一种四甲基联苯异构体的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备四甲基联苯异构体的方法，采用沸点80°C以上、低毒、非水溶性的烷基取代四氢呋喃为溶剂体系，卤代邻二甲苯为原料，镁为还原剂，过渡金属镍、铜、铁、锰、或钴等的盐、或其有机磷、有机胺等助剂形成的络合物为催化剂，通过偶联反应制备3,3’，4,4’-四甲基联苯，2,3’，3,4’-四甲基联苯和2,2’，3,3’-四甲基联苯异构体。本发明实现溶剂循环利用率达90%以上，四甲基联苯异构体化合物收率达85?95%。
【专利说明】一种四甲基联苯异构体的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及有机合成化学领域，具体涉及一种四甲基联异构体的制备方法。
【背景技术】
[0002] 联苯四酸二酐简称BPDA，是合成聚酰亚胺材料重要的二酐单体之一。例如3，3'， 4, 4'-联苯四酸二酐广泛用于耐热高分子材料，其在耐高温聚酰亚胺材料方面应用最为广 泛品种之一。近年来，研究人员发现，含不对称结构的2, 3'，3, 4' -联苯二酐聚合物相比对 称结构的3，3'，4，4'-联苯二酐聚合物具有更高的玻璃化温度和更低的熔体黏度，该 性质有望彻底改变几十年来复合材料性能与难加工之间的矛盾。由于以2, 3'，3, 4' -联 苯二酐为主制备的高分子复合材料的特殊性能，使其在航空航天等军事领域成为卓越的 材料。目前2, 3'，3, 4'-联苯二酐作为生产3，3'，4，4'-联苯二酐的副产物，分离 提纯困难，产量有限，因此其价格为3，3'，4，4'-联苯二酐价格的10-20倍，十分昂 贵。有关2, 3'，3, 4' -联苯二酐合成方法的报道很少，特别是适合于工业化低成本合成 2, 3'，3, 4' -联苯二酐的方法更少。因此开发低成本合成2, 3'，3, 4' -联苯二酐的路线，对 提高树脂基复合材料的开发和应用具有重要的意义。
[0003] 目前生产联苯二酐主要采用金属钯（Pd)及其盐等作为催化剂，一般需要高温高 压工艺过程合成联苯二酐中间体。金属钯价格极其昂贵，钯催化偶联制备联苯二酐中间 体产率低，所获得的联苯二酐成本高，相关的研究报道如专利JP7352749、JP80141417、 JP8551151、JP8020705、US6914152、US5243067、US3636168、US7425650、US3895055、 US4294976、US6103919, CN201310049837 等。
[0004] 用Ni (0)或Pd (0)及有机膦或氮化合物形成的络合催化剂，锌粉作为还原剂， 通过偶联卤代邻二甲苯或卤代邻苯二甲酸二烷基酯的方法，再经过水解、酸化和脱水等反 应制备联苯二酐。上述相关专利 US5081281、CN1189597、CN101481366、CN102020622B、 CN201110202366等研究报道的方法主要问题是：1)需要大过量的还原剂和大量的催化剂， 造成大量的工业废渣；2)溶剂为水溶性的高沸点酰胺类溶剂如二甲基甲酰胺，二甲基乙酰 胺，N-甲基吡啶烷酮等，回收困难。因此该类方法不适合工业规模生产。专利CN 101016284 中将镍催化体系溶剂改为乙腈，但乙腈毒性较大，溶于水，价格高，且不易回收。
[0005] 专利 CN201310234457、CN201310302428、CN201310050630、US7425650、 JP61-22045、US7893306等将芳香卤化物做成格氏试剂，然后通过偶联的方法制备四甲基联 苯，再氧化四甲基联苯。然而在制备格氏试剂的过程中，上述方法均使用沸点仅为65 °C的 四氢呋喃或35 °C的乙醚为溶剂。不仅如此，专利US7425650还需等摩尔量昂贵的有机硼酸 作为另一偶联反应物；专利JP61-22045使用与原料等摩尔的铜为催化剂，催化剂效率低； 专利US7893306使用等摩尔量昂贵的烷基格氏试剂作为芳香卤代化合物的引发剂。众所周 知，提高反应温度有利于活性较低的芳香卤代物生成格氏试剂，而四氢呋喃或乙醚沸点偏 低，易挥发，因此就大规模工业生产而言，四氢呋喃和乙醚毒性大且回收不易，容易造成环 境污染，乙醚容易导致安全事故，对工业生产不利。因此上述制备联苯的相关溶剂体系还有 待进一步改进。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了克服上述在联苯二酐制备方法中的不足，提供一种由卤代邻 二甲苯为原料，采用比传统四氢呋喃和乙醚(沸点分别为65 °C及35 °C)沸点更高的烷基 取代四氢呋喃(沸点大于80 °C)为溶剂体系，实现高产率制备四甲基联苯，提高原子经济效 率。
[0007] 为实现本发明目的，具体技术实施方案包括： 一种四甲基联苯异构体制备方法一，包括以下步骤： 将卤代邻二甲苯、金属镁、烷基取代四氢呋喃(溶剂)、碘或烷基格氏试剂、催化剂按 2?10 :1?5 :1?40 :0.0001?2 :0.001?5的摩尔比直接混合，在惰性气氛、30°C?150°C条件下进 行反应〇. 5~24小时，滤去无机盐沉淀，滤液经蒸馏回收取代四氢呋喃溶剂，减压蒸馏收集 100°(T260°C (0. 1-200毫米汞柱）馏分，得四甲基联苯化合物。
[0008] -种四甲基联苯异构体制备方法二，包括以下步骤： 将卤代邻二甲苯、金属镁，烷基取代四氢呋喃(溶剂)、碘或烷基格氏试剂按2~10 :1~5 : 1?40 :0. 0001?2的摩尔比混合，惰性氛下30°(Tl50°C反应0. 5-24小时至金属镁全部生成 卤代邻二甲苯的格氏试剂后，再加入催化剂(与金属镁的摩尔比为〇. OOfl :1)继续反应 0. 5-24小时得到四甲基联苯，滤去无机盐沉淀，滤液经蒸馏回收取代四氢呋喃溶剂，然后减 压蒸馏收集l〇〇°(T260°C (0. 1-200毫米汞柱）馏分，得四甲基联苯化合物。
[0009] -种低成本制备四甲基联苯异构体的方法三，包括以下步骤： 将4-卤代邻二甲苯(或3-卤代邻二甲苯)、金属镁、烷基取代四氢呋喃(溶剂)、催化量 碘或烷基格氏试剂以f 1. 5 I. 5 :3?40 :0. OOOf 1的摩尔比混合，在惰性氛30?150 °C 下，反应0. 5-24小时至金属镁全部生成邻二甲苯的格氏试剂，再加入催化剂(催化剂与金 属镁摩尔比为0. OOfl :1);然后加入3-卤代邻二甲苯(或4-卤代邻二甲苯)，其与4-卤代 邻二甲苯(或3-卤代邻二甲苯）的摩尔比为0. 8~2,在30 ~150 °C进行偶联反应0. 5~24小 时，生成2, 3'，3, 4' -四甲基联苯化合物；滤去无机盐沉淀，滤液经蒸馏回收取代四氢呋喃 溶剂，减压蒸馏收集l〇(T260°C (0. 1-200毫米汞柱）馏分，得2, 3'，3, 4' -四甲基联苯化合 物。
[0010] 制备方法一、方法二或方法三所述卤代邻二甲苯为如下式（1)或（2)所示化合物 中的一种或几种混合物：
【权利要求】
1. 一种四甲基联苯异构体的制备方法，包括： 方法一：将卤代邻二甲苯、金属镁、烷基取代四氢呋喃(溶剂)、碘或烷基格氏试剂、催化 剂按一定比例混合，惰性气氛下经催化偶联一锅反应制得四甲基联苯； 方法二：将卤代邻二甲苯、金属镁、烷基取代四氢呋喃、碘或烷基格氏试剂按一定比例 混合，惰性氛下形成卤代邻二甲苯的格氏试剂后，再加入催化剂进行偶联反应制得四甲基 联苯； 方法三：将4-卤代邻二甲苯(或3-卤代邻二甲苯)、金属镁、烷基取代四氢呋喃(溶剂)、 碘或烷基格氏试剂按一定比例混合，在惰性氛下，生成邻二甲苯的格氏试剂后，再加入催化 剂与3-卤代邻二甲苯(或4-卤代邻二甲苯）进行偶联反应，制得2, 3'，3,4' -四甲基联苯。
2. 根据权利要求1所述的四甲基联苯异构体制备方法一，其特征在于，反应条件为：卤 代邻二甲苯、金属镁、烷基取代四氢呋喃、碘或烷基格氏试剂、催化剂摩尔比为2~10 :1~5 : 1?40 :0. OOOl?2 :0. OOl?5 ;反应温度为30°C?150°C ;反应时间为0. 5?24小时；四甲基联苯化 合物提纯方法为减压蒸馏，收集温度l〇(T260°C馏分(压力为0. 1-200毫米汞柱)。
3. 根据权利要求1所述的四甲基联苯异构体制备方法二，其特征在于，反应条件 为：齒代邻二甲苯、金属镁、取代四氢呋喃、碘或烷基格氏试剂摩尔比为2~10 :1飞：1~40 : 0. 0001~2 ;制备格氏试剂反应时间为0. 5~24小时，反应温度为30°(Tl50°C ;催化剂与金属镁 的摩尔比为0. OOfl : 1，偶联反应0. 5-24小时；四甲基联苯化合物提纯方法为减压蒸馏，收 集温度10(T260°C馏分(压力为0· 1-200毫米汞柱)。
4. 根据权利要求1所述的四甲基联苯异构体制备方法三，其特征在于，制备2, 3'，3， 4' -四甲基联苯的反应条件为：4_卤代邻二甲苯(或3-卤代邻二甲苯)、金属镁、烷基取代 四氢呋喃、碘或烷基格氏试剂摩尔比为1~1. 5 :1~1. 5 :3~40 :0. OOOfl ;生成格氏试剂的反 应时间为〇. 5~24小时，反应温度为30 ~150 °C;催化剂与金属镁摩尔比为0. 001~1:1;加入 3_卤代邻二甲苯(或4-卤代邻二甲苯)，其与4-卤代邻二甲苯(或3-卤代邻二甲苯）的摩 尔比为0.8?2;偶联反应时间为0.5?24小时，温度为30?150。(： ；所得2,3'，3,4'-四甲基 联苯提纯方法为减压蒸馏，收集温度l〇(T260°C馏分(压力为0. 1-200毫米汞柱)。
5. 根据权利要求1所述的四甲基联苯异构体制备方法一、方法二或方法 三，其特征在于，卤代邻二甲苯为如下式（1)和（2)所示化合物中的一种或几种 ：
其中，X可以为氯、溴或碘原子，（1)式为3-卤代邻二甲苯，（2)式为4-代邻二甲苯。
6. 根据权利要求1所述的四甲基联苯异构体制备方法一、方法二或方法三，其特征在 于，所述四甲基联苯为下式（3)~ (5)所示化合物中的一种或几种：
其中，式（3)为2, 2'，3, 3'-四甲基联苯，式（4)为2, 3'，3, 4'-四甲基联苯，式（5)为 3, 3'，4, 4' -四甲基联苯。
7. 根据权利要求1所述的四甲基联苯异构体制备方法一、方法二或方法三，其特征在 于，烷基取代四氢呋喃为可为下式（6)或（7)所示化合物中的一种或几种 ：
其中，取代基R广R3各自独立为甲基、乙基、正丙基或异丙基。
8. 根据权利要求1所述的四甲基联苯异构体制备方法一、方法二或方法三，其特征在 于，催化剂为包括过渡金属盐与杂原子有机助剂形成的过渡金属络合催化剂，其中过渡金 属盐与杂原子有机助剂按摩尔比I :(Tl〇原位制备。
9. 根据权利要求1所述的四甲基联苯异构体制备方法一、方法二或方法三，其特征在 于，催化剂包括过渡金属氯化钯、溴化钯、硫酸镍、醋酸钯、碳酸钯、草酸钯、二氯化镍、二溴 化镍、三氯化镍、三溴化镍、硫酸镍、醋酸镍、碳酸镍、草酸镍、氯化亚铁、溴化亚铁、硫酸化亚 铁、醋酸亚铁、碳酸化亚铁、草酸亚铁、三氯化铁、三溴化亚铁、氯化锰、碳酸锰、溴化锰、醋酸 锰、硫酸铁、氯化铜、溴化铜、硫酸铜、醋酸铜、碳酸铜、氯化亚铜及溴化亚铜无机盐中的一种 或几种。
10. 根据权利要求8所述过渡金属络合催化剂的制备方法一、方法二或方法三，其特征 在于，形成过渡金属络合催化剂所述杂原子有机助剂可为下式（8) ~ (23)所示化合物一种 或几种：
其中，式（8Γ (10)中R4I9各自独立的选自氢、碳数小于20的烷基、芳基或取代芳基； 式（11Γ (23)中RltTR53各自独立的选自碳数小于20的烷基、芳基或取代芳基；nl及n2为 (Γ20间的整数。
11.根据权利要求8所述过渡金属络合催化剂制备方法，其特征在于，所述杂原子 有机助剂优选自2, 2' -联吡啶、3, 3' -二甲基_2,2' -联吡啶、4, 4' -二甲基_2,2' -联 吡啶、5, 5' -二甲基-2,2' -联吡啶、邻菲罗啉、2, 9-二甲基-1，10-邻菲罗啉、3, 8-二甲 基-1，10-邻菲罗啉、（E)#-(批啶-2-亚甲基）苯胺、（E)4-甲基tV-(吡啶-2'-亚甲基） 苯胺、（E) 2-甲基tV-(吡啶-2' -亚甲基）苯胺、（E) 3-甲基tV-(吡啶-2' -亚甲基）苯 胺、（E) 3,4-二甲基tV-(吡啶-2' -亚甲基）苯胺、（E) 2, 3-二甲基tV-(吡啶-2' -亚甲 基）苯胺、（E)2,4-二甲基tV-(吡啶-2'-亚甲基）苯胺、（E)4-异丙基tV-(吡啶-2'-亚 甲基）苯胺、（E)#-(批啶-2-亚甲基）甲胺、（E)#-(批啶-2-亚甲基）乙胺、（E)#-(批 啶-2-亚甲基）异丙胺、乙酰丙酮、3,5_庚二酮、甲基tV-(吡啶-2'-亚甲基）甲胺、乙 基(吡啶-2' -亚甲基）乙胺、，丙基(吡啶-2' -亚甲基）丙胺、，甲基-Λ/-(批 啶-2' -亚甲基）乙胺、，甲基tV-(吡啶-2' -亚甲基）丙胺、2-((二甲基磷）-亚甲 基）-卩比卩定、2- ((_乙基憐亚甲基卩比卩定、2- ((_苯基憐亚甲基卩比陡、二苯基 膦、三乙基膦、三丁基膦、三（4-甲基苯基）膦、三（3,4-二甲基苯基）膦、2, 2' -二(二甲胺 基）-1，1' -联萘、2, 2' -二(二甲胺基）_1，1' -联萘、2, 2' -二(二甲胺基）-联苯、2, 2' -二 (二甲憐基)_1，1' -联蔡、2, 2' -二(二苯憐基)_1，1' -联蔡、2, 2' -二(二乙憐基)_1，1' -联 萘、2,2' -二(二甲磷基）-1，Γ -联苯、2,2' -二(二苯磷基）-1，Γ -联苯、N，N，N'，N' -四 甲基-1，2-乙二胺、N，N，N'，N' -四甲基-1，2-乙二胺、N，N，N'，N'，N'' -五甲基-二乙 烯基-三胺、Ν，Ν，Ν'，Ν'，Ν''，Ν'六甲基-三乙烯基-四胺、二（二苯基磷）-乙烷、二 (二丁基憐） _乙烧、2_二乙氛基_2' -二乙憐基_1，1' -联蔡、2_二甲氛基_2' -二甲憐 基-1，1 ' -联蔡、2_二甲氛基_2' -二甲憐基-联苯、2_二乙氛基_2' -二乙憐基-联苯中 的一种或几种。
12. 根据权利要求1所述四甲基联苯异构体的制备方法一、方法二或方法三，其特征在 于，所述惰性气体包括氮气、氩气、或氦气气氛，优选为氩气。
13. 根据权利要求1所述四甲基联苯异构体的制备方法一、方法二或方法三，其特征在 于，所述取代四氢呋喃溶剂优选2-甲基四氢呋喃及2, 5-二甲基四氢呋喃。
14. 根据权利要求1所述四甲基联苯异构体的制备方法一、方法二或方法三，其特征在 于，所述的烧基格氏试剂为碳数为1~5的任意格氏试剂。
【文档编号】C07C1/26GK104211559SQ201410476948
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】高昌录, 李刚, 孙秀花 申请人:哈尔滨工业大学（威海）