3，5-二甲基苯酚的合成與應(yīng)用

方東兵，馮柏成

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042)

3，5-二甲基苯酚又名5-羥基間二甲苯，是一種重要的精細(xì)化工原料及有機(jī)合成中間體，其主要合成方法:①苯酚烷基化法［1］，使用苯酚與甲醇為原料，通過高溫烷基化反應(yīng)得到目的產(chǎn)物。該方法操作簡(jiǎn)單，僅需一步反應(yīng)即可完成，但是反應(yīng)選擇性低，只有30%左右，且反應(yīng)生成的副產(chǎn)物難以分離，因此該方法不能滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的需要;②間二甲苯磺化堿熔法［2-3］，這是3，5-二甲基苯酚的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法。以間二甲苯為原料，經(jīng)過磺化、堿熔以及酸化，得到最終產(chǎn)品。該方法用于生產(chǎn)3，5-二甲基苯酚收率可達(dá)到60%左右并且產(chǎn)品純度較高，但是工藝過程復(fù)雜，并且最大的問題在于反應(yīng)過程的進(jìn)行主要依賴強(qiáng)酸強(qiáng)堿的作用，對(duì)設(shè)備的腐蝕和環(huán)境的污染都十分嚴(yán)重，并不符合當(dāng)前綠色化學(xué)的要求;③是異佛爾酮芳構(gòu)化法［4］，以異佛爾酮為原料，在高溫(350 ～400 ℃)下反應(yīng)生成3，5-二甲基苯酚。該方法具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是由于異佛爾酮在高溫下會(huì)發(fā)生酚酮的重排［5］，產(chǎn)物中除了3，5-二甲基苯酚和甲烷，還會(huì)有異佛爾酮的分解產(chǎn)物，比如均三甲苯、間甲酚、雙丙酮醇等。

3，5-二甲基苯酚作為重要的精細(xì)化工原料及有機(jī)合成中間體，主要有以下幾種重要的應(yīng)用。①制備酚醛樹脂粘合劑和酚·脲·醛樹脂粘合劑［6-8］，這種樹脂是不僅對(duì)木材同時(shí)也對(duì)玻璃、陶瓷、紙類、皮革和金屬等許多材料都有很好的粘合作用，是一種應(yīng)用非常廣泛的樹脂粘合劑。②用于生產(chǎn)殺菌劑，消毒劑等產(chǎn)品［9］，其中4-氯-3，5-二甲基苯酚就是較為重要的一種產(chǎn)品。這是一種具有獨(dú)特的殺菌性和防腐性，并能使兩種性能達(dá)到良好結(jié)合的消毒殺菌劑，被認(rèn)為是高效、安全、廣譜的殺菌劑。③用于合成殺蟲劑［10］，例如3，5-二甲基苯酚和氨基甲酸反應(yīng)可以制得滅除威。滅除威是一種高效低毒的殺蟲劑，對(duì)高等動(dòng)物毒性中等，對(duì)魚類毒性小，具有觸殺作用強(qiáng)，速效性強(qiáng)，殘效期短(只需要2 ～3 d)和藥效不易受溫度變化影響等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今應(yīng)用相當(dāng)廣泛的殺蟲劑之一。④用于合成維生素E［11］。3，5-二甲基苯酚作為合成保健品維生素E 的原料，近些年已經(jīng)引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。用它合成的維生素E，就廣泛用于保健品、藥品、食品添加劑、化妝品及營(yíng)養(yǎng)劑中。

本研究采用異丙基間二甲苯氧化分解法合成3，5-二甲基苯酚。該方法以工業(yè)上成熟的異丙苯法生產(chǎn)苯酚丙酮工藝為原型，首先通過反應(yīng)原料間二甲苯與異丙醇的烷基化反應(yīng)，得到5-異丙基間二甲苯，然后通過氧化酸解工藝得到3，5-二甲基苯酚和丙酮。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

間二甲苯、異丙醇、三氯化鋁、偶氮二異丁腈(AIBN)、N-羥基鄰苯二甲亞酰胺(NHPI)、乙腈、濃硫酸、丙酮均為分析純。

精密增力電動(dòng)攪拌器;恒溫油浴;高效液相色譜儀;DAD230 紫外檢測(cè)器;Varian 3800 氣相色譜儀;Bruker500M 型核磁共振儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 烷基化 向帶有溫度計(jì)、回流冷凝管、滴液漏斗和攪拌裝置的250 mL 四口燒瓶中加入74.88 g間二甲苯，攪拌下加入13.34 g 三氯化鋁，用冰水降至10 ℃以下，慢慢滴加含異丙醇6.01 g 與間二甲苯10 g 的混合液，不斷攪拌，滴完繼續(xù)反應(yīng)30 min，然后用恒溫油浴升溫至70 ℃反應(yīng)7 h。反應(yīng)結(jié)束后，水解，分液，取油相。將油相減壓精餾，得到產(chǎn)品9.83 g，收率為75%。其結(jié)構(gòu)通過NMR 確認(rèn)，純度通過氣相色譜分析，確定產(chǎn)品純度為90%。

1.2.2 氧化反應(yīng) 向帶有溫度計(jì)、回流冷凝管和磁力攪拌裝置的250 mL 四口燒瓶中加入蒸餾得到的5-異丙基間二甲苯純凈物30 g，乙腈200 mL，攪拌下加入NHPI 3.26 g，AIBN 1 g，使其全部溶解。然后升溫至50 ℃，通入空氣，空氣流速為600 mL/min，不斷攪拌。反應(yīng)過程中使用液相檢測(cè)，控制氧化反應(yīng)深度為15%，反應(yīng)16 h 后停止。將反應(yīng)液減壓蒸餾，過濾，得反應(yīng)液23 g。

1.2.3 酸解反應(yīng) 向帶有溫度計(jì)、回流冷凝管和攪拌裝置的250 mL 四口燒瓶中加入氧化反應(yīng)液20 g，攪拌下加入濃硫酸0.5 g、丙酮49.5 g 的混合溶液。然后將反應(yīng)液升溫至50 ℃，不斷攪拌反應(yīng)2 h。反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行液相色譜分析并與標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)照確定結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 烷基化反應(yīng)

間二甲苯與異丙醇的反應(yīng)屬于傅-克烷基化反應(yīng)，間二甲苯芳環(huán)上的氫原子被異丙基取代，而在逆向傅-克反應(yīng)或者稱之為傅-克去烷基化反應(yīng)過程中異丙基同樣可以在路易斯酸的存在下去除。本反應(yīng)中，間二甲苯上甲基的存在提高了苯環(huán)的活性，使異丙基的烷基化更容易進(jìn)行，同時(shí)由于甲基的定位效應(yīng)，異丙基優(yōu)先進(jìn)入苯環(huán)上的鄰位或?qū)ξ?，生?-異丙基間二甲苯。但是由于異丙基的空間位阻較大，間位產(chǎn)物比起鄰對(duì)位產(chǎn)物具有較小的空間位阻，因此熱力學(xué)控制該反應(yīng)產(chǎn)生熱力學(xué)上更穩(wěn)定的間位產(chǎn)物，最終在一系列烷基化與去烷基化共同作用的結(jié)果下，反應(yīng)形成穩(wěn)定產(chǎn)物5-異丙基間二甲苯。

2.1.1 催化劑對(duì)烷基化反應(yīng)的影響 本實(shí)驗(yàn)中分別實(shí)驗(yàn)了三氯化鋁、三氯化鐵、濃硫酸、磷酸的催化效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 催化劑對(duì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響Table 1 The influence of catalyst on the reaction conversion and selectivity

由表1 可知，三氯化鐵以及濃磷酸對(duì)反應(yīng)沒有明顯的催化效果。三氯化鋁以及濃硫酸的催化效果較好，原料的轉(zhuǎn)化率較高。但是濃硫酸作為催化劑，反應(yīng)的選擇性較差，副產(chǎn)物較多，主產(chǎn)物的選擇性只有75%左右。而三氯化鋁選擇性可以達(dá)到90%，轉(zhuǎn)化率可達(dá)到75%以上。因此，選擇三氯化鋁作為該反應(yīng)的催化劑是較為合適的。

2.1.2 反應(yīng)溫度對(duì)烷基化反應(yīng)的影響 反應(yīng)溫度對(duì)烷基化反應(yīng)有明顯影響。當(dāng)溫度過高時(shí)，反應(yīng)會(huì)生成包括4-異丙基間二甲苯在內(nèi)的多種副產(chǎn)物。而當(dāng)反應(yīng)溫度過低時(shí)，反應(yīng)速率較慢，反應(yīng)所需時(shí)間大大延長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)在40 ～100 ℃的范圍內(nèi)分別選擇40，50，60，70，80 ℃進(jìn)行考察，結(jié)果見圖1。

圖1 反應(yīng)溫度與收率的關(guān)系Fig.1 The relation of reaction temperature and yield

由圖1 可知，在相同的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，40 ℃時(shí)產(chǎn)物的收率只有43%，隨著溫度的提高，產(chǎn)品的收率也在提高。在70 ℃時(shí)達(dá)到75%以上。繼續(xù)升高溫度，產(chǎn)品收率開始下降。這是由于過高的溫度導(dǎo)致了副反應(yīng)的發(fā)生，雖然原料轉(zhuǎn)化率在提高，但是反應(yīng)的選擇性在下降，最終導(dǎo)致了反應(yīng)收率的下滑。結(jié)果表明，70 ℃是較好的反應(yīng)溫度，此時(shí)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率較高、選擇性較好。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)烷基化反應(yīng)的影響 依前述所選出的最佳條件，在70 ℃下反應(yīng)8 h，反應(yīng)4 h 后每隔1 h 取樣進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2。

圖2 反應(yīng)時(shí)間與收率的關(guān)系Fig.2 The relation of reaction time and yield

由圖2 可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)品收率逐漸提高，5 ～7 h 內(nèi)收率提高較快，表明此時(shí)反應(yīng)速度較快。反應(yīng)至7 h 時(shí)收率達(dá)到75%。隨后反應(yīng)速度開始減慢，收率變化較小。因此從反應(yīng)效率的角度考慮，7 h 的反應(yīng)時(shí)間是比較合適的。

2.2 氧化反應(yīng)

5-異丙基間二甲苯的氧化反應(yīng)是自由基引發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其主要根據(jù)是該反應(yīng)存在誘導(dǎo)期，若是存在能夠解離成自由基的物質(zhì)，則氧化反應(yīng)的反應(yīng)速度會(huì)加快，反應(yīng)時(shí)間會(huì)大大縮短;若是存在酚類等雜質(zhì)，氧化反應(yīng)的反應(yīng)速度會(huì)減慢，甚至可能停止。此外，對(duì)于該氧化反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)溫度較高或者反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)有醇類或酮類副產(chǎn)物的出現(xiàn)［12］。因此在反應(yīng)過程中要嚴(yán)格控制反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度，以此來達(dá)到控制氧化反應(yīng)深度的目的，最終得到選擇性較好的目的產(chǎn)物。

2.2.1 引發(fā)劑的影響 自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)大致可分為三步:鏈的引發(fā)、鏈的增長(zhǎng)以及鏈的終止［13］。其中鏈引發(fā)是控制反應(yīng)時(shí)間的關(guān)鍵，選擇合適的引發(fā)劑可以大大的縮短鏈引發(fā)的時(shí)間，從而減少反應(yīng)所需的時(shí)間。

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，選擇偶氮二異丁腈(AIBN)作為該反應(yīng)的引發(fā)劑?？疾炝嗽?0 ℃，空氣流量為600 mL/min的反應(yīng)條件下，引發(fā)劑對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 引發(fā)劑對(duì)氧化反應(yīng)收率的影響Fig.3 The influence of the initiator on the oxidation reaction yield

由圖3 可知，當(dāng)沒有引發(fā)劑加入時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行20 h 仍無(wú)過氧化物產(chǎn)生;而加入引發(fā)劑，4 h 后氧化反應(yīng)就開始發(fā)生，過氧化物含量迅速增加，反應(yīng)時(shí)間為12 h 時(shí)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到10%?？梢钥闯?，引發(fā)劑的加入對(duì)加快反應(yīng)速度有重要作用。因?yàn)樽杂苫準(zhǔn)椒磻?yīng)，其反應(yīng)速度主要受鏈引發(fā)反應(yīng)速率的影響，而引發(fā)反應(yīng)的活化能很高，引發(fā)劑或催化劑的存在可以降低活化能，加快引發(fā)速度。偶氮類引發(fā)劑反應(yīng)穩(wěn)定，是一級(jí)反應(yīng)［13］，容易控制，對(duì)加快氧化反應(yīng)有很好的作用。因此，選擇偶氮二異丁腈作為該反應(yīng)的引發(fā)劑。

2.2.2 反應(yīng)時(shí)間的影響 氣液兩相反應(yīng)需要經(jīng)過擴(kuò)散和反應(yīng)兩個(gè)階段來完成［14］，所以需要一定的反應(yīng)時(shí)間，如果反應(yīng)時(shí)間不足，則氣液兩相沒有完全反應(yīng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率較低，如果反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)促進(jìn)副反應(yīng)的發(fā)生，雖然反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較高，但選擇性較差。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.4 The influence of reaction time on the oxidation reaction conversion

由圖4 可知，5-異丙基間二甲苯的轉(zhuǎn)化率是隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增加的，從反應(yīng)開始至20 h，反應(yīng)速度較快，在反應(yīng)時(shí)間超過20 h 之后反應(yīng)速度有所下降，此時(shí)原料轉(zhuǎn)化率達(dá)20%以上，反應(yīng)24 h，5-異丙基間二甲苯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到25%以上;反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，5-過氧化氫異丙基間二甲苯的選擇性較好，約為90%。隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，選擇性逐漸下降，副反應(yīng)增多。因此，為了得到較好的反應(yīng)選擇性，就需要控制反應(yīng)時(shí)間來控制反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。研究發(fā)現(xiàn)，16 h 是原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性的較好契合點(diǎn)，是適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)時(shí)間，此時(shí)5-異丙基間二甲苯轉(zhuǎn)化率為15%左右，選擇性可以達(dá)到85%以上。

2.2.3 反應(yīng)溫度的影響 反應(yīng)溫度是影響氧化反應(yīng)方向和氧化深度的重要因素。本研究中考察了40，50，60，70 ℃下反應(yīng)的不同變化，見圖5。

圖5 反應(yīng)溫度與氧化反應(yīng)收率的關(guān)系Fig.5 The relation of reaction temperature and yield

由圖5 可知，反應(yīng)時(shí)間在12 h 以內(nèi)，產(chǎn)品的收率隨著反應(yīng)溫度的升高而增加，因?yàn)榉磻?yīng)溫度越高，氧化反應(yīng)越劇烈，氧化速度越快。但是當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到12 h 時(shí)，氧化反應(yīng)情況出現(xiàn)分化，60，70 ℃下，產(chǎn)品收率開始下降，因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)生了氧化產(chǎn)物的熱分解反應(yīng)，生成相應(yīng)的芐醇和間二甲基苯乙酮等副產(chǎn)物，引起了產(chǎn)品收率的下降。40 ℃和50 ℃下，反應(yīng)進(jìn)行至16 h 時(shí)，產(chǎn)品收率也出現(xiàn)收率下降的情況。這說明，副反應(yīng)開始的時(shí)間與反應(yīng)溫度有關(guān)，溫度越高，副反應(yīng)開始的也越早。另外，在反應(yīng)過程中，當(dāng)反應(yīng)溫度較高時(shí)，溶劑乙腈會(huì)大量揮發(fā)，不利于反應(yīng)溶劑的回收利用。當(dāng)溫度較低時(shí)，氧化反應(yīng)的速度較慢，在較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)也無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)。因此總體來說，50 ℃是較為理想的反應(yīng)溫度，在此溫度下，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率平穩(wěn)上升，反應(yīng)選擇性可以保持在85%以上。

2.3 酸解反應(yīng)

過氧化氫物在酸催化條件下生成3，5-二甲基苯酚和丙酮，根據(jù)反應(yīng)條件的變化，也有可能生成醇、烯等副產(chǎn)物。本實(shí)驗(yàn)從反應(yīng)溫度，催化劑用量，反應(yīng)時(shí)間三個(gè)方面考察了各因素對(duì)酸解反應(yīng)的影響之后得出:當(dāng)溫度為50 ℃，催化劑濃硫酸用量為2.5%，硫酸丙酮溶液濃度為1%，反應(yīng)時(shí)間2 h 時(shí)，3，5-二甲基苯酚的收率可達(dá)到80%。

3 結(jié)論

本論文通過異丙基間二甲苯氧化酸解法，使用間二甲苯與異丙醇為原料，實(shí)現(xiàn)3，5-二甲基苯酚的新法合成。其優(yōu)化的合成工藝條件如下:①烷基化工藝條件:原料摩爾比n(間二甲苯)∶n(異丙醇)∶n(三氯化鋁)=8∶1∶1，反應(yīng)溫度為70 ℃，反應(yīng)時(shí)間為7 h，在此工藝下產(chǎn)品收率為75%，純度為90%;②氧化工藝條件:5-異丙基間二甲苯30 g，NHPI 3.26 g，AIBN 1.0 g，乙腈200 mL，空氣流速為600 mL/min，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間16 h;③酸解工藝條件:氧化反應(yīng)液20 g，濃硫酸與丙酮混合液50 g(濃硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)，反應(yīng)溫度為50 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h。

3，5-二甲基苯酚作為重要的精細(xì)化工原料和有機(jī)合成中間體，其用途十分廣泛，市場(chǎng)需求量很大。而異丙基間二甲苯氧化分解法生產(chǎn)3，5-二甲基苯酚，是一種綠色安全的新型合成方法，其原料利用率高，對(duì)環(huán)境污染小，符合當(dāng)前綠色化學(xué)的要求，是對(duì)已有合成工藝的有效補(bǔ)充。

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