（化学工艺专业论文）环流反应器合成对羟基苯甲醛的工艺及相关研究.pdf

中文摘要 对羟基苯甲醛( p h b ) 是一种十分重要的精细化工中间体，结构中既有羟基， 又有醛基，化学性质十分活泼，作为中间体可以延伸合成许多化工医药产品，广 泛用于医药、香料、农药、石油化工、电镀、液晶、感光高分子材料等领域。对 甲酚催化氧化法合成对羟基苯甲醛是一种工艺简单、收率高、产品纯度高，最具 有发展前途的方法。目前国内工业化生产也采用对甲酚法合成p h b ，但是收率 不到7 0 ，而且工艺不成熟，因此提高对羟基苯甲醛的收率是对甲酚法合成p h b 的一项重要内容。 为了给氧化反应工艺条件的优化提供参考，同时为将来工程设计提供基础物 性数据，本文测定了相关体系的气体溶解度、密度、黏度等物性数据。结合对甲 酚法合成p h b 的工艺过程，利用一套高压溶解度的测定装置，准确测定了氧气 在对甲酚一甲醇二元混合体系中的高压溶解度数据。另外，在常压下利用d a 一 5 0 5 u 型振动管密度仪、乌氏毛细管黏度计测定了对甲酚一甲醇、间甲酚一甲醇、 对甲氧基苯甲醛一乙醇和对甲氧基苯甲醛一，一二甲基甲酰胺等四个二元混 合体系的密度、黏度数据；计算了超额摩尔体积矿和混合黏度的变化叩，并用 合适的方程对萨、衄数据进行了回归拟合；最后还用著名的a n d r a d e 方程对四 个二元混合体系的l r u 与1 t 之间的关系进行了关联。 在对甲酚法合成对羟基苯甲醛的研究过程中，国内外许多学者对合成的工艺 条件进行了大量的研究和试验工作，如优化反应条件、后处理条件，筛选高性能 高活性的催化剂等，但是都不尽满意，其原因是仅仅在单一的在合成工艺上进行 探索和改进，而忽视了多相反应中传质的影响。本文尝试用一种新的反应器一气 升式内循环环流反应器( a l r ) 提高了氧在反应液中的传质，以中试的规模在加 压条件下考察了气体流速、反应压力、反应温度、反应时间等四个操作因素对合 成结果的影响，初步优化最佳反应条件：陶瓷型的气体分布器；p = - 0 9 m p a ： l = 0 1 2 m 3 h ：t - - 7 5 ；t = 4 h ，收率达到8 7 5 。 关键词：对甲酚，对羟基苯甲醛，环流反应器，化学合成，密度，黏度， 氧气溶解度 a b s t r a c t p - h y d r o x y b e n z a l d e h y d e ( p h b ) i s a l li m p o r t a n tf i n ec h e m i c a l i n t e r m e d i a t e ， w h i c hi ss u b s t i t u t e db ya l d e h y d ea n dp h e n o lg r o u p s ，a n dp h y d r o x y b e n z a l d e h y d ei s v e r ya c t i v ea n dn o ww i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha sf r a g r a n c e s ，p h a r m a c e u t i c a l s ， m e d i c i n e s ，a g r i c u l t u r ec h e m i c a l s ，m e n t a lp l a t i n g ，f i n ep e t r o c h e m i c a l s ，l i q u i dc r y s t a l s ， p h o t o s e n s i t i v ep o l y m e ra n ds oo n t h ew a yo fc a t a l y t i co x i d a t i o no fp c r e s o lt o p - h y d r o x y b e n z a l d e h y d ec o m e st op e o p l e sa t t e n t i o nd u e t oi t sa d v a n t a g e si n c l u d i n g h i g hy i e l da n dc l e a n 1 e s sp o l l u t i o na n ds i m p l ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dh i g h e r p u r i t y s ot h i sp r o c e s si s b e l i e v e dt ob et h em o s t p r o m i s i n gf o rp r o d u c t i o no f p - h y d r o x y b e n z a l d e h y d e i no u rc o u n t r yp h y d r o x y b e n z a l d e h y d eh a sb e e np r o d u c t e d b yt h ew a yo ft h e o x i d a t i o no fp - c r e s o lf o rs o m ey e a r s ，b u tt h ey i e l do f p - h y d r o x y b e n z a l d e h y d ei sn om o r et h a n7 0 ，a n dt h et e c h n o l o g yi sn o tm a t u r e s o t h es t u d yo nt h es y n t h e s i so fp - h y d r o x y b e n z a l d e h y d ei so fg r e a ti m p o r t a n c ei nt h i s p a p e l d e n s i t i e sa n dv i s c o s i t i e sa n dt h es o l u b i l i t yo fo x y g e nw e r ed e t e r m i n e dt op r o v i d e f u n d a m e n t a ld a t af o rt h es t u d yo fr e a c t i o nt h e o r y , f o rt h es y n t h e s i sp r o c e s so fp h b ， f o rd y n a m i c ss t u d yo fo x i d a t i o no f p - c r e s o l ，a n df o re n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n l i n k i n gt ot h ep r o c e s so fp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fp h b ，t h es o l u b i l i t i e s o f o x y g e ni np c r e s o l + m e t h a n o l a t h i g hp r e s s u r e sw e r em e a s u r e db y as e to f e x p e r i m e n ta p p a r a t u s f o rm e a s u r i n g g a ss o l u b i l i t y u n d e r h i g hp r e s s u r e s s y s t e m a t i c a l l y t h ed e n s i t i e sa n dv i s c o s i t i e sw e r em e a s u r e db yav i b r a t i n gt u b ed e n s i m e t e r ( m o d e l d a - 5 0 5 u ) a n dau b b e l o h d es u s p e n d e d l e v e lv i s c o m e t e ra ta t m o s p h e r i cp r e s s u r ef o r p - c r e s o l + m e t h a n o l ，m - c r e s o l + m e t h a n o l ，p - m e t h o x y b e n z a l d e h y d e + e t h a n o l ， p m e t h o x y b e n z a l d e h y d e + n , n - d i m e t h y lf o r m a m i d e ( d m f ) t h ee x c e s s m o l a r v o l u m e s ( 萨) a n dd e v i a t i o n so fv i s c o s i t y ( a t ) w e r ec a l c u l a t e d t h e 萨a n d 瑁w e r e f i t t e db yr e d l i c h k i s t e re q u a t i o nr e s p e c t i v e l y a n dl n qa n dt e m p e r a t u r ew e r ef i t t e db y a n d r a d ee q u a t i o n d u r i n gt h es t u d yo ns y n t h e s i so fp h y d r o x y b e n z a l d e h y d e ，al o to fr e s e a r c hh a s b e e nd o n ei nm a n yf i e l d sa b o u tt h eo x i d a t i o no f p - c r e s o l ，s u c ha so p t i m i z i n gr e a c t i o n c o n d i t i o n s ，s e p a r a t i o na n dh i g ha c t i v ec a t a l y s t s b u tl e s sw o r ka b o u tf m d i n go p t i m a l r e a c t o rf o rt h eo x i d a t i o no f p c r e s o lh a sb e e nd o n e i nt h i sp a p e ran e wr e a c t o r , a i r l i f t l o 叩r e a c t o r , w a su s e dmt h ew a yo fo x i d a t i o no f p c r e s o lt op h y d r o x y b e n z a l d e h y d e a n dm a s st r a n s f e ro f o x y g e nw a si m p r o v e d t h er e s u l ts u g g e s t st h a ta i r l i f tl o o pr e a c t o r i sv e r ye f f e c t i v ef o rt h eo x i d a t i o no fp c r e s 0 1 t h ee f f e c t s o nt h ey i e l do fg 骶 d l s t r i b u t o lr e a c t i o nt i m e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dg a sv e l o c i t yw e r ef u l l ys t u d i e di n t h i sp a p e r o nt h ec o n d i t i o no fi g n o r i n go fi n t e r a c t i o ne f f e c t ，t h eo p t i m u mr e a c t i o n c o n d i t i o n s w e r e 嬲f o l l o w s ：g a sd i s t r i b u t o r3 ，r e a c t i o np r e s s u r ew a so 9 m p a 化a c t i o nt l m ew a s4h o u r s ， r e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s7 56 c a n dt h ey i e l do f p - h y d r o x y b e n z a l d e h y d ew a su pt o8 7 5 k e y w o r d s ：p - c r e s o l ，p - h y d r o x y b e n z a l d e h y d e ，l o o pr e a c t o r ，c h e m i c a ls y n t h e s i s ， d e n s i t y , v i s c o s i t y , o x y g e ns o l u b i l i t y 第三章常压下液体密度黏度的测定与关联 符号说明 p 叩 k p f q 岛 m ： s d r 丁 y e x f y 唧 p 1 2 p j r 1 2 叩f a r l 上标： e 下标： c a l 溶液的密度，g c n l 3 溶液的黏度，m p a s 乌氏黏度计常数，c m 2 s 五 h a g e n b a c h 校正因子，s 溶液流过毛细管的时间，s y 按r e d l i c h - - k i s t e r 方程进行回归的方程系数 叩按r e d l i c h - - k i s t e r 方程进行回归的方程系数 i 组份的摩尔质量，g 标准偏差 相关系数 温度，k 溶液的超额摩尔体积，t i l l 3 t o o l 。1 溶液中组分i 的摩尔分率 计算值 实验值 二元液体混合物的密度，g c m - 3 溶液中组分f 的密度，g c m 3 溶液的黏度，m p a s 溶液中组分i 的黏度，m p a s 二元溶液混合黏度的变化，m p a s 超额性质 计算值 第三章常压下液体密度黏度的测定与关联 e x p l 实验值 组分i 6 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 唧为 签字日期 训嗨月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：相南 签字日期：沙7 年f 月f 日 导师签名： 垂 签字日期：力。7 年f 月垃日 前言 刖吾 对羟基苯甲醛( p p h y d r o x y b e n z a l d e h y d e ，简写p h b ) 是一种十分重要的精 细化工中间体，由于自身带有十分活泼的羟基和醛基，所以化学性质十分活泼， 可以延伸合成多种化工与医药等产品，广泛用于医药、香精香料、农药、石油化 工、电镀、液晶、感光高分子材料等领域。随着国内外对其需求量的不断增加以 及该产品用途的不断扩大，各国都加大了对羟基苯甲醛的合成研究的力度，再加 上我国对该产品研究的相对较晚，因此很有必要对合成的工艺进行研究。合成对 羟基苯甲醛的传统方法很多，如r e i m e r - - t i e m a n n 法、苯酚一三氯乙醛法、苯酚 一甲醛法和g a t t e r m a n n 法等，但是生产过程中都存在诸多的问题，如使用剧毒 的化学试剂、污染严重、产率较低、后处理复杂、产物复杂分离困难和三废较多 等一系列突出的问题。8 0 年代出现了对甲酚催化氧化法，国内外的学者对此法 给与极大的关注，进行了大量的实验研究。与传统的合成方法进行比较，发现该 法步骤少、收率高，产品纯度高，原料易得，且三废量相对较少，具有较好的发 展前景，有逐步取代传统合成方法的趋势，被认为是将来生产对羟基苯甲醛的主 要发展方向，最具有发展潜力和工业开发的优势。 对甲酚催化氧化反应通常在一定的溶剂( 通常选用甲醇) 下，利用过渡金属 或其络合物为催化剂，在碱性条件下( 加入过量的强碱如n a o h ) ，利用氧气进 行氧化，氧源既可以是空气，也可以是纯氧，既可以在加压条件下进行，也可在 常压下进行，反应条件并不苛刻，反应结束后的反应液再用无机酸进行酸析即可 得到游离态的对羟基苯甲醛产品。国内已有采用对甲酚法合成对羟基苯甲醛，但 规模不大，国内需求量也较大，相当大一部分需要进口；再加上工艺也不成熟， 合成的机理不清楚，质量不稳定，收率只有7 0 左右，因此在工艺条件、生产 水平、产品的分离等方面都需要提高，以减少对羟基苯甲醛的进口量，提高在国 际市场上的竞争力。 尽管国内在对甲酚法的合成工艺条件以及筛选高性能的催化剂等等方面进 行了大量的研究，如物料比、催化剂的种类、催化剂的用量等，但是效果很不理 想。其原因就是仅仅在工艺条件上进行研究和改进，而忽视了对反应设备的设计 与优化。本课题就是采用一种新的反应器一环流反应器来合成对羟基苯甲醛。同 时，为了进一步研究反应机理，减少优化过程中的工作量，给将来工业化生产设 计提供基础数据，测定了对羟基苯甲醛生产过程中相关物系的黏度、密度以及气 体( 0 2 ) 在其混合溶剂中的高压溶解度。 黏度、密度是化工设计和过程优化不可缺少的基础物性数据，黏度数据在流 前言 体流动和动量传递过程中有非常重要的作用，如热传递、质量传递、流体流动过 程等的计算。密度数据对设计反应器的大小有决定性的作用，流体力学和传热计 算中也离不开密度数据。 同时由于对甲酚催化氧化是典型的气一液反应，气体的压力和传质对反应有 较大的影响，我们还研究了氧气在对甲酚一甲醇二元混合体系中的高压溶解度， 这对反应条件的优化、反应机理的探讨以及反应器的设计、优化都有十分重要的 现实意义。 本课题研究的具体内容如下： ( 1 ) 测定了氧气0 2 在甲醇、乙醇以及在对甲酚一甲醇二元混合溶剂中的 溶解度数据，为对甲酚法合成对羟基苯甲醛的工艺理论的进一步研究提 供基础数据。 ( 2 )常压下测定了对羟基苯甲醛生产以及利用过程中相关的二元混合体 系的密度与黏度数据，包括对甲酚一甲醇、间甲酚一甲醇、对甲氧基苯 甲醛一乙醇以及对甲氧基苯甲醛一，一二甲基甲酰胺共四个二元体 系，并对这些数据进行了关联和计算，得出各个体系对应的关联方程； 还对超额摩尔体积和混合黏度的变化的大小趋势进行了理论分析。 ( 3 ) 采用内循环气升式环流反应器催化氧化对甲酚合成对羟基苯甲醛， 在借鉴他人研究成果的基础上，研究了氧化过程中气体的流量、反应的 压力、反应温度和反应时间等四个操作条件对反应结果的影响，并对反 应的结果进行了分析；初步优化最佳的反应条件，为进一步深入的研究 奠定了基础。 本课题的研究成果将为对甲酚法催化氧化合成对羟基苯甲醛的生产工艺条 件的优化、反应机理以及反应器的设计、优化提供必要的基础数据，同时还补充 了氧气0 2 的高压溶解度数据，填补了高压气体溶解度数据的空白，而且对溶解 机理和相平衡理论的研究也有十分重要的意义。 2 第一章文献综述 第一章文献综述弟一早义陬琢殓 对羟基苯甲醛( p h b ) 又名甲醛苯酚、4 一羟基苯甲醛，是一种十分重要的 精细有机化工中间体，因其分子中含有羟基和醛基两个官能团，化学性质十分活 泼，作为中间体可以延伸合成多种化工医药等产品，广泛用于医药、香料、农药、 石油化工、电镀、液晶、感光高分子材料等领域 4 1 。随着医药、电子、化妆品 等产业的迅速发展，再加上对羟基苯甲醛的应用和开发，对羟基苯甲醛的国际国 内市场需求量逐步增加，因此研究对羟基苯甲醛的合成工艺条件的优化、提高收 率是很有必要的，也是亟待解决的技术问题。 1 1 对羟基苯甲醛的物化性质啼1 # 、 对羟基苯甲醛( p - h y d r o x y b e n z a l d e h y d e ) ，结构式是：”o 砖”，c 7 h 6 0 2 ， 相对分子量是1 2 2 1 2 9 ，无色针状晶体，有芳香味，熔点是1 1 5 1 1 6 ，相对密 度是d 4 1 3 0 = 1 1 2 9 。在空气中易升华，易溶于乙醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯，在 水蒸气中不挥发，微溶于冷水，易溶于热水，在3 0 5 c 水中溶解度为1 3 8 9 l o o m l ， 在6 5 水中溶解度为3 6 8 l o o m l 。 1 2 对羟基苯甲醛的应用 1 2 1 医药工业6 1 对羟基苯甲醛及其合成的衍生物可以用于合成抗菌增效剂甲氧苄氨嘧啶 ( t m p ) 、羟氨苄青霉素、艾司洛尔等，其中甲氧苄氨嘧啶是国家基本药物，是一 种毒副作用小、疗效较好的抗菌素，国内已经大量生产与应用。 羟氨苄青霉素、羟氨苄头孢霉素是d 内酢胺类抗生素的主导产品，尤其羟氨 苄青霉素又名阿莫西林，主要应用于消毒、杀菌、消炎药物，是目前国内最常用 的抗菌素。 艾司洛尔是一种超短效d 受体阻滞剂，用于治疗高血压、冠心病，起效快作 用时间短，作为国家基本药物，国内产量与消费量逐年上升；另外还可以合成新 型抗溃疡药物舒美吗啉、祛痰药物杜鹃素、人造天麻等。 对羟基肉桂酸是有对羟基苯甲醛与丙二酸在吡啶溶液中反应而得。对羟基 肉桂酸是药物中间体，主要用于祛痰药物杜鹃素的生产。 以对羟基苯甲醛为原料，经溴化，甲基化可得3 、4 、5 一三甲氧基苯甲醛， 主要用于生产磺胺类药物的增效剂( t m b ) ，而3 、5 一二甲氧一4 一羟基苯甲醛 第一章文献综述 其大用途生产抗菌药物增效剂。 对羟基苯甲醛的一卤代物和二卤代物都具有抑制微生物生长的功能，可以用 于药物、化妆品及化工体系中作为杀菌剂。 1 2 2 食品香料和香精m 对羟基苯甲醛虽然有令人愉快的芳香气味，但它本身并不是香料，却是一个 非常有用的合成香料的中间体。对羟基苯甲醛的甲基醛即茴香醛是重要的工业原 料和食品添加剂；对羟基苯甲醛进行卤代，甲氧基化可得香草醛，它是一种广谱 型香料，具有天然香兰香气，可用于化妆品及食品香精中作定香剂、变味剂及调 和剂等，更多用于冰淇淋、糖果、巧克力和饼干等糕点。 另一个重要的香精为覆盆子酮，对羟基苯甲醛还可以合成茴香醇、香兰素， j 香醛、洋茉莉醛等诸多香料，目前国内对羟基苯甲醛在香料工业中主要用于合 成茴香醛，主要用于多种香料和香精的配制与生产，另外以此为原料还可以合成 多种重要的精细化工中间体，用作香料香精、有机溶剂和医药合成原料等。 1 2 3 农业化学品 对羟基苯甲醛已广泛地用作合成各种农业化学品的中间体，对羟基苯甲醛经 卤代，然后转化成肟，脱水生成了3 ，5 一二卤一4 一羟基苯。二溴代和二碘代化 合物，即4 一羟基一3 ，5 一二溴和二碘苯腈都是重要的除草剂，一些腙的衍生 物也是有效的除草剂，用于除去谷物、田间的阔叶杂草。 对羟基苯甲醛的卤化物可以用于合成除草剂敌草腈和溴苯腈和农药中间体4 一羟基一3 ，5 一二碘苯甲腈。敌草腈是一种非选择性、非激素型、吸收迁移性的 处理土壤除草剂；溴苯腈，也是一种高效除草剂。 1 2 4 电镀 对羟基苯甲醛和它的甲酯对茴香醛用于碱性镀锌增亮，无论在非氰和有氰浴 中都可起到光亮剂和匀涂剂的作用。 1 2 5 聚合应用 纤维上结合对羟基苯甲醛提供形成稳定的曼尼斯碱的位置，可改善聚乙烯醇 纤维的弹性和染色度。对羟基苯甲醛使纤维上的羟基转变成缩醛基，然后与甲醛 和氨或脂肪迅速反应，并形成非常稳定的曼尼斯碱连接在聚合物骨架上。 1 2 6 其它 4 第一章文献综述 对羟基苯甲醛还可用于合成新型染料、食品饲料添加剂、液晶材料前体、感 光材料、化学助剂等，由于价格昂贵，目前国内在这些领域的应用极少。 1 3 对羟基苯甲醛合成路线 从对羟基苯甲醛合成方法的提出至今已有近百年的历史，随着社会和科学技 术的发展，以及对羟基苯甲醛应用范围的不断扩大，人们对该产品合成方法也进 行了不断深入的研究，到目前为止已经较为成熟的合成路线就有多种，但各自的 缺点也是十分明显的。 下面分别介绍合成对羟基苯甲醛的诸多工艺路线。 1 3 1r e i m e r - - t i e m a n n 法8 1 r e i m e r - - t i e m a n n 法为苯酚邻对位的直接甲酰化反应，生成对羟基苯甲醛和 邻羟基苯甲醛，是现有的主要工业生产方法之一，反应历程如下： 一0 罴 9 h9 n a 0 州专龟足c h o 舭天c h o 由苯酚与三氯乙醛在碳酸钾催化剂下缩合，生成l 一对羟基苯基一2 ，2 ，2 一三氯乙醇，再经甲醇钠分解而得，其反应式如下： 此法缺点是得到的中间体“醇”常为黏稠状固体物，处理困难，产品需要用 乙醚多次提取，工业生产比较麻烦。 5 第一章文献综述 1 3 3 苯酚一甲醛法n 们 其反应式如下： 工艺过程为：苯酚和液体氢氧化钠混合反应物形成钠盐，然后在5 0 。c 慢慢加 入甲醛，得到邻位和对位的羟甲基苯酚。产物不需分离，于5 0 。c 通人氧气，并加 入5 苯酚重量的p t c 催化剂和b i 2 ( s 0 4 ) 3 ，1 5h 后过滤催化剂，再用硫酸酸 化至p h = 4 ，于1 8 3 k p a t 蒸馏除去苯酚和水杨醛，即得对羟基苯甲醛。 1 3 4g a t t e r m a n n 法【1 1 1 本法是以三氯化铝作催化剂，在苯酚内加入液体氰氢酸，通干燥氯化氢后， 将反应混台物置于冰水中水解，可以获得良好收率的对羟基苯甲醛。如果用氰化 锌代替氰氢酸，那么收率几乎是理论量。 奉h i c n + h c i 爷 该法的缺点如下：第一由于氰化物是剧毒物品，操作技术要求高、难度大， 且不利于环境保护和工人的健康。第二，由于采用无水操作，反应设备要求严格、 费用高。第三，有少量水杨醛伴随产生，产品分离提纯困难，因而限制了大规模 生产。 1 3 5g a t t e r m a n n - - k o c h 法7 1 反应中使用的一氧化碳和氯化氢可以由甲酸与氯磺酸作用得到，也可由高压 瓶通入。一般条件下收率为5 0 - - 5 5 ，用甲酰氟作试剂，氟化硼作催化剂， 收率可提高蛰1 8 0 以上。 1 3 6 对硝基甲苯氧化一还原法m 1 6 r y 叫 - 坐x 兰 2 2署 人y伽 带 0伽阳 9 伽 r 甲伽 爵 眦 甲伽 第一章文献综述 审迎审麓尹审 书i h 2 s 0 4 书旦萃竭。 何建玲等人研究了在硫酸介质中氧化对甲酚合成对羟基苯甲醛的工艺条件， 以m n 2 0 3 为氧化剂，其氧化剂是在9 2 3 k 下氧化m n 0 2 得到的。得到最佳的氧化温 度是3 1 8 k ，c ( h 2 s 0 4 ) = 7 0 m o l l ，还选择亚硫酸氢纳法对反应产物进行分离。 f 也严 咄一却。一n s o 川印 i 1 3 9e t a r d 氧化法1 铬酰氯的二硫化碳、四氯化碳或二氯甲烷和对甲酚作用，生成复合物沉淀。 复合物遇水( 最好是用亚硫酸氢钠水溶液或锌粉和水) 分解，就得到对羟基苯甲 7 第一章文献综述 牵詈车工牵 1 3 10 对甲酚催化氧化法n 铂 对甲酚催化氧化反应通常在一定的溶剂进行，过渡金属或络合物为催化剂， 在过量的强碱( 如n a o h ) 的作用下，用分子氧直接进行氧化，氧源既可以是空 气，也可以是纯氧，反应可以在加压条件下进行，也可在常压下进行。反应后生 成相应的钠盐，加入无机酸，在一定p h 条件下即可得到游离态的对羟基苯甲醛。 ( 在下面将重点介绍对甲酚法) ? hr h 会宅 该法步骤少、收率高，产品纯度高，原料易得，且相对三废量较少，具有很 好的发展前景。 1 3 11 对甲酚酯化法n 司 对甲酚与醋酸在磷酸催化下，控制温度1 4 0 条件下反应4 h ，得到对甲苯基 醋酸酯。在紫外光的照射下，以四氯化碳为溶剂，对甲苯基醋酸酯用氯气进行氯 化，控制温度为7 5 c ，反应时间8 h ，得到对乙酰氧基氯化苄。对乙酰氧基氯化苄 在5 ( 质量分数) 的稀硫酸存在下水解8 h ，分离提纯后得到最终产品p h b 。 1 ) 酯化 + c h 3 c o o h 丝哩 c 1 1 3 c h 3 2 ) 氯化 第一章文献综述 + 2 0 2 + 该法产品纯度可达9 9 ，总收率7 0 。工艺难度不大，但步骤较多，原料成 本较高。 1 3 12 微生物法1 5 1 微生物法是用对甲酚为原料，采用菌种来获得对羟基苯甲醛。使用p p u t i d ek s - - 0 1 6 0 ( f e r mp 一1 2 8 7 9 ) 在含m a r m o s e 酵母等介质内和盐存在下，控制温度2 7 ， p h 为6 9 8 下振荡5d ，加入o 1 9 的对甲酚，经3 d 后制得对羟基苯甲醛。 微生物法为绿色工艺，无污染，产率高，操作简单，反应条件温和，但生产 周期长。 1 3 13 电化学合成法阳1 如苯酚和草酸反应生成对羟基扁桃酸，继而在无隔膜电解槽中电解氧化成对 羟基苯甲醛。 9 h 甲h o h 伽o o h h + 6 一审等6 i 。o h h l h 。 第一步的收率为8 0 左右，第二步的收率为9 0 ，总收率约7 0 。 1 4 对甲酚催化氧化法的详细介绍 纵观对羟基苯甲醛的各种合成工艺，比较它们的优缺点，_ 般认为对甲酚直 接催化氧化合成对羟基苯甲醛具有流程短、操作简单、收率和纯度高、原料易得 等独特的优点n 6 17 。，因而可以说对甲酚催化氧化法是工业上合成对羟基苯甲醛的 很有发展前途的一种方法。 下面详细介绍对甲酚催化氧化法： 9 电 叫 解弼 节鼎rv 第一章文献综述 8 0 年代出现对甲酚催化氧化法合成对羟基苯甲醛以来，许多学者就对此工艺 进行深入研究讨论，先后出现了数十篇相关专利，根据反应时气体压力有常压和 加压之分，根据催化剂体系的不同又可以分均相催化氧化和多相催化氧化之分。 尽管对甲酚直接氧化合成对羟基苯甲醛的工艺路线比较简单，但工业化生产过程 中的主要缺点是反应的收率偏低，只达到7 0 左右，成本较高。 1 4 1 对甲酚催化氧化法的基本原理 对甲酚在碱性的甲醇溶剂中，在催化剂的条件下用氧气直接氧化即得目标产 品对羟基苯甲醛。 昏龟 1 4 2 对甲酚催化氧化法的各种影响因素n 5 伸饽1 对甲酚的催化氧化过程比较复杂，影响因素很多，反应压力、反应温度、反应 时间、催化剂的种类及其用量的多少、反应的物料比和溶剂的种类等都会对反应 的转化率和选择性有较大的影响。下面仅对几种影响因素加以介绍： 1 反应时间 反应时间短，对甲酚反应不完全，影响产品的收率和质量；反应时间长，转 化率高，但是时间过长常常伴随副反应发生，焦油生成量过大，转化率并没有明 显提高，选择性反而下降。 2 反应温度 反应对温度比较敏感，温度过低，反应速度慢，反应不完全；反应温度过 高，焦油生成量大，还会引起催化剂部分失活，从而降低催化剂活性。通常反应 温度为6 0 8 0 较好，还受压力和催化剂的影响，通常高压选择较高的温度，温 度过高容易把醛基过渡氧化成羧基。反应温度的高低还受反应压力的限制，对于 常压反应，受所用甲醇溶剂沸点的影响，反应温度不能过高( 常压下甲醇的沸点 是6 4 6 。c ) 。 3 过程中生成的水对反应的影响 据专利乜们介绍，反应过程中有水生成，水的存在会使选择性下降，因此必须 及时移去反应中生成的水，一般加入氧化钙、甲醇钠等脱水剂，国内已有学者在 这方面进行了研究，并取得一定的效果。 l o 第一章文献综述 4 氧的传质 对甲酚催化氧化过程是受氧传质控制的反应，必须改善氧的分布状况或提 高反应体系中的含氧量，加快反应速度，以提高转化率和选择性。殷钢乜等人采 用自制特殊的气体分布器和钟方丽池1 等人采用外循环反应器等以加强氧的传质， 并取得良好的传质效果。 1 4 3 催化剂体系 1 均相催化体系： 对甲酚均相催化氧化一般主要使用过渡金属比如如c o 、n i 、m n 、c u 、f e 、c r 等的盐类为催化剂。但是均相催化的缺点是催化剂与产物难分离，催化剂的回收 处理比较繁琐。 大量的实验研究表明，在对甲酚的催化氧化合成对羟基苯甲醛的过程中，钻 是非常有效的重金属催化剂，如氯化钴、硝酸钴、硫酸钴、碳酸钻、钴的氧化物 等，因此国内外许多学者都用c o 为催化剂研究对甲酚的催化氧化合成对羟基苯 甲醛，另外还在反应体系中加入不同的助剂以提高转化率和选择性。 上村引2 4 】等人最早采用铁( f e 3 + ) 、镍( n i 2 + ) 的化合物的混合物为催化剂， 研究了对甲酚的氧化过程，转化率只达到5 0 ，选择性为6 0 。 江苏激素研究所戴萍等人【2 5 】采用钴盐为催化剂，铜盐为助剂，在常压下得 至1 j 7 0 6 的收率。 余远斌【1 7 】等人用c o ( o a c ) 2 - - c u s 0 4 双金属为催化剂来研究对甲酚的氧化 过程，在6 0 - 7 0 、常压下反应5 小时，可以获得单程收率6 8 5 的对羟基苯 甲醛。安徽大学 2 6 1 蝌j c o ( o a c ) 2 为主催化剂， c u ( o a c ) 2 为助剂，获得8 0 以 上的收率。清华大学与燕山石化总厂【2 7 l l j j c o c l 2 c u c l 2 为催化剂，并加入甲醇钠 作脱水剂，t - - - - 7 5 ，反应时间是l o 1 6 d , 时，收率达8 0 ，同时发现对甲酚氧 化是受氧控制的反应，通过特制的气体分布器，强化氧的传质速率，提高总的反 应速度。仅仅单一用钴盐作为催化剂，对甲酚的选择性氧化效果并不理想，文献 n l 船2 5 1 进一步证实了这一观点。在对甲酚的氧化过程中，通过助剂如氯化铜、镍 盐、铈盐或铁盐等的加入，可以明显地提高催化性能，缩短反应时间，降低反 应温度，可以高转化率、高选择性地获得目标产物：对羟基苯甲醛。 2 多相催化体系 在均相催化体系的反应过程中，反应结束后，催化剂便滞留在反应料液中， 增加了后处理的工作量，催化剂的回收和重复利用比较困难，另外一部分重金属 还会随废液的流失而损失掉。随着绿色合成与转化的重视以及环保意识的提高， 第一章文献综述 多相催化体系备受国内外学者的青睐。均相催化剂固载化是目前催化剂研究的重 要方向之一，由于c o 是氧化反应十分有效的催化剂，很多研究者把c o 负载在一 定的载体上，得到不同活性的催化剂，这是多相催化的研究热点。 刘常坤【2 8 】等利用活性碳为载体，用共沉淀法负载钴及另一金属，其中钴起 主催化剂作用，另一金属为助催化剂作用，这是许多自由基反应所要求的。控制 摩尔比为c o ”：m 2 + ( m 2 + 为另一金属离子) ，c o 含量均为活性碳的5 ( w ) ， 在此条件下考察了不同催化剂的催化性能，其结果见表l 一1 。 表l 一1 以活性碳为载体的的各种催化剂的性能 t a b l e1 - l p r o p e r t i e so fc a t a l y s t ss u p p o r t e db yc 催化剂到达反应终点时间h收率 c o c 3 65 4 2 c o m n c1 06 6 7 c o c u c2 07 1 3 c o c e c1 67 8 2 c o f e c2 85 4 4 c o c r c 1 47 0 6 反应条件：对甲酚2 7 9 ，固体碱3 6 9 ，甲醇1 8 0 r a l ，催化剂1 0 9 ，温度为6 0 韩国的d sk i m 等【2 9 】采用c o a p o 5 催化剂得到8 6 2 的转化率和7 3 4 的选 择性。湖北民族学院的杨国坤【3 0 】等人采用吸附树脂d 3 5 2 0 负载的氧化钴催化剂 ( c o - - od 5 3 2 0 ) 作催化剂，得到近1 0 0 的转化率，其收率可达8 7 3 ，还用 x r d 、x p s 、i r 等方法，考察了吸附树j 旨d 3 5 2 0 负载的c o - - m n 双金属催化剂的 表面结构及其与催化性能的关系。 天津大学的高正虹等人【3 1 l 通过把c o 负载到树脂上，结果表明在不同的树脂 上，其选择性不同，当树脂的直径在3 0 0 a 以上时，催化剂表现出较高的活性和 选择性，常压下达到9 4 的转化率，9 5 的选择性。但是这些数据都是色谱分析 的结果，不是实际分离产品的结果。 c h a n d r a s h e k h a rv r o d e t 3 2 】等在加压的条件下，采用c 0 3 0 4 作为催化剂，得到 9 5 的选择性，中科院大连化学物理研究所p 列用c u - - m n 双金属催化剂也对此氧 化过程进行了研究，得到近9 8 5 的转化率，9 5 6 的选择性。为了提高催化剂 的活性，大连化学物理研究所还把这种催化剂负载在活性炭或分子筛上，反应结 束后比较易分离，催化剂可以重复利用，比较适合大规模生产，但是在实际的工 业化过程中由于受很多因素的影响，收率仅仅达至l j 7 0 。 研究还发现卟啉、酞菁类化合物在催化与分子氧有关的反应方面有独特的性 1 2 第一章文献综述 质，在温和的条件可以进行选择性氧化。但是用这类螫合物作催化剂在较温和的 条件下催化氧化对甲酚的研究和应用并不多。a l b e r ts c h n a t t e r e r l 3 4 , 3 5 1 用卟啉及其 相关化学修饰体系、酞菁等螯合物作催化剂，在十分温和的条件下，对催化氧化 对甲酚进行了研究与讨论，螯合物的配体或配基可以是铁、钴、锰等，金属可以 是二价态、三价态、四价态，最好同一定的助剂协同使用效果更好，助剂可以是 铜、铬、镍、镉、铈、钒等。这种仿生催化剂用量极少，并且具有较高的催化活 性，甚至可以不考虑催化剂的后处理等特点，降低了生产成本，大大减少了生产 过程的三废排放量。因此，仿生催化【3 6 】在绿色合成有机中间体方面具有很大的 发展潜力，探索高效率、高选择性的超分子仿生催化也是当今前沿课题之一，同 时也促进超分子化学学科的发展。 说明：虽然也有一部分文献报道氧化反应可以达到较高的转化率和选择性， 但是都没有见到相关的工业化报道。 1 4 4 反应的溶剂体系 对甲酚的氧化反应体系可分为碱性体系和酸性体系，但是大量的研究结果表 明酸性体系中的收率较低，所以研究主要在碱性体系中进行。对甲酚催化氧化的 溶剂可以是醇类、醚类、卤代烃、氨化物、胺等，例如醇类有甲醇、乙醇、异丙 醇、正丁醇、叔丁醇、乙二醇等。而又由于甲醇是一种溶氧量高并且十分稳定的 溶剂，所以在对甲酚法合成对羟基苯甲醛的过程中，国内外大量研究以及几乎所 有的工业化实例还是集中在以碱性的甲醇溶液为溶剂的反应体系，尽管甲醇也有 一些弊端，如有一定的毒性、容易爆炸等。 另外，b e n t o nb a r t o n t 3 7 等人还用乙二醇为溶剂对对甲酚的催化氧化过程进行 了研究，并对酸性和碱性两种乙二醇反应体系进行了比较，还讨论了反应温度、 水的用量、碱的用量等因素对反应的影响。乙二醇作溶剂的优点是有高达1 1 0 的闪点，爆炸极限小( 3 - 5 ) ，还有比较宽的反应温度范围，但黏度比较大， 对设备有很高的要求。用乙二醇为溶剂研究对甲酚的催化氧化还仅仅限于实验室 的基础研究，对于实现大规模工业生产还有相当长的一段路要走，至少目前还没 有见工业化的报道。文酬2 3 】也提出可选用乙二醇作溶剂氧化对甲酚。 也有文献报道在醋酸体系1 3 8 1 和硫酸体烈1 3 】中进行对甲酚的催化氧化，效果十 分不理想。 1 4 5 可能的反应机理 尽管国内外对对甲酚法合成对羟基苯甲醛的工艺路线投入了大量的研究，但 是对其机理的认识还不清楚，目前还没有统一的说法。另外作者认为其反应机理 第一章文献综述 还可能与反应的溶剂和催化剂体系有一定的关系，因此，在介绍几种可能的反应 机理的同时，还简单地说明了反应的条件。 lb e n i t ab a r t o n 比1 等人认为无论在酸性介质中还是在强碱的甲醇溶液中，对 甲酚的催化氧化过程及其相似，尽管使用不同的催化剂和不同的反应条件。他们 认为苯氧基离子形成的醌是主要中间产物，而且这个醌十分稳定，中间产物的稳 定性又决定生成的醛的选择性。在强碱的甲醇溶液中，生成相对稳定的醌中间产 物，阻止了二聚物的形成，而又由于烷氧基离子不易游离这一特性，生成的醚进 一步迅速氧化成目标产物对羟基苯甲醛；在水溶性的醋酸中，由于生成的醌比较 稳定又表现出来两个问题：一是酸在进一步氧化前，首先要水解成相应的醇，二 是由于酸根离子是一个易游离的基团，因此很容易形成二聚物副产品。 0 h 焉黔 图1在酸性或碱性溶剂中b e n i t ab a r t o n 等人认为的反应机理 f i g u r el b e n i t ab a r t o nm e c h a n i s mf o rp - c r e s o lo x i d a t i o ni na c e t i ca c i dm e d i u m a n da l k a l i n em e d i u m 2s h e l d o n 船引等人用c o 作催化剂，研究了对