一种四苯基卟吩的连续制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及有机合成技术领域，具体涉及一种四苯基卟吩的连续制备方法。
【背景技术】
[0002] 四苯基卟吩（以下简称TPP)的通式为通式（II):
[0003]
[0004] 其中RiUs均分别为各种取代基。
[0005] TPP是重要的发光材料，也是合成金属卟啉的原料。Adler法是公认的合成四苯基 卟吩的最好的方法，该法在实验室中采用吡咯和苯甲醛为反应原料，在回流丙酸中反应合 成TPP(J · Am· Chem· Soc ·，1964，86:3145; J · Org · Chem·，1967，32:476)。但该法得到的以吡咯 计的TPP收率小于20%，而且其中含5~10%的结构如通式（III)所示的杂质二氢四苯基卟 吩（以下简称TPC)。
[0006] 为了除去TPP中混有的TPC杂质，之后的研究者对Adler法进行了大量的改进，主要 集中在两个方向：（1)将含TPC杂质的TPP溶解在苯、二甲基亚砜、二氯甲烷、三氯甲烷等有机 溶剂中，然后采用色谱柱分离的方法除去TPC。（2)将含TPC杂质的TPP溶解在一定的有机溶 剂中后，加入一定量的弱化学氧化剂如2，3，5，6-四氯苯醌、2，3-二氯-5，6-二氰苯醌等将 TPC氧化成TPP而除去TPC。由于TPP和TPC在有机和无机溶剂中的溶解度都很小，无论是色谱 柱法还是加入化学氧化剂方法，都需要增加大量的溶剂的分离，工序多，溶剂损耗大，生产 成本高，不适合工业上的规模化生产。而且，这些实验室方法均从如何提纯角度来考虑TPP 的合成问题，而少有从提高反应收率的角度来考虑TPP的合成问题，导致以吡咯计的TPP的 收率较低，而吡咯价格昂贵，是生产TPP时重要的成本因素，这也导致现有的实验室方法的 生产成本高，不适合工业上的规模化生产。
[0007] 中国专利公开号CN101550140A，公开日2009年10月7日，发明名称：四芳基卟啉的 合成方法与设备。该申请案以Adler法为基础，公开了一种由吡咯、芳香醛和空气为原料合 成四芳基卟啉（简称TAP)的间歇生产方法。该合成方法涉及在常压下同一个反应器中同时 间歇完成吡咯和芳香醛缩聚成二氢四芳基卟啉(简称TAC)和TAC的空气氧化两个反应。该法 由于反应温度较低，反应时间长，导致副反应多。虽然该法报道的四苯基卟吩的合成产率在 30~40%之间，四芳基卟啉产品中TAC的含量可降低到2%以下，较文献报道结果有较大的 改进，但产物收率仍然偏低。而且，吡咯、丙酸或其它有机溶剂和空气混合后，容易产生爆炸 性的气体，工业生产时的安全问题也未在该专利中提及。
[0008] 中国专利公开号CN102952143A，公开日2013年03月06日，发明名称:一种四苯基卟 吩的制备方法。该申请案同样以Adler法为基础，公开了一种由吡咯、芳香醛和空气为原料 高产率合成四苯基卟啉(简称TPP)的方法。该合成方法涉及分别在两个不同的反应器中完 成吡咯和芳香醛缩聚成卟啉原（TPPG)和TPPG的空气氧化两个反应，反应收率在26.2~ 37.3 %之间，难以分离和去除的中间产物TPC的含量降低到0.9%以下，产品纯度达到98% 以上。相比CN101550140A报道的TPC的收率要略差，但CN102952143A得到的TPP的纯度更高， 而且从工程操作和实施的角度出发，更加注重生产的安全性。
[0009] 以上方法的共同特点是工艺成熟可靠，但由于以上各步反应均采用间歇操作，每 批次的操作周期长，能耗高，生产效率低下、设备占地空间大。而且该过程为一含氧气体参 与的高温下的氧化反应，在工业搅拌釜中间歇反应始终存在一定的安全隐患。
[0010] 中国专利公开号CN103880852A，公开日2014年06月25日，发明名称：四芳基卟啉的 连续生产工艺。该申请案以CN101550140A为基础，公开了一种由吡咯、芳香醛和空气为原料 高产率合成四芳基卟啉(简称TAP)的连续生产方法。该发明中用到的溶剂为乙酸、丙酸、苯、 甲苯、二甲苯等中的一种或几种，反应物为吡咯和芳香醛，在反应溶剂中连续通入空气反 应。该申请案有如下缺点：
[0011] (1)该方法采用将含氧气体、吡咯和芳香醛一起连续加入氧化反应釜中反应，而吡 咯和芳香醛的氧化速度要远大于其聚合速度，更易被氧气氧化而损失，同时生成难以分离 的胶状杂质。
[0012] (2)根据该法描述，实施过程中采用的原理是反应生成TPP后，由于TPP的过饱和而 使得其沉降至联接在反应器底部的沉降槽中，当沉降槽中装满TPP后即切换到另一个一模 一样的沉降槽继续操作，而将此装满TPP的沉降槽取下后进行后处理。该过程本质上是批次 加入反应所需的溶剂后，将反应物吡咯和芳香醛连续加入搅拌釜中反应，和采用滴加操作 的间歇过程无差别，本质上仍为一个间歇操作过程，并未实现物料连续进出。且实际操作过 程中由于体系的自身特点，反应液的颜色是完全不透明的，实际生产中难以判断沉降槽中 是否装满TPP。
[0013] (3)该法采用的搅拌反应器的高径比为20~40:1，设备机械，特别是搅拌桨的安全 隐患较大。
[0014] (4)根据实验结果（如：Chunlin Li，Qinbo Wang，et al · J. Chem.Eng.Data，2014， 59(12)，pp 3953-3959;Fluid Phase Equilibria,2015,396,58-65.)，以四苯基卟吩和对 氯四苯基卟吩为例，反应状态下的溶解度较大，要使目标产物析出，溶液中目标产物的浓度 需非常高，会导致产物的热分解量大，同时也难以析出，在保证搅拌均匀的状态下，生成的 少量TPP固体也难以沉降到反应器底部。
[0015] (5)该方法在连续操作过程通入含氧气体会带来巨大的操作安全风险。
【发明内容】
[0016] 本发明克服了现有技术的缺陷，提供一种产品收率高、反应效率高、能耗低、安全 环保的四苯基卟吩的连续制备方法。
[0017] 为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种四苯基卟吩的 连续制备方法，包括以下步骤：
[0018] (a)将吡咯和芳香醛连续加入到第一反应器中进行反应，所述吡咯与芳香醛的摩 尔流量比为〇. 5~1.1:1，反应压力为0.1~1 .OMPa，反应温度为130~200°C，停留时间为10 ~300s，得到第一反应液；
[0019] (b)将步骤(a)得到的第一反应液与含氧气体连续加入第二反应器中进行反应，所 述含氧气体与步骤（a)中加入的芳香醛的摩尔流量比为0.075~1:1，反应压力为0.1~ l.OMPa，反应温度为130~200°C，停留时间为10~300s，得到第二反应液；
[0020] (c)将第二反应液冷却、结晶、过滤、洗涤得到四苯基卟吩产品。
[0021] 步骤(a)中所述的芳香醛结构式优选如通式(I)所示：
[0022]
[0023] 其中，取代基HR3均分别选自氢、烃基、烷氧基、羟基、羧基、氨基、硝基或卤素 中的一种。步骤(a)中所述的芳香醛更优选为苯甲醛、邻氯苯甲醛、对氯苯甲醛、间氯苯甲 醛、邻甲基苯甲醛、对甲基苯甲醛、间甲基苯甲醛、邻羟基苯甲醛、对羟基苯甲醛、间羟基苯 甲醛、邻甲氧基苯甲醛、对甲氧基苯甲醛、间甲氧基苯甲醛、邻氟苯甲醛、对氟苯甲醛、间氟 苯甲醛、邻溴苯甲醛、对溴苯甲醛、间溴苯甲醛、2,3_二氯苯甲醛、对异丙基苯甲醛、对叔丁 基苯甲醛、间硝基苯甲醛、对氨基苯甲醛、对羧基苯甲醛、对硝基苯甲醛、邻硝基苯甲醛、间 氨基苯甲醛中的一种。
[0024] 步骤(b)中所述的含氧气体中氧的体积分数优选大于等于10%。
[0025] 作为本发明的优选实施方式，可将步骤(a)中所述的吡咯或/和芳香醛分别加入溶 剂中配成溶液后进料，所述溶液中吡咯和芳香醛的浓度均大于等于〇.〇5mol/L。所述的溶剂 优选为丙酸或乙酸、或者为乙酸或丙酸与环己烷、甲苯、苯、乙苯、二甲苯中的一种或多种组 成的混合物。所述混合物中丙酸或乙酸的体积分数优选大于等于60%。
[0026] 本发明中所述的第一反应器和第二反应器均优选为微通道反应器。
[0027] 相比于传统的在常规反应器中进行的化学合成反应，本发明所述微通道反应器具 有比表面积大、传质传热效率高、反应时间短、反应条件易控制、易扩大化生产且无放大效 益等优势。本发明实现了四苯基卟吩的连续生产，具有选择性好、反应效率高、能耗低、安全 环保的优点。
[0028]本发明反应分三步进行，如反应方程式(X)、（y)和(z)所示：
[0030]
L〇〇31j 在反应U)中，反应物吡唂B和苯甲酲A相且之丨曰」友生四衆，形成中丨曰」严物卟卩林原C (以下简称TPPG)和水。在反应(y)中，中间产物TPPG在氧气的作用下被氧化成另一中间产物 二氢四苯基卟吩D(以下简称TPC);在反应(z)中，中间产物TPC在氧气的作用下进一步被氧 化成目标产物四苯基卟吩F(以下简称TPP) JPPG和TPC是TPP中的主要杂质。
[0032] 对第一步反应(X)，传统操作中采用的间歇釜采用批次操作，每次均需升温、保温、 降温过程，每个操作周期4~10小时，生产效率低下。在本申请人申请的CN105085536 A和 CN103880852A中已详细描述:如果将吡咯、苯甲醛均一次性加入到回流状态的丙酸溶液中 反应，开始反应后，苯甲醛和吡咯的浓度迅速下降，表明第一步反应(X)很快。针对这种强放 热的快反应，理论上只要热量能够及时移出，反应能瞬间进行。由于微通道反应器具有比表 面积大、传质传热效率高等显著优先，使得该步反应的快速以连续操作的形式进行完毕成 为可能。采用本发明所述的微反应器后，能瞬间将该步反应的放热及时移出，实现了高通量 的四苯基卟吩中间体的连续合成。由于反应时间短，中间产物在体系中停留时间也短，使得 中间产物热分解的量也大幅下降，导致反应收率大幅提高。同时，由于移热及时，该步反应 的反应温度也可较传统工艺明显提高，使得反应速度进一步加快，反应时间进一步缩短，生 成的四苯基卟吩中间体还未来得及发生分解等副反应即进入了下一个反应单