雜芳族羧酸的制造方法

專利名稱：雜芳族羧酸的制造方法
技術領域：
本發明涉及用于制造雜芳族羧酸如煙酸的烷基雜芳族化合物、尤其是含氮雜芳族化合物的選擇性部分氧化方法。
背景技術：
來源于甲基吡啶的吡啶羧酸是藥物工業中的重要中間體。具體而言，用作維生素B3前體的3-吡啶羧酸或煙酸已經得以大規模生產。人們使用兩種基礎方法來合成吡啶羧酸。一種方法基于來源于吡啶甲腈的吡啶甲酰胺的水解，另一種是用空氣、硝酸、二氧化硒等來氧化烷基吡啶。甲基吡啶的氨氧化形成吡啶甲腈，吡啶甲腈隨后經由吡啶甲酰胺水解成吡啶羧酸。通過用硝酸氧化5-乙基-2-甲基吡啶，3-吡啶羧酸已經得以商業化生產。
已知與相應的碳環化合物相比，將烷基雜芳族化合物選擇性氧化成羧酸要困難得多。將烷基雜芳族化合物氧化成羧酸所需的停留時間遠高于等價的碳環烷基芳族化合物。例如，JP-07233150(NissanChemical International)公開了一種在乙酸中使用鈷錳鈰溴化物催化劑通過氧化作用從3-甲基吡啶制造煙酸的方法，其所需的反應時間為3小時。將對二甲苯氧化成對苯二酸的類似研究顯示其所需的停留時間為40分鐘或更少(US-3354202)。
傳統方法需要的停留時間長，且產生大量不需要的副產物。副產物包括目標羧酸的部分氧化中間體，例如醛中間體。例如，3-甲基吡啶(3-Mpy)氧化生成3-吡啶羧酸(3-PyA)，這可能導致3-吡啶醛(3-PyAl)的水平相當高。此外，產物脫羧可以產生未取代雜芳族化合物本身，在3-甲基吡啶氧化的情況下即為吡啶。
JP-2002-226404(Daicel Chemical Industries Ltd)公開了一種在乙酸中使用N-羥基苯鄰二甲酰亞胺作為乙酸中氧化的助催化劑，從3-甲基吡啶制造煙酸的方法。但是，該方法需要的停留時間長，而且在經濟上不可行，這是因為其產生大量來源于所加助催化劑的苯鄰二甲酰亞胺和鄰苯二甲酸鹽(酯)雜質。
DE-19822788(Lonza AG)中描述的商業上將3-甲基吡啶氧化成煙酸的氣相法存在有幾個缺點。由于反應是放熱的，使反應在氣相中進行增加了熱傳遞的局限性，從而降低了從反應中除去能量的效率。另外，由于反應在固定床非均相催化劑上進行，反應僅僅在催化劑的表面發生，而不是遍及流體介質發生。
仍然需要提供雜芳族羧酸的改進的制造方法，尤其是反應時間和副產物形成得以降低的方法。
另外還需要避免使用大量的有機溶劑如乙酸，乙酸相對造價高，且由于環境限制，可能需要回收和再循環。使用乙酸的另一個問題是在某些條件下乙酸與空氣或氧混合時容易燃燒。使用有機溶劑的另一個問題是氧化劑在其中的溶解性會很低。例如，使用二氧(dioxygen)作氧化劑時，二氧在反應介質中主要以離散的氣泡存在，僅有少部分二氧溶解在溶劑中。直到前體與二氧之間的反應是源于二氧從氣泡向本體液體內的擴散的程度上，反應速率受到二氧在溶劑中溶解性低的限制。
目前已經發現，可以通過在超臨界水中將前體氧化而合成雜芳族羧酸。
Holliday R.L.等人(J.Supercritical Fluids 12，1998，255-260)說明了一種在亞臨界(sub-critical)水反應介質中使用分子氧作為氧化劑從烷基芳族化合物特別是合成芳族羧酸的間歇式方法。水在接近臨界點(374℃，220.9bara)時其介中常數的值從室溫下的大約80C2/Nm2大幅降低至5C2/Nm2，使其可以溶解有機分子。因此，在超臨界條件或接近超臨界條件下水于是在一定程度上表現得與有機溶劑類似，使烴類如二甲苯與水完全混溶。例如，對苯二酸在低于約200℃的水中實際上是不溶的。二氧在亞臨界水和超臨界水中的溶解性也非常高。
國際專利申請WO 02/06201公開了一種制造芳族羧酸如對苯二酸或間苯二酸的連續方法，該方法包括在超臨界條件或接近超臨界點的接近超臨界的條件下在水性溶劑中使羧酸的一種或多種前體氧化。
本發明的目的在于提供反應時間減少的、以高產率、高選擇性制造雜芳族羧酸的替代性改進方法，其中消除了對使用有機物質作為溶劑的需要。本發明的另一個目的在于提供其中反應過程中基本上所有的反應物及產物均保留在共同相中的制造雜芳族羧酸的替代性改進方法。

發明內容
根據本發明，提供了一種雜芳族羧酸的制造方法，其包括在催化劑的存在下使所述羧酸的前體與氧化劑接觸，所述接觸由所述前體和催化劑在包括水的水性溶劑中在超臨界條件或接近超臨界點的接近超臨界的條件下實現。
本發明方法的優點在于它涉及的停留時間短、且表現出很高的產率和良好的產物形成選擇性。此外，通過在超臨界或接近超臨界的條件下使用水，可以在不采用脂肪族羧酸如乙酸作為主要溶劑的情況下制造所需的雜芳族羧酸。
反應過程中基本上所有產生的羧酸保留在溶液中，之后從反應介質中回收羧酸。
優選地，該方法以反應物和溶劑形成其中所討論的組分在分子水平上混合的基本上單一均勻的流體相的狀況下進行。這與現有技術中二氧在反應介質中存在為離散氣泡是截然相反的。到前體與二氧之間的反應源自二氧從氣泡向本體液體內的擴散的程度上，傳統方法的反應速率受到二氧在有機溶劑中溶解性不高的限制。使用超臨界或接近超臨界條件下的水作為溶劑使反應動力學發生變化，這是因為當接近并超過超臨界點時二氧在水中的濃度顯著增加。而且，當水溶劑處于超臨界或接近超臨界的條件下時，普遍的高溫進一步提高了反應動力學。高溫、高濃度和均勻性的結合意味著與傳統方法中采用的停留時間相比，前體轉化成羧酸的反應可以極為迅速地發生。
在這些條件下，中間體雜質如醛中間體很容易氧化成所需的羧酸。此外，前體和氧化劑之間的自催化破壞性反應及催化劑的消耗均降至最低。
優選地，所述的接觸使得前體、氧化劑和水性溶劑在反應區中構成基本上單一均勻的相，其中至少一部分所述前體與所述氧化劑的接觸和所述催化劑與至少一部分所述氧化劑的接觸是同時的。
優選地，所述的接觸在連續流動反應器內進行。在可選的實施方案中，該方法可以在間歇式反應器中以間歇式反應進行。
該方法可以用于制備含有1、2或3個雜原子、優選為1或2個雜原子、更優選為1個雜原子的雜芳族羧酸，所述雜原子優選地選自氮和氧，優選為氮。優選地，雜芳族羧酸包括5元環或6元環體系，優選為6元環體系。優選地，雜芳族羧酸是單環或二環羧酸，優選為單環羧酸。該方法尤其適用于制造含氮的雜芳族化合物，特別是包括1、2或3個氮原子的含氮雜芳族化合物，特別是包括6元環的含氮雜芳族化合物。在優選的實施方案中，雜芳族羧酸包括吡啶環或嘧啶環，優選為吡啶環。在優選的實施方案中，雜芳族羧酸為煙酸。
合適的前體為烷基取代的雜芳族化合物，尤其是甲基取代的雜芳族化合物。在優選的實施方案中，前體為烷基吡啶或烷基嘧啶，優選為烷基吡啶，優選為甲基吡啶，優選為3-甲基吡啶。在本文所述的方法中，優選僅使用所需羧酸的一種前體。但是，另外可選地，也可以使用所需羧酸的一種以上前體。除烷基取代基以外，雜環前體可以任選地具有一個或多個其它取代基，例如羥基、硝酸根和鹵素基團(一個或多個)。
發明詳述在本發明的方法中，該方法的溫度和壓力選擇成確保達到超臨界或接近超臨界的條件。因此，操作溫度通常為300至480℃，更優選為330至450℃，通常為約340-370℃的下限至約370-約420℃的上限。操作壓力通常為約40至350bara，優選為60至300bara，更優選為200至280bara。
如本文所用，“接近超臨界的條件”是指反應物和溶劑構成基本上單一的均相；實際上，在低于水的臨界溫度的條件下即可實現這一點。在一個實施方案中，術語“接近超臨界的條件”是指溶劑的溫度比水在220.9bara下的臨界溫度低不少于100℃，優選為不少于50℃，更優選為不少于35℃，尤其是不少于20℃。
如本文所用，“連續流動反應器”是指以連續方式將反應物引入并混合、且同時收回產物的反應器，這與間歇式反應器相反。例如，反應器可以是管狀流反應器(湍流或層流)，但是本文所定義的本發明各個方面并不限于這種具體類型的連續流動反應器。連續流動反應器中的停留時間定義為反應器體積除以操作條件下反應物的體積流速。
如本文所用，“羧酸前體”或“前體”是指在選擇性氧化條件的存在下能夠以多數產率氧化成特定羧酸的有機化合物，優選為烴。吡啶羧酸前體的例子有甲基吡啶，例如，煙酸前體為3-甲基吡啶。相應地，甲基嘧啶可以用來生成嘧啶羧酸。
如本文所用，提及制造羧酸時包括制造其酐。本領域技術人員顯而易見的是，本發明的方法產生羧酸還是其酐將取決于反應條件和/或用于隔離或分離產物的條件。
優選地，在本發明的方法中，反應過程中反應生成的基本上所有的、在任何情況下均不低于98wt％的雜芳族羧酸均保留在溶液中，不會開始沉淀，直至溶液離開氧化反應區并受到冷卻。
可以使反應停留時間與在不大量生成降解產物的情況下實現前體到所需雜芳族羧酸的轉化相容。反應介質在反應區內的停留時間通常不超過10分鐘，通常約為2分鐘或以下，優選為1分鐘或更少，更優選為30秒或更少。
在優選的實施方案中，目標羧酸的選擇性至少為90％，優選至少為95％，更優選至少為98％，其中選擇性為目標酸的重量產率除以目標酸、部分氧化的醛雜質、和降解產物除外的其它反應產物的總和重量產率，其表示為百分比。
在優選的實施方案中，目標羧酸的產率優選為前體重量的至少50wt％，優選至少60wt％，優選至少70wt％，優選至少80wt％，優選至少90wt％。
適于實施本發明方法的反應器系統通常可以如下文所述構造。以下討論涉及連續流動反應器的優選實施方案。但是，如上文所指，本發明并不限于這種構造，以下討論僅用于舉例說明。
可以是一個以上串聯或并聯的反應區。例如，當使用多個并聯反應區時，反應物和溶劑可以形成分開的流動物流穿過反應區，如果需要的話，出自這些多個反應區的產物物流可以合并形成單個產物物流。使用多于一個的反應區時，各反應器中的條件如溫度可以相同或不同。各個反應器可以絕熱操作或者等溫操作。可以通過熱交換保持等溫或可控升溫，以便當反應經由反應器進行時限定預定的溫度曲線。
在本發明的一個實施方案中，根據本領域技術人員公知的常規技術，通過與受熱(heat-accepting)流體進行熱交換將反應熱從反應中去除，例如，如WO 02/06201所述，其公開內容中所述的技術引入作為參考。方便地，受熱流體包括水。
本發明方法中的氧化劑優選為分子氧，例如空氣或富氧空氣，但是，優選包括含有氧作為其主要成分的氣體，更優選為純氧，或者溶解在液體中的氧。盡管本發明的范圍并不排除使用空氣，但是使用空氣的益處不大，因為壓縮費用將大為增加，且由于空氣中氮含量高使得尾氣處理裝置需要處理大量尾氣。另一方面，純氧或富氧空氣使人們可以使用較小的壓縮機和較小的尾氣處理裝置。在本發明的方法中使用二氧作為氧化劑是特別有利的，因為其在超臨界或接近超臨界的條件下在水中的溶解性很高。因此，在一確定的點，氧/水系統將會成為單個均一的相。
分子氧之外，氧化劑可以包括原子氧，其來自每分子含有一個或多個氧原子的化合物，例如室溫下的液相化合物。例如，一種這樣的化合物是過氧化氫，過氧化氫通過反應或分解起到氧源的作用，如Lin，Smith等人所述(International Journal of Chemical Kinetics，vol 23，1991，p971)。
本發明的方法在氧化催化劑的存在下進行。催化劑可以是可溶于反應介質的，該反應介質包括溶劑和雜芳族羧酸前體，或者另外可選地，可以使用非均相催化劑。無論是均相催化劑還是非均相催化劑，其通常包含一種或多種重金屬化合物，例如鈷和/或錳化合物，優選單獨錳化合物，可以任選地包括氧化助催化劑。例如，催化劑可以采取任何已經用于在脂肪族羧酸溶劑中產生芳族羧酸(如對苯二酸)的液相氧化反應的形式，例如鈷和/或錳的溴化物、溴代鏈烷酸鹽、或鏈烷酸鹽(通常為C1-C4鏈烷酸鹽如乙酸鹽)。除鈷和/或錳之外，還可以使用其它重金屬如釩、鉻、鐵、鉬、鑭系元素如鈰、鋯、鉿、和/或鎳的化合物。有利地，催化劑體系包括溴化錳(MnBr2)。使用氧化助催化劑時，助催化劑可以是元素溴、離子溴化物(例如HBr、NaBr、KBr、NH4Br)和/或有機溴化物(例如溴苯、芐基溴、單溴乙酸和二溴乙酸、溴乙酰溴、四溴乙烷、二溴化乙烯等)的形式。另外可選地，氧化助催化劑可以包括酮例如甲乙酮或者醛例如乙醛。
當催化劑是非均相形式時，它可以合適地位于反應區內，以便確保連續流動的反應介質和催化劑之間的接觸。在這種情況下，催化劑可以合適地負載和/或局限在反應區內，以在不過分限制流動橫截面的情況下確保這種接觸。例如，非均相催化劑可以涂覆或以其它方式施加到位于反應區內的靜態元件(例如形成透孔結構的元件)上或者包括在其中，使反應介質可以從其上流過。當反應物通過反應區時，所述靜態元件可以額外地起到促進反應物混合的作用。另外可選地，催化劑可以是可移動丸粒、顆粒的形式、細碎的形式、金屬海綿的形式等，如果需要，其配有將其限制于反應區內的裝置，使得在操作過程中催化劑丸粒等懸浮或者浸沒在流過反應區的反應介質中。以這些方式中任一種使用非均相催化劑具有以下優勢能夠將催化效應局限于明確的區域，使得一旦反應介質越過該區域則進一步氧化發生的速率降低、或者可能受到極大抑制。
通過對反應物加熱加壓，然后使經加熱加壓的反應物一起進入反應區，引發氧化反應。這一點可以通過數種方式實現，一種或兩種反應物與水性溶劑在達到超臨界或接近超臨界的條件之前或之后混合，使得混合物以如下方式實現反應物彼此隔離，直至一起進入反應區。
在本發明的間歇法中，水、前體和催化劑溶液在被加熱至反應溫度和壓力之前在高壓釜中得以混合。氧化劑可以任選地在反應條件下加入到混合物中，或者可以在將間歇式式反應器高壓釜密封并加熱之前加入。經過所需的反應時間之后，使反應釜冷卻，將產物排出。然后可以使用任何適當的產物回收系統例如萃取、濃縮和重結晶來回收雜芳族羧酸產物。
在本發明的連續法中，優選地反應器系統的設置使得氧化劑和至少一部分、優選基本上全部的前體之間的接觸與催化劑和至少一部分、優選基本上全部的氧化劑之間的接觸在反應器系統中的同一點進行。
在第一實施方案中，氧化劑在水性溶劑經加熱加壓以造成超臨界或接近超臨界的條件之后與其混合，在與水性溶劑混合之前對氧化劑進行適當的加壓和，如果需要，加熱。前體經過加壓和，如果需要，加熱。在該方法使用均相催化劑的情況下，催化劑組分經過加壓和，如果需要，加熱。然后使前體、催化劑和氧化劑/溶劑混合物同時接觸。在該方法使用非均相催化劑的情況下，前體在催化劑的存在下與氧化劑/溶劑混合物接觸。
在本發明的第二實施方案中，前體在水性溶劑經加熱加壓以造成超臨界或接近超臨界的條件之后與其混合，在與水性溶劑混合之前對前體進行適當的加壓和，如果需要，加熱。在一種設置中，經加壓和任選加熱后的均相催化劑組分和水性溶劑的接觸與前體和水性溶劑的接觸是同時的。在另外可選的設置中，使用非均相催化劑并將其局限于反應區，如本文所述。加壓和，如果需要，加熱后的氧化劑在水性溶劑經加熱加壓以造成超臨界或接近超臨界的條件之后與其混合。在該方法使用均相催化劑的情況下，然后使氧化劑/水性溶劑混合物與包括前體、催化劑和水性溶劑的混合物接觸。在該方法使用非均相催化劑的情況下，氧化劑/水性溶劑混合物在反應區內即在非均相催化劑的存在下與包括前體、水性溶劑的混合物接觸。
各種物流的接觸可以通過以下方式進行分開的進料進入裝置，該裝置中多股進料匯合形成單個均一液體相，從而使氧化劑和前體發生反應。其中多股進料匯合的裝置可以例如具有Y、T、X或其它的構造，使分開的多股進料在形成連續流動反應器的單個流道中匯合，或者在某些情況下在形成兩個或多個連續流動反應器的多個流道中匯合。多股進料在其中匯合的流道或多個流道可以在存在或不存在內部動態或靜態混合元件的情況下構成管式構造的一部分。
在優選的實施方案中，有利地使用在線混合器或靜態混合器，以保證混合迅速和均一性，例如，促進氧化劑溶解在水性溶劑中和形成單一相。
氧化劑進料和前體進料可以在單個位置處一起進入，或者可以在兩階段或更多階段實現接觸，使得一種進料或兩種進料的至少一部分以漸進方式，例如經由多個注入位點，相對于通過反應器流動的方向引入。例如，可以使一種進料沿連續流道通過，另一種物料在所述連續流道長度方向上的分開的多個位點處引入所述連續流道，使得反應漸進式發生。沿所述連續流道通過的進料可以包括水性溶劑，在多個位點處引入的進料也同樣可以。
類似地，可以將催化劑特別是均相催化劑以漸進方式，例如經由多個注入位點，相對于通過反應器流動的方向加入。
在一個實施方案中，氧化劑在兩個或更多個位置處引入反應。這些位置可以方便地相對于溶劑和反應物通過氧化區的總體流動設置，使得氧化劑在初始位置和所述初始位置下游的至少一個其它位置處引入反應。
穿過連續流動反應器之后，反應混合物包括雜芳族羧酸的溶液。該溶液也可以含有催化劑(若使用)和相對少量的副產物如中間體(如醛)、脫羧產物、降解產物以及任何未使用的反應物。
現在參考附圖僅以實施例的方式進一步對本發明進行說明，其中

圖1A和1B中的示意流程圖說明了以上第一個實施方案所述的基本設置，其中圖1A說明均相催化劑的使用，圖1B說明非均相催化劑的使用。
圖2A-2D中的示意流程圖說明了以上第二個實施方案所述的基本設置，其中圖2A和2B說明均相催化劑的使用，圖2C和2D說明非均相催化劑的使用。在圖2B和2D中，氧化劑沿反應區在多個注入位點處以漸進方式引入。
圖3中的示意流程圖更詳細地說明了如下設置——其中將前體加入氧和水的預混物流中(即根據圖1A或1B所述過程的設置)。
圖4A、4B、4C、4D和5說明了多種可用于將至少一種反應物與水性溶劑混合的預混合器的構造。
圖6中的示意圖說明了氧化劑的多步注入。
圖7在下文中結合實施例進行說明。
參考圖1A，對水進行加熱后，將加壓后的二氧與水混合，對混合物進行加壓，并任選地在預加熱器1中進一步加熱，以達到超臨界條件。在反應器2的開始或在其之前立刻向O2/水物流中加入加壓后的前體和催化劑，混合物通過反應器。一經離開反應器，物流在背壓調節器3處冷卻并減壓。產物在冷卻水的物料中帶出。在相應的圖1B中，催化劑已經作為非均相催化劑存在于反應器內。
參考圖2A和2B，對水進行加壓并任選加熱后，將加壓后的前體和催化劑加入到水中，任選地在預加熱器1中進一步加熱，以達到超臨界條件。將加壓后的二氧氣體與水在超臨界條件下混合，并任選地在預加熱器1中進一步加熱。在圖2A中，兩股物料在反應器2的開始或其之前立刻混合，混合物通過反應器。在圖2B中，將O2/水物流以漸進方式在多個注入位點處加入到反應器中。一經離開反應器，物流在背壓調節器3處冷卻并減壓。產物在冷卻水的物料中帶出。在相應的圖2C和2D中，催化劑已經作為非均相催化劑存在于反應器內。
參考圖3，將包括水、前體和氧氣的原料組分加壓至工作壓力，并將其分別從料源10、12和14通過預加熱器16連續供應，在該預加熱器處將組分加熱至300℃至480℃的溫度，更優選為330℃至450℃、通常大約為約340℃-370℃的下限至約370℃-約420℃的上限，壓力和溫度選擇成確保超臨界或接近超臨界的條件。預加熱原料組分所用的部分熱量可以來源于隨后前體和氧化劑之間反應的過程中產生的放熱。其它來源的熱量的形式可以是，例如，高壓蒸汽，和/或加熱可以通過水蒸氣的直接火焰加熱(fired heating)進行。可以通過任何合適的方式回收反應熱，例如，通過反應后的流體與適當受熱流體如水之間的熱交換。例如，受熱流體可以設置成與通過反應區的反應物和溶劑呈逆流和/或并流關系流過。受熱流體沿流道或多個流道流動穿過反應區，這些流道可以在反應區外部，和/或可以穿過反應區在內部延伸。這種內部延伸的流道可以，例如，大體上平行于和/或橫切于反應物/溶劑物流通過反應區的大體方向而延伸。例如，受熱流體可以通過一個或多個位于反應器內部內的盤管橫穿反應區。反應焓可以經由適當的電力回收系統如汽輪機用于回收電力；例如，可以使用受熱流體如水來產生例如在大約300℃/100bara的溫度和壓力下的高壓飽和蒸汽，該蒸汽接著可以被外部的熱過熱，并供給高效凝汽式汽輪機，以回收電力。通過這種方式，反應器可以保持在最優溫度，并且可以實現有效的能量效率。在另外可選的方法中，反應器可以在絕熱條件下運行，可以采用適當高的流過反應區的水流速率，以便在運行過程中限制整個反應器中的溫度升高。如果需要，可以結合使用兩種方法，即，經由受熱流體回收反應焓與適當的通過反應區的水流速率相結合。
對原料組分進行加熱之后，將氧與水混合，水由于經預熱和加壓而處于超臨界或接近超臨界的條件下，從而能夠溶解原料。在圖3所示的實施方案中，氧和水在預混合器18A中混合。前體也與水在預混合器18B中混合。當然，前體還可以在進入預加熱器16之前單獨與水預混合。
預混合器(或者在其中使各反應物與水預混的多個預混合器)可以采取多種形式，例如Y、L或T型部件、雙T構造或靜態混合器，分別如圖4A、4B、4C、4D和5所示。在圖4A-4D和5中，標記A表示供應給預混合器的預熱水，B表示反應物(前體或氧)，P表示產生的混合物流。在圖4D的雙T構造中，產生兩股混合物流P1和P2。這兩股混合物流可以通過單獨的連續流動反應器，或者可以合并成單股物流，然后穿過單個連續流動反應器。如本領域技術人員所公知，還可以使用X部件構造。
應當認識到，除了將一種或兩種反應物在引入反應區之前與水預混合，還可以將反應物和水分別引入反應區，并借助一定形式的混合裝置(如靜態混合器)在反應區內混合，從而基本上全部的組分混合均發生在反應區內。
當反應使用均相催化劑時，在即將進入反應器之前或在反應器開始時(即，如圖1A所示)，在將前體加入預混的氧/水物流的同時，將溶液形式的催化劑從料源19加入到預混合的氧/水物流中。
預熱和預混合之后，原料組分在反應區20中合并，形成單一均勻的流體相，其中反應物均混合在一起。反應區20可以由管式活塞流反應器形式的簡單的混合器裝置組成，例如，一定長度的管道，其結合混合反應物的流動速率提供適當的反應時間以確保前體以很高的轉化效率和很低的中間體醛含量轉化成羧酸。
當反應在存在非均相催化劑體系的情況下進行時(即如圖1B所示)，催化劑體系可以相對于流動方向沿長度分布，可以與反應區擴及共同空間，使得超臨界或接近超臨界的流體一旦流過管道中催化劑體系所占據的部分以外，反應速率便顯著下降，以抑制分解產物的生成。
反應物可以在反應器20上游“一次性”混合。另外可選地，通過將一種反應物在沿反應器長度的多個位點處注入含另一種反應物的物流，可以將反應物以漸進方式混合。圖6的連續流動反應器種顯示了一種進行多次注入設置的方式，其中反應器由管道P構成。在一個實施方案中，預混的氧/水物流加入到預混的前體/水物流中(如圖2D所示)，預混的前體/超臨界或接近超臨界的水物流W供給管道P的上游端。對于使用均相催化劑的方法，水物流W還含有催化劑；在使用非均相催化劑的方法中，催化劑存在于管道P內。物流通過反應器管道P，在以一定間隔沿管道P的長度隔開的一系列位置處，經由注入通道A-E提供經預熱、壓縮的溶解于超臨界或接近超臨界的水中的氧，產生在超臨界或接近超臨界的水溶液中包括所需雜芳族羧酸的產物物流S。通過這種方式，把將前體完全氧化成羧酸所需的氧以漸進方式注入，以便對氧化加以控制，并將副反應以及前體、羧酸產物或羧酸中間體可能的燃燒降低至最小程度。
現在再參考圖3，反應進行到所需程度之后，超臨界或接近超臨界的流體通過熱交換器22，通過該熱交換器，熱交換流體經由閉合環路24循環，使得可以回收熱量以用于預加熱器16。
然后將冷卻的溶液供給產物回收部分26，從溶液中回收羧酸。可以使用任何適當的本領域技術人員公知的產物回收方法。
實施例通過在超臨界水中用MnBr2催化劑進行前體的連續氧化，在實驗室規模下進行實驗工作。使用相對較稀的溶液(有機物＜5％w/w)使放熱最小化。系統的基本構造如圖1A所示。對這些實驗室規模實驗所使用的系統更詳細的說明示于圖7。
將過氧化氫(100體積)稀釋成合適濃度如2％的溶液，提供給泵，冷卻至5℃或更低。然后將過氧化氫在預加熱器152中加熱，該預加熱器由澆鑄在鋁塊料中的％英寸O.D.不銹鋼管材的5m盤管組成。通過在預加熱器152中使用相對較長的盤管，實現氧化劑和水的充分混合。然后使氧化物/水流體通過四通部件154，在此與從其各自的泵供給的前體和MnBr2催化劑溶液混合。
圖7中其它部件標記如下162A-E閥；163A-B泄壓閥；164A-E單向閥；165A-F壓力傳感器；T熱電偶(預加熱器152的鋁加熱器塊料含熱電偶，未顯示)。預加熱器獲自NWA GmbH；泵為Gilson 302、305、306和303；背壓調節器獲自Tescom(型號26-1722-24-090)。
腐蝕最高點發生在四通部件154區，氧化物、前體和催化劑溶液在此交匯，特別是在未加熱催化劑進料管道引入處，很高的溫度梯度與溴離子在這里同時出現。將哈斯特洛伊合金(hastelloy)C276(或鈦)用于催化劑進料管道的最后部分和反應器下游，如果使用用于加入的NaOH溶液的混合器部分則在其之前，在此在大約5cm的長度上出現約100℃的溫度梯度，將316L不銹鋼用于其它部件。所有可能遭受腐蝕的管道均保護在聚碳酸酯防護層內。
在每次運行之前，對冷的裝置進行流體靜力學壓力測試，然后將其用純18Mohm的水流加熱(5-10ml min)。一旦達到工作溫度，啟動過氧化氫進料和用于前體和MnBr2的泵。通常，實驗運行4-5小時。產物通常在連續的15或30分鐘的時間內收集，并加以分析。主要通過HPLC來檢驗純度。固體產物的產率計算成溶液中不同產物的摩爾濃度除以供應給反應器的原料的摩爾濃度。
實施例1使用100體積過氧化氫，使用56ml過氧化物和760ml納米純水(nanopure water)(電阻18.3兆歐姆)制備稀的儲液。通過將溴化錳溶解在納米純水中，至溴濃度為5000ppm w/w，制備稀的催化劑儲液。3-甲基吡啶單獨地保持未稀釋。制備氫氧化鈉儲液(0.5M)，供給反應器下游、但在背壓調節器之前。
將去離子水以一定速率單獨泵過預加熱器、混合部件、反應器、苛性鈉混合器、冷卻器和背壓調節器，以將通過反應器的最終停留時間控制在10秒。停留時間定義成管式反應器、混合部件之間的管道和裝置的體積除以體積流速，其中第一個混合部件將反應物混合以引發反應，第二個混合部件通過加入氫氧化鈉使反應停止。體積流速以混合條件下水的物理性質為基礎，其公開于International Steam Tables，U.S.National Institute of Standards and Technology。
背壓調節器設定成將反應器壓力控制在220巴。加熱器設定成將混合部件控制在380℃，反應器控制在374℃。
將各種反應物分別泵至混合部件。甲基吡啶以0.50％w/w的濃度供給反應器，氧以略高于將3-甲基吡啶氧化成煙酸所需化學計量比比率的比率供應，將催化劑溶液供給混合部件，在反應器中產生1640ppm的Br濃度。
達到穩定的設定值條件后，每隔15分鐘收集樣品，隨后進行分析。該實驗運行1.5小時。結果顯示在大約30％的轉化率下煙酸的選擇性非常好(約95％)。檢測到3-吡啶甲醛的產率為1-2％。未反應的前體在反應介質中非常穩定，在反應結束時對其進行回收。
權利要求
1.一種制造雜芳族羧酸的方法，其包括在催化劑的存在下使所述羧酸的前體與氧化劑接觸，所述接觸由所述前體和氧化劑在包括水的水性溶劑中在超臨界條件或接近超臨界點的接近超臨界的條件下進行。
2.根據權利要求1的方法，其中所述接觸在連續流動反應器內進行。
3.根據權利要求2的方法，其中前體的接觸在反應區內發生，其中停留時間少于2分鐘。
4.根據權利要求3的方法，其中反應過程中基本上所有所產生的雜芳族羧酸均保留在溶液中。
5.根據權利要求1的方法，其中所述的雜芳族羧酸為含氮的雜芳族化合物。
6.根據權利要求1的方法，其中所述的雜芳族羧酸包含6元環。
7.根據權利要求1的方法，其中所述的雜芳族羧酸包括吡啶環。
8.根據權利要求1的方法，其中所述的雜芳族羧酸為煙酸。
9.根據權利要求1的方法，其中所述雜芳族羧酸的前體為烷基吡啶。
10.根據權利要求1的方法，其中所述雜芳族羧酸的前體為3-甲基吡啶。
全文摘要
一種制造雜芳族羧酸的方法，其包括在催化劑的存在下使所述羧酸的前體與氧化劑接觸，由所述前體和催化劑在包括水的水性溶劑中在超臨界條件或接近超臨界點的接近超臨界的條件下實現這種接觸。
文檔編號C07D213/807GK101035763SQ200480044140
公開日2007年9月12日 申請日期2004年10月1日 優先權日2004年10月1日
發明者W·B·托馬斯, K·懷斯頓, E·C·加西亞-貝爾杜戈, M·波利亞科夫, P·A·漢利 申請人:因維斯塔技術有限公司