（应用化学专业论文）对甲酚生产对羟基苯甲醛和香兰素的绿色一体化工艺研究.pdf

素这种高腐蚀性和毒性的单质来进行溴化反应。充分体现了绿色、环保、经济的理念。 绿色一体化工艺路线还考虑了中间产物( 如对羟基苯甲醛、3 一溴- 4 - 羟基苯甲醛、3 ，5 一 二溴- 4 - 羟基苯甲醛) 在有市场的条件下，分离提纯得到独立的产品。 这条绿色一体化工艺路线，在不使用溴素的条件下，利用对甲酚直接生产香兰素， 对降低系列香兰素的生产成本，对企业安全生产以及规避市场风险等方面都提供了一 定的参考数据和工艺方向。 本文参考了国内外很多类似物质的合成工艺，在大量实验的基础上设计了由对甲 酚生产对羟基苯甲醛和香兰素的绿色一体化工艺路线，得到了优化的工艺参数，国内 未见相关文献报道。 关键词：对甲酚，对羟基苯甲醛，3 一溴一4 一羟基苯甲醛，香兰素，绿色一体化合 成工艺 i i 北京工商大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e t h y lv a n i l l i ni sc u s t o m a r i l yc a l l e dv a n i l l i n ，h a v i n gt h ef l a v o u ro f v a n i l l a i ne d i b l ee s s e n c e s ，v a n i l l i ni so n eo ft h em o s tp o p u l a rv a r i e t i e s ， s ot h a ti ti sm u c hm o r ee x p e n s i v et h a no t h e r s v a n i i i i ni sn o taw i d e l yu s e d f l a v o r ，b u ta ls oisa ni m p o r t a n tc h e m ic a li n t e r m e d i a t e n o wv a n illi nf a lls s h o r to fd e m a n di nt h ew o r l dm a r k e t ，b u tt h es iz e ，t e c h n o l o g ya n dp r o d u c t q u a l i t yo ft h em a n u f a c t o r yi nc h i n aa r ea l lu n d e rt h el e v e lo ft h ew o r l d s o s t u d y i n gt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo fs y n t h e s i z i n gv a n i l l i nh a ss i g n i f i e d m e a n in g t h et e c h n o l o g yo fs y n t h e s i z i n gv a n i l l i nf r o mp - h b ai sa na d v a n c e dp r o c e s s b r o u g h tf o r w a r di nt h ep a s ts e v e r a ly e a r s b u tt h e r ea r eli t t l ep r o d u c e r sw h o u s et h i sp r o c e s si nc h i n a o n er e a s o ni st h a tt h et e c h n o l o g yi sj u v e n i l i t y i nh o m e ：t h eo t h e ri st h a tt h ep r i c eo fp h b ai sa l w a y sa tah i g hl e v e l f o rt h es i t u a t i o no ft h em a r k e t ，t h ea r t i c l es t u d i e dt h es y n t h e s i sp r o c e s s o fm e t h y lv a n illi na n dp - h b a t h es t u d yw a sb a s e do ns i m p l ea n de a s yp r o c e s s ， a v o i d i n gt h er i g o r o u sr e a c t i o nc o n d i t i o ns u c ha st h eu s eo ft h ep u r eo x y g e n ， h i g hp r e s s u r ea n dt h ep r o t e c t i o no fn 2 t h es t u d yr e a l i z e dt h ep r o c e s su n d e r t h es i m p l ea n de a s yc o n d i t i o n ss u c ha so x i d a t i o nw i t ha i r ，o r d i n a r yp r e s s u r e a n dt h ep r o t e c t i o no fs o l v e n ts t e a m t h ea r t i c l es t u d i e dr e l a t i v ef a c t o r s i n f l u e n c eo nr e a c t i o n t h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t st h eo p t i m u mt e c h n i c a l p a r a m e t e r sw a sm a d ec e r t a i n s o m en e wp r o c e s sa n dm e a n sw a sb r o u g h tf o r w a r d f o rp u r i f i c a t i o np r o c e s s ，r e a c t i o ni n s p e c t i o na n dt h er e c y c l i n go fw a s t e l i q u i d t h et e c h n i q u ei sn o v e la n da p p l i e d ，a p tt oi n d u s t r i a lm a n u f a c t u r e t h ea r t i c l es t u d i e dt h es y n t h e s i sp r o c e s so fp - h b a t h eo p t i m u mt e c h n i c a l p a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ：t e m p e r a t u r ei s6 4 7 ，r e a c t i o nt i m ei s 6h o u r s ，t h em o l a rr a ti oo fm e t h a n o ls o l v e n tt op - c r e s o lis1 8 ：1 t h em o l a r r a t i oo f ( c o ( o a c ) 2 4 h 2 0 ) t o ( c u ( o a c ) 2 h 2 0 ) i s5 ：1 ，t h em o l a rr a t i oo fc a t a l y s t t op c r e s o li s2 ，t h em o l a rr a t i oo fn a o ht op c r e s o li s3 ：1 ，t h ep u r i t yo f p h b ai so v e r9 9 0 a n dt h ey i e l dc a nr e a c h8 4 5 t h ea r t i c l ea l s os t u d i e dt h es y n t h e s i sp r o c e s so fv a n i l l i n t h i sp a p e r s y n t h e s i z e dv a n i l l i nv i ab r o m i d i n ga n dm e t h o x y l a t i o n t h eo p t i m u mt e c h n i c a l p a r a m e t e r so fb r o m i d i n gw e r eo b t a i n e d a sf o l l o w s ：b r o m a t i n gt e m p e r a t u r ei s 2 0 ，t h em o l a rr a t i oo fp - h b at ob r 2i s1 ：1 1 5 ，t h em o l a rr a t i oo fm e t h a n o l t oc h l o r o f o r mi s1 ：2 ，r e a c t i o nt i m ei s4h o u r si n c l u d i n g1 5h o u r so fa d d i n g b r 2s l o w l y ，t h ey i e l do f3 一d i b r o m o 一4 一h y d r o x y b e n z a d l e h y d ec a nr e a c h9 3 t h e o p t i m u mt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fm e t h o x y l a t i o nw e r eo b t a i n e da sf o ll o w s ： i i i r e a c t i o nt i m ei s2h o u r s ，t h ev o l u m er a t i oo fd m ft om e t h a n o l i s2 0 ：2 2 7 ， t e m p e r a t u r e i s1 2 1 ，t h e m o l a r r a t i oo f c a t a l y s t t o 3 - d i b r o m o 一4 一h y d r o x y b e n z a d l e h y d e i s3 ，t h em o l a rr a t i oo fc h 3 0 n a t o 3 - d i b r o m o 一4 一h y d r o x y b e n z a d l e h y d e i s 2 5 ：l ，t h e c o n c e n t r a t i o no f 3 - d i b r o m o 一4 一h y d r o x y b e n z a d l e h y d ei s0 5 m o l l ，t h ep u r i t yo fv a n i l l i ni so v e r 9 9 5 a n dt h ey i e l dc a nr e a c h8 6 o nt h eb a s eo fs t u d y i n g d e e p l yt h et w op r o c e s s e s ，t h ea r t i c l eb r o u g h t f o r w a r dag r e e ni n t e g r a t i v ep r o c e s so fs y n t h e s i z i n gv a n i l l i na n dp - h b a ，b y a l t e r a t i o no ft h et r a n s i t i o np r o c e s s t h i si n t e g r a t i v ep r o c e s sp e r m i t t e d p - h b ap r o d u c t i o nt o e n t e rt h ep r o c e s so ft h eb r o m i z a t i o n ，w i t h o u tb e i n g p u r i f i c a t e d u s i n gh 2 0 2a n db r - ，i n s t e a do fb r 2 ，t h eb r o m i z a t i o no fp - h b aw a s r e a l i z e d t h e i n t e r m e d i a t e ss u c h a s p h b a a n d 3 - d i b r o m o 一4 一h y d r o x y b e n z a d l e h y d ec o u l db ep u r i f i c a t e d t ob e c o m eap r o d u c ti n t h i si n t e g r a t i v ep r o c e s s ，i ft h ei n t e r m e d i a t eh a dag o o dp r i c ei nt h em a r k e t t h eg r e e ni n t e g r a t i v ep r o c e s s ，u s i n gp - c r e s o lt op r o d u c ev a n i l l i n ，c o u l d p r o v i d eag o o dr e f e r e n c et od e c r e a s i n g t h ec o s to fv a n illi n ，s a f e t yo f m a n u f a c t u r ea n de l u d i n gr i s e si nt h em a r k e t a st ot h i si n t e g r a t i v ep r o c e s s ， t h eo p t i m u mt e c h n i c a lp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d t h e s eh a v en o tb e e nr e p o r t e d i nt h ew o r i d k e y w o r d s ：p - c r e s o l ，p - h b a ，3 - d i b r o m o 一4 一h y d r o x y b e n z a d l e h y d e ，v a n i lli n ， g r e e ni n t e g r a t i v ep r o c e s so fs y n t h e s i z i n g i v 北京工商大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 。iii 第一章绪论1 1 1 香兰素简介1 1 1 1 理化性质1 1 1 2 应用1 1 1 3 香兰素发展概况2 1 1 4 香兰素已有的合成方法3 1 1 5 香兰素合成方法比较5 1 1 6 对羟基苯甲醛合成香兰素研究概述6 1 2 对羟基苯甲醛简介8 1 2 1 对羟基苯甲醛的理化性质8 1 2 2 对羟基苯甲醛的应用8 1 2 3 对羟基苯甲醛的制备方法9 1 2 4 苯甲酚催化氧化法制备对羟基苯甲醛研究概述11 1 3 选题的背景及意义1 2 1 3 1 选题的背景1 2 1 3 2 选题的内容与现实意义1 3 1 4 研究方案及内容1 3 第二章对羟基苯甲醛和香兰素的合成研究1 5 2 1 氧气空气液相氧化对甲酚制备对羟基苯甲醛1 5 2 1 1 实验试剂、仪器和实验装置1 5 2 1 2 合成对羟基苯甲醛的反应机理和反应方程式1 6 2 1 3 合成对羟基苯甲醛的反应工艺流程路线图17 2 1 4 合成对羟基苯甲醛的反应产物的纯化1 8 2 1 5 合成对羟基苯甲醛的反应过程检测以及产物的定性与定量分析2 0 2 1 6 各反应影响因素的选择分析3 0 2 1 7 均匀设计试验及结果分析3 3 2 1 8 空气常压氧化优化工艺条件的改进及实验验证3 4 2 1 9 原料的回收及再利用3 4 2 1 1 0 提高反应收率的一些途径3 5 2 2 香兰素的合成研究3 7 2 2 1 实验试剂和仪器3 7 2 2 2 反应方程式及机理3 8 2 2 3 工艺流程路线图3 9 2 2 4 实验步骤4 0 2 3 香兰素的合成条件分析4 2 2 3 13 一溴- 4 - 羟基苯甲醛合成的影响因素和正交试验4 2 2 3 2 香兰素合成的影响因素选择和实验结果4 6 2 4 由对甲酚直接合成香兰素的一体化工艺5 0 2 5 由p - h b a 合成香兰素的产物分析5 3 2 5 13 一溴- 4 - 羟基苯甲醛结构分析5 3 v 对甲酚生产对羟基苯甲醛和香兰素的绿色一体化工艺研究 2 5 2 香兰素产品定性和定量分析一5 4 2 5 3 香兰素定量分析5 6 第三章绿色一体化工艺研究5 9 3 1 绿色一体化工艺反应过程及操作流程5 9 3 2 绿色一体化工艺路线需要注意的条件6 1 3 2 1 溶剂的前后套用6 1 3 2 2 对羟基苯甲醛产物的酸化处理6 1 3 2 3 澳素的替代6 1 3 3 制备洲队的溴化剂替代工艺研究6 2 3 3 1 澳化剂生成的反应过程6 2 3 3 2 酸的确定6 2 3 3 3 几种替代澳化剂生成方式实验6 3 3 3 4 利用双氧水滴加两相反应法的溶剂体系选择6 4 3 3 5 利用替代澳化剂反应影响因素分析6 5 3 3 6 实验设计及结果6 6 3 3 7 双氧水对醛基的影响6 8 3 4 绿色一体化工艺路线实验一7 0 3 5 经济效益简单分析7 1 第四章结论7 3 参考文献7 5 致谢7 9 v i 北京工商大学硕士学位论文 1 1 1 理化性质 第一章绪论 1 1 香兰素简介 1 ) 物理性质 甲基香兰素习惯上被人们称为香兰素 v a n i l l i n ，又名香草醛、香兰醛、凡尼林或香 茅醛，学名为3 一甲氧基一4 一羟基苯甲醛，白色或浅黄色针状或结晶状粉末，其晶型受结晶 时所用的溶剂影响而不刚，如水醇溶剂则呈单斜方晶。熔点8 2 8 3 c ，沸点2 8 4 c ，密 度1 0 5 6 9 c m 3 。具有香子兰特有的甜美香气。微溶于水，水溶液呈弱酸性，易溶于甲醇、 乙醚、甘油、氯仿及苛性碱溶液，香兰素不宜长期遇光或暴露在空气中，否则将逐渐被氧 化而影响产品质量。香兰素基本上无毒，蒸汽吸入实际上是无害的，但对皮肤及粘膜有局 部刺激。 2 ) 化学性质 香兰素的化学结构为： 从香兰素的结构式可见，它既是芳醚、芳醛，亦是酚类。因此必然具备此三方面的不 同的反应性能：( 1 ) 醛基反应：( 2 ) 酚羟基反应：( 3 ) 芳环上反应。同时，由于各官能团 的相互制约，存在一些特殊的性能。诸如香兰素的水溶液呈弱酸性；当其遇光，或长期置 于空气中时，可逐渐被氧化；芳环上的各活性官能团可发生各类反应，由此可制备类如姜 油酮、香草胺、肉桂醛衍生物等其它各种香料、香精和各种药用中间体，如合成药物l 一 多巴的中间体等。由于香兰素不能发生岐化反应及安息香缩合，所以与大多数其它醛类比 较，它有相对较大的稳定性。 1 1 2 应用 1 ) 用于香料 香兰素是种重要的广谱型香料，广泛地用作定香剂、变味剂、调味剂、化妆品、香 对甲酚生产对羟基苯甲醛和香兰素的绿色一体化工艺研究 皂及其它一些饮食行业的生产中。在食用香精中，香兰素是使用量最大的品种之一，也是 价格比较贵的一个品种。 我国食品卫生标准g b 2 7 0 0 - 8 1 规定可用于食品的调香剂，广泛用于糖果、巧克力、调 味品、软饮料、酒类饮料、冰淇淋及烘烤食品中。其一般用量为：软饮料2 0 p p m ，冰淇淋 等冰制食品4 7 p p m ，按f a 0 删0 ( 1 9 8 3 ) 规定，香兰素可用于婴儿罐头食品和婴幼儿谷类 加工食品中。香兰素的使用不应过量，在用量过多时，反而使香味不正，当与碱接触时， 会失去香味。香兰素可用于加工可可粉，巧克力和各种可克制品中，其加量可酌情增减。 2 ) 用于合成下游产品 香兰素的分子结构中具有芳醚、醛和酚基，作为原料和重要精细化学反应中间体，可 发生醛基、酚羟基及芳环上的多种反应，可用于制备姜油酮、香草胺、肉桂醛衍生物等多 种香精香料；可以合成乙基姜油酮调香剂、药物赋香剂；合成治疗心血管疾病药物l 一多巴 和治疗心脏病药物婴粟碱等乜1 。 3 ) 其它应用 香兰素在新型香精、烟草和食品添加剂、药物合成等方面已获得了广泛应用，因其香 味浓郁，除用于香水、化妆品之外，还可用于合成精油、粉末香料、涂料香料等。香兰素 需求量在不断增加，发展香兰素的生产，特别是对于食品香料工艺的发展，具有重要意义 1 3 1 1 3 香兰素发展概况 2 0 0 5 年国内消费量约4 0 0 0 吨，比上年增长2 5 左右。2 0 0 5 年出口量增至6 0 6 2 吨，2 0 0 0 , - 一 2 0 0 5 年出口年均增长率达到3 3 。预计未来国内外市场需求将保持较快的增长速度。 我国香兰素原有1 0 多家生产企业，目前大部分小企业生产设备己经严重腐蚀，再加 上受环保条件限制，已失去生产能力。目前还有为数不多的几家香兰素生产厂。如罗海( 浙 江) 精细化工有限公司、浙江书兴华杰精细化工公司、吉化集团公司等。其中浙江书兴华 杰精细化工公司是目前国内最大香兰素生产企业。 针对目前国内外市场香兰素产品供不应求的良好势头，这几年，香兰素的生产企业都 在积极扩产和改进自己的技术n 1 。国内主要生产企业加速了扩能步伐。浙江嘉兴中华化工 有限公司2 0 0 4 年投产了一套2 0 0 0 吨年香兰素装置，产能达6 0 0 0 吨年；罗海( 浙江) 精细化工有限公司是法国罗地亚公司与浙江雪豹精细化工有限公司的合资企业，原本产能 1 0 0 0 吨年，后来扩至1 5 0 0 吨；吉化集团是国内较早的香兰素生产企业，原产能1 5 0 0 吨 2 北京工商大学硕士学位论文 年，2 0 0 6 年，该集团为了解决困扰企业多年的环保问题，决定在国内率先采用乙醛酸法工 艺生产香兰素，同时将产能扩到2 0 0 0 吨年；吉林长白山精细化工有限责任公司香兰素原 有产能9 0 0 吨年，2 0 0 6 年经实施扩能改造，将扩至2 0 0 0 吨年。 据报导，香兰素的需求量每年以1 0 的速度增加，仅美国每年进口就有5 0 0 0 多吨，法 国、瑞士、日本、德国也都有很大的年进口量，所以香兰素在国际市场上已成为紧俏的化 学品。 国外香兰素生产量大的厂家有加拿大安大略造纸厂、美国孟山都化学公司、法国罗纳 一普朗克公司、挪威博列革德公司、日本盐野公司、宇部兴产公司等。 虽然我国香兰素生产能力较高，产量的6 0 用于出口，但规模、技术和产品质量均低 于国际先进水平。如国产香兰素价格为1 4 0 元公斤，而进口价格在2 4 0 元公斤。目前国 内香兰素的生产产量和质量远远满足不了国内外市场需求。因此，进行香兰素的合成研究 具有重要意义。 1 1 4 香兰素已有的合成方法m 叼 1 ) 以松柏苷为原料 在无机酸与酶的作用下，水解为松柏醇，再经氧化变为香兰素，该法现已淘汰。 2 ) 以黄樟素为原料 用碱处理转化为异黄樟素，氧化得胡椒醛，再经五氧化二磷作用、硫酸二甲酯甲基化 得到香兰素。我国虽有丰富的黄樟素资源，但该法路线长、效率低，不宜采用。 3 ) 以丁香酚为原料 以丁香酚为原料，在碱的作用下异构化为异丁香酚，再与氧化剂作用生成香兰素钾盐， 最后经酸化得到香兰素。反应式如下： o h 该法为1 9 世纪7 0 年代 - - 2 0 世纪2 0 年代的路线，1 9 7 8 年经日本改进后，产率最高可 达9 0 。丁香酚在丁香油中的含量为8 5 - - 9 0 ，是制备香兰素的天然原料，但是主要产地 分布在东南亚，原料来源受到限制，原料较少，使产品成本较高。 4 ) 以木质素为原料 3 对甲酚生产对羟基苯甲醛和香兰素的绿色一体化工艺研究 _ r 胃 一 将造纸厂的纸浆废液( 或酒糟浓缩物) 加入碱后，在加热条件下通入空气进行氧化， 然后经过萃取、酸化等过程进行精制而得香兰素。反应方程式如下： o 2 c h 2 0 h c h o 皿阻c 酊c h 3 c h 0 o h 目前世界各国以此法生产的香兰素约占半数。木质素来源广泛，纸浆废液中也含有大 量的木质素，可以作为廉价的生产原料。此法香兰素的产率为1 0 - 1 5 ，但缺点是酸、碱 的用量大，工艺周期较长。木质素法合成路线生成废料非常多，在国外正被陆续淘汰。 5 ) 以愈创木酚为原料 具体又分七种合成路线，其中比较典型的有亚硝化法和乙醛酸法。前者成本高，产生 废物较多，且不易处理；后者比较简单，国外正在普遍使用的本生产工艺。 ( 1 ) 亚硝化法 愈创木酚与甲醛缩合生成3 一烷氧基- 4 - 羟基苯甲醇，再与对亚硝基一n ，n 二甲基苯胺反 应、最后经水解生成香兰素，主要反应式如下： o h c h z o h il 2 分o c h 3 + 2 h c h o + 铲h 3 i o h c h 2 0 h n 。h o hh c i = n - - n ( c h 3 ) z h c ic h o n ( c h 3 ) f h c ! 争o c h 3 + 审铷。吗一铷o c h 3 + 审 o hn ( c h 3 ) z 。h c !o h6 h 村h 2 该法是最传统的方法，缺点是工艺路线长，操作繁杂，工艺排泄物污染环境。我国大部分 厂家仍沿用此法。 ( 2 ) 乙醛酸法 a 、r i e d e l 反应法 愈创木酚首先与乙醛酸钠缩合生成3 甲氧基一4 一羟基扁桃酸钠，再经氧化、酸化生成香 兰素。反应式如下： 4 北京工商大学硕士学位论文 oo h c - - c - - o n i 业h + 室沮 oo 3 该法的优点是反应步骤少，三废较易治理，产物易分离提纯。国内对这条合成路线研究不 多，但吉化集团自主研发的乙醛酸法合成甲( 乙) 基香兰素的氧化催化剂在2 0 0 6 年获得国 家发明专利。 鲁 b 、电解氧化法 愈创木酚和乙醛酸的缩合产物4 一羟基一3 一甲氧基扁桃酸，经电解氧化、脱羧等步骤可 以合成香兰素。该方法与化学氧化的方法相比，不需加入催化剂和氧化剂，具有工艺简单， 能量消耗低，选择性高的特点，从而简化了分离和精制步骤，有利于实现工业化生产。 目前国外最常用的生产路线是愈创木酚和乙醛酸合成路线，但我国在应用此法生产时 反应原料不易得，技术上仍需改进，总收率不高、比国外水平低1 0 左右，且成本较高。 罗海( 浙江) 精细化工有限公司是法国罗地亚公司与浙江雪豹精细化工有限公司的合资企 业，在无锡建有香兰素原料愈创木酚生产基地。 6 ) 以对羟基苯甲醛为原料 由对羟基苯甲醛先进行单溴化，再进行甲氧基化制得香兰素。工艺路线较短，反应条 件较温和，三废较少，溴可以回收，收率可达8 0 以上。其反应式如下： c h 0 b r c h a o n a - - - - - - - - - - d m 匝 3 且甲氧基化这一步，进行不同烷氧基取代反应，可得乙基香兰素、异丙基香兰素和丁基香 兰素等高级香料。因此对于合成香兰素系列产品具有重要意义。 1 1 5 香兰素合成方法比较 以木质素为原料生产香兰素，虽然成本最低，但由于产率非常低，工艺周期较长，废 料非常多，环境污染严重；并且这种工艺的产品中含有较多的重金属，不能用于食品级别， 音 对甲酚生产对羟基苯甲醛和香兰素的绿色一体化工艺研究 在国外正被陆续淘汰。 丁香酚半合成工艺法制备香兰素，原料来源于天然植物提取物，成本较高，属于天然 级产品，一般用于中高档香原料，天然级产品售价可达4 5 万元左右每吨，但原料产地主 要分布在东南亚，来源非常受到很大限制。 愈创木酚亚硝基法是最传统的方法，工艺路线长，操作繁杂，工艺排泄物非常污染环 境，我国大部分厂家仍沿用此法。国外常采用愈创木酚和乙醛酸合成路线，我国也有两家 企业在采用此方法，但在应用此法生产时面临很多问题，如原料不易得，技术上仍需改进， 反应在总收率不高、比国外水平低1 0 左右，且成本较高。 以对羟基苯甲醛为原料溴化合成香兰素是近年来提出的新工艺。工艺路线较短，反应 条件较温和，三废较少，收率高，可以说是一个很好的方法，代表着绿色工艺的方向，具 有一定的发展前景和应用价值，但是在我国工业上应用不多。 原因可能有： 一是对羟基苯甲醛的来源问题，对羟基苯甲醛价格昂贵，导致原料成本过高。 二是还没有人提出非常成熟的工艺参数。 三是生产香兰素现有工艺已成型，不太好改造。 但随着对香兰素需求的增长，一些原来设备的老化腐蚀，以及环保意识和要求的不断 提高，对羟基苯甲醛法生产香兰素将会得到很好的应用。 原料对羟基苯甲醛的来源问题是这条工艺线路得到应用的关键因素。必须解决对羟基 苯甲醛的来源问题，才能有效地降低对羟基苯甲醛的生产成本。尤其是针对一个企业，要 想生存发展，必须将自身的原料问题解决好，否则将会处于被动地位，处处受原料商的牵 制，甚至无法经营下去。 为了这条工艺路线能够得到广泛的应用，我们有必要对对羟基苯甲醛法生产香兰素的 生产工艺和生产对羟基苯甲醛的工艺路线进行较为系统的研究。 1 1 6 对羟基苯甲醛合成香兰素研究概述h 1 1 ) 对羟基苯甲醛法合成香兰素反应条件概述 本工艺路线是由对羟基苯甲醛先进行单溴化，再进行甲氧基化制得香兰素。 ( 1 ) 溴化溶剂的选择 在溴化反应体系中，溶剂对溴化反应的影响很大，由于羟基的供电子效应使得极易发 6 北京工商大学硕士学位论文 生二溴化取代反应。为了提高单溴化取代反应的选择性，需要降低反应溶剂的极性，但也 不能使溶剂没有极性，反应溶剂对产品收率影响很大。文献中用到溶剂有甲醇、乙酸乙酯、 苯、氯仿等，也有的采用混合溶剂。 ( 2 ) 溴化温度的选择 如果温度过高会使二溴化物增加，温度的确定要根据溶剂的极性以及反应物的活性来 决定。文献中报道的温度从- 1 0 c 至! u j4 0 c 不定。 ( 3 ) 溴化剂的选择 在一般的文献中，都是用单质溴加入进行反应。而青岛科技大学李红和李英春以氯化 溴代替溴素，用氯化溴代替溴素，降低了反应成本，又可避免二溴化物的生成。但由于溴 和氯都是对环境和安全生产有很大危害的毒性物质，有必要对本工艺进行绿色化的研究， 如果用溴化钠和过氧化物来替代单质溴进行反应，这样会很大程度降低成本和方便操作， 在本论文会进行比较深入地研究和试验。 ( 4 ) 烷氧基化步骤催化剂和溶剂的选择 在烷氧基化步骤中，通常用c u o 作催化剂，用甲醇和d m f 作反应溶剂。由于甲醇的存 在，很多文献都采用加压反应，以便使温度能够达到甲氧基化1 2 0 c 的反应温度。能不能 在常压下进行反应，则甲醇与d m f 的配比如何，这都需要进一步研究。 2 ) 香兰素的提取和纯化研究概述 香兰素经常作为香料使用，纯度要求很高。目前国内香兰素提纯工艺是苯萃取后蒸馏， 甲苯结晶，最后用乙醇重结晶，其工艺流程如下： 反应缩合一苯萃取一水洗一蒸馏脱苯一蒸汽冲蒸一真空蒸馏一甲苯结晶一二次真空蒸 馏一乙醇重结晶。 该工艺存在收率低，全流程的总收率为7 0 ，其中以两次真空蒸馏损失最大，要大于 2 0 。具有能耗大，过程复杂，设备投资大等缺点，因此无法在工业上得到广泛应用。 清华大学化学工程系研究出一种新的提纯方法以替代传统的蒸馏法，即用碱性水溶液 作反萃取剂，将香兰素从苯萃取溶液中反萃取出，有酸调p h 使其结晶，再送下步加工而 制得香兰素。采用这种提取方法，其苯萃取前和甲苯结晶以后的工艺与原工艺相同。其新 工艺流程如下： 反应缩合一萃取一水洗一碱性水反萃取一等电点结晶一过滤一甲苯结晶一乙醇重 结晶。 7 对甲酚生产对羟基苯甲醛和香兰素的绿色一体化工艺研究 所用的碱性水溶液为氢氧化钠或氢氧化钾、碳酸钾等的无机盐水溶液。 1 2 对羟基苯甲醛简介 1 2 1 对羟基苯甲醛的理化性质 1 ) 对羟基苯甲醛的物理性质口帕 对羟基苯甲醛( p h y d r o x y b e n z a l d e b y d e ，c ，h 6 0 ：) ，白色至淡黄色结晶，有芳香气味。 熔点1 1 5 - - 1 1 6 ( 2 ，相对密度1 1 2 9 9 c m 3 ( 1 3 0 4 ) ，易溶于甲醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯 等，微溶于水、苯。在3 0 1 2 的水中溶解度为0 0 1 3 3 9 c m 3 ，在空气中易升华，毒性小。 2 ) 对羟基苯甲醛的化学性质 对羟基苯甲醛化学结构为： p - h b a 对羟基苯甲醛化学性质比较活泼，分子中含有醛基和酚羟基，苯环也较容易被取代，是 一个很好的化学中间体。因而可发生多种化学反应，具有多种衍生物，广泛应用于各个领 域。如合称对羟基苯甲酸、香兰素、甲氧基苄氨嘧啶、对羟基苯甘氨酸等，是医药、农药、 香料、染料、液晶材料等的重要中间体。 1 2 2 对羟基苯甲醛的应用 对羟基苯甲醛是国家十分重要的有机化工原料，是很多化工产品的重要中间体。其需 求逐年增长，国内外市场前景广阔。 在医药上，对羟基苯甲醛可用于制各磺胺类药物的增效剂甲氧基苄氨嘧啶( t m p ) 、羟 基氨苄青霉素、羟氨苄头孢霉素等。仅用于生产磺胺类药物的增效剂一甲氧基苄氨嘧啶的 年需求量就达到1 0 0 0 吨以上。对羟基苯甲醛另一主要用途是生产对羟基苯甘氨酸，这是 新一代半合成青霉素羟基氨苄青霉素的关键中间体。羟基氨苄青霉素是目前用量大、效 果好的消毒、杀菌、消炎药物之一。 对羟基苯甲醛的卤化物可以制取敌草腈和溴苯腈，它们是属触杀、内吸性除草剂，施 北京工商大学硕士学位论文 用方便、生产过程简单、成本低，是很有发展前途的除草剂。 在天然香料缺乏的情况下，合成香料因其特有的纯正香味在食品调香中占有重要地位， 合成香料是香料发展的趋势，而对羟基苯甲醛可用于制备覆盆子酮、肉桂醛、茴香醛、茴 香醇、香兰素等香料。 化妆品工业是精细化工的重要组成部分，化妆品通常要满足2 - - , 3 年的使用期限的特 点，用对羟基苯甲醛制备的3 ，5 一氯一4 一羟基苯甲醛作为防腐剂，能有效地抑制杀菌在化妆 品中的生长。 以对羟基苯甲醛为原料可以发展一系列更高层次的精细化工产品。目前国外新开发的 对羟基苯甲醛下游产品有：茴香醛、对正丁氧基苯甲醛、对正丁氧基苯甲醛、对羟基桂皮 醛、对羟基安息香酸、对羟基苄醇、对羟基苯乙酸等，这些产品中的不少在国内还是空白。 国内对羟基苯甲醛行业的发展方向：一是应努力提高产品质量和含量，加大医药级产 品产量，满足医药工业快速发展的需求；二是加强对羟基苯甲醛下游产品开发，提供各类 丰富多彩的精细化工产品。 1 2 3 对羟基苯甲醛的制备方法n 卜2 钉 对羟基苯甲醛的生产方法主要有4 种： 1 ) 苯酚法 由苯酚与三氯乙醛在碳酸钾催化剂下缩合，生成卜对羟基苯基一2 ，2 ，2 一三氯甲醇，再 经甲醇钠分解而得。反应式如下： 囝+ c c l 3 c h o h o c h c c i s 中号 h 吣卜c n q 苯酚与三氯乙醛反应，再在碳酸钾催化下缩合，然后与甲酚反应。该法的缺点是中间 产物为粘稠状固体物，处理困难，产品需要用乙醚多次提取，工业生产比较麻烦。 2 ) 对硝基甲苯法 该法是以对硝基甲苯为原料，用多硫化钠作催化剂，在甲醇的水溶液中回流反应2 4 h ， 9 cchc 舯人y 对甲酚生产对羟基苯甲醛和香兰素的绿色一体化工艺研究 一7 。_ = 7 1 7 冈 得到对氨基苯甲醛，再经重氮化、酸水解得到对羟基苯甲醛，其反应方程式如下： 玛。仉而n a 2 s x , 而d m fc h o 舳2 三hochoh2s04 i 卜h o 庐一 该法工艺流程长，设备复杂，收率也不理想，但生产成本很低。 3 ) 对氨基苯甲醛法 该法是上述方法的一部分，直接利用对氨基苯甲醛，经重氮化、水解反应而得，其反 应式如下： c n 叫3 毒c n o _ 凹s 叩佃弋纩咖1 2 _ 云蔷伽o 飞广髑叩 旦h v 嘲o + n z + h 2 s 0 4 ：= 这种方法收率约7 5 。原料成本较高，目前较多厂家采用此法，产率也有待提高。 4 ) 对甲苯酚法 对甲酚催化氧化反应是指在催化剂作用下用空气或氧气直接氧化对甲酚合成对羟基苯 甲醛。其反应式如下： h 催化剂 a 1 3 + 0 2 斗h c l i o + h z o 该法是近些年才开始研究的，因有独特的优点而得到了人们的普遍关注，由于使用 的催化剂和工艺条件不同，产率也不一样。 由对甲酚氧化制取对羟基苯甲醛，有人还采取过氯化水解法和铬酰氯氧化法，但氧化 剂成本高，污染严重，不宜处理，而被对甲酚直接催化氧化法取代。 对甲酚直接催化氧化法与其它方法相比，具有工艺简单、反应平稳、生产安全、收率 高、污染小，以及产品纯度高等优点，是迄今为止所有合成方法中最好的一种 我国东北等地有着非常丰富的副产对甲酚资源，且煤焦油中富含对甲酚，为氧化制备 对羟基苯甲醛提供了充裕的原料来源。 纵观对羟基苯甲醛各种生产工艺，比较其优缺点，一般认为对甲酚催化氧化法是生产 对羟基苯甲醛的发展方向，经试验证明技术上是可行的，经济上是合理的，为工业化生产 开辟了一条新途径，是一种很有发展前途的方法。据悉目前已有工业生产，也未见报道。 1 0 北京工商大学硕士学位论文 1 2 4 苯甲酚催化氧化法制备对羟基苯甲醛研究概述n 6 q 叼 1 ) 对甲酚催化氧化反应研究进展 8 0 年代，许多学者对此工艺路线进行了深入研究，有关报道不断出现，日本、一美国、 德国先后有数十篇专利发表。 1 9 8 7 年，上村宽等以铁( f e 3 + ) 、镍( n i 2 + ) 化合物为混合催化剂，以甲醇为溶剂，在l l 搅拌釜中用纯氧氧化对甲酚合成对羟基苯甲醛，对甲酚转化率达4 0 9 6 5 0 ，选择性为4 0 9 6 6 0 。 1 9 8 8 年，小野寺健治以对甲酚为原料，在铜和钴化合物存在下，以甲醇为溶剂，在搅 拌釜中用纯氧氧化，收率为8 2 。 8 0 年代后期，吉国忠亚在5 0 m l 不锈钢高压釜反应器中提高氧气压力，稍微提高反应温 度，以钴、铈化合物为混合催化剂，加入强碱性醇盐，大大提高了反应速度，提高了选择 性。反应4h 收率达8 7 。 8 0 年代末9 0 年代初，国内江苏、上海、大连等地几家研究和生产单位对此工艺进行了 研究开发，并将其用于工业生产。 在国内，江苏金坛激素研究所对此法研究得较早，他们利用铜、钴化合物为混合催化 剂，在搅拌釜中用纯氧氧化，得到对羟基苯甲醛，同时优化了工艺条件，反应时间为1 8 2 0h ，对甲酚转化率在9 0 以上，对羟基苯甲醛的收率为7 0 2 。 吉林化工学院精细化工研究所利用外循环反应器强化了该反应的传质，在研究中取得 了较大的进展。 1 9 9 5 年起，清华大学化工系m 1 与燕山石化总公司合作对该工艺进行了较深入研究。对 反应工艺参数进行了优化，优化结果为( 以对甲酚l m o l 计) ：n a o h 4 m o l 、c h 3 0 n a l m o l 、反 应温度7 5 、反应时间1 0 - 1 6h ，收率为8 3 。 任学军、赵志林等在2 0 0 3 年用纯氧加压方式，采用催化剂n ( c o ( o a c ) 2 4 h 2 0