本发明属于有机合成技术领域，涉及一种2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法。
背景技术：
2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸是重要的是医药和农药中间体，其异构体4-三氟甲基-3-硝基苯甲酸也有潜在的类似价值。
us4845279公开了一种制备4-三氟甲基-2-硝基苯甲酸及其异构体4-三氟甲基-3-硝基苯甲酸的方法。该方法以4-三氟甲基-苯甲酰卤或4-三氟甲基-三卤甲苯为原料，通过硝化剂硝化起始原料，同时将甲酰卤基或三卤甲基水解为羧基，制备得到4-三氟甲基-2-硝基苯甲酸及其异构体4-三氟甲基-3-硝基苯甲酸。该方法原料价格昂贵，并且仅能使4-三氟甲基-2-硝基苯甲酸和4-三氟甲基-3-硝基苯甲酸的总收率达到70～76％，收率并不能让人满意。
技术实现要素：
本发明所要解决的是现有技术生产2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体原料昂贵，收率偏低的问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是提供了一种2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法，该方法包括以下步骤：以4-三氟甲基苯甲腈原料，在硝化剂作用下，一步反应得到2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸和3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸。
其中，上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，操作步骤为：将硝化剂滴加入4-三氟甲基苯甲腈中，滴毕反应1～12h，经后处理，得到2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸和3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸。
其中，上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，所述硝化剂中含有硝酸组分；优选的，硝酸为浓硝酸或发烟硝酸。
进一步的，上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，所述硝化剂中还含有硫酸组分；优选的，硫酸为浓硫酸或发烟硫酸。
其中，上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，所述硝化剂中硝酸与4-三氟甲基苯甲腈的摩尔比为0.9～5：1。
优选的，上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，所述硝化剂中硝酸与4-三氟甲基苯甲腈的摩尔比为0.9～2.5：1。
其中，上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，所述反应的温度为10～150℃。
优选的，上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，所述反应的温度为40～100℃。
更优选的，上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，所述反应的温度为60～70℃。
最优选的，上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，所述反应的温度为70℃。
优选的，上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，所述反应的时间为3～7h。
上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，反应在无溶剂条件下或卤代烃溶剂中进行；优选的，卤代烃溶剂为二氯甲烷或1，2-二氯乙烷。
其中，上述所述的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法中，所述有机溶剂与4-三氟甲基苯甲腈的体积质量比为2～10ml：1g。
本发明的有益效果是：
本发明方法以4-三氟甲基苯甲腈原料，在硝化剂作用下，仅需一步反应，即能得到2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体；本发明方法原料廉价，操作简便，反应步骤短，且收率高，适于工业化生产。
具体实施方式
具体的，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法，该方法包括：以4-三氟甲基苯甲腈原料，在硝化剂作用下，一步反应得到2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸和3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸。
本发明的反应式如下：
本发明以4-三氟甲基苯甲腈为原料，由于存在反应选择性问题，氰基在酸性条件水解为羧基通常是较为困难的，即在一般情况下得到酰胺和羧酸的混合物，而想要提高生成羧酸的选择性，则需较苛刻的水解条件，如高浓度强酸或高温。试验发现，如果将4-三氟甲基苯甲腈与浓硫酸在较为温和的反应条件下(如70℃)进行反应，仅能得到4-三氟甲基苯甲酰胺，无法得到4-三氟甲基苯甲酸；因此采用先水解、再硝化的方式，难以在温和的反应条件下得到2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体。
后来通过大量的实验研究，发明人创造性地将4-三氟甲基苯甲腈和硝化剂直接进行反应，却能一步得到2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体；并且，通过工艺优化，4-三氟甲基-2-硝基苯甲酸和4-三氟甲基-3-硝基苯甲酸的总收率可达90％以上。
本发明制备2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的操作步骤为：将硝化剂滴加入4-三氟甲基苯甲腈中，滴毕反应1～12h，经后处理，得到2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸和3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸；在优化的条件下，后处理可直接采用萃取，即可得到高纯度的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体。
本发明所使用的硝化剂可采用本领域常用硝化剂，所述硝化剂中含有硝酸组分；硝酸优选为浓硝酸或发烟硝酸中的至少一种；硝化剂中还可以含有硫酸组分；硫酸优选为浓硫酸或发烟硫酸中的至少一种；所述硝化剂中硝酸与4-三氟甲基苯甲腈的摩尔比为0.9～5：1；优选的，所述硝化剂中硝酸与4-三氟甲基苯甲腈的摩尔比为0.9～2.5：1。
采用4-三氟甲基苯甲腈和硝化剂直接进行反应，反应温度可以为10～150℃；优选的，所述反应温度为40～100℃；更优选的，所述反应温度为60～70℃；最优选的，所述反应温度为70℃。
本发明方法制备2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体时，优选反应时间为3～7h。
本发明方法中，反应可在无溶剂条件下进行，还可以在卤代烃溶剂中进行，将4-三氟甲基苯甲腈加入卤代烃溶剂中，再滴加硝化剂；优选的，所述卤代烃溶剂为二氯甲烷或1，2-二氯乙烷；所述卤代烃溶剂与4-三氟甲基苯甲腈的体积质量比为2～10ml：1g。
本发明方法能够以高收率制备得到2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体(3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸)的混合物，两者沸点和酸碱性存在较大差异，需要时，可利用此性质分离两个化合物，如采用精馏。
优选的，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体的制备方法，包括以下步骤：将硝化剂滴加入4-三氟甲基苯甲腈中，滴毕，70℃反应3～7h，经后处理，得到2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸和3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸；所述硝化剂与4-三氟甲基苯甲腈的摩尔比为0.9～2.5：1；在优化的条件下，后处理可直接采用萃取，即可得到高纯度的2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸及其异构体。
下面通过试验例和实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。
本发明实施例中硝化剂为发烟硝酸与浓硫酸的混酸，其具体配制方法如下：向单口瓶中加入60g浓硫酸(98％)，冰浴下搅拌，再慢慢滴加20g发烟硝酸(95％)，混合均匀即得，混酸的密度为1.7g/ml。
试验例
向三口瓶中加入5g4-三氟甲基苯甲腈，再滴加入10ml浓硫酸，升温至70℃反应7h，结束反应。加入30ml水和30ml乙酸乙酯，分液，取有机层，水层用30ml乙酸乙酯萃取一次，合并有机相，无水硫酸钠干燥，旋蒸，得5g4-三氟甲基苯甲酰胺，产率90％。
实施例1
向三口瓶中加入5g4-三氟甲基苯甲腈，30ml二氯甲烷，再滴加入10ml硝化剂，升温至40℃，磁力搅拌7h，结束反应；加入30ml水，分液，取有机层，水层用30ml乙酸乙酯萃取一次，合并有机相，无水硫酸钠干燥，旋蒸，得5.2g粘稠液体，液相215nm检测，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量14％，3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量10％。
实施例2
向三口瓶中加入5g4-三氟甲基苯甲腈，30ml1，2-二氯乙烷，再滴加入10ml硝化剂，升温至40℃，磁力搅拌7h，结束反应；加入30ml水，分液，取有机层，水层用30ml乙酸乙酯萃取一次，合并有机相，无水硫酸钠干燥，旋蒸，得5.3g粘稠液体，液相215nm检测，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量15％，3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量11％。
实施例3
向三口瓶中加入5g4-三氟甲基苯甲腈，30ml1，2-二氯乙烷，再滴加入10ml硝化剂，升温至70℃，磁力搅拌3h，结束反应；加入30ml水，分液，取有机层，水层用30ml乙酸乙酯萃取一次，合并有机相，无水硫酸钠干燥，旋蒸，得5.6g粘稠液体，液相215nm检测，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量50％，3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量34％。
实施例4
向三口瓶中加入5g4-三氟甲基苯甲腈，再滴加入10ml硝化剂，升温至40℃，磁力搅拌7h，结束反应；加入30ml水和30ml乙酸乙酯，分液，取有机层，水层用30ml乙酸乙酯萃取一次，合并有机相，无水硫酸钠干燥，旋蒸，得5.5g粘稠液体，液相215nm检测，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量44％，3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量30％。
实施例5
向三口瓶中加入5g4-三氟甲基苯甲腈，再滴加入10ml硝化剂，升温至50℃，磁力搅拌7h，结束反应。加入30ml水，分液，取有机层，水层用30ml乙酸乙酯萃取一次，合并有机相，无水硫酸钠干燥，旋蒸，得5.9g粘稠液体，液相215nm检测，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量50％，3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量35％。
实施例6
向三口瓶中加入5g4-三氟甲基苯甲腈，再滴加入10ml硝化剂，升温至60℃，磁力搅拌7h，结束反应。加入30ml水，分液，取有机层，水层用30ml乙酸乙酯萃取一次，合并有机相，无水硫酸钠干燥，旋蒸，得6.1g粘稠液体，液相215nm检测，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量57％，3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量40％。
实施例7
向三口瓶中加入5g4-三氟甲基苯甲腈，再滴加入10ml硝化剂，升温至70℃，磁力搅拌7h，结束反应。加入30ml水，分液，取有机层，水层用30ml乙酸乙酯萃取一次，合并有机相，无水硫酸钠干燥，旋蒸，得6.5g固体，液相215nm检测，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量58％，3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量42％。
实施例8
向三口瓶中加入5g4-三氟甲基苯甲腈，再滴加入10ml硝化剂，升温至70℃，磁力搅拌5h，结束反应。加入30ml水，分液，取有机层，水层用30ml乙酸乙酯萃取一次，合并有机相，无水硫酸钠干燥，旋蒸，得6.5g固体，液相215nm检测，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量58％，3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量42％。
实施例9
向三口瓶中加入5g4-三氟甲基苯甲腈，再滴加入10ml硝化剂，升温至70℃，磁力搅拌3h，结束反应。加入30ml水，分液，取有机层，水层用30ml乙酸乙酯萃取一次，合并有机相，无水硫酸钠干燥，旋蒸，得6.5g固体，液相215nm检测，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量58％，3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量42％。
实施例10
向三口瓶中加入5g4-三氟甲基苯甲腈，再滴加入10ml硝化剂，升温至70℃，磁力搅拌3h，结束反应。加入30ml水，分液，取有机层，水层用30ml乙酸乙酯萃取一次，合并有机相，无水硫酸钠干燥，旋蒸，得6.2g固体，液相215nm检测，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量48％，3-硝基-4-三氟甲基苯甲酸含量34％。
实施例1～10的反应条件及结果如表1所示。
表1实施例1～10的反应条件及结果
从实施例1～10及表1数据可知，比较实施例1、2、4得出，在其它条件相同，用二氯甲烷、1，2-二氯乙烷作溶剂和无溶剂三种情况下反应7h，无溶剂得到的硝基苯甲酸最高；比较实施例4、5、6、7，在其它条件相同，分别40℃、50℃、60℃和70℃反应7h，40℃和50℃明显差于60和70℃；比较实施例7、8、9得出，在其它条件相同情况下，在70℃下反应3h，5h，7h，得到2种硝基苯甲酸的比例和产率均差别不大；此外，从实际出发，总收率相当时，2-硝基-4-三氟甲基苯甲酸收率越高越好。