阅读说明：本技术 一种臭氧氧化芳烃制备芳香酮的方法 (Method for preparing aromatic ketone by oxidizing aromatic hydrocarbon with ozone ) 是由 焦纬洲 高文强 刘有智 祁贵生 袁志国 张巧玲 于 2020-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明属精细有机合成技术领域,针对芳烃合成芳酮类化合物的方法中存在的反应条件苛刻,催化剂制备工艺流程繁冗,副产物多且产率低等缺点,提供一种由臭氧氧化芳烃制备芳香酮的方法,以臭氧为氧化剂,芳烃为反应物,鼓泡搅拌釜或超重力旋转填料床为反应器,控制反应器内臭氧的气相浓度为10~200 mg/L,反应液温度为-20℃-50℃,反应10-60min即可获得芳香酮类化合物。在不加入任何金属催化剂过程中,并在温和的反应条件下,将芳烃选择性氧化合成芳酮类化合物。工艺简单、高效绿环保色、反应条件温、转化率高、原子经济性高等优点。利于溶剂回收再利用。具有广阔的工业化应用前景。(The invention belongs to the technical field of fine organic synthesis, and provides a method for preparing aromatic ketone by oxidizing aromatic hydrocarbon with ozone, aiming at the defects of harsh reaction conditions, complicated catalyst preparation process, many byproducts, low yield and the like in a method for synthesizing aromatic ketone compounds with aromatic hydrocarbon. In the process of not adding any metal catalyst and under mild reaction conditions, the aromatic hydrocarbon is selectively oxidized to synthesize the aromatic ketone compound. Simple process, high efficiency, environmental protection, mild reaction conditions, high conversion rate, high atom economy and the like. Is favorable for recycling the solvent. Has wide industrial application prospect.)

一种臭氧氧化芳烃制备芳香酮的方法

技术领域

本发明属于精细有机合成技术领域，具体涉及一种臭氧氧化芳烃制备芳香酮的方法。

背景技术

芳香烃侧链上的选择性氧化在有机合成中是研究难点，同时在石油化工领域中也占有重要地位。传统上，芳烃侧链的氧化通常采用高锰酸钾、重铬酸钾、铬酰氯等重金属氧化剂来进行氧化。这些氧化剂成本高，用量通常很大，对环境污染严重，极大地限制其在工业中的应用。因此，研究和开发新型绿色氧化方法应用于芳烃合成芳酮类化合物已成为人们的研究热点。芳酮的结构存在于很多功能结构分子以及天然产物中，然而最简单的芳酮类化合物包括苯乙酮、二苯甲酮以及9-芴酮。

苯乙酮是一种重要的精细化工原料，广泛用于香料、染料以及医药的合成。如合成α-苯基吲哚、苯乙醇酸、异丁苯丙酸。另外，苯乙酮也通常作用反应溶剂，具有稳定性好和沸点高等优点。能溶解纤维素、香豆酮树脂以及醇酸树脂等物质。苯乙酮的合成方法包括空气氧化乙苯合成苯乙酮、苯与乙酸酐或乙酰氯的傅克酰基化、苯甲酸分解法以及苯乙醇氧化合成苯乙酮。由乙苯催化氧化合成苯乙酮对精细化工的发展具有重大的现实意义。目前，工业上使用乙苯氧化合成苯乙酮方法存在一些缺点，如使用金属催化剂难于回收再利用、转化率不高以及副反应多等。

张巧红等人合成一系列四卤代NHPI和DADCAQ(1,4-二氨基—2,3-二氯蒽醌)复合催化剂，在0.3 MPa氧气压力下，反应温度为100℃，反应5 h后，将乙苯氧化合成苯乙酮，乙苯的转化率为82.3%，苯乙酮的选择性为86.9%(Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 2008, 83: 1364-1369)。

马红等人将绿化血红素和NHPI相结合用于乙苯氧化合成苯乙酮中(Catalysis Communications. 2007, 8: 27-30)，反应温度为100℃, 氧气压力为0.3 MPa，反应时间为9 h，乙苯转化率为90.32%，选择性为94.3%。

汪一帆等通过煅烧还原制备镁铝水滑石(LDHs)负载的MnO₄ ^-催化剂，将该催化剂用于乙苯的氧化中，在反应温度为120℃，苯乙酮的收率为57%(应用化学. 2012, 29(9):1017-1022)。

王蕊欣等人通过配位法将不同结构的钴卟啉固载到高聚物修饰的硅胶上，并将制得催化剂CoTNPP-P(4VP-co-St)/SiO₂应用于乙苯的氧化中，在反应温度为120℃反应12 h，苯乙酮收率为25.53%(物理化学学报. 2009, 25(9): 1791-1798)。

罗金等人使用碳纳米管作为催化剂，反应中表现出较高的稳定性，氧气压力为1.5MPa，催化剂与乙苯物质的量比为0.2，反应温度为155℃，反应时间为4 h，乙苯的转化率为38.2%，苯乙酮的选择性为60.9%，该催化剂重复使用5次后，催化活性均没有明显降低(罗金. 碳纳米管及掺氮碳纳米管液相催化氧化苯甲醇和乙苯[D]. 广东: 华南理工大学,2013)。

二苯甲酮是一种重要的精细化工中间体和添加剂，二苯甲酮系列产品已经被广泛用于医药、农药、染料、塑料等领域。二苯甲酮合成方法包括四种方法，第一种方法是四氯化碳法，即由苯与四氯化碳在AlCl₃作用下发生的Friedel-Crafts烷基化反应二苯二氯甲烷中间体，然后再经水解反应得到二苯甲酮；第二种方法是苯甲酰氯法，即由苯与苯甲酰氯在AlCl₃作用下发生的Friedel-Crafts酰基化反应制备二苯甲酮；第三种方法是氯化苄法，即由氯化苄和苯在AlCl₃作用下Friedel-Crafts烷基化反应合成二苯甲烷，然后使用浓硝酸将二苯甲烷氧化成二苯甲酮。第四种方法是光气法，即苯与光气在无水AlCl₃催化作用下进行反应生成二苯甲酮。

以上四种方法均使用AlCl₃作为催化剂，均有副产物HCl的生成。其中四氯化碳法，尽管反应条件相对温和，但是使用的CCl₄具有致癌性，另外分离纯化比较困难。苯酰氯法中使用苯甲酰氯具有强刺激性气味，使用前需要进行蒸馏纯化，另外反应物苯具有致癌性。氯化苄法反应过程与四氯化碳法相似，该方法反应路线较长，另外硝酸氧化工艺很难控制，对反应系统要求相当苛刻。光气法尽管工艺路线短，原料成本相对较低，反应转化率较高，产品易纯化，但是该方法使用了剧毒性物质光气，给生产以及人员的安全造成极大地威胁。

Hao课题组用PdCl₂催化芳香酰氯与有机铋化合物发生交叉偶联反应(Tetrahedron Letters. 2006, 47(39): 6975-6978)，研究发现，以三乙胺为碱性试剂，反应温度为80℃，反应时间为4 h，二苯甲酮的收率为95%。

Genet课题组使用[Rh(CH₂CH₂)₂Cl]₂和P(t-Bu)₃组成的复合催化剂催化芳醛和芳基三氟硼酸酯发生偶联反应(Journal of the American Chemical Society. 2004, 126(47): 15356-15357)，在反应温度为80℃，以优异的收率得到二苯甲酮类化合物。

9-芴酮是一种用途广泛的重要有机中间体，在医药领域中，由9-芴酮合成抗痉挛药物2-羟氨乙酰芴酮；在农药领域中，可用于合成杀虫剂以及植物生长调节剂；在染料领域中，可用于合成芳香二胺染料。以芴为原料合成9-芴酮的生产工艺具有操作简单等特点，更为重要是9-芴酮经济价值远高于芴。由芴合成9-芴酮的传统合成方法包括气相氧化法和液相氧化法。气相氧化制备9-芴酮的过程是首先将芴通过高温进行汽化，即反应温度通常高于300℃，在反应过程中，芴极易发生深度氧化反应，此外，催化剂制备过程往往很复杂。

液相氧化法是工业上制备9-芴酮的主要方法之一，但是此法会产生大量含金属离子的废液，产品的纯化分离纯化很困难。为了提高芴氧化合成9-芴酮的选择性，很多学者致力于开发新型催化剂，这些催化剂包括金属化合物、过氧金属络合物催化剂以及金属卟啉催化剂等。

Li等人合成了铁卟啉分子Fe(TPP)Cl，在氯胺和氧气共同作用下，芴液相氧化合成9-芴酮，反应取得了较好的效果，产物收率为86%，但是该类催化剂存在价格高昂、且不易回收等缺点(Tetrahedron Letter. 2005, 46(46): 8013-8015)。

Matsushita等人研究了复合催化剂对芴催化氧化合成9-芴酮的影响(Chemical Communications. 1999, 265-266)。这些催化剂包括RuCl₃、CoCl₂、AlCl₃等。在反应温度为70℃条件下反应3 h，9-芴酮的收率能达到93%。以过渡金属盐组合成的复合催化剂由于价格昂贵，存在难于回收再利用等问题。

Wang等人利用3-甲基吡啶-N-羟基邻苯二甲亚胺(Py-NHPI)和Co(PF₆)₂作为复合催化剂体系，以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([bmim][PF₆])作为反应溶剂，在反应温度为65℃、常压条件下与氧气反应24 h，以收率96%得到9-芴酮(Tetrahedron Letters. 2005, 46(27): 4647-4651.)。

由芳烃氧化获得芳香酮一直是人们研究热点之一，由于芳烃的α-H的键能较大，活化比较困难，传统上多采用重金属催化或Friedel-Crafts反应等方法。但是这些方法通常反应条件比较苛刻，成本较高，三废较多致使环境污染严重。另外催化剂制备过程繁冗复杂，给产品的纯化过程造成很大不便。近年来，于是人们把目光转移到无催化剂的氧化反应体系研究中。因此，开发工艺简单、无催化体系、绿色环保的芳香酮合成技术具有极大地现实意义以及潜在应用价值。

发明内容

本发明针对芳烃合成芳酮类化合物的方法中存在的反应条件苛刻，催化剂制备工艺流程繁冗，副产物多且产率低等缺点，提供了一种臭氧氧化芳烃制备芳香酮的方法，该制备方法不需要催化剂，具有工艺条件温和，原子经济性高，绿色环保高效等优点。

本发明采用如下技术方案：一种由臭氧氧化芳烃制备芳香酮的方法，以臭氧为氧化剂，以芳烃为反应物，以鼓泡搅拌釜或超重力旋转填料床中的任意一种作为反应器，将反应物与反应溶剂加入到反应器内，控制反应器内臭氧的气相浓度为10~200 mg/L，反应液温度为-20℃-50℃，反应10-60min即可获得芳香酮类化合物。

具体步骤如下：

（1）依次将反应物芳烃和反应溶剂加入到反应器的储液槽中；

（2）调节氧气钢瓶的减压阀，设定分压为0.1MPa，氧气进入臭氧发生器后，产生臭氧混合气体，设置气体流量为100 L/h，臭氧混合气体进入反应器中与反应物进行反应，控制臭氧的气相浓度为10~200 mg/L；

（3）将臭氧混合气体通入至反应装置中，设置反应液温度进行反应10~60 min；

（4）反应结束后，向反应液中加入饱和硫代硫酸钠溶液，萃取分离得到有机相，或者将氮气通入反应液中吹出残余的臭氧，旋转蒸发仪除去反应溶剂，采用蒸馏或硅胶柱层析得到高纯度的芳香酮类化合物。

所述反应溶剂为乙腈、二氯甲烷、乙酸乙酯或丙酮中的任意一种；所述反应物为乙苯、二苯甲烷或芴中的任意一种；所述反应物芳烃与反应溶剂的加入比例为10-50g：500ml。

所述硅胶柱层析中洗脱剂为体积比5:1~10:1的石油醚和乙酸乙酯的混合液。

本发明所述的超重力旋转填料床为已经公开的装置，包括填料床等多种形式的超重力反应器(参考申请号200510032296.6、201510093434.5、201510093447.2)，填料包括金属丝网、多孔板、泡沫材料以及规整填料中的任意一种。

本发明以臭氧为氧化剂，在不加入任何金属催化剂过程中，并在温和的反应条件下，将芳烃选择性氧化合成芳酮类化合物。该方法具有工艺简单、高效绿色、反应条件温、转化率高等优点。选用低毒性、低沸点试剂如丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷等作为溶剂，有利于溶剂回收再利用。该方法具有绿色环保、原子经济性高等优点，具有广阔的工业化应用前景。本发明操作简单、绿色环保、原子经济性高、反应条件温和以及易于工业化。

附图说明

图1为本发明的臭氧氧化乙苯合成苯乙酮的方程式；

图2为本发明的臭氧氧化二苯甲烷合成二苯甲酮的方程式；

图3为本发明的臭氧氧化芴合成9-芴酮的方程式；

图4为本发明制备苯乙酮的氢谱(¹H NMR)；

图5为本发明制备二苯甲酮的氢谱(¹H NMR)；

图6为本发明制备9-芴酮的氢谱(¹H NMR)。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。以便于本领域技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本领域技术人员来说，只要各种变化在权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种由臭氧氧化芳烃制备芳香酮的方法，以臭氧为氧化剂，以芳烃为反应物，以鼓泡搅拌釜或超重力旋转填料床中的任意一种作为反应器，将反应物与反应溶剂加入到反应器内，控制反应器内臭氧的气相浓度为10~200 mg/L，反应液温度为-20℃-50℃，反应10-60min即可获得芳香酮类化合物。

具体步骤如下：

(1) 依次将10~50 g反应物芳烃和500 mL反应溶剂加入到鼓泡搅拌釜或超重力反应器的储液槽中。

(2) 调节氧气钢瓶的减压阀，设定分压为0.1MPa，氧气进入臭氧发生器后，产生臭氧混合气体，设置气体流量为100 L/h，臭氧混合气体通入反应器中与反应物进行反应，控制臭氧的气相浓度为10~200 mg/L；

(3) 将臭氧混合气体通入至反应装置中，并设置反应液温度为-20℃~50 ℃，反应时间为10~60 min。

(4) 待反应结束后，向反应液中加入饱和硫代硫酸钠溶液，萃取分离得到有机相，或者将氮气通入反应液中吹出残余的臭氧，用旋转蒸发仪除去反应溶剂后，再采用蒸馏或硅胶柱层析得到高纯度的芳酮类化合物。

下面结合实施例对本发明做出进一步的说明。

实施例1：称取10g 乙苯溶于500 mL乙酸乙酯并置于鼓泡反应器中，调节臭氧气相浓度为80 mg/L，在反应温度为20℃条件下反应45min后，向反应液中加入饱和硫代硫酸钠溶液，萃取分离得到有机相，用旋转蒸发器除去有机溶剂后，经硅胶柱层析（洗脱剂为V_石油醚/V_乙酸乙酯=5:1）得到苯乙酮6.79 g，收率为60%。

制备的苯乙酮的氢谱(¹H NMR)如图4所示，¹H NMR(600 MHz, CDCl₃) δ 7.94-7.95(m, 2H), 7.54 (t, J = 6 Hz, 1H), 7.44 (t, J = 6 Hz, 1H), 2.58 (s, 3H)。通过数据分析，确认产物就是苯乙酮，且纯度为99%。该方法的优点是不使用任何催化剂，并且反应条件相对温和，工艺流程简单。

实施例2：称取10g 二苯甲烷溶于500 mL乙腈并置于储液槽中，气相臭氧浓度为200 mg/L，超重力反应器转速为1000 rpm。在反应温度为30℃条件下反应50 min后，向反应液中加入饱和硫代硫酸钠溶液，萃取分离得到有机相，用旋转蒸发器除去有机溶剂后，经硅胶柱层析（洗脱剂为V_石油醚/V_乙酸乙酯=10:1）得到二苯甲酮9.75 g，收率为90%。

制备的二苯甲酮的氢谱(¹H NMR)如图5所示，¹H NMR(600 MHz, CDCl₃) δ 7.79-7.80 (m, 4H), 7.57 (t, J = 6 Hz, 2H), 7.47 (t, J = 6 Hz, 4H)。通过数据分析，确认产物就是二苯甲酮，且纯度为99%。该方法的优点是不使用任何催化剂，并且反应条件相对温和，工艺流程简单。

实施例3：称取10 g芴溶于500 mL二氯甲烷并置于储液槽中，设置液体流量计为100 L/h，气体流量计为90 L/h，气相臭氧浓度为130 mg/L，超重力反应器转速为1000 rpm。在反应温度为50℃条件下反应10min后，向反应液中加入饱和硫代硫酸钠溶液，萃取分离得到有机相，用旋转蒸发器除去有机溶剂后，经硅胶柱层析（洗脱剂为V_石油醚/V_乙酸乙酯=5:1）得到9-芴酮3.21 g，收率为30%。

制备的9-芴酮的氢谱(¹H NMR)如图6所示，¹H NMR(600 MHz, CDCl₃) δ 7.65 (d,J = 12 Hz, 2H), 7..46-7.51 (m, 4H), 7.28 (t, J = 12 Hz, 2H)。通过数据分析，确认产物就是9-芴酮，且纯度为99%。该方法的优点是不使用任何催化剂，并且反应条件相对温和，工艺流程简单。

实施例4：称取30 g 乙苯溶于500 mL丙酮并置于储液槽中，设置液体流量计为100L/h，气体流量计为100 L/h，气相臭氧浓度为200 mg/L，超重力反应器转速为1000 rpm。在反应温度为-20℃条件下反应60 min后，向反应液中加入饱和硫代硫酸钠溶液，萃取分离得到有机相，用旋转蒸发器除去有机溶剂后，经硅胶柱层析（洗脱剂为V_石油醚/V_乙酸乙酯=7:1）得到苯乙酮9.05 g，收率为80%。

制备的苯乙酮的氢谱(¹H NMR)如图4所示，¹H NMR(600 MHz, CDCl₃) δ 7.94-7.95(m, 2H), 7.54 (t, J = 6 Hz, 1H), 7.44 (t, J = 6 Hz, 1H), 2.58 (s, 3H)。通过数据分析，确认产物就是苯乙酮，且纯度为99%。该方法的优点是不使用任何催化剂，并且反应条件相对温和，工艺流程简单以及苯乙酮收率较高。

实施例5：称取50 g芴溶于500 mL二氯甲烷并置于鼓泡反应器中，气体流量计为100 L/h，气相臭氧浓度为10 mg/L，在反应温度为50℃条件下反应10 min后，将氮气通入反应液中吹出残余的臭氧，然后用旋转蒸发器除去有机溶剂后，经蒸馏得到9-芴酮5.42 g，收率为10%。

制备的9-芴酮的氢谱(¹H NMR)如图4所示，¹H NMR(600 MHz, CDCl₃) δ 7.65 (d,J = 12 Hz, 2H), 7.46-7.51 (m, 4H), 7.28 (t, J = 12 Hz, 2H)。通过数据分析，确认产物就是9-芴酮，且纯度为99%。该方法的优点是不使用任何催化剂，并且反应条件相对温和，工艺流程简单。