Preparation of p-Chlorobenzoic acid by Oxidation with Dioxygen in Liquid-phase

Zhang Yonghua
(Department of Chemistry, Capital Normal University Beijing 100037)

Abstract p-Chlorobenzoic acid was prepared by oxidation of p-chlorotoluene with dioxygen in the presence of cobaltous acetate and manganous acetate and bromide under pressure of 0.5～0.7MPa, at about temperature of 115～125℃。 The yield of p-chlorobenzoic acid can be reached to 92.7% , when a mixture of aromatic halide and butanoic acid are used as solvent and, moreover, percentage of butanoic acid keeps 10%～20%. This cosolvent isn’t corrosive on equipments.
Key words p-chlorotoluene, p-chlorobenzoic acid, preparation, liquid-phase oxidation
摘要 由乙酸钴、乙酸锰、溴化物催化氧气氧化对氯甲苯制备对氯苯甲酸，可以在添加丁酸的芳香性卤代烃中进行，反应压力0.5～0.7MPa，温度115～125°C，产率92.7%。当溶剂中丁酸的含量为10%～20%，反应液对不锈钢设备无腐蚀作用。
关键词 对氯甲苯 对氯苯甲酸 制备 液相氧化

氧气液相氧化法制取对氯苯甲酸

张永华
(首都师范大学化学系 北京 100037)

        对氯苯甲酸是用途广泛的有机合成中间体，它大量的用于医药和农药的合成。由对氯苯甲酸合成的甲苯达唑和均三唑并噻二唑类化合物是很好的肠道驱虫药[1]；吲达帕胺是长效降压药；三环红霉素是广谱抗菌药[2]；芳酰化的b-D-吡喃葡萄糖苷都是性能良好的抗癌药物[3]；芳基取代的噻唑、噻唑酰胺是杀真菌效率高的农药[4]。对氯苯甲酸的制备一般是以对氯甲苯为原料。主要合成方法有化学试剂氧化法，光氯化水解法，气相氧化法和液相氧气氧化法。其中，液相氧气氧化法是80年代兴起的方法。它以低级脂肪酸为溶剂，过度金属化合物和溴化物为催化剂，由空气或氧气氧化烷基芳香烃制取芳香族羧酸，即Amoco法。它生产成本低，不产生废气、废液，利于环境保护。产品以晶体析出，纯度高，后处理工艺简单，便于工业化生产[5]。其缺点是溶剂严重腐蚀设备；反应需要在较高的压力下进行。我们优选了钴盐、锰盐、溴化物构成的催化剂体系，研究了氧化的反应条件。以添加少量丁酸的芳香性卤代烃为溶剂，在0.5～0.7MPa的压力下，用氧气氧化对氯甲苯制取对氯苯甲酸，产率92.7%，纯度99.2%。解决了溶剂腐蚀设备问题。
1 实验部分
1.1 原料
    对氯甲苯，芳香性卤代烃，有机酸，为化学纯试剂。乙酸钴，乙酸锰，溴化物为分析纯试剂。
1.2 反应式
   
1.3 实验操作
    在装有电磁搅拌器、热电偶温度控制器和气体导入管的反应釜中加入对氯甲苯18mL(0.15mol)，乙酸钴0.58g，乙酸锰0.30g, 溴化物0.21g，芳香性卤代烃85mL，丁酸15mL，搅拌，加热，使物料溶解。通入氧气，使釜内压力保持0.5～0.7MPa，在125～130°C引发自由基30min，控制反应温度在115～125°C，反应至釜内压力不再下降为止。冷却，过滤，烘干得到白色对氯苯甲酸针状晶体22.1g，产率92.7%。熔点239～240°C，纯度99.2%。
2 合成条件的选择
2.1 催化剂的配比
    我们用乙酸钴做主催化剂，乙酸锰做助催化剂，溴化物做引发促进剂，按正交表L9(33)设计实验，对催化剂体系的配比进行了优选。三因素三水平分别是乙酸钴1.0、1.5、2.0mol；乙酸锰0.4、0.8、1.2mol；溴化物0.5、1.0、1.5mol。按1.3的操作，使反应物的浓度为0.5mol/L(投入对氯甲苯6ml)，保持主催化剂的量是反应物的5%，进行了一系列实验。对氯苯甲酸的产量5.1～6.8g，产率64.2%～85.6%。当乙酸钴、乙酸锰、溴化物的配比在1.5:0.6～0.8:0.9～1.1mol范围内进行实验，对氯苯甲酸的产率是85.6%～88.2%。
2.2 催化剂的用量
    为了节省反应时间，保证反应效果，节约催化剂，按1.3的操作改变催化剂与对氯甲苯的配比，进行了一系列实验，反应所用时间、现象和结果列于表1。

表1 催化剂用量对氧化反应的影响
催化剂:对氯甲苯/% 反应需要时间/h 反应液颜色 反应产率/%
1.5 2.5 棕黑 71.8
2.5 2.0 淡黄 86.9
3.0 2.0 淡黄 86.9
5.0 1.5 淡黄 88.2
7.0 1.4 紫红 83.1

        由表1看出催化剂是对氯甲苯的2.5%～5.0%,都能获得好的产率，反应时间相差不大，所以3%的用量比较合适。当少于2.5%时，催化效率不够，反应物焦油化。当超过5%时，造成浪费，也使产品进一步氧化分解，降低产率。
2.3 反应物的浓度
    此反应属于自由基连锁反应。为了使反应顺利进行，其有效的措施是稀释反应液，尽量避免自由基之间的碰撞，防止链终止步骤的出现。但是，产物在溶剂中有一定的溶解性。在0～15°C范围内，对氯苯甲酸溶解度是0.8～1.2g。当反应物的浓度低时，溶解在反应液中的产品所占比例高，产率低。为了获得好的产率，按1.3的操作，改变对氯甲苯在反应液中的浓度，进行一系列实验，其结果列于表2。

表2 反应物浓度对氧化效率的影响
反应物浓度/mol.L-1 投料量/g 产品产量/g 反应产率/%
0.51 6.4 7.0 88.2
1.0 12.8 14.4 90.7
1.5 19.3 22.0 92.3
2.0 25.2 29.0 92.7
3.0 37.8 40.4 86.0

        由表2看出对氯甲苯的浓度在1.5～2.0 mol/L时产率最高。气相色谱跟踪测定表明，对氯甲苯的浓度高于3.0 mol/L时，氧化不完全。
2.4 溶剂的含水量
    对Amoco法的研究，有文献报道水对反应产率有明显的影响，建议加入脱水剂来提高产率。本人在反应物的不同浓度往溶剂中加入不同量的水，按1.3操作，进行了一系列实验，其结果列于表3。

表3 溶剂的含水量对氧化效率的影响

反应物浓度/mol.L-1

 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1.0 1.0 2.0 2.0
溶剂加水量/%    0.01 0.1 0.8 2.5    0.8   0.8
反应产率/% 86.9 88.2 87.9 88.2 83.1 90.7 92.6 92.7 92.7

        由表3看出，溶剂中含有少量水，会使反应产率有所提高。当含水量高到一定程度，使反应产率下降。笔者认为，形式上Amoco法是气、液相氧化的多相反应，实际上是均相反应。催化剂在溶剂中溶解形成溶液，氧气在一定的压力下借助与脂肪酸之间的氢键作用溶于溶剂，催化氧化反应在均一的液相中进行。在这个反应中，溴化物是自由基引发促进剂，它以下列方式加速自由基的产生：
   
   
    Br-作为配位基与Co2+结合生成Co2+Br-，O2与Co2+Br-络合后，配位基Br-通过中心金属钴将电子转移给O2，形成超氧基团和自由基Br.。自由基Br.从烃分子中夺取氢，引发出烃自由基R.。溶剂中含有少量水，能够促进溴化物解离出Br离子，加速了自由基的形成。笔者在反应液中加入少量乙酸酐，用于脱去催化剂所带结晶水和溶剂中的微量水分。发现反应在140°C才能引发，产率只有78%。当溶剂中的水分超过它在溶剂中的溶解度时，体系形成多相，催化剂转入水相，使催化效率下降。反应物的浓度对反应产率的影响可能与反应生成的水有关。反应物浓度低，氧化生成的水在反应温度下可以溶于溶剂中。反应物浓度高，氧化生成的水超过溶剂的溶解能力，液体分层，催化剂进入水层，失去催化能力。催化剂所含结晶水和工业级溶剂含有的水分足以促进溴化物的解离，使氧化反应顺利进行。
3 结论
    由乙酸钴、乙酸锰、溴化物催化氧气氧化对氯甲苯，制取对氯苯甲酸可以在添加丁酸的芳香性卤代烃中进行。反应温度115～125°C，压力0.5～0.7 MPa，产率92.7%。当丁酸在反应液中占10%～20%时，它对不锈钢反应釜没有明显的腐蚀作用。反应液经过活性白土脱色或者蒸馏可以重复使用，不影响反应效果。用此法生产对氯苯甲酸设备与操作简单，无三废排放，能耗少，成本低，利于工业化生产。
4 参考文献
[1] 刘方明,于建新,刘育亭等. 化学学报, 1998, 56(6):618-24.
[2] Or Y S, Phen L T, Chu D T et al. Preparation of tricyclic erythromycins as bactericides. W O 9830574, 1998.
[3] 孙昌俊,王义贵,李洪祥等.       山东大学学报,1996, 31(3):327-31.
[4] Shrivastava A K, Kumar S, Sabkar P C. J. Inst. Chem. (India), 1997, 69(4):113-5.
[5] Roehrscheid F, Groetsch G. E P 713 856, 1996.

张永华 男，52岁，副教授，主要从事有机中间体的合成、天然高分子的改性研究。
2000-02-25收稿