3,4-二羥基苯甲酸乙酯合成工藝研究

周石洋 ，陳 玲

(1.重慶牧哥食品有限公司，重慶 401520; 2.西南大學(xué)育才學(xué)院，重慶401524)

3,4-二羥基苯甲酸乙酯又名兒茶酸乙酯，常溫常壓下比較穩(wěn)定，無臭或微有酚臭味，味微苦[1-5]。3,4-二羥基苯甲酸乙酯具有抗氧化作用，通常用作食品添加劑中的抗氧化劑[4]。它也是一種重要的醫(yī)藥中間體，可用于合成3，4-二羥基苯甲酸甲酯等藥品。國內(nèi)外有關(guān)合成3，4-二羥基苯甲酸乙酯的文獻(xiàn)都很少，目前合成3，4-二羥基苯甲酸乙酯，其產(chǎn)率為84.5%。其中3，4-二羥基苯甲酸本身就是一種重要的中間體，直接用它來合成3，4-二羥基苯甲酸乙酯不經(jīng)濟(jì)，應(yīng)當(dāng)尋求較廉價(jià)的合成原料來合成3，4-二羥基苯甲酸乙酯。4-甲基鄰苯二酚是一種比較低廉的合成原料，國內(nèi)都有生產(chǎn)和銷售。本文采用4-甲基鄰苯二酚為原料，通過氧化[6-8]、酯化[9]2步來合成3,4-二羥基苯甲酸乙酯。4-甲基鄰苯二酚先與高錳酸鉀在催化劑TBAB(四丁基溴化銨)作用下發(fā)生反應(yīng)，生成3，4-二羥基苯甲酸；再在催化劑TsOH(對甲基苯磺酸)作用下與乙醇反應(yīng)，最后合成目標(biāo)3，4-二羥基苯甲酸乙酯。實(shí)驗(yàn)證明，本合成方法提高了產(chǎn)率[7]，在最優(yōu)條件下產(chǎn)率可達(dá)90.5%，降低了成本，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景[8]。目標(biāo)產(chǎn)物的合成路線如圖1所示。

圖1 目標(biāo)產(chǎn)物合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

SMP40全自動(dòng)熔點(diǎn)測定儀(英國STUART公司)；IR200傅里葉紅外光譜儀(美國賽默飛世爾公司)；AVANCE-II 500MHz核磁共振儀(德國Bruker公司)。

4-甲基鄰苯二酚、高錳酸鉀、無水乙醇、苯、TBAB、TsOH、鹽酸、碳酸鈉等試劑均為分析純。

1.2 3，4-二羥基苯甲酸的合成

1.3 3，4-二羥基苯甲酸乙酯的合成

2 結(jié)果與討論

2.1 3，4-二羥基苯甲酸合成

2.1.1 催化劑TBAB用量對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響

催化劑TBAB(四叔丁基溴化銨)的用量[12]關(guān)系到3，4-二羥基苯甲酸合成反應(yīng)的產(chǎn)率，實(shí)驗(yàn)中以底物的摩爾比的1%～10%催化劑用量來考察其對合成反應(yīng)的影響，其他反應(yīng)條件不變。催化劑TBAB用量對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響見圖2。

圖2 催化劑TBAB用量對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響

由圖2可以看出：當(dāng)催化劑TBAB用量為底物的5%時(shí)，其3，4-二羥基苯甲酸合成的產(chǎn)率最高。催化劑用量不足，降低了反應(yīng)速率，底物不能完全發(fā)生反應(yīng)，3，4-二羥基苯甲酸合成的產(chǎn)率低；當(dāng)催化劑過量，會(huì)發(fā)生一系列副反應(yīng)，也能導(dǎo)致其合成產(chǎn)率低。因此在合成3，4-二羥基苯甲酸時(shí)要控制好催化劑TBAB的用量，控制在底物的5%最宜。

2.1.2 高錳酸鉀用量對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響

高錳酸鉀在催化劑作用下氧化4-甲基鄰苯二酚中的甲基，生成3，4-二羥基苯甲酸。在實(shí)驗(yàn)中選取了高錳酸鉀和4-甲基鄰苯二酚的摩爾比分別為：2.0∶1.0、2.1∶1.0、2.2∶1.0、2.3∶1.0、2.4∶1.0進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其他反應(yīng)條件不變。其高錳酸鉀用量對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響見表 1 。

表1 高錳酸鉀用量對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響

由表1可以看出，隨著高錳酸鉀用量的增加其合成產(chǎn)率增加，當(dāng)高錳酸鉀和4-甲基鄰苯二酚摩爾比為2.2∶1.0后，其合成產(chǎn)率幾乎不增長。為了盡可能降低合成成本，提高經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，其高錳酸鉀不能浪費(fèi)，控制在摩爾比為2.2∶1.0即可。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響

考察反應(yīng)時(shí)間對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響時(shí)，選取了1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5 h等系列反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行研究，其他反應(yīng)條件不變。反應(yīng)時(shí)間對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響見圖 3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響

由圖3可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，3，4-二羥基苯甲酸產(chǎn)率不斷提高，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到3 h后，反應(yīng)產(chǎn)率幾乎不增長。反應(yīng)進(jìn)行到3 h時(shí)，其底物已經(jīng)反應(yīng)得比較充分了，進(jìn)一步延長反應(yīng)時(shí)間對其產(chǎn)率沒有什么影響；故在合成3，4-二羥基苯甲酸時(shí)控制合成時(shí)間在3 h左右。

2.1.4 反應(yīng)溫度對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響

4.額外量價(jià)格指導(dǎo)下，煉廠出口成品油將由過去的減利因素反轉(zhuǎn)為增利因素，增加出口的積極性?；A(chǔ)量政策未實(shí)施前，煉廠測算出口價(jià)格比留國內(nèi)出廠價(jià)低600 元/噸?；A(chǔ)量政策實(shí)施后，煉廠測算出口價(jià)格將比額外量價(jià)格高1000 元/噸，出口遠(yuǎn)好于留國內(nèi)作額外量。國內(nèi)競爭對手的經(jīng)驗(yàn)也驗(yàn)證了此結(jié)論：2016 年中化泉州煉廠因出口200 萬噸汽油，較留國內(nèi)批發(fā)增利20 億元。

分別選擇了80、90、100、110、120、130、140、150、160 ℃等系列反應(yīng)溫度進(jìn)行探討，其他反應(yīng)條件不變。反應(yīng)溫度對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響見圖 4。

圖4 反應(yīng)溫度對對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響

由圖4可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，3，4-二羥基苯甲酸產(chǎn)率不斷提高，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到120 ℃時(shí)產(chǎn)率到達(dá)最高值，之后反應(yīng)溫度升高，其產(chǎn)率降低。因?yàn)殡S溫度的升高，催化劑活性不斷提高，溫度過高催化劑效果降低，高溫還能發(fā)生一系列副反應(yīng)，因而產(chǎn)率降低；所以，在合成3，4-二羥基苯甲酸時(shí)反應(yīng)溫度應(yīng)控制在120 ℃。

2.2 3，4-二羥基苯甲酸乙酯的合成

2.2.1 催化劑TsOH用量對3，4-二羥基苯甲酸乙酯合成的影響

考察催化劑TsOH(對甲基苯磺酸)用量對3，4-二羥基苯甲酸合成反應(yīng)的產(chǎn)率的影響時(shí)[13]，選擇了催化劑TsOH用量為底物摩爾比的1%～10%進(jìn)行探討，其他反應(yīng)條件不變。催化劑TsOH用量對3，4-二羥基苯甲酸合成的影響見圖5。

圖5 催化劑TsOH用量對3,4-二羥基苯甲酸乙酯合成的影響

由圖5可以看出，當(dāng)催化劑TsOH用量為底物摩爾比的6%時(shí)，其3，4-二羥基苯甲酸乙酯合成的產(chǎn)率最高。催化劑用量不足，降低了反應(yīng)速率，底物不能完全發(fā)生反應(yīng)，3，4-二羥基苯甲酸乙酯合成的產(chǎn)率低；當(dāng)催化劑過量，會(huì)發(fā)生一系列副反應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致其合成產(chǎn)率低。因此，在合成3，4-二羥基苯甲酸乙酯時(shí)要控制好催化劑TsOH的用量，控制在底物摩爾比的6%最宜。

2.2.2 乙醇用量對3，4-二羥基苯甲酸乙酯合成的影響

表2 乙醇用量對3，4-二羥基苯甲酸乙酯合成的影響

由表2可以看出，隨著乙醇用量的增加其合成產(chǎn)率增加[14]，當(dāng)乙醇與3，4-二羥基苯甲酸的摩爾比為1.2∶1.0時(shí)，其產(chǎn)物產(chǎn)率最高，之后隨乙醇用量增加，其產(chǎn)物產(chǎn)率降低。因?yàn)檫^量的乙醇能發(fā)生一系列副反應(yīng)，降低了3，4-二羥基苯甲酸乙酯的產(chǎn)率，并且浪費(fèi)了大量的乙醇。所以在合成3，4-二羥基苯甲酸乙酯時(shí)，控制其摩爾比為1.2∶1.0即可。

2.2.3 反應(yīng)時(shí)間對3，4-二羥基苯甲酸乙酯合成的影響

探討反應(yīng)時(shí)間對3，4-二羥基苯甲酸乙酯的影響時(shí)，選取了1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5 h等系列反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行研究，其他反應(yīng)條件不變。反應(yīng)時(shí)間對3，4-二羥基苯甲酸乙酯合成的影響見圖 6。

圖6 反應(yīng)時(shí)間對3，4-二羥基苯甲酸乙酯合成的影響

由圖6可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，3，4-二羥基苯甲酸乙酯產(chǎn)率不斷提高，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到3h后，達(dá)到最高值，之后隨著時(shí)間延長，產(chǎn)物產(chǎn)率下降。隨著時(shí)間的延長，底物發(fā)生了一系列副反應(yīng)，因此降低了產(chǎn)物產(chǎn)率；所以在合成3，4-二羥基苯甲酸乙酯時(shí)應(yīng)將合成時(shí)間控制在3 h左右。

2.2.4 反應(yīng)溫度對3，4-二羥基苯甲酸乙酯合成的影響

分別選擇了50、60、70、80、90、100、110、120、130、140 ℃等系列反應(yīng)溫度進(jìn)行探討，其他反應(yīng)條件不變。反應(yīng)溫度對3，4-二羥基苯甲酸乙酯合成的影響見圖 7。

圖7 反應(yīng)溫度對對3，4-二羥基苯甲酸乙酯合成的影響

由圖7可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，3，4-二羥基苯甲酸乙酯產(chǎn)率不斷提高，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到90 ℃時(shí)產(chǎn)率到達(dá)最高值，之后隨著反應(yīng)溫度升高，其產(chǎn)率降低。隨溫度的升高，催化劑活性不斷提高，溫度過高催化劑效果降低，高溫還能發(fā)生一系列副反應(yīng)，如生成乙醚、乙烯等，因而產(chǎn)率降低；因此，在合成3，4-二羥基苯甲酸乙酯反應(yīng)溫度控制在90 ℃。

3 結(jié)論

以4-甲基鄰苯二酚為原料，經(jīng)過高錳酸鉀氧化、乙醇酯化2步反應(yīng)合成產(chǎn)物3，4-二羥基苯甲酸乙酯。氧化的最佳條件為：催化劑TBAB用量為底物摩爾比的5%、高錳酸鉀與4-甲基鄰苯二酚摩爾比為2.2∶1.0、反應(yīng)時(shí)間為3 h、反應(yīng)溫度為120 ℃；酯化的最佳條件為：催化劑TsOH用量為底物摩爾比的6%、乙醇與3，4-二羥基苯甲酸摩爾比為1.2:1.0、反應(yīng)時(shí)間3 h、反應(yīng)溫度90 ℃。在最佳條件下，3,4-二羥基苯甲酸乙酯的產(chǎn)率可達(dá)90.5%。

[1]徐克勛.精細(xì)有機(jī)化工原料及中間體手冊[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998：133-135．

[2] 程鑄生，朱乘炎．精細(xì)化學(xué)品化學(xué)[M]．上海：華東化工學(xué)院出版社，1990：126-129．

[3] Aldrich Chemical Company. Aldrich[M]. Milwaukee: Sigma-Aldrich Co, 2007: 367-369.

[4] 陳業(yè)榮．有機(jī)合成工藝及優(yōu)化[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：181-195．

[5] 章思規(guī)，章偉．精細(xì)化學(xué)品及中間體手冊[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2004：960-961．

[6] 周石洋，陳玲．2,4,6-三溴-4′-硝基二苯醚合成的研究[J]．化工中間體,2012，9(03)：28-30．

[7] Pizzio L，Vazquez P．Tungstophosphoric and Molybdo-phosphoric Acids Supported on Zirconia as Esterification Catalysts[J]．CatalLett，2001，77(4)：233-239．

[8] Anastas P T，Bartlett L B，Kirchhoff M M，et a1．The Role of Catalysis in the Design，Development，and Implementation of Green Chemistry[J]．Catalysis Today，2000，55：11-22．

[9] 周石洋，陳玲．2,4,6-三溴-3-羥基苯甲酸的合成[J]．西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012,38(5)：797-802．

[10] 張睿，劉秀杰，胡濤,等．3-氨基苯甲酸的合成[J]．天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，26(3)：38-39．

[11] 嚴(yán)兵，章亞峰，梁子軍，等.對羥基苯甲酸在有機(jī)合成中的應(yīng)用[J].精細(xì)化工中間體，2010，37(12)：42-44.

[12]閆慧麗，張立新，張慧芳，等.3-溴-4-羥基-5-甲氧基苯甲酸甲酯的合成[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011,28(5):1109-1109.

[13] 周石洋，陳玲，袁月華.4-氨基苯甲酸的合成工藝研究[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013, 33(1)：93-96.

[14] 田志高，安昌，譚珍友，等．3-硝基-2-氨基苯甲酸的合成[J]．合成化學(xué)，2009，17 (1)：106-108．