科普中國-苯甲酸

苯甲酸是一種芳香酸類有機化合物，也是最簡單的芳香酸1，化學(xué)式為C7H6O2。最初由安息香膠制得，故稱安息香酸，略微具有苯甲醛或安息香的氣味。在常溫 25oC 左右時 PKa 值為 4.2，屬于一元弱酸但是酸性要比脂肪酸強，具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，不易被氧化。18熔點122.13 ℃，沸點249.2 ℃，相對密度(15/4 ℃)1.2659。外觀為白色針狀或鱗片狀結(jié)晶。100 ℃以上時會升華。微溶于冷水、己烷，溶于熱水、乙醇、乙醚、氯仿、苯、二硫化碳和松節(jié)油等234。

苯甲酸以游離酸、酯或其衍生物的形式廣泛存在于自然界中。苯甲酸是一種重要的化工原料及化學(xué)反應(yīng)中間體，主要用于制備苯甲酸鈉防腐劑，并用于合成藥物、染料，還用于制增塑劑、媒染劑、殺菌劑和香料等。苯甲酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)具有羧基和苯環(huán)，既能發(fā)生中和、成鹽、成酯等反應(yīng)，苯環(huán)上也可以發(fā)生間位取代反應(yīng)，這使苯甲酸能夠派生出很多衍生物。182

研究簡史

苯甲酸是法國人在1618年首先發(fā)現(xiàn)的。20

19世紀50~70年代，從苯甲酰氨基乙酸中提取了生產(chǎn)藥品所需的少量苯甲酸。

19世紀70年代，從鄰苯二甲酸與氫氧化鈣加熱生產(chǎn)的鄰苯二甲酸鈣鹽中回收苯甲酸。

19世紀90年代，用苯次甲基三氯水解法生產(chǎn)苯甲酸。第一次世界大戰(zhàn)后出現(xiàn)了一些新的生產(chǎn)方法，其中鄰苯二甲酸酐，鄰苯二甲酸氣相或液相脫羧生產(chǎn)苯甲酸是主要的生產(chǎn)方法。第二次世界大戰(zhàn)后，甲苯液相空氣氧化法迅速發(fā)展起來，逐漸成為生產(chǎn)苯甲酸的主要方法。

20世紀中期開始以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)苯甲酸。首先用甲苯液相空氣氧化法生產(chǎn)苯甲酸的是美國聯(lián)合(Allied)化學(xué)公司。

1961~1964年美國陶氏(Dow)化學(xué)公司、Amoeo化學(xué)品公司和意大利SNIA粘膠公司先后建廠投產(chǎn)，除Amoco化學(xué)品公司用鈷鹽和錳鹽及少量溴化物作催化劑外，其余公司都只用鈷鹽和錳鹽作催化劑。蘇聯(lián)一直采用鄰苯二甲酸酐脫羧法生產(chǎn)苯甲酸，直到1977年才開始以甲苯液相空氣氧化法生產(chǎn)苯甲酸。

在70年代中國已主要以甲苯液相空氣氧化法生產(chǎn)苯甲酸。70年代末期正在進行甲苯氣相空氣氧化制苯甲酸，苯甲醛空氣氧化制苯甲酸，甲苯液相或氣相空氣氧化制苯甲醛與苯甲酸的研究，但未見工業(yè)化報道。近年來各國只是在催化劑的組成（有Co一Mn一Br、Co—Mn—Li、Co—Mn一Pb、Co一Zn一Br、Mn一Ni一Br及V等體系）、副產(chǎn)物的回收利用和產(chǎn)品精制等方面對甲苯液相空氣氧化法進行一些改進。

20世紀60年代以來，由于開發(fā)了用苯甲酸生產(chǎn)苯酚、對苯二甲酸和己內(nèi)酰胺的方法，苯甲酸的產(chǎn)量才快速增長。5

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

苯甲酸是有光澤的、白色的、單斜品薄片狀或針狀結(jié)晶。質(zhì)輕，無氣味或微有類似安息香或苯甲醛的氣味。它的蒸氣有很強的刺激性，吸入后易引起咳嗽。能隨水蒸氣揮發(fā)。在約100 ℃時開始升華。7

1 g苯甲酸溶于2.3 mL冷乙醇、1.5 mL沸乙醇、4.5 mL氯仿、3 mL乙醚、3 mL丙酮、30 mL四氯化碳、10 mL苯、30 mL二硫化碳、23 mL松節(jié)油。水中溶解度隨堿性物質(zhì)（如硼砂、磷酸三鈉）的存在而增加。

苯甲酸的常用物理性質(zhì)數(shù)據(jù)如下表所示7：

|| || 苯甲酸常用物理數(shù)據(jù)

化學(xué)性質(zhì)

苯甲酸是苯環(huán)上的一個氫被羧基（—COOH）取代形成的化合物。苯甲酸的羰基與苯環(huán)平面分別成15°時，原子（基團）的空間作用能最低，成優(yōu)勢構(gòu)象，間位具有較高電荷密度，在親電取代反應(yīng)中羰基（—COR）為間位定位基。6

甲酸在常溫常壓下性質(zhì)穩(wěn)定，不易發(fā)生反應(yīng)。其化學(xué)性質(zhì)主要取決于官能團的活性，即苯環(huán)和羧基。羧基上的反應(yīng)包括與堿反應(yīng)生成鹽，與醇反應(yīng)生成相應(yīng)的酯，羥基被氯取代生成苯甲酰氯，被氨基取代生成苯甲酰胺等。苯甲酸中的苯環(huán)上的氫原子可以被各種原子或基團取代，但由于苯環(huán)上的羧基是能使苯環(huán)鈍化的間位定位吸電子基，因此苯甲酸的磺化、硝化和氯化等取代反應(yīng)要難于苯苯環(huán)上也可以進行加氫反應(yīng)，苯甲酸在Pt作催化劑的情況下氧化生成六氫苯甲酸，它是生產(chǎn)己內(nèi)酰胺的中間體。在高溫下苯甲酸也能發(fā)生脫羧反應(yīng)生成苯和二氧化碳。19

在羧基上的反應(yīng)

（1）轉(zhuǎn)變成鹽

苯甲酸在水中電離常數(shù)Ka=6.4×10-5（25 ℃），苯甲酸的酸性稍強于環(huán)己烷甲酸，這是由于苯環(huán)上的sp2雜化碳原子電負性較大，給電子作用較弱?？梢耘c堿或者堿性物質(zhì)反應(yīng)。721

（2）轉(zhuǎn)變成酯

苯甲酸與醇（如甲醇、丁醇、芐醇等）反應(yīng)，生成相應(yīng)的酯。例如7：

（3）轉(zhuǎn)變成酰氯

苯甲酸中的羥基被氯取代生成苯甲酰氯[98-88-4]，用于這個反應(yīng)的含氯試劑有五氯化磷、三氯化磷和亞硫酰氯。例如7：

（4）轉(zhuǎn)變成酸酐

苯甲酸與脫水劑一起加熱時，兩分子苯甲酸脫去一分子水生成苯甲酸酐[93-97-0]。常用乙酸酐作脫水劑，磷酸作催化劑。

（5）轉(zhuǎn)變成酰胺

苯甲酸與苯胺在180~190 ℃的溫度下反應(yīng)，生成苯甲酰苯胺（N-苯甲酰替苯胺），該反應(yīng)的產(chǎn)率約為84%。

（6）氧化反應(yīng)

用苯甲酸的銅鹽作催化劑，用氧氣氧化苯甲酸，可生成苯酚和二氧化碳。7

（7）還原反應(yīng)

在Al(NO3)和Mn(NO3)2配制的催化劑下，苯甲酸可以和氫催化還原得到苯甲醛。8

在苯環(huán)上的取代反應(yīng)

苯甲酸在苯環(huán)上發(fā)生親電取代反應(yīng)，苯環(huán)上的氫原子和苯的氫原子一樣，可被各種原子或原子團取代，但苯甲酸苯環(huán)上的段基是吸電子基，是使苯環(huán)鈍化的間位定位基，因此苯甲酸的磺化、硝化和氯化等取代反應(yīng)比苯的相應(yīng)反應(yīng)要困難一些，使用催化劑和提高反應(yīng)溫度，可以克服這種鈍化趨勢。7

在苯環(huán)上的加氫反應(yīng)

在金屬鉑作催化劑的情況下，苯甲酸氫化生成六氫苯甲酸，它是生產(chǎn)己內(nèi)酰胺的中間體。添加水可使還原速度增快，反應(yīng)溫度和壓力應(yīng)比羧基還原時低。7

脫羧反應(yīng)

苯甲酸可以在加熱條件下，脫去羧基并生成二氧化碳，即發(fā)生脫羧反應(yīng)（屬于取代反應(yīng)），反應(yīng)溫度約為150~170 ℃。

與金屬有機化合物的反應(yīng)

苯甲酸可以與格林試劑、甲基鋰等金屬有機化合物發(fā)生反應(yīng)，生成對應(yīng)的金屬有機化合物。其中，苯甲酸與甲基鋰反應(yīng)是制備酮的一般方法。

制備方法

工業(yè)制備

最初苯甲酸是由安息香膠干餾或堿水水解制得，也可由馬尿酸水解制得。工業(yè)上常用甲苯、鄰二甲苯或萘為原料制備苯甲酸，上述原料可從煤焦油或石油中獲得。此外，由甲苯生產(chǎn)苯甲醛時可副產(chǎn)苯甲酸。9苯甲酸的工業(yè)生產(chǎn)方法主要有甲苯液相空氣氧化法、三氯甲苯水解法、鄰苯二甲酸酐脫羧法，此外還有芐鹵氧化法。10

甲苯液相空氣氧化法

最早用此法生產(chǎn)苯甲酸的是美國Alied公司。常用的催化劑為可溶性鈷鹽或錳鹽，以乙酸為溶劑。其反應(yīng)機理為自由基反應(yīng)，反應(yīng)溫度為165 ℃左右，壓力為0.6~0.8 MPa，反應(yīng)為放熱反應(yīng)。副產(chǎn)物主要有苯甲醛、苯甲醇、鄰甲基聯(lián)苯、聯(lián)苯、對甲基聯(lián)苯及酯類。副產(chǎn)物均可回收和利用，尤其是苯甲醛和苯甲醇，其本身單價常為苯甲酸的4~5倍，可以大幅度提高裝置的產(chǎn)值和利潤。

盡管以甲苯為原料制苯甲酸的氧化法世界上還有氣相氧化法、化學(xué)計量氧化法。甲苯的氣相氧化需要在固定床或流化床反應(yīng)器中進行，且應(yīng)用的催化劑也較為復(fù)雜，一般需要主催化劑，助催化劑以及催化劑載體，另外需要加入添加劑才能使反應(yīng)順利進行。而且甲苯氣相氧化需要高于350 oC 的高溫，反應(yīng)條件嚴格，產(chǎn)生的雜質(zhì)較多，反應(yīng)中苯甲酸選擇性低，實現(xiàn)工業(yè)化困難。甲苯液相氧化生產(chǎn)工藝簡單，催化劑制備較為簡便，一般不需要助劑，常用的催化劑有雜多化合物、金屬卟啉化合物、非金屬催化劑等。甲苯液相氧化的基本路徑一般是由甲苯到苯甲酸的逐級氧化，應(yīng)用不同催化劑實現(xiàn)甲苯的定向氧化。18 甲苯液相空氣氧化反應(yīng)條件溫和,生產(chǎn)工藝簡單,生產(chǎn)環(huán)境友好,具有生產(chǎn)成本低、收率高、安全性好等優(yōu)點,是工業(yè)上生產(chǎn)苯甲酸的主要方法。整個生產(chǎn)過程由反應(yīng)、產(chǎn)品精制、三廢治理三個部分組成。19

三氯甲苯水解法

甲苯于100~150 ℃進行光氯化反應(yīng)所得三氯芐基苯，在ZnCl2存在下（或用石灰乳及鐵粉）與水反應(yīng)得苯甲酸。以三氯芐基苯計，苯甲酸產(chǎn)率為74%～80%。由于該法耗氯，HCl水溶液加熱腐蝕極嚴重。因此，此法只能是甲苯氯化水解制苯甲醛和苯甲醇的副產(chǎn)物回收利用的補充方法。

在芐川三氯水解法生產(chǎn)苯甲酸的過程中，在甲苯氯化階段會產(chǎn)生大量的氯化氫，使整個反應(yīng)體系的酸度上升，對設(shè)備的腐蝕較嚴重。此外，該方法生產(chǎn)的苯甲酸純度較低且含有氯，這限制了苯甲酸在食品，藥品等行業(yè)的應(yīng)用。18

鄰苯二甲酸酐脫羧法

該法分為液相法和氣相法，其中液相法采用質(zhì)量為鄰苯二甲酸酐質(zhì)量的2-6%的一種由等量鄰苯二甲酸鉻鹽和鄰苯二甲酸鈉鹽組成的混合物作為脫羧催化劑，該方法所得苯甲酸純度較高，但產(chǎn)量低，不適合工業(yè)中大批量生產(chǎn)；氣相法采用涂在粒狀浮石上的等量碳酸銅和氫氧化鈣作為催化劑，反應(yīng)會產(chǎn)生鄰苯二甲酸、少量聯(lián)苯、二苯甲酮和蒽醌等副產(chǎn)物。181922

芐鹵氧化法

以芐鹵為原料，KMnO4作氧化劑也可制得苯甲酸。國內(nèi)有文章報道用此法制苯甲酸，其后處理過程無需脫色和重結(jié)晶就能得到白色苯甲酸晶體，而且產(chǎn)率高達86%，反應(yīng)是在有相轉(zhuǎn)移催化劑存在下進行的。

上以上四種合成方法中，使用最廣泛的是甲苯液相空氣氧化法，全世界90%以上的苯甲酸仍是由此法合成；而鄰苯二甲酸酐脫羧法制得的苯甲酸不易精制，并且成本高，只是在用量不大的醫(yī)藥產(chǎn)品制造過程中采用；甲苯氯化水解法耗氯，對管道的腐蝕極為嚴重，制得的產(chǎn)品不宜用于食品工業(yè)。19

實驗室制備

原理：甲苯的甲基被酸性高錳酸鉀溶液氧化成羧酸，生成苯甲酸，鉀鹽（K2SO4）、錳鹽（MnSO4）和水。

方程式如下：