用于制备卤代芳香二酸的方法 本专利申请要求享有2006年12月21日提交的美国临时申请60/876,576的优先权，将所述文献全文引入作为本文的一部分，以用于各种目的。
【技术领域】
本发明涉及卤代芳香二酸的制备，所述卤代芳香二酸在工业上用作化合物以及多种有用材料合成中的组分。
背景技术
如式(I)结构概述的卤代芳香二酸
其中X＝Cl、Br或I，并且n＝1或2，具有多种工业用途，例如用作阻燃剂，以及用作颜料、染料、除草剂和聚合物制备中的中间体。
如式(II)结构概述的一种此类化合物，2，5-二溴对苯二酸，
可通过在乙酸中使用Co/Mn II催化剂氧化2，5-二溴-1，4-二甲基苯来制得，如GB 1,238,224中所述。在间歇式方法中，收率高达约70％，而在半连续操作模式下，收率高达85％。美国专利3,894,079描述了在碘和溴的存在下，在含有三氧化硫的氯磺酸或氟磺酸中溴化对苯二酸，实证收率为约44％至70％的2，5-二溴对苯二酸。其它已知方法使用化学计量量的KMnO4 HNO3或Na2CrO7作为氧化剂。
如加拿大专利1,173,458中所述，可通过在约150℃至约300℃的反应温度和约100至约1000psig的反应压力下，在催化剂体系的存在下，在乙酸溶剂中用含氧气体氧化2，5-二氯-1，4-二甲基苯，来制得2，5-二氯对苯二酸，其中所述催化剂体系包含约0.02重量％至约2重量％量的钴化合物催化剂，约0.02重量％至约2重量％量的锰化合物助催化剂，和约0.03重量％至约8重量％量的溴化合物促进剂，所述重量百分比是按所述溶剂的重量计的。
如美国专利3,142,701中所述，可通过逐渐将所期望的卤素(溴、氯或碘)加入到对苯二酸的发烟硫酸(即SO3/H2SO4)溶液中，然后将温度升至约50℃至75℃，并且加热若干小时，来制得2，5-二碘对苯二酸、2，5-二氯对苯二酸和2，5-二溴对苯二酸。
尽管已有方法用于制备如上所述的卤代芳香二酸，但是仍需要一种具有所期望的高选择性、高收率、高产物纯度并且易于回收的方法。
【发明内容】
本文公开的发明包括制备卤代芳香二酸的方法，可由卤代芳香二酸转化而来的产物的制备方法，此类方法的使用，以及由此类方法获得的和可获得的产物。
本文方法的一个实施方案提供了制备卤代芳香二酸的方法，所述卤代芳香二酸如式(I)结构描述
其中X为Cl、Br或I，并且n＝1或2，所述方法
(a)提供催化剂体系在溶剂中的溶液，所述催化剂体系包含钴化合物、锰化合物、锆化合物和溴化合物；
(b)使所述溶液接触如式(III)结构描述的卤代二甲基苯
以形成反应混合物；
(c)搅拌所述反应混合物，同时向其中注入含氧气体；
(d)在第一温度下加热所述反应混合物，以氧化卤代二甲基苯的两个甲基中的一个，以制得如式(IV)结构描述的化合物；和
(e)在高于所述第一温度的第二温度下加热所述反应混合物，以氧化式(IV)化合物中的甲基，以制得卤代芳香二酸。
本文方法的另一个实施方案涉及用于制备卤代芳香二酸的方法，所述方法还包括使卤代芳香二酸经历反应(包括多步反应)以由此制得化合物、单体、低聚物或聚合物的步骤。
发明详述
采用四组分催化剂体系和两阶段升温过程，通过用含氧气体氧化，实施由卤代二甲基苯制备由式(I)结构概述的卤代芳香二酸的方法。在若干具体的实施方案中，由本文方法制得的卤代芳香二酸可为2，5-二溴对苯二酸、2，5-二氯对苯二酸、2-溴对苯二酸、2-氯对苯二酸、2，4-二溴间苯二酸间苯二酸、2，4-二氯间苯二酸、2-溴间苯二酸、2-氯间苯二酸、4-溴间苯二酸、4-氯间苯二酸、5-溴间苯二酸或5-氯间苯二酸。
本文所用催化剂体系可包含钴化合物、锰化合物、锆化合物和溴化合物。钴化合物：锰化合物：锆化合物：溴化合物的摩尔比优选为约1∶1-1.5∶0.05-0.2∶1-3。
适用于本文催化剂体系中的钴化合物包括钴盐，诸如乙酸钴、环烷酸钴、2-乙基己酸钴、溴化钴以及它们的混合物。钴化合物的用量按卤代二甲基苯的摩尔数计优选为约0.1摩尔％至约5摩尔％。优选的钴化合物是乙酸钴。
适用于本文催化剂体系中的锰化合物包括锰盐，诸如乙酸锰、环烷酸锰、2-乙基己酸锰、溴化锰以及它们的混合物。锰化合物的用量按卤代二甲基苯的摩尔数计优选为约0.1摩尔％至约5摩尔％。优选的锰化合物是乙酸锰。
适用于本文催化剂体系中的锆化合物包括锆(IV)盐，诸如乙酸锆、环烷酸锆、2-乙基己酸锆、溴化锆以及它们的混合物。锆化合物的用量按卤代二甲基苯地摩尔数计优选为约0.01摩尔％至约0.5摩尔％。优选的锆化合物催化剂为乙酸锆。
适用于本文催化剂体系中的溴化合物包含溴盐，诸如溴化钠、溴化钾、溴化氢、溴、溴化钴、溴化锰、溴化锆、四溴乙烷以及它们的混合物。溴化合物的用量按卤代二甲基苯的摩尔数计优选为约0.2摩尔％至约8摩尔％。优选的溴化合物是溴化钠或溴化钾。本发明不受任何具体操作理论的限制，据信溴化合物可用作催化剂体系中的促进剂。
优选的催化剂体系包含乙酸钴、乙酸锰、乙酸锆和溴化钠，乙酸钴∶乙酸锰∶乙酸锆∶溴化钠的摩尔比为约1∶1-1.5∶0.05-0.2∶1-3，并且更优选约1∶1∶0.1∶2。
适用于本发明催化剂体系中的各种钴、锰、锆和溴化合物可从供应商处商购获得，诸如Alfa Aesar(Ward Hill，Massachusetts)、CityChemical(West Haven，Connecticut)、Fisher Scientific(Fairlawn，New Jersey)、Sigma-Aldrich(St.Louis，Missouri)或Stanford Materials(Aliso Viejo，California)。
在溶剂诸如一元羧酸溶剂中制备所述催化剂体系的溶液。为此目的，适于用作溶剂的一元羧酸实例包括但不限于具有2至8个碳原子的脂族一元羧酸(例如乙酸、丙酸、丁酸等)、苯甲酸、溴苯甲酸和苯乙酸。优选具有2至8个碳原子的脂族一元羧酸，并且更优选乙酸。
使催化剂体系的溶液接触卤代二甲基苯。溶剂用量不是关键性的，并且可在宽的范围内变化。通常，溶剂与卤代二甲基苯的相对量将在约15至约50克卤代二甲基苯每一百克溶剂(诸如一元羧酸溶剂)的范围内。
本文的方法可以两阶段液相氧化反应形式实施，其中使用包含钴、锰、锆和溴化合物的催化剂体系来将卤代二甲基苯上的烷基取代基催化氧化成羧酸取代基。含氧气体诸如包含分子氧的气体为氧化反应提供氧。所述方法可在例如密闭反应器中实施，使压力保持在约100psi(0.7MPa)和约1500psi(10.3MPa)之间，优选在300psi(2.1MPa)和约500psi(3.4MPa)之间。使用本领域已知的实施液相氧化的技术，以间歇方法、半连续方法或连续方法形式实施所述方法。
在间歇方法中，在环境温度至第一反应温度的温度范围内，在反应容器中使卤代二甲基苯与催化剂体系溶液混合，并且将含氧气体注入到密闭的反应容器中。含氧气体的注入可部分地或完全地提供所期望的搅拌，或使用其它装置来替代或辅助提供搅拌，因为有效的搅拌可向反应溶液中充分提供溶解的氧。
然后在约120℃至约150℃的第一反应温度下加热所述反应混合物，同时将反应混合物连续搅拌，并且连续注入含氧气体，以将较活泼的第一甲基氧化成羧酸基团-COOH[参见式(IV)结构]。所用含氧气体可从纯氧气变化至包含约0.1重量％分子氧的气体，剩余气体可以是在液相氧化反应中呈惰性的载气诸如氮气。出于经济原因，分子氧来源通常为空气。此氧化阶段进行的具体时间将取决于溶液的温度、催化剂的量、压力和搅拌程度。通常此步骤花费约0.5至约5小时。可用任何常规的已知装置诸如气体分散搅拌器或供压缩气体注入的阀式入口来引入含氧气体。
在所述方法的下一个阶段，在高于所述第一温度的第二温度下，加热所述反应混合物，同时连续搅拌所述溶液，并且将含氧气体连续注入到其中。第二温度可介于约150℃和约180℃之间。这可将剩余的甲基氧化成羧酸基团-COOH，以制得所期望的卤代芳香二酸[由式(I)结构概述]。所述含氧气体可包含约15重量％至100重量％的氧，但是同样出于方便原因，其通常为空气。所述第二反应温度比所述第一反应温度高约20至约30℃。此氧化阶段进行的具体时间将取决于溶液的温度、催化剂的量、压力和搅拌程度。通常此步骤耗费约1至约15小时。
本发明方法可以连续方式进行，其中在包括第一氧化温度在内的预定反应条件和加入速率下，可将包含卤代二甲基苯给料、催化剂体系、分子氧源和溶剂的反应组分连续加入到第一氧化反应区域中的选定位点处。在连续氧化方法中，包含部分氧化的卤代二甲基苯[式(IV)]的反应产物混合物可从第一氧化反应区域中连续移除，并且在第二氧化反应温度下加入到第二反应区域中。然后通常将包含所期望卤代芳香二酸[式(I)]的反应产物混合物从第二反应区域中连续移除。
然后冷却反应混合物或使其冷却，并且通过本领域已知的任何便利方法，通常为简单的抽滤，回收沉淀出的产物。
本文的催化剂体系、分阶段达到的温度、和整个过程期间分子氧的加入共同作用，可获得具有更高选择性、收率和纯度的产物。由于在整个过程期间避免氧浓度降低，因此使副产物的形成呈现最小化。因此，改善了产品收率和纯度。
如本文所用，术语产物P的“选择性”是指最终产物混合物中P的摩尔分数或摩尔百分比。如本文所用，术语“转化率”是指所消耗的反应物的量占理论量的分数或百分比。因此，转化率乘以选择性等于P的最大“收率”。一般情况下，由于在诸如分离、处理、干燥等活动过程中样本会有损耗，因此实际收率(还被称为“净收率”)将略微小于最大收率。如本文所用，术语“纯度”是指所指定的物质在所得的分离样品中实际所占百分比。
如果需要，可如上所述分离和回收卤代芳香二酸产物。在经历或不经历从反应混合物中回收的情况下，还可使其经历其它步骤，以将其转变成另一种产物，诸如另一种化合物(例如单体)或最终的低聚物或聚合物。因此，本文方法的另一个实施方案提供了通过反应(包括多步反应)将卤代芳香二酸转变成另一种化合物或转变成低聚物或聚合物的方法。可经由如上所述的方法制得卤代芳香二酸，然后转变成例如化合物诸如二羟基对苯二酸或二烷氧基对苯二酸。可经由美国专利申请SN 11/604,935中公开的方法，将卤代芳香二酸转变成二羟基对苯二酸或二烷氧基对苯二酸，将所述文献全文引入作为本文的一部分，以用于各种目的。
在多步方法中，可使如此制得的二羟基对苯二酸或二烷氧基对苯二酸继而经历聚合反应，以由此制得低聚物或聚合物，诸如具有一个或多个以下官能团的那些：酯官能团、醚官能团、酰胺官能团、酰亚胺官能团、咪唑官能团、碳酸酯官能团、丙烯酸酯官能团、环氧官能团、尿烷官能团、乙缩醛官能团、或酸酐官能团，或吡啶并双咪唑-2，6-二基(2，5-二羟基对亚苯基)聚合物。
在氮气下，在0.1％ZN3(BO3)2的1-甲基萘溶液的存在下，通过与二甘醇或三甘醇反应可将二羟基对苯二酸或二烷氧基对苯二酸(从而卤代芳香二酸最终为其前体)转变成聚酯，如US 3,047,536中所公开(将所述文献全文引入作为本文的一部分，以用于各种目的)。类似地，据US3,227,680所公开(该专利全文引入作为本文的一部分，以用于各种目的)，2，5-二羟基对苯二甲酸适合与二元酸和二元醇进行共聚以制备热稳定的聚酯，其中代表性的条件包括在存在四异丙氧基钛、温度为200℃至250℃的条件下在丁醇中形成预聚物，然后在280℃、0.08mm汞柱压力条件下进行固相聚合。
如US 5,674,969(将所述文献全文引入作为本文的一部分，以用于各种目的)中所公开，还可通过在多磷酸强酸中在高于100℃至最多约180℃下缓慢加热并且在减压下，使2，5-二羟基对苯二酸(从而卤代芳香二酸最终为其前体)与四氨基吡啶的三盐酸化一水合物反应，接着在水中沉淀；或如提交于2005年3月28日、公布为WO 2006/104974的美国临时申请60/665,737(将所述文献全文引入作为本文的一部分，以用于各种目的)中所公开，通过在约50℃至约110℃的温度下混合单体，然后在145℃下形成低聚物，然后使低聚物在约160℃至约250℃下反应，可使2，5-二羟基对苯二酸(从而卤代芳香二酸最终为其前体)转变成聚合物。可如此制备的聚合物可以为吡啶并二咪唑-2，6-二基(2，5-二羟基-对亚苯基)聚合物，例如聚(1，4-(2，5-二羟基)亚苯基-2，6-吡啶并[2，3-d：5，6-d′]双咪唑)聚合物。然而，这些聚合物的吡啶并二咪唑部分可以被置换为苯并二咪唑、苯并二噻唑、苯并二噁唑、吡啶并二噻唑和吡啶并二噁唑中的任何一种或多种；而这些聚合物的2，5-对二羟基苯部分可以被替代为一种或多种以下物质的衍生物：间苯二甲酸、对苯二甲酸、2，5-吡啶二甲酸、2，6-萘二甲酸、4，4’-二苯基二甲酸、2，6-喹啉二甲酸、以及2，6-双(4-羧基苯基)吡啶并二咪唑。
实施例
可从如下所述的一系列实施例(实施例1至8)中了解本发明方法的有利特征和效用。作为实施例基础的这些方法的实施方案仅是例证性的，并且选择那些实施方案来示例本发明并不表示没有描述于这些实施例中的条件、排列、方法、技术、构造或反应物不适用于实施这些方法，也并不表示没有描述于这些实施例中的主题在附加权利要求及其等同物范畴之外。
以下物质用于实施例中。所有商购试剂均按原样使用。
2，5-二溴-1，4-二甲基苯(98％纯度)、2-溴-1，4-二甲基苯(99％纯度)、2-氯-1，4-二甲基苯(99％纯度)、2，5-二氯-1，4-二甲基苯(97％纯度)、Co(OAc)2·4H2O、Mn(OAc)2·4H2O、Zr(OAc)4和NaBr均得自AldrichChemical Company(Milwaukee，Wisconsin，USA)。
缩写的含义如下：“DBTA”是指2，5-二溴对苯二酸，“DBX”是指2，5-二溴-1，4-二甲基苯，“OAc”是指乙酸根(CH3COO-)，“h”是指小时，“g”是指克，“mmol”是指毫摩尔，“MPa”是指兆帕，“重量％”是指重量百分比，“psig”是指磅每平方英寸表压，并且“NMR”是指核磁共振光谱。
实施例1
此实施例示出了由2，5-二溴-1，4-二甲基苯制备2，5-二溴对苯二酸的方法。
在配备内置冷却旋管和回流冷凝器的搅拌高压釜中，使2，5-二溴-1，4-二甲基苯(372mmol)与包含Co(OAc)2·4H2O(2.5mmol)、Mn(OAc)2·4H2O(2.5mmol)、Zr(OAc)4(0.25mmol)和NaBr(5mmol)的500g 97％乙酸溶液混合。使用气体分散搅拌器，以恒定速率搅拌所述混合物，以更好地混合气体，并且将所述混合物在150℃下加热2h(表1中将此阶段注为“T-1”)，接着将温度升至180℃，加热4h(表1中将此阶段注为“T-2”)。当加热反应时，可用400psig(2.76MPa)背压使气体连续鼓泡通过所述体系。在反应完成后，释压并且使反应器冷却至50℃。排出产物，用50g乙酸将反应器洗涤两次，以再收集产物。经由吸滤收集白色固体，用水洗涤，并且真空干燥以获得310g(84％)白色固体状产物2，5-二溴对苯二酸，经由1H NMR测定，纯度为99％。
实施例2至5
这些实施例示出了改变阶段、时间和温度对2，5-二溴对苯二酸净收率和纯度的影响。除了表1中示出的那些，使用实施例1中的方法，实施实施例2至5。每种情况下，产物2，5-二溴对苯二酸均为白色固体，纯度为至少99摩尔％。
表1
实施例6
此实施例示出了由2-溴-1，4-二甲基苯制备2-溴对苯二酸的方法。
在配备内置冷却旋管和回流冷凝器的搅拌高压釜中，使2-二溴-1，4-二甲基苯(541mmol)与包含Co(OAc)2·4H2O(0.625mmol)、Mn(OAc)2·4H2O(0.625mmol)、Zr(OAc)4(0.15mmo l)和NaBr(0.525mmol)的500g 97％乙酸溶液混合。使用气体分散搅拌器，以恒定速率搅拌所述混合物以更好地混合气体，并且将所述混合物在150℃下加热2h，接着将温度升至180℃，加热4h。当加热反应时，可用400psig(2.76MPa)背压使气体连续鼓泡通过所述体系。在反应完成后，释压并且使反应器冷却至50℃。排出产物，用50g乙酸将反应器洗涤两次，以再收集产物。经由吸滤收集白色固体，用水洗涤，并且真空干燥以获得113g(85％)白色固体状产物2-溴对苯二酸，经由1H NMR测定，纯度为99％。
实施例7
此实施例示出了由2-氯-1，4-二甲基苯制备2-氯对苯二酸的方法。按照实施例6实施所述实施例，不同的是使用2-氯-1，4-二甲基苯替代2-溴-1，4-二甲基苯。过滤并且真空干燥，获得45g(42％)白色固体状产物2-氯对苯二酸，经由1H NMR测定，纯度＞99％。
实施例8
此实施例示出了由2，5-二氯-1，4-二甲基苯制备2，5-二氯对苯二酸的方法。按照实施例6实施所述实施例，不同的是使用2，5-二氯-1，4-二甲基苯(571mmol)替代2-溴-1，4-二甲基苯。过滤并且真空干燥，获得115g(86％)白色固体状产物，经由1H NMR测定，纯度＞99％。
凡在本文中给出某一数值范围之处，所述范围包括其端点，以及位于所述范围内的所有单独整数和分数，并且还包括由其中那些端点和内部整数和分数的所有各种可能组合形成的每一个较窄范围，以在相同程度的所述范围内形成更大数值群的子群，如同每一个那些较窄范围有明确表示一样。当本文中的数值范围被描述为大于某设定值时，所述范围仍然是有限的，并且被如本文所述的发明上下文中切实可行的值限定其上限。当本文中的数值范围被描述为小于某设定值时，所述范围仍然被非零值限定其下限。
此外，除非在使用情形下另外明确指明或相反指明，本文所述的含量、大小、制剂、参数以及其它量和特性，尤其是当由术语“约”修正时，可以但不必精确，并且可接近和/或大于或小于(按需要)所述值，反映偏差、转换因子、四舍五入、测量误差等，并且将在所述值之外的在本发明上下文中具有与所述值相等功能和/或操作的那些值包括在所述值内。
此外，在本说明书中，除非在使用情形下另外明确指明或相反指明，其中本发明主题的实施方案被论述或描述为包含、包括、含有、具有、涵盖或包容一些特征或要素，除了明确论述或描述的那些以外，一个或多个特征或要素也可存在于实施方案中。然而，本发明主题的一个可供选择的实施方案可被论述或描述为基本上由一些特征或要素组成，其中将会显著地改变操作原理或实施方案显著特性的实施方案特征或要素不存在于本文中。本发明主题的另一个可供选择的实施方案可被论述或描述为基本上由一些特征或要素组成，在所述实施方案或其非本质变型中，仅存在所具体论述或描述的特征或要素。