催化分子氧氧化合成3_甲基_4_硝基苯甲酸

催化分子氧氧化合成3 甲基 4 硝基苯甲酸
岳彩波 魏运洋*
邱水发 孙翔兰(南京理工大学化工学院 南京210094)
摘 要 由2,4 二甲基硝基苯的钴催化氧化合成了3 甲基 4 硝基苯甲酸,发现以分子氧作氧化剂时,在乙酸
钴催化剂体系(乙酸钴/丁酮/乙酸)中加入助催化剂溴化钠,3 甲基 4 硝基苯甲酸的收率显著提高。

在O 2气
压力为0 8M P a ,130 下反应8h ,结果表明,当乙酸钴和溴化钠的用量各为反应物量的1 7%,引发剂的用
量为反应物量的30%时,反应的转化率达99%,生成3 甲基 4 硝基苯甲酸的选择性为52%,3 甲基 4 硝基苯
甲酸的收率为51%。

根据反应必须在自由基引发剂存在下才能进行的实验事实,认为反应按自由基机理进
行。

溴化钠与Co ( )作用,产生溴自由基,溴自由基夺取苄基氢,促进苄基自由基的生成,从而起到助催化作
用。

关键词 液相氧化,二甲基硝基苯,甲基 硝基苯甲酸,合成
中图分类号:O 625.5 文献标识码:A 文章编号:1000 0518(2005)12 1338 04
2005 12 16收稿,2005 08 16修回通讯联系人:魏运洋,男,1953年生,教授,博士生导师;E ma i :l yw e@i m ai.l n j u st .edu .cn ;研究方向:精细化学品合成与工艺
3 甲基
4 硝基苯甲酸是合成抗高血压药替米沙坦[1,2]的重要中间体,其合成方法文献报道很少,仅有的几篇文献报道的合成路线均是以2,4 二甲基硝基苯为起始原料,经4位甲基的选择性氧化生成3 甲基 4 硝基苯甲酸。

氧化反应可用稀硝酸作氧化剂[3],也可在乙酸介质中乙酸钴/丁酮催化体系作用下用空气作氧化剂,在8
5 及空气压力为0 5M Pa 条件下,反应最高转化率为58%,3 甲基 4 硝基苯甲酸的选择性为50%,产物实际收率为29%[4]。

本文由2,4 二甲基硝基苯的钴催化氧化合成了3 甲基 4 硝基苯甲酸,发现以分子氧作氧化剂时,在乙酸钴催化剂体系(乙酸钴/丁酮/乙酸)中加入助催化剂溴化钠,3 甲基 4 硝基苯甲酸的收率显著提高,在氧气压力为0 8MPa ,反应温度130 ,反应时间8h ,丁酮用量为反应物量的30%,乙酸钴和溴化钠的用量各为反应物量的1 7%的条件下,产物收率为51%。

1 实验部分
1.1 试剂和仪器
2,4 二甲基硝基苯与冰乙酸为工业品;丁酮、乙酸钴、溴化钠为分析纯试剂。

FYX 2型(2L)高压釜(大连第四仪表厂);W aters 600E /2487型高效液相色谱仪(美国),250mm !4 6mm L ichrospher C 18柱,流动相为V (甲醇)∀V (水)=50∀50混合液,流速1mL /m in ,室温,紫外检测波长为263n m;Bruker VECTOR 22型红外光谱仪(德国),KBr 压片;Bruker DRX 300MH z 型核磁共振仪(德国),氘代D M SO 为溶剂。

1.2 实验方法
将18 9g (0 125mo l)2,4 二甲基硝基苯、143mL 冰乙酸、2 7g (0 0375m ol)丁酮、0 53g (2 13mm ol)四水合乙酸钴、0 22g(2 13mm ol)溴化钠加入到高压釜中,通入O 2气,控制O 2气压力为0 8M Pa ,130 下反应8h 。

停止反应,冷却至70 出料,静置,滤出反应液中的晶体,用少量冰乙酸洗涤,再用水洗得到浅黄色晶体。

将滤液减压蒸馏回收冰乙酸,向残留的浅绿色固体中加入Na OH 溶液至p H 值为10~11,过滤,滤液用体积分数为80%的H 2SO 4酸化至p H 值为2~3,有大量沉淀析出,过滤,得白色晶体。

将2次得到的晶体混合,干燥,得产物3 甲基 4 硝基苯甲酸11 5g (51%)。

m p 216~218 (文献值[3]:217 )。

液相色谱分析纯度为99 25%(面积归一化法)。

1
H NMR (D M SO d 6),第22卷第12期
应用化学V o.l 22No.122005年12月 C H I NESE J OURNAL OF A PPL I ED C HE M IS TRY D ec .2005
:2 53(s ,3H ),3 3(bs ,1H ),7 92~8 04(m,3H )。

I R(KBr 压片), /c m -1:3100~2500(bm ),1700
(s),1600(w ),1580(m ),1500(s),1410(m ),1320(m ),1300(s),1280(s),820(m ),720(m )。

滤液减压蒸馏回收的冰乙酸可不经任何处理,直接用于下一次反应,循环使用3次,平均收率达47%。

2 结果与讨论
2.1 助催化剂和引发剂的作用和影响
为了提高氧化反应的收率,考察了以乙酸钴与乙酸锰的混合物作为催化剂以及加入溴化钠作为助催化剂对产物收率的影响。

在引发剂丁酮的用量为反应物量的30%,O 2气压力为0 5M Pa ,反应温度130 ,反应时间8h 的条件下,以对反应物量分别用1 4%Co(OA c)2、1 4%Co(OA c)2/1 2%NaB r 和1 4%Co(OAc)2/1 2%NaB r/1 4%M n(OA c)2作催化剂,3 甲基 4 硝基苯甲酸的收率分别为27 1%、44 0%和44 2%。

表明乙酸锰无益于产物收率的提高,但无论是单独以乙酸钴作催化剂,还是以乙酸钴与乙酸锰的混合物作催化剂,加入助催化剂溴化钠均能显著提高产物收率。

根据文献报道,用乙酸钴或乙酸锰作催化剂氧化芳环侧链合成芳香酸时加入溴化物对反应一般都有促进作用。

例如:甲苯的氧化[5]和卤代甲苯的氧化
[6~8]。

从反应机理分析,这类反应是按单电子转移机理进行的自由基反应,在自由基引发剂I n #的作用下,反应过程为:In #+A r C H 3
In H +A r C H 2#A r C H 2#+O 2A r C H 2O 2#
A r C H 2O 2#+Co(∃)A r C HO +Co( )+OH
-Ar CH 3+Co( )A r C
H 2#+H ++Co(∃)
A r C HO [O]A r COOH 溴化物能与Co( )作用,产生溴自由基,溴自由基夺取苄基氢,促进苄基自由基的生成,因此,溴化物对这类反应有很强的助催化作用。

B r -+Co( )Br #+
C o(∃)
A r C H 3+
B r #r
C H 2#+HB r
由于以上反应需要在引发剂的作用下才能进行,因此选择合适的引发剂对反应至关重要。

文献[4]采用丁酮作引发剂。

本文在文献的基础上探讨了过氧化二叔丁基、过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈(A I B N )等几种常见的引发剂对反应的影响。

在Co(OA c)2和N aBr 的用量分别为反应物摩尔分数的1 4%和1 2%,O 2气压力为0 5M Pa ,反应温度为130 ,反应时间为8h 的条件下,分别用相当于反应物量30%的丁酮和过氧化二叔丁基作引发剂,3 甲基 4 硝基苯甲酸的收率分别为43 5%和42 2%;而分别用相当于反应物量30%的过氧化二苯甲酰和偶氮二异丁腈作引发剂,只能得到痕量的3 甲基 4 硝基苯甲酸。

表明除丁酮外,过氧化二叔丁基也可作为该反应的有效引发剂,过氧化二苯甲酰和偶氮二异丁腈则不能有效地引发该反应。

2.2 反应条件对产物收率的影响
2.2.1 反应温度的影响 实验发现,温度低于130 时2,4 二甲基硝基苯与分子氧的反应难以进行。

温度达到或超过130 时,O 2气开始被反应体系吸收,压力下降,需不断补充新鲜O 2气以维持体系压力恒定。

当反应温度超过140 时,反应液的颜色明显加深,目标产物收率也有所降低。

当温度超过150 时,反应液中有黑色的胶状物出现。

这是由于2,4 二甲基硝基苯与分子氧的氧化反应是自由基型反应,温度高虽然有利于自由基的生成,但也会使反应的选择性降低,增加副反应,对目标产物的生成反而不利。

因此,130 为较佳的反应温度。

另外,温度必须保持恒定,大幅度的温度升降,会造成自由基瘁灭,反应终止,重新引发自由基是很困难的。

2.2.2 反应时间的影响 在反应时间从4h 到10h 的范围内考察了产物收率与反应时间的关系,结果见图1。

图中可见,在Co(OA c)2、N a B r 和丁酮的用量分别为反应物摩尔分数的1 4%、1 2%和30%,1339 第12期岳彩波等:催化分子氧氧化合成3 甲基 4 硝基苯甲酸
O 2气压力为0 5MPa ,反应温度130 ,反应时间8h 的条件下,当反应时间少于8h 时,随着反应时间的延长,产物收率增加;当反应时间超过8h 时,随着反应时间的延长,产物收率反而降低。

这是因为随着反应时间的延长目标产物3 甲基 4 硝基苯甲酸分子中3位的甲基可以被进一步氧化成4 硝基苯二甲酸,从而使目标产物的收率降低。

在同样反应条件下,用3 甲基 4 硝基苯甲酸代替2,4 二甲基硝基苯进行反应,8h 后发现有40%的3 甲基 4 硝基苯甲酸被反应掉,在高效液相色谱中出现一个保留时间较3 甲基 4 硝基苯甲酸短的峰,说明其极性比3 甲基 4 硝基苯甲酸大,从而推断最终氧化产物为4 硝基苯二甲酸。

因此,反应时间8h
较合适。

图1 反应时间对收率的影响
F i g .1 Infl uence of t he reacti on ti m e on
the y i e l d of t he product 图2 氧压力对收率的影响F i g .2 Infl uence o f the oxygen pressure on t he y ield o f the product
2.2.3 O 2气压力的影响 考察了从0 1M Pa 到1 0M Pa 的范围内O 2气压力对收率的影响。

在Co(OA c)2和丁酮的用量分别为反应物摩尔分数的1 4%和30%,反应温度130 ,反应时间8h 的条件下,所得结果见图2。

图中可见,在较低的压力下收率也比较低,当反应压力达到0 8MPa 时可以得到较高的收率,当O 2气压力超过0 8M Pa 后,压力的增高对收率没有明显的影响。

因此,O 2气压力为0 8M Pa
较合适。

图3 乙酸钴用量对收率的影响F ig .3 In fluence o f the Co(OA c)2a m ount on t he y i e l d o f the product
2.2.4 物料配比的影响 为确定各物料的配比对产物收率的影响,设计了一组四因素三水平的正交试验。

分别以相对于每摩尔反应物各物料的用量乙酸取10、20和30m o l 3个水平,丁酮取0 30、0 50和0 75m o l 3个水平,乙酸钴取0 010、0 014和0 017m ol 3个水平和溴化钠取0 008、0 012和0 017m o l 3个水平作为考察因素。

正交实验结果表明,按以上顺序,4个因素的极差分别为1 0、0 3、3 7和1 3。

第3个因素n (乙酸钴)的极差最大,是影响产物收
率的主要因素。

四因素较佳的水平组合为:乙酸
20m o,l 丁酮0 30m o,l 乙酸钴0 017m o,l 溴化钠
0 017m o l 。

为了进一步确定最佳的实验条件,根据正交试
验结果固定n (冰乙酸)∀n (丁酮)∀n (溴化钠)=
20∀0 3∀0 017,单独考察乙酸钴的用量对反应的影
响。

在O 2气压力为0 8M Pa ,反应温度130 ,反应
时间8h 的条件下,所得结果见图3。

图中结果说
明,当乙酸钴和溴化钠的用量相同且都为反应物摩
尔分数的1 7%时,最高收率可达51%。

2.3 反应的转化率和选择性
用薄层色谱跟踪反应,发现在1.2节所述的反应条件下,反应终了时,反应液中检测不出未反应的1340应用化学 第22卷
2,4 二甲基硝基苯,说明在此条件下反应物己接近完全转化,除生成51%的目标产物外,其余反应物均转变成了副产物。

为了分析副产物的种类和含量,按1 2节所述的实验操作酸化过滤分离出产物后,将滤液蒸干得到副产物与硫酸钠的固体混合物,将其加入无水乙醇中,加热搅拌,使副产物充分溶解。

冷却后过滤除去不溶的硫酸钠,滤液用液相色谱分析,发现其中80%为4 硝基苯二甲酸(保留时间1 65m in),18%为3 甲基 2 硝基苯甲酸(保留时间1 86m i n ),1%为未起反应的2,4 二甲基硝基苯(保留时间2 70m in)以及少量其它副产物。

由此计算出反应的转化率为99%,生成3 甲基 4 硝基苯甲酸的选择性为52%。

参 考 文 献
1 W ANG X i ao L i ang (王晓良).Chin J N e w D rugs (中国新药杂志)[J],1999,8(23):793
2 G ohlke P ,Jansen A,W ienenW.Phar masol Exp Ther [J],2001,298(1):62
3 E l bertW C ,R ona l d B ,L arry L L ,et al .J O rg Che m [J],1976,32:134
4 H a m a m ura K o ich.i JP 11026[P ],2001
5 C U I Y u M i n(崔玉民),S HAO S i Chang (邵思常).P etroche m T ech (石油化工)[J],1999,28(11):742
6 W ANG Shu L i ang (王树良),DA I G u i Y uan(戴桂元),S H I Y uan Q ing(史远清).Chin J App l Che m (应用化学)[J],1996,13(2):41
7 Z HANG Y ong Hua(张永华),Z HANG M i n(张敏).Sp ec Petroche m (精细石油化工)[J],2002,(4):11 8 Z HOU Y uan M i ng (周远明),L I U Jun H ong (刘均洪).J Che m Ind Eng (化学工业与工程技术)[J],2003,24(3):20
Synthesis of 3 M et hyl 4 nitrobenzoic Acid via
Catalytic Oxidation withM olecular Oxygen
YUE C ai Bo ,W E I Yun Yang *,Q I U Shu i Fa ,SUN X iang Lan
(Institute of Che m ical Eng ineering,Nanjing Un iversit y of Science and Technology,Nanjing 210094)
Abst ract 3 M ethyl 4 n itrobenzo ic ac i d w as synthesized via ox i d ation o f 2,4 d i m ethy l n itrobenzene w ith m o le cu lar oxygen catalyzed by coba lt acetate i n acetic acid i n t h e presence of an i n iti a tor .It w as found tha t the y i e l d of 3 m ethy l 4 n itr obenzoic ac i d increased re m ar kably w ith the additi o n of sod i u m bro m ide as a co catalys.t The reacti o n w as carried out at 130 for 8h at 0 8M Pa o f oxygen i n t h e presence o f 0 017m o l o f coba lt acetate ,0 017m ol o f sodi u m bro m ide ,and 0 30m o l o f 2 butanone w ith 1 00m ole of 2,4 di m ethylni trobenzene .Under these conditions 99%of the reactant converted w ith a se lecti v ity of 52%to 3 m ethy l 4 nitrobenzo ic acid ,and t h e yie l d of 3 m ethy l 4 n itrobenzo ic ac i d w as 51%.The reaction m echan is m and the f u nction of sod i u m bro m ide w ere discussed .A ccordi n g to the fact that the reacti o n could not pr oceed w ithou t t h e presence of an i n itiator ,it w as proposed that t h e reacti o n took place via a free rad ical m echanis m,and sod i u m bro m ide reacted w ith Co ( )to generate bro m i n e rad ica ls ,wh ich pro m oted the for m ati o n of benzy l radica ls.
K eywords li q u i d phase ox i d ation ,di m et h y l n itr obenzene ,m ethy lnitrobenzo ic acid ,synthesis 1341 第12期岳彩波等:催化分子氧氧化合成3 甲基 4 硝基苯甲酸。