊毛染色的弱酸性染料。
菲氧化制联苯二甲酸的方法很多,比较重要的有高锰酸钾法、过氧乙酸法、臭氧法、次氯酸钠法以及液相催化氧化法,但大多由于经济上的原因而示能实现工业化。
相转移催化-四氧化钌一次氯酸钠法是近年来发展较快的一种新的氧化方法,应用面甚广。例如,可将烯烃氧化成羧酸;将醇氧化成酮或酸;使芳环降解到羧酸等。然而,从文献上涉及到将菲用四氧化钌氧化的资料很少。1953年C.Djerassi和R.Engle采用等当量的四氧化钌在低温下进行菲的氧化,曾得到18%菲醌,大量的菲没有反应(可参见C.Djersassi and R.Engle,J.Am.Chem.Soc.,75,3838(1953))。1983年L.M.Stock等人在没有相转移催化剂的条件下,采用RuO4-NaIO4-CHCl3-CH3CN复合体系,在室温下氧化菲,得到邻苯二甲酸、联苯二甲酸、菲醌及痕迹量的1,2萘二酸,前三种产物的收率分别为5%、91%和4%,菲全部转化(可参见L.M.Stock and K.T.Tse,Euel,63,9974(1983))。大连理工大学硕士研究生王军宽曾经探索了用相转移催化-四氧化钌一次氯酸钠法氧化菲的可能性,发现在pH=9~11,加入催化剂四氧化钌,用次氯酸钠进行工业菲的氧化,同时得到联苯二甲酸、菲醌和蒽醌,其收率分别为23%、18%和50%(可参见王军宽,大连理工大学硕士论文,1986)。
相转移催化-四氧化钌一次氯酸钠氧化过程可以用下述图描述:
有机相    有机化合物    氧化产物
RuO4是一种强氧化剂,易溶于许多有机溶剂中,在反应过程中形成的黑色RuO2沉淀迁移到两相界面,被水相中的ClO-又氧化成RuO4,因此,氧化反应是在有机相或两相界面进行的。可以简化为以下两个主要反应式:
Figure 89102302X_IMG2
由于是两相反应,影响反应速度的因素很多,其中既包括传质因素,又包括化学反应因素。除了搅拌作用外,pH值,溶剂,相转移催化剂,四氧化钌用量以及次氯酸钠浓度和用量,都对反应速度有重要影响。
本发明的目的是由于联苯二甲酸可以合成树脂、增塑剂、医药、农药和染料等广泛的用途,利用煤焦油中的菲资源为原料,开发一条具有工业化价值由菲制联苯二甲酸的新路线。
R.G.Landolt指出,菲在pH=8.5~11,大过 量次氯酸钠溶液沸腾条件下反应,可氧化得到联苯二甲酸,但产物能进一步氧化为邻苯二甲酸和二氧化碳(可参见R.G.Landolt et al,Vhem.Ind.,7,292(1980))。考虑到本方法中同时存在NaCLO和RuO4,而RuO4又是强氧化剂,首先采用联苯二甲酸纯样进行空白试验,以弄清反应介质对联苯二甲酸稳定性的影响。试验证明,当pH=8~9时,联苯二甲酸很快发生分解,酸化时释放出大量CO2气体。在强碱性介质中则联苯二甲酸基本上是稳定的。因此,本发明提出采用这一体系进行菲氧化制联苯二甲酸,保护pH为强碱性是提高联苯二甲酸收率的重要前提。
当采用相转移催化-四氧化钌一次氯酸钠体系,以氯仿为溶剂进行菲的氧化时,在弱碱性介质中,氧化速度很快,但联苯二甲酸的收率不高;在强碱性介质中反应,可使收率显著升高,然而反应速度却大大降低。例如在10℃时反应,联苯二甲酸的收率为90.2%,而反应时间需要500小时。我们先后比较了氯仿、四氯化碳、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、氯苯等多种有机溶剂,试验表明,当采用含不饱和键的三氯乙烯或四氯乙烯为溶剂时,可使在强碱性介质中的反应速度大大加速
影响相转移催化反应的另一个重要因素是选择适当的相转移催化剂。常用的相转移催化剂有季铵盐、季磷盐、冠醚等。从价格及来源考虑,重点研究了季铵盐类(Q+X-)催化剂。最先选用的是常见的四丁基溴化铵,效果不理想。已知的碱性条件下,Q+在水中的溶解度将降低,一般认为宜采用含较低碳链的相转移催化剂,如三乙基苄基氯化铵(TEBA)。我们先后比较了多种不同结构的季铵盐类催化剂,其中有的效果优于TBAB,有的则不如。可以从中总结出以下的规律。季铵盐的通式是R1R2R3R4N+X-,其中R1,R2,R3,R4可以是烷基或苄基,当(R1+R2+R3+R4)碳原子数等于15~20时,效果较好,反应时间在8小时以内就可完成,最快的只须一小时,当20<(R1+R2+R3+R4)碳原子数<15时,则反应时间均较长。X-=Cl-或Br-。例如,当采用了(C2H53C6H5CH2NCl-或C18H37(CH33N+Cl-时,反应时间都需30小时以上,而一旦采用C14H29(CH33N+Cl-,则反应时间可缩短到4小时以内。相转移催化剂的用量也对反应速度有直接关系。以菲为基准,相转移催化剂的摩尔比应选择在0.5~10%mol之间。
氧化剂RuO4的用量也对反应速度有较大的影响,用量多,速度快。但用量过多,收率有所下降,其原因是加速了联苯二甲酸的分解。用量过少,则反应速度减慢。以菲的投料量为基准,钌的摩尔配比应在0.5~10%mol范围内。在反应中真正起作用的是RuO4,但作为原料也可以加入其他形态钌的化合物,如RuCl3-3H2O或RuO2
次氯酸钠的浓度对反应速度也有较大影响,试验中发现次氯酸钠浓度在0.3~2.5M范围内均可以。以菲的投料量为基准,次氯酸钠的用量约为1∶5~15。
钌的价格较高,本发明的优点在于所用的钌催化剂可接近定量回收,方法简便。这就是在反应完成后,向水相中加入少量亚硫酸氢钠,即可使RuO2沉淀下来。有机溶剂亦可蒸馏回收再用。
本发明氧化方法也可适用于含量为75%以上的工业菲的氧化。
本发明的优点是这一氧化新方法具有条件缓和;联苯二甲酸的收率高,可达85%以上;产品质量好,纯度>99%;原料可适用75%以上的工业菲;虽然钌的价格较高,本方法可将所用的钌催化剂接近定量回收,且方法简便;有机溶剂可蒸馏回收再用。
实施例
在250毫升锥形瓶中加入0.5克精菲,10毫升三氯乙烯,0.2毫升10%RuCl3·3H2o水溶液和0.1毫升40%十四烷基三甲基氯化铵水溶液,室温搅拌下加入40毫升0.8M次氯酸钠,用10%NaOH保持pH为强碱性,用薄层色谱控制反应终点(采用硅胶GF254涂板,展开剂为甲苯:醋酸为6∶1),反应约需3~4小时。分离两相,水相用亚硫酸氢钠处理以回收二氧化钌,酸化滤液即得到2,2′-联苯二甲酸,收率≥85%,纯度≥99%。

Claims (3)

1、一种菲用相转移催化氧化制2,2′-联苯二甲酸的方法,其特征在于使用的相转移催化剂为R1R2R3R4N+X-(R1、R2、R3、R4为烷基或苄基,X-为Cl-或Br-),其中R1+R2+R3+R4的碳原子数等于15~20;此外,还要用氧化剂钌的化合物的次氯酸钠;首先,菲与四氧化钌反应生成2,2′-联苯二甲酸和二氧化钌,然后,二氧化钌被次氯酸钠再氧化成四氧化钌循环参与反应。
以菲为基准,相转移催化剂和钌的摩尔用量均为菲的0.5~10%;次氯酸钠的摩尔用量为菲的1∶5~15倍;采用三氯乙烯或四氯乙烯为溶剂;在强碱性介质中氧化。
2、按照权利要求1所述的氧化方法,其特征在于相转移催化剂为十四烷基三甲基氯化铵时,氧化可在4小时以内完成。
3、按照权利要求1所述的氧化方法,其特征在于氧化剂可以是四氧化钌,也可用二氧化钌或RuCl3·3H2O。
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