本发明涉及精细有机化学合成领域，具体涉及一种精细化工中间体对氯苯甲醛的制备方法。
背景技术：
对氯苯甲醛(4-氯苯甲醛)，英文名:p-chlorobenzaldehyde(4-chlorobenzaldehyde)。对氯苯甲醛是一种重要的精细化工中间体，在农药、医药、染料以及其它有机合成中具有广泛的用途。在农药方面主要用于合成杀菌剂戊唑醇，杀虫剂虫螨腈等。在医药方面主要用于合成镇静药芬那露等。在染料方面主要用于合成酸性艳蓝6b等。
以对氯甲苯为原料经过取代、水解法制备对氯苯甲醛主要有以下三种方法：1、对氯甲苯在紫外光照射下与氯气发生取代反应合成对氯苄基氯，对氯苄基氯经水解反应得到对氯苯甲醛，该方法合成对氯苯甲醛的收率为50～60％；2、对氯甲苯在紫外光照射下与氯气发生取代反应合成对氯苄叉二氯，对氯苄叉二氯经过精制后再进行水解反应得到对氯苯甲醛，该合成方法收率高，但精制过程成本高；3、对氯甲苯在紫外光照射下与氯气发生取代反应合成对氯苄基氯和对氯苄叉二氯的混合物，该混合物经水解反应得到对氯苯甲醛，该方法收率高，易于实现工业化。
具体反应方程式如下所示：
方法1：
取代反应：
水解反应：
方法2：
取代反应：
水解反应：
方法3：
方法3是部分对氯甲苯按方法1的方式得到对氯苯甲醛，另一部分对氯甲苯按方法2的方式得到对氯苯甲醛。
2010年，西北师范大学傅颖等在《甘肃联合大学学报(自然科学版)》上发表了题为《对氯苯甲醛的合成》的文章。利用对氯苄基氯与乌洛托品之间的sommelet反应来制备对氯苯甲醛，最高收率达到96％以上。虽然该工艺方案的收率很高，但由于使用了昂贵的乌洛托品进行水解反应，使得制备对氯苯甲醛的原料成本很高，该工艺方案没有竞争优势。
2014年，常熟市新华化工有限公司申请了《一种对氯苯甲醛的合成方法》的专利(cn104447251a)。该专利在三氯化磷作为引发剂及光照条件下对氯甲苯与氯气反应得到对氯苄叉二氯，对氯苄叉二氯精制后经过催化水解6～12小时得到对氯苯甲醛。该专利采用三氯化磷作为取代反应的引发剂，采用催化水解方式制备对氯苯甲醛，但具体实施例中未给出具体的选择性、收率等技术指标，该工艺方案与其他技术方案没有可比性。
总之，现有的以对氯甲苯为原料制备对氯苯甲醛的方法普遍存在以下问题：
1、取代反应条件苛刻，选择性低；
2、水解反应收率低，成本高；
3、水解废水量大，处理难度大。
技术实现要素：
本发明提出了一种改进的对氯苯甲醛制备方法，具体包括以下步骤：
(1)对氯甲苯在氮气保护及催化剂作用下与氯气发生取代反应制备对氯苄基氯和对氯苄叉二氯的混合物；
(2)在有机溶剂中对氯苄基氯和对氯苄叉二氯的混合物经水解反应及空气催化氧化反应得到对氯苯甲醛。
优选的，步骤(1)中采用溴素做催化剂。
进一步优选的，对氯甲苯与溴素的投料质量比例为1：0.01～0.05。
优选的，步骤(1)的反应温度为80～120℃。
优选的，步骤(2)中的有机溶剂为正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、正戊醇、异戊醇、正己醇、异己醇、环己醇中的至少一种。
优选的，步骤(2)中的空气催化氧化反应的催化剂为二水合氯化铜、六水合氯化钴、六水合氯化镍的水溶液，其中二水合氯化铜的质量浓度为3.0～15.0％，六水合氯化钴的质量浓度为0.05～0.35％，六水合氯化镍的质量浓度为1.5～5.0％。
进一步优选的，对氯甲苯与空气催化氧化催化剂的投料质量比例为1：0.3～1.0。
优选的，步骤(2)中的空气流量为0.1～5.0倍催化剂体积/分。
优选的，步骤(2)的反应温度为反应系统的回流温度。
对氯甲苯与氯气的取代反应条件苛刻，通常需要在120～140℃以上高温及光照或紫外光照射下才能发生反应。对氯甲苯的甲基有三个氢原子可以被氯原子所取代，在上述的高温及光照或紫外光照射下要控制好取代反应进行的程度难度很大。为提高取代反应的选择性本发明采用溴素作为取代反应的催化剂，通过氮气保护的方式避免反应系统微量的氧对自由基取代反应的不利影响。具体反应原理如下所述：
(1)引发：
(2)传递：
(3)终止：
(4)催化剂活化：
(5)主要副反应：
如上所述，在引发阶段溴素首先在高温及氮气保护条件下发生均裂，形成溴自由基。在传递阶段，溴自由基和对氯甲苯反应得到对氯苄基自由基和溴化氢；对氯苄基自由基与氯气反应，得到对氯苄基氯和氯自由基；对氯苄基氯和氯自由基反应，得到对氯苄基氯自由基和氯化氢；对氯苄基氯自由基和氯气反应得到对氯苄叉二氯和氯自由基。如此形成了对氯苄基氯和对氯苄叉二氯的混合物。反应进行到一定程度两个氯自由基互相碰撞形成氯气，反应逐步终止。传递阶段形成的溴化氢与通入的氯气发生氧化还原反应形成溴素，使得溴素作为催化剂一直促进着对氯甲苯与氯气发生取代反应。溴原子比氯原子的半径大，更容易形成稳定的溴自由基，所有更容易引发反应的发生并降低取代反应的温度。
自由基取代反应系统中微量的氧会形成过氧自由基，过氧自由基会和反应过程中的各种中间态形成结构中含有氧原子的副产物。微量的水对反应也是不利的，会造成自由基的淬灭，即使不淬灭，也需要更高的反应温度才能使反应进行下去。本取代反应最主要的副反应是对氯苄基自由基与对氯苄基氯自由基之间或自身的结合反应(如上反应式所示)，要降低这类副反应的发生唯一的途径是降低反应的温度。本发明引入更容易形成溴自由基的溴素来作为催化剂，降低了自由基反应的引发温度，提高了选择性。本发明通过高纯氮保护的方式避免环境中氧对反应的不利影响，提高了反应的选择性。通过氮气保护的方式也降低了过氧自由基的数量，降低了取代反应的危险性。通过采用溴素作为催化剂可以在保持同样的反应速度条件下将取代反应的温度降低10～20℃，通常可以在低于120℃条件下就能够顺利进行反应。通过优化，当控制反应温度在80～120℃时两分子取代苯环结合的副产物可以降低到5％以内，三个氯取代产物由1.0％降低到0.2％，提高了反应的选择性。
催化剂溴素的投料量需要保证反应正常引发，一般按对氯甲苯质量的0.01～0.05就满足要求，投入太多的溴素会造成制备对氯苯甲醛的原料成本上升。
对氯苄基氯的水解反应比对氯苄叉二氯的水解反应难度大，一般需要在稀硝酸或浓硫酸(反应体系要有一定的氧化性)中才能进行该水解反应。当采用稀硝酸水解时很容易造成形成的对氯苯甲醛进一步氧化为对氯苯甲酸，使得形成对氯苯甲醛的选择性迅速降低。对氯苄叉二氯的水解反应虽然容易进行，但必须经过提纯后才能进行该水解反应，否则对氯苄叉二氯中的对氯苄基氯将无法水解完全并带入最终对氯苯甲醛产品中，成为对氯苯甲醛产品中的杂质。
针对上述问题，本发明采用水解反应及空气催化氧化反应相结合的方式进行。催化剂的选择是本发明实现的关键，通过优选本发明采用二水合氯化铜、六水合氯化钴、六水合氯化镍的水溶液作为空气催化氧化反应的催化剂。采用上述金属氯化物作为催化剂能够将氧化反应控制在对氯苯甲醛阶段，不会发生将已经生成的对氯苯甲醛氧化为对氯苯甲酸的副反应。常规文献报道加入二水合氯化铜可以促进该水解反应，但存在的问题是二水合氯化铜在反应过程中逐步转化为氯化亚铜，使得最后失去催化活性。本发明通过加入六水合氯化钴、六水合氯化镍及通入空气的方式，使的氯化亚铜迅速转化为二水合氯化铜，重新具备了催化活性，催化剂可以连续套用。
催化剂的浓度对空气催化氧化反应有很大的影响，催化剂浓度越高相应的氧化能力越强，催化剂浓度越低，相应的氧化能力越弱。通过优化采用二水合氯化铜的质量浓度为3.0～15.0％，六水合氯化钴的质量浓度为0.05～0.35％，六水合氯化镍的质量浓度为1.5～5.0％可以达到最好的效果，并且催化剂水溶液的套用次数大于20次。刚配制好的催化剂中hcl浓度低，所以水解反应速度很慢。随着催化剂套用次数的增多，水解反应形成的氯化氢进入催化剂中，反应速度会越来越快。
在取代反应中存在的微量对氯苄基溴、对氯苄叉二溴、溴素对水解反应都是有益的。溴取代产物比氯取代产物更容易发生水解反应，生成的溴化氢在催化剂存在下容易被空气氧化为溴素。溴素和氯代产物之间会发生平衡反应形成溴代产物与氯气，氯气又能够促进氯化亚铜向氯化铜转化，从而促进了水解反应的进行。
本发明采用正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、正戊醇、异戊醇、正己醇、环己醇中的至少一种作为氧化反应的溶剂。采用上述溶剂有三个优点：
1、醇类溶剂与催化剂水溶液属于部分互溶体系，有利于催化剂水溶液扩散到醇类溶剂中促进氧化反应的进行，两相反应降低了形成的对氯苯甲醛溶解到催化剂水溶液中继续氧化为对氯苯甲酸的数量；
2、分子氧在醇类溶剂中溶解度大，有利于氧化反应的进行；
3、反应完毕，催化剂水溶液和溶于溶剂中的产品通过静置分层就可以分离，后处理过程简单。
空气催化氧化催化剂投料量大，反应速度快，但后处理数量大；催化氧化催化剂投料量小，反应速度慢，后处理数量少。通过优化，采用对氯甲苯与空气催化氧化催化剂的投料质量比例为1：0.3～1.0综合效果最佳。
空气催化氧化的空气流量对反应速度有很大的影响，空气流量越大，反应速度越快，但溶剂损耗越多。空气流量越小，反应速度越慢。综合考虑采用0.1～5.0倍催化剂体积/分的空气流量可以满足反应速度与溶剂损耗的综合要求。
本发明的水解反应及空气催化氧化反应是三相非均相反应，采用回流状态进行反应更有利于各相间的传质，达到促进反应速度的目的。
本发明具有以下优点：
1、采用溴素作为氯气取代反应的催化剂，降低了氯气取代反应温度，提高了氯气取代反应的选择性；
2、采用水解反应和空气催化氧化相结合的方式进行水解反应，反应选择性高；
3、催化剂水溶液连续套用，降低了废水总量。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
取代反应：
在干燥的500ml带有搅拌桨、通氯气管、通氮气管、回流冷凝器(冷凝器排空口接尾气吸收装置)的四口烧瓶中投入含量99.2％的对氯甲苯：220.0g(1.7252mol)，溴素：2.5g。四口烧瓶外壁用导热油加热，设定导热油温度90℃。开搅拌，开氮气，向四口烧瓶中通入0.5l/min的氮气进行保护。当导热油温度达到85℃，向四口烧瓶中通入0.5l/min的氯气，控制四口烧瓶内温85～90℃(拔出氮气管，用温度计测量内温，通过调整导热油温度控制内温)进行取代反应。反应过程中通过气相色谱监控反应进行的情况，当对氯甲苯残留低于0.5％，反应完毕，总的反应时间约3～6小时。
配制催化剂：
在250ml烧杯中加入蒸馏水100ml，cucl2·2h2o：8.0g，cocl2·6h2o：0.3g，nicl2·6h2o：2.5g，搅拌溶解后备用。
水解反应：
将取代反应完毕的物料转移到1000ml带有搅拌桨、通空气管、回流冷凝器、温度计的四口烧瓶中，向四口烧瓶中加入正丁醇350ml，将配制好的100ml催化剂全部加入四口烧瓶中。四口烧瓶外壁用水浴锅加热，设定水浴锅水温为65℃。开空气，控制空气流量0.5l/min进行水解、氧化反应。反应过程中通过气相色谱监控反应进行情况，当对氯苄基氯和对氯苄叉二氯的总含量小于0.2％，反应结束(投入新配制的催化剂时反应速度很慢，大约需要12～15小时才能反应完全)。
洗涤：
将水解反应液转移到分液漏斗中，静置分层，下层为催化剂水溶液在下批反应时套用。上层正丁醇层用300ml蒸馏水分三次洗涤、静置、分层、弃水。
回收溶剂：
将洗涤干净的正丁醇层分次转移到500ml带有温度计、回收冷凝器、搅拌桨的三口烧瓶中控制真空度≥0.08mpa，内温≤65℃条件下减压回收正丁醇，回收出的正丁醇下批反应时套用。溶剂回收完毕，改用高真空油泵蒸馏，得到对氯苯甲醛成品216.2g，检测含量99.1％，摩尔收率88.4％。。
实施例2
取代反应：
在干燥的500ml带有搅拌桨、通氯气管、通氮气管、回流冷凝器(冷凝器排空口接尾气吸收装置)的四口烧瓶中投入含量99.2％的对氯甲苯：220.2g(1.7268mol)，溴素：3.5g。四口烧瓶外壁用导热油加热，设定导热油温度90℃。开搅拌，开氮气，向四口烧瓶中通入0.5l/min的氮气进行保护。当导热油温度达到85℃，向四口烧瓶中通入0.5l/min的氯气，控制四口烧瓶内温85～90℃(拔出氮气管，用温度计测量内温，通过调整导热油温度控制内温)进行取代反应。反应过程中通过气相色谱监控反应进行的情况，当对氯甲苯残留低于0.5％，反应完毕，总的反应时间约3～6小时。
水解反应：
将取代反应完毕的物料转移到1000ml带有搅拌桨、通空气管、回流冷凝器、温度计的四口烧瓶中，向四口烧瓶中加入异丁醇350ml，将上批水解反应完毕分出的约100ml催化剂全部加入四口烧瓶中。四口烧瓶外壁用水浴锅加热，设定水浴锅水温为65℃。开空气，控制空气流量0.35l/min进行水解、氧化反应。反应过程中通过气相色谱监控反应进行情况，当对氯苄基氯和对氯苄叉二氯的总含量小于0.2％，反应结束(大约8～10小时反应完全)。
洗涤：
将水解反应液转移到分液漏斗中，静置分层，下层为催化剂水溶液在下批反应时套用。上层异丁醇层用300ml蒸馏水分三次洗涤、静置、分层、弃水。
回收溶剂：
将洗涤干净的异丁醇层分次转移到500ml带有温度计、回收冷凝器、搅拌桨的三口烧瓶中控制真空度≥0.08mpa，内温≤65℃条件下减压回收异丁醇，回收出的异丁醇下批反应时套用。溶剂回收完毕，改用高真空油泵蒸馏，得到对氯苯甲醛成品214.5g，检测含量99.2％，摩尔收率87.7％。。