專利名稱：制備氟化和氯化苯甲醛及其組合物的方法
技術領域：
本發明涉及含氟芳香醛的制備方法，更為具體地說，涉及通過氟化苯與一氧化碳和氯化鋁在相對低壓、低溫和至多催化量的酸(如含水鹽酸)存在的條件下反應，以制備氟化芳香衍生物的甲酰化方法。制成的氟化苯甲醛可作為許多不同化合物形成過程的母體，如染料、食用香料、香料、除草化合物、成核劑、聚合物添加劑以及其他類似物。本發明的方法提供了一種在極高的產量下，成本效率高且安全的制備氟化苯甲醛的方法。
Kysela等人的美國專利4,588,844號公開了一種直接甲酰化的方法，它描述了一種在氫氟酸介質中芳族化合物和烏洛托品(六亞甲基四胺，HMT)之間的反應。氟苯等化合物的產量相當低(大約30％)，而且不適合工業用途。
Crochemore等人的美國專利5,068,450號公開了另一種直接甲酰化的方法，它揭示了在三氟化硼存在條件下在液態氫氟酸中使甲酸甲酯與芳族衍生物反應的方法。在這一過程中加入氟苯得到的氟代苯甲醛產量很高(大約85％)，而且據報導只產生單一異構體，4-氟代苯甲醛。
Lang的美國專利5,138,099號也公開了一種直接甲酰化的方法，其中氟化芳族衍生物(氟苯、2-氟代甲苯)在氯化鐵存在條件下在二氯甲烷中與二氯甲基甲基醚發生反應。再通過用溴鹵化選擇性地清除異構雜質。盡管其聲稱異構純度很高，但使用有毒的中間產物(如二氯甲基甲基醚)和昂貴的鹵化劑(如溴)，使得該方法不適合于工業用途。
其他已知的制備氟化苯甲醛的方法是采用鹵素-交換(HALEX)化學(氟化學期刊(Joumal of Fluorine Chemistry)46，529-537(1990))。這種方法包括氯化苯甲醛與金屬鹵化物(通常是氟化鉀)在極性溶劑中反應以形成氟化苯甲醛。由于只有在“活性”位置(甲酰基的鄰位和對位)的鹵素進行了鹵素-交換，該方法的應用范圍也多少受到了限制。
自從1800-1810年(1800s)后期芳族甲酰化方法得到開發以來，歷來是通過伽特曼-柯區法來實施，該方法包括芳族衍生物和一氧化碳、氯化氫、和適當催化劑(通常是氯化鋁)的反應。這種標準反應要求等量的氯化鋁、一氧化碳和氣態氯化氫的混合物在取代苯存在條件下反應。溫度控制在25至50℃，壓力保持在1000psig(磅/平方英寸)。這樣的反應產物中大約70％是所需的取代苯甲醛；然而，從安全的角度考慮，所用的氣態HCI以及所需的較高反應壓力是不理想的。已經開發修正的伽特曼-柯區反應法用于特定的單烷基取代的苯甲醛，如Blank等的美國專利4,622,429和Renner的美國專利4,195,040中的二烷基和三烷基取代的苯甲醛。
雖然伽特曼-柯區法對于制備苯甲醛、單烷基苯甲醛和聚烷基苯甲醛非常有效，但它在制備氟化苯甲醛上的用途實質上還沒有得到開發。已知的只有一個例子是通過類伽特曼條件制得氟化苯甲醛(應用化學期刊(Journal ofPractical Chemistry)135，101-127(1932)；C.A.27，713)。在該例子中，通過1-氟-2-乙氧基苯和氰化鋅、氯化氫、氯化鋁反應制得3-氟-4-乙氧基苯甲醛，產率是40％。
即使有這些方法，本領域仍然需要合成高異構純度的氟化苯甲醛的方法，并且前提是商業上可行的，不使用毒性高、腐蝕性強并且昂貴的試劑。
發明目的因此，本發明的目的之一是提供一種制備高產量氟化和氯化苯甲醛的方法。本發明另一個目的是提供一種制備苯甲醛的高成本效率的方法，此類苯甲醛至今無法在不導致潛在安全問題的情形下高產量地制造，尤其是在大規模生產過程中。另外，本發明的另一個目的是提供一種制備特定氟化和氯化苯甲醛的方法，該方法只需要極少量的HCl(含水的、無水的、氣態的)以完成必要的甲酰化過程。此外，本發明的另一目的是提供包含此類苯甲醛產物的組合物。發明詳述因此，本發明包括制備分子式(I)的苯甲醛的方法 其中R1、R2、R3、R4和R5選自氫、含1至4個碳原子的低級烷基基團、環烷基或環亞烷基環系統、氟、氯；條件是R1、R2、R3、R4和R5只有一個是氟或氯其中包括將分子式(II)的取代苯在壓力從約200至800psig的一氧化碳氣氛中，均在金屬鹵化物、一種選自HCl、HBr、HF、HI的酸及其混合物的存在下進行接觸的步驟 其中R1、R2、R3、R4和R5選自氫、含1至4個碳原子的低級烷基基團、環烷基或環亞烷基環系統、氟、氯；條件是R1、R2、R3、R4和R5只有一個是氟或氯；其中酸以每摩爾金屬鹵化物大約為0.005至0.01摩爾的催化量存在；其中反應溫度是大約30℃至100℃。
本發明還包括包含上述分子式(I)的化合物以及至少一種溶劑或稀釋劑的組合物。此類溶劑包括水、醇類、酯類、醚類及其類似物；此類稀釋劑包括表面活性劑，包括，但不限于，陽離子型表面活性劑、兩性表面活性劑、陰離子型表面活性劑等。本發明設想的組合物種類包括，但不限于，那些使用香氣化合物(例如香料(perfumes)、香料(scents)、空氣芳香劑以及類似物)的組合物。由于按照上述方法制得的化合物產生的悅人的香氣，這些化合物有助于用作這些組合物中制造香氣或提供香氣的成分。
任何一鹵代苯都可以引入本發明的方法。特定的化合物包括氟苯、2-氟代甲苯、2-氯甲苯、2-氟-間二甲苯、3-氟-鄰二甲苯、2-氯-間二甲苯、3-氯-鄰二甲苯、1-氟-2，3，6-三甲基苯和1-氯-2，3，6-三甲基苯。
優選的金屬鹵化物是氯化鋁，盡管也可以使用其他的鹵化物，如溴化鋁、氯化鐵(III)、氯化銅(II)、氯化鋅、氯化鋯、溴化鋯及其類似物。部分水合金屬鹵化物也可以使用，因為它們在反應容器中離解時可以產生酸(如鹽酸)，由此提供所需的含水酸成分(例如AlCl3XH2O，其中X至多為1，優選為低于0.5，最優選為從0.01至0.1之間)。這一離解過程實際上生成必不可少的、少量催化量的含水鹽酸，同時不會將有潛在害處的含水鹽酸引入反應(盡管外部添加也是可行且優選的選擇)。在過去的伽特曼-柯區法的變異方法中，據推論，金屬鹵化物與氯化氫和一氧化碳(都是等量)反應形成能夠親電進攻芳族系統的甲酰陽離子絡合物。用水沖洗后，金屬鹵化物被清除，剩下甲酰化苯衍生物。在本發明中，如果要加氯化氫，就加入極少量(從約0.005至約0.01摩爾/每摩爾金屬氯化物)。金屬鹵化物優選的存在量(以與取代苯的化學計量摩爾比率表示)，為從大約1∶0.75至約1∶6，優選的為大約1∶0.9至約1∶3，最優選為約1∶1。不想拘泥于任何特定科學理論，我們相信如此少的催化量的酸(如選自HCl、HBr、HI、HF及其混合物)與金屬鹵化物結合形成一定“驅動量”的甲酰陽離子絡合物。這樣，這一“驅動量”似乎終止了可能的副產物的形成(如二聚或高聚合(僅作為例子))，在過去的方法中發現使用標準和更多的HCl(尤其是氣態)時會發生這種副產物形成現象。因此，人們確定這一催化量的HCl使必須的反應得以進行，并最終形成非常純凈的高產量的目標氟化和/或氯化苯甲醛。
此外，令人驚奇的是，使用非常低的化學計算量的鹽酸，對所需的取代苯甲醛的最終形成極其關鍵。正如上文所述，過去假定以金屬鹵化物和一氧化碳作為實際反應物時更大化學計算量的氣態氯化氫對形成親電進攻的甲酰陽離子絡合物來說是必不可少的。現在發現要形成所需的苯甲醛，氣態HCl并不是必需的(盡管在本發明的方法中仍然可能是氣體形態)。同樣地，還出乎意料地發現為了高產量地生成所需的基本上純凈的氟化或氯化苯甲醛，僅需要非常少的催化量(定義如上)的(優選)含水鹽酸以形成有益的甲酰陽離子絡合反應物(雖然氣態和無水HCl仍然有用)。從安全和方便的角度看，含水鹽酸是本發明的方法優選的形態。氣態HCl會引起潛在的健康危害，因為要不時地控制這種氣體狀態是相當困難的。此外，無水鹽酸比液體形式更難操作。然而，要指出的是，鹽酸可以以任何形式添加，只是優選為在水溶液中。
正如上文所述，一定要提及的是，這種酸成分(如含水HCl)可以被加入整個反應中，也可以僅在金屬鹵化物離解時以水合形式形成。只要與金屬鹵化物相比時滿足催化量(摩爾)，且處理這類潛在的腐蝕性原料時小心謹慎，可以使用任何摩爾濃度的鹽酸，優選的摩爾濃度從約0.01至約12，更優選從約10至12，最優選為約10(濃縮后)。如果不存在鹽酸(無論是含水的、氣態的還是無水的)，氟化或氯化苯甲醛的產量都會降低；如果存在太多鹽酸，反應就會生成苯甲醛的不同異構體、二聚體和/或聚合物(并因此降低產量，不利地降低最終反應產物的純度)或是導致生成一種淤渣樣固體的反應。與金屬鹵化物(尤其是氯化鋁)一起使用含水HCl的另一個益處是，在甲酰化反應完成時，剩余氯化鋁具有相對中性的pH值。這樣的產物在該方法中無法再次使用，但是，這種中性氯化鋁可以轉售用于其他用途(如絮凝劑、防汗劑的組分等)。這種化合物的循環再利用使生產程序環保，減少了制造場所產生的需要清除和處理的廢物量。
一氧化碳引入時的壓力在約100至800psig(磅/平方英寸)之間，優選從約200至約600psig，最優選為約200psig用于一氟化苯化合物、550psig用于氯化苯化合物。使用這套方法的在先美國專利6,080,892和6,087,537(同屬Scrivens等人)所用的一氧化碳的壓力已經在50至110psig的范圍間，以實現像鄰二甲苯和1，2，3，4-四氫化萘那樣的二烷基取代物的甲酰化得到苯甲醛。隨著吸電子基團(如氟和氯)的附著，苯環對甲酰陽離子絡合物進攻失去活性，因此需要比110psig更大的一氧化碳壓力以實現鹵代芳香族化合物的甲酰化。
正如下文實施例2、3、5將闡明的，苯甲醚(茴香醚)衍生物的添加顯著改善了像2-氯甲苯和氟苯這樣的去活化芳香族化合物的甲酰化。即使在較弱的去活化體系(如2-氟代甲苯)中，產量也能提高約20％。不想拘泥于任何特定的科學理論，我們相信苯甲醚氯化鋁絡合物的作用是穩定甲酰陽離子絡合物的形成，或是形成一種新的更加親電子的甲酰陽離子絡合物。適用的苯甲醚衍生物包括苯甲醚、2-甲基苯甲醚、3-甲基苯甲醚、4-甲基苯甲醚、1，2-二甲氧基苯、1，3-二甲氧基苯、1，4-二甲氧基苯、2，3-二甲基苯甲醚、2，4-二甲基苯甲醚、2，5-二甲基苯甲醚、2，6-二甲基苯甲醚、3，4-二甲基苯甲醚、3，5-二甲基苯甲醚、2-氟苯甲醚等。
還發現使用催化量的HCl(優選為含水鹽酸)時，反應溫度為約30℃時氯化苯甲醛的產量最高，反應溫度為約60℃時氟化苯甲醛的產量最高。過去生產此類鹵代苯甲醛，在要求較低化學計算量的鹽酸時，并不采用如此高的溫度。
本發明的方法的另一優點是可以省去除原材料本身以外的所有溶劑。因此，在2-氟代甲苯(僅僅作為例子)反應中，唯一存在的溶劑就是2-氟代甲苯異構體本身。進行這樣一個反應并不需要存在潛在危害的鹵化溶劑或其他有機液體。因此，最終產物通常是包含幾乎完全相同的化合物的基本上純凈的液體。沒有必要進行費時且昂貴的蒸餾步驟來凈化由此優選的本發明的方法產生的化合物。術語“簡潔程序“就是指這方面。因此在簡潔程序中使用的唯一的溶劑就是本發明方法中的原料本身。但是在本發明的方法中，也可以使用溶劑，前提是它們對親電甲酰化比初始底材更加去活化。優選的溶劑(盡管不是本發明的方法中使用的唯一溶劑)是鹵代芳族溶劑，如氯甲苯、二氯苯及其類似物，以及上述的苯甲醚及其衍生物。這些溶劑的使用量低至總耗量的0.1％或高至約99％(都是重量百分比)。優選地，該溶劑的添加量約為反應物總重量的5至50wt％，更優選為約10至40wt％，最優選為約15至25wt％。已經證明，這樣的溶劑有利于在反應中幫助攪拌，并有利于緩和本發明的方法中理論上的陽離子甲酰催化劑的反應活性。當然，采用這樣的溶劑，隨后必須進行蒸餾或共沸，以將殘留溶劑從目標苯甲醛中分離出來。因此，在生產所需的氟化或氯化苯甲醛時，為了降低成本、節約時間，在本發明的方法中非常優選只使用一種溶劑。
盡管已經描述了本發明的具體特征，但是可以理解的是，本發明并不局限于任何特定的構型或實踐，因為可能還會有好的改進，而且毫無疑問地，熟知本發明所涉領域的人可以想到本發明所述原理的其他實施方案。因此，我們期望以所附的權利要求，并結合包含在該權利要求中的實質意圖、精神和范圍來涵蓋這些改進。
權利要求
1.一種制備分子式(I)的苯甲醛的方法 其中R1、R2、R3、R4和R5選自氫、含1至4個碳原子的低級烷基基團、環烷基或環亞烷基環系統、氟、氯；條件是R1、R2、R3、R4和R5只有一個是氟或氯其中包括將分子式(II)的取代苯在壓力從約200至800psig的一氧化碳氣氛中，均在金屬鹵化物、一種選自HCl、HBr、HF、HI的酸及其混合物的存在下進行接觸的步驟 其中R1、R2、R3、R4和R5選自氫、含1至4個碳原子的低級烷基基團、環烷基或環亞烷基環系統、氟、氯；條件是R1、R2、R3、R4和R5只有一個是氟或氯；其中酸以每摩爾金屬鹵化物大約為0.005至0.01摩爾的催化量存在；其中反應溫度是大約30℃至100℃。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述的酸是鹽酸。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述的鹽酸存在于水溶液中。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述的金屬鹵化物選自氯化鋁、溴化鋁、氯化鋯及其任意混合物。
5.根據權利要求2所述的方法，其中所述的溫度從約30℃至約100℃，所述的鹽酸是加到反應中的。
6.根據權利要求2所述的方法，其中所述的鹽酸是反應過程中產生的。
7.根據權利要求1所述的方法，其中分子式(II)的取代苯選自氟苯、2-氟代甲苯、3-氟代甲苯、2-氟-間二甲苯、3-氟-鄰二甲苯、2-氯甲苯、3-氯甲苯、2-氯-間二甲苯、3-氯-鄰二甲苯。
8.根據權利要求2所述的方法，其中苯甲醚衍生物用作反應物。
9.根據權利要求8所述的方法，其中苯甲醚衍生物選自苯甲醚、2-甲基苯甲醚、3-甲基苯甲醚、4-甲基苯甲醚、1，2-二甲氧基苯、1，3-二甲氧基苯、1，4-二甲氧基苯、2，3-二甲基苯甲醚、2，4-二甲基苯甲醚、2，5-二甲基苯甲醚、2，6-二甲基苯甲醚、3，4-二甲基苯甲醚、3，5-二甲基苯甲醚、2-氟苯甲醚等。
10.一種組合物，其包括用權利要求1所述方法制備出的化合物和至少一種選自下述物質的液體至少一種溶劑、至少一種稀釋劑、及其任意混合物。
全文摘要
本發明公開了含氟芳香醛的制備方法，更具體而言，是一種通過氟化苯與一氧化碳和氯化鋁在相對低壓、低溫和至多一種催化量的酸(如含水鹽酸)存在的條件下反應，以制備氟化芳香衍生物的甲酰化方法。制成的氟化苯甲醛可作為許多不同化合物形成過程的母體，如染料、食用香料、香料、除草化合物、成核劑、聚合物添加劑等。本發明的方法提供了一種在極高的產量下，成本效率高且安全的制備氟化苯甲醛的方法。
文檔編號C07C47/55GK1449368SQ01814912
公開日2003年10月15日 申請日期2001年8月23日 優先權日2000年9月1日
發明者J·D·O·安德森, W·斯克里文斯 申請人:美利肯公司