一種四苯基卟吩的連續(xù)制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及有機合成技術領域，具體涉及一種四苯基卟吩的連續(xù)制備方法。
【背景技術】
[0002] 四苯基卟吩（以下簡稱TPP)的通式為通式（II):
[0003]
[0004] 其中RiUs均分別為各種取代基。
[0005] TPP是重要的發(fā)光材料，也是合成金屬卟啉的原料。Adler法是公認的合成四苯基 卟吩的最好的方法，該法在實驗室中采用吡咯和苯甲醛為反應原料，在回流丙酸中反應合 成TPP(J · Am· Chem· Soc ·，1964，86:3145; J · Org · Chem·，1967，32:476)。但該法得到的以吡咯 計的TPP收率小于20%，而且其中含5~10%的結(jié)構如通式（III)所示的雜質(zhì)二氫四苯基卟 吩（以下簡稱TPC)。
[0006] 為了除去TPP中混有的TPC雜質(zhì)，之后的研究者對Adler法進行了大量的改進，主要 集中在兩個方向：（1)將含TPC雜質(zhì)的TPP溶解在苯、二甲基亞砜、二氯甲烷、三氯甲烷等有機 溶劑中，然后采用色譜柱分離的方法除去TPC。（2)將含TPC雜質(zhì)的TPP溶解在一定的有機溶 劑中后，加入一定量的弱化學氧化劑如2，3，5，6-四氯苯醌、2，3-二氯-5，6-二氰苯醌等將 TPC氧化成TPP而除去TPC。由于TPP和TPC在有機和無機溶劑中的溶解度都很小，無論是色譜 柱法還是加入化學氧化劑方法，都需要增加大量的溶劑的分離，工序多，溶劑損耗大，生產(chǎn) 成本高，不適合工業(yè)上的規(guī)模化生產(chǎn)。而且，這些實驗室方法均從如何提純角度來考慮TPP 的合成問題，而少有從提高反應收率的角度來考慮TPP的合成問題，導致以吡咯計的TPP的 收率較低，而吡咯價格昂貴，是生產(chǎn)TPP時重要的成本因素，這也導致現(xiàn)有的實驗室方法的 生產(chǎn)成本高，不適合工業(yè)上的規(guī)?；a(chǎn)。
[0007] 中國專利公開號CN101550140A，公開日2009年10月7日，發(fā)明名稱：四芳基卟啉的 合成方法與設備。該申請案以Adler法為基礎，公開了一種由吡咯、芳香醛和空氣為原料合 成四芳基卟啉（簡稱TAP)的間歇生產(chǎn)方法。該合成方法涉及在常壓下同一個反應器中同時 間歇完成吡咯和芳香醛縮聚成二氫四芳基卟啉(簡稱TAC)和TAC的空氣氧化兩個反應。該法 由于反應溫度較低，反應時間長，導致副反應多。雖然該法報道的四苯基卟吩的合成產(chǎn)率在 30~40%之間，四芳基卟啉產(chǎn)品中TAC的含量可降低到2%以下，較文獻報道結(jié)果有較大的 改進，但產(chǎn)物收率仍然偏低。而且，吡咯、丙酸或其它有機溶劑和空氣混合后，容易產(chǎn)生爆炸 性的氣體，工業(yè)生產(chǎn)時的安全問題也未在該專利中提及。
[0008] 中國專利公開號CN102952143A，公開日2013年03月06日，發(fā)明名稱:一種四苯基卟 吩的制備方法。該申請案同樣以Adler法為基礎，公開了一種由吡咯、芳香醛和空氣為原料 高產(chǎn)率合成四苯基卟啉(簡稱TPP)的方法。該合成方法涉及分別在兩個不同的反應器中完 成吡咯和芳香醛縮聚成卟啉原（TPPG)和TPPG的空氣氧化兩個反應，反應收率在26.2~ 37.3 %之間，難以分離和去除的中間產(chǎn)物TPC的含量降低到0.9%以下，產(chǎn)品純度達到98% 以上。相比CN101550140A報道的TPC的收率要略差，但CN102952143A得到的TPP的純度更高， 而且從工程操作和實施的角度出發(fā)，更加注重生產(chǎn)的安全性。
[0009] 以上方法的共同特點是工藝成熟可靠，但由于以上各步反應均采用間歇操作，每 批次的操作周期長，能耗高，生產(chǎn)效率低下、設備占地空間大。而且該過程為一含氧氣體參 與的高溫下的氧化反應，在工業(yè)攪拌釜中間歇反應始終存在一定的安全隱患。
[0010] 中國專利公開號CN103880852A，公開日2014年06月25日，發(fā)明名稱：四芳基卟啉的 連續(xù)生產(chǎn)工藝。該申請案以CN101550140A為基礎，公開了一種由吡咯、芳香醛和空氣為原料 高產(chǎn)率合成四芳基卟啉(簡稱TAP)的連續(xù)生產(chǎn)方法。該發(fā)明中用到的溶劑為乙酸、丙酸、苯、 甲苯、二甲苯等中的一種或幾種，反應物為吡咯和芳香醛，在反應溶劑中連續(xù)通入空氣反 應。該申請案有如下缺點：
[0011] (1)該方法采用將含氧氣體、吡咯和芳香醛一起連續(xù)加入氧化反應釜中反應，而吡 咯和芳香醛的氧化速度要遠大于其聚合速度，更易被氧氣氧化而損失，同時生成難以分離 的膠狀雜質(zhì)。
[0012] (2)根據(jù)該法描述，實施過程中采用的原理是反應生成TPP后，由于TPP的過飽和而 使得其沉降至聯(lián)接在反應器底部的沉降槽中，當沉降槽中裝滿TPP后即切換到另一個一模 一樣的沉降槽繼續(xù)操作，而將此裝滿TPP的沉降槽取下后進行后處理。該過程本質(zhì)上是批次 加入反應所需的溶劑后，將反應物吡咯和芳香醛連續(xù)加入攪拌釜中反應，和采用滴加操作 的間歇過程無差別，本質(zhì)上仍為一個間歇操作過程，并未實現(xiàn)物料連續(xù)進出。且實際操作過 程中由于體系的自身特點，反應液的顏色是完全不透明的，實際生產(chǎn)中難以判斷沉降槽中 是否裝滿TPP。
[0013] (3)該法采用的攪拌反應器的高徑比為20~40:1，設備機械，特別是攪拌槳的安全 隱患較大。
[0014] (4)根據(jù)實驗結(jié)果（如：Chunlin Li，Qinbo Wang，et al · J. Chem.Eng.Data，2014， 59(12)，pp 3953-3959;Fluid Phase Equilibria,2015,396,58-65.)，以四苯基卟吩和對 氯四苯基卟吩為例，反應狀態(tài)下的溶解度較大，要使目標產(chǎn)物析出，溶液中目標產(chǎn)物的濃度 需非常高，會導致產(chǎn)物的熱分解量大，同時也難以析出，在保證攪拌均勻的狀態(tài)下，生成的 少量TPP固體也難以沉降到反應器底部。
[0015] (5)該方法在連續(xù)操作過程通入含氧氣體會帶來巨大的操作安全風險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種產(chǎn)品收率高、反應效率高、能耗低、安全 環(huán)保的四苯基卟吩的連續(xù)制備方法。
[0017] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：一種四苯基卟吩的 連續(xù)制備方法，包括以下步驟：
[0018] (a)將吡咯和芳香醛連續(xù)加入到第一反應器中進行反應，所述吡咯與芳香醛的摩 爾流量比為〇. 5~1.1:1，反應壓力為0.1~1 .OMPa，反應溫度為130~200°C，停留時間為10 ~300s，得到第一反應液；
[0019] (b)將步驟(a)得到的第一反應液與含氧氣體連續(xù)加入第二反應器中進行反應，所 述含氧氣體與步驟（a)中加入的芳香醛的摩爾流量比為0.075~1:1，反應壓力為0.1~ l.OMPa，反應溫度為130~200°C，停留時間為10~300s，得到第二反應液；
[0020] (c)將第二反應液冷卻、結(jié)晶、過濾、洗滌得到四苯基卟吩產(chǎn)品。
[0021] 步驟(a)中所述的芳香醛結(jié)構式優(yōu)選如通式(I)所示：
[0022]
[0023] 其中，取代基HR3均分別選自氫、烴基、烷氧基、羥基、羧基、氨基、硝基或鹵素 中的一種。步驟(a)中所述的芳香醛更優(yōu)選為苯甲醛、鄰氯苯甲醛、對氯苯甲醛、間氯苯甲 醛、鄰甲基苯甲醛、對甲基苯甲醛、間甲基苯甲醛、鄰羥基苯甲醛、對羥基苯甲醛、間羥基苯 甲醛、鄰甲氧基苯甲醛、對甲氧基苯甲醛、間甲氧基苯甲醛、鄰氟苯甲醛、對氟苯甲醛、間氟 苯甲醛、鄰溴苯甲醛、對溴苯甲醛、間溴苯甲醛、2,3_二氯苯甲醛、對異丙基苯甲醛、對叔丁 基苯甲醛、間硝基苯甲醛、對氨基苯甲醛、對羧基苯甲醛、對硝基苯甲醛、鄰硝基苯甲醛、間 氨基苯甲醛中的一種。
[0024] 步驟(b)中所述的含氧氣體中氧的體積分數(shù)優(yōu)選大于等于10%。
[0025] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，可將步驟(a)中所述的吡咯或/和芳香醛分別加入溶 劑中配成溶液后進料，所述溶液中吡咯和芳香醛的濃度均大于等于〇.〇5mol/L。所述的溶劑 優(yōu)選為丙酸或乙酸、或者為乙酸或丙酸與環(huán)己烷、甲苯、苯、乙苯、二甲苯中的一種或多種組 成的混合物。所述混合物中丙酸或乙酸的體積分數(shù)優(yōu)選大于等于60%。
[0026] 本發(fā)明中所述的第一反應器和第二反應器均優(yōu)選為微通道反應器。
[0027] 相比于傳統(tǒng)的在常規(guī)反應器中進行的化學合成反應，本發(fā)明所述微通道反應器具 有比表面積大、傳質(zhì)傳熱效率高、反應時間短、反應條件易控制、易擴大化生產(chǎn)且無放大效 益等優(yōu)勢。本發(fā)明實現(xiàn)了四苯基卟吩的連續(xù)生產(chǎn)，具有選擇性好、反應效率高、能耗低、安全 環(huán)保的優(yōu)點。
[0028]本發(fā)明反應分三步進行，如反應方程式(X)、（y)和(z)所示：
[0030]
L〇〇31j 在反應U)中，反應物吡唂B和苯甲酲A相且之丨曰」友生四衆(zhòng)，形成中丨曰」嚴物卟卩林原C (以下簡稱TPPG)和水。在反應(y)中，中間產(chǎn)物TPPG在氧氣的作用下被氧化成另一中間產(chǎn)物 二氫四苯基卟吩D(以下簡稱TPC);在反應(z)中，中間產(chǎn)物TPC在氧氣的作用下進一步被氧 化成目標產(chǎn)物四苯基卟吩F(以下簡稱TPP) JPPG和TPC是TPP中的主要雜質(zhì)。
[0032] 對第一步反應(X)，傳統(tǒng)操作中采用的間歇釜采用批次操作，每次均需升溫、保溫、 降溫過程，每個操作周期4~10小時，生產(chǎn)效率低下。在本申請人申請的CN105085536 A和 CN103880852A中已詳細描述:如果將吡咯、苯甲醛均一次性加入到回流狀態(tài)的丙酸溶液中 反應，開始反應后，苯甲醛和吡咯的濃度迅速下降，表明第一步反應(X)很快。針對這種強放 熱的快反應，理論上只要熱量能夠及時移出，反應能瞬間進行。由于微通道反應器具有比表 面積大、傳質(zhì)傳熱效率高等顯著優(yōu)先，使得該步反應的快速以連續(xù)操作的形式進行完畢成 為可能。采用本發(fā)明所述的微反應器后，能瞬間將該步反應的放熱及時移出，實現(xiàn)了高通量 的四苯基卟吩中間體的連續(xù)合成。由于反應時間短，中間產(chǎn)物在體系中停留時間也短，使得 中間產(chǎn)物熱分解的量也大幅下降，導致反應收率大幅提高。同時，由于移熱及時，該步反應 的反應溫度也可較傳統(tǒng)工藝明顯提高，使得反應速度進一步加快，反應時間進一步縮短，生 成的四苯基卟吩中間體還未來得及發(fā)生分解等副反應即進入了下一個反應單