（化学工艺专业论文）酯化氧化法合成水杨醛.pdf

摘要 水杨醛是一种重要的精细化工产品，广泛应用于农药、医药、香料、染料 的合成上。本文以苯酚、硼酸、多聚甲醛等为原料，采用酯化氧化法经脱水、 酯化、羟甲基化、碱化水解、催化氧化、酸化六步反应制得水杨醛，该法原料 成本低廉、污染小，是一个较具有发展前景的“绿色”合成路线。 本实验将酯化反应分解为脱水反应步骤和酯化反应步骤，以便提高酯化反 应收率，同时，考察了反应温度、硼酸用量、带水剂种类及用量对酯化反应收 率的影响，实验结果表明，该步反应条件简便易操作，反应转化率达9 8 。 在羟甲基化反应中多聚甲醛的进料方式改进为气态进料法，通过正交实验， 考察了多聚甲醛原料含水量、反应温度、反应时间、多聚甲醛用量对反应收率 的影响。实验表明，多聚甲醛含水量及反应温度对反应收率影响显著，其它因 素影响较小。 在催化氧化反应中以5 钯炭为催化剂，考察了催化剂用量、反应时间、 反应温度对反应收率的影响。并优化了反应条件。 本文还考察了碱化水解反应和酸化反应各因素对反应收率的影响。采用水 蒸汽直接蒸馏，再经饱和亚硫酸氢钠法制得水杨醛精品，气相色谱法分析其中 水杨醛质量含量达9 6 以上，水杨醛收率达6 0 5 ，超过国内文献报道水平 ( 5 l ) ，接近国外文献报道水平( 6 7 ) 。 关键词：水杨醛苯酚多聚甲醛羟甲基化氧化酯化 a b s t r a c t s a l i c y l a l d e h y d e ( o h b ) j sa ni m p o r t a n tf i n ec h e m i c a lp r o d u c t w h i c hi sw i d e l y u s e di nt h es y n t h e s i so fp e s t i c i d e ，m e d i c i n e ，s p i c e ，p i g m e n ta n ds oo n i nt h i sp a p e r ， e s t e f i f i c a t i o n o x i d a t i o np r o c e s sw a su s e dt os y n t h e s i z eo h bw i t hp h e n o l ，b o r i ca c i d ， p a r a f o r m a l d e h y d e ( p f ) a sr a wm a t e r i a l s ，w h i c hi n c l u d i n gs i xs t e p s ，n a m e l y d e h y d r a t i o n ，e s t e r i f i c a t i o n ，h y d r o x y m e t h y l a t i o n ，s a p o n i f i c a t i o n ，o x i d a t i o n a n d a c i d i f i c a t i o n t h ea d v a n t a g e so ft h i sa p p r o a c hl i ei ni t sc h e a pl a wm a t e r i a l s 1 e s s p o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n to v e ro t h e r s i nt h es t e po fe a t e r i f i c a t i o n ，d e h y d r a t i o no fb o r i ca c i da n dt h e ne s t e r i r i n g w i t hp h e n o lw e r ec a r r i e do u ti no r d e rt oi n c r e a s ec o n v e r s i o no fe s t e r i f i c a t i o n e f f e c t o fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，c o n s u m p t i o no fb o r i ca c i d ，k i n d sa n dc o n s u m p t i o no f d e h y d r o l m i n ga g e n to nt h ey i e l do fe s t e r i f i c a t i o nw a ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a th i g hc o n v e r s i o no f 9 8 o f e s t e r i f i c a t i o nw a so b t a i n e d i nt h e s t e p o fh y d r o x y m e t h y l a t i o n , g a s e o u s f o r m a l d e h y d e ，w h i c hw a s d e c o m p o s e db yp a r a f o r m a l d e h y d e ，w a sc o n d u c t e di n t ot h er e a c t o r o r t h o g o n a lt e s t w a sd e s i g n e dt oi n v e s t i g a t et h ef a c t o r so fw a t e rc o n t e n ti nm a t e r i a lo fp f - r e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m ea n dc o n s u m p t i o no fp fo nt h eh y d r o x y m e t h y l a t i o n t h e r e s u l t ss h o wt h a tw a t e rc o n t e n ti nm a t e r i a lo fp fa n dt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r eh a v e s i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so nt h ey i e l do fo h b o t h e r ss e e mt oh a v el e s se f f e c t t h ec a t a l y s to f5 p d cw a su s e di no x i d a t i o ns t e p a n dt h ee 仃e c to ft h e a m o u n to f c a t a l y s t r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dr e a c t i o nt i m eo nt h ey i e l do f o h bw e r e s t u d i e d t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r es e l e c t e d a t t e n t i o n sw e r ea l s om a d ei ns a p o n i f i c a t i o ns t e pa n da c i d i f i c a t i o ns t e p s t e a m d i s t i l l a t i o nf o l l o w e db ys a t u r a t e dn a h s o so p e r a t i o nw a sa d o p t e di nt h es e p a r a t i o n s t e p g ca n a l y s i so ff i n a lp r o d u c t sw a sc o n d u c t e da n ds h o w e dt h a tt h ep u r l t yo ft h e p r o d u c t sw a s a b o v e9 6 a n dt h e 砸e l do fo h bw a s6 0 5 ，w h i e hw a se l o s et ot h e i n t e m a t i o n a l l i t e r a t u r ev a l u eo f6 7 b u th i g h e rt h a nt h ed o m e s t i cl i t e r a t u r ev a l u eo f 5 1 k e y w o r d s ：s a l i c y l a l d e h y d ep h e n o lp a r a f o r m a l d e h y d e h y d r o x y m e t h y l a t i o n o x i d a t i o ne s t e r i f i c a t i o n 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，也不包含为获得苤鲞盘茔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：涩元甫签字日期：2 卯舌年月侈e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘查盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞基茎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：汪习1 事 新鹕露面爹 签字日期。西缉f 月侈日签字日期渺月 日 天津大学硕士学位论文第章前言 第一章前言 水杨醛是一种用途较广的精细化工产品，广泛用于农药、医药、整合剂的 生产；低浓度的水杨醛具有很强的抑制细菌活性的能力，可用于防腐剂；在塑 料树脂行业可作为稳定剂；在香料行业中用于合成香豆素而被广泛应用于肥皂、 洗涤剂、调合香料、糖果和烟草工业中；水杨醛可与多种金属形成螫合剂，在 电镀工业水杨醛作为一种增亮剂和均化剂；在石油工业中，水杨醛的许多加成 物可提高燃料油、汽油和石油的高温稳定性。水杨醛与硝酸反应制得的3 硝 基水杨醛、5 硝基水杨醛、3 、5 一二硝基水杨醛等硝基水杨醛类都是染料的中 间体：水杨醛及其衍生物是吲哚啉、苯并吡喃类有机感光材料的原料，并可合 成耐久的毛发整理剂。 我国水杨醛生产厂家较少，目前国内只有天津、江苏、上海、湖南等地有 小批量生产，大多为厂内配套使用，商品水杨醛的销量较少。国外水杨醛生产 厂家主要是美国道化学公司和欧洲的罗一布朗克公司。世界水杨醛生产能力在 6 0 0 0 吨年以上【l j 。 天然的水杨醛主要存在于从绣绒菊柚植物中分离出的香精油中，远远满足 不了人类的需求。科研工作者经过长期的探索，得到水杨醛以下几个主要合成 路线： ( 1 ) r e i m e r t i e m a n n 法 ( 2 ) 光气法 ( 3 ) 拉西格法 ( 4 ) 水杨酸直接电解法 ( 5 ) 水杨醇催化氧化法和电氧化法 ( 6 ) 甲醛法 上述合成方法有些已经发展较为成熟，并工业化生产，但仍存在较多的缺 点。如r e i m e r - t i e m a r m 法工业化已经几十年，且改进的方案层出不穷，但仍存 在产率低、成本高、副产物多的缺点；光气法存在着原料毒性大、生产成本高 和环境污染严重的缺点，近年来，已经被迫停产；其余几种路线也由于存在种 种缺点，尚不能进行工业化生产。 本课题拟采用酯化氧化法合成水杨醛，该法以硼酸、苯酚、多聚甲醛等为 原料，经脱水、酯化、羟甲基化、碱化、氧化、酸化，再经分离得到水杨醛， 其主要反应步骤如图解( i ) 。 本文根据反应特点，将酯化反应步骤为脱水反应过程和酯化反应过程，研 天津大学硕士学位论文 第一章前言 矾n 啦善队窜洲拿兮n b 文o 矿、, b 百h c h o h o “2 c 囝, c h 吨2 0 h 少旷。旬 文矿寻6 ( 4 ) 夕、r c h 2 0 h 9 2 薛h 半茁訾函 图解( i ) 酯化氧化法合成水杨醛反应步骤 s c h e m e ( i ) r e a c t i o ns c h e m ao f s y n t h e s i so f o h bb ye s t e r i f i c a t i o n - o x i d a t i o n ( o h b ：s a l i c y l a l d e h y d e ) 0 天律大学硕士学位论文 第二章综述 第二章综述 水杨醛作为羟基苯甲醛一种重要的异构体，是一种广泛应用于农药、医药、 电镀、香料等行业的精细化工产品，近年来，由于人们对水杨醛的需求日益增 加且对水杨醛的质量提出更高的要求，国内、国际市场十分紧俏。 2 1 水杨醛的性质 2 1 1 物理性质 水杨醛，学名邻羟基苯甲醛，c a s ：9 0 0 2 8 ，分子量1 2 2 1 2 ，结构简式如( i i ) ， 物理性质如表2 1 。 表2 - 1 水杨醛主要物理性质 t a b l e2 - 1m a i np h y s i c a lp r o p e r t i e so fo h b 性质 性质 沸点( 1 0 1 3 2 5 k p a ) 1 9 6 5 临界温度( k )6 8 0 0 熔点( 1 a t m ) 7 临界压力( b 扪4 9 9 闪点( 1 0 1 3 2 5 k p a ) 9 0 。c密度( 2 50 c ，g e m 3 ) 1 1 6 2 折光率( n d 2 0 ) 1 1 6 5 1 1 6 8 蒸发热( k j m o l l 51 生成焓( 2 9 8 k ( j ( m 0 1 k ) ) 2 4 8 9 4热容( 2 5 。c ( j ( m o lk ) ) 2 4 0 9 2 亨利常数1 0 4 ( a r m 燃烧焓，7 7 。c ( k j m 0 1 ) 3 2 1 4 0 m 3 m o n 1 6 4 4 2 溶解性：与乙酸乙酯可任意混合，易溶于醇、醚，几乎不溶于水 2 1 2 化学性质 羟基苯甲醛的结构决定了它具有酚类、醛类及芳环的一般化学性质。同时 不同取代基之间又有相互作用。 苯酚环上引入醛基，醛基的影响主要是增加苯酚羟基的酸性，故水杨醛的 酸性比苯酚强。而醛基的存在却对苯酚上羟基的反应几乎没有影响。 器h 旺 天津大学硕士学位论文 第二章综述 但苯酚上的羟基对醛基反应活性的抑制作用却是显著的，如水杨醛进行卡 尼查罗( c a n n i z z a r o s ) 反应比苯甲醛慢，且需在催化剂存在的条件下方能进行。 水杨醛发生的典型反应如下： 2 1 2 1 醛基的反应 ( 1 ) 氧化，还原反应 水杨醛可与高锰酸钾液或悬浮的氧化银溶液反应迅速生成水杨酸。 仝hh 口o k m n 0 4 水杨醛与过氧化氢和氢氧化钠发生达肯0 3 】催化氧化反应，醛基被羟基置换， 生成相应的酚类 台g h 如骂口3 ： 水杨醛可通过钯和铂催化加氢还原生成相应的邻羟基苯甲醇【4 】。 o h 9 h 台岂= 。+ h 2 骂毋明z o h 水杨醛还可进行卡尼查罗反应，在金属镍、钴和银存在下，发生自身氧化 还原反应，生成羟基苯甲醇和羟基苯甲酸。 子h 一子吼o u + 子晶怕 ( 2 ) 与胺或酰胺的反应 水杨醛与脂肪族和芳香族伯胺反应生成亚胺和席夫碱( s c h i f f b a s e s ) ，与羟胺 反应生成水杨醛肟，与苯肼反应生成腙，与氨基脲反应生成缩氨基脲，水杨醛 与盐酸羟胺反应是定量分析水杨醛一苯酚混合物中水杨醛含量的重要方法 5 j a 0 hy 几 魄吣一c 一 ：一一占一n 一一一 天津大学硕士学位论文第二章综述 +h ，k o m h c ! ； 水杨醛和1 ，2 丙二胺的反应是一种极好的螯合剂，广泛地用于石油工业。 魄o h 邺盘一子产 t n 3c h 6 上昌一h 2 c 一。u 水杨醛和酰胺缩合类似于同胺缩合的方法，反应常在乙酸钠或吡啶等有机 碱存在下进行，如与丙酰胺反应生成亚水杨基丙酰胺【6 】。 o ” + c h 3 c h 2 c h 2 n h 2 尸驾洲2 c h 3 水杨醛容易与甲基或亚甲基上相邻的一个或两个羧基、羰基、硝基或类似 的吸电子基团的化合物反应，产物通常是a 不饱和化合物，如：水杨醛和丙二 酸在乙酸钠存在下反应生成2 羟基苯基q 一丙烯酸 7 1 。 o h 魄一 另一个具有重要工业价值的产 珀金芳香酯酸缩合反应制得的f 8 】。 1 睇删a + 品香豆素，是由水杨醛和醋酐、醋酸钠通过 一。 水杨醛还易于和醛酮进行克莱森一思米特( c l a s i n - s c h m i d t ) 反应或交叉醛醇 缩合反应形成n 不饱和羰基化合物【9 1 。 2 1 2 2 羟基的反应 1 ) 水杨醛的羟基呈酸性，与碱形成盐。水杨醛的钠、钾、锂、铜盐以螯合物形 式存在，一些水杨醛与金属离子配位络合物的稳定常数已被测定【”1 。 2 ) 水杨醛通过与甲基卤化物或甲基硫酸酯反应1 ，可被迅速转化成相应的茴 香醛。 咐一_ 分魄m d 卫g | 工 。 。 工_ o 刚 矿呻， 一 一 岭 邮 天津大学硕士学位论文第二章综述 2 1 2 3 芳环上的反应 水杨醛的芳环同样参与一些典型的芳香族亲电取代反应，依据反应条件的 不同可以氯化和溴化，产生单卤代和二卤代衍生物。 2 2 主要应用领域 水杨醛主要用于医药工业、食品香料与香精、农药、电镀等领域，制造各 种产品的化学中间体。其中最大量是用于生产香豆素。 2 2 1 医药工业 水杨醛在医药工业中作为医药中间体有广泛的应用。可用于制备抗菌药和 抑制葡萄6 一磷酸酯类的糖尿病的有效制剂，还是制备外消旋垂体促进性腺激素 的中间体n 】。水杨醛与硫酸二甲酯甲基化反应制得的邻甲氧基苯甲醛，是重要 的有机合成中间体，主要用于生产药品拟肾上腺素、喘咳宁。 2 2 2 食品香料和香精 水杨醛作为合成香豆素的原料，广泛用于香皂和香精工业上。水杨醛本身 还能作为香精油和香料的杀菌剂。即使很低浓度的水杨醛也具有很强的抗菌活 性【“。 水杨醛还可合成其它如6 一苄化香豆素、3 甲基香豆素等用于香味剂以及化 妆品和配制紫罗兰等香料。 2 2 3 农药中间体、杀菌剂和营养剂 水杨醛是生产除草剂和杀虫剂的有价值中间体。水杨醛的苯腙用于抑制谷 物生斑【1 4 1 ，也用于制造除草剂【1 5 】，另外水杨醛的腙和苯腙都是非常有效的灭菌 剂【1 6 1 。 水杨醛的n 一甲基和n ，n 一二甲基氨基甲酸酯缩醛和缩硫醛是非常有效的杀 虫剂。如从水杨醛和乙二醇形成的水杨醛环缩醛的n 甲基氨基甲酸酯广泛用于 欧 洲和非洲国家土豆和可可的害虫防治1 1 7 】。水杨醛与2 氨基噻唑席夫碱合成的 杀线虫剂是国外开发的一种新型杀虫剂。 水杨醛的另一个重要用途是微量营养素的合成。如铁离子螯合物已用于柑 桔和橄榄林的碱性和石炭土壤。 天津大学硕士学位论文 第二章综述 2 2 ，4 电镀 水杨醛还广泛地用于电镀工业中镀镍的光亮剂和均匀剂，由水杨醛和脂肪 醇胺形成的亚胺是在铁和钢上面镀锌的有效光亮剂1 8 】。在镀锌工艺中，在含聚 氨砜的非氰碱性浴中，水杨醛本身就有助于在钢上镀锌过程中产生亮光f 1 9 l 。 2 2 5 炼油工业 水杨醛和胺的缩合物用于除去或中和那些使石油氧化降解的金属离子，如 丙二胺和水杨醛的反应产物( n n d i s a l i c y l i d e n e 一1 ，2 - p r o p a n e d i a m i n e ) 就是一种重 要的螯合物，这是由于它显著的螯合特性以及它对油的溶解性决定的。其它的 加成物还可用于润滑剂和汽油的洗涤剂，燃料油、汽油的沉降剂，以及改善聚 酯润滑剂、汽油、石油高温稳定性的抗氧剂f 2 0 - 2 5 。 2 2 6 合成纤维 水杨醛和聚乙烯醇反应生成的缩醛可以提供聚乙烯醇纤维上染料受体位 置，并改善由乙烯氯化物树脂和聚乙烯醇形成的混合纤维的光稳定性【2 6 , z 7 1 。 水杨醛苯腙和水杨醛的金属配位螯合物提供聚乙烯烃的抗氧保护和紫外稳 定性。因此由水杨醛和芳胺，如：对氨基酚或n 萘胺形成的亚胺一定程度上可 作为聚烯烃的热稳定帮f 2 8 3 0 】。 2 2 7 其它用途 水杨醛和含活泼亚甲基( 如乙酰丙酮) 的反应物是良好的紫外吸收剂。用 含这个化合物的膜作为紫外滤光器，可以保护对光敏感的食物、木制品、纸、 染料、纤维、塑料【3 l 】。 水杨醛和羟胺的反应产物水杨醛肟在摄影上可有效的防止在铜支持体上卤 化银乳胶的雾化口z l ，它还形成电子传真记录纸的基底并与阳离子聚合物结合用 于其它电子干燥记录过程1 3 3 】。 水杨醛的铜螯合能力已用于从海水淡化车间废水中的盐中除去铜【3 4 】。在其 它方面，水杨醛与铁和铜的螯合能力还用于含无机过氧化物漂白粉的稳定嗣。 2 3 主要合成方法 水杨醛的合成方法很多。2 0 世纪初水杨醛的生产方法主要有邻硝基苯甲 醛重氮化法和m n 0 2 氧化法。第一种方法由于重氮化反应需低温进行，反应条 天津大学硕士学位论文第二章综述 件苛刻且产率不商( 3 5 ) ，因此很不适于工业化生产。第二种方法采用m n 0 2 氧化的效率较低，该法早己被淘汰。t 9 4 0 年前后，以苯酚和氯仿作原料和以邻 甲酚上甲基氯化生产水杨醛被用于工业生产，但是这些方法也存在许多问题。 于是人们对上述一些基本合成思路又进行了改进，同时也探索了一些新方法， 从原料角度看主要分为：以邻甲酚、水杨酸、水杨醇和苯酚为原料四类。 2 3 1 以邻甲酚为原料 此法通常先酯化邻甲酚以保护羟基。再经侧链氯化形成二氯苄，水解得水 杨醛，酯化剂一般选用无机酰氯或有机酰氯，如三氯氧磷、光气，也有用醋酐、 四氯化硅或乙酰氯。 2 3 1 1 氯代法 邻甲酚与三氯氧磷( p o c l 3 ) 在氧化镁存在下进行酯化反应，生成三( 邻甲基 苯基) 磷酸酯，再在热引发下，通入氯气，进行侧链二氯代，生成三( 邻二氯次 甲基苯基) 磷酸酯，最后将二氯代物在碱性介质中水解得水杨醛粗品，粗品经减 压蒸馏得产品。其反应步骤1 3 5 】如下： 如o h 一，兰膀c h 3 卜旦f 讲嘞去，臼o h c h 0 这种方法在国内也较早采用，但存在的问题是：甲基氯化难以选择性地完 全得到二氯代物，常常氯化不充分或氯化过头，产生很多氯代物和三氯代物副 产物，水解得到大量的水杨醇和水杨酸，既消耗大量的邻甲酚，又使水杨醛分 离工艺复杂化。针对这一缺点，李小红等m 】进行了改进研究，提出了在以邻甲 酚为原料合成水杨醛时产生氯代副产物三( 邻一氯苄基) 磷酸酯的解决方法，通 过沙米尔脱( s o m m e l e t l 反应，不用分离其不同氯代磷酸酯混合物，直接与六亚 甲基四胺反应，使邻甲酚氯化法合成水杨醛产率增加2 0 以上。氯代法生产水 杨醛操作稳定，设备简单，产品质量商，其质量分数可达9 5 ，收率达6 0 以 上。但该方法存在三氯氧磷酯化程度不易控制，生产成本较高，消耗的p o c l 3 和c 1 2 对设备造成腐蚀，较大的环境污染问题。 2 3 1 2 光气法 该法以邻甲酚、光气、氯气为原料；经过光化、氯化、水解三步，得到水 杨醛，反应式如下： 天泮人学硕十学位论文，弟二草繇还 卣o h 吼一子础o - c - 三莎c o c 三子卣吼一卣。一3 - c - 三矛c o c 三分 该法达9 2 左右。但缺点是：使用光气危险大、环境污染极大以及后处理 工序麻烦等，故国内无一产厂家采取此法。 2 3 2 以水杨酸为原料 以水杨酸为原料电化学方法合成水杨醛在近年研究较多。这是一个阴极还 原过程，较早的是隔膜法，之后出现无隔膜法。在苯胺、亚硫酸氢钠和对甲氧 基苯胺的存在下，用硼酸或盐酸调节p h 值为6 0 2 ，电解还原水杨酸来生产 水杨醛，收率可达6 0 左右，反应式1 3 7 】： o hc h o 臼一争洲 反应中加入n a h s 0 3 是为了使反应向着有利于生成水杨醛的方向进行，它 是一个有效保护醛基且影响水杨醛产率的主要因素【3 8 】。焦丽芳等 3 9 1 用阳离子交 换膜，以h g 为阴极，p b 合金为阳极，由水杨酸电解还原制水杨醛，实际产率 达到了8 0 以上，并得到其最佳条件。该法因对环境污染小、副反应少、产品 纯度高、工艺简单等特点使其已用于工业生产，并有了一定规模，但是其缺点 是投资大，能耗大，经济效益不好。 2 3 3 以水杨醇为原料 以水杨醇为原料制水杨醛主要有水杨醇液相催化氧化法和电氧化法。水杨 醇液相催化氧化法反应如下： 正：q 正：。 水杨醇催化氧化法的传统催化剂为钯系、铂系催化剂，该系列催化剂催化 效率高，副反应少，但贵会属催化剂用量大，从文献报道看，对该法的改进主 要集中于催化剂的优选方面，其中，较为重要的是： 夺 美国专利【4 0 1 报道，钯铂系列催化剂的催化氧化效率高，并指出在该催化剂 体系中加入金属钇作为助催化剂可以提高催化氧化反应速度和产物收率 ( 9 6 ) 。 美国专利1 4 1 1 报道用铬、铁等非贵重金属作催化剂，水杨醛收率5 6 ，但副 j 1 纠步。 天津大学硕士学位论文第二章综述 日本专利【4 2 l 报道用铅、铋、银等金属的无机盐作催化剂，产率达7 6 ，但 重金属催化剂的流失对环境污染很大。 夺 德国专利1 4 3 】报道在二甲基亚砜或二甲基甲酰胺溶剂中以钒作催化剂，产率 8 9 ，但反应中需耗用大量的反应溶剂。 夺中科院大连化物所也曾报道j 以非贵重金属锰、铜的有机化物作反应过程 的催化剂，产率9 3 ，但由于种种原因，尚未工业化。 令 意大利c m i l o n e 报道【45 】以a u f e 2 0 3 为催化剂，目标产物收率达9 1 以上， 尚处于研究阶段。 夺 谢维跃等1 利用自靠0 催化剂催化氧化水杨醇，水杨醛收率达9 6 。 从以上报道来看，钯铂系列催化剂对该氧化体系的氧化效率高，反应收率也高， 较适合于该催化氧化反应，a u f e 2 0 3 催化剂是一个较有发展前途的可替代钯铂 系列的催化剂。 关于电氧化法，目前的报道是在相转移催化剂( b u ) 4 n h s 0 4 作用下， 以c r ( v 1 ) c r ( i i i ) 及a g ( i i ) a 畎i ) 双媒质体系电氧化水杨醇制得水杨醛，产率 7 5 0 一9 7 ，电流效率6 0 0 一7 5 。 以水杨醇制取水杨醛环境污染小、操作简单方便，但水杨醇本身价格就高， 经济上不合算。 2 3 4 以苯酚为原料 2 3 4 1r e i 鹏r 呵i e m a n n 法 以苯酚为原料，经r e i m e r - t i e m a r m 反应获得水杨醛是工业生产水杨醛最普 遍的方法，并一直沿用至今。传统的r e i m e r - t i e m a n n 法以苯酚为原料i 铝1 ，在碱 性介质中苯酚电离成负离子，在氯仿的作用下，首先形成氯苄，然后迅速水解 成醛，经盐酸酸化，再经水蒸气蒸馏挥发出水杨醛。反应步骤如下： 一 6 一占z 一占产 传统的r e i m e r - t i e m a n n 法合成路线简单，条件温和，原料价廉易得。但此 法为非均相反应，生成的醛与未反应的酚形成缩合物，使反应收率降低，原料 氯仿、碱消耗量大、成本高，含酚废水不易处理是此反应的严重缺点。 作为此方法的改进，有人提出用9 5 乙醇代替水作为反应介质，但羟基苯甲 醛的收率仍只有3 3 ，且水杨醛和对羟基苯甲醛的比例与传统水介质反应相同。 更有意义的改进是以甲醇一水混和体系作反应介质1 4 9 1 ，羟基苯甲醛的总收 。6 天津大学硕士学位论文第二章综述 率可达8 3 9 ，其中水杨醛为5 7 4 ，对羟基苯甲醛为2 6 5 ，焦油生成量可 降低3 0 左右，溶剂中甲醇的含量一般在1 0 7 0 。 相转移催化齐j ( p t c ) 的引入是r e i m e r - t i e m a n n 法的又一重要改进1 5 ”，较有效 的相转移催化剂是强离子型和两性离子型催化剂。相转移催化剂的存在使反应 速度和水杨醛收率大大提高，并且有利于未反应苯酚的回收，减少焦油生成量。 例如，在( b u h n o h 存在下，于5 5 5 9 进行反应，水杨醛和对羟基苯甲醛的 收率分别为7 0 5 和1 5 2 。 还有报道 5 1 1 认为叔胺基季铵盐催化活性更高，并优选了植转移催化剂的工 艺条件，并称催化剂无毒、易得、价廉，反应条件温和。 苯酚钠或苯酚的其它碱金属盐、氯仿、氢氧化钠和表面活性剂在有机介质 ( 如苯) 中进行反应1 5 2 1 ，也可得到高收率的水杨醛。此外，为缩短反应时问，有 人提出提高反应温度使体系压力自然升耐”1 最适宜的反应温度为8 0 1 0 0 ( 氯仿沸点6 1 2 ) ，压力在1 0 0 大气压以下，据介绍采用此法反应时间为1 2 5 h ， 收率约5 3 ，耗用大量强碱。 尽管r e i m e r ，n e m a l l 法仍在不断改进，以期提高经济效益，但是由于采 用价格较贵的氯仿，消耗大量的碱，目前正面临着苯酚甲酰化法的严重挑战。 2 3 4 2 苯酚甲酰化法 最早的有选择性地甲酰化法是利用苯酚和一氧化碳，在大量a i ( o c 6 h , ；) 3 存 在下，温度控制在1 0 0 2 5 0 ，压力在1 0 5 1 07 p a ，进行反应合成水杨醛。由 于反应条件苛刻，工业化生产困难，耗用大量的a i ( o c 6 h 5 ) 3 ，收率低，在经济上 也不合算，未见有工业化的报道。有工业化价值的甲酰化法是在催化剂作用下， 甲醛或聚甲醛与苯酚反应，直接在酚羟基的邻位选择性地引入醛基m 】，合成水 杨醛。反应温度一般控制在9 0 1 5 0 之间。以吡啶、烷基吡啶、乙酰基吡啶、 四乙基乙二胺、四甲基丙二胺、喹噼、苯胺等中的种或多种作助催化剂，其 用量为每摩尔苯酚0 1 o 6 m o l 。以无水氯化亚锡或无水氯化铝作催化剂，用量 为每摩尔苯酚o 0 2 o 2 m o l 。反应介质为非质子溶剂如甲苯、二甲苯、异丙苯、 烷基苯、十氢化萘、苯甲醚等；反应时间3 1 0 小时，但反应收率低，助催化剂损 失严重。 有报道【5 习用铬的甲酸盐、乙酸盐、碳酸盐，硝酸盐或溴化物以及铁的乙酰 丙酮酸盐，水杨酸盐作催化剂，收率达6 1 8 8 。或者用t i ( i v ) 、a i 的化合物 和碱如t i ( o b u h 和吡碇作催化剂。因为采用重金属盐及胺类等作催化剂，产品 的分离提纯、“三废”的处理比较因难，尤其不利于生产食品级的水杨醛。 另一种方法是羟甲基化一氧化法，这是在酚羟基的邻位直接引入羟甲基的 天津大学硕士学位论文 第二章综述 方法。即先合成相应的醇，再进行氧化得水杨醛。在碱催化下苯酚和甲醛反应 生成邻位或对位羟基苯甲醛，分离后，用p t 或p d 作催化剂将水杨醇氧化为水 杨醛l5 6 1 。也可以不经分离直接氧化为醛1 5 7 1 。反应式： ，、 o h o h 6 + 忪。竺骂妨吼洲三白拄。 还有资料报道以苯酚、硼酸为初始原料进行酯化反应，生成的三苯氧基偏 硼酸酯与甲醛反应生成n - 羟基苯甲醇，然后常压催化氧化，不用中间产物的分 离直接从苯酚得到水杨醛【s 舒，这个反应比苯酚和甲醛在碱催化且没有硼酸存在 的情况下要经济【5 9 】。7 0 8 0 年代法国r h o n e p o u l e n c 公司用此法生产水杨醛， 该法原料易得，操作方便，设备简单。是一个较具有发展前途的合成路线。 2 4 本课题立题理论依据、任务及意义 2 4 1 反应步骤分析 比较以上各合成路线可知，有硼酸参与反应的羟甲基一氧化法具有生产成 本低、环境污染小等优点，是一条具有很大发展前途的合成路线，考虑到该法 催化氧化过程与水杨醇液相催化氧化过程极为相似，而水杨醇液相催化氧化法 的缺点是原料水杨醇价格较高，从而造成该法生产成本不经济，若把二者结合， 取长补短，则是羟甲基氧化法的又改进，由此确定本文研究方向，具体合 成路线可确定如下： g h 拿吨￥1 3 o , b 7 詈 c h 2 0 hh o h 2 气 囝一n b o 。，。园 v 寻6 1 4 ) 夕、r c h 2 0 h 9 2 西o n a 。一0 2 ，d l c 茁晋舂。 根据其反应步骤特征可命名本工艺路线为“酯化氧化法合成水杨醛”。 本合成路线以硼酸、苯酚和多聚甲醛为原料，经脱水、酯化、羟甲基化、 天津大学硕士学位论文第二章综述 水解、氧化、碱化六个合成步骤，再经水蒸汽蒸馏得到水杨醛粗品。 其中，羟甲基化和催化氧化过程是重点开发和探索关键，由文献报道中可 知l 删，羟甲基化过程反应转化率只有7 0 左右( 以苯酚计) 。但关于该步骤的改 进未见报道；关于催化氧化反应催化剂的改进由2 3 3 节的介绍可知，非贵重金 属催化剂氧化效率低，不宜工业化应用。贵重金属钯催化氧化效率高，较适合 于该氧化体系。 2 4 2 多聚甲醛含水量 多聚甲醛是工业上最重要的线型甲醛聚物，主要分为低聚合度多聚甲醛和 固体甲醛两种类型。呈白色结晶或颗粒状粉末固态混合物，具有甲醛气味。它 溶解于水，在热水中的溶解速度较快，溶于水的速率在p h = 4 时最小，p h 值高 于或低于3 5 时其溶解速率快速增加。一般低分子量多聚甲醛的聚合度n 约为 8 1 0 0 ，为白色固体，熔融时分解很快。将多聚甲醛加热解聚成无水的甲醛气 体，可以很方便地作为反应的化学试剂用于替代甲醛生产甲醛下游产品，特别 是在要求用无水甲醛作原料的合成过程中，其用途广泛 工业上生产的多聚甲醛多是由甲醛水溶液先经解聚部分自发聚合形成的甲 醛缩合物，再经浓缩甲醛水溶液得到的，其主要杂质为水，多聚甲醛中的水分 为游离态水和结合态水，结合态水与甲醛结合成形如h o ( c h 2 0 ) 。h 线形分子，结 合态水无法用一般方法除去，而游离态水可通过溶剂萃取的方法除去。 2 4 3 水杨醛分离与精制 酯化氧化法合成水杨醛路线得到最终产物中，主要含有水杨醛、未反应的 苯酚、反应副产物对羟基苯甲醛、2 ，6 一二醛基苯酚，此外还含有少量的焦油等。 以上各物质主要物性见表2 2 。 表2 - 2 最终产品中各物质主要物性 f i g u r e2 - 2m a i np r o p e r t i e so fe a c hs u b s t a n c ei nf i h a lp r o d u c t 水杨醛不溶于水，且在水蒸汽中具有一定的挥发度，面对羟基苯甲醛不挥 发，因此选用水蒸气法分离水杨醛及其异构体较好。 天津大学硕士学位论文第二章综述 经水蒸气分离，苯酚与水也能以共沸物( 1 0 苯酚) 的形式进入产物收集器 中，故得到的馏分中主要存在的物质有水杨醛、苯酚、水。由上表知，水杨醛 与苯酚的沸点相差1 6 ( 2 ，但由于水杨醛与苯酚能形成共沸物( 共沸物中约含2 0 的苯酚) ，所以简单的直接蒸馏法不能有效地分离。目前，分离水杨醛苯酚主 要有以下几种： ( 1 ) 乙酸酐法【6 1 j 该法利用苯酚与酸酐反应可生成酯的性质，在粗制的水杨醛中加入乙酸酐， 苯酚与乙酸酐生成低沸点的乙酸苯酯和乙酸，再经蒸馏，从而达到分离水杨醛 的目的。 ( 2 ) 亚硫酸氢钠加成法1 6 2 】 在粗制的水杨醛中加入过量的饱和亚硫酸氢钠水溶液，水杨醛与亚硫酸氢 钠加成，产物为不溶于饱和亚硫酸氢钠的沉淀，分离出沉淀，再经稀酸酸化， 析出水杨醛，这是目前生产纯水杨醛产品的主要分离方法。 ( 3 ) 成盐法【6 l 】 该法利用苯酚的酸性较水杨醛稍弱的性质，在干燥过的粗水杨醛中加入适 量的煅烧碳酸钾，水杨醛优先生成水杨醛钾盐而与苯酚分离，将液态苯酚除去 后，再于固体中加入稀酸酸化得到水杨醛。 其中，本文采取亚硫酸氢钠加成法精制水杨醛。 2 4 4 分析方法 该工艺流程，共经历六个步骤，第1 、2 步反应的转化率可通过反应中采出 的水量计算，其余几个步骤得到的中间产物，由于标准样品难以得到，且分析 方法尚无文献报道，因此，本文研究第3 - 6 步的影响因素时，均以最终产物一 水杨醛的收率为实验指标。 该合成路线的最终产物组分有：水杨醛、苯酚、对羟基苯甲醛，同时，还 有微量的2 , 6 一二醛基苯甲醛等，各物质物理性质如表2 - 2 。上述各物质经水蒸气 蒸馏得到水杨醛粗品，再经饱和亚硫酸氢钠法得水杨醛精品，主要成分为水杨 醛、苯酚。据文献报道，该混合物的分析方法主要有三种：化学法、高效液相色 谱法、气相色谱法。 ( 1 ) 羟胺法j 该法的原理是将含羰基的水杨醛样品与羟胺盐酸盐进行缩合滴定，根据羟 胺消耗量算出水杨醛含量： 1 4 天津大学硕士学位论文第二章综述 西h 2 n 一一c - 帅一一 0 ho h 为使平衡向正方向进行，必须用过量的试剂，同时在反应混合物中加入碱， 以中和反应后析出的盐酸。测定所消耗的羟胺量一般采用氧化一还原滴定法， 用氧化剂滴定反应后所余下的羟胺，同时进行空白滴定，由两次滴它的差值可 以算出样品所消耗的羟胺的量。常用的氧化滴定剂为碘溶液。这些氧化剂与羟 胺的反应是： 1 2 - i - o h - ；= f + i o - + h 2 0 n h 2 0 h + i o = 一i + n o + h 2 0 n o + o h + 0 2 ； n 0 3 + h 2 0 分析时，所用碘溶液碘含量般为o 1 n ，l 毫升0 1 n 碘相当于0 9 3 3 7 毫克 羰基。据此，算出样品中水杨醛含量。该法的缺点是准确性差、费时。 ( 2 ) 高效液相色谱法【删 o s a m u n e g i s h i 等人曾利用高效液相色谱分析羟基苯甲酸、羟基苯甲醛、羟 基苯甲醇混合物，其分析条件如下：l c 1 0 a 型液相色谱( 进料泵：2 个l c 1 0 a d 型进料泵、检测器：紫外可见光分析仪、c t o 6 a 柱温箱) ( 日本岛津产) ，色 谱柱：t s k g e l o d s 反相c 1 8 柱( 2 5 0 x 4 6 m m x 5 l a m ( 日本t o s o h 公司) 柱温： 3 0 ，流动相：( h 2 0 - m e o h - a c o h e t 3 n _ ，9 7 - 3 0 0 0 3v v ) ，流速o 6 m l m i n ，进样 量：2ul ，该法准确性高、耗时少。 ( 3 ) 毛细管气相色谱法1 6 5 】 陈连文等曾利用气相色谱法分析苯酚水杨醛混合物，分析条件如下： g c 一1 6 a 气相色谱仪( 日本岛津制) ，色谱柱：b p x 5 0 石英毛细管柱，柱温：1 6 0 ，气化温度：2 5 0 ，检测器：2 5 0 ，载气流速：h 2 3 0 m l m i n ，n 2 3 0 m l m i n 检测器：氢火焰型，分流比：5 0 ：1 。结果表明，该条件下两种物质的r s d 值 均较小，说明了该条件下测得的结果较为准确。 2 4 5 本课题主要研究内容及意义 本课题的研究方向及主要研究内容如下： ( 1 ) 酯化反应过程由文献报道的一步法改为两步法，并考察了硼酸用量、反 应温度等实验因素对反应收率的影响：羟甲基化反应中多聚甲醛的进料方式改 进为气态解聚加入法，并考察了多聚甲醛原料含水量、反应温度、反应时间、 多聚甲醛用量对反应收率的影响；碱化水解中，水解温度、溶液p h 值对反应 的影响；催化氧化反应中，采用5 钯炭催化剂，利用纯氧( 1 a t i n ) 代替空气( 4 天津大学硕士学位论文第二章综述 5 a t m ) 作为氧源，研究了氧化反应温度、反应时间、催化剂用量对产物收率的影 响，通过以上研究思路确定了本合成工艺最佳反应条件，使最佳反应收率达6 0 以上。 ( 2 ) 最终产物的分离与精制。 与传统合成路线相比，具有成本低廉、环境污染小、无需中间产物的分离、 操作过程易于控制等优点；本合成工艺的开发成功，突破类似水杨醛合成法的 国外专利壁垒，必将为我国水杨醛生产市场提供一条“绿色环保”的工艺路线。 天津大学硕士学位论文第三章实验部分 第三章实验部分 3 1 实验试剂及规格 本实验所需实验试剂及规格见表3 - 1 。 表3 1 实验试剂及规格 t a b l e3 - 1s p e c i f i c a t i o no fr e a g e n t 5 p d c 催化剂( 产地：陕西开达化工有限责任公司，生产日期：2 0 0 4 1 0 1 6 ， 执行标准：q k d h 0 0 1 2 0 0 1 ) 规格见表3 - 2 。 表3 25 钯炭催化剂规格一览表 t a b l e3 - 2t h es p e c i f i c a t i o no f5 p d cc a t a l y s t 3 2 实验仪器 实验仪器见表3 - 3 。 天津大学硕士学位论文第三章实验部分 表3 3 实验仪器及规格 t a b l e3 - 3t h e1 i s to fa p p a r a t u sa n ds p e c i f i c a t i o n 3 3 实验原理、装置及操作方法 2 4 1 节确定了本合成路线的反应步骤，由反应步骤得到实验流程如图3