對(duì)羥基苯甲醛的合成研究現(xiàn)狀及新進(jìn)展

王思宇 王相承

(中國(guó)人民解放軍陸軍防化學(xué)院，北京 102205)

對(duì)羥基苯甲醛(p-Hydroxybenzaldehyde，簡(jiǎn)記為PHB)，廣泛用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料、化工、電鍍、液晶材料等領(lǐng)域。隨著市場(chǎng)需求量的不斷增加，高純度的對(duì)羥基苯甲醛產(chǎn)品更為市場(chǎng)青睞，但是國(guó)內(nèi)對(duì)羥基苯甲醛的生產(chǎn)廠家較為零散，規(guī)模較小，低水平重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重?？蒲泄ぷ髡咭苍诔掷m(xù)關(guān)注對(duì)羥基苯甲醛的合成改進(jìn)研究[1]，但近幾十年來(lái)一直沒(méi)有突破性進(jìn)展。

現(xiàn)有對(duì)羥基苯甲醛的合成方法有很多種。依據(jù)起始原料的不同，主要以對(duì)硝基甲苯[2,3]、對(duì)氯苯酚[4]、對(duì)甲酚[5-7]、苯酚[6,8-11]為原料合成對(duì)羥基苯甲醛。這4種起始化合物，經(jīng)過(guò)不同的途徑轉(zhuǎn)化為對(duì)羥基苯甲醛，常常因催化劑的選用而表現(xiàn)出動(dòng)力學(xué)效果的差異，但沒(méi)有解決副產(chǎn)物多或“三廢”嚴(yán)重的關(guān)鍵難題。此外，還有以對(duì)羥基苯甲醇、對(duì)羥基苯甲醛苯腙、對(duì)羥基苯甲醛肟以及縮醛類衍生物、苯甲醛衍生物為原料合成對(duì)羥基苯甲醛的方法，這些方法僅有一定的理論價(jià)值，實(shí)際應(yīng)用意義不大[12]。

以苯酚為原料合成對(duì)羥基苯甲醛具有原子經(jīng)濟(jì)性，在苯酚的對(duì)位引入醛基的技術(shù)方案具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。日本的對(duì)羥基苯甲醛生產(chǎn)技術(shù)有壟斷全球的趨勢(shì)，但具體的技術(shù)動(dòng)態(tài)鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文對(duì)比分析對(duì)羥基苯甲醛的幾種合成方法，重點(diǎn)討論改進(jìn)酚羥基對(duì)位引入醛基的可行性及可采取的技術(shù)措施。

1 現(xiàn)有對(duì)羥基苯甲醛的合成方法及存在的問(wèn)題分析

1.1 以對(duì)硝基甲苯為原料[2,3]

以對(duì)硝基甲苯為原料，在Na2Sx的堿性水-乙醇環(huán)境中，經(jīng)氧化-還原生成對(duì)氨基苯甲醛，而后通過(guò)硫酸酸化形成硫酸鹽，加入NaNO2溶液，經(jīng)過(guò)重氮化、水解得到對(duì)羥基苯甲醛(PHB)。如圖1所示。

圖1 對(duì)硝基甲苯合成對(duì)羥基苯甲醛Fig.1 Synthesis of p-hydroxybenzaldehyde from p-nitrotoluene

反應(yīng)先生成的對(duì)氨基苯甲醛，可分子間縮合成席夫堿，易發(fā)生自縮聚，影響產(chǎn)率。如圖2所示。

圖2 中間體對(duì)氨基苯甲醛的自聚Fig.2 Self polymerization of intermediate p-aminobenzaldehyde

除此，它還能與反應(yīng)生成的副產(chǎn)物對(duì)氨基苯甲醛縮合，縮合產(chǎn)物的分子中也有氨基，可與對(duì)羥基苯甲醛進(jìn)一步縮合，如圖3所示。

圖3 對(duì)氨基苯甲醛與對(duì)羥基苯甲醛的自聚與偶聯(lián)反應(yīng)Fig.3 Self polymerization and coupling reaction of p-aminobenzaldehyde and p-hydroxybenzaldehyde

該反應(yīng)對(duì)pH要求較高，對(duì)氨基苯甲醛在堿性環(huán)境中會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，生成深紅色不溶性固體。重氮化反應(yīng)過(guò)程中，pH值對(duì)生成重氮鹽的穩(wěn)定性有較大影響，生成的不穩(wěn)定重氮鹽容易與未反應(yīng)的對(duì)氨基苯甲醛形成不溶解的重氮氨基苯甲醛化合物；重氮鹽水解生成對(duì)羥基苯甲醛時(shí)，產(chǎn)物有可能和重氮鹽發(fā)生偶聯(lián)副反應(yīng)。

1.2 以對(duì)氯苯酚為原料[4]

對(duì)氯苯酚在復(fù)合催化劑醋酸鈀、三環(huán)己基膦和4-(二甲氨基)吡啶等催化劑作用下，可在較低溫度和壓力下順利進(jìn)行反應(yīng)。如圖4所示。

圖4 對(duì)氯苯酚復(fù)合催化制備對(duì)羥基苯甲醛Fig.4 preparation of p-hydroxybenzaldehyde from p-chlorophenol by composite catalysis

但該法工業(yè)化過(guò)程中遇到的難題是設(shè)備要求高、危險(xiǎn)性大，催化劑成本高，再生效果差，產(chǎn)率不穩(wěn)定。

1.3 以對(duì)甲苯酚為原料

以對(duì)甲苯酚為原料合成對(duì)羥基苯甲醛的研究報(bào)道較多，典型的有對(duì)甲苯酚酯化法、Mn2O3氧化法、過(guò)渡金屬鹽催化氧化法、Etard氧化法和電化學(xué)氧化法，其中電化學(xué)氧化法工業(yè)化前景較好，但氧化電極的壽命和氧化的工藝安全問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究。如表1所示。

表1 以對(duì)甲苯酚為原料合成PHB比較表Tab.1 Comparison of synthesis of PHB from p-cresol

以對(duì)甲苯酚為原料合成對(duì)羥基苯甲醛的現(xiàn)有方法中，要么催化劑的壽命及活性受限，要么工藝條件較為苛刻，離規(guī)?；瘧?yīng)用還有較遠(yuǎn)的距離。

1.4 以苯酚為原料

以苯酚為原料合成對(duì)羥基苯甲醛的研究報(bào)道也較多。苯酚為原料，在堿金屬氫氧化物作用下，苯酚與氯仿發(fā)生Reimer-Tiemann反應(yīng)；碳酸鉀的催化下，苯酚與三氯乙醛縮合；苯酚與甲醛在稀堿或弱酸作用下在鄰位和對(duì)位上發(fā)生縮合；苯酚和N,N-二甲基甲酰胺在POCl3作用下進(jìn)行Vilsmierm反應(yīng)；苯酚和液體氫氰酸在三氯化鋁催化下進(jìn)行Gattermann反應(yīng)。這幾種反應(yīng)都可以制備對(duì)羥基苯甲醛，如表2所示。

表2 以苯酚為原料合成PHB比較表Tab.2 Comparison of synthesis of PHB from phenol

目前國(guó)內(nèi)外化工企業(yè)大多采用Reimer-Tiemann反應(yīng)制備水楊醛，同時(shí)副產(chǎn)對(duì)羥基苯甲醛。如圖5所示。

圖5 苯酚與氯仿Reimer-Tiemann反應(yīng)制備水楊醛Fig.5 preparation of salicylaldehyde by Reimer-Tiemann reaction of phenol and chloroform

該法原料價(jià)廉易得，但是該反應(yīng)以鄰位產(chǎn)物(水楊醛)為主，對(duì)羥基苯甲醛的收率較低。

2 Gattermann反應(yīng)合成對(duì)羥基苯甲醛的方法改進(jìn)

苯酚和液體氫氰酸在三氯化鋁催化下制備對(duì)羥基苯甲醛是經(jīng)典的Gattermann反應(yīng)，如圖6所示。

圖6 苯酚與氫氰酸合成對(duì)羥基苯甲醛Fig.6 synthesis of p-hydroxybenzaldehyde from phenol and hydrocyanic acid

國(guó)內(nèi)研究工作者在關(guān)注改進(jìn)對(duì)羥基苯甲醛合成方法的同時(shí)，對(duì)Gattermann反應(yīng)制備對(duì)羥基苯甲醛給予了充分肯定[4,33,34]。尤其是改進(jìn)后的Gattermann反應(yīng)[29,31,32]，通過(guò)氰鹽直接制備對(duì)羥基苯甲醛，如圖7所示，更顯示了其合成對(duì)羥基苯甲醛的巨大優(yōu)勢(shì)。

圖7 苯酚與氰鹽合成對(duì)羥基苯甲醛Fig.7 synthesis of p-hydroxybenzaldehyde from phenol and cyanate

2.1 原子經(jīng)濟(jì)性高

改進(jìn)后的Gattermann反應(yīng)，通過(guò)苯酚亞胺化制備對(duì)羥基苯甲醛，在酚羥基對(duì)位通過(guò)氰鹽(NaCN)的氰根質(zhì)子化引入亞甲胺基，質(zhì)子源來(lái)自氯化氫，理論上的副產(chǎn)物僅為氯化鈉，因此該反應(yīng)的原子利用率高。

2.2 工藝安全性好

以氰鹽作為反應(yīng)原料，固體投料，比傳統(tǒng)的氫氰酸法改進(jìn)了安全性。通入無(wú)水氯化氫的過(guò)程可以采用微正壓，在密封的反應(yīng)器內(nèi)完成，一是體系密封更有利于保持通氣過(guò)程的干燥；二是反應(yīng)過(guò)程消耗氣體氯化氫，從動(dòng)力學(xué)角度，微正壓更有利于反應(yīng)的進(jìn)行；三是無(wú)尾氣外排，消除了因尾氣攜帶HCN可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

2.3 有綠色化工前景

國(guó)內(nèi)的相關(guān)學(xué)者幾乎都給出了該反應(yīng)能定量反應(yīng)的結(jié)論，以引用的二次文獻(xiàn)居多，但都沒(méi)有數(shù)據(jù)支持，其中重要的原因是限于氰化鈉(氰化鉀)的高毒劇毒不便于展開(kāi)相關(guān)研究。其實(shí)隨著國(guó)內(nèi)菊酯類(尤其甲氰菊酯)農(nóng)藥的大量生產(chǎn)，氰化物的生產(chǎn)安全已經(jīng)積累了成熟的經(jīng)驗(yàn)，形成了完善的處置方案。通常采取雙氧水氧化技術(shù)，產(chǎn)生的工藝廢水含氯化鈉，可封閉運(yùn)行，三廢壓力小。

3 改進(jìn)Gattermann反應(yīng)合成對(duì)羥基苯甲醛的發(fā)展建議

以改進(jìn)后的Gattermann反應(yīng)制備對(duì)羥基苯甲醛，不再局限于無(wú)水三氯化鋁路易斯酸催化劑，這種研制工作無(wú)論在理論上，還是實(shí)際應(yīng)用上都有重要意義。改進(jìn)過(guò)程有幾個(gè)方面的問(wèn)題需要解決。(1)催化劑體系的改進(jìn)：固體超強(qiáng)酸技術(shù)，尤其樹(shù)脂負(fù)載的固體超強(qiáng)酸技術(shù)的引入有可能突破現(xiàn)有路易斯酸催化方法；(2)溶劑回收過(guò)程的安全措施是工程化過(guò)程務(wù)必解決的難題，因?yàn)榉磻?yīng)體系分相完成后的溶劑中會(huì)殘留一定的HCN，需要進(jìn)行必要的消除處理。

從節(jié)約資源和減少污染源的觀點(diǎn)來(lái)重新審視設(shè)計(jì)改造傳統(tǒng)化學(xué)，期望實(shí)現(xiàn)化學(xué)工業(yè)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的和諧發(fā)展，符合綠色化學(xué)研究的理念。