技术领域本发明涉及一种制备对羧基苯磺酰胺的方法，特别是一种氧气氧化合成对羧基苯磺酰胺的方法。
背景技术：
对羧基苯磺酰胺(I)是重要的医药合成中间体，用于合成丙磺舒、哈拉腙等，其钠盐还可用于碳酸酐酶的抑制剂，其结构式如下所示：对羧基苯磺酰胺的制备以对甲基苯磺酰胺为原料，使用氧化剂将甲基氧化为羧基。但对甲基苯磺酰胺芳环上含有强吸电子基团，是较难氧化的底物，因此它的氧化往往使用超过化学计量的传统强氧化剂KMnO4、Na2Cr2O7、CrO3、NaIO4等，这些氧化剂反应后以更低的价态存在于反应体系中,不仅增加了产物分离提纯的难度,而且排放的废液也给环境带来了恶劣的影响，同时还存在腐蚀设备、效率低等弊端，不符合绿色化学的要求。以往使用氧气做氧化剂氧化芳烃侧链往往需要在高温高压的条件下进行，如李涛等报道了采用钴基吡唑配合物作为催化剂，以氧气为氧化剂催化氧化甲苯制备苯甲酸，150℃和1.5Mpa(150atm)下反应140分钟，苯甲酸的产率最高达75.96％，苯甲酸的选择性达89.25％。该反应在高温高压下进行，是一个严重耗能的过程，对设备要求也较高；反应所需催化剂钴基吡唑配合物制备较为繁琐，成本较高；该反应除了将甲基氧化为羧基，还会生成羟甲基、醛基等中间氧化产物，生成羧基的产物选择性为89.25％；该反应条件能将甲苯氧化，但当甲基对位引入强吸电子基磺酰胺基后，甲基不能被氧化生成对羧基苯磺酰胺，事实上很多新型的氧化催化剂能够催化甲苯氧化为苯甲酸，但是不能催化对甲基苯磺酰胺的氧化。
技术实现要素：
本发明的目的是要提供一种价格低廉、环境友好、温和高效的氧气氧化合成对羧基苯磺酰胺的方法。本发明的目的是这样实现的：该方法以氧气为氧化剂，氧气压仅需维持在1atm，在氮氧自由基型催化剂及金属盐或金属氧化物助催化剂的作用下，以氧气为氧化剂，氧化反应在乙酸中进行；催化氧化对甲基苯磺酰胺制备对羧基苯磺酰胺；R1和R2代表相同基团或不同基团，R1和R2为氢或C1-C6的烷基；具体工艺过程如下：在装有磁力搅拌装置的圆底烧瓶中，依次加入5mL的乙酸、1mmol的对甲基苯磺酰胺、催化剂和助催化剂，通入氧气，并维持压力为1atm；催化剂的用量摩尔比为对甲基苯磺酰胺用量的3％～8％，助催化剂的用量摩尔比为对甲基苯磺酰胺用量的0.5％～6％，在40～120℃条件下，搅拌2～12小时后停止反应，冷却，减压蒸馏除去乙酸，残渣依次用水洗、丙酮洗涤，干燥得到产物对羧基苯磺酰胺。所使用的催化剂为自由基型催化剂，为N-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶、N-羟基邻苯二甲酰亚胺、N-羟基邻磺酰苯甲酰亚胺、N,N-二羟基均苯四甲二酰亚胺、1,3,5-三羟基异氰尿酸、N-羟基-N-甲基苯甲酰胺、3,5-二硝基-N-羟基-N-甲基苯甲酰胺或1-羟基-2，2-二苯基-3-吲哚酮；基于对甲基苯磺酰胺摩尔比仅为3％～8％；所使用的助催化剂为乙酸钴、乙酸锰、乙酸铜、乙酸铁或二氧化锰金属盐，基于对甲基苯磺酰胺的摩尔比仅为0.5％～6％，对甲基苯磺酰胺的转化率为80.32～99.33％，产物对羧基苯磺酰胺的产率为70.83～94.05％，选择性最高为97.65％；催化剂和助催化剂反应完毕后均可通过洗涤除去。有益效果，由于采用了上述方案，使用价格低廉、环境友好的氧气为氧化剂，对甲基苯磺酰胺被氧化为产物对羧基苯磺酰胺，产率最高可达94.05％，选择性最高可达97.65％，通过Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为92.23～95.35％％，氧化产物中对羧基苯磺酰胺为主产物，有少量4-羟甲基苯磺酰胺(II)，无4-甲酰基苯磺酰胺(III)形成。副产物：本方法与传统的对甲基苯磺酰胺氧化过程相比，所使用的氧化剂为氧气，不但降低了成本，而且氧化后的副产物为水，对环境无污染，反应完毕后经过减压蒸馏除去乙酸，乙酸可回收利用，残渣依次用水洗、丙酮洗涤，即可实现产物与催化剂和助催化剂、副产物的分离，后处理简单方便。本方法反应条件温和，在常压(氧气压维持1atm)中温(40～120℃)下进行，且具有高转化率和高选择性，产物纯度高，具有良好的工业应用前景。本发明与传统的氧化法相比其实质性的特点是：该方法以价格低廉的氧气为氧化剂，极大降低了成本，且副产物为水，对环境无污染；该反应仅需维持氧气压在1atm就可以高效氧化对甲基苯磺酰胺为对羧基苯磺酰胺，条件温和，避免了高温高压设备的使用，降低了能耗，是一种理想的对羧基苯磺酰胺的绿色合成方法，具有工业应用前景。优点：1、反应是一个催化氧化过程，催化剂和助催化剂的用量少，相对于原料对甲基苯磺酰胺，催化剂用量仅为3％～8％，助催化剂用量为0.5％～6％，经过简单的水洗、少量丙酮洗涤就可以实现催化剂、助催化剂、副产物和产物的分离，操作简便。2、不使用传统的强氧化剂，使用氧气为氧化剂，不但极大降低了成本，且副产物为水，对环境没有危害，是一个环境友好的过程；3、反应具有相当高的选择性和转化率，反应将甲基氧化为羧基，仅有极少量对甲基苯磺酰胺被氧化为4-羟甲基苯磺酰胺，无4-甲酰基苯磺酰胺的生成。在最优化的条件下，对甲基苯磺酰胺的转化率可达99.33％，对羧基苯磺酰胺的产率可达94.05％，选择性可达94.68％。4、反应条件温和，反应在常压(1atm)和中温(40～120℃)下进行，对设备要求简单，避免了以往使用氧气进行氧化时必须在高温高压下进行的弊端，降低了能耗，易于工业化推广应用。具体实施方式该方法在氮氧自由基型催化剂和金属盐或金属氧化物助催化剂的作用下，以氧气为氧化剂，催化氧化对甲基苯磺酰胺制备对羧基苯磺酰胺：R1和R2代表相同基团或不同基团，R1和R2为氢或C1-C6的烷基。本方法中使用的催化剂为氮氧自由基型催化剂；助催化剂为各种金属盐和金属氧化物，氧化剂为氧气；氧化反应以乙酸为溶剂在常压(1atm)和中温(40～120℃)条件下进行；催化氧化对甲基苯磺酰胺氧化为对羧基苯磺酰胺。所述的催化剂可以是N-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶、N-羟基邻苯二甲酰亚胺、N-羟基邻磺酰苯甲酰亚胺、N,N-二羟基均苯四甲二酰亚胺、1,3,5-三羟基异氰尿酸、N-羟基-N-甲基苯甲酰胺、3,5-二硝基-N-羟基-N-甲基苯甲酰胺或1-羟基-2，2-二苯基-3-吲哚酮；上述催化剂的结构式如下：所述的金属盐或金属氧化物助催化剂可以是乙酸钴、乙酸锰、乙酸铜、乙酸铁或二氧化锰；所使用的反应物为对甲基苯磺酰胺，含有吸电子取代基的苯环，本身难于发生氧化反应；因此当磺酰胺基置换为甲氧基、乙酰胺基等给电子基时，氧化反应更易发生。具体工艺过程如下：在装有磁力搅拌装置的圆底烧瓶中，依次加入乙酸、对甲基苯磺酰胺、催化剂、助催化剂；催化剂的用量摩尔比为对甲基苯磺酰胺用量的3％～8％，助催化剂的用量摩尔比为0.5％～6％，通入氧气，维持氧气压为1atm，在40～120℃条件下，搅拌2～12小时后停止反应，减压除去乙酸，溶剂乙酸可反复使用，残渣用水反复洗涤除残余乙酸和助催化剂，残渣再用少量丙酮洗涤除去催化剂及少量副产物，滤饼干燥后即得产物对羧基苯磺酰胺。产物对羧基苯磺酰胺的产率为70.83～94.05％，通过Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为92.23～95.35％％。该氧化反应选择性高，仅有少量对甲基苯磺酰胺被氧化为4-羟甲基苯磺酰胺(II)，并无4-甲酰基苯磺酰胺(III)的生成。副产物：4-羟甲基苯磺酰胺(II)和4-甲酰基苯磺酰胺(III)中的R1和R2代表相同基团或不同基团，R1和R2为氢或C1-C6的烷基。该反应所使用的反应物含有吸电子基团磺酰胺基，是较难被氧化的底物，因此该反应同样适用于其他含有吸电子基团或给电子基团的芳烃侧链的氧化。该反应采用氧气为氧化剂，但氧气单独使用时氧化能力较弱，因此选择合适的催化体系提高氧气的活性是本发明的关键。本发明所使用的催化剂为氮氧自由基型氧化剂N-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶、N-羟基邻苯二甲酰亚胺、N-羟基邻磺酰苯甲酰亚胺、N,N-二羟基均苯四甲二酰亚胺、1,3,5-三羟基异氰尿酸、N-羟基-N-甲基苯甲酰胺、3,5-二硝基-N-羟基-N-甲基苯甲酰胺、1-羟基-2,2-二苯基-3-吲哚酮等，助催化剂为乙酸钴、乙酸锰、乙酸铜、乙酸铁、二氧化锰等金属盐或金属氧化物；该催化体系用量少，催化效率高，对甲基苯磺酰胺：催化剂：助催化剂＝100：3～8：0.5～6时，可实现常压下(氧气压维持在1atm)氧气将对甲基苯磺酰胺氧化为对羧基苯磺酰胺，对甲基苯磺酰胺的转化率最高可达99.33％，产物对羧基苯磺酰胺的产率最高可达94.05％；并且反应完毕后通过简单的过滤、洗涤、干燥即可实现对羧基苯磺酰胺的分离纯化。实施例1：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，N-羟基邻磺酰苯甲酰亚胺0.06mmol，二氧化锰0.03mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至80℃反应6小时，反应完毕，冷却至室温。过滤滤除二氧化锰，滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣水洗除去残留的乙酸，用少量丙酮洗涤除去N-羟基邻磺酰苯甲酰亚胺和少量的对羟甲基苯磺酰胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率81.86％，对甲基苯磺酰胺的转化率为86.32％,生成对羧基苯磺酰胺的选择性为94.83％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为94.20％。实施例2：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，N,N-二羟基均苯四甲二酰亚胺0.03mmol，乙酸锰0.06mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至120℃反应2小时，反应完毕，冷却至室温。滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣反复水洗，除去残留的乙酸和助催化剂乙酸锰，少量丙酮洗涤除去N,N-二羟基均苯四甲二酰亚胺和少量的对羟甲基苯磺酰胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率70.83％，对甲基苯磺酰胺的转化率为80.32％,生成对羧基苯磺酰胺的选择性为88.18％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为92.23％。实施例3：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，N-羟基邻苯二甲酰亚胺0.08mmol，乙酸铜0.04mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至40℃反应12小时，反应完毕，冷却至室温。滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣反复水洗，除去残留的乙酸和助催化剂乙酸铜，少量丙酮洗涤除去N-羟基邻苯二甲酰亚胺和少量的对羟甲基苯磺酰胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率72.81％，对甲基苯磺酰胺的转化率为81.55％,生成对羧基苯磺酰胺的选择性为89.28％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为94.42％。实施例4：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，3,5-二硝基-N-羟基-N-甲基苯甲酰胺0.05mmol，乙酸铁0.05mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至100℃反应6小时，反应完毕，冷却至室温。滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣反复水洗，除去残留的乙酸和助催化剂乙酸铁，少量丙酮洗涤除去3,5-二硝基-N-羟基-N-甲基苯甲酰胺和少量的对羟甲基苯磺酰胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率74.25％，对甲基苯磺酰胺的转化率为82.43％,生成对羧基苯磺酰胺的选择性为90.08％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为93.12％。实施例5：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，1-羟基-2，2-二苯基-3-吲哚酮0.06mmol，乙酸钴0.005mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至100℃反应8小时，反应完毕，冷却至室温。滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣反复水洗，除去残留的乙酸和助催化剂乙酸钴，少量丙酮洗涤除去1-羟基-2，2-二苯基-3-吲哚酮等和少量的对羟甲基苯磺酰胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率73.45％，对甲基苯磺酰胺的转化率为82.12％,生成对羧基苯磺酰胺的选择性为89.44％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为95.20％。实施例6：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，1,3,5-三羟基异氰尿酸0.06mmol，二氧化锰0.03mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至90℃反应12小时，反应完毕，冷却至室温。过滤，除去二氧化锰，滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣反复水洗，除去残留的乙酸，少量丙酮洗涤除去1,3,5-三羟基异氰尿酸和少量的对羟甲基苯磺酰胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率90.76％，对甲基苯磺酰胺的转化率为93.24％,生成对羧基苯磺酰胺的选择性为97.34％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为95.15％。实施例7：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，N-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶0.06mmol，二氧化锰0.03mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至100℃反应10小时，反应完毕，冷却至室温。过滤除去二氧化锰，滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣反复水洗，除去残留的乙酸，少量丙酮洗涤除去N-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶和少量的对羟甲基苯磺酰胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率72.87％，对甲基苯磺酰胺的转化率为80.88％,生成对羧基苯磺酰胺的选择性为90.10％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为95.35％。实施例8：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，N-羟基-N-甲基苯甲酰胺0.06mmol，乙酸钴0.01mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至100℃反应12小时，反应完毕，冷却至室温。滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣反复水洗，除去残留的乙酸和助催化剂乙酸钴，少量丙酮洗涤除去N-羟基-N-甲基苯甲酰胺和少量的对羟甲基苯磺酰胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率84.62％，对甲基苯磺酰胺的转化率为90.23％,生成对羧基苯磺酰胺的选择性为93.78％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为93.42％。实施例9：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，1-羟基-2,2-二苯基-3-吲哚酮0.06mmol，乙酸钴0.02mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至100℃反应10小时，反应完毕，冷却至室温。滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣反复水洗，除去残留的乙酸和助催化剂乙酸钴，少量丙酮洗涤除去1-羟基-2,2-二苯基-3-吲哚酮和少量的对羟甲基苯磺酰亚胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率84.14％，对甲基苯磺酰胺的转化率为89.12％,生成对羧基苯磺酰胺的选择性为94.41％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为95.32％。实施例10：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，N-羟基邻磺酰苯甲酰亚胺0.05mmol，乙酸钴0.02mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至80℃反应12小时，反应完毕，冷却至室温。滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣反复水洗，除去残留的乙酸和助催化剂乙酸钴，少量丙酮洗涤除去N-羟基邻磺酰苯甲酰亚胺和少量的对羟甲基苯磺酰胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率81.89％，对甲基苯磺酰胺的转化率为87.65％,生成对羧基苯磺酰胺的选择性为93.43％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为94.20％。实施例11：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，3,5-二硝基-N-羟基-N-甲基苯甲酰胺0.05mmol，乙酸钴0.01mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至100℃反应10小时，反应完毕，冷却至室温。滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣反复水洗，除去残留的乙酸和助催化剂乙酸钴，少量丙酮洗涤除去3,5-二硝基-N-羟基-N-甲基苯甲酰胺和少量的对羟甲基苯磺酰亚胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率94.05％，对甲基苯磺酰胺的转化率为99.33％,生成对羧基苯磺酰胺的选择性为94.68％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为95.14％。实施例12：称取1mmol的对羧基苯磺酰胺，1,3,5-三羟基异氰尿酸0.06mmol，乙酸钴0.02mmol，加入25mL反应瓶中，加入乙酸5mL，通入氧气，维持氧气压为1atm，升温至100℃反应10小时，反应完毕，冷却至室温。滤液减压除去乙酸，乙酸可回收利用。残渣反复水洗，除去残留的乙酸和助催化剂乙酸钴，少量丙酮洗涤除去1,3,5-三羟基异氰尿酸和少量的对羟甲基苯磺酰亚胺，滤饼干燥，即可得到对羧基苯磺酰胺，产率85.62％，对甲基苯磺酰胺的转化率为87.68％，生成对羧基苯磺酰胺的选择性为97.65％，产品经Agilent1200型高效液相色谱仪分析检测纯度为93.44％。