专利名称：制备2,3,5－三甲基－对苯醌的方法
技术领域：
本发明涉及制备2，3，5-三甲基-对苯醌的新方法，其中在包含氯化铜和另外的过渡金属卤化物或者稀土元素卤化物的催化剂混合物的两相液体反应介质存在下用氧氧化苯酚，所述过渡金属选自于铁、铬、锰、钴、镍或锌。2，3，5-三甲基苯酚和2，3，6-三甲基苯酚可在该方法中被用作反应物。
2，3，5-三甲基对苯醌是用于制备α-生育酚(维生素E)的中间体。
将三甲基苯酚氧化为2，3，5-三甲基-对苯醌是已知的。
已有人描述过使用无机氧化剂，包括高锰酸钾、二氧化锰和氧化铅。在已知的方法中必须使用化学计量量的氧化剂。使用化学计量量的这些昂贵氧化剂导致高的化学品消耗，而且产生被相应的还原金属污染的废液，该废液必须以很大的成本再生或处置。
还已知有催化法，其中在金属催化剂存在下使用含氧气体作为氧化剂来进行三甲基苯酚的氧化。这些方法向工业应用的转化，例如使用钴-salene配合物催化剂，将是复杂且昂贵的，这是因为催化剂的寿命短，必须添加并非可忽略量的新制催化剂，处置或者高成本地处理大量被金属污染的废液。
在EP 0 659 727中，例如，描述了使用四氮杂[14]轮烯作为载氧催化剂，该轮烯包含配合物键合的重金属离子。该催化剂配合物在氧化反应期间被破坏，而且不可循环，使其不适合于工业应用。
在此方面，US 3796 732描述了使用氯化铜作为反应的催化剂，其中在惰性溶剂如DMF存在下在均相中进行操作，而且产生催化剂处理的问题，该问题在技术上仅能用大的花费来解决。
在 JP 17585／1978中，描述了使用包括铜离子和卤素离子的催化剂系统来提高产率。该方法的缺陷是，尽管有良好的产率，但时空产量低，而且必须用大量的水提取催化剂以及除去水以回收催化剂，再者残留的水也会对回收的催化剂的催化性能产生负面影响。
在 JP 93931／1975中，在回收期间添加卤素或者卤代化合物以保持催化剂活性，但在反应条件下这些化合物被快速用尽，并因此必须补充。这在工艺技术上是昂贵的，而且导致生产成本显著增加。
避免催化剂回收并同时保持催化剂活性的可能性方法描述于RU-2039 037中，其披露了通过氧或含氧气体在多相催化剂存在下氧化三甲基苯酚和结构相关的化合物。
已证明该方法的缺陷是要昂贵地制备多相催化剂，其是如下制得的在氯化铵和氯化碱金属存在下将单价氯化铜涂敷在作为载体的氢氧化铝上，其中存在限定量的磷酸。
根据EP 0 127 888，在大大过量的相应卤化锂存在下使用Li(CuCl3)的水溶液作为氧化催化剂。但是发现，尽管有良好的产率，该方法向工业应用的转化不是有利的，这是因为必须使用大大过量的昂贵卤化锂，在反应之前必须昂贵地制备配合物铜(Ⅲ)催化剂，而且以三甲基苯酚计必须使用至少等量的催化剂来实现良好的产率。
EP 0 294 584也描述了一种制备2，3，5-三甲基-对苯醌的方法，其中在两相反应介质中使用由氯化铜(Ⅱ)和氯化锂构成的催化剂，该两相反应介质包括水以及由芳香烃和具有1-4个碳原子的低级脂族醇构成的混合物。从工业角度看，使用复杂有机溶剂混合物不是有利的，因为该混合物在反应后必须通过蒸馏来处理。
EP 0 369 824描述了在两相反应系统中进行氧化反应的另一个变化方案。催化剂由二元系统组成，该二元系统包括卤化铜(Ⅱ)和含氮化合物，优选是羟胺、肟、或者胺或相应的铵盐。已证明其缺陷是，含氮催化剂组分在氧化条件下分解，不能回收，而且因此增加成本。
EP 0 475 272描述了一种氧化方法，其中在两相溶剂系统中在含氧气体存在下使用由卤化铜(Ⅱ)和碱土金属卤化物组成的催化剂，所述两相溶剂系统由水和含有5-10个碳原子的饱和脂族醇组成。在该方法中，活性催化剂是由铜(Ⅱ)盐和碱土金属添加剂在原位形成的，而且有机溶剂系统与所使用的反应温度相比具有足够高的闪点。但是，为实现良好的转化和产率，必须以化学计量量添加催化剂。
在EP 0 387 820中描述的在具有12-18个碳原子的脂族醇中进行的反应同样允许在低于有机溶剂的闪点的温度下进行氧化，但是该方法在工业上并不是非常吸引人的，这是因为2，3，5-三甲基-对苯醌的反应和分离由于醇具有相对较高的熔点和沸点而变得非常复杂。
本发明的目的是提供新型的制备2，3，5-三甲基-对苯醌的方法，以在某些情况下解决现有技术中存在的大量缺陷，例如所用材料的成本、处理时涉及的花费、以及并非不重要的安全因素，该因素可阻碍转化为工业规模的。本发明的目的特别是要符合以下工艺要求(a)与上述的催化剂相反，使用由廉价的材料组成的催化剂系统，这些材料可在市场上自由购得，而且在给定的反应条件下原位产生活性催化剂物质，而前者有时必须在实际的氧化反应之前在单独的步骤中制备或者在反应期间被用尽。
(b)使用具有高度活性而且同时具有长寿命的催化剂系统，而且在反应后该催化剂还可被回收并重复使用，无需采用特殊的措施。
(c)使用由不同相组成的反应系统，它们在室温下是不混溶的，一个相包含溶解或悬浮形式的催化剂，而另一个相包含溶解形式的底物和在反应期间形成的产物，这使得在反应后底物／产物相在一侧，而待分离的催化剂相在另一侧，并因此使得能够以简单的方式高产率地分离产物，而且以较低的成本回收催化剂相。
该目的是通过如下转化三甲基苯酚来实现的在升高的温度下，在两相反应介质中在包含至少卤化铜的催化剂存在下用氧或含氧气体混合物氧化。该方法的特征在于，所述反应是在由水和含有5-10个碳原子的脂族醇组成的反应介质中或者由水和含有1-4个碳原子的脂族醇和芳香烃组成的反应介质中进行的，其中存在由卤化铜和另外的过渡金属卤化物或者稀土元素的卤化物组成的催化剂系统，所述过渡金属选自于铁、铬、锰、钴、镍或锌，反应温度为20-120℃。
该反应也可如下进行包含三甲基苯酚底物并由合适的溶剂组成的有机相与包含催化剂系统的含水相接触，所述有机溶剂不溶于水或者仅略溶于水，然后使如此制成的反应混合物与含氧的气体接触，而且在反应完成时，由含水的而且仍具有活性的催化剂相中分离有机产物相，以分离2，3，5-三甲基-对苯醌产物。
该结果是出乎意料之外的，因为在卤化铜和过渡金属卤化物或者稀土元素卤化物的含水系统中，肯定认为形成几乎不溶性的、有时寡聚或者聚合的水解产物，该产物对于所研究的氧化反应不具有选择性催化作用。
已经发现在本发明中，如果使用二元催化剂系统，其组成一方面是卤化铜、而另一方面是过渡金属卤化物或者稀土元素的卤化物，催化剂的失活不会发生或者可以忽略，即使是重复使用含水的催化剂相，而且氧化为2，3，5-三甲基-对苯醌的反应可在新的条件下进行，其方式从工业角度看既经济又有利。
2，3，5-三甲基-对苯醌的产率超过90％，即使是在重复使用催化剂时。与使用昂贵的氯化锂相比，可使用所选择的过渡金属卤化物，例如CrCl3、FeCl3或ZnCl2，则进一步产生经济效益。
在本发明的方法中所用的氧化剂是纯的氧或者经稀释的氧，例如空气。以1升的反应混合物计，每小时通常提供10-150NL的氧气。可适合用于本发明的范围中的铜盐包括但不限于CuCl2和CuBr2或者相应的Cu(Ⅰ)盐如CuCl或CuBr，特别是CuCl2和CuBr2。优选的是使用氯化铜(Ⅱ)。
适合用于本发明中的过渡金属卤化物基本上是过渡金属的氯化物。特别合适的是第四周期的元素的卤化物，如元素Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Zn的卤化物，以及稀土元素如Ce的卤化物。
与水混合的合适反应介质特别是支链或直链脂族C5-C10醇，如1-戊醇、1-己醇、1-庚醇、1-辛醇、1-壬醇、1-癸醇、2-乙基己醇或者环己醇。
与水和芳香烃混合的合适反应介质还有支链或直链脂族醇，如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、1-丁醇、2-丁醇和叔丁醇。
芳香烃优选是具有6-8个碳原子，特别是苯、甲苯、二甲苯、或者卤素取代的芳香化合物，如氯苯。
含水催化剂相是通过简单混合单独组分的水溶液或者通过将固体盐化合物溶解在水中来制备的，这使得该方法能够更简单地进行。
卤化铜与三甲基苯酚的摩尔比可在宽的范围内变化，其通常是铜盐／三甲基苯酚=0．1-10，优选为0．2-3。
以三甲基苯酚计，过渡金属卤化物的使用量为0．1-10倍的量，优选为0．2-5倍的摩尔量。如果使用铜(Ⅱ)盐，在含水催化剂相中的卤化铜浓度可在1-70wt％范围内，优选使用5-30wt％的浓度，而过渡金属卤化物或者稀土卤化物的浓度优选为5-80wt％。
对于该反应可使用现有技术中已知的系统作为另外的活化剂，最有利的是使用铜盐如氯化铜(Ⅰ)或者相应的氢氧化物。
使用水和不与水混溶或者仅有限程度地与水混溶的溶剂产生的两相化合物可任选地提供有相转移催化剂。可以考虑的相转移催化剂是已知的常规产物，例如四烷基卤化铵、苄基三烷基卤化铵或者硫酸氢盐，以及聚乙二醇类的化合物。该新的方法通常在常压下进行，温度为20-120℃。该方法同样可在受压下进行，在含氧气体化合物的情况下在受压下操作是特别合适的。该方法可连续和非连续地进行。
为进行该反应，将三甲基苯酚溶解在溶剂系统的有机组分中，然后以计量量添加至包含催化剂的含水相中。在不同的实施方案中，一部分有机溶剂在反应开始前放置在含有含水相的容器内，然后以计量量添加三甲基苯酚溶液。在反应方法的另一个变化实施方案中，反应分批地进行，所有的组分放置在一个容器中，并同时搅拌，然后计量添加含氧气体，由此开始。
三甲基苯酚在有机相中的浓度可在宽的浓度范围内变化，通常将三甲基苯酚的浓度调节为5-80％，优选为10-50％。
水与有机溶剂的体积比在10∶1-1∶10的范围内变化，优选为3∶1-1∶5。
反应温度可在宽的温度间隔内变化，反应优选在20-120℃下进行，在特别优选的实施方案中反应在40-90℃下进行。
2，3，5-三甲基-对苯醌可用常规方法分离，例如用真空和蒸气蒸馏。
根据本发明的方法实施简单，而且反应产物具有良好的产率和高的纯度。
产率在HP 5890或者HP 6890气相色谱仪上测定，这些色谱仪使用J&W DB-5毛细管柱，其长度为30mm，内径为0．32mm，而膜厚为1μm。使用十四烷作为内标。所用的参考物质为TMQ，其是通过蒸馏和重结晶来纯制的。
在Jasco的系统上进行HPLC测量，该系统由UV 975紫外检测器、PU980泵和AS 950自动取样器组成。所用柱为GL Sciences Inc．的Intersil-ODS 3V-5μ，250×4．6mm内径。使用上述TMQ参考物质作为外标。
以下实施例用于更为详细地说明本发明。
TMP代表三甲基苯酚。TMQ代表2，3，5-三甲基-对苯醌。实施例1将2．98g的FeCl3(18．4mmol)和0．91g(9．2mmol)的CuCl溶解在放于100ml三颈烧瓶中的水中(CuCl∶FeCl3的摩尔比为0．5)。二元盐混合物的催化剂浓度在含水相中为13．5wt％。将2．5g的TMP(18．4mmol)在25ml己醇中的溶液添加在含水催化剂相中，并同时剧烈搅拌。有机相中的TMP浓度为11wt％。将反应混合物加热至60℃，同时由玻璃料中通入氧气，用气相色谱监测反应的进程。当反应完成时，得到82．2％的TMQ产率。实施例2-6类似于实施例1，将组分放置在100ml三颈烧瓶中，TMP∶CuCl2∶FeCl3的比例为1∶0．75∶1．5。含水相中二元催化剂的浓度在所有的实验中都是39．4wt％。在首先使用的催化剂相中添加TMP-醇溶液，将混合物升高到指定的温度，然后开始通入氧气。变化反应温度和反应时间，在反应结束时得到以下的结果。
表1
实施例7-12以水溶液的形式在玻璃反应器中放置氯化铜(Ⅱ)和过渡金属氯化物或者稀土元素氯化物，它们的量如表2所示；添加40ml的1-己醇，然后将混合物加热至65℃。在3小时的时间内滴加12g的2，3，6-三甲基苯酚(88mmol)在20ml的1-己醇中的溶液，同时搅拌(900rpm)，并由玻璃料中通入氧气。在添加完成时，在80℃下继续搅拌2小时，同时通入氧气，并用HPLC监测反应进程。当反应完成时，分离各相，用水洗涤有机相2次，使用内标通过气相色谱测定TMQ产率。
表2
实施例13以水溶液的形式在玻璃反应器中放置氯化铜(Ⅱ)(66mmol)和氯化铬(Ⅲ)(132mmol)(含水相中的催化剂浓度为39．0wt％)；添加40ml的1-己醇，然后将混合物加热至65℃。在3小时的时间内滴加12g的2，3，6-三甲基苯酚(88mmol)在20ml的1-己醇中的溶液，同时搅拌(900rpm)，并由玻璃料中通入氧气。在添加完成时，在80℃下继续搅拌2小时，同时通入氧气，并用HPLC监测反应进程。当反应完成时，分离各相，用水洗涤有机相2次，使用内标通过气相色谱测定TMQ产率。合并的含水相在旋转蒸发器中浓缩至原始体积，然后再转移至玻璃反应器中作为催化剂溶液。重复几次该过程。
表3
HPLC分析使用外标实施例14-17以水溶液的形式在玻璃反应器中放置氯化铜(Ⅱ)(66mmol)和氯化铬(Ⅲ)(132mmol)(含水相中的催化剂浓度为39．0wt％)；添加如表4所示量的相应醇，然后将混合物加热至所示温度。在3小时的时间内滴加12g的2，3，6-三甲基苯酚(88mmol)在如表4所示量的相应醇中的溶液，同时搅拌(900rpm)，并由玻璃料中通入氧气。在添加完成时，在所示的温度下继续搅拌表4所示的时间，同时通入氧气，并用HPLC监测反应进程。当反应完成时，分离各相，用水洗涤有机相2次，使用外标通过气相色谱测定TMQ产率。
表权利要求
1.制备2，3，5-三甲基-对苯醌的方法，其是在升高的温度下，在两相反应介质中在包含至少卤化铜的催化剂存在下用氧或含氧气体混合物氧化三甲基苯酚，该方法的特征在于，所述反应是在由水和含有5-10个碳原子的脂族醇组成的反应介质中或者由水和含有1-4个碳原子的脂族醇和芳香烃组成的反应介质中进行的，其中存在由卤化铜和另外的过渡金属卤化物或者稀土元素的卤化物组成的催化剂系统，所述过渡金属选自于铁、铬、锰、钴、镍或锌，反应温度为20-120℃。
2.如权利要求1所述的制备2，3，5-三甲基-对苯醌的方法，其特征在于，反应在由水以及具有1-4个碳原子的脂族醇和甲苯或苯的混合物组成的反应介质中进行。
3.如权利要求1所述的制备2，3，5-三甲基-对苯醌的方法，其特征在于，反应在由水和1-己醇、1-庚醇、2-乙基己醇或1-辛醇组成的反应介质中进行。
4.如权利要求1所述的制备2，3，5-三甲基-对苯醌的方法，其特征在于，使用氯化铬(Ⅲ)、氯化锰(Ⅱ)或氯化钴(Ⅱ)作为过渡金属卤化物。
5.如权利要求1所述的制备2，3，5-三甲基-对苯醌的方法，其特征在于，使用氯化铈(Ⅲ)作为稀土元素卤化物。
全文摘要
本发明涉及制备2,3,5－三甲基－对苯醌的方法,其是在升高的温度下在由卤化铜和过渡金属卤化物或者稀土元素卤化物组成的催化剂系统存在下在两相液体反应介质中用氧或含氧气体氧化2,3,5－三甲基苯酚或2,3,6－三甲基苯酚,所述过渡金属选自于铁、铬、锰、钴、镍或锌。
文档编号C07C46/08GK1293182SQ00129918
公开日2001年5月2日 申请日期2000年10月13日 优先权日1999年10月15日
发明者拉尔夫·马森, 斯特芬·克里尔, 芭芭拉·耶格尔, 克劳斯·胡特马赫尔 申请人:德古萨－于尔斯股份公司