水相體系中磷鎢酸催化Prins縮合反應(yīng)合成4-苯基-1，3-二氧六環(huán)

張衛(wèi)紅，劉 平，王 軍

（1. 常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164；2. 南京工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009）

1，3-二氧六環(huán)類化合物是工業(yè)上用途廣泛的一類溶劑和有機(jī)中間體［1］。在酸催化下，烯烴和醛進(jìn)行Prins縮合反應(yīng)是制備這類化合物的常用方法［2-4］。該方法的主要缺點(diǎn)是產(chǎn)物收率不高，催化劑分離回收困難。為解決上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了新型催化反應(yīng)體系，主要包括MoO3/SiO2［1］、I2［5］、三氟甲磺酸［6］、磺酸功能化SBA-15介孔分子篩［7］、離子液體［8-12］及氟雙相催化體系［13］等。在這些反應(yīng)體系中，不同程度地存在需使用毒性較大的氯代烴溶劑［1，5，7］、工藝條件特殊［7-8］、催化劑昂貴或制備過(guò)程復(fù)雜［12-13］以及反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)［1，6-10］等缺點(diǎn)。

雜多酸是一類性能獨(dú)特的酸及氧化型催化劑［14-17］，但雜多酸在Prins縮合反應(yīng)中的催化應(yīng)用較少。因此，有必要考察雜多酸在水相體系中催化Prins縮合反應(yīng)合成二氧六環(huán)類化合物的效果。

本工作以苯乙烯和甲醛水溶液為反應(yīng)物，在與磺酸型CT-252樹(shù)脂、HZSM-5分子篩及濃硫酸等催化劑進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，考察了Keggin型磷鎢酸催化合成4-苯基-1，3-二氧六環(huán)（PDO）的性能；研究了催化劑用量、反應(yīng)物配比、加熱溫度和反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)反應(yīng)的影響；在實(shí)驗(yàn)確定的適宜條件下，催化劑重復(fù)使用了3次，活性基本不變。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

磷鎢酸和乙酸乙酯：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；苯乙烯（化學(xué)純）和正庚烷（分析純）：上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；甲醛水溶液（甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)37.0%）：分析純，汕頭市西隴化工廠有限公司；硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）：分析純，上?；瘜W(xué)試劑公司；HZSM-5分子篩（硅鋁比28，粒徑0.12～0.18 mm）：南開(kāi)大學(xué)催化劑廠；CT-252大孔磺酸型離子交換樹(shù)脂：Purolite International Limited公司；正十二烷：Alfa公司。磷鎢酸銨參照文獻(xiàn)［16］報(bào)道的方法自制。

1.2 反應(yīng)過(guò)程

水相體系中苯乙烯與甲醛進(jìn)行Prins縮合合成PDO的反應(yīng)方程式如下：

在裝有磁力攪拌子和回流冷凝管的三頸燒瓶中依次加入1.19 g磷鎢酸（0.4 mmol）、2.08 g苯乙烯（20 mmol）和6.0 mL甲醛水溶液（80 mmol），水浴或油浴加熱至90 ℃，反應(yīng)3.0 h。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，產(chǎn)物用正庚烷和乙酸乙酯的混合液（體積比5∶1）萃取3次，合并有機(jī)相，采用Finnigan公司的TRACE GC-TRACE DSQ型氣質(zhì)聯(lián)用儀對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行定性分析，PDO的譜圖數(shù)據(jù)為m/z=164，134，118，105（100），77。采用山東魯南分析儀器廠的SP-6800A型氣相色譜儀對(duì)反應(yīng)混合物進(jìn)行定量分析，正十二烷為內(nèi)標(biāo)物。分析條件：色譜柱為SE-54毛細(xì)管柱（0.32 mm×30 m）；FID檢測(cè)；氣化室溫度260 ℃；檢測(cè)室溫度260 ℃；柱溫采用程序升溫，先在80 ℃下維持3 min，然后以10 ℃/min的速率升至180 ℃，維持10 min。

萃取余下的催化劑水溶液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓蒸出水分后，加入預(yù)定量的苯乙烯和甲醛水溶液即可進(jìn)行下一次反應(yīng)。

苯乙烯轉(zhuǎn)化率（X）和PDO選擇性（S）按式（1）和式（2）計(jì)算：

式中，m為剩余苯乙烯的質(zhì)量，g；m0為反應(yīng)剛開(kāi)始時(shí)加入的苯乙烯的質(zhì)量，g；n為反應(yīng)生成的PDO的物質(zhì)的量，mol；n0為反應(yīng)的苯乙烯的物質(zhì)的量，mol。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑類型的影響

Prins縮合反應(yīng)一般以低聚甲醛為反應(yīng)物，須加入甲苯或二氯乙烷等有機(jī)溶劑來(lái)提高產(chǎn)物的選擇性，且研究中很少討論催化劑的分離回收問(wèn)題［18-19］。工業(yè)上生產(chǎn)低聚甲醛是在酸催化下，由甲醛水溶液發(fā)生聚合反應(yīng)合成。在Prins縮合反應(yīng)中用甲醛水溶液代替低聚甲醛，且不加氯代烴等有機(jī)溶劑，是目前該領(lǐng)域的研究方向［6，19］?；谏鲜鲈?，本工作以甲醛水溶液為反應(yīng)物。

不同酸催化劑上苯乙烯與甲醛的Prins縮合反應(yīng)的活性見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，在不加入催化劑的情況下，苯乙烯轉(zhuǎn)化率為11.7%，未檢測(cè)到產(chǎn)物PDO，此時(shí)苯乙烯在加熱條件下發(fā)生自聚反應(yīng)，由此可見(jiàn)，苯乙烯與甲醛的Prins縮合反應(yīng)必須在酸催化劑作用下進(jìn)行。濃硫酸的催化活性較高，苯乙烯轉(zhuǎn)化率達(dá)96.6%，但PDO選擇性較低（66.4%），同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到有一定數(shù)量的紅油狀聚合物質(zhì)生成?；撬嵝虲T-252樹(shù)脂的酸強(qiáng)度雖然較高，但在液固多相反應(yīng)條件下，苯乙烯轉(zhuǎn)化率（75.2%）并不高，而PDO選擇性卻高達(dá)99.0%。對(duì)于HZSM-5分子篩，由于酸強(qiáng)度不高且酸中心數(shù)量較少，在實(shí)驗(yàn)考察的多相反應(yīng)條件下，催化活性較低。磷鎢酸催化劑由于易溶解于水等極性溶劑中，且具有獨(dú)特的“假液相”行為，使極性和弱極性的甲醛和苯乙烯能夠進(jìn)入磷鎢酸分子內(nèi)部的空腔中，因此在以水為介質(zhì)及適宜的反應(yīng)條件下，可以抑制苯乙烯的自聚反應(yīng)，促進(jìn)甲醛與苯乙烯的Prins縮合反應(yīng)，從而使PDO選擇性（98.9%）與CT-252樹(shù)脂催化劑相當(dāng)。此外，還考察了疏水型催化劑磷鎢酸銨的催化性能，由于磷鎢酸銨的酸中心數(shù)量較少，因此雖然苯乙烯轉(zhuǎn)化率高達(dá)98.7%，但PDO選擇性卻僅有61.7%。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，苯乙烯與甲醛水溶液之間的Prins縮合反應(yīng)需要催化劑有較強(qiáng)的酸強(qiáng)度和較多的酸中心。綜上所述，磷鎢酸是該反應(yīng)的適宜催化劑。

表1 不同酸催化劑上苯乙烯與甲醛的Prins縮合反應(yīng)的活性Table 1 Activities of different acidic catalysts in the Prins condensation of styrene with formaldehyde

2.2 反應(yīng)條件對(duì)Prins縮合反應(yīng)的影響

2.2.1 催化劑用量的影響

磷鎢酸用量對(duì)Prins縮合反應(yīng)的影響見(jiàn)圖1。從圖1可見(jiàn)，苯乙烯的轉(zhuǎn)化率隨磷鎢酸用量的增加而增大；當(dāng)磷鎢酸用量（基于反應(yīng)體系的質(zhì)量）為12.0%（0.4 mmol）時(shí)，苯乙烯轉(zhuǎn)化率達(dá)87.3%，此時(shí)PDO選擇性最高（98.9%），且沒(méi)有檢測(cè)到其他化合物。繼續(xù)增加磷鎢酸用量至13.4%，雖然苯乙烯轉(zhuǎn)化率仍在增大，但PDO選擇性降至71.2%，此時(shí)苯乙烯聚合物的選擇性為28.8%。由此可知，苯乙烯的自聚反應(yīng)及苯乙烯與甲醛的Prins縮合反應(yīng)為兩個(gè)平行反應(yīng)，且前者為熱力學(xué)穩(wěn)定反應(yīng)。當(dāng)磷鎢酸用量增至15.8%時(shí)，苯乙烯全部聚合，沒(méi)有檢測(cè)到PDO的生成。因此，適宜的磷鎢酸用量為12.0%。

圖1 磷鎢酸用量對(duì)Prins縮合反應(yīng)的影響Fig.1 Effect of H3PW12O40 dosage on the Prins condensation.

2.2.2 反應(yīng)物配比的影響

反應(yīng)物配比對(duì)Prins縮合反應(yīng)的影響見(jiàn)圖2。從圖2可見(jiàn)，當(dāng)n（甲醛）∶n（苯乙烯）=3.0∶1時(shí)，雖然苯乙烯轉(zhuǎn)化率達(dá)94.7%，但萃取后的有機(jī)相經(jīng)放置發(fā)生分層，PDO選擇性僅為47.5%。由此說(shuō)明，甲醛溶液用量較少時(shí)，苯乙烯的聚合反應(yīng)將成為主反應(yīng)。隨n（甲醛）∶n（苯乙烯）的增加，苯乙烯轉(zhuǎn)化率緩慢下降，但PDO選擇性增加。當(dāng)n（甲醛）∶n（苯乙烯）=4.0∶1時(shí)，PDO選擇性最高，此時(shí)PDO收率最高。之后再增加n（甲醛）∶n（苯乙烯），PDO選擇性變化略有降低，且苯乙烯的有效濃度下降，因此PDO收率略有降低。因此，適宜的n（甲醛）∶n（苯乙烯）為4.0∶1。

圖2 反應(yīng)物配比對(duì)Prins縮合反應(yīng)的影響Fig.2 Effect of n(formalin)∶n(styrene) on the Prins condensation.

2.2.3 加熱溫度的影響

加熱溫度對(duì)Prins縮合反應(yīng)的影響見(jiàn)圖3。從圖3可見(jiàn)，隨加熱溫度的升高，苯乙烯的轉(zhuǎn)化率增大；當(dāng)加熱溫度為90 ℃時(shí)，苯乙烯的轉(zhuǎn)化率為87.3%，PDO的選擇性為98.9%；由于苯乙烯在受熱的情況下可發(fā)生聚合反應(yīng)，因此繼續(xù)升高溫度，苯乙烯自聚等副反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致PDO選擇性下降。因此，適宜的加熱溫度為90 ℃。

圖3 加熱溫度對(duì)Prins縮合反應(yīng)的影響Fig.3 Effect of heating temperature on the Prins condensation.

2.2.4 反應(yīng)時(shí)間的影響

反應(yīng)時(shí)間對(duì)Prins縮合反應(yīng)的影響見(jiàn)圖4。從圖4可見(jiàn)，在反應(yīng)開(kāi)始的2.0 h內(nèi)，苯乙烯轉(zhuǎn)化率及PDO選擇性增加較快，之后苯乙烯轉(zhuǎn)化率繼續(xù)增加，PDO選擇性變化不大。反應(yīng)時(shí)間超過(guò)3.0 h后，苯乙烯聚合反應(yīng)的影響不容忽視，PDO選擇性下降，使其收率降低。因此，反應(yīng)時(shí)間宜控制在3.0 h。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)Prins縮合反應(yīng)的影響Fig.4 Effect of reaction time on the Prins condensation.

2.3 催化劑的循環(huán)使用效果

反應(yīng)結(jié)束后，混合物自然冷卻至室溫，加入正庚烷和乙酸乙酯的混合溶液（體積比為5∶1）萃取產(chǎn)物3次，得到的有機(jī)相進(jìn)行產(chǎn)物組成分析，而溶有催化劑的水相經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓脫水后，加入計(jì)量的反應(yīng)物可進(jìn)行下一次反應(yīng)。在上述實(shí)驗(yàn)確定的適宜條件（磷鎢酸用量12.0%、苯乙烯 20 mmol、n（甲醛）∶n（苯乙烯）=4.0∶1、加熱溫度90 ℃、反應(yīng)時(shí)間3.0 h）下，催化劑分離回收重復(fù)使用了3次。3次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為：苯乙烯轉(zhuǎn)化率87.3%，89.6%，86.4%；PDO選擇性98.9%，99.7%，99.0%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在苯乙烯與甲醛進(jìn)行Prins縮合合成PDO的水相反應(yīng)體系中，磷鎢酸表現(xiàn)出良好的催化活性和循環(huán)使用穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）磷鎢酸催化苯乙烯與甲醛水溶液經(jīng)Prins縮合合成PDO的工藝，避免了氯代烴類和低聚甲醛的使用，降低了成本，是一種綠色的催化工藝。

2）磷鎢酸催化合成PDO適宜的反應(yīng)條件為：磷鎢酸用量12.0%，苯乙烯 20 mmol，n（甲醛）∶n（苯乙烯）=4.0∶1，加熱溫度90 ℃，反應(yīng)時(shí)間3.0 h。在此條件下，苯乙烯轉(zhuǎn)化率為87.3%，PDO選擇性為98.9%。催化劑經(jīng)簡(jiǎn)單處理后可重復(fù)使用3次，催化活性基本不變。

［1］ Amrute A P，Sahoo S，Bordoloi A，et al. MoO3/SiO2：An Efficient and Selective Catalyst for the Synthesis 1，3-Dioxolane and 1，3-Dioxane［J］. Catal Commun，2009，10（10）：1404 - 1409.

［2］ 方凱，林國(guó)強(qiáng). Prins成環(huán)反應(yīng)研究最新進(jìn)展［J］. 上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，33（1）：1 - 14.

［3］ Olier C，Kaafarani M，Gastaldi S，et al. Synthesis of Tetrahydropyrans and Related Heterocycles via Prins Cyclization：Extension to Aza-Prins Cyclization［J］. Tetrahedron，2010，66（2）：413 - 445.

［4］ 張猛， 周永紅， 李書(shū)龍，等. 松香樹(shù)脂酸和甲醛的Prins加成反應(yīng)研究［J］. 精細(xì)化工，2008，25（2）：195 - 200.

［5］ Yadav J S，Reddy B V S，Gopal A V H，et al. Iodine as a Mild and Versatile Reagent for the Synthesis of 1，3-Dioxane Derivatives via the Prins Reaction［J］. Tetrahedron Lett，2008，49（28）：4420 - 4423.

［6］ Du Yuying，Tian Fuli. Efficient Synthesis of 1，3-Dioxanes Catalyzed by Trifluoromethanesulfonic Acid Using Formalin as Formaldehyde Source［J］. Catal Commun，2007，8（12）：2012 - 2016.

［7］ Reddy S S，Raju B D，Kumar V S，et al. Sulfonic Acid Functionalized Mesoporous SBA-15 for Selective Synthesis of 4-Phenyl-1，3-Dioxane［J］. Catal Commun，2007，8（3）：261 - 266.

［8］ 宋河遠(yuǎn)， 唐中華， 陳靜. 功能化酸性離子液體催化甲醛與烯烴的Prins縮合反應(yīng)［J］. 分子催化，2008，22（5）：403 -407.

［9］ Wang Wenjuan，Shao Lili，Cheng Wenping，et al. Br?nsted Acidic Ionic Liquids as Novel Catalysts for Prins Reaction［J］.Catal Commun，2008，9（3）：337 - 341.

［10］ Fang Dong，Jiao Changmei，Zhang Huabin，et al. Synthesis of Dioxanes via Prins Reaction Catalyzed by Acyclic Acidic Ionic Liquids［J］. J Ind Eng Chem，2010，16（2）：233 - 237.

［11］ 鄧友全. 離子液體——性質(zhì)、制備與應(yīng)用［M］. 北京：中國(guó)石化出版社，2006：232.

［12］ Gu Yanlong，Karam A，Jér?me F，et al. Selectivity Enhancement of Silica-Supported Sulfonic Acid Catalysts in Water by Coating of Ionic Liquid［J］. Org Lett，2007，9（16）：3145 -3148.

［13］ Hao Xiuhua，Yoshida A，Hoshi N. Recyclable Hafnium(Ⅳ)Bis(Perfluorooctanesulfonyl) Amide Complex for Catalytic Friedel-Crafts Acylation and Prins Reaction in Fuorous BiphaseSystem［J］. J Fluorine Chem，2007，128（11）：1396 - 1401.

［14］ Timofeeva M N. Acid Catalysis by Heteropoly Acids［J］. Appl Catal，A，2003，256（1/2）：19 - 35.

［15］ Mizuno N，Misono M. Heterogeneous Catalysis［J］. Chem Rev，1998，98（1）：199 - 217.

［16］ 張衛(wèi)紅， 王軍， 任曉乾. Keggin雜多酸催化合成1-乙酰胺基苯甲基-2-萘酚［J］. 石油化工，2009，38（3）：299 - 303.

［17］ 張衛(wèi)紅， 劉平， 王軍. （3-磺酸丙基）三苯膦磷鎢酸鹽催化合成糠酸正丁酯［J］. 石油化工，2011，40（10）：1083 -1088.

［18］ Herkes F E. Organic Reactions Catalysis［M］. New York：Marcel Dekker，1998：507 - 512.

［19］ Li Guixian，Gu Yanlong，Ding Yong，et al. Wells-Dawson Type Molybdovanadophosphoric Heteropolyacids Catalyzed Prins Cyclization of Alkenes with Paraformaldehyde Under Mild Conditions：A Facile and Efficient Method to 1，3-Dioxane Derivatives［J］. J Mol Catal A：Chem，2004，218（2）：147 - 152.