γ-Al2O3催化間甲酚和丙烯烷基化合成百里香酚

何媛媛，張 偉，魯墨弘，李明時(shí)，單玉華

(常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164)

3-甲基-6異丙基苯酚又稱百里香酚,具有抗菌性，可用于口腔衛(wèi)生、抑制上呼吸道細(xì)菌感染、抑制埃希氏桿菌和鼠傷寒沙門氏菌活性[1-3]；還具有保護(hù)低密度蛋白[4]和抗氧化性功能[5]，也可用作鑒定氮化鈦用的特殊試劑、百里香酚蘭的對(duì)比基準(zhǔn)試劑。由于天然資源有限，從20世紀(jì)40年代以來(lái)，合成百里香酚取代天然百里香酚成為發(fā)展方向[6]。

百里香酚的合成路線主要由間甲酚異丙基化和薄荷脫氫等路線，其中研究最多且有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的是通過間甲酚和丙烯或異丙醇等經(jīng)傅-克烷基化反應(yīng)合成。目前的研究焦點(diǎn)是選擇高轉(zhuǎn)化率、高選擇性的催化劑，傳統(tǒng)的烷基化合成方法，如晁建平等[7]以硫酸為催化劑，存在環(huán)境污染問題；Grabowska[8]等使用通過共沉淀法制備的ZnAl2O4尖晶石催化間甲酚和異丙醇合成百里香酚，有較高的轉(zhuǎn)化率和選擇性；Masahiro等[9]用分別負(fù)載在SiO2和γ-Al2O3上的硫酸鹽催化間甲酚和丙烯合成百里香酚。這些催化劑制作復(fù)雜，反應(yīng)條件苛刻。Mashiro等[10]發(fā)現(xiàn)γ-Al2O3對(duì)間甲酚和丙烯烷基化反應(yīng)顯示出較高的催化活性。筆者選擇不同孔徑的γ-Al2O3為催化劑，對(duì)間甲酚和丙烯合成百里香酚進(jìn)行研究，優(yōu)化了反應(yīng)工藝條件，并考察了異丙醇代替丙烯為原料合成百里香酚的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 劑

γ-Al2O3，撫順新瑞催化劑有限公司；丙烯，工業(yè)品；間甲酚，AR，國(guó)藥試劑有限公司；異丙醇，AR，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。

1.2 催化劑的性能評(píng)價(jià)

催化劑評(píng)價(jià)采用微型固定床催化反應(yīng)裝置，反應(yīng)器為外徑10 mm×長(zhǎng)460 mm的石英管，Al2O3經(jīng)450 ℃焙燒3 h后得到γ-Al2O3，將所得催化劑填裝在反應(yīng)器恒溫段，以2 ℃/min的升溫速率達(dá)到反應(yīng)所需溫度，用單通道微量注射泵將反應(yīng)溶液送入反應(yīng)器，同時(shí)通入丙烯，每隔1 h采集一個(gè)樣品，所得產(chǎn)物用美國(guó)Varian GC- 3800氣相色譜分析，F(xiàn)ID檢測(cè)，副產(chǎn)物定性采用GC-MS分析。

1.3 催化劑的表征

采用德國(guó)NOVA2000e型比表面積/孔徑測(cè)定儀測(cè)定催化劑比表面積。催化劑裝入量為50 mg，程序升溫至400 ℃進(jìn)行真空脫氣，然后將處理好的催化劑在液氮冷卻下進(jìn)行比表面積與孔徑測(cè)定，用BET公式計(jì)算催化劑比表面積。

1.4 實(shí)驗(yàn)原理

間甲酚和丙烯或異丙醇通過傅-克烷基化反應(yīng)主要在甲基對(duì)位上引入異丙基生成百里香酚(Ⅱ)，這是由于甲基和羥基都是鄰對(duì)位定位基，但還是會(huì)生成一系列一取代和二取代的副產(chǎn)物以及與羥基反應(yīng)的副產(chǎn)物，一取代副產(chǎn)物如：2-異丙3-甲基酚(Ⅲ)、4-異丙基-3-甲基酚(Ⅳ)；醚化產(chǎn)物3-甲基苯-異丙基醚(Ⅴ)；二取代副產(chǎn)物如：2,6-二異丙基-3-甲基酚(Ⅵ)、2,4-二異丙基-5-甲基酚(Ⅶ)等，如圖1所示。

圖1 間甲酚為原料合成百里香酚的反應(yīng)式

2 結(jié)果與討論

2.1 γ-Al2O3孔徑對(duì)反應(yīng)性能的影響

選擇3種不同孔徑的γ-Al2O3，分別記為小孔γ-Al2O3、中孔γ-Al2O3、大孔γ-Al2O3，考察催化劑孔徑大小對(duì)反應(yīng)的影響，其BET表征結(jié)果見表1。

表1 γ-Al2O3不同孔徑BET表征

分別用以上3種催化劑催化間甲酚與丙烯的烷基化反應(yīng)，結(jié)果見圖2。由圖2(a)可看出：小孔γ-Al2O3催化活性較高，間甲酚轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到72.7%，中孔和大孔γ-Al2O3催化活性較低，間甲

酚轉(zhuǎn)化率接近50%，這可能由于小孔表面的L酸中心數(shù)量較多所致；由圖2(b)可看出百里香酚的選擇性與孔徑大小有關(guān)，且隨著孔徑的增大，百里香酚的選擇性增大，在大孔γ-Al2O3催化劑上，百里香酚的選擇性接近100%，而中孔和小孔γ-Al2O3上選擇性下降，其產(chǎn)物分布見表2。

圖2 γ-Al2O3孔徑對(duì)反應(yīng)性能的影響

表2 γ-Al2O3孔徑對(duì)反應(yīng)性能的影響

注：反應(yīng)溫度250 ℃，n(間甲酚)∶n(丙烯)=1∶2，催化劑質(zhì)量0.5 g，空速2.6 mL/(g·h)，反應(yīng)時(shí)間7 h。

由表2可以看出：中孔γ-Al2O3上有3種副產(chǎn)物，分別為一取代副產(chǎn)物Ⅳ和二取代副產(chǎn)物Ⅶ，并含有少量的醚類副產(chǎn)物Ⅴ；小孔γ-Al2O3上共有四種副產(chǎn)物，分別為一取代副產(chǎn)物Ⅲ和Ⅳ、二取代副產(chǎn)物Ⅵ和Ⅶ，且Ⅳ與Ⅶ的含量高于Ⅲ與Ⅵ，這是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)丙烯形成的正碳離子先攻擊間甲酚中甲基位阻小的鄰位，后攻擊位阻較大的甲基與羥基共同的鄰位。隨著孔徑的增大，有利于主產(chǎn)物從孔內(nèi)擴(kuò)散而進(jìn)入體相，副產(chǎn)物減少，在大孔γ-Al2O3上未檢測(cè)到副產(chǎn)物，因此大孔γ-Al2O3有利于百里香酚的合成。

2.2 空速的影響

對(duì)固定床反應(yīng)器，降低空速可提高原料轉(zhuǎn)化率，但通常會(huì)導(dǎo)致副產(chǎn)物增加。因此，選擇空速分別為2.6，1.3，0.87，0.65 mL/(g·h)，考察對(duì)間甲酚與丙烯烷基化反應(yīng)的影響,結(jié)果見圖3。

圖3 空速對(duì)反應(yīng)性能的影響

由圖3可以看出：隨著空速的降低，間甲酚的轉(zhuǎn)化率上升，當(dāng)空速為 2.6 mL/(g·h)時(shí)，間甲酚的轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到51.5%，百里香酚的選擇性為100%；隨著空速的降低，間甲酚的轉(zhuǎn)化率上升，當(dāng)空速低于1.3 mL/(g·h)時(shí)，間甲酚的轉(zhuǎn)化率為81.2%，選擇性隨著空速的降低而降低。這是由于在空速較小時(shí)，間甲酚與丙烯的接觸時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)充分，從而轉(zhuǎn)化率增加，但是深度反應(yīng)使得目標(biāo)產(chǎn)物繼續(xù)反應(yīng)，所以選擇性降低。實(shí)驗(yàn)選擇最佳空速為0.87 mL/(g·h)，在此空速下，間甲酚的轉(zhuǎn)化率為80%，選擇性為93%。不同空速時(shí)產(chǎn)物分布見表3。

由表3可知：空速為1.3和0.87 mL/(g·h)時(shí)，只生成二取代副產(chǎn)物Ⅵ和Ⅶ，而沒有檢測(cè)到一取代副產(chǎn)物，說(shuō)明這兩種二取代副產(chǎn)物Ⅵ和Ⅶ是由一取代主產(chǎn)物百里香酚深度取代生成；當(dāng)空速進(jìn)一步降低為0.65 mL/(g·h)時(shí)，副產(chǎn)物既有一取代也有二取代，且二取代的含量高于一取代，由此可以看出，隨著空速較低，反應(yīng)物料與催化劑接觸時(shí)間增加，不但會(huì)導(dǎo)致一取代主產(chǎn)物深度反應(yīng)生成二取代副產(chǎn)物，同時(shí)還會(huì)生成一取代副產(chǎn)物。

表3 空速對(duì)反應(yīng)性能的影響

注：反應(yīng)溫度250 ℃，n(間甲酚)∶n(丙烯)=1∶2，催化劑質(zhì)量0.5 g，反應(yīng)時(shí)間7 h。

2.3 溫度的影響

間甲酚與丙烯的烷基化反應(yīng)，提高反應(yīng)溫度，在某一溫度范圍之內(nèi)，反應(yīng)速率會(huì)隨著溫度的增加而增加；另一方面，隨著溫度的提高，容易產(chǎn)生各種副反應(yīng)，因此研究了不同溫度對(duì)反應(yīng)性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度對(duì)反應(yīng)性能的影響

由圖4可以看出：溫度低于280 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，間甲酚的轉(zhuǎn)化率上升，后趨于穩(wěn)定；在240～280 ℃時(shí)，間甲酚的轉(zhuǎn)化率為50%左右；溫度高于280 ℃時(shí)，間甲酚的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而降低；在320 ℃時(shí)，僅有30%左右，這是因?yàn)榉磻?yīng)溫度過高會(huì)引發(fā)乙烯自身聚合，甚至積碳，能用于與間甲酚烷基化反應(yīng)的丙烯減少，因此，間甲酚轉(zhuǎn)化率降低；由百里香酚選擇性曲線可以看出：溫度低于250 ℃時(shí)，百里香酚的選擇性接近100%，后隨著溫度的升高，百里香酚的選擇性依次降低，其產(chǎn)物分布見表4。

由表4可以看出:溫度高于280 ℃時(shí)，其主要生成一取代副產(chǎn)物Ⅲ、Ⅳ和二取代副產(chǎn)物Ⅶ，且隨著溫度的升高，甲基與羥基相鄰高位阻鄰位Ⅲ含量增加，說(shuō)明溫度高時(shí)，丙烯碳正離子的活性高，可以攻擊位阻高的位子；另一方面，盡管百里香酚選擇性隨溫度升高而下降，主要是一取代副產(chǎn)物增多，而二取代副產(chǎn)物隨溫度升高反而減少。這也是因?yàn)闇囟壬咭l(fā)乙烯自身聚合，使乙烯與間甲酚的相對(duì)摩爾比降低，所以二取代副產(chǎn)物選擇性下降。

表4 溫度對(duì)反應(yīng)性能的影響

注：反應(yīng)溫度250 ℃，n(間甲酚)∶n(丙烯)=1∶2，催化劑質(zhì)量0.5 g，空速2.6 mL/(g·h)，反應(yīng)時(shí)間7 h。

2.4 間甲酚與丙烯摩爾比的影響

考察間甲酚與丙烯不同摩爾比對(duì)反應(yīng)性能的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 間甲酚與丙烯不同配比對(duì)反應(yīng)性能的影響

由圖5可以看出：間甲酚的轉(zhuǎn)化率隨著丙烯與間甲酚摩爾比的增加而增加，間甲酚與丙烯的摩爾比分別為1∶1、1∶2、1∶3時(shí)，間甲酚的轉(zhuǎn)化率分別為34.3%，51.5%，69.3%。間甲酚與丙烯的摩爾比分別為1∶1、1∶2時(shí)，百里香酚的選擇性接近于100%，間甲酚與丙烯的摩爾比分別為1∶3時(shí)選擇性有所降低，這是由于丙烯比例過高會(huì)發(fā)生副反應(yīng)。綜合考慮，選擇間甲酚與丙烯的摩爾比為1∶2。

2.5 水對(duì)催化劑的影響

由于γ-Al2O3表面L酸水合會(huì)轉(zhuǎn)化為B酸，因此考察水對(duì)催化劑的影響，考察L酸和B酸間的轉(zhuǎn)化對(duì)反應(yīng)的影響。選擇3種情況來(lái)考察：1)經(jīng)450 ℃焙燒3 h脫水后的γ-Al2O3；2)γ-Al2O3加水飽和浸漬后250 ℃焙燒3 h的試樣；3)γ-Al2O3催化劑，并在原料中加入V(間甲酚)∶V(水)=5∶1的水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 水對(duì)反應(yīng)性能的影響

由圖6可知：γ-Al2O3加水浸漬后，間甲酚轉(zhuǎn)化率降低，說(shuō)明催化劑活性降低，γ-Al2O3吸水后表面的L酸中心部分轉(zhuǎn)變?yōu)锽酸中心，說(shuō)明起催化作用的主要為L(zhǎng)酸中心。同樣，以含水間甲酚為反應(yīng)原料時(shí)，轉(zhuǎn)化率進(jìn)一步降低至20%以下，選擇性增加的原因是因?yàn)楦碑a(chǎn)物主要由主產(chǎn)物百里香酚轉(zhuǎn)化而來(lái)，由于百里香酚生成量減少，副產(chǎn)物相應(yīng)減少。

2.6 異丙醇與丙烯比較

進(jìn)一步考察γ-Al2O3催化劑對(duì)間甲酚與異丙醇烷基化反應(yīng)催化性能，并與丙烯烷基化作比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可看出：用異丙醇做為原料時(shí)，隨著異丙醇與間甲酚的摩爾比增加，間甲酚轉(zhuǎn)化率增加，百里香酚選擇性降低，與丙烯為原料時(shí)規(guī)律相同；用異丙醇做為原料與丙烯為原料相比，摩爾比相同條件下，間甲酚的轉(zhuǎn)化率相近，百里香酚選擇性有所下降。用丙烯作為原料，百里香酚的收率較高，但是原料的危險(xiǎn)性以及運(yùn)輸成本高，并且實(shí)驗(yàn)裝置要求較高；用異丙醇為原料，百里香酚的收率較低，但是原料運(yùn)輸成本低，生產(chǎn)裝置簡(jiǎn)單。因此，可以根據(jù)具體的條件選擇合適的原料。用異丙醇或丙烯為原料時(shí)，反應(yīng)后的產(chǎn)物分布見表5。

圖7 異丙醇與丙烯比較

表5 用異丙醇或丙烯為原料時(shí)的產(chǎn)物分布

注：反應(yīng)溫度250 ℃，催化劑質(zhì)量0.5 g，空速2.6 mL/(g·h)，反應(yīng)時(shí)間7 h。

由表5可以看出:用異丙醇作為原料時(shí)，其生成的副產(chǎn)物主要為二取代以及醚類，由于甲基與羥基主要為鄰對(duì)位定位基，而百里香酚甲基與羥基共同的鄰位所受的空間位阻較大，所以Ⅵ的含量比Ⅶ的含量要高，但同時(shí)也可以看出，用異丙醇作為原料時(shí)，副產(chǎn)物中還會(huì)生成醚類，且醚類的含量隨著異丙醇與間甲酚摩爾比的增大明顯增加。

2.7 催化劑穩(wěn)定性

用間甲酚和異丙醇為原料合成百里香酚，考察γ-Al2O3催化劑的穩(wěn)定性，連續(xù)反應(yīng)152 h后，間甲酚轉(zhuǎn)化率為44.5%，百里香酚選擇性為90.3%，收率為40.2%，說(shuō)明γ-Al2O3催化劑具有較好的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

a.間甲酚和丙烯經(jīng)烷基化合成百里香酚的最佳工藝條件為：以平均孔徑為7.48 nm的大孔γ-Al2O3為催化劑，間甲酚與丙烯的摩爾比為1∶2，反應(yīng)溫度為250 ℃，空速0.87 mL/(g·h)。該工藝條件下，間甲酚轉(zhuǎn)化率為78.8%，百里香酚的選擇性為92.6%，收率為73.0%，催化劑具有良好的穩(wěn)定性。

b.采用異丙醇代替丙烯為原料合成百里香酚，在異丙醇(或丙烯)與間甲酚摩爾比相同條件下，間甲酚轉(zhuǎn)化率相近，百里香酚選擇性和收率略有下降。

c.間甲酚和丙烯烷基化反應(yīng)的活性中心主要為L(zhǎng)酸。

參 考 文 獻(xiàn)

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