刘勇浩 赵帅康 田元基 白彬 王红红 何峰通讯作者
西藏大学理学院
摘要：本文以甲苯为原料，在常压条件经过磺化、卤化、去磺化、氧化和水解数个操作对水杨酸进行合成，结果表明，制得的水杨酸产品转化率为41.9%，纯度为98%。与其他实验室制备水杨酸的方法相比有原料易得、品质较好、操作简单、反应温和等优点，但还存在着单程转化率还较低，过程较多的问题。
Abstarct:In this paper, salicylic acid was synthesized from toluene by sulfonation, halogenation, desulfonation, oxidation and hydrolysis at atmospheric pressure. The results showed that the conversion rate of salicylic acid was 41.9 and the purity was 98. Compared with other methods of preparing salicylic acid in laboratory, it has the advantages of easy availability of raw materials, good quality, simple operation and mild reaction, but there are still some problems in one-way conversion rate and more processes.
关键词：水杨酸，甲苯 ，对甲苯磺酸，制备
Keyword:Salicylic acid, toluene, p - toluene sulfonic acid, lining-up
水杨酸、即邻羟基苯甲酸，为白色针状晶体或毛状结晶性粉末，味先微苦后转辛，微溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿、丙酮、松节油、甘油和沸水。水杨酸是重要的精细化工原料，广泛应用于化妆品防腐剂、医药、香精、染料等领域。临床试验上水杨酸用来降低糖尿病患者长期并发心脏病的风险。最新的研究要求所有已经有心脏疾病的I型糖尿病患者都要服用，同时水杨酸的治疗也被建议当成预防并发症的方法[1]。临床资料也显示经典的水杨酸类抗炎药物能够有效的改善2型糖尿病患者糖代谢状态，除了能抑制炎症反应外，还能通过减轻氧化应激，激活腺苷酸活化蛋白激酶，降低游离脂肪酸水平等多种途径发挥降糖效应[2]。水杨酸在染料工业用于制备媒染纯黄、直接棕3GN、酸性铬黄等。还可用作橡胶硫化延缓剂和消毒防腐剂等。最主要作为医药工业的原料，用于制备阿斯匹林、水杨酸钠、水杨酰胺、止痛灵、水杨酸苯酯、血防-67等药物。此类水杨酸的衍生物具有较高的研究价值。
我国的水杨酸工业生产虽然开始于年代末，但我国水杨酸的产销量一直在稳步的上升，2014年敬业集团已经成为全球最大的水杨酸生产基地，年产量更是达到25000吨，并能日本、美国等20多个国家。并且全球对水杨酸的需求量也在日益增长，因此改善工艺流程，提高产量和转化率，节能、降低损耗是现阶段的主要任务。目前制备水杨酸的方法主要有以下几种。
（1）Kolbe-Schmitt法，其反应过程如下[3]：
常压法 将苯酚与50%的氢氧化钠溶液配制成苯酚钠，使游离碱在1%以内，减压脱水后，加苯酚作溶剂共沸脱水。然后苯酚钠在溶剂苯酚中通入干燥的二氧化碳羧化，再用硫酸酸化即得成品。将苯酚与50%氢氧化钠按1：1.02（mol)配比加入反应器中进行反应脱水，控制游离碱≤1%，减压脱水后，再加苯酚作溶剂共沸脱水。然后将苯酚钠在苯酚中通入干燥的二氧化碳气体，进行羧化反应3h后，第二次通入二氧化碳2h，再减压回收苯酚，即羧化完毕。再向上述水杨酸钠溶液中，加入水溶解成50%的溶液，在搅拌下加入7%-8%的硫酸酸化至pH值1-2，然后冷却过滤，真空干燥，即得水杨酸粗品，再将粗品在减压下升华，可得含量为99%的成品水杨酸，收率50%-70%。这种方法安全性较高，设备投入较少，缺点是单程转化率比较低。
中压法 仍以苯酚为原料，先制成酚钠，在中压下用二氧化碳进行羧基化，生成碳酸苯酚酯，然后加压进行分子重排，生成水杨酸钠，再经酸化后处理制得水杨酸。将苯酚用50%液碱中和，真空干燥，然后将釜温冷却至100℃,慢慢通入干燥的二氧化碳，当釜内压力达0.7-0.8Mpa时，停止通二氧化碳，此时生成碳酸苯酚酯钠，然后在130-140℃下发生分子内重排异构化，变为水杨羧钠，再用硫酸酸化，得水杨酸粗品。将粗品在减压下升华，即得水杨酸精品，含量99%，收率达98%以上。中压法又可分为直接法和溶剂法，直接法有反应转化率和回收率低等缺点，溶剂法是目前工业生产的主要方法，但仍然存在着反应时间长、热能消耗大、溶剂回收过程繁杂、污染严重等缺点。
（2）邻硝基甲苯法[3]
邻硝基甲苯在高锰酸钾的作用下，被氧化为初步产物邻硝基苯甲酸，在经过氢气的还原以及重氮化反应可以得到最终产物水杨酸。但是此法工艺流程长、副反应较多、成本也比较高，因此并不适合工业化生产。
（3）邻甲基苯磺酸法[4]
以邻甲基苯磺酸为原材料，先经过氧化得到邻羟基苯磺酸，在经过于氢氧化钠反应生成钠盐，再经过碱熔、酸化既可以得到水杨酸。但是此法的原料难得、成本比较高、产率比较低，实际中很少采用此法。
（4）邻甲酚法[4]
用邻甲酚与乙酐反应生成邻甲基苯甲酸甲酯，再通过氧气进行氧化生成邻甲酸苯甲酸甲酯，然后再经过氢氧化钠水解置换，最后由硫酸酸化得到最终的产物水杨酸。但是此法反应步骤复杂，原料也比较难得，并不适合工业生产。
（5）吸附法[5]
苯酚与氢氧化钠溶液反应生成苯酚钠溶液，再经过常压、减压脱水后，通过干燥的二氧化碳气体进行羰基化生成碳酸苯酯，经过分子重排后得到水杨酸钠，适当的酸化后，再通过由活性炭及NKA大孔吸附树脂组成的吸附柱，脱色除酚，再酸化离心，干燥得到水杨酸。
传统工艺仍存在着耗能高、反应时间长的等缺点，为了克服传统工艺的不足，对水杨酸的制备方法进行了分析研究，找到了一种在常压下反应制备较高纯度水杨酸的方法。
1.实验部分
1.1材料
甲苯、浓硫酸、液溴、高锰酸钾、氢氧化钠、浓盐酸、二甲胺、铁粉、铜盐(以上药品无特殊标注均为分析纯）
1.2仪器设备
JJ500型电子天平，常熟市双杰测试仪器厂、ZNCL-T智能磁力搅拌器，西安子辉仪器厂、SWG X-4显微熔点仪，上海精密科学仪器有限公司
三颈烧瓶、圆底烧瓶、烧杯、分水器、球形冷凝管、滴液漏斗、锥形瓶、空气冷凝管
1.3实验原理
以甲苯为原材料，通过磺化、卤化、去磺化、氧化和水解制备水杨酸。
2.3.1磺化[6]
甲苯是活化苯环，易于硫酸反应，生成对甲苯磺酸、邻甲基苯磺酸以及间甲基苯磺酸，因为有空间位阻的存在，间甲基苯磺酸的含量极少。邻甲基苯磺酸为热力学控制，因为邻位的电子云密度高于对位，所以邻甲基苯磺酸的热力学更稳定，而对甲基苯磺酸的对位空间位阻较小，所以由动力学控制，磺酸基团更容易取代对位。
1.3.2卤化[6]
甲基为邻对位定位基，磺酸基为间位定位基，故在三溴化铁的催化作用下发生甲基邻位取代。
1.3.3去磺化[6]
磺化反应是可逆，在高温的作用下反应向左进行，即去磺化。生成的三氧化硫用水收集。
1.3.4氧化[6]
高锰酸钾是强氧化剂可以将苯环上的甲基氧化为甲酸基。
1.3.5水解[6,7]
苯环上的溴用羧基取代，为亲核取代反应，一般需要较高的温度和压力。但是当苯环上有较高的吸电子基，如羰基，反应在常温常压下也可进行。
1.4实验步骤
1.4.1 对甲苯磺酸的制备[8-12]
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在50ml的三颈烧瓶中上安装分水器、球形冷凝管、滴液漏斗和磁力搅拌器。加入10ml的浓硫酸于烧瓶中，放入搅拌子，再加入7.5ml甲苯于分水器中。打开冷却水、磁力搅拌器开关，温度设置为100摄氏度，搅拌速率设置为300转每分钟。待温度为95摄氏度左右，慢慢滴加甲苯，控制速率为1到2滴每秒，约滴加30分钟结束。至溶液呈黄褐色，无回流现象保温反应15分钟，待油层消失表明反应完成，停止加热，趁热转移至烧杯中，加入2.5ml水和数滴浓盐酸冷却至室温，出现白色晶体，用布氏漏斗减压抽滤，烘干，称重。
1.4.2邻溴对甲苯磺酸的制备[13]
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在圆底烧瓶中加入对甲苯磺酸的水溶液，用滴管吸取液溴加入圆底烧瓶中再加入还原性铁粉，震荡，安装空气冷凝回流装置，产生的气体进入锥形瓶被水吸收。将圆底烧瓶中的液体转移到烧杯中，向其中加入适量的氢氧化钠溶液，过滤残渣，剩余为邻溴对甲苯磺酸的水溶液。
1.4.3邻溴甲苯的制备
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取上述操作中的邻溴对甲苯磺酸的水溶液于圆底烧瓶中，安装空气冷凝回流装置，加热，产生的气体进入锥形瓶中被水吸收。把圆底烧瓶中的液体转移至装有冷水的烧杯中，分层，出现不溶于水的油状液体为邻溴甲苯。保留下层油状液体备用。
1.4.4邻溴苯甲酸的制备
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向500ml的三颈烧瓶中加入上述操作中的邻溴甲苯，配制质量浓度为36g/L的高锰酸钾溶液250ml，取200ml至三颈烧瓶，最后50ml至滴液漏斗中，加热，在微沸的情况下，慢慢的加入剩余的高锰酸钾溶液，控制在2滴每秒，搅拌、回流5-6小时。反应结束后趁热过滤，并用少量热水洗涤残渣，得其滤液，冷却后，在不断搅拌下慢慢加入氯化氢溶液，冷却静置1-2小时，过滤得到米色晶体，重结晶，烘干，称重。
1.4.5水杨酸的制备
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取3.95g的邻溴苯甲酸于烧杯，加入氢氧化钠溶液，在铜盐和二甲胺的催化下水解生成水杨酸钠，再用盐酸中和，最后得水杨酸。抽滤，烘干，称重。
1.4.6纯度的检测
使用熔点仪检测产品的熔点以及纯度。
1.5数据处理
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的量
2.结果分析
2.1磺化反应
使用了7.5ml的甲苯，最会得到了10.74g的一水合对甲苯磺酸，本方法的转化率为79.8%，相较林炳旺等[14]的连续结晶法的转化率较低。根据其方法，在甲苯与浓硫酸的物质的量比为1.2:1,反应温度为112℃，采出液∶冷却液=10∶1，析出晶体时温度为80℃时，收率在90%以上,在工业生产中具有重要意义[14]。也可以采用三氧化硫为气相制备对甲苯磺酸，该法具有无废酸、反应快、转化率高、成本低、杂质少等；但是反应太过剧烈，因设备和技术的影响，该方法未普遍使用[12]。
2.2卤化与去磺化反应
使用了10.74g的一水合对甲苯磺酸，两步反应结束后共得到了6.25ml的邻溴甲苯，转化率为91.1%
2.3氧化反应
使用了6.23ml的邻溴甲苯，采用高锰酸钾做氧化剂得到7.41g的邻溴苯甲酸，转化率为72.3%。
2.4水解反应
使用了7.41g的邻溴苯甲酸，经过水解后共得到了4.18g的水杨酸，转化率为81.7%，纯度为98%，最终产率为41.9%。
2.5产品的分析和检验
熔点：157～159℃，符合文献值（158～161℃）
纯度分析：水杨酸质量分数98%
转化率：水杨酸的转化率为41.9%
3结论
该方法采用以甲苯作为原材料，通过磺化、卤化、去磺化、氧化以及水解等较为简单的工艺，在常压下制备水杨酸，并且有较为完备的废料回收方案，因此本方法具有绿色环保、反应温和、操作简单、原料易得、品质较好等优点，是一种较好绿色制备水杨酸的方法。
3.1氧化剂和水解催化剂的选择
将甲基氧化为羧基，可以采用不同的不同的催化剂和氧化剂，若Co（Ac）2
作为催化剂，产率会更高，但是反应时需要加压[7]，根据实验条件，选择用高锰酸钾作为氧化剂，转化率为72.3%。
催化剂可以采用六次甲基四胺和铜盐，也可以采用二甲胺和铜盐[7]。六次甲基四胺和铜盐作为催化剂时转化率较低，因此采用催化效果较好的二甲胺和铜盐作为催化剂，转化率为81.7%。
3.2优缺点
该方法的具有以下的优点∶（1）原料易得，采用甲苯为原材料，并且目前的产量相对过剩。（2）操作简单、反应温和，通过磺化、卤化、去磺化、氧化以及水解较为简单的步骤制备水杨酸，相较于中压常压法，更为简单。（3）品质较好，产品的纯度达到98%。缺点∶单程转化率还较低，过程较多，最终转化率还较低。
3.3三废的处理
3.3.1甲苯的处理[15]
用活性炭颗粒或者粉末吸附剂可，效率很高，活性炭饱和吸附率在25%以上，还可以酸洗，制作一种吸收塔，利用硫酸，硝酸吸收，再回收利用。
3.3.2硫酸的处理
在对甲苯磺酸的制备中产生的滤液可以作为稀硫酸溶液使用，在去磺化中产生的三氧化硫可以用水吸收制作稀硫酸。工业上废硫酸处理方法主要分为6类:废硫酸浓缩、废硫酸净化、废硫酸再生、直接出售、中和处售、生产化肥[16]。
3.3.3高锰酸钾的处理
将高锰酸钾与二氧化锰的混合物与水中，待高锰酸钾溶解完全过滤，高锰酸钾于溶液待第二轮反应。高锰酸钾主要通过化学沉淀法、EDTA络合回收法、液膜法回收[17]。二氧化锰烘干，还可以用于电池、颜料以及有机合成剂等 。
参考文献
[1]杨文英；糖尿病患者心血管疾病危险移速强化控制达标问题探讨[J]；中国实用内科杂志；2009年03期
[2]江昕，刘芳，邓华聪；水杨酸类药物的用途-改善2型糖尿病患者糖代谢状态[J];重庆医科大学学报；2015年07期
[3] 王申军，马瑞杰，菅秀君，贾庆龙，楚庆岩；水杨酸合成方法研究进展[J]；齐鲁石油化工；2015年43期
[4]曹广宏；水杨酸的合成及其应用[J]；辽宁化工；1994年03期
[5]杨冰；几种水杨酸衍生物的合成及应用[J];化工之友；2007年15期
[6] 邢其毅等编；基础有机化学（下）；北京；高等教育出版社；2016
[7] 王守庆；邻氯甲苯制备水杨酸的实验研究[J]；天津化工；2006年02期
[8] 康小峰，袁国志，金国良，宋卫，晁晋予；对甲苯磺酸合成工艺的研究进展[J]；中国胶粘剂；2015年03期
[9] 沈国平，孙根新；对甲苯磺酸的合成[J]；精细化工及中间体；2004年07期
[10]马志军；高纯度对甲苯磺酸合成工艺的研究[J]；广西轻工业；2007年11期
[11]王宏亮，王远祥，徐文梅，屠力东，冯明红；无水对甲苯磺酸生产技术研究[J]浙江化工；2015年08期
[12]于娜娜，冯国琳，王睿，鲁静，陈东方；甲苯磺化反应工艺研究进展[J]；化工中间体；2012年06期
[13]李竞，王宇，吴红枚，高学鹏，杨毅兵；2,6-二甲基溴苯的合成研究[J];江西化工；2015年03期
[14]林炳旺，殷树梅，冯见军，马艳丹；连续结晶法合成对甲苯磺酸[J];青岛科技大学学报；2008年5期
[15]李长英；低温等离子体协同催化降解甲苯实验研究[D]；淮南市:安徽理工大学，2016
[16]刘生，张端峰，刘振峰，任保增；化工行业中废硫酸处理方法概述[J];现代化工；2014年05期
[17]梁可心，蒋继良，向港华，杨笑培，徐芸菲，檀玉；实验室中污染物重铬酸钾和高锰酸钾的回收处理[J]；山西科技；2017年06期
项目名称 水杨酸合成工艺研究，项目编号S201910694010
第一作者简介 姓名 刘勇浩 单位 西藏大学理学院 学历 本科 性别 男 职称在读本科 籍贯 河南省沈丘县 出生年月 1998年8月26 研究方向 有机化学
通讯作者简介 何峰(1993—)，性别 男，籍贯 甘肃省 民乐县，学历 本科，助理实验师，研究方向 有机化学，主要从事有机化学实验的教学及研究工作。