專利名稱：制備2,3,5－三甲基－對苯醌的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備2，3，5-三甲基-對苯醌的新方法，其中在包含氯化銅和另外的過渡金屬鹵化物或者稀土元素鹵化物的催化劑混合物的兩相液體反應(yīng)介質(zhì)存在下用氧氧化苯酚，所述過渡金屬選自于鐵、鉻、錳、鈷、鎳或鋅。2，3，5-三甲基苯酚和2，3，6-三甲基苯酚可在該方法中被用作反應(yīng)物。
2，3，5-三甲基對苯醌是用于制備α-生育酚(維生素E)的中間體。
將三甲基苯酚氧化為2，3，5-三甲基-對苯醌是已知的。
已有人描述過使用無機氧化劑，包括高錳酸鉀、二氧化錳和氧化鉛。在已知的方法中必須使用化學(xué)計量量的氧化劑。使用化學(xué)計量量的這些昂貴氧化劑導(dǎo)致高的化學(xué)品消耗，而且產(chǎn)生被相應(yīng)的還原金屬污染的廢液，該廢液必須以很大的成本再生或處置。
還已知有催化法，其中在金屬催化劑存在下使用含氧氣體作為氧化劑來進(jìn)行三甲基苯酚的氧化。這些方法向工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，例如使用鈷-salene配合物催化劑，將是復(fù)雜且昂貴的，這是因為催化劑的壽命短，必須添加并非可忽略量的新制催化劑，處置或者高成本地處理大量被金屬污染的廢液。
在EP 0 659 727中，例如，描述了使用四氮雜[14]輪烯作為載氧催化劑，該輪烯包含配合物鍵合的重金屬離子。該催化劑配合物在氧化反應(yīng)期間被破壞，而且不可循環(huán)，使其不適合于工業(yè)應(yīng)用。
在此方面，US 3796 732描述了使用氯化銅作為反應(yīng)的催化劑，其中在惰性溶劑如DMF存在下在均相中進(jìn)行操作，而且產(chǎn)生催化劑處理的問題，該問題在技術(shù)上僅能用大的花費來解決。
在 JP 17585／1978中，描述了使用包括銅離子和鹵素離子的催化劑系統(tǒng)來提高產(chǎn)率。該方法的缺陷是，盡管有良好的產(chǎn)率，但時空產(chǎn)量低，而且必須用大量的水提取催化劑以及除去水以回收催化劑，再者殘留的水也會對回收的催化劑的催化性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
在 JP 93931／1975中，在回收期間添加鹵素或者鹵代化合物以保持催化劑活性，但在反應(yīng)條件下這些化合物被快速用盡，并因此必須補充。這在工藝技術(shù)上是昂貴的，而且導(dǎo)致生產(chǎn)成本顯著增加。
避免催化劑回收并同時保持催化劑活性的可能性方法描述于RU-2039 037中，其披露了通過氧或含氧氣體在多相催化劑存在下氧化三甲基苯酚和結(jié)構(gòu)相關(guān)的化合物。
已證明該方法的缺陷是要昂貴地制備多相催化劑，其是如下制得的在氯化銨和氯化堿金屬存在下將單價氯化銅涂敷在作為載體的氫氧化鋁上，其中存在限定量的磷酸。
根據(jù)EP 0 127 888，在大大過量的相應(yīng)鹵化鋰存在下使用Li(CuCl3)的水溶液作為氧化催化劑。但是發(fā)現(xiàn)，盡管有良好的產(chǎn)率，該方法向工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化不是有利的，這是因為必須使用大大過量的昂貴鹵化鋰，在反應(yīng)之前必須昂貴地制備配合物銅(Ⅲ)催化劑，而且以三甲基苯酚計必須使用至少等量的催化劑來實現(xiàn)良好的產(chǎn)率。
EP 0 294 584也描述了一種制備2，3，5-三甲基-對苯醌的方法，其中在兩相反應(yīng)介質(zhì)中使用由氯化銅(Ⅱ)和氯化鋰構(gòu)成的催化劑，該兩相反應(yīng)介質(zhì)包括水以及由芳香烴和具有1-4個碳原子的低級脂族醇構(gòu)成的混合物。從工業(yè)角度看，使用復(fù)雜有機溶劑混合物不是有利的，因為該混合物在反應(yīng)后必須通過蒸餾來處理。
EP 0 369 824描述了在兩相反應(yīng)系統(tǒng)中進(jìn)行氧化反應(yīng)的另一個變化方案。催化劑由二元系統(tǒng)組成，該二元系統(tǒng)包括鹵化銅(Ⅱ)和含氮化合物，優(yōu)選是羥胺、肟、或者胺或相應(yīng)的銨鹽。已證明其缺陷是，含氮催化劑組分在氧化條件下分解，不能回收，而且因此增加成本。
EP 0 475 272描述了一種氧化方法，其中在兩相溶劑系統(tǒng)中在含氧氣體存在下使用由鹵化銅(Ⅱ)和堿土金屬鹵化物組成的催化劑，所述兩相溶劑系統(tǒng)由水和含有5-10個碳原子的飽和脂族醇組成。在該方法中，活性催化劑是由銅(Ⅱ)鹽和堿土金屬添加劑在原位形成的，而且有機溶劑系統(tǒng)與所使用的反應(yīng)溫度相比具有足夠高的閃點。但是，為實現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)率，必須以化學(xué)計量量添加催化劑。
在EP 0 387 820中描述的在具有12-18個碳原子的脂族醇中進(jìn)行的反應(yīng)同樣允許在低于有機溶劑的閃點的溫度下進(jìn)行氧化，但是該方法在工業(yè)上并不是非常吸引人的，這是因為2，3，5-三甲基-對苯醌的反應(yīng)和分離由于醇具有相對較高的熔點和沸點而變得非常復(fù)雜。
本發(fā)明的目的是提供新型的制備2，3，5-三甲基-對苯醌的方法，以在某些情況下解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的大量缺陷，例如所用材料的成本、處理時涉及的花費、以及并非不重要的安全因素，該因素可阻礙轉(zhuǎn)化為工業(yè)規(guī)模的。本發(fā)明的目的特別是要符合以下工藝要求(a)與上述的催化劑相反，使用由廉價的材料組成的催化劑系統(tǒng)，這些材料可在市場上自由購得，而且在給定的反應(yīng)條件下原位產(chǎn)生活性催化劑物質(zhì)，而前者有時必須在實際的氧化反應(yīng)之前在單獨的步驟中制備或者在反應(yīng)期間被用盡。
(b)使用具有高度活性而且同時具有長壽命的催化劑系統(tǒng)，而且在反應(yīng)后該催化劑還可被回收并重復(fù)使用，無需采用特殊的措施。
(c)使用由不同相組成的反應(yīng)系統(tǒng)，它們在室溫下是不混溶的，一個相包含溶解或懸浮形式的催化劑，而另一個相包含溶解形式的底物和在反應(yīng)期間形成的產(chǎn)物，這使得在反應(yīng)后底物／產(chǎn)物相在一側(cè)，而待分離的催化劑相在另一側(cè)，并因此使得能夠以簡單的方式高產(chǎn)率地分離產(chǎn)物，而且以較低的成本回收催化劑相。
該目的是通過如下轉(zhuǎn)化三甲基苯酚來實現(xiàn)的在升高的溫度下，在兩相反應(yīng)介質(zhì)中在包含至少鹵化銅的催化劑存在下用氧或含氧氣體混合物氧化。該方法的特征在于，所述反應(yīng)是在由水和含有5-10個碳原子的脂族醇組成的反應(yīng)介質(zhì)中或者由水和含有1-4個碳原子的脂族醇和芳香烴組成的反應(yīng)介質(zhì)中進(jìn)行的，其中存在由鹵化銅和另外的過渡金屬鹵化物或者稀土元素的鹵化物組成的催化劑系統(tǒng)，所述過渡金屬選自于鐵、鉻、錳、鈷、鎳或鋅，反應(yīng)溫度為20-120℃。
該反應(yīng)也可如下進(jìn)行包含三甲基苯酚底物并由合適的溶劑組成的有機相與包含催化劑系統(tǒng)的含水相接觸，所述有機溶劑不溶于水或者僅略溶于水，然后使如此制成的反應(yīng)混合物與含氧的氣體接觸，而且在反應(yīng)完成時，由含水的而且仍具有活性的催化劑相中分離有機產(chǎn)物相，以分離2，3，5-三甲基-對苯醌產(chǎn)物。
該結(jié)果是出乎意料之外的，因為在鹵化銅和過渡金屬鹵化物或者稀土元素鹵化物的含水系統(tǒng)中，肯定認(rèn)為形成幾乎不溶性的、有時寡聚或者聚合的水解產(chǎn)物，該產(chǎn)物對于所研究的氧化反應(yīng)不具有選擇性催化作用。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在本發(fā)明中，如果使用二元催化劑系統(tǒng)，其組成一方面是鹵化銅、而另一方面是過渡金屬鹵化物或者稀土元素的鹵化物，催化劑的失活不會發(fā)生或者可以忽略，即使是重復(fù)使用含水的催化劑相，而且氧化為2，3，5-三甲基-對苯醌的反應(yīng)可在新的條件下進(jìn)行，其方式從工業(yè)角度看既經(jīng)濟又有利。
2，3，5-三甲基-對苯醌的產(chǎn)率超過90％，即使是在重復(fù)使用催化劑時。與使用昂貴的氯化鋰相比，可使用所選擇的過渡金屬鹵化物，例如CrCl3、FeCl3或ZnCl2，則進(jìn)一步產(chǎn)生經(jīng)濟效益。
在本發(fā)明的方法中所用的氧化劑是純的氧或者經(jīng)稀釋的氧，例如空氣。以1升的反應(yīng)混合物計，每小時通常提供10-150NL的氧氣?？蛇m合用于本發(fā)明的范圍中的銅鹽包括但不限于CuCl2和CuBr2或者相應(yīng)的Cu(Ⅰ)鹽如CuCl或CuBr，特別是CuCl2和CuBr2。優(yōu)選的是使用氯化銅(Ⅱ)。
適合用于本發(fā)明中的過渡金屬鹵化物基本上是過渡金屬的氯化物。特別合適的是第四周期的元素的鹵化物，如元素Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Zn的鹵化物，以及稀土元素如Ce的鹵化物。
與水混合的合適反應(yīng)介質(zhì)特別是支鏈或直鏈脂族C5-C10醇，如1-戊醇、1-己醇、1-庚醇、1-辛醇、1-壬醇、1-癸醇、2-乙基己醇或者環(huán)己醇。
與水和芳香烴混合的合適反應(yīng)介質(zhì)還有支鏈或直鏈脂族醇，如甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、1-丁醇、2-丁醇和叔丁醇。
芳香烴優(yōu)選是具有6-8個碳原子，特別是苯、甲苯、二甲苯、或者鹵素取代的芳香化合物，如氯苯。
含水催化劑相是通過簡單混合單獨組分的水溶液或者通過將固體鹽化合物溶解在水中來制備的，這使得該方法能夠更簡單地進(jìn)行。
鹵化銅與三甲基苯酚的摩爾比可在寬的范圍內(nèi)變化，其通常是銅鹽／三甲基苯酚=0．1-10，優(yōu)選為0．2-3。
以三甲基苯酚計，過渡金屬鹵化物的使用量為0．1-10倍的量，優(yōu)選為0．2-5倍的摩爾量。如果使用銅(Ⅱ)鹽，在含水催化劑相中的鹵化銅濃度可在1-70wt％范圍內(nèi)，優(yōu)選使用5-30wt％的濃度，而過渡金屬鹵化物或者稀土鹵化物的濃度優(yōu)選為5-80wt％。
對于該反應(yīng)可使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的系統(tǒng)作為另外的活化劑，最有利的是使用銅鹽如氯化銅(Ⅰ)或者相應(yīng)的氫氧化物。
使用水和不與水混溶或者僅有限程度地與水混溶的溶劑產(chǎn)生的兩相化合物可任選地提供有相轉(zhuǎn)移催化劑?？梢钥紤]的相轉(zhuǎn)移催化劑是已知的常規(guī)產(chǎn)物，例如四烷基鹵化銨、芐基三烷基鹵化銨或者硫酸氫鹽，以及聚乙二醇類的化合物。該新的方法通常在常壓下進(jìn)行，溫度為20-120℃。該方法同樣可在受壓下進(jìn)行，在含氧氣體化合物的情況下在受壓下操作是特別合適的。該方法可連續(xù)和非連續(xù)地進(jìn)行。
為進(jìn)行該反應(yīng)，將三甲基苯酚溶解在溶劑系統(tǒng)的有機組分中，然后以計量量添加至包含催化劑的含水相中。在不同的實施方案中，一部分有機溶劑在反應(yīng)開始前放置在含有含水相的容器內(nèi)，然后以計量量添加三甲基苯酚溶液。在反應(yīng)方法的另一個變化實施方案中，反應(yīng)分批地進(jìn)行，所有的組分放置在一個容器中，并同時攪拌，然后計量添加含氧氣體，由此開始。
三甲基苯酚在有機相中的濃度可在寬的濃度范圍內(nèi)變化，通常將三甲基苯酚的濃度調(diào)節(jié)為5-80％，優(yōu)選為10-50％。
水與有機溶劑的體積比在10∶1-1∶10的范圍內(nèi)變化，優(yōu)選為3∶1-1∶5。
反應(yīng)溫度可在寬的溫度間隔內(nèi)變化，反應(yīng)優(yōu)選在20-120℃下進(jìn)行，在特別優(yōu)選的實施方案中反應(yīng)在40-90℃下進(jìn)行。
2，3，5-三甲基-對苯醌可用常規(guī)方法分離，例如用真空和蒸氣蒸餾。
根據(jù)本發(fā)明的方法實施簡單，而且反應(yīng)產(chǎn)物具有良好的產(chǎn)率和高的純度。
產(chǎn)率在HP 5890或者HP 6890氣相色譜儀上測定，這些色譜儀使用J&W DB-5毛細(xì)管柱，其長度為30mm，內(nèi)徑為0．32mm，而膜厚為1μm。使用十四烷作為內(nèi)標(biāo)。所用的參考物質(zhì)為TMQ，其是通過蒸餾和重結(jié)晶來純制的。
在Jasco的系統(tǒng)上進(jìn)行HPLC測量，該系統(tǒng)由UV 975紫外檢測器、PU980泵和AS 950自動取樣器組成。所用柱為GL Sciences Inc．的Intersil-ODS 3V-5μ，250×4．6mm內(nèi)徑。使用上述TMQ參考物質(zhì)作為外標(biāo)。
以下實施例用于更為詳細(xì)地說明本發(fā)明。
TMP代表三甲基苯酚。TMQ代表2，3，5-三甲基-對苯醌。實施例1將2．98g的FeCl3(18．4mmol)和0．91g(9．2mmol)的CuCl溶解在放于100ml三頸燒瓶中的水中(CuCl∶FeCl3的摩爾比為0．5)。二元鹽混合物的催化劑濃度在含水相中為13．5wt％。將2．5g的TMP(18．4mmol)在25ml己醇中的溶液添加在含水催化劑相中，并同時劇烈攪拌。有機相中的TMP濃度為11wt％。將反應(yīng)混合物加熱至60℃，同時由玻璃料中通入氧氣，用氣相色譜監(jiān)測反應(yīng)的進(jìn)程。當(dāng)反應(yīng)完成時，得到82．2％的TMQ產(chǎn)率。實施例2-6類似于實施例1，將組分放置在100ml三頸燒瓶中，TMP∶CuCl2∶FeCl3的比例為1∶0．75∶1．5。含水相中二元催化劑的濃度在所有的實驗中都是39．4wt％。在首先使用的催化劑相中添加TMP-醇溶液，將混合物升高到指定的溫度，然后開始通入氧氣。變化反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間，在反應(yīng)結(jié)束時得到以下的結(jié)果。
表1
實施例7-12以水溶液的形式在玻璃反應(yīng)器中放置氯化銅(Ⅱ)和過渡金屬氯化物或者稀土元素氯化物，它們的量如表2所示；添加40ml的1-己醇，然后將混合物加熱至65℃。在3小時的時間內(nèi)滴加12g的2，3，6-三甲基苯酚(88mmol)在20ml的1-己醇中的溶液，同時攪拌(900rpm)，并由玻璃料中通入氧氣。在添加完成時，在80℃下繼續(xù)攪拌2小時，同時通入氧氣，并用HPLC監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程。當(dāng)反應(yīng)完成時，分離各相，用水洗滌有機相2次，使用內(nèi)標(biāo)通過氣相色譜測定TMQ產(chǎn)率。
表2
實施例13以水溶液的形式在玻璃反應(yīng)器中放置氯化銅(Ⅱ)(66mmol)和氯化鉻(Ⅲ)(132mmol)(含水相中的催化劑濃度為39．0wt％)；添加40ml的1-己醇，然后將混合物加熱至65℃。在3小時的時間內(nèi)滴加12g的2，3，6-三甲基苯酚(88mmol)在20ml的1-己醇中的溶液，同時攪拌(900rpm)，并由玻璃料中通入氧氣。在添加完成時，在80℃下繼續(xù)攪拌2小時，同時通入氧氣，并用HPLC監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程。當(dāng)反應(yīng)完成時，分離各相，用水洗滌有機相2次，使用內(nèi)標(biāo)通過氣相色譜測定TMQ產(chǎn)率。合并的含水相在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮至原始體積，然后再轉(zhuǎn)移至玻璃反應(yīng)器中作為催化劑溶液。重復(fù)幾次該過程。
表3
HPLC分析使用外標(biāo)實施例14-17以水溶液的形式在玻璃反應(yīng)器中放置氯化銅(Ⅱ)(66mmol)和氯化鉻(Ⅲ)(132mmol)(含水相中的催化劑濃度為39．0wt％)；添加如表4所示量的相應(yīng)醇，然后將混合物加熱至所示溫度。在3小時的時間內(nèi)滴加12g的2，3，6-三甲基苯酚(88mmol)在如表4所示量的相應(yīng)醇中的溶液，同時攪拌(900rpm)，并由玻璃料中通入氧氣。在添加完成時，在所示的溫度下繼續(xù)攪拌表4所示的時間，同時通入氧氣，并用HPLC監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程。當(dāng)反應(yīng)完成時，分離各相，用水洗滌有機相2次，使用外標(biāo)通過氣相色譜測定TMQ產(chǎn)率。
表權(quán)利要求
1.制備2，3，5-三甲基-對苯醌的方法，其是在升高的溫度下，在兩相反應(yīng)介質(zhì)中在包含至少鹵化銅的催化劑存在下用氧或含氧氣體混合物氧化三甲基苯酚，該方法的特征在于，所述反應(yīng)是在由水和含有5-10個碳原子的脂族醇組成的反應(yīng)介質(zhì)中或者由水和含有1-4個碳原子的脂族醇和芳香烴組成的反應(yīng)介質(zhì)中進(jìn)行的，其中存在由鹵化銅和另外的過渡金屬鹵化物或者稀土元素的鹵化物組成的催化劑系統(tǒng)，所述過渡金屬選自于鐵、鉻、錳、鈷、鎳或鋅，反應(yīng)溫度為20-120℃。
2.如權(quán)利要求1所述的制備2，3，5-三甲基-對苯醌的方法，其特征在于，反應(yīng)在由水以及具有1-4個碳原子的脂族醇和甲苯或苯的混合物組成的反應(yīng)介質(zhì)中進(jìn)行。
3.如權(quán)利要求1所述的制備2，3，5-三甲基-對苯醌的方法，其特征在于，反應(yīng)在由水和1-己醇、1-庚醇、2-乙基己醇或1-辛醇組成的反應(yīng)介質(zhì)中進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求1所述的制備2，3，5-三甲基-對苯醌的方法，其特征在于，使用氯化鉻(Ⅲ)、氯化錳(Ⅱ)或氯化鈷(Ⅱ)作為過渡金屬鹵化物。
5.如權(quán)利要求1所述的制備2，3，5-三甲基-對苯醌的方法，其特征在于，使用氯化鈰(Ⅲ)作為稀土元素鹵化物。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備2,3,5－三甲基－對苯醌的方法,其是在升高的溫度下在由鹵化銅和過渡金屬鹵化物或者稀土元素鹵化物組成的催化劑系統(tǒng)存在下在兩相液體反應(yīng)介質(zhì)中用氧或含氧氣體氧化2,3,5－三甲基苯酚或2,3,6－三甲基苯酚,所述過渡金屬選自于鐵、鉻、錳、鈷、鎳或鋅。
文檔編號C07C46/08GK1293182SQ00129918
公開日2001年5月2日 申請日期2000年10月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月15日
發(fā)明者拉爾夫·馬森, 斯特芬·克里爾, 芭芭拉·耶格爾, 克勞斯·胡特馬赫爾 申請人:德古薩－于爾斯股份公司