专利名称：吸电子基团取代的酚类化合物的亚硝化方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及吸电子基团取代的酚类化合物的亚硝化方法。
本发明更具体地说涉及羰基和/或羧基及其衍生物取代的酚类化合物的亚硝化作用。
本发明同样涉及所得的亚硝化酚类化合物在硝化酚类化合物及其衍生物，特别是胺类化合物的制备过程中作为中间体的用途。
本发明优先地适用于制备硝基化合物，即水杨酸经亚硝化和氧化形成5-硝基水杨酸，而水杨醛经亚硝化与氧化形成5-硝基水杨醛。
本发明方法的一种实施方式是制备能分离的亚硝化中间体化合物。
带有吸电子基团，如羧基、甲酰基或酰基的酚类化合物的硝化作用提出了反应选择性问题，其原因在于该硝化作用可以在羟基的邻位和对位进行，由此生成两种异构体，难以选择性地制备对位异构体。
因此，Meldola等人[J.Chem.Soc.111.PP.536(1917)]描述用含1份硝酸和4份水的溶液，于100℃，1小时内对水杨酸实施硝化作用，制备了一种包括3-硝基水杨酸与5-硝基水杨酸的混合物。该反应的选择性对位/对位+邻位(P/P+O)为69％。
本发明提出一种选择性地制备对位异构体的方法。
实施本发明依据是在某些条件下制备亚硝化酚类化合物，而后经氧化生成硝化酚类化合物。
因此，本发明第一目的是吸电子基团取代的酚类化合物的亚硝化方法，其特征是在硫酸存在下实施上述化合物的亚硝化作用，硫酸浓度至少为60％(重量)，而后视具体情况而定分离所获得的亚硝化酚类化合物。
本发明另一目的是吸电子基团取代的酚类化合物的硝化方法，其特征如下-在第一步骤中在硫酸存在下实施上述化合物的亚硝化作用；硫酸浓度至少为60％(重量)，-在第二步骤中用硝酸氧化所得的对位亚硝化酚类化合物；硫酸浓度至多等于80％，这能使带取代基团的对位硝基酚类化合物沉淀，而后将其分离。
申请人以出人意料的方式发现在本发明限定的条件下亚硝化中间体化合物是可溶的，这一点因与酚类的情形相反而完全令人惊奇，即吸电子基团尤其是羧基取代的酚类化合物(水杨酸)不溶于起始的硫酸溶液。
本发明的方法在亚硝化和氧化两个步骤中由于控制硫酸的浓度使得-一方面因在第一步骤中选择硫酸浓度高于60％而缓解了亚硝化合物的爆炸性所引发的问题，作为中间体制备的亚硝化化合物此时是可溶的，-另一方面在氧化步骤终了，硫酸浓度低于80％时，被取代的对硝基酚类化合物以沉淀方式回收；于更高的浓度下是可溶的。
因此，按照本发明可制备由吸电子基团取代和带有亚硝基基团-N＝O的酚类化合物，或由吸电子基团取代和带有硝基基团-NO2的酚类化合物。
按照本发明方法，所得亚硝化化合物或是分离出来，或是直接进入硝化步骤。
可视具体情况而定与氧化步骤相结合的本发明亚硝化方法适用于全部被取代的酚类化合物。“取代的酚类化合物”意指芳族化合物，其带有一个羟基和一个吸电子基团并且其羟基(OH)对位为氢原子。
“吸电子基团”意指在Jerry MARCH的著作中由H.C.BROWN定义的基团[《高等有机化学》，第9章，243和244页(1985)]。
优选涉及羰基和/或羧基及其衍生物。
在取代的酚类化合物中，本发明特别适用于符合通式(I)者
在上式(I)中-Z表示如下基团之一·基团-COY，其中Y表示羟基、氢原子，·基团-COR1，其中R1表示烷基、环烷基、苯基、芳烷基，·基团-COOR2，其中R2表示烷基或环烷基，·基团-CX3，其中X表示氯或溴原子，·基团-SO2R1、-SOR1，其中R1表示烷基、环烷基、苯基、芳烷基，·基团-SO2N(R3)2、-SO3R3，其中R3可以相同或不同，表示氢原子或R1基，·基团-CON(R3)2，其中R3可以相同或不同，表示氢原子或R1基，·基团-CN，·基团-NO2，-n是低于或等于4的数值，优选等于1或2。
本发明未排除在芳环上存在其它取代基的可能性，其存在条件是不会对本发明方法的反应产生干扰作用。尤其能列举优选含1到4个碳原子的烷基，或卤素原子，优选氯或溴原子。
如果芳环带有-SOR1型基团，上述基团在反应过程中能转化成-SO2R1基团。
如果芳环带有-SO2N(R3)2、SO3R3型基团，上述基团可能转化成-SO3H基团。
在芳环上存在腈基或酰胺基[-CON(R3)2]官能团的场合，该官能团在反应结束时刻呈为羧基(COOH)形式。
在式(I)中，R1、R2和R3基可以相同或不同，更具体地表示·直链或支链的含有从1到12个碳原子，优选从1到4个碳原子的烷基，如甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基。
·含有从3到8个碳原子的环烷基，优选环戊基或环已基。
·另外，在式(I)中，R1和R3基优选为·苯基，·含有从7到12个碳原子的苯烷基，优选苄基。
本发明优选适用于式(I)的化合物，其中n等于1，并且Z表示基团-COY，其中Y表示羟基、氢原子；或基团-COR1，其中R1表示含有从1到12个碳原子，优选1到4个碳原子的直链或支链烷基、环戊基或环已基；或基团-COOR2，其中R2表示含有从1到4个碳原子的烷基；或基团CONH2。
如果式(I)的化合物在芳环上有取代物如基团-SO2R1、SOR1、-SO2N(R3)2、-SO3R3，则R1具体地表示含有从1到12个碳原子的烷基；含有从5到12个碳原子的环烷基、苯基、芳烷基；R3可以相同或不同，表示氢原子或上述R1。
作为实施本发明方法的基质的优选示例，特别可列举水杨酸及其优选含C1-C4的酯类，水杨酰胺或水杨醛。
按照本发明方法，在硫酸存在下，实施第一步骤，即取代的酚类化合物的亚硝化作用。
如前所述，硫酸的用量尤为至关重要。
硫酸在反应介质中的浓度，以硫酸/硫酸+水重量比表示，至少等于60％(重量)。
适合地，硫酸浓度在60％和90％之间，优选在65％和80％之间。
一般地，将商用硫酸[特别是95％(重量)]以适当方式稀释。
在亚硝化步骤水的存在不会产生不利影响，条件是其含量要符合硫酸浓度限制。
亚硝化剂是NO+的全部来源，因此，可来自二氧化氮NO2、亚硝酸酐N2O3、过氧化氮N2O4、与氧化剂如硝酸、二氧化氮或氧气相组合的氧化氮NO。在反应条件下亚硝化剂是气体的情况下，可将其鼓泡入介质中。
同样能选用亚硝酸、亚硝基硫酸盐或亚硝酰基硫酸、或亚硝酸盐，优选碱金属盐，更优选钠盐。
亚硝化剂的用量可在较大范围变动，当以取代酚类化合物/定义为NO+的亚硝化剂的摩尔比表示时，其至少等于化学计算量，但最好选定过量达到化学计算量的500％，优选在150％与300％之间的用量。
取代的酚类化合物基质在反应介质中的浓度最好选定在2％与20％之间(重量)，优选在5％与10％之间。
取代的酚类化合物以固体或液体形式加入，因此，其或以熔融状态或以与水或硫酸溶液形成的混合物形式加入。在后者情况下，混合物含从60％到90％取代的酚类化合物为妥，要监视反应介质中水的含量，以使硫酸浓度符合要求。
在亚硝化步骤结束时刻可将未反应且不溶的原料除去，为此，可采用经典的固液分离技术，优选过滤方法。
制备的带有吸电子基团的酚类化合物基本上是对位亚硝化化合物，其符合如下化学式
在上式(II)中，Z和n如上述定义。
按照本发明，所得亚硝化化合物可直接进入硝化步骤，无需分离中间产物。
本发明方法的另一种实施方式是分离中间产物，该中间产物可用于除了本发明目的以外的其它目的。
为此，可经沉淀分离所得的亚硝化化合物。
优选沉淀方式为稀释反应介质，以使反应介质中硫酸浓度，以硫酸/硫酸+水重量比表示，低于60％(重量)，优选在20％和50％之间。
带吸电子基团的亚硝化酚类化合物发生沉淀。
可按固液分离经典技术，优选过滤进行分离。
按照本发明优选方式，无需分离中间产物就实施亚硝化产物的氧化。
在下一步骤中用硝酸对所获得的亚硝化化合物进行氧化。
同样可选用硝酸的前体，如过氧化氮。
可选用不同浓度的硝酸水溶液，其在30％和100％之间变动。不过，优选在60％和100％之间。
硝酸的另一来源可能是硫硝混酸。这是一种由浓硫酸与硝酸形成的混合物，市场上有多种硫硝混酸，其硝酸对硫酸的比例有所不同。作为实例，可以列举含有1摩尔硝酸对2摩尔硫酸或1摩尔硝酸对5摩尔硫酸的混合物。
以取代的酚类化合物/硝酸摩尔比表示，硝酸量一般在0.9和1.2之间变动，优选在0.95和1.05之间。
在硝酸用量的确定过程中，要考虑到视具体情况而定由芳环携带的基团经氧化反应可能消耗的硝酸量，该基团如上述的-SOR1、-SO2N(R3)2、-SO3R3。
如上所述，在此步骤中使用的硫酸量要特别予以控制。
硫酸浓度低于或等于80％，对低限没有任何严格限制。该浓度有利地在50％和80％之间，优选在65％和75％之间。
在使用硫硝混酸作为硝酸来源的场合，要监视硫酸浓度以使其符合要求。
在亚硝化反应过程中会有水生成。在氧化反应期间，需往其内加入水，以达到上述的硫酸浓度。水经常与硝酸同时加入。
本发明方法于温度0和60℃之间进行有利，优选高于或等于30℃，特别优选在30℃和50℃之间。
本发明方法一般地在常压下进行，但也可在稍微减压下进行，如在500和760毫米汞柱之间(66500和101080 Pa)，或者在可高达例如5巴的加压下进行。
按照本发明的一种优选实施方式，亚硝化步骤在惰性气体气氛下进行，可安排稀有气体，优选氢气，若更经济选用氮气。
从实际观点看，本发明方法易于实施，无需求助于特殊设备。
实际上，本发明方法按下述方式实施。
将反应混合物的不同组分加入选定的设备中。
可以设想多种实施方式，条件是加入的反应物符合在亚硝化和视具体情况而存在的氧化步骤中所限定的硫酸浓度要求。
第一种实施方式包括首先加入硫酸溶液，而后同时加入取代的酚类化合物和亚硝化剂。
按照另一种实施方式，先加入硫酸溶液和亚硝化剂，而后加入取代的酚类化合物，优选分批或连续地流动加入。
按照另一种实施方式，向反应器的的初始混合物中分别加入取代的酚类化合物以及硫酸和亚硝化剂。
取代的酚类化合物也可以固体或液体形式或熔融状态加入，或者以与水或硫酸溶液的混合物液体形式加入，如需要可加入亚硝化剂和视具体情况而存在的硫酸溶液。
在加入反应物之后，维持反应混合物处于上述温度范围内，适当的作法是冷却反应混合物。
如前所述，优选采用过滤方法除去过量的未反应基质原料。
在随后的视具体情况而存在的氧化步骤中，往含有亚硝化中间化合物的反应介质中加入硝酸，可一次加入或分批依次加入或连续流动加入，也可从开始时刻加入硝酸，例如与取代的酚类化合物平行地加入。
维持反应混合物温度处于上述温度范围。
按照本发明另一种实施方式，可以由过氧化氮就地生成硝酸，该过氧化氮在第一步骤被用作亚硝化剂，同时在第二步骤被用作硝酸的前体。为此，过氧化氮从起始时刻加入并在第二步骤中加热至20℃和60℃之间。
考虑到反应混合物的硫酸浓度，使对位硝化的取代的酚类化合物沉淀。
按照经典固液分离技术，优选过滤方法分离所得沉淀。
优选采用具有与氧化步骤限定的相同浓度的硫酸溶液洗涤所得沉淀。
为了脱除沉淀中的杂质，可另进行一次水洗。
每次分离后获得的母液可回用，亚硝化剂因在氧化过程中再生而在母液中富集。
本发明方法主要用于制备对位异构体，因为邻位硝基异构体的量一般很低(经常低于2％)。
对位异构体优先地符合如下化学式
在上式(III)中，Z和n如上述定义。
此外，按照本发明，对位异构体优先于作为杂质形成的邻位异构体和二硝基化酚类化合物发生沉淀。
本发明方法特别是可制备被广泛应用于医药领域的5-硝基水杨酸。
所得符合式(III)的硝基化酚类化合物可用于经还原制备对应的氨基酚类化合物，优选在经典的还原催化剂如钯/炭黑或阮内镍存在下用氢气还原基团NO2。
5-硝基水杨酸因此被还原为5-氨基水杨酸。
下面非限制性实施例描述本发明。
实施例15-硝基水杨酸的制备往装备有机械搅拌系统、加热系统和温度探测器的100ml三口反应瓶中加入70％硫酸水溶液81克、亚硝基硫酸(NOHSO4)17.6克(0.131摩尔)。
反应介质加热至35℃。
在30分钟内将固体水杨酸6.09克(0.0441摩尔)分数小份加入到反应混合物中，同时维持反应温度35℃。
而后于37℃维持反应混合物15分钟，随后冷却至20℃。
介质是多相的未消耗的水杨酸呈悬浮状。
因此，反应介质经过滤除去残余的水杨酸。
滤液置于三口瓶中，将68％发烟硝酸4.2克(0.0453摩尔)在15分钟内流入已过滤的新反应混合物中。将反应介质保持于20℃5分钟，然后过滤反应混合物。
用20ml水洗涤滤饼三次。
产物于室温真空干燥。
收集到4.95克浅棕色产物。
采用外标法液相色谱分析粗产物，其含有4.69克5-硝基水杨酸。
在分析限度内未检测出3-硝基水杨酸生成。实施例25-硝基水杨酸的制备往装备有搅拌、温度探测器的1升夹套反应器底部加入70％(重量)硫酸805克(500毫升)和亚硝基硫酸130克(0.972摩尔)。
在10分钟内将反应混合物加热至40℃，而后在半小时内加入水杨酸46克(0.333摩尔)，每三分钟加4.5克。
置于40℃搅拌30分钟。
将反应介质冷却至20℃，历时8分钟。
过滤反应介质，用70％硫酸43克洗涤滤饼，经测定滤饼含有3.58克残余的水杨酸。
水杨酸转化率为92％。
滤液再次加入反应器中，温度被调至20℃。
在20分钟内加入68％硝酸45.2克。
观察沉淀出现。
继续搅拌介质10分钟。
过滤反应混合物。
用70％硫酸130克分两次洗涤反应器和滤饼，而后用100克水洗涤两次。
随后测定不同产物的含量。
在沉淀中回收46.9克5-硝基水杨酸，滤液尚存0.6克5-硝基水杨酸。
相对于初始水杨酸的收率(RR)为78％，相对于已转化的水杨酸的选择性(RT)为85％。实施例35-硝基水杨酸的制备在充分搅拌的100ml标准化反应器中进行反应。该反应器装有机械搅拌(四个倾斜叶片涡轮)、带水封的冷却器、固体加入漏斗、滴液漏斗、氮气入口。
开始时用氮气吹扫反应器，反应在惰性气氛下进行。
在氮气吹扫下往上述反应器中加入70％(重量)硫酸溶液58.7毫升。
在3分钟期间内分数小份往上述溶液中加入亚硝基硫酸11.7516克。
于37℃均化上述溶液并使其内部温度恒定。
经固体加入漏斗在35分钟期间内加入水杨酰胺(2-羟基苯甲酰胺)4.0928克。
注意到于22℃、70分钟后加入的固体充分溶解于反应介质中。
在15分钟内加入68％硝酸2.8080克。
于该温度继续搅拌15分钟。
在平底漏斗(孔隙率＝3)上过滤反应混合物，收集的固体在加热真空干燥箱中干燥6小时。
获得固体4.3124克。
固体经高效液相色谱和核磁共振谱RMN1H(200MHz-DMSO-d6)确认结构为5-硝基水杨酸。
固体含90.3％5-硝基水杨酸，其相应收率为73％(以分离出的产物为基准计)。实施例45-亚硝基水杨酸甲酯的制备在与实施例3相同类型的反应器中加入70％(重量)硫酸溶液58.7毫升。
边搅拌边在5分钟期间内分数小份往上述溶液加入亚硝基硫酸NOHSO411.7798克。
于37℃使上述溶液均相化并使其内部温度稳定。
经滴液漏斗在35分钟期间内加入水杨酸甲酯3.9462克。
于37℃在强烈搅拌下保持反应混合物3小时10分钟。
反应混合物转移至冰浴冷却的第二个500毫升反应器中。使其内部温度稳定至10℃。
在35分钟期间内加入冰水220毫升，通过控制流量使内部温度接近10℃。
在平底漏斗(孔隙率＝3)上过滤反应混合物，收集滤饼，在可加热的干燥器中干燥，用高效液相色谱分析。
获得3.8067克固体，经分析测定为91.6％5-亚硝基水杨酸甲酯和8.4％5-硝基水杨酸甲酯，其产率如下5-亚硝基水杨酸甲酯为74.2％和5-硝基水杨酸甲酯为6.2％。实施例55-亚硝基水杨酸的制备往装备有机械搅拌系统、加热系统和温度探测器的50毫升反应器中加入水杨酸1.2克，而后在5分钟内倾入处于70％硫酸(22毫摩尔)中的亚硝基硫酸16.4克。
反应介质于36℃加热45分钟。
该反应混合物浸没于含氨基磺酸的冰水溶液中。
使之总体积达到1升并用高效液相色谱测定含量。
测定含1.2克5-亚硝基水杨酸，即收率为82％。
权利要求
1.吸电子基团取代的酚类化合物的亚硝化方法，其特征在于在硫酸存在下实施上述化合物的亚硝化作用；硫酸浓度至少为60％(重量)，而后视具体情况而定分离所得的亚硝化酚类化合物。
2.吸电子基团取代的酚类化合物的硝化方法，其特征在于-在第一步骤中在硫酸存在下实施上述化合物的亚硝化作用；硫酸浓度至少为60％(重量)。-在第二步骤中用硝酸氧化所得的对位亚硝化酚类化合物；硫酸浓度至多等于80％，这能使带取代基团的对位硝基酚类化合物沉淀，而后将其分离。
3.根据权利要求1和2中任一项的方法，其特征在于取代的酚类化合物符合通式(I)
在上式(I)中-Z表示如下基团之一·基团-COY，其中Y表示羟基、氢原子，·基团-COR1，其中R1表示烷基、环烷基、苯基、芳烷基，·基团-COOR2，其中R2表示烷基或环烷基，·基团-CX3，其中X表示氯或溴原子，·基团-SO2R1、-SOR1，其中R1表示烷基、环烷基、苯基、芳烷基，·基团-SO2N(R3)2、-SO3R3，其中R3可以相同或不同，表示氢原子或R1基，·基团-CON(R3)2，其中R3可以相同或不同，表示氢原子或R1基，·基团-CN，·基团-NO2，-n是低于或等于4的数字，优选等于1或2。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于酚类化合物符合式(I)，其中n等于1并且Z表示基团-COY，其中Y表示羟基、氢原子；或基团-COR1，其中R1表示含有从1到12个碳原子，优选1到4个碳原子的直链或支链烷基、环戊基或环已基；或基团-COOR2，其中R2表示含有从1到4个碳原子的烷基；或基团-CONH2。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于符合式(I)的酚类化合物是水杨酸及其优选含C1-C4的酯类，水杨酰胺或水杨醛。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于在亚硝化步骤中硫酸浓度在60％和90％之间，优选在65％和80％之间。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于亚硝化剂是NO+的全部来源，优选与氧化剂相组合的氧化氮NO、二氧化氮NO2、亚硝酸酐N2O3、过氧化氮N2O4、亚硝酸、亚硝基硫酸盐或亚硝酸盐，优选碱金属盐，更优选钠盐。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其特征在于亚硝化剂用量至少等于化学计算量，但最好选定过量达到化学计算量的500％，优选在150％与300％之间。
9.根据权利要求1-8中任一项的方法，其特征在于在反应介质中取代的酚类基质原料浓度为在2％与20％之间(重量)，优选在5％与10％之间。
10.根据权利要求1-9中任一项的方法，其特征在于通过稀释反应介质将所得的亚硝化合物沉淀分离出来。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于硫酸浓度低于60％，优选在20％与50％之间。
12.根据权利要求2-8中任一项的方法，其特征在于无需分离反应介质，氧化所得的亚硝化酚类化合物。
13.根据权利要求2-8、12中任一项的方法，其特征在于在氧化步骤中硫酸浓度在50％和80％之间，优选在65％和75％之间。
14.根据权利要求2-8、12和13中任一项的方法，其特征在于使用硝酸水溶液或硝酸的前体，优选过氧化氮。
15.根据权利要求2-8、12-14中任一项的方法，其特征在于硝酸水溶液浓度在30％和100％之间，优选在60％和100％(重量)之间。
16.根据权利要求2-8、12-15中任一项的方法，其特征在于以取代的酚类化合物/硝酸摩尔比表示，硝酸量在0.9和1.2之间变动，优选在0.95和1.05之间。
17.根据权利要求2-8、12-16中任一项的方法，其特征在于硝酸来源于硫硝混酸。
18.根据权利要求2-8、12-17中任一项的方法，其特征在于反应温度在0和60℃之间，优选在30℃和50℃之间。
19.根据权利要求1-18中任一项的方法，其特征在于在取代的酚类化合物亚硝化步骤首先加入硫酸溶液，而后同时加入取代的酚类化合物和亚硝化剂；或者先加入硫酸溶液和亚硝化剂，而后加入取代的酚类化合物；或者从反应器的初始混合物中分别加入取代的酚类化合物，以及硫酸和亚硝化剂；或者取代的酚类化合物以固体或液体形式或熔融状态加入，或者以与水或硫酸溶液的混合物形式加入，如需要可加入亚硝化剂和视具体情况存在的硫酸溶液。
20.根据权利要求2-8、12-19中任一项的方法，其特征在于在随后的氧化步骤中，往含有亚硝化酚类化合物的反应介质中加入硝酸，可一次加入或分批依次加入或连续流动加入。
21.根据权利要求2-8、12-19中任一项的方法，其特征在于从起始时刻开始加入硝酸，优选与取代的酚类化合物平行地加入。
22.根据权利要求2-8、12-20中任一项的方法，其特征在于由过氧化氮就地生成硝酸，并且将其加热至20℃和60℃之间。
23.权利要求1-22中任一项的方法所得的带吸电子基团和硝基基团的酚类化合物在通过将基团NO2催化还原为基团NH2制备对应的氨基化合物方面的用途。
24.根据权利要求23的用途，其特征在于在加氢催化剂存在下用氢气实施还原，催化剂优选钯/炭黑或阮内镍。
25.权利要求1-22中任一项的方法所得的5-硝基水杨酸根据权利要求23和24中任一项的在制备5-氨基水杨酸方面的用途。
全文摘要
本发明涉及吸电子基团取代的酚类化合物的亚硝化方法。本发明同样涉及吸电子基团取代的酚类化合物的硝化方法。本发明亚硝化方法的特征是在硫酸存在下实施上述化合物的亚硝化作用;硫酸浓度至少60%(重量),而后视具体情况而定分离所得的亚硝化酚类化合物。本发明同样涉及所得的对位亚硝化酚类化合物的氧化,以制备对应的硝基化合物。
文档编号C07C205/44GK1262672SQ9719805
公开日2000年8月9日 申请日期1997年7月11日 优先权日1996年7月12日
发明者P·梅蒂维尔 申请人:罗狄亚化学公司