（应用化学专业论文）仿生催化氧化取代甲苯制备取代苯甲酸新方法的研究.pdf

摘要 摘要 对氯苯甲酸和2 - 氯4 硝基苯甲酸都是经济附加值较高的精细有机化工中间 体，在工业上有着广泛的应用。目前工业上主要是采用间接法来制备对氯苯甲酸 和2 - 氯4 硝基苯甲酸，间接法反应步骤繁琐，并且要在较高温度下，用高锰酸 钾或硝酸等化学氧化剂氧化。因此，在温和条件下催化氧化取代甲苯制备取代苯 甲酸是一个具有重要理论意义和应用价值的研究课题。 本文针对现有对氯苯甲酸和2 氯4 硝基苯甲酸合成方法中存在的问题，研 究了在温和条件下，以金属卟啉模拟酶为仿生催化荆，分子氧为氧源，在强碱 醇的溶液中，仿生催化氧化对氯甲苯和2 氯4 硝基甲苯制备对氯苯甲酸和2 氯 4 硝基苯甲酸的新方法。该方法相对于传统方法而言，采用金属卟啭仿生催化 剂替代常规催化剂，以清洁廉价的氧气替代污染严重的化学氧化剂，以碱性介质 替代设备腐蚀严重的酸性介质，实现了在温和的条件下将对氯甲苯和2 氯4 硝 基甲苯氧化成对氯苯甲酸和2 氯4 硝基苯甲酸。研究表明，对氯甲苯、2 氯4 硝基甲苯的最高转化率分别可达到3 6 1 和1 0 0 o ，对氯苯甲酸、2 氯4 硝基 苯甲酸的最高选择性分别可达到8 3 3 和6 0 4 ，最高收率分别可达到3 0 1 和 6 0 4 。 本文系统地研究了催化剂用量、反应温度、反应压力、反应时间和碱浓度等 因素对氧气液相氧化对氯甲苯制取对氯苯甲酸和2 氯4 硝基甲苯制取2 氯4 硝 基苯甲酸的影响。研究结果表明，在温度为8 0 0 c 、氧气压力为2 0 m p a 、n a o h 浓度为2 0m o l l 、反应1 0h 时，对氯苯甲酸的收率为3 0 1 ；在氧气压力为2 0 m p a 、反应温度为7 0 0 c 、n a o h 浓度为2 a m o f l 、反应7 h 时，原料2 氯4 硝 基甲苯全部转化，且产物2 氯4 硝基苯甲酸的收率达到6 0 4 。所得产物经熔点 测定、红外光谱、液相色谱等定性定量分析，证实为目标产物。且其纯度均为 9 7 o 以上。 关键词：金属卟啉；仿生催化；氧气氧化；对氯甲苯；2 - 氯一4 一硝基甲苯；制各； 对氯苯甲酸；2 一氯- 4 - 硝基苯甲酸 a b s t r a c t p - c h l o r o b e n z o i ca c i d a n d2 一c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z o i ca c i da r c i m p o r t a n t i n t e r m e d i a t e sf o rt h ep r o d u c t i o no fav a r i e t yo ff i n ea n ds p e c i a l t yc h e m i c a l sa n da l e w i d e l yu s e di nm o d e mi n d u s t r y p c h l o r o b e n z o i ca c i da n d2 - c m o r o - 4 - n i t r o b e n z o i c a c i dw e r e p r e p a r e di n d h e c t l y o ni n d u s t r i a ls c a l ev mp - c h l o r o t o l u e n ea n d 2 - c h l o r o - 4 - n i t r o t o l u e n ew i t hc h e m i c a lo x i d a n t ss u c ha sp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t eo r h i ( r i oa c i d p r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t ht h er o u t ew e r et h a tm u l t i p l es t e p sw e r en e e d e d a n dt h eo x i d a t i o ns t e pc a u s e ds e v e r ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h e r e f o r e , i ti s i m p o r t a n ti ns e i e n t i f i c i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yr e s p e c t i v e l yt os t u d yt h es y n t h e s i so f p - c l f l o r o b c n z o i ca c i da n d2 - c h l o r o - 4 - n i t r o b a n z o i ca c i di l l l d e rm i l dc o n d i t i o n s 1 os o l v et h e s ep r o b l e m s ，an o v e lt e c h n o l o g yf o rg r e e ns y n t h e s i so f p - c l d o r o b e n z o i ca c i da n d2 - c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z o i ea c i db yd i o x y g e no x i d a t i o no f p - c h l o r o t o l u e n ea n d2 - c h l o r o - 4 - n i 矗o t o l u e n en n d e r m i l dc o n d i t i o n sh a v e b e e n i n v e s t i g a t i n g w eu s ec l e a n o x y g e nr e p l a c i n g c h e m i c a l o x i d a n t s 。 u s e m c t a l l o p o r p h y r i nb i o m i m c t i cc a t a l y s t sr e p l a c i n gc h e m i c a lc a t a l y s t s ，c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lr o u t e , i ti se n v i r o n m e n t a l - f r i e n d l ya n dc o u l dr e d u c et h ec o s to f p r o d u c t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n v e r s i o n so fp - c h l o r o t o l u e n ea n d 2 - c h l o r o - 4 - n i t r o t o l u e n ew e t er e s p e c t i v e l yu pt o3 6 1 a n d1 0 0 。t h es c l e c t i v i t i e so f p - c h l o r o b e n z o i ca c i da n d2 一c h l o r o - - 4 - n i t r o b e n z o i ca c i dw e r e s p e c t i v e l yu pt o 8 3 3 a n d 6 0 4 0 ，a n dt h em a x i m u n ay i e l d so fp - c h l o r o b e n z o i ca c i da n d 2 - c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z o i ca c i dw e r er e s p e c t i v e l y3 0 1 a n d6 0 4 t h ee f f e c t so fm e t a l l o p o r p h y r i nc a t a l y s t s ，c o n c e n t r a t i o n so fs o d i u mh y d r o x i d e , r e a c = t i o nt i m e ，l e a 击o l lt e m p e r a t u r ea n dd i o x y g e np r e s s u r ee ta 1 o nt h ep r e p a r a t i o no f p - c h l o r b e n z o i c a c i d2 - c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z o i ca c i du n d e rm i l dc o n d i t i o nw e r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta na b o v el i s t e df a c t o r sw c t eo f i n f l u e n c eo nt h ey i e l do fp - c h l o r o b a n z o i ea c i da n d2 - c h l o r o - 4 - n i u v b e n z o i ca c i d u n d e rr e a c t i o nt e m p c r a a 8 0o c ，p r e s s u r e2 0m p a , r e a c t i o nt i m e1 0 h ， c o n c e n t r a t i o n so f s o d i u m h y d r o x i d e2 0m o l l ，t h ey i e l do f p - c h l o r o b e n z o i ca c i dw a s 3 0 1 a n du n d e rt h er e a c t i o nc o n d i t i o nf o l l o w i n ga sp r e s s u r e2 0m p a , r e 疵o n t e m p e r a t u r e7 0o c ，r e a c t i o nt i m e7h ，c o n c e n t r a t i o n so fs o d i u mh y d r o x i d e2 4m o f l ， ， 。 l l i 北京丁业大学工学硕士学位论文 t h e y i e l d o f2 - c h l o r o 一4 - n i t r o b e n z o i ea c i dw a s6 0 4 t h e p r o d u c t o f p - c h l o r o b e n z o i ca c i d ，2 - c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z o i ca c i dw e r ea l li d e n t i f i e db yi l lh p l c a n dm p _ d e t e r m i n a t i o n , a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h ep u r i f i e so f p - c h l o r o b e n z o i ca c i d a n d2 c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z o i ca c i da l le x c e e d e d9 7 o k e y w o r d s ：m e t a l l o p o r p h y d n sc a t a l y s t s ； b i o m i m e t i c - c a l a l y z e d ；d i o x y g e n o x i d a t i o n ：p c h l o r o t o l u e n e ； 2 - c h l o r o - 4 - n i t r o t o l u e n e ；p r e p a r a t i o no f ； p - c h l o r o b e n z o i ca c i d ：2 - c h l o m - 4 - n i t r o b e n z o i ea c i d i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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； 签名：嘲勾 日期：洲，够 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：甥a 弓 导师签名：期：矽7 、石p 第l 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 化学物质遍布自然界，人们的衣食住行处处和化学密切相关。目前，越来 越多的生活和工业上需要的合成材料来自化学工业，而当今化学工业生产过程中 的关键步骤是氧化反应过程，氧化过程中又有约9 0 0 , 4 以上是催化氧化反应过程， 传统的化学催化法由于反应条件过于强烈，产生很多的副反应，产物选择性和催 化效率均较低，而且造成很高的能源消耗和大量资源的浪费，在工业上逐渐被淘 汰。仿生催化法是不同于传统化学催化和生物酶催化的非常规催化技术。它是基 于生命体中酶的催化原理，通过用大环化合物模拟生物催化荆的某些活性基或部 位，设计合成出的具有生物催化剂某些功能的化学催化剂，并在生物酶用量的特 定条件下模拟酶的催化过程，通过用简单的均相反应体系代替常规的多相催化反 应体系，实现在温和的条件下，高活性、高选择性地催化氧气选择性氧化饱和烃， 使之功能化的清洁化工生产技术。 取代苯甲酸作为一种市场前景广阔的精细化工中间体，其发展前景广阔。纵 观文献，取代苯甲酸的制备大多是在酸性介质中用传统的化学氧化剂和重金属盐 构成的催化剂体系中催化氧化取代甲苯，这些方法不仅会造成严重的环境污染， 而且反应步骤繁琐，生产成本高。目前工业上合成取代苯甲酸的方法通常有氧化 法和氯化法，但氯化法反应时间长，且废气、废水多，收率低，不适应工业化生 产从社会进步和生态环境可持续发展的要求来看，对化学工艺新方法的研究， 不但要考虑传统意义上的低成本和高产出，还必须尽量降低对环境污染，在工业 中做到低能耗、无污染或轻度污染，这样才符合未来社会发展的趋势。但如今的 化工产品及其生产过程多半是以2 0 世纪前5 0 年的技术为基础发展起来的，对环 境产生诸多不良影响，化学工业越来越无力承担治理有毒、有害物质所必须花费 的高昂费用，它们已逐渐成为了化学工业的巨大负担。在这样的背景下，绿色化 学应运而生，其目标就是寻找能够充分利用原材料和能源、在各个环节都无污染 或少污染的反应途径和工艺。于是，对一些低能耗、无污染的生化反应的模拟研 究成为许多化学工作者研究的热点，它可以从源头上减少和消除污染。 绿色化学的发展将是未来化学发展的基础，2 l 世纪的合成化学将进一步向 高效率和高选择性前进，新方法、新反应以及新试剂仍将会是未来合成化学研究 的主要方向。取代芳香酸在许多行业如：医药、染料、农药、化妆品、添加剂等 有着不可替代的地位，尤其是作为医药中间体有着极其重要的用途。近年来取代 北京工业大学工学碗士学位论文 苯甲酸的需求量大量上升，无论是国内还是国外，市场情况都比较好。这就吸引 了很多企业和研究者的注意。仿生催化氧气液相氧化取代甲苯制取取代苯甲酸， 因原材料成本低，工艺操作简单易行，实现了溶剂、催化剂、氧化剂向绿色化方 向的发展，自然地成为人们研究的热点。 仿生催化氧化法近几年发展非常迅速，但目前尚无系统的理论指导，而且仿 生催化在应用于烃类氧气氧化制备醇、醛、酮、酸过程中，表现出许多不同于常 规催化过程的现象和问题，因此研究仿生催化技术及其理论不仅具有重要的学术 价值，而且具有广阔的应用前景。 随着人们生活水平的提高，人们越来越关心环境问题，很多生产厂家已经把 环境因素列入产品的成本，人们不但关心生产本身也关心生产的途径。在环境保 护受到日益关注的今天，寻找制备取代苯甲酸的绿色合成方法将是未来制备取代 苯甲酸发展的方向。针对目前合成取代苯甲酸所存在的问题，本课题组采用金属 卟啉类仿生催化剂替代常规催化剂，以清洁廉价的氧气替代环境污染严重的化学 氧化剂，以醇碱性介质替代设备腐蚀严重的酸性介质，研究了一种能在的温和 条件下，催化氧气液相氧化对氯甲苯、2 氯4 硝基甲苯绿色合成对氯苯甲酸和 2 氯4 硝基苯甲酸的新方法，通过对反应温度、氧气压力、溶剂、催化剂浓度以 及碱浓度等影响因素的摸索，找到适宜的合成条件。仿生催化氧气液相氧化取代 甲苯制备取代苯甲酸是一个新兴的发展领域，成本低、对环境污染小，有着良好 的工业应用前景。 1 2 本课题的研究意义 对氯苯甲酸和2 - 氯4 硝基苯甲酸都是用途广泛的有机化工中间体，大量用 于有机化工原料，染料、医药和农药的合成。对氯苯甲酸可用于广谱驱虫药、非 甾族消炎镇痛药的合成；经低温硝化可制取3 硝基- 4 氯苯甲酸；也可用于分析 试剂等【l 】；例如在医药上由对氯苯甲酸合成的甲苯达唑【2 】和均三唑并噻二唑类化 合物是很好的肠道驱虫药；吲达帕胺是长效降压药；三环红霉素是广谱抗菌药； 芳酰化的- d - p 比喃葡萄糖苷都是性能良好的抗癌药物；作为生产吗氯贝胺的起始 原料i j j ，吗氯贝胺是一种新型的抗抑郁药，属单胺酶氧化制剂，但不同于以前使 用的单胺酶氧化抑制剂，该药选择性抑制单胺氧化酶a ，且是可逆的，因此副作 用较d d 4 l ，可用于治疗儿童注意力缺乏性多动症，是一个很有前途的神经系统药 物。对氯苯甲酸也可用于有机颜料中间体的合成，如合成n - ( 3 氨基- 4 氛代) 苯甲 酞基2 甲基3 氛代苯胺1 5 。有机颜料色谱齐全，色泽鲜艳，着色力强，耐化学稳 定性好，广泛用于油墨、涂料、塑料及合成纤维着色【铺】，在环境工程中对氯苯 甲酸可用于臭氧氧化过程中羟基自由基的测定【9 】，在染料上也可用于2 甲基4 第1 章绪论 甲氧基二苯胺的合成，2 甲基4 甲氧基二苯胺( 简称d p a ) 是荧烷类热、压敏 染料、医药、橡胶、农用化学品的重要中间体【1 0 l ，目前用d p a 为原料合成的黑 色荧烷染料有2 0 多个品种，其中部分品种已实现了商品化t l l l 例如n - 1 0 2 ， p s d 1 5 0 ，t h 1 0 8 ，s - 2 0 5 ，c f - 5 1 ，f 一9 ，勘r a c 【1 2 j ，芳基取代的噻唑、噻唑酰胺 是杀真菌效率高的农药。2 0 世纪7 0 年代以来，国内为解决与农药杀草丹、氰戊菊 酯等品种的配套生产相继建成了几套甲苯氯化的工业装置，目前总生产能力已超 过6 0 0 0v a 。加强下游中问体开发，带动相关农药，医药，染料工业的发展，是 改变这一困难的唯一途径【l ，l 。但是由于目前工业上制备对氯苯甲酸还是以传统的 化学氧化法为主，腐蚀设备严重，致使生产装置大量开工不足，效益不佳2 - 氯4 硝基苯甲酸是有机合成和制取医药、染料、农药等精细化学品的重要中间 体，是一种可重点开发的药物中间体品种。近年来，由于农业行情和工业生产对 氯代烃的衍生物需求变化较大，加上出口行情看好，市场需求量越来越大，2 氯4 硝基苯甲酸便是其中主要开发的药物中问体品种之一。随着经济进步和技 术发展，取代苯甲酸新的应用领域逐渐得到开拓，国内需求量呈快速增长趋势。 由于西方一些国家对氯化产品的限制，他们的市场需求基本上从东南亚和中国进 口，因此取代苯甲酸不仅在国内市场前景广阔，消费量不断增加，且出口潜力巨 大。 目前取代苯甲酸的合成方法大多是在酸性介质中用传统的化学氧化剂和重 金属盐构成的催化剂体系中催化氧化对氯甲苯，这些方法不仅会造成严重的环境 污染，而且反应步骤繁琐，生产成本高，继续工业化比较困难。因此如何在温和 的条件下采用清洁的氧气或空气以及无酸的介质，将烃类直接氧化成酸类对绿色 化学化工新技术来说意义深远。 本课题的主要目的是研究金属卟啉模拟酶催化氧化取代甲苯合成取代苯甲 酸方法，探索影响取代甲苯转化率、取代苯甲酸收率，选择性的经验因素，找出 制备取代苯甲酸的优化条件，从而从根本上提高取代甲苯的转化率和取代苯甲酸 的收率、选择性。本课题的研究将会很大程度上减轻现行工业方法的环境污染和 设备腐蚀问题，节省生产成本，同时在一定程度上能够促进有机化工和精细化工 等相关工业的发展。下面将本课题相关的三个方面对氯苯甲酸的合成方法、 2 氯4 硝基苯甲酸的合成方法、仿生催化剂的研究进展分别作以介绍。 1 3 对氯苯甲酸的合成方法 对氯苯酸( p - c h l o r o b o n z o i ca c i d ，简称p c i b a ) 茭j 白色粉末或棱状结晶。分 子量m = 1 5 6 5 ，熔点2 3 8 - - 2 4 1 ，相对密度1 5 4 1 ，不溶于水，易溶于甲醇，无 水乙醇和乙醚。 目前对氯苯甲酸的合成路线主要是采用化学试剂氧化法，按原料分类，主要 有对氯甲苯法、对氯苯甲醇法、对氯苯甲醛法、对氨基苯甲酸法等。 1 3 1 以对氯甲苯为原料的合成法 1 3 1 1 化学试剂氧化法1 1 4 1 坷 化学试剂氧化法是精细有机合成中早期常用的方法，常用的氧化剂以无机 物为主，如高价态的锰或铬化合物( 高锰酸钾、重铬酸钾、铬酸钾等) 、含氯化合 物( 次氯酸钠等) 、硝酸等。这些通用氧化剂氧化方法虽然具有操作条件温和、工 艺简单等优点。然而，由于对氯甲苯难溶于水，反应属于两相反应，从而使反应 不易进行彻底，收率偏低，因此对氯苯甲酸的生产效率较差；同时，由于这些氧 化剂的氧化能力较强，选择性相应较差，氧化剂对设备腐蚀也比较严重，易引起 副反应；并且，这些重金属易造成环境的污染，所以这些方法在工业上逐渐被淘 汰。化学试剂氧化法中通常所用的氧化剂是高锰酸钾，所以化学试剂氧化法也称 作高锰酸钾氧化法，该方法是由对氯甲苯在高锰酸钾的氧化下生成对氯苯甲酸 钾，然后经过盐酸酸析而得。其工艺方法是向反应器中依次加入水、高锰酸钾和 对氯甲苯，在1 1 0 回流2h 直至紫色消失，再加高锰酸钾回流，这样反复回流几 次。反应完成后，蒸出未反应的对氯甲苯，趁热滤出二氧化锰沉淀，浓缩滤液， 慢慢加入浓盐酸，冷却，抽滤得白色结晶【l 】，其反应式如下： + m n 0 2 + k c i 由于此方法是用高锰酸钾作氧化剂，所需的高锰酸钾消耗大，对于对氯苯 甲酸制备的成本来说，高锰酸钾的成本太高，所以寻找合适的氧化剂提高对氯甲 苯原料的转化率和对氯苯甲酸的收率是未来发展的方向 g丫一审a 竺 一f 审审 第1 章绪论 1 3 1 2 空气催化氧化法 空气催化氧化法是由液相氧气氧化法发展而来的，它是用价格低廉的空气 代替氧气液相氧化对氯甲苯生产对氯苯甲酸的方法。液相氧气氧化法是8 0 年代兴 起的方法，国内外均有许多研究报告发表。武汉大学、石家庄化工研究所等均有 专家学者在进行研究。液相氧气氧化法以低级脂肪酸为溶剂，过渡金属化合物和 溴化物为催化剂，由空气或氧气氧化烷基芳香烃制取芳香族羧酸，l l p a m o c o 法【1 6 1 。 该法生产成本低，不产生废气、废液，利于环境保护，产品以晶体析出，纯度高， 后处理工艺简单，有利于工业化生产【1 6 ，1 7 l ，石家庄第一制药厂和石家庄化工研究 所采用常压下以环烷酸钴为催化剂，空气液相催化氧化，由对氯甲苯制对氯苯甲 酸，其收率达5 0 左右，对氯甲苯的转化率为1 2 v 1 8 。武汉大学以对氯甲苯为 原料采用常压液相空气氧化制对氯苯甲酸其摩尔收率达9 6 5 。近年来国内有人 优选了钴盐、锰盐、溴化物构成的催化剂体系【1 删，以添加少量丁酸的芳香性 卤代烃为溶剂，在低压( o 5 o 7m p a ) 下，用氧气氧化对氯甲苯制取对氯苯甲酸， 产率为9 2 7 ，纯度9 9 2 嘣埘。该工艺其反应式如下： + 0 2j 丝l 脂肪酸 +h20 该工艺的缺点是低级脂肪酸做溶剂严重腐蚀设备，不利于工业生产。 1 3 1 3 光氯化水解法嘲 光氯化水解法使用一定波长的光使氯分子分解为活泼的自由基，然后该自由 基引发对氯甲苯的自由基连锁反应，三氯代甲基化合物经水解即得对氯苯甲酸， 其反应方程如下： 电豳 电+ 印5 龟二砌 一pa0 a 北京工业大学工学硕士学位论文 成本，另外还涉及到废气处理问题。因此该方法在工业上较难推广。 1 3 1 4 相转移催化氧化法口拍 相转移催化法是2 0 世纪6 0 、7 0 年代兴起的一种有机合成新方法，近几年发 展较快，国内外均有许多报道。通常所用的相转移催化剂是季铵盐氯化乙基三烷 基铵( a - d 。据报道【3 1 j 2 j 工业级季铵盐氯化乙基三烷基铵( a - 1 ) 是一种优良的相转 移催化剂，它不仅价格便宜，而且具有可回收、能循环使用和易于分离等特点。 其反应式如下： 相转移催化剂 m n 0 2 + h 2 0 c 。o o kp o h 6 二臼 占l a i 该方法与传统的化学方法相比条件温和，操作简便，反应选择性高，副反 应少，而且使用价格较低的季铵盐等做催化剂，降低了生产成本。但该法对工艺 的要求较高，重金属盐为催化剂，对环境污染严重，对设备也有腐蚀作用【3 肌。 此外，也有文献i ”1 报道相转移催化法以4 c l c 6 h 4 i 为原料制备对氯苯甲酸的 方法，此反应中如果没有季铵盐的存在，此反应不发生，所以此反应是真正意义 上的相转移催化反应；并且此反应对碱和极性溶剂都非常敏感，当n a o h 的浓度 很低时，产物对氯苯甲酸的收率非常低；非极性溶剂甲苯也有利于反应的进行， 用极性溶剂时产物的收率很低此反应用重金属盐作催化剂，用甲苯作溶剂，污 染环境。 1 3 2 以对氯苯甲醇为原料的合成方法 以对氯苯甲醇为原料的合成方法是通常用0 2 作氧化剂，吡唑钠为催化剂，据 文献p 习报道，毗唑钠是由毗唑和n a h 在四氢呋喃中临时制各的，当吡唑钠存在时， 对氯苯甲醛和对氯苯甲醇在室温下就能被氧化为对氯苯甲酸盐，然后酸化得对氯 苯甲酸。此反应中对氯苯甲酸的收率约为9 5 。此方法所得的对氯苯甲酸的熔点 为2 3 3 2 3 6 ，而文献值为1 4 2 。实验所得产物的熔程长，熔点偏低，说明产 物的纯度不够。而且反应中用到四氢呋喃，对环境有污染。 渤 y 第1 章绪论 也有用k m n 0 4 作氧化剂氧化对氯苯甲醇的方法1 3 6 1 ，此反应中加入了表面活 性剂硬脂酸钠或十六烷基三甲基溴化铵，表面活性剂都是临时制备的，制得产物 对氯苯甲酸的收率在9 0 左右。此反应操作简便，阴阳离子表面活性剂可以提高 产物收率，缩短反应时间，使反应在温和的条件下进行 1 3 3 以对氯苯甲醛为原料的合成方法 以对氯苯甲醛为原料的合成方法是在相转移催化条件下，用次氯酸钠作氧化 剂氧化对氯苯甲醛p ”，所镘对氯苯甲酸收率为8 8 ，此反应收率高、选择性好、 反应条件温和。次氯酸盐溶液在有机物的氧化中，具有很好的工业应用前景，因 为它是一种廉价的试剂。但是，因为次卤酸和季铵盐次卤化物以氢键络合，影响 反应效果。而且，用二氯甲烷作溶剂污染环境。 在文献【刈中也报道了在加入表面活性剂的条件下，高锰酸钾作氧化剂氧化对 氯苯甲醛的方法，所得产物对氯苯甲酸的收率为9 0 0 , 6 左右。另有文献【3 8 】报道用次 溴酸钠作氧化剂氧化对氯苯甲醛得9 0 0 , 6 的对氯苯甲酸。文献【3 9 】中用h 2 0 2 作氧化 剂，p h s e ( o ) o h 作催化剂，氧化对氯苯甲醛，得对氯苯甲酸，收率为9 4 。 1 3 4 以对氨基苯甲酸为原料的合成方法| 4 0 , 4 1 l 对氨基苯甲酸法是对氨基苯甲酸经重氮化，与氯化亚铜反应而得： 9 一 该法的缺点是生产成本高，腐蚀设备严重，产生大量废液、废气，污染环境， 逐渐被各工业国淘汰。 呐一 呐 y 天y a 人y 一 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 5 其它方法 九十年代国外有文献报道气相氧化法【4 2 】，但气相氧化法反应所需的温度较高， 对反应所需的设备要求高而且能耗大，反应不容易控制，容易产生焦油，收率低， 所以很难适应工业化。 早期有文献吲报道，4 氯联苯在乙腈中被高氯酸镁光氧化为对氯苯甲酸。 文献】报道了以氢氧化镍作电极，可以选择性地电解氧化氯代苄基氯成为相 应的对氯苯甲酸，所得对氯苯甲酸的收率为9 6 。此反应收率较高，但是实验的 后处理麻烦，产物纯化步骤复杂。 另有文献【4 5 】报道了以对氯苯基甲基酮或1 - f 4 氯苯基) 乙醇作原料，与次溴酸 钠和溴化钠在氢氧化钠溶液中反应，随后水解得对氯苯甲酸和溴仿。此反应收率 达9 0 ，但后处理比较麻烦，要先把溴仿过滤除去，碱性滤液酸化，得沉淀对缎 苯甲酸，用乙醚萃取，乙醚萃取液用亚硫酸氢钠溶液洗涤，再用无水硫酸镁干燥， 再减压除去溶剂乙醚，得白色晶体。 1 42 一氯- 4 - 硝基苯甲酸的合成方法 目前工业上生产2 氯4 硝基苯甲酸的方法主要是传统的化学氧化法，主要 的氧化剂是高锰酸钾，其生产工艺是由对硝基甲苯经氯化、氧化而得，其反应式 如下： c 1 2 1 2 ，f e k m n 0 4 n a 0 h 其工艺是先氯化，后氧化；氧化过程是将2 5 倍l 屹氢氧化钠加入到氯化 后的产物2 氯4 硝基甲苯中，加热至沸腾，于激烈搅拌下，缓慢加入高锰酸钾， 保温在1 0 0 左右，加完氧化剂高锰酸钾后继续搅拌，回流3 0 分钟，放冷，分 出二氧化锰；滤液用盐酸调至p h = 1 0 - 2 0 ，沉淀用冰水洗涤，然后过滤，于8 0 下干燥得成品2 氯4 硝基苯甲酸。 2 氯- 4 硝基苯甲酸作为一个重要的医药中间体，其用途广泛，可用于合成 药物利凡诺；而其也可用作消毒防腐剂。目前合成2 氯- 4 硝基苯甲酸的方法还 以传统氧化法为主，例如青海制药厂现在就是用先氯化、然后氧化的方法生产 2 氯4 硝基苯甲酸，此方法用高锰酸钾作氧化剂，成本太高，对环境也有污染。 一9慨 第1 章绪论 i 1 5 金属卟啉催化剂的研究进展 1 5 1 金属卟啉催化剂在催化氧化中的应用 金属卟啉化合物是模拟细胞色素p 4 5 0 建立起来的化学模型，主要用于考察烯 烃的环氧化和烷烃的羟基化反应。自1 9 5 8 年哪q ；和q 曲n l 【e l 在研究哺乳动 物肝的微粒体中发现7 细胞色素p 4 5 0 以来，人们开始对生命体中各种酶的作用有 了较深的研究和认识，从而使模拟酶，特别是加氧酶的催化氧化研究日益活跃起 来，并取得了显著的进展。卟啉的金属衍生物是生物体内的一类非常重要的物质。 例如，进行氧传递的血红蛋白、肌红蛋白、氧活化和电子传递的细胞色素c 、细 胞色素p - 4 5 0 以及过氧化氢酶均是金属铁卟啉，而具有光合作用的叶绿素是金属 镁卟啉。1 8 8 0 年h o p p e - - s e g l e r 酋次从血液中分离季导到血红素，1 9 0 4 年l a i d l a w 第 一次用人工的方法将自然金属铁重新插入原卟啉中，1 9 0 9 年m i l r o y 合成了第一个 非自然金属卟啉络合物s n ( i 锄a 珏及) ( o a ) 2 卧啉类化合物的催化氧化性能不仅与其络合的金属离子和取代基有关，还随 其所处的化学环境的不同具有明显的差异。当k l i n g e n b e r g h 和g a r t i n k e l 于1 9 5 8 年发 现了单加氧酶细胞色素p 4 5 0 以后，合成金属卟啉及其衍生物用于烷烃或芳烃羟基 化、烯烃环氧化等催化氧化方面的研究日益增多。近年来，有关金属卟啉模拟细 胞色素p 4 5 0 的研究工作取得了长足的发展脚 4 耵，各种不同金属卟啉所表现出的 奇异功能受到了科学家们的广泛关注。随着科学技术的发展，金属卟啉化合物的 应用领域渐渐被人发现，近年来的研究表明，卟啉类化合物在催化氧化，太阳能 储存、气体传感器、生物能传感器和磁性材料等方面也都有着广泛的应用前景。 1 5 2 金属卟啉催化剂的结构 卟啉是卧吩外环带有取代基和衍生物的总称，当其氮上的两个吡咯质子被金 属取代后即成金属卟啉金属卟啉的结构式如下图i i 所示： 图l - l 金属卟啭的结构 f i g 1 - 11 1 ”$ 1 r t l c r u o f m 矗a l l o p o r p h y r i n 北京工业大学工学硬士学位论文 金属卧啉催化剂具有催化性质的原因主要有两方面1 4 9 】，一是它具有共轭大罪 电子体系及金属原子价改变为基础的氧化还原性质，二是其中心金属对轴向配体 的配位能力。具体地说，它们主要是在催化与分子氧有关的反应方面具有独特的 性质。此外，它还对反应物的加氢和分解有催化性能。金属卟啉催化剂主要通过 金属原子的自旋态、卟啉自氧化及配体的空间立体效应、轴向配位体、卟啉环外 取代基等因素来影响金属卟啉催化剂的催化氧化。从实际应用看，采用金属卟啉 催化剂，以廉价、清洁的分子氧代替昂贵、环境污染严重的化学氧化剂用于催化 烃类氧化是一个非常具有诱惑力的研究领域。目前国内外对金属卟啉化合物的研 究十分活跃，金属卟啉化学已在多个领域得到了蓬勃发展，在生物化学、药物化 学、石油化学、有机化学、分析化学和固体化学等领域中具有重要的意义。 1 6 本论文的研究内容。 1 6 1 本论文的研究思路 模拟酶催化氧分子在温和条件下实现取代甲苯氧化为取代苯甲酸，该法的关 键是分子氧【哪l 】和取代甲苯的活化。因为取代甲苯的固有惰性或稳定性使其活化 非常困难。虽然氧化反应是强放热反应( g o ) ，但分子氧的特殊结构又使上 述反应成为动力学惰性的，在温和条件下，要使氧气氧化反应能够进行，就必须 改变分子氧的电子构型，使之活化。单加氧酶细胞色素p - 4 5 0 是目前在生命体中 唯一发现的，能使碳氢化合物官能团化的酶催化剂【5 2 】。金属铁卟啉的结构和细胞 色素p - 4 5 0 的结构很相似，以它为例来探讨金属卟啉的催化机理，金属铁卟啉催 化分子氧使有机物羟基化的假设反应机理与单加氧酶细胞色素p - 4 5 0 在生物体内 进行催化氧化的反应机理【5 3 】类似，假设反应机理如下图所示： 图1 2 金属铁卟啉催化分子氧使有机物羟基化的假设反应机理 f i g 1 - 2t h eh y p o t h e t i c a lc a t a l y t i cc y c l ef o ra na l k a n ct o a na l c o h o lu s i n g i r o np o r p h y r i nc o m p l e x 第l 章绪论 在单加氧酶细胞色素p - 4 5 0 对碳氢化合物催化氧化循环过程中，分子氧与 卟啉铁( ) 络合后，被生物体内的还原剂( n a d p h ) 还原，脱一分子水形成 活性物种铁单氧基团o = f e ( v ) 。它具有强的氧化活性，可以插入烃分子，生成 含氧产物。目前已有报道在温和条件下进行的仿生催化氧气空气氧化反应制备 硝基苯甲酸的报道。例如c h a n d a l i a 等人考察了以钴酞菁作催化；f l i ，在碱性条件 下空气氧化对硝基甲苯合成对硝基苯甲酸的反应【州，反应温度2 8o c ，空气压力 1 6i y j ： a 下，反应1 5h ，对硝基甲苯的转化率为4 0 ，对硝基苯甲酸的选择性为 9 6 。余远斌等人【5 ”9 】以金属酞菁，金属卟啉作催化剂，甲醇或甲醇苯作溶剂， 在强碱条件下氧气氧化硝基甲苯制备邻位、对位的硝基苯甲醛或硝基苯甲酸。采 用金属酞菁，金属卟啉作催化剂，实现了在中性介质中，一步将环己烷氧化成己 二酸的新方法；而且有文献报道金属卟啉的结构及铁卟啉催化分子氧使有机物羟 基化可能的作用机理【叫与此生命过程相似。因此在仿生催化选择氧化对氯甲苯和 2 一氯4 硝基甲苯的研究中我们选择卟啉类模拟酶作为催化剂。 1 6 2 本论文的研究内容 本论文的主要研究内容有两个部分：第一部分是以金属卟啉模拟酶催化剂 仿生催化氧气选择氧化对氯甲苯制备对氯苯甲酸以及对催化剂种类、反应温度、 反应时间、氧气压力、催化剂用量等实验条件的研究；第二部分是以金属卟啉模 拟酶催化荆仿生催化氧气选择氧化2 氯4 硝基甲苯制备2 氯4 硝基苯甲酸以及 对反应温度、反应时间、氧气压力、催化剂用量等因素影响的研究。 通过对反应液进行液相分析，定量计算出原料的转化率、产物的选择性和收 率。其中原料取代甲苯( 爿) 的转化率和产物取代苯甲酸( p ) 的选择性和收率 分别按下式计算： 原料取代甲苯的转化率( a ) ： c ：业x 1 0 0 ， 一 产物取代苯甲酸的选择性( 昂) ： 品2 瓦m 丽p x m a 1 0 0 ， 产物取代苯甲酸的收率( 昂) ： y p = c ax s p 在上面的式子中尥为原料的分子量，屿为产物的分子量，确是原始加入的 原料的质量，m a 是反应后剩余的原料的质量，m e 是生成的产物取代苯甲酸的质 量。 分别称取一定量提纯后的目标产物粗品和标准品，溶于甲醇中配成相近浓度 的溶液。采用外标法，用液相色谱分析目标产物粗品的纯度( p ) 。相应的粗品的 纯度可用下面的式子计算： 厂= 鲁 口：盟1 0 0 1 4 在上面的式子中，、p 分别为产物的校正因子和纯度。、研分别为标 样和粗品的质量。a o 、a j 分别代表产物的标样和粗品的峰面积。 1 7 本章小结 本章阐述了本论文的研究背景和研究内容，重点综述了对氯苯甲酸和2 - 氯4 硝基苯甲酸的制备方法和研究现状，在总结各种方法优缺点的基础上，认为仿生 催化氧气氧化法优点突出、缺点少，是一种非常值得研究和开展的新方法。同时 对本论文所用的金属卟啉模拟酶催化剂在催化氧化方面的应用和研究概况作了 介绍。 第2 章实验部分 第2 章实验部分 2 1 主要试剂和设备名称、规格和生产厂家 2 1 1 主要试剂名称、规格、生产厂家 2 1 2 主要仪器 2 0 0m l 不锈钢高压釜、配套x m t 系列数显调节仪、温控热电偶、水循环式 真空泵、水蒸气蒸馏装置、真空干燥器、r e 5 2 c s 旋转蒸发器、j a 2 0 0 3 型电子天 平、量筒、p h 试纸、滤纸、球形冷凝管、烘箱、旋转蒸发仪、可调速电子搅拌 器、层析柱( 0 3 0 x 8 0 0m m ) 、分馏柱、圆底烧瓶、移液管、分液漏斗、温度计 n i c o l e t 红外光谱仪、日本岛津u v - 2 5 4 0 紫外光谱仪、h i t a c h i l - 7 1 0 0 液相 色谱、x r - 6 显微熔点测定仪 北京工业大学工学硬士学位论文 2 2 金属卟啉催化剂的合成及表征 本论文所用金属卟啉催化剂为四( 邻氯苯基) 铁卟啉t ( o - c i ) p p f e 、四- ( 邻 氯苯基) 钴卟啉t ( o - c 1 ) p p c o 、四( 邻氯苯基) 锰卧啉t ( o - c 1 ) p p m n 、四( 邻 氯苯基) 铜卟啉t ( o - c 1 ) p p c u 、四( 邻氯苯基) 锌卟啉t ( o - c i ) p p z n 以及锰系 列的氯化四( 邻- 氯苯基) 锰卟啉t ( o - c i ) p p m n c i 、氯化四( 对- 氯苯基) 锰卟啉 t ( p - c 1 ) p p m n c l 由本试验室提供，其合成方法参见本课题组前期硕士论文，其红 外谱图见附录( 1 巧) 。 2 3 仿生催化氧气氧化对氯甲苯制取对氯苯甲酸 向2 0 0 m l 的高压釜内加入2 0 m l 的无水乙醇，l o “蒸馏水，5m m o l 的对氯 甲苯，o 5 0m m o l n a o h 和一定量的金属卟啉催化剂，于3 0 1 2 0 、2 0m p a 氧 气压力下磁力搅拌2h 1 2h ，直接从反应溶液中取样，进行液相色谱分析，得出 原料对氯甲苯的转化率、产物对氧苯甲酸的选择性和收率。 2 3 1 产物的分离提纯 法。 根据反应混合体系的组分，研究了对氯苯甲酸从反应混合物中分离提纯的方 2 3 2 产物的定性定量分析 2 321 产物的熔点测定 使用x t - 6 显微熔点测定仪，将提纯后的对氯苯甲酸样品和对氯苯甲酸标样 进行熔点测试，并与对氯苯甲酸熔点的文献值进行对照，检验三者是否一致。 2 3 2 2 产物的紫外光谱检测 以甲醇为溶剂，配制对氯苯甲酸标准样品溶液，使用日本岛津u v - 2 5 4 0 紫外 光谱仪进行检测，确定对氯苯甲酸的紫外最大吸收波长范围，为高效液相色谱检 测提供波长选择的依据。 第2 章实验部分 2 3 2 3 产物的红外光谱检测 采用k b r 压片法，使用n i c o l c t 红外光谱仪对提纯后的对氯苯甲酸样品进行 了红外光谱分析，将红外光谱谱图与对氯苯甲酸的标准红外谱图进行对照，检验 二者是否一致。 2 3 2 4 产物的高效液相色谱检测 将待测样品用甲醇配制成lm g ，5m l 的溶液，样品溶液经过滤处理后进样 l o 微升，采用天美公司的h i t a c h i l - 7 1 0 0 高效液相色谱对待测样品进行液相色 谱分析。 分析条