專利名稱：一種水溶劑體系中催化空氣氧化制備芳香醛酮的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備芳香醛酮的方法，具體地，涉及一種以水為溶劑，用氧氣或空氣為氧化劑制備芳香醛酮的方法。
背景技術(shù)：
芳香醇氧化制備芳香醛是有機(jī)化學(xué)中最重要的官能團(tuán)轉(zhuǎn)換反應(yīng)之一，尋找高效清潔的催化氧化體系一直是有機(jī)化學(xué)的研究熱點(diǎn)。
在過(guò)去的幾十年里，化學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了兩大類有效的氧化體系。一種是過(guò)渡金屬催化的以氧氣或空氣為氧源的催化氧化體系，催化反應(yīng)的產(chǎn)物容易分離，并且沒(méi)有太多的廢物。但是，催化劑價(jià)格昂貴，常用的金屬有鈀(Pd)、釕(Ru)等貴金屬，并且還需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配體。這一類催化劑的催化活性通常會(huì)因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)生的水而失活；反應(yīng)底物中的雜原子(N、S等)會(huì)使催化劑中毒。另一種是氮氧自由基(代表化合物2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基TEMPO)催化的以化學(xué)計(jì)量的氧化劑的催化氧化體系。常用的氧化劑是次氯酸鈉(NaClO)、鹵素等。該催化體系效率很高，但產(chǎn)生大量的無(wú)機(jī)廢物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種水溶劑體系中催化空氣氧化制備芳香醛酮的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了不含過(guò)渡金屬的催化劑，用氧氣或空氣為氧化劑，以水為溶劑，把芳香醇和雜芳香醇氧化成相應(yīng)的芳香醛和酮。
具體地說(shuō)，本發(fā)明以催化量的2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(TEMPO)、1，3-二溴-5，5-二甲基海因和亞硝酸鈉為催化劑，用低于1.0MPa的空氣為氧化劑，在80度下可以高選擇性地把一系列的芳香醇和雜芳香醇氧化成相應(yīng)的芳香醛和酮。
催化劑的組成中，TEMPO可以修飾，比如用更經(jīng)濟(jì)的4-苯甲?；?2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-苯甲酰基-TEMPO)或4-乙酰胺基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基(4-乙酰胺基-TEMPO)；1，3-二溴-5，5-二甲基海因可以用N-溴代丁二酰亞胺或三溴吡啶鹽替代；亞硝酸鈉可以是其他亞硝酸鹽，如亞硝酸鉀、亞硝酸酸鋰等。
本發(fā)明具有如下效果1.以水作溶劑，以1mol％TEMPO/4mol％1，3-二溴-5，5-二甲基海因/4mol％NaNO2組成的催化劑，0.9MPa的空氣，80度，1.5小時(shí)內(nèi)，可以把芐醇氧化成苯甲醛；反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性均大于99％。
2.以水作溶劑，以1mol％ TEMPO/4mol％ 1，3-二溴-5，5-二甲基海因/4mol％NaNO2組成的催化劑，0.9MPa的空氣，80度，7小時(shí)內(nèi)把氯代芐醇(鄰、間或?qū)ξ?氧化成氯代苯甲醛(鄰、間或?qū)ξ?；把甲基芐醇(鄰、間或?qū)ξ?氧化成甲基苯甲醛(鄰、間或?qū)ξ?。反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性均大于99％，反應(yīng)產(chǎn)物的分離收率大于95％。
3.以水作溶劑，以1mol％TEMPO/4mol％ 1，3-二溴-5，5-二甲基海因/4mol％NaNO2組成的催化劑，0.9MPa的空氣，80度，6小時(shí)內(nèi)，可以把3-吡啶甲醇氧化成3-吡啶甲醛，轉(zhuǎn)化率大于98％，選擇性大于99％；分離收率大于90％。
4.以水作溶劑，以1mol％TEMPO/2mol％三溴吡啶鹽/4mol％NaNO2組成的催化劑，0.9MPa的空氣，80度，6小時(shí)內(nèi)，可以把2-噻吩甲醇氧化成2-噻吩甲醛，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率大于99％，選擇性大于98％。反應(yīng)產(chǎn)物的分離收率大于90％。
5.以水作溶劑，以1mol％TEMPO/4mol％1，3-二溴-5，5-二甲基海因/4mol％NaNO2組成的催化劑，0.9MPa的空氣，80度，4小時(shí)內(nèi)把α-甲基芐醇氧化成苯乙酮。反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性均大于99％，反應(yīng)產(chǎn)物的分離收率98％。
本發(fā)明適用于芳香芐醇的高選擇性氧化成醛和酮，尤其適用于雜芳香芐醇(含N、S等)的選擇性氧化反應(yīng)。
本發(fā)明適用于醫(yī)藥中間體、農(nóng)用化學(xué)品、香料等精細(xì)化學(xué)品以及基本化學(xué)品的醛和酮的生產(chǎn)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果1)用水作溶劑，反應(yīng)安全；2)產(chǎn)品分離簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)廢物少3)1，3-二溴-5，5-二甲基海因安全性較好現(xiàn)有技術(shù)特征和效果一、過(guò)渡金屬催化劑/氧氣(或空氣)催化氧化體系1)用氧氣或空氣作氧化劑；2)產(chǎn)品分離簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)廢物少；3)高效率但催化劑昂貴且易失活、對(duì)含雜原子(N，S等)底物活性低。
二、TEMPO/化學(xué)計(jì)量氧化劑催化氧化體系1)高選擇性，底物適用范圍廣；2反應(yīng)條件溫和；3)大量無(wú)機(jī)廢物、分離麻煩。
三、TEMPO/Br2/NaNO2/O2(空氣)氧化體系1)高選擇性；2)使用溴，不方便，有毒性。
綜上所述，不難看出本發(fā)明的的新穎性和創(chuàng)造性在于新穎性本發(fā)明實(shí)現(xiàn)不含過(guò)渡金屬的、用氧氣或空氣作為氧化劑的在水作溶劑的反應(yīng)體系中將芳香醇、雜芳香醇(含N，S等元素)催化氧化合成相應(yīng)的醛和酮。
創(chuàng)造性本發(fā)明使用亞硝酸鈉作為NO的等價(jià)物有效的活化了分子氧，通過(guò)用催化量的亞硝酸鹽和原位產(chǎn)生的溴正離子(來(lái)自1，3-二溴-5，5-二甲基海因與水作用產(chǎn)生的次溴酸)，以水作溶劑，使得催化量的TEMPO作用下將活潑的芳香芐醇和通常容易使金屬催化劑失活的雜芳香芐醇高選擇性地氧化成相應(yīng)醛和酮成為可能。同時(shí)，由于使用水作溶劑，極大到降低了氧氣或空氣作氧化劑的安全問(wèn)題。使得放大新發(fā)明的氧化體系承擔(dān)較小的風(fēng)險(xiǎn)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入3.24g芐醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密閉壓力釜，充空氣氣至壓力表為0.9MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至80度的油浴中，反應(yīng)1.5小時(shí)。降溫并小心卸壓后，用有機(jī)溶劑提取三次，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為99.8％，產(chǎn)物苯甲醛選擇性100％。分離收率為88％。
實(shí)施例2在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入3.66g 4-甲基芐醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密閉壓力釜，充空氣氣至壓力表為0.1MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至120度的油浴中，反應(yīng)2小時(shí)。降溫并小心卸壓后，用有機(jī)溶劑提取三次，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為100％，產(chǎn)物對(duì)甲基苯甲醛選擇性100％。分離收率為98％。
實(shí)施例3在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入3.66g 3-甲基芐醇(30mmol)，46.8mg 4-苯甲?；?TEMPO(0.3mmol)，343mg N-溴代丁二酰亞胺(1.2mmol)，84mg KNO2(1.2mmol)，10mL水，密閉壓力釜，充空氣氣至壓力表為0.9MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至80度的油浴中，反應(yīng)2小時(shí)。降溫并小心卸壓后，用有機(jī)溶劑提取三次，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為99.7％，產(chǎn)物間甲基苯甲醛選擇性100％。分離收率為98％。
實(shí)施例4在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入3.66g 2-甲基芐醇(30mmol)，46.8mg 4-乙酰胺基-TEMPO(0.3mmol)，343mg三溴吡啶鹽(1.2mmol)，84mg LiNO2(1.2mmol)，10mL水，密閉壓力釜，充空氣氣至壓力表為0.9MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至80度的油浴中，反應(yīng)2.5小時(shí)。降溫并小心卸壓后，用有機(jī)溶劑提取三次，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為100％，產(chǎn)物鄰甲基苯甲醛選擇性100％。分離收率為95％。
實(shí)施例5在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入4.28g 4-氯芐醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密閉壓力釜，充空氣氣至壓力表為0.9MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至80度的油浴中，反應(yīng)6小時(shí)。降溫并小心卸壓后，用有機(jī)溶劑提取三次，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為100％，產(chǎn)物對(duì)氯苯甲醛選擇性100％。分離收率為95％。
實(shí)施例6在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入4.28g 3-氯芐醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密閉壓力釜，充空氣氣至壓力表為0.9MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至80度的油浴中，反應(yīng)6小時(shí)。降溫并小心卸壓后，用有機(jī)溶劑提取三次，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為100％，產(chǎn)物間氯苯甲醛選擇性100％。分離收率為96％。
實(shí)施例7在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入4.28g 2-氯芐醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密閉壓力釜，充空氣氣至壓力表為0.9MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至80度的油浴中，反應(yīng)7小時(shí)。降溫并小心卸壓后，用有機(jī)溶劑提取三次，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為99.2％，產(chǎn)物對(duì)氯苯甲醛選擇性99.8％。分離收率為96％。
實(shí)施例8在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入4.28g 2-氯芐醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密閉壓力釜，充空氣氣至壓力表為0.9MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至80度的油浴中，反應(yīng)7小時(shí)。降溫并小心卸壓后，用有機(jī)溶劑提取三次，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為99.2％，產(chǎn)物對(duì)氯苯甲醛選擇性99.8％。分離收率為96％。
實(shí)施例9在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入3.66g α-甲基芐醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密閉壓力釜，充空氣氣至壓力表為0.9MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至80度的油浴中，反應(yīng)4小時(shí)。降溫并小心卸壓后，用有機(jī)溶劑提取三次，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為99.6％，產(chǎn)物選擇性100％。產(chǎn)物苯乙酮的分離收率為97％。
實(shí)施例10在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入3.27g 3-吡啶甲醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，343mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(1.2mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水和2.0mL醋酸，密閉壓力釜，充空氣氣至壓力表為0.9MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至80度的油浴中，反應(yīng)6小時(shí)。降溫并小心卸壓后，用有機(jī)溶劑提取三次，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為98.2％，產(chǎn)物選擇性100％。產(chǎn)物3-吡啶甲醛的分離收率92％。
實(shí)施例11在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入3.42g 2-噻吩甲醇(30mmol)，46.8mg TEMPO(0.3mmol)，172mg 1，3-二溴-5，5-二甲基海因(0.6mmol)，84mg NaNO2(1.2mmol)，10mL水，密閉壓力釜，充空氣氣至壓力表為1.2MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至40度的油浴中，反應(yīng)16小時(shí)。降溫并小心卸壓后，用有機(jī)溶劑提取三次，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為100％，產(chǎn)物選擇性98.4％。產(chǎn)物2-噻吩甲醛的分離收率93％。
與發(fā)明相關(guān)的比較例1)美國(guó)專利US Patent 5,118,866(TEPMO/Cu(I)催化O2氧化醇生成醛的工藝)向一個(gè)含有10.0克維生素A(34.9mmol)、545毫克TEMPO(3.49mmol)、345毫克氯化亞銅(CuCl，3.49mmol)和75毫升N，N-二甲基甲酰胺(DMF)的溶液中，在室溫下以每分鐘50-60毫升的速度通入氧氣。通氧氣時(shí)間2小時(shí)。將反應(yīng)液倒入到150毫升食鹽水中，用甲基叔丁基醚萃取至有機(jī)層無(wú)色。有機(jī)層用水洗并用無(wú)水硫酸鈉干燥，減壓脫去溶劑。殘余物用二氯甲烷快速通過(guò)硅膠柱得到9.1克產(chǎn)物，收率為91.6％。產(chǎn)物中含有不超過(guò)5％的順式異構(gòu)體，產(chǎn)物的純度用核磁共振(1H-NMR)得到確認(rèn)。粗產(chǎn)物用正己烷重結(jié)晶得到7.2克純品，收率72.6％。熔點(diǎn)60-62度。
2)德國(guó)專利(DE 40 07 923 A1)(TEMPO催化NaClO氧化醇生成醛的工藝)向一個(gè)含有16克2-氟-3-異丙基-芐醇(95mmol)、0.3克TEMPO(1.9mmol)、0.56溴化鉀(KBr，4.8mmol)、1.5克二水磷酸二氫鈉(NaH2PO42H2O，9.5mmol)、1.7克二水磷酸氫二鈉(Na2HPO42H2O，9.5mmol)、90毫升二氯甲烷和90毫升水的混合液，控制體系溫度為20度，在30分鐘內(nèi)滴加55.6克14％的次氯酸鈉(NaClO，105mmol)水溶液，并用pH計(jì)監(jiān)測(cè)反應(yīng)液的pH在6.5-8.0之間。反應(yīng)結(jié)束后分出二氯甲烷層，有機(jī)層用飽和碳酸氫鈉水溶液洗滌，脫去溶劑的殘余物減壓蒸餾，收集38℃/0.2mBar餾分，收率為79％。
3)歐洲專利(EP775,684)(TEMPO催化TCIA氧化醇生成醛的工藝)將一個(gè)含有3.5克三氯異氰尿酸(TCIA，15.1mmol)、3.7克醋酸鈉(45.1mmol)、10毫克TEMPO(0.06mmol)和40毫升二氯甲烷的懸浮液，降溫至-7-9度。攪拌下在20分鐘內(nèi)滴加5克1-辛醇(38.4mmol)的20毫升二氯甲烷溶液。加完后控制體系溫度在-7-9度達(dá)80分鐘。這樣，反應(yīng)就完成了。白色沉淀物過(guò)濾，濾液分別用飽和碳酸氫鈉水溶液和食鹽水洗。粗產(chǎn)物蒸餾得到4.5克正辛醛，色譜含量98.2％(面積百分比)。
4)世界專利(WO03/006435A1)(TEMPO催化I2氧化醇生成醛的工藝)向含有2.2千克5-甲氧基-3-苯并噻吩甲醇(11.34mol)的甲苯/四氫呋喃溶液中加入3.0千克碳酸氫鈉(35.6mol)和30升水，攪拌至碳酸氫鈉完全溶清。室溫下加入6千克碘(I2，23.7mol)，老化1小時(shí)。然后加入140克TEMPO(0.90mol)。反應(yīng)混合液在室溫下攪拌2-6小時(shí)至原料完全消耗。反應(yīng)混合物維持室溫，加入15升10％的亞硫酸鈉(Na2SO3)水溶液以除去過(guò)量的碘。分層后有機(jī)層用15升水洗，有機(jī)層進(jìn)一步分別用2.2千克10％碳酸鈉水溶液和2千克水洗。
5)美國(guó)專利US Patent 5,136,102(TEPMO催化HNO3/O2氧化醇生成酮的工藝)向100毫升的圓底燒瓶中，加入4.2克2-辛醇、1克TEMPO、25毫升乙腈、0.25克溴化鉀(KBr)和1克水。向混合液中加入1克70％的硝酸(HNO3)。通入氧氣流鼓泡?？刂品磻?yīng)溫度在室溫下反應(yīng)4小時(shí)。原料含量小于0.1％，產(chǎn)物2-辛酮的選擇性大于99.9％。
6)美國(guó)專利US Patent 5,155,279(TEPMO催化HNO3/O2氧化醇的工藝)向100毫升的圓底燒瓶中，加入6克十二碳醇、1克TEMPO、25毫升乙腈、0.25克溴化鉀(KBr)和1克水。向混合液中加入1克70％的硝酸(HNO3)。通入氧氣流鼓泡?？刂品磻?yīng)溫度在35度下反應(yīng)4小時(shí)。原料轉(zhuǎn)化率大于99％，醛的選擇性為3％，二聚體選擇性為7％，酸的選擇性為90％。
7)中國(guó)專利200410003791.X(TEMPO/Br2/NaNO2氧化醇的工藝)在300mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，加入1.09g 3-吡啶甲醇(10mmol)，62.4mg TEMPO(0.4mmol)，55.2mg NaNO2(0.8mmol)，10mL含128mg溴(0.8mmol)的二氯甲烷，密閉壓力釜，充空氣至壓力表為0.9MPa，將壓力釜放入到預(yù)先升溫至100度的油浴中，反應(yīng)五小時(shí)。降溫并小心卸壓后，有機(jī)相用氣相色譜(GC)分析，轉(zhuǎn)化率為94.4％，產(chǎn)物選擇性100％。產(chǎn)物3-吡啶甲醛的分離收率93.5％。
權(quán)利要求
1.一種水溶劑體系中催化空氣氧化制備芳香醛酮的方法，用2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基及其衍生物、亞硝酸鹽和與水作用原位產(chǎn)生次溴酸的溴代物，氧氣或空氣氧化芳香芐醇生成醛和酮；其中2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基及其衍生物∶亞硝酸鹽∶活性溴＝1∶2-4∶4mmol；2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基及其衍生物∶芳香芐醇＝1∶100mmol；氧氣或空氣作用壓力0.1-1.2MPa；反應(yīng)時(shí)間1.5-16小時(shí)；反應(yīng)溫度40-120℃；所述芳香芐醇指芳香芐醇包括雜芳香芐醇。
2.權(quán)利要求1的方法，所述2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基的衍生物是4-苯甲酰基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基或4-乙酰胺基-2，2，6，6-四甲基哌啶-氧自由基。
3.權(quán)利要求1的方法，所述溴代物是1，3-二溴-5，5-二甲基海因、N-溴代丁二酰亞胺或三溴吡啶鹽；
4.權(quán)利要求1的方法，所述芳香芐醇包含取代芐醇。
5.權(quán)利要求1的方法，所述雜芳香芐醇包含有N、S的芳香雜環(huán)取代的甲醇。
6.權(quán)利要求1的方法，所述亞硝酸鹽為亞硝酸鈉或亞硝酸鉀。
全文摘要
一種水溶劑體系中催化空氣氧化制備芳香醛酮的方法，以催化量的2，2，6，6－四甲基哌啶－氧自由基(TEMPO)，1，3－二溴－5，5－二甲基海因和亞硝酸鈉為催化劑，水為溶劑，用低于1.2MPa的空氣為氧化劑，在低于160度下可以高選擇性地把一系列的芳香醇和雜芳香醇氧化成相應(yīng)的芳香醛和酮。
文檔編號(hào)C07C45/00GK1789225SQ20041009893
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日
發(fā)明者胡信全, 劉仁華, 董春燕, 梁鑫淼 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所