专利名称：一种生态友好的溴苯合成方法
技术领域：
本发明涉及一种通过原位产生次溴酸盐生态友好地合成溴苯的方法。
背景技术：
溴苯被广泛用作马达油中的添加剂，以及用作重质液体溶剂，特别在需要大量结晶的情况下。另外，其在一些有机合成中作为原料使用，特别是在例如苯基溴化镁、苯基锂和二苯基锌的有机金属试剂的制备中，这些有机金属试剂接着用于涉及碳-碳键形成的制备合成中。
可以参考M.Rule等人的PCT国际申请No.88,07,513，其中公开了一种改进的芳族化合物的气相溴化。所述反应在氧气和含铁的硅铝催化剂存在下在351℃进行。用氢溴酸作为溴源。芳族化合物(底物)转化为所需要的溴代化合物的转化率仅为60％。该方法的缺点是实验温度过高，而且用作溴化剂的氢溴酸即使在室温下也是强腐蚀性的。另外，该方法需要催化剂，并且产率仅为60％。在高温下进行气相反应，特别是在氧气存在下使用烃类，是非常危险和高风险的。
J.Zabicky等人在Zeolite 1987，7(6)，499中发表的名称为Molecular sieves as catalyst for aromatic bromination的论文公开了芳族底物的环溴化反应，其中使用液溴作为溴化剂，并在含金属铁的丝光沸石和13X型沸石存在下在回流温度进行。当所述反应在无日光条件下进行时，定量得到了对-和邻-溴代衍生物。该方法的主要局限性在于所述反应应在日光中进行以免形成二溴衍生物。危险的液溴是溴化剂，它需要特别谨慎的处理和特殊的处理设备。含金属铁的丝光沸石和13X型沸石的使用对于保证产品的形成是必不可少的。另外，当不存在日光时，苯的溴化不完全，甚至是在回流温度。
H.Ishida等人的日本专利JP6293,242公开了用液溴和/或氢溴酸作为溴化剂氧化溴化苯来制备对二溴苯。所述反应在气相、200℃、在氧气存在下进行。在该反应中，通过使用含有18％铜的钠沸石增加反应速率。该方法的缺点在于所述反应应在气相中、在200℃、在氧气存在下进行。该反应需要用含18％铜的钠负载的沸石催化。得到95％的二溴苯和可忽略量的溴苯，转化率为45％。另外，在此使用的溴化剂的腐蚀性、毒性非常强，需要特别的技术和设备处理它们。
T.V.Gorodeestsaya在Kinet.Catal.1982，23(4)，992中的名为“Oxidative bromination of aromatic compounds catalysed bythe hetero poly acids”的论文描述了使用含钼和钒的杂多酸催化氢溴酸和氧气在乙酸水溶液中的反应。杂多酸催化氧气氧化溴离子的反应形成溴，后者进一步用于芳族化合物的环取代反应。该方法的缺点是实验温度过高，而且溴化剂氢溴酸甚至在室温也是强腐蚀性的。另外，该方法需要催化剂，而产率仅为60％。在高温下进行气相反应，特别是在氧气存在下使用烃类，是非常危险和高风险的。
Y.Toteraishi等人的日本专利JP7,762,201公开了用液溴溴化有机化合物的方法。在所述反应中生成的副产物氢溴酸用氯气氧化，再用尽以完成所述溴化反应。该方法的缺点是需要高毒性和腐蚀性的液溴作为溴化剂和氯气作为氧化剂，这需要特殊的设备和操作技术。
T.Asai等人的专利JP7616,620公开了具有高熔点的六溴苯的制备。在该方法中，将苯直接加到保持在40℃的液溴和无水氯化铝的混合物中，然后搅拌整个混合物4小时。加入水，温度升至70℃以除去溴。最后，用碳酸钠溶液将所述溶液的pH调节到9，得到97％的六溴苯，其熔点为325℃。在该方法中可能仅仅得到了六溴苯，而没有溴苯。该方法的缺点是其涉及中和步骤和预防措施以处理腐蚀性的危险的液溴。另外，该方法需要无水氯化铝作为催化剂，其不必要地增加了操作步骤并因此影响到了生产成本。
T.Komiyama等人的日本专利JP7420,126公开了通过用液溴在溴化铁水溶液存在下、在5kg/cm2氮气压力下进行处理来溴化含卤代基或羧基的芳烃。然后，用氧气将压力升至30kg/cm2，反应混合物加热到200℃1小时。该方法的缺点是使用危险的和腐蚀性的液溴。此外，所述反应在非常高的压力和温度进行，这是成本有效的。
T.Komiyama等人在日本专利JP7436,633中公开了通过苯与溴化铵在含溴化铜的载体材料存在下反应来制备溴苯。在该方法中，苯-溴化铵-蒸汽-空气以固定的体积百分比在300℃通过所述催化剂，接触时间2.5秒钟。该方法的缺点是其为气相反应和反应温度过高。另外，在高温下进行气相反应，特别是在氧气存在下与烃类反应，是非常危险和高风险的。保持蒸汽-空气的固定体积百分比也很困难。
O.A.Sadygor等人在USSR专利SU1,468,896中公开了以高产率制备溴苯的方法。在该方法中，在20-40℃，用1-1.3摩尔当量的溴化钠或溴化钾，在1-1.3摩尔当量的次氯酸钠存在下，在含15-36.5％盐酸水溶液或15-96％硫酸水溶液的酸性介质中进行苯的溴化。所述反应混合物在20-40℃老化3-5小时。该方法的主要局限性是可得到的次氯酸盐溶液的最高浓度是4％，从而在溴苯的大规模生产中，需要使用巨大的容器处理体积庞大的次氯酸盐溶液。
发明目的本发明的主要目的是提供一种生态友好的合成溴苯的方法，其消除了上述缺点。
本发明的另一个目的是在溴苯的制备中避免固体催化剂和液溴的使用。
本发明的再一个目的是在水相反应中在芳族底物上使溴具有高原子取代作用。
本发明的另一目的是使用水溶性的和无危险的固体溴化剂用于溴化过程，该固体溴化剂具有的溴化物和溴酸根离子比在1.8∶1到2.2∶1范围内。
本发明的另一目的是使用非常少量的相转移催化剂用于均匀混合有机层和水层。
本发明还有一个目的是在苯的回流温度下制备溴苯而避免需要高温和自生压力。
本发明还有一个目的是制备无色的、沸点154-156℃的溴苯。
发明概述本发明描述了一种新的、生态友好的、通过用原位生成的高反应性次溴酸取代苯环的一个C-H质子来制备溴苯的方法，所述方法包括在升高的温度和大气压下用无机酸活化水溶性的、易于处理的溴化剂来生成活性溴物质，该活性溴物质接着与苯反应。这样得到的化合物溴苯用于制备有机金属试剂，如苯基溴化镁，苯基锂和二苯基锌等。
发明详述因此，本发明提供一种生态友好的溴苯合成方法，该方法包括以下步骤(i)溶解约200-400g的溴化剂，每升水含约35-45％wt/wt的活性溴，得到水溶液；(ii)以约2-10摩尔当量的苯/溴原子的量向步骤(i)的水溶液加入苯；(iii)在持续搅拌下向步骤(ii)的混合物加入表面活性剂；(iv)在约50-80℃的温度下回流步骤(iii)的反应混合物；(v)以约3-4当量/溴原子的浓度范围向步骤(iv)的回流的反应混合物加入无机酸；(vi)在升高的温度下搅拌步骤(v)的混合物约20至48小时；(vii)冷却步骤(vi)的混合物，并将该混合物分离成有机层和水层；(viii)用有机溶剂萃取步骤(vii)的水层；(ix)合并有机层萃取液并用水和盐水连续洗涤；(x)用无水硫酸钠干燥步骤(ix)的有机层，和(xi)脱去有机溶剂得到粗产物，并蒸馏该粗产物得到澄清无色的溴苯。
在本发明的一个实施方案中，在步骤(i)中，使用的溴化剂含有约40％wt/wt的活性溴。
在本发明的另一个实施方案中，在步骤(i)中，使用的溴化剂具有的溴化物对溴酸盐的比在约1.8∶1至约2.2∶1范围内。
在本发明的另一个实施方案中，在步骤(iii)中，使用的表面活性剂是月桂基硫酸钠。
在本发明的另一个实施方案中，在步骤(iv)中，反应混合物使用水冷凝器进行回流。
在本发明的再一个实施方案中，在步骤(v)中，使用的无机酸选自硫酸、盐酸和高氯酸。
在本发明的另一个实施方案中，在步骤(v)中，以约1.5至4.0m/h的速度将无机酸加入到回流的反应混合物中。
在本发明的再一个实施方案中，加入的硫酸是约50％的硫酸水溶液。
在本发明的另一个实施方案中，加入的盐酸是约35％的盐酸水溶液。
在本发明的一个实施方案中，加入的高氯酸是约70％的高氯酸水溶液。
在本发明的另一个实施方案中，在步骤(vi)中，混合物在50至80℃之间的温度加热。
在本发明的另一实施方案中，在步骤(vii)中，混合物被冷却到室温然后被分离成有机层和水层。
在本发明的另一个实施方案中，在步骤(viii)中，使用的有机溶剂选自乙醚、二氯甲烷、二氯乙烷、乙酸乙酯、石油醚和苯。
在本发明再一个实施方案中，在步骤(xi)中，有机溶剂在减压下脱去。
在本发明的另一个实施方案中，在步骤(xi)中，粗产物在真空下进行蒸馏。
在本发明的再一个实施方案中，这样得到的溴苯具有在154-156℃范围内的沸点。
在本发明的另一个实施方案中，得到的溴苯的产率在50-90％范围之内。
根据本发明，溴化剂与质子在溶液中反应并生成次溴酸。
在BrOH中亲电性的溴攻击苯环，通过取代作用机理取代一个C-H质子形成溴苯。
所述反应以实验室规模在配备了有效的水冷凝器的500ml三颈圆底烧瓶中进行。用具有溴化物对溴酸盐的摩尔比为2∶1的水溶性溴化剂作为溴源。通过缓慢加入三当量诸如硫酸、盐酸或高氯酸的无机酸原位生成需要的次溴酸(BrOH)，其与过量的苯在升高的温度/回流温度在持续搅拌下反应生成需要的产品，溴苯。
固体溴化剂在去离子水中溶解，浓度范围在15-50％，优选20-40％之间，这足以满足用于取代反应的有效溴化。低于20％的稀释度仅导致水过量，并需要用更长的时间达到苯的沸点。本方法的能源消耗量将变大。高于40％的稀释度和高于70℃的温度在少量过量酸的存在下可能导致次溴酸歧化为挥发性溴和溴酸根离子。这将降低产品产率。
在优选的发明中，反应混合物的温度可以保持在40-95℃的温度范围内，优选50-80℃范围内。溴化反应通过在常温至苯的沸点温度和大气压下的取代反应进行。在低于40℃的温度，溴化反应非常缓慢，在反应48小时后得到的溴苯仅为约50％。逐步升高温度至约65℃，促进溴苯产率提高到约75％，进一步提高温度至苯的沸点温度，在规定的时间内得到约90％的溴苯。
根据本发明，酸的加入在溴化剂的活化中起了非常重要的作用。酸可以1-10ml/h、优选2-7ml/h范围内的速度加入到反应混合物中。更快的加酸速度将使原位生成的次溴酸歧化为单质溴和溴酸根离子。小于1ml/h的加入速率没有益处，相反增加了总的反应时间。使用高氯酸，产率小于50％，这对本方法的经济性有不利影响。此外，不得不特别小心，因为在高温下高氯酸实际上是爆炸性的。使用硫酸有助于达到溴苯的最大产率。
在本发明的实施中，要达到溴的最大取代，反应时间可在6-60小时范围内变化，优选在10-50小时范围内变化。降低反应时间至小于10小时，降低了溴苯的产率，这可能是不经济的。增加反应时间超过50小时，没有得到益处。
以本发明的优选实施方案中，相转移催化剂的最佳用量是重要的。对于每批10至100g溴苯的实验室规模，可加入0.1-0.5g范围内的相转移催化剂。对于按比例放大的溴苯的制备，应增加相转移催化剂的使用。该催化剂促进有机层与水层的均匀混合，其进而促进溴原子通过取代反应取代一个C-H质子。因此，相转移催化剂的量在获得溴苯的更高产率方面起非常重要的作用。
在本发明中，可以看出每原子溴的苯当量量有助于得到更高的溴苯产率。因此，如前文所述，将每原子溴1-20当量的苯、优选每原子溴2-15当量的苯加入到反应混合物中。加入小于2当量的苯导致溴苯的产率较低，加入15当量以上的苯导致过量未反应的苯，这种未反应的苯需要从有机层回收以及随后将其与溴苯分离。
根据本发明的方法的进行是通过无机酸对含有溴化钠和溴酸钠混合物的溴化剂在50-80℃的升高的温度作用生成次溴酸，然后次溴酸在相转移催化剂存在下与过量苯反应。使用的无机酸是诸如硫酸、盐酸和高氯酸。当在反应中使用硫酸和每原子溴大于等于五当量的苯时，获得溴苯的高产率。溴化反应在溶液状态、在常温至苯的沸点温度(50-80℃)和大气压下发生。在该反应中，以挥发性溴和形成二溴苯的形式损失的次溴酸是可以忽略不计的。产品溴苯通过与基准试样对比后的GC和1H-NMR分析确定和表征。
本发明的创造性在于(i)溴苯可以单步骤从含有活性溴的水溶性溴化剂制备，这避免了使用危险的液溴作为溴化剂；(ii)在溴化反应中，苯本身作为反应溶剂，不需要任何其它溶剂用于分散；(iii)原位生成的次溴酸直接与苯环通过取代作用取代一个C-H质子来进行反应，这样避免了使用任何金属基催化剂促进溴化反应的需要；(iv)在50至80℃温度范围的液相溴化反应得到了约90％的溴苯，从而避免了在高温下在催化剂存在下危险的气相溴化；(v)溴化反应在溶液相在苯的回流温度和大气压下进行，以高产率和原子效率得到溴苯，从而避免了高压溴化反应；和(vi)无需使用任何氧化剂发生溴在苯环上的取代作用。
以下实施例用于具体说明本发明，不应视为对本发明范围的限制。
实施例1将29.1g的溴化剂溶于盛在配备有水冷凝器的500ml三颈圆底烧瓶中的75ml水中。向其中加入每原子溴5当量的苯(57ml，0.73mol)和0.1g月桂基硫酸钠，然后在搅拌下将烧瓶慢慢加热到70℃。用10小时将16.4ml(50％)硫酸(0.15mol)溶液加入热的反应混合物。在70℃再搅拌混合物30小时，然后将混合物冷却至室温。分离有机层和水层。用最少量的乙醚萃取水层至少三次。将萃取液与有机层合并，相继用水和盐水洗涤，并用无水硫酸钠干燥。减压除去溶剂，得到粗产物，用真空蒸馏提纯该粗产物，得到20g或87.5％的澄清无色液体溴苯，沸点154-156℃。
实施例2将116.4g的溴化剂溶于盛在配备有水冷凝器的1000ml三颈圆底烧瓶中的300ml水中。向其中加入每原子溴5当量的苯(228ml，2.92mol)和0.4g月桂基硫酸钠，然后在搅拌下将烧瓶慢慢加热到70℃。用10小时将65.6ml(50％)硫酸(0.60mol)溶液加入热的反应混合物。在70℃再搅拌混合物30小时，然后将混合物冷却至室温。分离有机层和水层。用最少量的乙醚萃取水层至少三次。将萃取液与有机层合并，相继用水和盐水洗涤，并用无水硫酸钠干燥。减压除去溶剂，得到粗产物，用真空蒸馏提纯该粗产物，得到82g或89.7％的澄清无色液体溴苯，沸点154-156℃。
实施例3
将29.10g的溴化剂溶于盛在配备有水冷凝器的500ml三颈圆底烧瓶中的75ml水中。向其中加入每原子溴5当量的苯(57ml，0.73mol)和0.1g月桂基硫酸钠，然后在搅拌下将烧瓶慢慢加热到70℃。用10小时将15.5ml(35％)盐酸(0.15mol)溶液加入热的反应混合物。在70℃再搅拌混合物30小时，然后将混合物冷却至室温。分离有机层和水层。用最少量的乙醚萃取水层至少三次。将萃取液与有机层合并，相继用水和盐水洗涤，并用无水硫酸钠干燥。减压除去溶剂，得到粗产物，用真空蒸馏提纯该粗产物，得到18.6g或81.3％的澄清无色液体溴苯，沸点154-156℃。
实施例4将29.10g的溴化剂溶于盛在配备有水冷凝器的500ml三颈圆底烧瓶中的75ml水中。向其中加入每原子溴2当量的苯(22.8ml，0.292mol)和0.1g月桂基硫酸钠，然后在搅拌下将烧瓶慢慢加热到70℃。用8小时将16.4ml(50％)硫酸(0.15mol)溶液加入热的反应混合物。在80℃再搅拌混合物25小时，然后将混合物冷却至室温。分离有机层和水层。用最少量的乙醚萃取水层至少三次。将萃取液与有机层合并，相继用水和盐水洗涤，并用无水硫酸钠干燥。减压除去溶剂，得到粗产物，用真空蒸馏提纯该粗产物，得到11.9g或52.3％的澄清无色液体溴苯，沸点154-156℃。
实施例5将29.10g的溴化剂溶于盛在配备有水冷凝器的500ml三颈圆底烧瓶中的75ml水中。向其中加入每原子溴5当量的苯(57ml，0.73mol)和0.1g月桂基硫酸钠，然后在搅拌下将烧瓶慢慢加热到80℃。用10小时将22ml(70％)高氯酸(0.15mol)溶液加入热的反应混合物。在80℃再搅拌混合物30小时，然后将混合物冷却至室温。分离有机层和水层。用最少量的乙醚萃取水层至少三次。将萃取液与有机层合并，相继用水和盐水洗涤，并用无水硫酸钠干燥。减压除去溶剂，得到粗产物，用真空蒸馏提纯该粗产物，得到10.7g或53.5％的澄清无色液体溴苯，沸点154-156℃。
本发明的主要优点是1.与迄今已知的方法相比，本方法容易，生态友好，并且耗能更少，2.本方法需要简单的固体溴化剂用于原位产生活性物质，其随后用于苯的溴化，3.溴化剂是固体并且没有危险，其不需要任何专用设备或处理技术，4.反应在溶液中在苯的沸点温度和大气压下发生，5.本方法在环境温度和压力条件下进行操作，6.反应产生的多溴代化合物的量可以忽略，7.反应不需要任何金属基催化剂，8.所述溴化剂可以容易地以降低的成本从溴回收过程中的一个中间产物获得，9.溴化反应具有高的产率和原子效率，10.留在水相中的副产物是简单的无机盐，可以安全排放。
权利要求
1.一种生态友好的溴苯合成方法，该方法包括以下步骤(i)溶解约200-400g的溴化剂，每升水含约35-45％wt/wt的活性溴，得到水溶液；(ii)以约2-10摩尔当量的苯/溴原子的量向步骤(i)的水溶液加入苯；(iii)在持续搅拌下向步骤(ii)的混合物加入表面活性剂；(iv)在约50-80℃的温度下回流步骤(iii)的反应混合物；(v)以约3-4当量/溴原子的浓度范围向步骤(iv)的回流的反应混合物加入无机酸；(vi)在升高的温度下搅拌步骤(v)的混合物约20至48小时；(vii)冷却步骤(vi)的混合物，并将该混合物分离成有机层和水层；(viii)用有机溶剂萃取步骤(vii)的水层；(ix)合并有机层萃取液并用水和盐水连续洗涤；(x)用无水硫酸钠干燥步骤(ix)的有机层，和(xi)脱去有机溶剂得到粗产物，并蒸馏该粗产物得到澄清无色的溴苯。
2.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(i)中，使用的溴化剂包含约40％wt/wt的活性溴。
3.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(i)中，使用的溴化剂具有的溴化物对溴酸盐的比在约1.8∶1-约2.2∶1之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(iii)中，使用的表面活性剂是月桂基硫酸钠。
5.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(iv)中，反应混合物使用水冷凝器回流。
6.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(v)中，使用的无机酸选自硫酸、盐酸和高氯酸。
7.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(v)中，以约1.5-4.0m/h的速度将无机酸加入所述回流的反应混合物。
8.如权利要求7所述的方法，其中加入的硫酸是约50％的硫酸水溶液。
9.如权利要求7所述的方法，其中加入的盐酸是约35％的盐酸水溶液。
10.如权利要求7所述的方法，其中加入的高氯酸是约70％的高氯酸水溶液。
11.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(vi)中，混合物在50-80℃的温度下加热。
12.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(vii)中，将混合物冷却到室温，并将该混合物分离成有机层和水层。
13.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(viii)中，使用的有机溶剂选自乙醚、二氯甲烷、二氯乙烷、乙酸乙酯、石油醚和苯。
14.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(xi)中，在减压下脱去有机溶剂。
15.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(xi)中，在真空下蒸馏粗产物。
16.如权利要求1所述的方法，其中这样获得的溴苯具有在154-156℃范围内的沸点。
17.如权利要求1所述的方法，其中获得的溴苯的产率在50-90％范围之内。
全文摘要
本发明描述了一种新的、生态友好的制备溴苯的方法，用原位生成的高反应性次溴酸取代苯环的一个C－H质子，所述方法包括用无机酸在升高的温度和大气压活化水溶性的、易于处理的溴化剂生成活性溴，其接着与苯反应。
文档编号C07C25/02GK1894180SQ200380111001
公开日2007年1月10日 申请日期2003年12月15日 优先权日2003年12月15日
发明者A·V·贝迪卡, P·K·格什, S·艾迪默斯, G·拉马钱德拉艾哈 申请人:科学与工业研究会