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

張衛(wèi)紅，劉 平，王 軍

（1. 常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164；2. 南京工業(yè)大學 化學化工學院 材料化學工程國家重點實驗室，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中間體［1］。在酸催化下，烯烴和醛進行Prins縮合反應是制備這類化合物的常用方法［2-4］。該方法的主要缺點是產(chǎn)物收率不高，催化劑分離回收困難。為解決上述問題，開發(fā)了新型催化反應體系，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程復雜［12-13］以及反應時間較長［1，6-10］等缺點。

雜多酸是一類性能獨特的酸及氧化型催化劑［14-17］，但雜多酸在Prins縮合反應中的催化應用較少。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物，在與磺酸型CT-252樹脂、HZSM-5分子篩及濃硫酸等催化劑進行比較的基礎上，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、反應物配比、加熱溫度和反應時間等因素對反應的影響；在實驗確定的適宜條件下，催化劑重復使用了3次，活性基本不變。

1 實驗部分

1.1 試劑

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

1.2 反應過程

水相體系中苯乙烯與甲醛進行Prins縮合合成PDO的反應方程式如下：

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3.0 h。反應結(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，合并有機相，采用Finnigan公司的TRACE GC-TRACE DSQ型氣質(zhì)聯(lián)用儀對產(chǎn)物進行定性分析，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型氣相色譜儀對反應混合物進行定量分析，正十二烷為內(nèi)標物。分析條件：色譜柱為SE-54毛細管柱（0.32 mm×30 m）；FID檢測；氣化室溫度260 ℃；檢測室溫度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，加入預定量的苯乙烯和甲醛水溶液即可進行下一次反應。

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

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

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑類型的影響

Prins縮合反應一般以低聚甲醛為反應物，須加入甲苯或二氯乙烷等有機溶劑來提高產(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)生聚合反應合成。在Prins縮合反應中用甲醛水溶液代替低聚甲醛，且不加氯代烴等有機溶劑，是目前該領域的研究方向［6，19］?；谏鲜鲈颍竟ぷ饕约兹┧芤簽榉磻?。

不同酸催化劑上苯乙烯與甲醛的Prins縮合反應的活性見表1。由表1可見，在不加入催化劑的情況下，苯乙烯轉(zhuǎn)化率為11.7%，未檢測到產(chǎn)物PDO，此時苯乙烯在加熱條件下發(fā)生自聚反應，由此可見，苯乙烯與甲醛的Prins縮合反應必須在酸催化劑作用下進行。濃硫酸的催化活性較高，苯乙烯轉(zhuǎn)化率達96.6%，但PDO選擇性較低（66.4%），同時在實驗過程中觀察到有一定數(shù)量的紅油狀聚合物質(zhì)生成。磺酸型CT-252樹脂的酸強度雖然較高，但在液固多相反應條件下，苯乙烯轉(zhuǎn)化率（75.2%）并不高，而PDO選擇性卻高達99.0%。對于HZSM-5分子篩，由于酸強度不高且酸中心數(shù)量較少，在實驗考察的多相反應條件下，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，且具有獨特的“假液相”行為，使極性和弱極性的甲醛和苯乙烯能夠進入磷鎢酸分子內(nèi)部的空腔中，因此在以水為介質(zhì)及適宜的反應條件下，可以抑制苯乙烯的自聚反應，促進甲醛與苯乙烯的Prins縮合反應，從而使PDO選擇性（98.9%）與CT-252樹脂催化劑相當。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98.7%，但PDO選擇性卻僅有61.7%。上述實驗結(jié)果表明，苯乙烯與甲醛水溶液之間的Prins縮合反應需要催化劑有較強的酸強度和較多的酸中心。綜上所述，磷鎢酸是該反應的適宜催化劑。

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

2.2 反應條件對Prins縮合反應的影響

2.2.1 催化劑用量的影響

磷鎢酸用量對Prins縮合反應的影響見圖1。從圖1可見，苯乙烯的轉(zhuǎn)化率隨磷鎢酸用量的增加而增大；當磷鎢酸用量（基于反應體系的質(zhì)量）為12.0%（0.4 mmol）時，苯乙烯轉(zhuǎn)化率達87.3%，此時PDO選擇性最高（98.9%），且沒有檢測到其他化合物。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，苯乙烯的自聚反應及苯乙烯與甲醛的Prins縮合反應為兩個平行反應，且前者為熱力學穩(wěn)定反應。當磷鎢酸用量增至15.8%時，苯乙烯全部聚合，沒有檢測到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Prins縮合反應的影響Fig.1 Effect of H3PW12O40 dosage on the Prins condensation.

2.2.2 反應物配比的影響

反應物配比對Prins縮合反應的影響見圖2。從圖2可見，當n（甲醛）∶n（苯乙烯）=3.0∶1時，雖然苯乙烯轉(zhuǎn)化率達94.7%，但萃取后的有機相經(jīng)放置發(fā)生分層，PDO選擇性僅為47.5%。由此說明，甲醛溶液用量較少時，苯乙烯的聚合反應將成為主反應。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n（甲醛）∶n（苯乙烯）=4.0∶1時，PDO選擇性最高，此時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 反應物配比對Prins縮合反應的影響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Prins縮合反應的影響見圖3。從圖3可見，隨加熱溫度的升高，苯乙烯的轉(zhuǎn)化率增大；當加熱溫度為90 ℃時，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，因此繼續(xù)升高溫度，苯乙烯自聚等副反應會導致PDO選擇性下降。因此，適宜的加熱溫度為90 ℃。

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

2.2.4 反應時間的影響

反應時間對Prins縮合反應的影響見圖4。從圖4可見，在反應開始的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。反應時間超過3.0 h后，苯乙烯聚合反應的影響不容忽視，PDO選擇性下降，使其收率降低。因此，反應時間宜控制在3.0 h。

圖4 反應時間對Prins縮合反應的影響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，得到的有機相進行產(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，加入計量的反應物可進行下一次反應。在上述實驗確定的適宜條件（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 ℃、反應時間3.0 h）下，催化劑分離回收重復使用了3次。3次的實驗結(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%。實驗結(jié)果表明，在苯乙烯與甲醛進行Prins縮合合成PDO的水相反應體系中，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 ℃，反應時間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)簡單處理后可重復使用3次，催化活性基本不變。

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