專利名稱：將亞鐵氰化物電化學(xué)氧化成鐵氰化物的方法
背景技術(shù)：
合成加蘭他敏(galantamine)(I) 的主要步驟是用鐵氰化物(IV)作為氧化劑，在有機(jī)溶劑相和堿性水相的兩相體系中將為分子式(II) 的中間產(chǎn)物氧化環(huán)化成為分子式(III) 的中間產(chǎn)物(WO-96/12692；WO-96/31458)。優(yōu)選的有機(jī)溶劑為芳烴例如甲苯。優(yōu)選水相為堿金屬碳酸鹽或碳酸氫鹽。優(yōu)選氧化劑為鐵氰化鉀或K3Fe(CN)6(IV)。
加蘭他敏(I)在市場(chǎng)上可買得到如Reminyl_(氫溴酸加蘭他敏)，經(jīng)驗(yàn)證其用于治療輕度到中度的阿爾茨海默氏病，且正被研究用于其它適應(yīng)癥例如血管性癡呆、帶有腦血管疾病的阿爾茨海默氏病、輕度認(rèn)知能力缺陷、精神分裂癥、震顫性麻痹以及其它認(rèn)知能力受損的疾病。
在全規(guī)模生產(chǎn)中，必須被焚燒的亞鐵氰化物或K4Fe(CN)6(V)水相廢液嚴(yán)重影響終產(chǎn)物加蘭他敏(I)的成本。直到現(xiàn)在，仍沒(méi)有用于亞鐵氰化物(V)廢液的回收技術(shù)。此外，必須注意的是鐵氰化物(IV)是一種相對(duì)比較昂貴的試劑，只有很少的供應(yīng)商供應(yīng)，這使得回收具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
通過(guò)再氧化，將含有亞鐵氰化物(V)的水相再循環(huán)為含有鐵氰化物(IV)的水相在理論上是可行的。但再氧化的化學(xué)方法幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗嘀懈碑a(chǎn)物的積聚可對(duì)含有鐵氰化物(IV)的水相的再使用，例如用于將為分子式(II)的中間產(chǎn)物氧化成為分子式(III)的中間產(chǎn)物，產(chǎn)生消極影響。此外，所述副產(chǎn)物的積聚可限制再使用循環(huán)的數(shù)量。
因此，將要解決的問(wèn)題涉及尋找一種切實(shí)可行的方法來(lái)將含有亞鐵氰化物(V)的水相再氧化為含有鐵氰化物(IV)的水相，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)(oxidative phenolic coupling reaction)回收，(a)同時(shí)避免將在水相中引入副產(chǎn)物的化學(xué)過(guò)程，以及(b)允許在其它氧化酚偶合反應(yīng)中，特別是在全合成加蘭他敏時(shí)，在中間產(chǎn)物(II)到中間產(chǎn)物(III)的反應(yīng)中，重復(fù)再循環(huán)含有鐵氰化物(IV)的水相。
使用如流程

圖1所述的加蘭他敏的全合成詳細(xì)實(shí)施例，可圖解說(shuō)明所述問(wèn)題。
流程圖1 本發(fā)明發(fā)明人在此提供一種切實(shí)可行的方法，用于將含有亞鐵氰化物(V)的水相氧化為含有鐵氰化物(IV)的水相，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收，所述方法不使用將在水相中引入副產(chǎn)物的化學(xué)方法，允許在其它氧化酚偶合反應(yīng)中重復(fù)再循環(huán)含有鐵氰化物(IV)的水相，以及易于適應(yīng)工業(yè)規(guī)模。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于在隔離式電化學(xué)槽中，將含有亞鐵氰化物(ferrocyanide)(V)的水相電化學(xué)氧化成為含有鐵氰化物(ferricyanide)(IV)的水相方法，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收，所述方法包括制備陽(yáng)極電解液，其包括通過(guò)潷析、萃取或者過(guò)濾來(lái)預(yù)處理含有亞鐵氰化物(V)的水相，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收；使陽(yáng)極電解液與隔離式電化學(xué)槽中的陽(yáng)極接觸；使陰極電解液與隔離式電化學(xué)槽中的陰極接觸；向隔離式電化學(xué)槽施加電能，其中所述電能具有一安培數(shù)(amperage)或電壓值，且施加周期足以將亞鐵氰化物(V)氧化成鐵氰化物(IV)。由于亞鐵氰化物(V)到鐵氰化物(IV)的氧化是一種可逆過(guò)程，只有通過(guò)使用隔離槽才能獲得高轉(zhuǎn)化速度，所述隔離槽是一種通過(guò)膜將陽(yáng)極電解液和陰極電解液隔開(kāi)的槽。所述隔開(kāi)電化學(xué)槽的膜是一種陽(yáng)離子選擇性膜，優(yōu)選其具有高耐化學(xué)性和機(jī)械性。將可透過(guò)陽(yáng)離子，但基本上不透過(guò)反應(yīng)物和產(chǎn)物的材料用作隔開(kāi)電化學(xué)槽的膜。膜充當(dāng)隔離件，電化學(xué)槽中的固體電解質(zhì)需要所述膜將陽(yáng)離子選擇性輸送穿過(guò)這種槽連接件。
這樣一種膜的實(shí)例為一種全氟化聚合物膜例如全氟化聚乙烯磺酸(Nafion_，Dupont)。其它膜材料包括聚四氟乙烯(PFTE，例如Teflon_)，聚丙烯(例如Celgard_)膜。亞鐵氰化物(V)和鐵氰化物(IV)都不會(huì)通過(guò)膜遷移到陰極，但陽(yáng)離子例如K+被允許通過(guò)所述膜，產(chǎn)生K+從陽(yáng)極電解液到陰極電解液的遷移。
電化學(xué)氧化在陽(yáng)極發(fā)生，因此含有亞鐵氰化物(V)的水相為陽(yáng)極電解液，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收。在陰極，質(zhì)子的電還原產(chǎn)生氫。因此，半電池反應(yīng)方程式為陽(yáng)極陰極(或者)研究這種方法的主要困難包括-優(yōu)化亞鐵氰化物(V)到鐵氰化物(IV)的轉(zhuǎn)化；-抑制副反應(yīng)；以及-獲得一種含有鐵氰化物(IV)的水相，所述鐵氰化物(IV)可有效再用于將中間產(chǎn)物(II)氧化成中間產(chǎn)物(III)。
許多使用含有亞鐵氰化物(V)的水相的試驗(yàn)教導(dǎo)本發(fā)明發(fā)明人新鮮相或者未處理過(guò)相的電解氧化產(chǎn)生不穩(wěn)定的結(jié)果，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收。
未處理過(guò)的水相包含大約2％-大約4％的有機(jī)物質(zhì)以及以氫氧化鐵形式存在的懸浮游離鐵。雖然目前還不明白有機(jī)物質(zhì)對(duì)電解氧化過(guò)程的影響，但懸浮游離鐵似乎通過(guò)在隔離槽的膜和電極上沉積阻滯了所述電解氧化過(guò)程。
一種在概念上容易-但實(shí)踐起來(lái)困難(雖然不是不可實(shí)現(xiàn))的方法，涉及通過(guò)在60℃或者更高溫度下將所述含有亞鐵氰化物(V)的水相貯存一段足以使懸浮顆粒沉降的時(shí)間，并輕輕倒出上層水相以使之同沉積顆粒分離來(lái)預(yù)處理所述含有亞鐵氰化物(V)的水相，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收。經(jīng)顯示，60℃或者更高的溫度能阻止亞鐵氰化物(V)從水相沉積。這種可實(shí)現(xiàn)的方法是一種在全規(guī)模生產(chǎn)中不能真正接受的方法，這是因?yàn)楸仨氃?0℃或者更高溫度下、在一段足以使懸浮顆粒沉降的時(shí)間內(nèi)，占用巨大的貯罐來(lái)容納含有亞鐵氰化物(V)的水相。
前述為尋找更可行的解決方案所進(jìn)行的嘗試教導(dǎo)本發(fā)明發(fā)明人通過(guò)用一種有機(jī)溶劑、優(yōu)選一種芳烴例如甲苯來(lái)預(yù)處理含有亞鐵氰化物(V)的水相，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收，所述甲苯是一種用在我們很感興趣的氧化酚偶合反應(yīng)中的溶劑。這樣一種預(yù)處理過(guò)的水相不會(huì)出現(xiàn)使用未處理過(guò)的水相遭遇到的問(wèn)題。這一點(diǎn)由于兩個(gè)原因顯得很突出。
首先，我們觀察到用有機(jī)溶劑例如甲苯萃取過(guò)的水相仍然含有懸浮顆粒，但這看起來(lái)似乎不再阻礙電解氧化反應(yīng)的進(jìn)行。
其次，從科學(xué)的觀點(diǎn)，人們可有這樣的概念萃取工序?qū)⑷コ袡C(jī)物質(zhì)，但幾乎不能去除游離鐵。對(duì)所述方法的現(xiàn)行理解為認(rèn)為懸浮有機(jī)物質(zhì)的去除不會(huì)對(duì)電解氧化方法產(chǎn)生影響，然而游離鐵的去除將會(huì)對(duì)之產(chǎn)生影響。我們的試驗(yàn)看起來(lái)似乎教導(dǎo)了相反的結(jié)論，且目前未能對(duì)所觀察到的現(xiàn)象找到理論依據(jù)。
在先前段落中概述過(guò)的另一種解決所述問(wèn)題的實(shí)用方法包括通過(guò)過(guò)濾對(duì)所述含有亞鐵氰化物(V)的水相進(jìn)行預(yù)處理，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模中，所述過(guò)濾為一種使用例如布氏漏斗的過(guò)濾，所述漏斗填充有常溫(cold)過(guò)濾助劑例如一種過(guò)濾機(jī)預(yù)涂層。在工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模中，所述過(guò)濾步驟包括將過(guò)濾助劑添加到水層并在一預(yù)熱的單層或多層過(guò)濾器上過(guò)濾。
所述陰極電解液應(yīng)該能使電流傳輸，且應(yīng)該是導(dǎo)電的。其不應(yīng)該顯著促使副反應(yīng)的發(fā)生。在優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)在水中溶解堿金屬氫氧化物(例如KOH)或者堿金屬鹽(例如K2CO3、KHCO3、KCl、KCN)形成0.0001M-1M的溶液來(lái)制備陰極電解液。所述陰極電解液還可包括可混合的有機(jī)溶劑例如烷醇，如甲醇或乙醇。
在上述方法中，當(dāng)質(zhì)子從陰極電解液中遷移出時(shí)，所述陰極電解液的pH將增加，但總的來(lái)說(shuō)這不會(huì)對(duì)所述方法產(chǎn)生影響。
選擇N.V電解槽(瑞典)的MP型隔膜槽進(jìn)行所述方法。
為了以切實(shí)可行的方式進(jìn)行上述電解氧化方法，我們進(jìn)行了許多試驗(yàn)來(lái)尋找工藝條件、特別是最佳工藝條件。
我們對(duì)一系列陽(yáng)極電極進(jìn)行了測(cè)試，總結(jié)所述試驗(yàn)的結(jié)果為最經(jīng)濟(jì)的選擇為使用石墨電極，盡管認(rèn)為很昂貴的電極例如尺寸穩(wěn)定型陽(yáng)極也能同樣工作。
我們還對(duì)一系列陰極電極進(jìn)行了測(cè)試，總結(jié)所述試驗(yàn)的結(jié)果為盡管多種其它類型的電極能夠工作，例如選自銅、鎳、不銹鋼和石墨電極的陰極電極，但有一些電極不能工作，例如鉛電極。使用銅陰極電極或者石墨陰極電極可獲得最好的結(jié)果。
所述試驗(yàn)涉及尋找工藝條件、特別是最佳工藝條件，所述試驗(yàn)還涉及確定將被施加到所述隔離式電化學(xué)槽上、用于實(shí)現(xiàn)期望目標(biāo)的電能參數(shù)。一方面，觀察到當(dāng)所施加的電壓低于2V時(shí)，亞鐵氰化物(V)到鐵氰化物(IV)的轉(zhuǎn)化速度實(shí)際上太慢，另一方面，發(fā)現(xiàn)高于2.8V的電壓導(dǎo)致在陽(yáng)極上產(chǎn)生氧氣，從安全的觀點(diǎn)，這無(wú)疑是一種難以接受的現(xiàn)象。在大約2.2V-2.6V的電壓，特別是在2.6+/-0.1V時(shí)，可得到最大轉(zhuǎn)化速度和最小氧氣產(chǎn)生量的最佳平衡。電流密度可在大約20mA/cm2-大約80mA/cm2，優(yōu)選為大約40mA/cm2。依賴陽(yáng)極電解液的組成來(lái)調(diào)節(jié)電能。
還觀察到優(yōu)選在60℃或者更高溫度下進(jìn)行所述方法來(lái)避免亞鐵氰化物(V)的沉淀。然而，進(jìn)一步的試驗(yàn)已顯示在低于50℃的溫度下也能同樣很好地進(jìn)行所述方法。
研究更高的溫度例如70℃，但發(fā)現(xiàn)對(duì)所述方法的結(jié)果沒(méi)有任何顯著的影響。因此，根據(jù)本發(fā)明，在這一時(shí)刻，陽(yáng)極電解液和陰極電解液的溫度大約為50℃看起來(lái)似乎是進(jìn)行所述方法的最佳溫度。
前述方法偶爾易于失敗。為了避免所述方法失敗，在方法控制系統(tǒng)中添加一步或多步監(jiān)控步驟。
首先，在電解氧化過(guò)程中，通過(guò)在膜或者電極上沉積外來(lái)物質(zhì)可阻止亞鐵氰化物(V)到鐵氰化物(IV)的轉(zhuǎn)化?？赏ㄟ^(guò)記錄通過(guò)槽的電流來(lái)監(jiān)控這種事故，當(dāng)電流下降時(shí)中止所述方法。
其次，人們可以在所述工藝過(guò)程中注意到陽(yáng)極電解液中亞鐵氰化物(V)的濃度沒(méi)有下降或者鐵氰化物(IV)的濃度沒(méi)有增加。因此，在所述方法中，可方便地記錄陽(yáng)極電解液中亞鐵氰化物(V)和鐵氰化物(IV)的濃度。
第三，在所述方法中，人們應(yīng)該避免開(kāi)始形成游離氰化物(CN-)，顯然，當(dāng)這種危險(xiǎn)將要發(fā)生時(shí)，必須立即中止所述方法。
為了及時(shí)處理上述可能發(fā)生的事情，本發(fā)明的方法將有利地包括監(jiān)控步驟，在所述監(jiān)控步驟中，記錄下來(lái)所有的所述現(xiàn)象，且監(jiān)控步驟啟動(dòng)適當(dāng)?shù)膭?dòng)作例如停止運(yùn)作。
使用電腦控制的數(shù)據(jù)巡回檢測(cè)器(Grant Co.，UK)可記錄電能條件，所述巡回檢測(cè)器以預(yù)定的時(shí)間間隔來(lái)記錄槽電壓、電流、溫度和pH直至所述工藝停止。
為了在所述電解氧化反應(yīng)過(guò)程中監(jiān)控亞鐵氰化物(V)到鐵氰化物(IV)的轉(zhuǎn)化，可使用傅里葉變換紅外(FTIR)光譜。所述技術(shù)不僅能使人們監(jiān)控所述轉(zhuǎn)化和電解氧化的終點(diǎn)，而且還能使人們監(jiān)控到不需要的游離氰化物(CN-)的產(chǎn)生。鐵氰化物(IV)吸光度的峰值在2115cm-，亞鐵氰化物(V)吸光度的峰值在2035cm-，游離氰化物(CN-)吸光度的峰值在2080cm-；峰值之間分開(kāi)充分，足以清楚辨識(shí)。
通過(guò)結(jié)合使用所述紅外光譜和ATR(衰減全反射，Attenuated totalreflection)探頭可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，所述ATR探頭可避免陽(yáng)極電解液的采樣，且還可提高分析速度。作為備用，可用cerometric滴定作為預(yù)備措施，所述滴定涉及一種氧化還原滴定其中，鄰菲咯啉亞鐵離子指示劑由橙紅色變?yōu)榫G色。
在另一種實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及含有鐵氰化物(IV)的水相，所述鐵氰化物(IV)通過(guò)上述方法獲得。更進(jìn)一步，本發(fā)明涉及含有鐵氰化物(IV)的水相的再使用，所述鐵氰化物(IV)通過(guò)上述方法獲得，用于在對(duì)氧化酚偶合反應(yīng)敏感的基質(zhì)上進(jìn)行所述氧化酚偶合反應(yīng)。所述再使用特別與將為分子式(II)的基質(zhì)環(huán)化成為分子式(III)的中間產(chǎn)物有關(guān)，可將所述中間產(chǎn)物(III)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成加蘭他敏(I)。
試驗(yàn)部分實(shí)施例11.1方案和工序圖1給出了電化學(xué)槽和輔助設(shè)備的示意圖。MP槽(電解槽)具有兩個(gè)面積各為100cm2的電極。用Nafion_膜隔離陽(yáng)極室和陰極室，且電極和膜之間的間距為5mm。為了流動(dòng)均勻，在槽上提供兩個(gè)進(jìn)口和出口。使用控制流速的隔膜泵Pa、Pc(Teflon_泵壓頭，Cole-Parmer，美國(guó))來(lái)循環(huán)所述陽(yáng)極電解液和陰極電解液。將離開(kāi)所述室的流體引導(dǎo)到玻璃貯存容器Sa、Sc中，所述容器配備有用于取樣和插入傳感器(例如pH電極)的開(kāi)口。液體從所述貯存容器進(jìn)入到熱交換管中，所述熱交換管被放置在相同的加熱-冷卻恒溫箱(Cole-Parmer，美國(guó))中。將液體從所述熱交換管引入到所述泵中，僅僅使用Teflon_管子。
電源為電容量為40A的恒電位儀P.S.，以控制槽電壓的模式運(yùn)行。電腦控制的數(shù)據(jù)巡回檢測(cè)器D.L.(Grant Co.，UK)用于收集數(shù)據(jù)。其以預(yù)定的時(shí)間間隔讀取槽電壓、電流、溫度以及pH直至讀取停止。
1.2電解之前的工序?qū)⒑銣叵浼訜岬叫枰臏囟?，然后?00ml 0.5M的NaCl溶液充滿陰極貯存容器。放置溫度計(jì)、測(cè)溫探頭以及pH電極，并開(kāi)始循環(huán)陰極電解液從而達(dá)到需要的溫度。將250ml被加熱到大約70℃的工藝用水放置到陽(yáng)極貯存容器Sa中，并開(kāi)始循環(huán)。
設(shè)定恒電位儀和數(shù)據(jù)巡回檢測(cè)器的程序，當(dāng)液體溫度達(dá)到平衡時(shí)，初始化所述數(shù)據(jù)巡回檢測(cè)器的讀數(shù)，并接通具有所需要的槽電壓的電流。
250ml工藝用水的電解通常進(jìn)行40分鐘。在10、20、30、50、70分鐘，采1ml陽(yáng)極電解液和陰極電解液試樣進(jìn)行亞鐵氰化物和K+分析。40分鐘后，停止電解，取出并清洗pH電極。
1.3槽的清洗在電解之后，按照下述工序清洗MP槽首先，用泵去除陽(yáng)極電解液，去掉從槽的陽(yáng)極室到貯存容器Sa的管子，并通過(guò)這個(gè)出口排放陽(yáng)極電解液。通過(guò)將250ml水引入到所述貯存容器中并將之泵送通過(guò)所述槽來(lái)清洗所述陽(yáng)極室。繼續(xù)進(jìn)行清洗直至液體變成無(wú)色為止。以相似的方式清洗所述陰極室直至液體pH達(dá)到7為止。清洗陽(yáng)極室的勞動(dòng)量更大一些。同清洗陰極室相比，清洗陽(yáng)極室需要多大約3-4倍的水。
在所述研究中，我們從工藝用水著手，所述工藝用水曾被靜置并被潷析。這種水被稱之為“舊”水。還提供兩種其它類型的工藝用水。一種是“新鮮”水或者未處理過(guò)的水，另一種是“甲苯萃取過(guò)的”水。這兩種水的pH均大約為9.3。
在使用“新鮮”的或者未處理過(guò)的工藝用水的試驗(yàn)過(guò)程中，在Sa貯存容器的壁上形成一層棕褐層，根據(jù)每一次電解，在相同的槽電壓下觀察到較小的電流。使用5％的HCl溶液很容易將所述層從容器上溶解掉。
分析所得溶液顯示形成氫氧化鐵/氧化鐵。對(duì)陽(yáng)極室進(jìn)行相似的酸性處理導(dǎo)致產(chǎn)生藍(lán)色液體，這表明在所述室內(nèi)壁上的層含有六氰基高鐵酸鹽離子。在酸性處理中，氫氧化鐵/氧化鐵溶解，形成均為藍(lán)色的KFe[Fe(CN)6]或者Fe4(Fe(CN)6)3沉淀。這些沉積物是可溶性的，可被洗掉。余下發(fā)粘的部分可通過(guò)用堿性溶液處理來(lái)溶解。依序重復(fù)所述酸性--堿性工序3-4次，從所述陽(yáng)極室去除掉所述沉積層，恢復(fù)工藝條件。
在槽中還形成一層氧化層，且在形成一些氧化層之后，再生工作停止。
只有我們以165ml/min的流速，通過(guò)依次泵送100ml 5％的HCl、250ml水、100ml 5％的NaOH和250ml水達(dá)三次來(lái)清洗所述槽才能恢復(fù)再生能力。
除了前述層的形成，使用“新鮮”工藝用水還會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)難題。據(jù)觀察，在開(kāi)始電解之后，在陰極電解液中出現(xiàn)一種棕褐色沉積物，經(jīng)證明所述沉積物為Fe(OH)2/Fe(OH)3。其由穿過(guò)陽(yáng)離子導(dǎo)電酸性Nafion_膜的游離鐵離子形成。當(dāng)所述游離鐵離子進(jìn)入堿性陰極電解液中時(shí)，開(kāi)始沉淀。據(jù)觀察僅在電解初始的數(shù)分鐘內(nèi)形成所述沉積物。用新鮮的溶液替換陰極電解液，未再出現(xiàn)污染物。甲苯萃取過(guò)的工藝用水更合人意，這是因?yàn)槲闯霈F(xiàn)Fe離子通過(guò)所述膜遷移到陰極電解液中，且未干擾陽(yáng)極室中層的形成。在“舊”水中，在靜置過(guò)程中，棕褐色粉末如沉積物積聚，所述棕褐色粉經(jīng)證明為鐵的氧化物。通過(guò)從390ml水中過(guò)濾出所述沉積物，用堿性溶液清洗并進(jìn)行干燥，測(cè)定數(shù)據(jù)為0.251g/dm3，即0.00157mole/L鐵的氧化物。
在剛開(kāi)始滴定時(shí)，出現(xiàn)顯示形成普魯士蘭沉積物的藍(lán)色，所述沉積物僅僅當(dāng)有游離鐵離子存在時(shí)才能形成。含量的定量測(cè)定不成功。
“新鮮”水和“甲苯萃取過(guò)的”水的pH幾乎相同(“新鮮”水pH＝9.37，“甲苯萃取過(guò)的”水pH＝9.43)。
1.4分析取1ml體積的陽(yáng)極電解液為試樣，通過(guò)用0.05M酸性Ce(SO4)2溶液滴定和亞鐵鄰菲咯啉指示劑來(lái)確定Fe(CN)4-6離子的濃度。Ce(IV)離子將Fe(CN)4-6離子氧化成Fe(CN)3-6離子。
在K+離子通過(guò)所述膜遷移之后，取1ml陰極電解液為試樣，通過(guò)離子敏感電極(RADELKISZ，Hungary)分析K+的含量。在每一次分析之前，通過(guò)在0.1、0.01以及0.001M的KCl溶液中測(cè)量電極相對(duì)于飽和甘汞電極(sce)的電勢(shì)來(lái)校準(zhǔn)電極。這些數(shù)據(jù)形成了一條校準(zhǔn)曲線。
1.5替換槽中電極電解槽配備有Cu陰極和石墨陽(yáng)極，這是因?yàn)楦鶕?jù)我們的初步工作，它們是最合適的組合。除了這些電極，經(jīng)測(cè)試不銹鋼陰極和石墨氈覆蓋的石墨陽(yáng)極和Ni陽(yáng)極也很好。可無(wú)任何困難地替換所述電極。
1.6基本操作特點(diǎn)通過(guò)使用Cu陰極和石墨陽(yáng)極確定所述氧化的基本特點(diǎn)。在先前的研究中，這些材料是最有前景的。盡管需要相當(dāng)大的過(guò)電位，但在熱力學(xué)上，石墨具有相當(dāng)穩(wěn)定的抗氧化性。認(rèn)為即使在有機(jī)反應(yīng)中發(fā)生了氧化，石墨氧化產(chǎn)物的干擾也比金屬陽(yáng)極的離子要小，在所述有機(jī)反應(yīng)中，預(yù)計(jì)被再循環(huán)的鐵氰化物(IV)將被再使用。
操作參數(shù)范圍槽電壓2.00-2.80V。低于2.00V，轉(zhuǎn)化速度太慢以至于不可行，高于2.80V，在陽(yáng)極逸出大量氣體。實(shí)際上，在2.80V槽電壓下，大約在電解20分鐘后出現(xiàn)氣體逸出。槽電壓的操作范圍為2.20V-2.60V。
溫度60-70℃。在更低溫度，F(xiàn)e(CN)3-6/Fe(CN)4-6絡(luò)合物的溶解度很低。由電解槽材料的熱穩(wěn)定性決定上限值。大部分試驗(yàn)在60℃下進(jìn)行。
泵速100-500ml/min。使用更小的速度，通過(guò)流體傳遞給槽的熱量不足以維持所述溫度，使用更快的速度，在系統(tǒng)中形成高壓和振動(dòng)(管道內(nèi)徑不足以承受更快的泵速)。短期更快的速度不會(huì)影響電流。通常速度為405ml/min。
實(shí)施例22.1用多種電極的觀測(cè)結(jié)果2.1.1Cu陰極和石墨陽(yáng)極。
2.1.1.1“舊”工藝用水用“舊”工藝用水完成利用MP槽的初始工作。將所述水貯存大約1年。所述電解氧化方法的再生能力非常好。在起始階段，電流隨著槽電壓增加，因?yàn)榫哂凶銐蛄康腇e(CN)4-6來(lái)維持增加的反應(yīng)速度。當(dāng)電流下降時(shí)，電流變得與槽電壓無(wú)關(guān)，因?yàn)檫@時(shí)通過(guò)遷移控制電流，但是，在最后階段，電流又隨著槽電壓增加。這種變化是由于槽電壓是恒量，隨著Fe(CN)4-6氧化速度的下降，新的反應(yīng)開(kāi)始了，且其作用隨著電解時(shí)間變得越來(lái)越大。這些發(fā)應(yīng)可為(i)在水中，有機(jī)污染物的氧化，(ii)石墨陽(yáng)極的氧化或者(iii)氧氣逸出。據(jù)觀察，在所有試驗(yàn)中，在2.80V槽電壓下，氣體在電解大約20分鐘時(shí)開(kāi)始逸出，從槽中進(jìn)入到貯存容器中的陽(yáng)極電解液變得泡沫越來(lái)越多。在電解60-70分鐘時(shí)，由滴定數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的Fe(CN)4-6轉(zhuǎn)化率大于80％。
2.1.1.2“新鮮”水由于電流很低，在2.00V的試驗(yàn)被停止的較早。在所述工作過(guò)程中，結(jié)果是膜和陽(yáng)極上的沉積物可使電流下降，且僅當(dāng)應(yīng)用如1.3所述的清洗工序時(shí)，再生工作才有可能。
2.1.2甲苯萃取過(guò)的水2.1.2.1Cu陰極和石墨陽(yáng)極盡管在每一個(gè)貯存所述水的容器底部，我們都發(fā)現(xiàn)了細(xì)分散的沉淀物，但使用這種水我們沒(méi)有遇到上述關(guān)于“新鮮”水的難題。
電流隨時(shí)間的變化遵循與先前情況相似的模式。流速為405ml/min。槽電壓的增加導(dǎo)致短期內(nèi)起始電流的增加。在2.40V時(shí)，在90分鐘內(nèi)達(dá)到大約80％的轉(zhuǎn)化率，而在2.60V時(shí)，在70分鐘內(nèi)達(dá)到。
盡管在起始階段具有槽電壓因變量，但轉(zhuǎn)化率與通過(guò)的電荷成比例。當(dāng)由氧化絡(luò)合物滴定計(jì)算出來(lái)的所通過(guò)的電荷與由電流計(jì)算出來(lái)的所通過(guò)的電荷的比例被繪制成曲線時(shí)，最適宜的條件似乎是在2.40V。
2.1.2.2不銹鋼(SS)陰極和石墨陽(yáng)極當(dāng)在2.20V用SS陰極進(jìn)行第一次電解時(shí)，電流出人意料的低。看起來(lái)似乎是第一次的電解激活了所述陰極，因?yàn)樵?.40V進(jìn)行下一次電解時(shí)形成了預(yù)計(jì)范圍內(nèi)的電流。在2.60V的電解如預(yù)計(jì)般進(jìn)行，盡管電流幾乎保持恒定直至電解停止，但在2.80V，電流開(kāi)始下降的很快。大量氣體逸出證明在此電壓下正在進(jìn)行其它過(guò)程。在這次電解之后，我們返回到2.20V，所觀察到的電流為我們期望的電流。
轉(zhuǎn)化率未達(dá)到使用Cu-石墨電極(圖17)達(dá)70分鐘時(shí)所看到的水平。所述轉(zhuǎn)化率大約為70-80％。
2.1.2.3不銹鋼(SS)陰極和石墨氈陽(yáng)極嘗試石墨氈陽(yáng)極的目的在于增加電流密度。將石墨氈粘在具有很高表面積的固體石墨的表面。同固體石墨陽(yáng)極相比，在2.20V進(jìn)行的電解以更大的電流進(jìn)行，且所述電流幾乎在整個(gè)電解時(shí)間內(nèi)保持恒定，僅在接近結(jié)束時(shí)，急劇下降。這種特點(diǎn)很有前景。不幸的是，由于有機(jī)成分的吸附，電極的清洗勞動(dòng)量很大。應(yīng)用常規(guī)的酸性清洗工序?qū)е挛赐Ａ舻那逑此尸F(xiàn)粉-褐紅色，這可能是由于粘合劑的分解造成的。這種現(xiàn)象導(dǎo)致這種復(fù)合材料對(duì)用于我們的目的沒(méi)有價(jià)值，不能再用之進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)。
2.1.2.4不銹鋼(SS)陰極和Ni陽(yáng)極由于Ni抗氧化的熱力學(xué)穩(wěn)定性與石墨相似，因此盡管槽電壓的范圍很窄，但設(shè)想嘗試用這種金屬作為陽(yáng)極將會(huì)是有價(jià)值的。
電流下降很快，且不幸發(fā)生Ni的溶解。由于這些原因，我們不考慮將Ni作為陽(yáng)極材料。
2.2結(jié)論這些試驗(yàn)證明了初步的研究認(rèn)為Cu或者不銹鋼陰極和石墨陽(yáng)極為最適宜的電極。
盡管未預(yù)見(jiàn)到改變陰極材料將會(huì)影響轉(zhuǎn)化率，但在使用不銹鋼陰極的情況下，轉(zhuǎn)化率低于使用Cu陰極的情況。這種影響可通過(guò)不同的過(guò)電位分配間接地產(chǎn)生。
在Cu陰極上，觀察到細(xì)微的表面粗糙化。在不銹鋼陰極上未觀察到變化，石墨陽(yáng)極也很穩(wěn)定。
實(shí)施例33.1流速的影響將陽(yáng)極電解液和陰極電解液流體的流動(dòng)控制為具有相同的速度。不同的流速(陰極電解液流動(dòng)的更慢或更快)不會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生影響。陽(yáng)極電解液的體積為250ml，但流度為500ml/min。我們必須使用500ml的體積來(lái)阻止由于快速抽氣導(dǎo)致的空氣的進(jìn)入。在起始階段，流速的增加不會(huì)影響電流，但在接近反應(yīng)的終點(diǎn)，由于大量的遷移，流速的增加會(huì)影響電流。因此，陽(yáng)極電解液流動(dòng)的更快是有利的。在我們的設(shè)置中，流速不能再被增加。在試驗(yàn)工作中，我們應(yīng)用的流速為405ml/min。
3.2有機(jī)成分對(duì)電流的影響比較在相同的槽電壓例如2.20V在各種設(shè)置中觀察到的氧化速度，可以得出的結(jié)論為在t＝0時(shí)的初始速度幾乎相同。除了使用表面積大得多的石墨氈外，電流在4.0-4.5A范圍內(nèi)。在與電流有關(guān)的時(shí)間內(nèi)，可以看到由于水的組成的不同帶來(lái)的不同。
考慮到有機(jī)成分的影響，自將之用作引導(dǎo)樣本之后，不考慮使用“舊”水，“新鮮”水和“甲苯萃取過(guò)的”水則很有價(jià)值?！靶迈r”水形成沉積層的強(qiáng)烈趨勢(shì)說(shuō)明了在槽中，在將水相廢液循環(huán)之前，對(duì)其進(jìn)行處理的重要性。
用甲苯萃取提供了一種適宜用作陽(yáng)極電解液的水相。其顯然改善了游離鐵離子的含量，且在陰極電解液中沒(méi)有沉積物產(chǎn)生。所述萃取還改善了有機(jī)成分，盡管使用這種水也形成某些層，但它沒(méi)有阻塞所述陽(yáng)極和膜。
作為選擇，我們盡量通過(guò)在活性炭上吸附來(lái)從“新鮮”水中去除有機(jī)物質(zhì)，但這并不是很成功。
我們的結(jié)論是用甲苯萃取是一種對(duì)減小阻塞很有用的工序。
3.3氫氣的逸出當(dāng)陰極電解液僅含有NaCl時(shí)，陰極反應(yīng)必定為
通過(guò)法拉第規(guī)則，由電流可計(jì)算出H2的量。因此，在1s時(shí)間內(nèi)，1A電流(Q＝1A*1s＝1As)產(chǎn)生1/(2*96600)＝5.18*10-6摩爾，即1.24*10-4L H2。在我們的試驗(yàn)中，250ml工藝用水的亞鐵氰化物(V)含量需要大約20000As，在1.86g(大約1.86ml)水的反應(yīng)消耗中形成2.48L H2。所述量太小以至于不能在體積為500ml的陰極電解液中看到變化，特別是如果我們認(rèn)為隨著K+離子遷移通過(guò)所述膜，還發(fā)生水的遷移時(shí)，甚至于會(huì)過(guò)度補(bǔ)償了這部分消耗。
3.4槽電壓對(duì)離子和水通過(guò)膜的遷移的影響在每一個(gè)試驗(yàn)中，在K+遷移之后，通過(guò)應(yīng)用離子敏感電極來(lái)確定陰極電解液試樣中K+的濃度，同時(shí)對(duì)陽(yáng)極電解液試樣進(jìn)行亞鐵氰化物滴定。
3.5溫度的影響在2.20V電壓，用405ml/min的流速測(cè)量溫度的影響。所述影響很小，且僅在起始階段能看到正面影響，由于在起始階段幾乎沒(méi)有絡(luò)合物遷移，所以當(dāng)在最后階段，溫度越低電流越大?？梢哉J(rèn)為操作溫度可高達(dá)70℃。在我們的試驗(yàn)中，我們使用60℃的溫度。
由于電流密度很低(最大為40mA/cm2)，且液體在5mm厚的室中流動(dòng)提供充分的熱交換來(lái)穩(wěn)定溫度，所以由于電解電流產(chǎn)生的熱可被忽略。
3.6陰極電解液pH的改變?cè)诿恳粋€(gè)試驗(yàn)中，監(jiān)控和記錄陰極電解液的pH。所述pH快速增加到大約pH＝10.5，然后慢慢增加到大約pH＝11。這種模式對(duì)所有試驗(yàn)來(lái)說(shuō)是很典型的。由于槽電壓的干擾，用相同的檢測(cè)器同時(shí)測(cè)量陽(yáng)極電解液和陰極電解液是不可能的，所以我們僅記錄陰極電解液的pH。在試驗(yàn)之后，測(cè)量陽(yáng)極電解液的pH。陽(yáng)極電解液的起始pH＝8.9，且?guī)缀醪浑S著電解改變。
3.7結(jié)論建議下述參數(shù)-電極Cu陰極，石墨(固體)陽(yáng)極(不銹鋼和石墨陰極也合適)-槽電壓范圍2.20V-2.60V-操作溫度范圍60℃-70℃-流速陽(yáng)極電解液和陰極電解液均為400ml/min-700ml/min(上限值在SYN槽中測(cè)量)-水預(yù)處理?xiàng)l件用甲苯萃取-槽清洗首先清洗陽(yáng)極室-排空所述室-用去離子水清洗直至褪色-用5％HCl溶液漂白-用去離子水漂白-用5％NaOH溶液漂白-用去離子水漂白其次清洗陰極室-排空所述室-用去離子水清洗直至流出物的酸度為pH＝74.再使用實(shí)施例使用來(lái)自電解氧化的再循環(huán)陽(yáng)極電解液制備中間產(chǎn)物(III)的工序?qū)?.5g K3Fe(CN)6和5.9g K2CO3添加到125ml陽(yáng)極電解液中，所述陽(yáng)極電解液為電解氧化的產(chǎn)物，具有下述分析數(shù)據(jù)174.6mg/mlK3Fe(CN)6、21.2mg/ml K4Fe(CN)6、鉀濃度為c(K+)＝2.38M。將所述溶液添加到一個(gè)500ml四頸圓底燒瓶中，所述燒瓶配備有機(jī)械攪拌裝置、回流冷凝器以及氮?dú)膺M(jìn)口，所述燒瓶中含有228ml甲苯和7.6g中間產(chǎn)物(II)。攪拌所述混合物，并加熱到55℃達(dá)9h，不攪拌冷卻到室溫并過(guò)濾。用44ml甲苯清洗過(guò)濾得到的固體，分離統(tǒng)一的液體。用50ml甲苯清洗水層，在NaSO4上干燥統(tǒng)一的甲苯相，并蒸發(fā)獲得2.6g固體，所述固體含有(定量LC)83.3％的中間產(chǎn)物(III)。
作為選擇，代替在上述實(shí)施例中添加K2CO3，通過(guò)添加適量由電解氧化獲得的陰極電解液，可將由電解氧化獲得的陽(yáng)極電解液變?yōu)閴A性。
5.以亞鐵氰化物溶液的電解氧化開(kāi)始的多次再使用實(shí)施例在下述實(shí)施例中，由廉價(jià)的亞鐵氰化物獲得鐵氰化物，我們進(jìn)行5次電解氧化和氧化酚偶合反應(yīng)循環(huán)。
在50℃，將一種水(359ml)中含有亞鐵氰化物(1.22g；0.057mol/100g)、KHCO3(33g)的溶液在2.6V電解氧化成為鐵氰化物(90％的轉(zhuǎn)化率；0.051mol/100g)(ELOX1)。將氫氧化鉀和其它成分添加到其中來(lái)補(bǔ)償K+的損失和降低pH(表A)。
在中間產(chǎn)物(II)(25g)到中間產(chǎn)物(III)(反應(yīng)1)的氧化酚偶合中使用所述溶液。反應(yīng)完成時(shí)，將這種熱反應(yīng)混合物潷析，并將液相轉(zhuǎn)移到分離漏斗來(lái)將水層同有機(jī)層分離。干燥并通過(guò)共沸蒸餾濃縮所述有機(jī)層，如前述分離中間產(chǎn)物(III)。測(cè)定產(chǎn)量和雜質(zhì)量(表B)。
通過(guò)decalite過(guò)濾暖水層，分析雜質(zhì)(表C)并用被消耗的試劑(表D)復(fù)原，然后如前所述(50℃，2.6V)(ELOX2)進(jìn)行電解氧化。
在電解氧化之后，測(cè)量鐵氰化物和亞鐵氰化物的量、K+和H+的濃度以及存在的有機(jī)雜質(zhì)，以足夠的量添加試劑來(lái)將溶液復(fù)原為如在ELOX1(參見(jiàn)表A)之后獲得的溶液。
這樣獲得的溶液在氧化酚偶合反應(yīng)(反應(yīng)2)中被再使用，在從ELOX5到反應(yīng)5的整個(gè)過(guò)程中重復(fù)上述工序。
下面的表A-D詳細(xì)說(shuō)明了本實(shí)施例中的每一個(gè)電解氧化和氧化酚偶合反應(yīng)。
表A在電解氧化之后，轉(zhuǎn)入到有機(jī)反應(yīng)之前添加的成分的量(g)。

表B有機(jī)層的產(chǎn)率和雜質(zhì)概況。

表C水層的雜質(zhì)概況。

表D在轉(zhuǎn)入到電解氧化之前，添加到水層的成分的量，所述水層由有機(jī)反應(yīng)獲得。

權(quán)利要求
1.一種在隔離式電化學(xué)槽中，將含有亞鐵氰化物(V)的水相氧化成一種含有鐵氰化物(IV)的水相的方法，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收，該方法包括-制備一種陽(yáng)極電解液，其包括通過(guò)潷析、萃取或者過(guò)濾來(lái)預(yù)處理所述含有亞鐵氰化物(V)的水相，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收；-使該陽(yáng)極電解液與隔離式電化學(xué)槽中的陽(yáng)極接觸；-使該陰極電解液與隔離式電化學(xué)槽中的陰極接觸；-向隔離式電化學(xué)槽施加電能，其中所述電能具有一安培數(shù)或電壓值，且施加周期足以將亞鐵氰化物(V)氧化成鐵氰化物(IV)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述隔離式電化學(xué)槽由陽(yáng)離子選擇性膜隔離。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述陽(yáng)離子選擇性膜為Nafion_全氟化聚乙烯磺酸膜。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述含有亞鐵氰化物(V)的水相的預(yù)處理包括在60℃或者更高溫度下將所述水相儲(chǔ)存一段足以使懸浮顆粒沉降的時(shí)間，并潷析出上層水相以使之同沉淀顆粒分離，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述含有亞鐵氰化物(V)的水相的預(yù)處理包括用一種有機(jī)溶劑萃取所述水相，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述含有亞鐵氰化物(V)的水相的預(yù)處理包括過(guò)濾所述水相，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述陰極電解液含有堿金屬氫氧化物或堿金屬鹽(例如KOH、K2CO3、KHCO3、KCl、KCN)溶液，所述溶液的濃度范圍為0.0001-1M。
8.權(quán)利要求1的方法，其中陽(yáng)極電極為石墨；以及陰極電極選自銅、鎳、不銹鋼和石墨。
9.權(quán)利要求1的方法，其中施加到隔離式電化學(xué)槽的電能具有2V-2.6V之間的電壓。
10.權(quán)利要求9的方法，其中所述電壓為2.6V+/-0.1V。
11.權(quán)利要求1的方法，其中將陽(yáng)極電解液和陰極電解液的溫度保持在50℃或者更高。
12.權(quán)利要求1的方法，其還包括選自-記錄通過(guò)隔離式電化學(xué)槽的電流；-記錄亞鐵氰化物(V)濃度的下降；-記錄鐵氰化物(IV)濃度的增加；-記錄游離氰化物(CN-)的初現(xiàn)；以及-記錄陰極電解液的電導(dǎo)率之一或全部的監(jiān)控步驟。
13.一種通過(guò)如權(quán)利要求1所述的方法獲得的含有鐵氰化物(IV)的水相。
14.一種在對(duì)氧化酚偶合反應(yīng)敏感的基質(zhì)上，將如權(quán)利要求13所述的含有鐵氰化物(IV)的水相用于進(jìn)行所述氧化酚偶合反應(yīng)的應(yīng)用。
15.權(quán)利要求14的應(yīng)用，其中所述氧化酚偶合反應(yīng)在分子式(II)的基質(zhì)上進(jìn)行 產(chǎn)生一種分子式(III)的化合物
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在隔離式電化學(xué)槽中，將含有亞鐵氰化物(V)的水相氧化成含有鐵氰化物(IV)的水相的方法，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收，所述方法包括制備陽(yáng)極電解液，其包括通過(guò)潷析、萃取或者過(guò)濾來(lái)預(yù)處理含有亞鐵氰化物的水相，所述亞鐵氰化物(V)由氧化酚偶合反應(yīng)回收；使陽(yáng)極電解液與隔離式電化學(xué)槽中的陽(yáng)極接觸；使陰極電解液與隔離式電化學(xué)槽中的陰極接觸；向隔離式電化學(xué)槽施加電能，其中所述電能具有一安培數(shù)或電壓值，且施加周期足以將亞鐵氰化物(V)氧化成鐵氰化物(IV)。
文檔編號(hào)C07D491/10GK1694979SQ03824850
公開(kāi)日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月4日
發(fā)明者A·霍爾瓦思, J·A·費(fèi)爾布雷肯, M·諾瓦克, A·G·M·德克奈普 申請(qǐng)人:詹森藥業(yè)有限公司