（环境工程专业论文）超亚临界co2中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究.pdf

超亚i 临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 摘要 超亚临界c 0 2 参与的有机合成反应在符合绿色合成理念的同时， 也拓展了c 0 2 的资源化利用途径，因此，成为近年来的研究热点。作 为一种重要的染料与医药中间体，邻甲基水杨酸在相关行业应用广泛， 而在绿色化学的基础上对其合成方法进行新的探索引发了众多学者的 兴趣。因此，在超亚临界c 0 2 中进行一步法直接合成邻甲基水杨酸， 对探索其绿色合成和c 0 2 的资源化利用有重要意义。 本实验考察了无水k 2 c 0 3 、无水n a 2 c 0 3 等催化剂的活性，选取了 催化效果最好的无水k 2 c 0 3 在超亚临界c 0 2 中一步法直接催化邻甲酚 合成邻甲基水杨酸。在催化剂相对投加量n 置嬲nd 一。0 1 2 5 ( m m o l m m 0 1 ) 、反应时间l - - - - 7 h 、反应温度4 0 3 5 9 3 k 、反应压力4 1 4 m p a 的条件下对邻甲酚在超亚临界c 0 2 中的羧基化反应进行了研 究。 结果表明：邻甲酚的转化率与邻甲基水杨酸的收率随催化剂相对 投加量( m m o l m m 0 1 ) 的增加先快速增加然后趋缓；随反应时间的延 长均出现先增加的趋势，不同的是邻甲酚的转化率最后趋于稳定，而 邻甲基水杨酸的收率则略有减少；随反应温度的增加均出现先增加后 减少的趋势，然而邻甲酚的转化率最后又增加，而邻甲基水杨酸的收 率则趋于稳定；随反应压力的增加先增加后减少。较佳的实验条件为： 催化剂相对投加量o 5 ( m m o l m m 0 1 ) 、反应时间3 h 、反应温度4 6 3 k 、 反应压力8 m p a 。此时，邻甲酚转化率可达1 9 7 ，邻甲基水杨酸收率 可达1 7 5 。此外，本课题提出了超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化反应 浙江工、i k 大学硕士学俯论文 i 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 可能存在的机理，并通过对反应动力学的研究得出该反应活化能 e a + = 4 7 6 1 k j m o l 。 关键词：超亚临界c 0 2 ；邻甲酚；邻甲基水杨酸；一步法合成；无水 k 2 c 0 3 浙江工业大学硕士学位论文 i i 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 e x p e r 玎垣e nt | a ls t u d yo nt h es y n t h e s i so f3 m e t h y l s a l i c y l i ca c i df r o mc a r b o x y l a t e do c r e s o li n s u p e r c i u t i c a lo rs u b c r i t i c a lc a r b o nd i o d e a b s t r a c t t h eo r g a n i c s y n t h e t i cr e a c t i o n sp a r t i c i p a t e d w i t h s u p e r c r i t i c a l o r s u b c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ea r en o to n l yc o n s i s t e n tw i t ht h eg r e e ns y n t h e s i s c o n c e p t ，b u ta l s oe x p a n dt h eu t i l i z a t i o no fc a r b o nd i o x i d e t h u s ，i th a s b e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ti nr e c e n ty e a r s a sa ni m p o r t a n td y ea n d p h a r m a c e u t i c a li n t e r m e d i a t e s ，3 - m e t h y ls a l i c y l i c a c i di s w i d e l yu s e di n r e l a t e df i e l d sa n di th a sa r o u s e dm a n ys c h o l a r s i n t e r e s t e si ni t sn e w e x p l o r a t i o n o ft h es y n t h e t i cm e t h o d sb a s e do nt h eg r e e nc h e m i s t r y t h e r e f o r e ，o n e - s t e p d i r e c t s y n t h e s i s o f3 - m e t h y l s a l i c y l i c a c i di n s u p e r c r i t i c a lo rs u b c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d eh a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o r b o t ht h eg r e e ns y n t h e s i so ft h e3 - m e t h y ls a l i c y l i ca c i da n dt h eu t i l i z a t i o nof c a r b o nd i o x i d e w ec o m p a r e dt h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo fa n h y d r o u sp o t a s h ，a n h y d r o u s s o d i u mc a r b o n a t ea n ds oo n f i n a l l y , a n h y d r o u sp o t a s hw a sc h o s e nt ob e t h eb e s tc a t a l y s tt os y n t h e s i z e3 - m e t h y ls a l i c y l i ca c i dd i r e c t l yf r o mo - c r e s o l i n s u p e r c r i t i c a lo rs u b c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d eb yo n e - s t e pm e t h o d t h e o - c r e s o l7 sc a r b o x y l i cr e a c t i o nw a ss t u d i e di ns u p e r c r i t i c a lo rs u b c r i t i c a l c a r b o nd i o x i d eu n d e rc o n d i t i o n st h a t c a t a l y s t7 s r e l a t i v e d o s a g e ( n k ，c 0 ，no m s 0 1 ) r a n g eo fo - - 1 2 5 ( m m o l m m 0 1 ) ，r e a c t i o nt i m er a n g eo f1 7 h o u r s ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r er a n g eo f4 0 3 - v 5 9 3 ka n dr e a c t i o np r e s s u r e r a n g eo f 4 1 4 m p a 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 no fo - c r e s o la n dt h ey i e l do f 3 - m e t h y ls a l i c y l i ca c i di n c r e a s e dr a p i d l ya tt h ev e r ys t a r ta n dt h e ni n c r e a s e d s l o w l yw i t ht h ei n c r e a s eo fc a t a l y s t7 sr e l a t i v e l yd o s a g e ( m m o l m m 0 1 ) b o t h 浙江工业大学硕士学位论文 i i i 超亚临界c o ：中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 t h ec o n v e r s i o no fo - c r e s o la n dt h ey i e l do f3 - m e t h y ls a l i c y l i ca c i dd i s p l a y e d ag r o w i n gt r e n dw i t ht h ee x t e n s i o no ft i m e ，h o w e v e rt h ec o n v e r s i o no f o - c r e s o lb e c a m es t a b l ea tl a s t ，w h i l et h ey i e l do ft h e3 - m e t h y ls a l i c y l i ca c i d d e c r e a s e ds l i g h t l y w i t ht h er i s eo ft e m p r e t u r e ，b o t ht h ec o n v e r s i o no f o - c r e s o la n dt h ey i e l do f3 - m e t h y ls a l i c y l i ca c i di n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e n d e c r e a s e d ，h o w e v e rt h ec o n v e r s i o no fo - c r e s o lr i s e da g a i na tl a s t ，w h i l et h e y i e l do ft h e3 - m e t h y ls a l i c y l i ca c i db e c a m es t a b l e w i t ht h ei n c r e a s eo f r e a c t i o np r e s s u r e ，b o t ht h ec o n v e r s i o no fo - c r e s o la n dt h ey i e l do f3 一m e t h y l s a l i c y l i c a c i di n c r e a s e d i n i t i a l l y a n dt h e nd e c r e a s e d t h e o p t i m a l e x p e r i m e n t c o n d i t i o nn e e d sa c a t a l y s t sr e l a t i v e l yd o s a g e o f o 5 ( m m o l m m 0 1 ) ，ar e a c t i o nt i m eo f3h o u r s ，ar e a c t i o nt e m p e r a t u r eo f 4 6 3ka n dar e a c t i o np r e s s u r eo f8 m p a ，u n d e rt h i sc o n d i t i o nt h ec o n v e r s i o n o fo - c r e s o lw o u l dc o m eu pt o19 7 a n dt h ey i e l do f3 - m e t h y ls a l i c y l i c a c i d17 5 i na d d i t i o n ，ap o s s i b l er e a c t i o nm e c h a n i s mo ft h eo - c r e s o l c a r b o x y l a t i o nr e a c t i o ni ns u p e r c r i t i c a lo rs u b c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ew a s p r o p o s e da n dw eo b t a i n e dt h ev a l u eo fa c t i v a t i o ne n e r g ye a + = 4 7 6 3 k j m o l b yt h er e a c t i o nk i n e t i c sr e s e a r c h k e yw o r d s ：s u p e r c r i t i c a lo rs u b c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d e ；o c r e s o l ； 3 - m e t h y ls a l i c y l i ca c i d ；o n e - p o ts y n t h e s i s ；a n h y d r o u s p o t a s h 浙江工业大学硕士学位论文 i v 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 符号说明 浙江工业大学硕士学位论文 v i i 超亚临界c o ：中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 1 1 课题背景与意义 第一章前言 由于化石燃料的大量燃烧，c 0 2 气体排放量急剧增加，这对全球气候产生了极 大危害，尤以温室效应最为严重。鉴于温室效应极大的威胁到人类赖以生存的环 境，人类已经开始采取大量措施阻止全球气候的进一步变暖。 2 0 0 9 年1 2 月7 9 日，在丹麦的哥本哈根举行的联合国气候大会上，许多国家都 做出了减少c 0 2 排放，积极发展低碳经济与循环经济的承诺。目前，“低碳 己成 为一种时尚，各大国也正兑现自己的诺言，减少向大气中排放c 0 2 。 虽然“低碳”理念已经被提出并得到了推广，但全球工业化的浪潮仍在继续， c 0 2 的排放仍会停留在一个较高的水平。因此，对排入大气中的c 0 2 进行回收， 实现c 0 2 的资源化利用，可有效减少大气中的c 0 2 总量，同时，回收的c c h 又可 作为一种新的碳源，补充日益枯竭的石油与煤炭资源，毫无疑问，这具有十分重 大的意义，也将越来越引起人们的重视。 c 0 2 的资源化利用为许多以c 0 2 为原料进行工业合成的领域提供了一种新思 路，而将其应用于邻甲基水杨酸的合成则充分体现了这一宗旨。 作为一种重要的染料和医药中间体，邻甲基水杨酸的合成方法有 k o l b e s c h m i t t 法( 又称酚酸合成法) 、草酰氯法、苯乙酮法、m a r m i c hr e a c t i o n 法等 啦】。在这些合成方法中，k o l b e s c h m i t t 法是应用最为广泛的一种方法。它是由有 机酚类化合物与c 0 2 发生亲电取代而在芳环上引入羧基的一种方法，具体可分为 两步，即碱金属酚盐的制备与羧基化。k o l b e s c h m i t t 法又可分为气固相合成法与 溶剂合成法，这是目前邻甲基水杨酸工业化生产的主要方法。 然而，绿色化学理念的提出与深入，对邻甲基水杨酸的合成提出了更高的要 求。因此，环保新型的邻甲基水杨酸合成方法值得探索。 在绿色环保领域，超亚临界流体因具有良好的溶解能力和传递性能，在萃取 分离阿 、超亚临界水氧化5 7 】、材料制备【8 、化学反应【9 3 等领域都得到了广泛应用。 而作为近年来的研究热点，超亚临界化学反应因具有反应速度快、产物易于分离 等特点而备受学者们的青睐。作为超亚临界流体技术中应用最广泛的流体，c 0 2 在超亚临界状态下除了具备超亚临界流体的一般特性外，还具有无毒、无害、价 浙江工业大学硕士学位论文 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 廉、不燃烧、无污染、易回收及可循环利用等特点。因此，超亚临界c 0 2 作为溶 剂和反应介质在染色、萃取分离、化学反应及分析测试等领域都已获得了成功的 应用。基于以上分析，研究超亚临界c 0 2 参与的有机合成反应，将超亚临界c 0 2 流体的优势与c 0 2 的资源化利用结合起来，十分具有吸引力。 鉴于超亚l 临界c 0 2 流体独特的优势，将其应用在邻甲基水杨酸的现有合成中， 可在绿色化学理念基础上实现c 0 2 的资源化利用，另一方面，简化现有的 k o l b e s c h m i t t 合成法，实现一步法直接合成，又是对现有方法的极大改进。基于 以上两点，在超亚临界c 0 2 中进行邻甲基水杨酸的直接合成研究值得人们关注。 本课题以邻甲酚为原料，选用合适的催化剂，在超亚临界c 0 2 中采用一步法直接 合成邻甲基水杨酸，为c 0 2 的资源化利用和酚酸类有机物的绿色合成开展有益的 实验探索。 1 2 研究内容 本课题以邻甲酚为原料，选用了合适的催化剂，在超亚临界c 0 2 中采用一步 法直接合成邻甲基水杨酸。文中综合考察了不同因素对实验的影响规律，提出了 可能的反应机理，并对反应动力学进行了分析。研究工作的主要内容包括： ( 1 ) 考察了反应前釜内空气的不同置换次数对邻甲基水杨酸收率的影响，并 确定了最佳的置换条件； ( 2 ) 考察了无水k z c 0 3 、无水n a 2 c 0 3 等不同催化剂的催化效果，并从中选择 了效果最好的催化剂； ( 3 ) 考察了催化剂相对投加量( m m o l m m 0 1 ) 、反应时间、温度、压力等因 素对邻甲酚羧基化反应的影响，并探索了最佳的反应条件； ( 4 ) 通过对超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化反应进行的研究，提出了可能的反 应机理； ( 5 ) 对超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化反应动力学进行了分析，并计算得到了 相应的动力学参数。 1 3 实验难点与创新点 1 3 1 实验难点 ( 1 ) 关于邻甲基水杨酸k o l b e s c h m i t t 合成法的研究起步较早，但是国内外学 浙江工业大学硕士学位论文 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 者主要研究反应的第二步，即邻甲酚钠的羧基化反应，对k o l b e s c h m i t t 反应的机 理尚未形成定论。 ( 2 ) 目前，国内外关于超亚临界c 0 2 中酚类直接羧基化反应的研究很少，仅 有少数学者针对苯酚的直接羧基化反应进行过相关研究，并且只得到一些初步的 结论。而对于反应中的诸多问题，比如不同因素对酚类羧基化反应的影响规律、 酚类羧基化反应机理及反应动力学等，国内外尚未进行详细研究。同时，针对邻 甲酚在超亚临界c 0 2 中直接羧基化反应的研究，还未见国内外报道。基于超亚临 界c 0 2 中酚类直接羧基化反应的研究现状，这增加了本课题研究的难度。 1 3 2 实验创新点 ( 1 ) 邻甲基水杨酸的合成方法主要为k o l b e s c h m i t t 法，其又可分为气固相合 成法和溶剂合成法，气固相合成法是传统的合成方法，以气体c 0 2 为原料，而溶 剂合成法则在有机溶剂中进行，是目前研究较多的一种合成方法。k o l b e s c h m i t t 法是两步合成法，而本课题研究在超亚临界c 0 2 中实现一步法直接合成邻甲基水 杨酸； ( 2 ) 基于k o l b e s c h m i t t 反应原理和超亚临界c 0 2 的优势，本课题构建了邻 甲酚羧基化反应一步法合成邻甲基水杨酸的催化体系； ( 3 ) 工业上合成邻甲基水杨酸的方法耗时较长，而在超亚临界c 0 2 中进行合 成由于步骤简单且反应速率很快，因而合成时间较短； ( 4 ) 本文选取无水k 2 c 0 3 作催化剂，对超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化反应 一步法合成邻甲基水杨酸的动力学进行了分析，并计算出了相应的动力学参数。 浙江工业大学硕士学位论文 3 超亚i 临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 2 1c 0 2 概述 2 1 1c 0 2 的产生及影响 第二章文献综述 由于矿物燃料的大量燃烧，c 0 2 气体排放量急剧增加，据统计，目前，全球每 年矿物燃料燃烧所排放的c 0 2 高达2 5 0 亿吨，而通过植物光合作用固定的仅1 5 0 亿吨 左右，其余的c 0 2 则直接排入大气中，是大气中c 0 2 的主要来源，并因此对全球气 候产生了极大的影响。 c 0 2 气体大量排放，会造成诸多危害，其中最大的危害无疑是导致了“温室效 应”。“温室效应”已使全球温度明显上升，在过去1 0 0 年里，全球平均温度大约 已升高了2 7 3 4 5 2 7 3 7 5 k ，到2 0 3 0 年估计将再升高2 7 4 1 5 2 7 6 1 5 k 。全球变暖的 后果十分严重，它会导致全球降水量重新分配，有的地方可能更加干旱，有的地 方可能洪水更加泛滥；会使冰川消融，致使海平面上升，一些沿海城市可能会被 淹没；会使农作物大面积受灾减产，森林草原退化，物种濒临灭绝；会导致地球 上的病虫害增加；此外，“温室效应”还会加剧飓风的形成，使风暴天气更加频繁。 c 0 2 排放导致的“温室效应 等危害将给人类带来不可估量的后果，不仅会破 坏人类正常的生产生活和社会可持续发展还将严重威胁到人类赖以生存的环境。 面对如此严峻的形势，人类已经开始警醒，并开始采取了大量措施，阻止全球气 候的进一步变暖。 2 0 0 9 年1 2 月7 9 日，在丹麦的哥本哈根举行的联合国气候大会吸引了来自全球 1 9 0 多个国家和地区的代表参会，虽然大会最终并未达成统一协议，但许多国家都 做出了减少c 0 2 排放，积极发展低碳经济与循环经济的承诺。目前，“低碳”已成 为一种时尚，各大国也正兑现自己的诺言，减少向大气中排放c 0 2 气体。 2 1 2c 0 2 的性质 c 0 2 是空气中常见的化合物，其分子式为c 0 2 ，分子量为4 4 ，常温下是一种 无色无味气体，密度比空气略大，能溶于水，并生成碳酸，使澄清的石灰水变浑 浊。c 0 2 分子结构稳定，化学性质不活泼，没有闪点，不燃，无毒，不会引起中毒 现象，量少时对人体无太大危害，但超过一定量时会影响人和其他生物的呼吸。 4 浙江工业大学硕士学位论文 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 c 0 2 由两个氧原子和一个碳原子通过共价键连接而成，碳原子采用s p 杂化轨 道与氧原子成键。碳原子的两个s p 杂化轨道分别与两个氧原子生成两个。键。碳 原子的两个未参加杂化的p 轨道与s p 杂化轨道成直角，从侧面同氧原子的p 轨道 分别肩并肩地发生重叠，生成了两个7 t 三中心四电子的离域键。因此，缩短了碳 氧原子间的距离，使c 0 2 中的碳氧键具有一定程度的叁键特征。c 0 2 为直线型非 极性分子，而决定c 0 2 分子形状的是s p 杂化轨道。 2 1 3c 0 2 的资源化利用 虽然“低碳”理念已经被提出并得到了推广，但随着全球的工业化与城市化 建设，石油与煤等基础原料的需求还会越来越大，c 0 2 的排放仍会停留在一个较高 的水平。因此，对排入大气中的c 0 2 进行回收，实现c 0 2 的资源化利用，可有效 减少大气中的c 0 2 总量，同时，回收的c 0 2 又可作为一种新的碳源，补充日益枯 竭的石油与煤炭资源，毫无疑问，这具有十分重大的意义，也将愈来愈被人们所 重视。 c 0 2 具有较高的民用和工业价值，在自然降氧、气调保鲜方面有着重要的作用， 因此，在饮料、啤酒、蔬菜等保鲜领域应用十分广泛；在烟草行业，c 0 2 已逐步取 代氟利昂进行烟丝膨化，在制得质量更好的烟丝的同时，也节省了大量的烟丝原 料；固态c 0 2 俗称干冰，升华时会吸收大量热，因而可制成制冷剂，用于人工降 雨，而且在冷藏运输、医疗卫生、木材保存等方面，干冰的使用效果也很好 1 0 】； c 0 2 不燃烧也不支持燃烧，常被用作灭火剂；c 0 2 保护焊接具有生产率高、焊接低 合金钢不易产生冷裂纹等优点，如今已逐渐取代手工电弧焊成为焊接方法的主流； 将c 0 2 压入油田后，有助于提高采油率；在无机化工产品合成行业，c 0 2 可与金 属或金属氧化物生产无机化工产品，如轻质碳酸钠、轻质碳酸钙等，还可用来生 产白炭黑及硼等【l l 】；在有机化工产品合成行业，可直接以c 0 2 为原料合成合成气、 甲醇、甲酸、碳酸二甲酯及脲等，还可以以c 0 2 为羧基化剂合成水杨酸等【1 2 2 3 1 ( 见 图2 1 ) ，从长远来看，合成有机化工产品将成为c 0 2 资源化利用的一个大方向； 在超亚临界流体技术应用方面，超亚临界c 0 2 可用作萃取剂，还可作为反应介质 或反应物参与化学反应等。 浙江工业大学硕士学位论文 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 o l i r 、n 弋只 喇丫呲 o l c h 3c h 3 c 0 2 6 心 i h c o o h c h 3 0 h r 卜。槲 o 图2 1c 0 2 作原料在有机合成中的一些应用【1 2 在地球资源日益匮乏，环境保护需求迫切的今天，c 0 2 的资源化利用正受到越 来越多的科学家的青睐。目前，人类在c 0 2 的利用方面已取得了令人满意的成果， 在工业上已有几条将c 0 2 转化为有机化合物的工艺合成路线，并且具有应用价值。 但煤炭与石油等矿物燃料燃烧所排放的c 0 2 量远远高于c 0 2 资源化利用所需要的 量，因此，目前这还不是温室气体减排的主要措施。然而，作为存在丰富、廉价 的碳资源，c 0 2 的资源化利用既是对资源的合理利用，又可降低生产成本，同时也 可以减小对环境的破坏程度，故对其进行资源化利用研究依然具有重大现实意义， 也必将在不远的将来展现出更为广阔的前景。 c 0 2 的资源化利用为许多以c 0 2 为原料进行工业化生产的行业提供了一种新 思路，而将其应用于邻甲基水杨酸的合成则充分体现了这一宗旨。 2 2 邻甲基水杨酸概述 2 2 1 邻甲基水杨酸的性质 邻甲基水杨酸( 3 一m e t h y l s a l i c y l i ca c i d ) ，俗称邻甲酚酸， 又称3 甲基2 羟基苯甲酸( 2 h y d r o x y - 3 m e t h y lb e n z o i ca c i d ) ，c h 分子式为c 8 h 8 0 3 ，化学结构式见图2 2 ，分子量 0 h 为1 5 2 1 5 ，外观为白色或微红色结晶状粉末，熔 图2 - 2 邻甲基水杨酸结构式 点为4 3 6 , - 4 3 7 k ，能随水蒸气同时蒸发，易溶于热水，能溶于醇、醚、氯仿及氢氧 化钠溶液，微溶于冷水，在2 9 3 k 的水中的溶解度为1 s g l 。 6 浙江工业大学硕士学位论文 。人j 。6 儿u 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 2 2 2 邻甲基水杨酸的用途 邻甲基水杨酸是一种重要的染料和医药中间体，广泛用于染料和医药领域。 它可用来制造三苯甲烷类染料，特别是与2 , 6 二氯苯甲醛缩合制得酸性媒介漂蓝b ( 习惯称漂蓝b ，主要用于毛织物的染色，合成路线见图2 3 ) ，这是邻甲基水杨 酸最主要的用途；可用来生产叙利亚黄g 等染料或涂料；可作为牛、猪的生长促 进剂；此外，在医药行业，主要用于合成维生素a 和维生素e 【2 o 2 n h 浓h 2 s 0 4 2 9 3 k h o h c o o h 图2 - 3 邻甲基水杨酸与2 , 6 一二氯苯甲醛缩合制得漂蓝b 合成路线图 2 2 3 邻甲基水杨酸的合成路线 综合文献报道，目前国内外合成邻甲基水杨酸的路线主要有：k o l b e s c h m i t t 法、草酰氯法、w o l f - k i s h n e r 还原法、m a n n i c hr e a c t i o n 法、苯乙酮法、乙醇钠法、 丙二酸法、茚三酮法、铜盐氧化法、一氧化碳法、固定环糊精( p - c y d ) 催化法、 发酵法及锂化法【1 2 ，2 牝7 1 。 ( 1 ) k o l b e s c h m i t t 法 该法的合成原理如下： o h + n a o h c h 3 嚣十嘞詈 斗h 2 s 0 4 o n a c h ，+ h 2 0 浙江工业大学硕士学位论文 + n a 2 s 0 4 7 超，亚临界c c h 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 k o l b e s c h m i t t 法主要分为气固相合成法与溶剂合成法。这是工业上邻甲基水 杨酸仅有的两种合成方法。 气固相合成法【2 5 】 作为邻甲基水杨酸传统的合成方法，气固相合成法以固态的邻甲酚为原料， 采用k o l b e s c h m i t t 法进行羧基化反应。反应主要分三步，首先，邻甲酚与n a o h 反应制得邻甲酚钠；其次，邻甲酚钠在c 0 2 中加压羧基化制得邻甲基水杨酸钠盐； 最后，邻甲基水杨酸钠盐经过酸析制得邻甲基水杨酸。气固相合成法的工艺条件 是：羧基化温度3 9 8 - - 4 4 8 k ，c 0 2 压力0 5 1 5 m p a ，反应时间5 7 h 。气固相合成法 制得的邻甲基水杨酸收率较高，可达8 0 ，存在的缺点是无水的邻甲酚钠容易吸 湿( 很难制得与保存) ，而反应过程中微量的水存在会影响产物收率，同时，该方 法所使用的反应釜搅拌功率大，结构复杂，釜内温度不均匀，且物料易黏壁、焦 化。 一 针对传统的气固相合成法存在的问题，一些改进的方法被陆续提出，如常压 法与固体c 0 2 法等。常压法是指过量的邻甲酚钠盐( 邻甲酚钠与c 0 2 的摩尔比大 于5 ) ，于低温下( 温度小于4 1 3 k ) 常压吸收c 0 2 进行反应，但反应时间长，收率 较传统的合成方法低，且邻甲酚钠盐用量过大，增加了后续处理难度，因此，工 业上没有使用此法。固体c 0 2 法是用固体c 0 2 代替气体c 0 2 ，在高温高压下进行 羧基化反应，但在工业化过程中有很大困难，因此，也没有实现工业化生产。 针对传统的气固相合成法，改进后的方法很多，但都未能用于工业化生产， 目前，传统的气固相合成法仍是邻甲基水杨酸的主要合成方法。 溶剂合成法【2 6 ，2 7 】 此法是在羧基化的反应过程中加入有机溶剂，如十个碳原子以上的烷烃，可 使羧基化反应在常压下进行，不需要处理吸湿性很强的邻甲酚钠，搅拌较容易， 减少了脱水和羧基化设备，后处理也比较简单，而且未转化的邻甲酚可以循环使 用。 一 此法克服了气固相合成法的一些缺点，收率较气固相合成法高，可达8 8 ， 反应后产生的副产物也较少，是近年来邻甲基水杨酸合成的研究热点，已经成为 一种工业化的生产方法。此法的缺点是溶剂使用量较大，在反应完后，需回收溶 剂。因而，不可避免的会产生有机溶剂的污染问题，且使用的有机溶剂沸点较低， 导致反应温度也较低，明显影响了羧基化反应的进行程度。与气固相合成法相比， 8 浙江工_ k 大学硕士学位论文 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 该法的实际成本较高。 ( 2 ) 草酰氯法 该法合成原理如下： ( c o c l ) 2 + o c o o h o h c h 3 该方法在合成邻甲基水杨酸时，副反应较严重，产品中会有大量的二酮化合 物，降低了主产物的收率，因此，此法没有实现工业化。 ( 3 ) w o l f - k i s h n e r 还原法 该方法的合成原理如下： o h c h 0 + h 2 n - - n h 2 _ c o o h o h n a o e t c h = n n h 2 h h 3 o h c h l 与k o l b e s c h m i t t 法相比，此方法只是在原料上有所改变，本质上仍是羧基化 反应，但操作较复杂，没有实现工业化。 ( 4 ) m a n n i c hr e a c t i o n 法 此方法的合成原理如下： c o o h o h + h c h o + m e 2 n h _ l c o o h o h c h 3 r a n e y n i o h c h 2 - - n m e 2 该方法主要在苯环上增加了一个甲基，反应路线长，所需要的原料较多，还 需要加氢装置，产生的异构物也较多，而且收率不高，因此没有实现工业化。 ( 5 ) 苯乙酮法 该方法的合成原理如下： 浙江工业大学硕士学位论文 9 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 o h 该方法反应路线长，原料价格较高，产品收率也不高，很难进行工业化。 ( 6 ) 乙醇钠法 此法合成原理如下： c 0 2 + n a + c h 3 c h 2 0 h _ i n a o c o o c 2 h 5 o h c h l 。+ n a o c o o c 2 h 5 c o o h h h a 此法先将固体c 0 2 与金属钠、乙醇反应制得中间产物，再与邻甲酚反应制取 邻甲基水杨酸。该方法产物收率较高，但原料价格也较高，且第一步反应很难控 制，因此没有实现工业化。 ( 7 ) 丙二酸法 该方法的合成原理如下： c h 2 ( c o o h ) 2 + h o h 卜 c h 3 o i i o c c h 2 一c o o h o l o h 此方法合成路线长，原料价格高，邻甲基水杨酸收率也不高，很难进行工业 化生产。 ( 8 ) 茚三酮法【2 4 该方法合成原理如下： 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 o | | e c i | 0 o 弋o h h + 盖一 菩) o h o 一 c h 3 o | 1 0 c h 3 此方法合成路线长，原料价格高，且邻甲基水杨酸收率也不高，没有实现工 业化。 ( 9 ) 铜盐氧化法 该方法合成原理如下： c o o c h 3 2 o h + c u c l c o o h 该方法在苯环上增加了一个羟基，所需的原料很难取得，且邻甲基水杨酸的 收率也不高，在产物中还混杂了大量异构物，因此，该方法没有实现工业化。 ( 1 0 ) 一氧化碳法 该方法合成原理如下： n i r o a c h c o + k h c 0 3 二 _ 二 h c o o k + c o ， 5 3 3 k c 0 堕+ o h o h c o o h 此方法将甲酸合成工艺与邻甲基水杨酸合成工艺串联了起来，本质上仍然是 k o l b e s c h m i t t 法，但操作相对复杂，未实现工业化生产。 ( 1 1 ) 固定环糊精( 1 3 - c y d ) 催化法 该方法合成原理如下： 浙江工业大学硕士学位论文 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 c c h + o h b c y d + c h 3h 2 0 c o o h h h a 1 3 - c y d 是一种很好的催化剂，但该方法目前仍处于研究中。 ( 1 2 ) 发酵法 该法合成原理如下： c o o h c h p s e u d o m o n a s o h c h 3 该方法以2 甲基萘为原料，在假单胞杆菌p s e u d o m o n a s 存在下发酵制取邻甲 基水杨酸，但由于菌种纯化和应用中的技术问题，目前该方法还处于研究过程中。 ( 1 3 ) 锂化法 该法合成原理如下： c o o h c h ? m + c 0 2 兰-，+ - c o o h o h c h 3 o c h 2 0 c h 3 c h 3 此法需要价格昂贵的金属l i 做催化剂，而且资源稀缺，因此，没有实现工业 化生产。 上述概括了邻甲基水杨酸的合成路线，其中仅有k o l b e s c h m i t t 法中的气固相合 成法与溶剂合成法实现了工业化。k o l b e s c h m i t t 法中的气固相合成法为工业上邻甲 基水杨酸的主要合成方法，而溶剂合成法则是近年来的研究热点。然而，绿色化 学理念的提出与深入，对邻甲基水杨酸的合成提出了更高的要求。因此，环保新 型的邻甲基水杨酸合成方法值得探索。 在绿色环保领域，超亚临界流体因具有诸多优势，而在多个领域应用广泛。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 2 3 超亚临界流体应用技术 2 3 1 超亚临界流体概述 超亚临界流体( s u p e r c r i t i c a l s u b c r i t i c a l f l u i d ) 是指温度和压力均超过或接近临界点的 非凝缩性的高密度流体 2 8 , 3 0 。处于临界状态的 流体，气液两相界面消失，流体呈均一相态， 其性质介于气体和液体之间，并兼有两者的优 势，既具有液体一样的密度、溶解能力、传热 系数等物性，又具有气体的低粘度和高扩散 性，扩散系数是液体的1 0 0 倍【2 9 ，3 。图2 4 表 示的是纯物质的p t 曲线图，图中清楚地显示出 了固体区、液体区、气体区及超临界流体区。 图2 - 4 纯物质的状态图 超亚临界流体在临界点附近，对温度与压力影响非常敏感，微小变化即可导 致流体密度出现巨大变化。因此，通过调节温度、压力便可以控制超亚临界流体 的密度、粘度、扩散系数、介电常数、电导率及溶解能力等性质。 超亚临界流体技术又称“绿色技术”，具有环保性、可循环利用性，并对环境 很少或不造成污染，在最近几年备受关注。表2 1 为超临界流体与气体和液体的性 质比较3 2 1 。 表2 1 超临界流体与气体和液体性质的比较 不同的物质具有不同的临界参数，表2 2 列举了适合作为化学反应溶剂的部分物 质的临界参数与溶度参数。对于超亚临界流体的选择，除了要考虑物质的物理特性 和溶度参数外，还需要考虑反应溶剂的经济可承受性、原料的可获得性及环境友好性 等因素。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 超，亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 近年来，超亚临界流体技术被广泛应用于材料制备与改性3 5 ，3 6 1 、染刨3 7 3 8 1 、萃取 3 9 , 4 0 、化学反应h 1 ，4 2 】、清洗m 3 辨】、环境保护等多个行业领域 4 5 - - 4 8 】。由于其独特的优 势和性质，超亚临界流体技术成为目前研究和发展的热点，在不远的将来，必将产 生巨大的效益。 2 3 2 超亚临界c 0 2 的特性 c 0 2 临界温度t 。= 3 0 4 2 0 4 - 0 0 5 k ，较为温和，临界压力p c = 7 3 8 5 8 4 - 0 0 0 5 m p a ，较 为适中，相对于其它物质，其临界条件容易达到，对设备的要求较低，投资较小， 易于实现工业化。超亚临界c 0 2 除了具 备超亚临界流体的一般特性外，还具有 无毒、无害、价廉、不燃烧、无污染、 易回收及循环利用等特点，因此成为超 亚临界流体技术中应用最广泛的流体。 与常规介质相比，超亚临界c 0 2 流 体的扩散系数高，黏度和表面张力低， 传质速率快，可与气体混溶，在消除了 餐 杂 酒 了c ：3 1 瑚； 邋扪 气液界面的同时，也加快了反应速率，而 图2 - 5 纯c o z 密度与温度压力的关系 且还可以作反应产物的萃取剂，将反应与分离结合起来。在多相催化反应中，可 以防止毒物在催化剂表面累积，因此延长了催化剂的使用寿命。除了可以作反应 介质，超亚临界c 0 2 还可以作为反应物直接参与反应。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 超亚临界c 0 2 中邻甲酚羧基化合成邻甲基水杨酸的实验研究 目前，超亚临界c 0 2 已经广泛应用于染色、萃取分离、化学反应及分析测试 ( 超临界c 0 2 色谱) 等诸多领域。而作为近年来的研究热点，超亚临界化学反应 因具有反应速度快、产物易于分离等特点而备受学者们的青睐。因此，研究超亚 临界c 0 2 参与的有机合成反应，将超亚临界c 0 2 流体的优势与c 0 2 的资源化结合起 来，十分具有吸引力。 2 3 3 超亚临界c 0 2 在化学反应中的应用 超亚临界化学反应是指反应物处于超亚临界状态或者反应在超亚临界介质 中进行，具有一般化学反应所没有的优点【4 9 】。c 0 2 是超亚临界流体中技术运用最 为成熟、应用最为广泛的流体。根据超亚临界c 0 2 是否参与化学反应，可以分为 两大类：超亚临界c 0 2 作为反应介质参与的化学反应；超亚临界c 0 2 作为反 应物参与的化学反应。以下综述了以超亚临界c 0 2 为介质和反应物参与的一系列 化学反应。 2 3 3 1 超亚临界c 0 2 作为反应介质参与的化学反应 有机溶剂是传统的有机合成反应中最常用的反应介质，对反应中间体的稳定、 反应条件的控制及反应的选择性都有重要的作用。然而有机溶剂自身的毒性、挥 发性及可燃性等问题不容小觑，正因如此，环保型的超亚临界c 0 2 作为反应介质 逐渐成为研究和应用的一大方向。 ( 1 ) 酶催化反应 酶催化反应的特点是反应条件温和、立体选择性及催化活性高。传统酶催化 反应在水环境中进行，直至2 0 世纪7 0 年代末，以含微量水的有机溶剂作为反应 介质的成功应用才使得酶催化反应取得了突破性进展。近十年来