對羥基苯甲醛的合成研究現狀及新進展

王思宇 王相承

(中國人民解放軍陸軍防化學院，北京 102205)

對羥基苯甲醛(p-Hydroxybenzaldehyde，簡記為PHB)，廣泛用于醫藥、農藥、香料、化工、電鍍、液晶材料等領域。隨著市場需求量的不斷增加，高純度的對羥基苯甲醛產品更為市場青睞，但是國內對羥基苯甲醛的生產廠家較為零散，規模較小，低水平重復建設嚴重?？蒲泄ぷ髡咭苍诔掷m關注對羥基苯甲醛的合成改進研究[1]，但近幾十年來一直沒有突破性進展。

現有對羥基苯甲醛的合成方法有很多種。依據起始原料的不同，主要以對硝基甲苯[2,3]、對氯苯酚[4]、對甲酚[5-7]、苯酚[6,8-11]為原料合成對羥基苯甲醛。這4種起始化合物，經過不同的途徑轉化為對羥基苯甲醛，常常因催化劑的選用而表現出動力學效果的差異，但沒有解決副產物多或“三廢”嚴重的關鍵難題。此外，還有以對羥基苯甲醇、對羥基苯甲醛苯腙、對羥基苯甲醛肟以及縮醛類衍生物、苯甲醛衍生物為原料合成對羥基苯甲醛的方法，這些方法僅有一定的理論價值，實際應用意義不大[12]。

以苯酚為原料合成對羥基苯甲醛具有原子經濟性，在苯酚的對位引入醛基的技術方案具有競爭優勢。日本的對羥基苯甲醛生產技術有壟斷全球的趨勢，但具體的技術動態鮮見報道。

本文對比分析對羥基苯甲醛的幾種合成方法，重點討論改進酚羥基對位引入醛基的可行性及可采取的技術措施。

1 現有對羥基苯甲醛的合成方法及存在的問題分析

1.1 以對硝基甲苯為原料[2,3]

以對硝基甲苯為原料，在Na2Sx的堿性水-乙醇環境中，經氧化-還原生成對氨基苯甲醛，而后通過硫酸酸化形成硫酸鹽，加入NaNO2溶液，經過重氮化、水解得到對羥基苯甲醛(PHB)。如圖1所示。

圖1 對硝基甲苯合成對羥基苯甲醛Fig.1 Synthesis of p-hydroxybenzaldehyde from p-nitrotoluene

反應先生成的對氨基苯甲醛，可分子間縮合成席夫堿，易發生自縮聚，影響產率。如圖2所示。

圖2 中間體對氨基苯甲醛的自聚Fig.2 Self polymerization of intermediate p-aminobenzaldehyde

除此，它還能與反應生成的副產物對氨基苯甲醛縮合，縮合產物的分子中也有氨基，可與對羥基苯甲醛進一步縮合，如圖3所示。

圖3 對氨基苯甲醛與對羥基苯甲醛的自聚與偶聯反應Fig.3 Self polymerization and coupling reaction of p-aminobenzaldehyde and p-hydroxybenzaldehyde

該反應對pH要求較高，對氨基苯甲醛在堿性環境中會發生聚合反應，生成深紅色不溶性固體。重氮化反應過程中，pH值對生成重氮鹽的穩定性有較大影響，生成的不穩定重氮鹽容易與未反應的對氨基苯甲醛形成不溶解的重氮氨基苯甲醛化合物；重氮鹽水解生成對羥基苯甲醛時，產物有可能和重氮鹽發生偶聯副反應。

1.2 以對氯苯酚為原料[4]

對氯苯酚在復合催化劑醋酸鈀、三環己基膦和4-(二甲氨基)吡啶等催化劑作用下，可在較低溫度和壓力下順利進行反應。如圖4所示。

圖4 對氯苯酚復合催化制備對羥基苯甲醛Fig.4 preparation of p-hydroxybenzaldehyde from p-chlorophenol by composite catalysis

但該法工業化過程中遇到的難題是設備要求高、危險性大，催化劑成本高，再生效果差，產率不穩定。

1.3 以對甲苯酚為原料

以對甲苯酚為原料合成對羥基苯甲醛的研究報道較多，典型的有對甲苯酚酯化法、Mn2O3氧化法、過渡金屬鹽催化氧化法、Etard氧化法和電化學氧化法，其中電化學氧化法工業化前景較好，但氧化電極的壽命和氧化的工藝安全問題需要進一步深入研究。如表1所示。

表1 以對甲苯酚為原料合成PHB比較表Tab.1 Comparison of synthesis of PHB from p-cresol

以對甲苯酚為原料合成對羥基苯甲醛的現有方法中，要么催化劑的壽命及活性受限，要么工藝條件較為苛刻，離規?；瘧眠€有較遠的距離。

1.4 以苯酚為原料

以苯酚為原料合成對羥基苯甲醛的研究報道也較多。苯酚為原料，在堿金屬氫氧化物作用下，苯酚與氯仿發生Reimer-Tiemann反應；碳酸鉀的催化下，苯酚與三氯乙醛縮合；苯酚與甲醛在稀堿或弱酸作用下在鄰位和對位上發生縮合；苯酚和N,N-二甲基甲酰胺在POCl3作用下進行Vilsmierm反應；苯酚和液體氫氰酸在三氯化鋁催化下進行Gattermann反應。這幾種反應都可以制備對羥基苯甲醛，如表2所示。

表2 以苯酚為原料合成PHB比較表Tab.2 Comparison of synthesis of PHB from phenol

目前國內外化工企業大多采用Reimer-Tiemann反應制備水楊醛，同時副產對羥基苯甲醛。如圖5所示。

圖5 苯酚與氯仿Reimer-Tiemann反應制備水楊醛Fig.5 preparation of salicylaldehyde by Reimer-Tiemann reaction of phenol and chloroform

該法原料價廉易得，但是該反應以鄰位產物(水楊醛)為主，對羥基苯甲醛的收率較低。

2 Gattermann反應合成對羥基苯甲醛的方法改進

苯酚和液體氫氰酸在三氯化鋁催化下制備對羥基苯甲醛是經典的Gattermann反應，如圖6所示。

圖6 苯酚與氫氰酸合成對羥基苯甲醛Fig.6 synthesis of p-hydroxybenzaldehyde from phenol and hydrocyanic acid

國內研究工作者在關注改進對羥基苯甲醛合成方法的同時，對Gattermann反應制備對羥基苯甲醛給予了充分肯定[4,33,34]。尤其是改進后的Gattermann反應[29,31,32]，通過氰鹽直接制備對羥基苯甲醛，如圖7所示，更顯示了其合成對羥基苯甲醛的巨大優勢。

圖7 苯酚與氰鹽合成對羥基苯甲醛Fig.7 synthesis of p-hydroxybenzaldehyde from phenol and cyanate

2.1 原子經濟性高

改進后的Gattermann反應，通過苯酚亞胺化制備對羥基苯甲醛，在酚羥基對位通過氰鹽(NaCN)的氰根質子化引入亞甲胺基，質子源來自氯化氫，理論上的副產物僅為氯化鈉，因此該反應的原子利用率高。

2.2 工藝安全性好

以氰鹽作為反應原料，固體投料，比傳統的氫氰酸法改進了安全性。通入無水氯化氫的過程可以采用微正壓，在密封的反應器內完成，一是體系密封更有利于保持通氣過程的干燥；二是反應過程消耗氣體氯化氫，從動力學角度，微正壓更有利于反應的進行；三是無尾氣外排，消除了因尾氣攜帶HCN可能產生的危險。

2.3 有綠色化工前景

國內的相關學者幾乎都給出了該反應能定量反應的結論，以引用的二次文獻居多，但都沒有數據支持，其中重要的原因是限于氰化鈉(氰化鉀)的高毒劇毒不便于展開相關研究。其實隨著國內菊酯類(尤其甲氰菊酯)農藥的大量生產，氰化物的生產安全已經積累了成熟的經驗，形成了完善的處置方案。通常采取雙氧水氧化技術，產生的工藝廢水含氯化鈉，可封閉運行，三廢壓力小。

3 改進Gattermann反應合成對羥基苯甲醛的發展建議

以改進后的Gattermann反應制備對羥基苯甲醛，不再局限于無水三氯化鋁路易斯酸催化劑，這種研制工作無論在理論上，還是實際應用上都有重要意義。改進過程有幾個方面的問題需要解決。(1)催化劑體系的改進：固體超強酸技術，尤其樹脂負載的固體超強酸技術的引入有可能突破現有路易斯酸催化方法；(2)溶劑回收過程的安全措施是工程化過程務必解決的難題，因為反應體系分相完成后的溶劑中會殘留一定的HCN，需要進行必要的消除處理。

從節約資源和減少污染源的觀點來重新審視設計改造傳統化學，期望實現化學工業的環境、經濟和社會的和諧發展，符合綠色化學研究的理念。