專利名稱：二烷基和三烷基取代苯甲醛的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種通過取代苯和一氧化碳及氯化鋁在相對低壓、低溫及存在至多為催化量的酸(如鹽酸水溶液)的情況下進行反應制備特定取代苯甲醛的方法。得到的取代苯甲醛可用作前體形成許多不同的化合物，例如染料、調味品、香料、成核劑、聚合物添加劑等。本發明為高產率地生產這種取代苯甲醛提供了一種成本低又安全的方法。
下面所談及的所有美國專利文獻和其它的公開出版物在此全部引入作為參考。
生產取代苯甲醛的技術已經應用了一百多年。甲酰化取代苯的起初方法是1897年開發的Gattermann-Koch反應。這個反應要求等當量的氯化鋁、一氧化碳和氣態氯化氫結合在取代苯存在下進行反應，溫度控制在25-50℃，壓力保持在1000psig。所要的取代苯甲醛在這個反應中的產率是大約70％；然而，從安全性角度考慮，使用氣態HCl及必須使用高的反應壓力是極不希望的。另外，從生產這種取代苯甲醛的高成本考慮，70％的產率是不可接受的。
為了得到特定單烷基取代的苯甲醛，開發了Gattermann-Koch反應的改進方法，例如Blank等的US4,622,429；但是，這些改進并沒有產生大量的二烷基或三烷基取代的化合物。實際上，在這些改進的Gattermann-Koch反應中，專利權人只關心單烷基取代苯的反應中二烷基或三烷基取代化合物的產率。當使用二或三取代化合物時，專利權人的方法沒有教導也沒有合理的暗示如何進行進一步改進以產生極高產率的相應的純苯甲醛。另外，Blank等的生產單烷基取代的苯甲醛的方法中，其最終的高產率只達到77％。
在Renner的US4,195,040中公開了另外一種甲酰化烷基化苯的方法。這樣的方法包括甲酰化二和三烷基苯；但是，此文獻還要求存在并使用大量的鹽酸和非原料溶劑(如鹵代甲苯)。因為在工業化生產中最好避免使用HCl作為反應物，并且使用除甲酰化的那些苯之外的溶劑，這就需要進一步的蒸餾，這無形中加大了成本和危險步驟，所以這些方法是極不希望的。特別是，從安全和環境方面考慮，應避免在大規模的反應中使用鹵化溶劑。
另一個更新的方法使用HF-BF3作為介質，用一氧化碳和取代苯體系反應以甲酰化這些化合物。這個方法生產二烷基取代苯甲醛有非常好的產率；但是，催化劑HF-BF3存在大量的安全隱患，這最終增加了產品的成本。
所以，現在需要開發一種合適的甲酰化二烷基或三烷基取代苯的反應，既有高產率，又不需要使用大量的潛在危險的HCl(或其它酸)及其它的催化劑(這樣操作時相對安全)，又不需要存在除反應過程本身的原料之外的溶劑(即，使之是純反應)，并且成本很低。到目前為止，現有技術中還沒有記錄這樣一種改進的二和/或三烷基取代苯的甲酰化方法。
因此，本發明的目的是提供一種高產率生產二烷基或三烷基取代苯甲醛的方法。本發明的另一個目的是提供一種低成本的(以前不能高產率生產的)從安全方面考慮，特別是在大規模生產過程中不會產生潛在問題的生產這種苯甲醛的方法。本發明的再一個目的是提供一種很少或沒有單烷基取代化合物同時生成的，因而從反應溶劑中蒸餾以分離出目的產物苯甲醛時不會有什么問題的生產二烷基和三烷基取代苯甲醛的方法。另外，本發明的一個目的是提供一種為了實現必要的甲酰化反應，即使有也僅僅需要非常少量HCl(含水的、無水的或氣態的)的生產特定二和三烷基化苯甲醛的方法。
因此，本發明包括一種生產式(I)苯甲醛的方法
其中R1，R2和R3相同或不同，其表示氫和C1-C4的烷基；且其中R1，R2和R3最多有一個是氫；該方法是一個純過程，它包括將式(II)的取代苯在壓力為大約20-200psig的一氧化碳氣氛下反應，
其中R1，R2和R3相同或不同，其表示氫和C1-C4的烷基；且其中R1，R2和R3最多有一個是氫；所述反應是在金屬鹵化物和選自HCl，HBr，HF，HI及其混合物的酸的存在下進行的；其中所述的酸以催化量存在，每摩爾金屬鹵化物大約0.005到大約0.01摩爾的酸；和其中反應溫度是大約-20℃到大約25℃。
在本發明的方法中可以引入任何C1-C4的二烷基或三烷基取代苯。具體的化合物包括，僅僅作為例子的有鄰二甲苯、對二甲苯、間二甲苯、對二乙苯、鄰二乙苯、間二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。這些苯化合物不包含鹵素基團也不包括稠環體系如四氫化萘和/或茚滿。
金屬鹵化物優選為氯化鋁，盡管其它的鹵化物如溴化鋁、氯化鐵(III)、氯化銅(II)、氯化鋅、氯化鋯、溴化鋯等也可使用。還可使用部分水合的金屬鹵化物，因為它們在反應器內分解時可產生鹽酸，由此提供必須的酸組分(如AlCl3.XH2O，其中的X最大是1，優選為低于0.5，最優選為0.01-0.1)。這種分解確實可產生所需的少量，催化量的鹽酸水溶液，這就不必往反應中加入具有潛在危險性的鹽酸水溶液(盡管這種外部加入是可以的并且是一種優選的替代方法)。在過去Gattermann-Koch改進方法中，理論上認為金屬鹵化物與氯化氫及一氧化碳反應(所有都是等當量量)生成能親電進攻芳香環系的甲酰基陽離子絡合物。水洗后，除去金屬鹵化物，就剩下了甲酰化的苯衍生物。在本發明中使用的氯化氫即使有也很少，只是很小的催化量(每摩爾金屬鹵化物使用大約0.005到大約0.01摩爾)。金屬鹵化物的使用量優選為與二或三烷基取代苯相比是化學計量的摩爾比，其比為大約1∶2到大約1∶6，優選為大約1∶3到大約1∶5，最優選為大約1∶4。并非想具體依靠哪一種科學理論，我們相信這種很小的催化量的酸(例如選自HCl，HBr，HF，HI及其混合物的酸)與金屬鹵化物偶合能產生一定“驅動量”的甲酰基陽離子絡合物。這種“驅動量”好象還能降低在以往的方法中使用標準量和非常大量的HCl(特別是氣態的)時形成的副產物(作為簡單的例子，如二聚或多聚產物)的比例。這樣就可以確定這種催化量的HCl水溶液能產生必要的最終高產率地生成非常純的目的產物二和/或三烷基苯甲醛的反應。
另外，令人驚奇地是，使用催化劑劑量的酸對于最終形成所需的取代苯甲醛非常關鍵。如上所述，已經假定為了與真正反應試劑的金屬鹵化物和一氧化碳反應形成親電進攻的甲酰基陽離子絡合物必須使用大化學計量的氯化氫(氣態的)。現在發現氣態HCl并不是制備所需苯甲醛所必需的(盡管在本發明的方法中氣態仍然是可以的)。還出乎預料地發現只需要非常少的催化量(其定義如上)的鹽酸水溶液(優選)就可形成為了高產率地得到所需的基本上純的取代苯甲醛所要的甲酰基陽離子絡合物(盡管也可使用氣態的和無水形式的HCl)。從安全和方便的角度考慮，在本發明的方法中，優選使用鹽酸水溶液。氣態的HCl對健康有潛在的危險，因為現在控制這種氣體態很困難。處理無水鹽酸比液態鹽酸困難得多。然而，可加入各種形式的鹽酸，只是優選其水溶液。
如上所談到的，值得注意的是這種優選的含水HCl組分可加入到整個反應中也可只是由水合形式的金屬鹵化物分解產生。只要滿足與金屬鹵化物相比其量是催化量(摩爾量)的要求并小心處理這種有潛在腐蝕性的材料，可以使用任意摩爾濃度的鹽酸，其摩爾濃度優選為大約0.01到大約12，更優選為大約10到12，最優選為大約10(濃縮的)。沒有任何鹽酸(含水的，無水的或氣態的)存在時，取代苯甲醛的產率將降低；存在太多鹽酸時，這種反應或者產生不同的苯甲醛的異構體、二聚物和/或多聚物(這樣就降低了產率并不利地降低了最終反應產品的純度)或者導致產生淤泥樣固體的反應。使用含水HCl與金屬鹵化物(尤其是氯化鋁)的另一個優點在于甲酰化反應完成后，剩下的氯化鋁的pH值水平是相對中性的。這種中和的氯化鋁產品在本發明的方法中不能再次使用，但是可以出售以作它用(如絮凝劑、防汗組分等)。這種化合物的重新循環和使用提供了一種對環境友好的工藝，這就減少了需要從生產現場除去的廢物的量。
引入一氧化碳的壓力是大約20到200psig，優選為大約50到大約110psig，最優選為大約90psig。在過去如Gattermann-Koch改進反應中最常使用較高的壓力(即，200-600psig)，因為通常都相信并理解為壓力越高，反應時間越短(從理論上說將減少最后的成本)。現在認識到化合物上存在的烷基受到反應高壓時由于這種高壓所造成的高反應條件將產生不同的異構體、二聚物等。令人驚奇地是，與公認的實踐相反，本發明的高產率地生產純二和三烷基取代苯甲醛的方法在反應中只要求相對較低的反應壓力，在這個壓力下引入一氧化碳反應試劑。另外，在大規模生產過程中，從安全角度(特別是使用象一氧化碳這樣有潛在危害性的化合物)考慮，較低的壓力是非常需要的并較為容易操作。在大規模生產過程中使用的易于得到的標準反應器至多能夠承受100psig的壓力。在本發明的優選實施方案的方法中使用低壓，通過使用這種可以得到的標準反應器可以降低成本。所以，本發明的方法是低成本的，這會將低成本轉移到目標產物取代苯甲醛的最終用戶身上。
已經發現，以催化量使用HCl(優選為鹽酸水溶液)，最優化反應溫度是大約0℃時，目的產物取代苯甲醛化合物的產率最高(目的產物取代苯甲醛的產率為～95％)。可以使用的溫度是大約-10℃到大約25℃，優選為大約-5℃到大約5℃，且最優選為大約0℃。當HCl水溶液不是人為加入時(是由于水合金屬鹵化物的分解而產生的)，令人驚奇地是，為了優化產率(大約70％)，溫度必須升高到大約25℃。由于認為是溫度越高，反應時間越短，這樣可能有更高的產率，所以必須使用很低的反應溫度控制系統是非常令人驚奇，特別是因為其產率達到了Gattermann-Koch改進方法所沒有預料到的水平。另外，從安全和成本的角度考慮，使用這樣低的溫度是有好處的。大家都知道，氯化物反應活性(由此而來的腐蝕性)的增加與溫度有關，例如，反應溫度是大約0℃時，其不會以溫度是50℃或更高時同樣的速度腐蝕反應容器(事實上，從理論上來說，這樣較高的溫度將導致氯化物的活性比上面列舉的較低溫度下的活性高32倍)。因此，使用低溫能使反應容器的生產壽命延長并改善了對這樣材料的處理。
本發明方法的另外一個優點在于不必加入除原料之外的任何溶劑。這樣，鄰二甲苯(僅僅作為一個例子)反應時，存在的溶劑只有二甲苯自身的異構體。不需要有潛在危險性的鹵化溶劑或其它有機液體來完成這種反應。結果，一般來說，最終產品是基本上純的含有同一化合物的液體。不再需要進行花費時間和費用的蒸餾步驟以純化由優選的本發明的方法所生產的最終化合物。這里所用的術語“純過程”其含義和定義即在于此。因此，在純過程中所用的溶劑只是那些在本發明的方法中自身是原料的溶劑。
本發明方法中特別優選的實施例概括如下。
實施例1204.90g的氯化鋁(分子量133.34；1537mmol)和大約817.08g的鄰二甲苯(分子量106.17；7696mmol)置于2升商標為Paar的不銹鋼反應容器內。往這種混合物中加入5滴濃HCl。密封容器，用一氧化碳吹洗三次，每一次吹洗使容器的壓力增加到90psi。第三次吹洗后，將容器排氣，最后引入CO使壓力再次達到大約90psi，在時間大約14個小時的整個反應中，使反應保持這個壓力(在整個過程中同樣使反應溫度保持在-3℃)。一旦反應完成，將得到的混合物倒進大約500mL的冰水中以產生大約900mL的兩相混合物。用分液漏斗分出上面的有機層，水洗三次并用硫酸鎂干燥。然后用活性炭將殘余的有機相脫色，隨后進行真空蒸餾以除去過量的鄰二甲苯，從而最后純化目的產物苯甲醛。最后回收的產品含有基本上純的3，4-二甲基苯甲醛(196.66g；1466mmol)。以起始氯化鋁材料計算得出最終產率大約是95.4％(1466mmol/1537mmol＝95.4％)。
實施例2200g的氯化鋁(分子量133.34；1500mmol)和大約730g的1，2，3-三甲基苯(分子量120.2；6073mmol)置于2升商標為Paar的不銹鋼反應容器內。密封容器，用氮氣在50psi的壓力下吹洗二次，接著用一氧化碳在100psi的壓力下吹洗一次。最后一次吹洗后，將容器排氣，最后引入CO使壓力再次達到大約100psi，在時間大約14個小時的整個反應中，使反應保持這個壓力(在整個過程中同樣使反應溫度保持在-3℃)。一旦反應完成，將得到的混合物倒進大約500mL的冰水中以產生大約900mL的兩相混合物。用分液漏斗分出上面的有機層，水洗三次并用硫酸鎂干燥。然后用活性炭將殘余的有機相脫色，隨后進行真空蒸餾以除去過量的1，2，3-三甲苯，從而最后純化目的產物苯甲醛。最后回收的產品2，3，4-三甲基苯甲醛的量是大約222.0g(大約1124mmol)，其產率大約是74.9％。
實施例3101.1g的氯化鋁(758mmol)和大約268.8g的鄰二甲苯(2530mmol)置于2升商標為Paar的不銹鋼反應容器內。密封容器，用一氧化碳吹洗三次，每一次吹洗使容器的壓力增加到90psi。第三次吹洗后，將容器排氣，最后引入CO使壓力再次達到大約90psi，在時間大約1.5個小時的整個反應中，使反應保持這個壓力(在整個過程中同樣使反應溫度保持在15℃)。一旦反應完成，用氮氣在50psi的壓力下吹洗反應容器(和得到的混合物)二次。然后將回收的產品混合物倒進大約500mL的冰水中以產生大約900mL的兩相混合物。用分液漏斗分出上面的有機層，水洗三次并用碳酸鈉過濾。然后從碳酸鈉中蒸餾余下的有機相，結果得到大約99％純的3，4-二甲基苯甲醛(通過氣相色譜分析)。產量是大約80.0g(596.6mmol)。以起始氯化鋁材料計算得出產率大約是78.7％。
實施例4(對比例)105.4g的氯化鋁和大約390g的氯甲苯置于2升商標為Paar的反應容器內。密封容器，用一氧化碳吹洗三次，每一次吹洗使容器的壓力增加到90psi。第三次吹洗后，將容器排氣，最后引入CO使壓力再次達到大約90psi，在持續時間大約3天的整個反應中，使反應保持這個壓力(在整個過程中同樣使反應溫度保持在25℃)。一旦反應完成，用氮氣在50psi的壓力下吹洗反應容器(和得到的混合物)二次。然后將回收的產品混合物倒進大約500mL的冰水中以產生大約900mL的單相均一混合物。然后用核磁共振(NMR)檢測這種混合物發現其僅僅是由起始材料的氯甲苯組成，由此意味著沒有進行以任何催化劑進行的制備苯甲醛的反應。
已經對本發明進行了詳細的描述，對于本領域技術人員來說在不偏離本發明保護范圍的情況下進行變化和改進是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應當僅有所附的權利要求書確定。
權利要求
1.一種生產式(I)苯甲醛的方法
其中R1，R2和R3相同或不同，其表示氫和C1-C4的烷基；且其中R1，R2和R3最多有一個是氫；該方法是一個純過程，它包括將式(II)的取代苯在壓力為大約20-200psig的一氧化碳氣氛下反應，
其中R1，R2和R3相同或不同，其表示氫和C1-C4的烷基；且其中R1，R2和R3最多有一個是氫；反應是在金屬鹵化物和選自HCl，HBr，HF，HI其混合物的酸的存在下進行的；其中所述的酸以催化量存在，每摩爾金屬鹵化物大約0.0001到大約0.01摩爾的酸；和其中反應溫度是大約-20℃到大約25℃。
2.權利要求1的方法，其中所說的酸是鹽酸。
3.權利要求1的方法，其中所說的金屬鹵化物選自于氯化鋁、溴化鋁、氯化鋯及其任意的混合物。
4.權利要求2的方法，其中所說的金屬鹵化物選自于氯化鋁、溴化鋁、氯化鋯及其任意的混合物。
5.權利要求2的方法，其中所說的鹽酸是水溶液形式。
6.權利要求2的方法，其中所說的鹽酸在反應中產生。
7.權利要求2的方法，其中所說的溫度是大約-10℃到大約5℃且向反應中加入所說的鹽酸。
8.權利要求5的方法，其中所說的溫度是大約-10℃到大約5℃且向反應中加入所說的鹽酸。
9.權利要求6的方法，其中所說的金屬鹵化物是氯化鋁。
10.權利要求7的方法，其中所說的溫度是大約0℃且所說的金屬鹵化物是氯化鋁。
11.權利要求8的方法，其中所說的溫度是大約0℃且所說的金屬鹵化物是氯化鋁。
12.權利要求1的方法，所說的式(II)的取代苯選自于鄰二甲苯、對二甲苯、間二甲苯、對二乙苯、鄰二乙苯、間二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
13.權利要求2的方法，其中所說的式(II)的取代苯選自于鄰二甲苯、對二甲苯、間二甲苯、對二乙苯、鄰二乙苯、間二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
14.權利要求5的方法，其中所說的式(II)的取代苯選自于鄰二甲苯、對二甲苯、間二甲苯、對二乙苯、鄰二乙苯、間二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
15.權利要求6的方法，其中所說的式(II)的取代苯選自于鄰二甲苯、對二甲苯、間二甲苯、對二乙苯、鄰二乙苯、間二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
16.權利要求9的方法，其中所說的式(II)的取代苯選自于鄰二甲苯、對二甲苯、間二甲苯、對二乙苯、鄰二乙苯、間二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
17.權利要求10的方法，其中所說的式(II)的取代苯選自于鄰二甲苯、對二甲苯、間二甲苯、對二乙苯、鄰二乙苯、間二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
18.權利要求11的方法，其中所說的式(II)的取代苯選自于鄰二甲苯、對二甲苯、間二甲苯、對二乙苯、鄰二乙苯、間二乙苯、1，2，3-三甲苯、1，2，4-三甲苯、1，2，5-三甲苯和1，3，5-三甲苯。
全文摘要
本發明涉及一種通過取代苯和一氧化碳及氯化鋁在相對低壓、低溫及存在至多為催化劑劑量的酸(優選含水HCl)的情況下進行反應制備特定取代苯甲醛的方法。得到的取代苯甲醛可用作前體形成許多不同的化合物,例如染料、調味品、香料、成核劑、聚合物添加劑等。本發明為高產率地生產這種取代苯甲醛提供了一種成本低又安全的方法。
文檔編號C07C45/50GK1273230SQ0010688
公開日2000年11月15日 申請日期2000年3月16日 優先權日1999年3月16日
發明者W·A·斯克里文思, J·G·利弗 申請人:米利肯公司