本发明属于有机化合物的制备方法。 1,4-萘醌(以下简称萘醌)系有机中间体,其制备可采用萘的气相氧化法或从邻苯二甲酸酐生产的尾气中回收。气相氧化法对萘醌的选择性差,反应中会生成等量的萘醌和邻苯二甲酸酐。尾气中的萘醌含量很低。回收困难。
采用液相氧化法,反应条件温和,对萘醌的选择性好,尤其是采用可变价的高价离子为氧化剂将萘氧化为萘醌后,低价离子经电解法氧化再生(即间接电氧化法)具有更大的优越性,避免了三废污染。
以前的工艺过程当采用硝酸铈铵一硝酸溶液为氧化剂氧化萘时,生成4.6~5.4%的1-硝基萘副产物(ICI,英国专利1192037,1203434)。用硝酸铈一硝酸溶液为氧化剂氧化萘时,也会生成8~10%的硝基萘副产物(Dimond Shamrook Corp.欧洲专利75828)。采用硫酸高铈一硫酸溶液为氧化剂时,物料的体积大,空时收率仅1.6~2.9g/L·hr(ICI,英国专利1192037)产品后处理复杂,要经过碱洗、干燥或水蒸汽蒸馏或真空蒸馏的方法得到产品(ICI英国专利1192037,1203434,1360904)。即使不用有机溶剂进行氧化反应,反应结束后,尚需用有机溶剂萃取出产品,再经上述方法得到固体萘醌(British Columbia Research Council,加拿大专利1132996)。氧化过程为间歇或多釜串联操作(ICI,英国专利1192037),大规模生产困难。
本发明的目的在于提供一个间歇或连续方式,适合工业化生产萘醌的方法。
本发明采用硫酸高铈一硫酸溶液(以下简称水相)为氧化剂。将原料萘溶解在水不溶性惰性有机溶剂(以下简称有机相)中,在充分搅拌下进行氧化反应。反应结束,水相经水不溶性惰性有机溶剂萃取后,在电解槽中将亚铈离子(Ce(Ⅲ))电解再生为高铈离子(Ce(Ⅳ)),重新用于萘氧化过程,有机相冷却析出固体萘醌,溶剂回收再用。
所用的有机溶剂应为水不溶性惰性有机溶剂。该溶剂与水不互溶并具有强的抗氧化性,此外对萘应有一定的溶解度,而且在热时对萘醌的溶解度较大,在冷时对萘醌地溶解度又较小。本发明所用的水不溶性惰性有机溶剂为沸程80~140℃的脂肪烃,其特点在于反应后的萘醌可以直接冷却析出。
为了加快反应速度和防止萘醌的过氧化发生,应保持萘的高浓度。采用低的萘单程转化率的方法,可以达到理想的效果。萘的单程转化率为20~70%,最好是25~40%。
硫酸高铈和萘的投料比,直接影响反应时间和萘的转化率。本发明采用硫酸高铈和萘的克分子配比为2∶1~6∶1最好是3∶1~4∶1。
连续氧化过程,在具有多级反应区,有叶轮搅拌的塔中进行。塔中加有固定塔板,将塔分为13~16级反应区,每级反应区的高度为塔直径的0.9~1.1倍。在反应区内要保证反应物两相的充分混合及相对流动,水相由塔顶加入,反应后由塔底流出;有机相由塔底加入,反应后由塔顶流出。在氧化塔的塔顶与塔底分别有相分离区,其高度为塔直径的1~4.5倍。
氧化反应时间的长短,对萘醌的空时收率和质量有一定的影响。在连续氧化中,物料平均停留时间为3~9分钟。在间歇氧化中,视不同的投料比而定,一般为4~60分钟。
萘氧化后水相中溶解的少量萘醌,用沸程为80~140℃脂肪烃萃取。以保证萘醌的高收率,并且避免在电氧化过程中萘醌在阳极上被分解,消耗电能。萃取用的溶剂量为水相重的1/16~1/23。
萃取过程在萃取塔中进行。有机溶剂予热后由塔底加入,萘氧化后的水相由塔顶加入。逆流萃取后,有机溶剂由塔顶流出,冷却析出固体萘醌后,溶剂回收再用。水相由塔底流出,进入电解槽氧化再生。
氧化和萃取均在60~80℃下进行。
冷却析出的固体萘醌,首先用5~10倍于萘醌重量的水洗,再用1~5倍于萘醌重量的上述有机溶剂淋洗,过滤,干燥。萘醌纯度大于95%,收率75~83%(以转化的萘计)空时收率6~42g/L·hr。
萘氧化后含亚铈离子的水相经电解再生为高铈离子,重新用于氧化过程。电解再生在有多孔瓷管或阳离子交换隔膜的电解槽中进行。电解槽中阳极为陶瓷基体电镀过氧化铅,阴极为铅或2RK65耐酸不锈钢。使用2RK65耐酸不锈钢具有槽压降低的优点。为了保证电解液在阳极表面的良好传质,除采用其它方法外,可采用空气或氮气鼓泡的方法。电流效率为85~96%。
例1
取硫酸高铈12.6g(0.0312Mol)溶解在125mLM硫酸溶液中。有机相为萘2g(0.0156Mol)溶解在20mL沸程80~140℃的脂肪烃溶剂中。将水相加入到带有搅拌和温度计的三口烧并中,开动搅拌,升温至70℃。加入有机相,反应7分钟。分离水相和有机相。使有机相冷却析出固体萘醌。水相用有机溶剂萃取。萘醌收率23.9%(按加入的萘计),空时收率35g/L·hr。
例2
取硫酸高铈的1M硫酸溶液94mL(Ce Ⅳ 0.0312Mol),有机相为萘1g(0.0078MoL)溶解在20mL沸程80~140℃的脂肪烃溶剂中,其余同例1。萘醌收率59.0%(按加入的萘计),纯度95%
例3
反应在上述的氧化塔中进行,塔体积650mL。物料进塔前予热到65~70℃,塔夹套保温至68~70℃。有机相为含萘83%的沸程为80~140℃的脂肪烃;水相为含硫酸高铈5.9%的1M硫酸溶液。水相以157mL/Min的流量由塔顶加入,有机相以18.4mL/Min的流量由塔底加入,搅拌下反应。反应后的水相由塔底流出,进入萃取塔;有机相由塔顶流出,冷却析出固体萘醌,有机溶剂回收再用。
萃取在萃取塔中进行。不含萘的上述有机溶剂由塔底加入,萘氧化后的水相由塔顶加入。萃取塔与氧化塔保持同样的温度。逆流萃取后,水相由塔底流出,进入电解槽氧化再生;有机相冷却析出固体萘醌后,回收再用。
固体萘醌用6倍于萘醌重量的水洗,过滤后,用2倍于萘醌重量的上述不含萘的有机溶剂分两次洗涤,过滤。回收溶剂,干燥。萘醌纯度95.3%,收率82.4%(按转化的萘计),空时收率41.8g/L·hr,萘单程转化39%。
例4
亚铈离子电解再生,在阳离子交换隔膜电解槽中进行。以陶瓷基体电镀过氧化铅为阳极,以铅为阴极,电解液为含硫酸亚铈0.2M的1M硫酸溶液。阳极区电解液重348g,阴极区电解液重117g。开动叶轮搅拌,保持温度57~59℃,电解54分钟。亚铈离子有75.3%转化为高铈离子,电流效率为95.8%。
例5
电解槽为直径75mm的塑料筒,内用多孔瓷管为隔膜,阴极为2RK65耐酸不锈钢,其余条件同例4,槽压降3.0~3.2V,电流效率为93%。
例6
电解槽为直径75mm的塑料筒,采用空气鼓泡搅拌,空气用量为0.4m3/hr,其余条件同例4,电流效率为92%。