CuCl2/FeCl3催化氧化制備2,3,5-三甲基-1,4-對苯醌反應網絡研究

尹 紅, 李 倩, 陳志榮, 袁慎峰

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CuCl2/FeCl3催化氧化制備2,3,5-三甲基-1,4-對苯醌反應網絡研究

尹 紅, 李 倩, 陳志榮, 袁慎峰

(浙江大學 化學工程與生物工程學院, 浙江 杭州 310027)

以CuCl2/FeCl3水溶液為催化劑，氧氣為氧化劑，正己醇為溶劑進行2,3,6–三甲基苯酚(TMP)氣液液三相催化氧化制備2,3,5-三甲基-1,4-對苯醌(TMQ)的反應。通過對反應產物進行結構鑒定和定量分析，推測反應途徑；同時考察反應時間、反應溫度、催化劑用量、FeCl3加入量對反應產物組成的影響。結果表明反應過程中會生成2,3,6-三甲基-4-氯苯酚、2,3,5-三甲基-1,4-對苯二酚和2,2,3,3,5,5-六甲基-4,4-聯(lián)苯二酚等多種中間產物和副產物。在CuCl2催化體系中加入助催化劑FeCl3可使主產物TMQ的選擇性由70.39% 提高到82.91%。 研究最后提出了一個包含平行和連串反應的反應網絡。

2,3,6-三甲基苯酚；反應網絡；CuCl2；FeCl3；2,3,5-三甲基-1,4-對苯醌

1 前 言

2,3,5-三甲基-1,4-對苯醌(TMQ)是生產維生素E的重要中間體。在眾多的合成工藝[1]中，TMP氧化生產TMQ工藝因其生產流程簡單、生產成本低、收率高等優(yōu)點而備受研究者青睞[2]，成為生產TMQ的主要路線。傳統(tǒng)合成方法是將TMP磺化后經MnO2氧化得到TMQ，但該生產過程產生大量工業(yè)廢水，嚴重影響環(huán)境。氧氣作為TMP氧化過程綠色環(huán)保氧化劑使此工藝成為當前研究熱點[3]。氧氣氧化TMP制備TMQ催化劑種類較多[4~7]，其中CuCl2價廉易得，應用廣泛。本課題組黃海平[8]在氧氣為氧化劑、CuCl2/ FeCl3為催化劑的反應條件下研究氣液兩相反應網絡，但氣液兩相反應過程存在催化劑與反應產物分離困難問題，難以工業(yè)化。 Hirose等人[9]使用CuCl2/過渡金屬鹽催化劑水溶液制備TMQ，反應完成后通過靜置分層回收利用混合金屬鹽水溶液，減少了重金屬離子的排放，因此氣液液三相催化氧化的方法更宜工業(yè)化。

TMP氣液液三相催化氧化制備TMQ的過程是一個復雜反應過程，反應中形成多種產物影響主產物收率。Shimizu等[10]研究發(fā)現(xiàn)CuCl2催化時，氯離子與原料可以形成氯代三甲基苯酚(Cl-TMP)，這種物質隨反應時間延長減少并最終消失，作者判斷Cl-TMP為反應中間產物。Kholdeeva等[11]研究發(fā)現(xiàn)反應過程中會形成二聚物2,2,3,3,6,6-六甲基-4,4-聯(lián)苯二酚(BP)，且不隨時間減少，應為反應副產物。黃海平在氣液兩相研究中也檢測到Cl-TMP和BP[8]。但這些副產物的產生機理和抑制方法報道極少。為確保主產物收率，研究反應網絡及各種因素對反應產物的影響非常必要。

本文以CuCl2/FeCl3水溶液為催化劑水相，TMP–正己醇溶液為反應油相，對反應產物進行結構鑒定和定量分析，并據此推測反應網絡，同時考察反應時間、反應溫度、催化劑用量和FeCl3·6H2O催化劑加入量對反應產物組成的影響，為工業(yè)上TMP催化氧化制備TMQ的工藝優(yōu)化提供理論依據。

2 實驗部分

2.1 原料

2,3,6-三甲基苯酚，工業(yè)品級，浙江新和成股份有限公司；正己醇，試劑級，國藥集團化學試劑有限公司；三氯化鐵–六水，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；二氯化銅–二水，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；苯甲酸乙酯，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

2.2 反應裝置及操作步驟

本文實驗裝置如圖1所示。純氧由轉子流量計控制流量導入反應器，反應尾氣經洗氣瓶洗滌后排出。

圖1 實驗裝置示意圖

1. oxygen cylinder 2. flow meter 3. catheter 4~5. stirring motor 6. oil bath 7. condenser pipe 8. oxygen detector 9. gas-washing bottle

配制相同體積的催化劑水溶液與反應物正己醇溶液后通入氧氣反應。實驗在常壓恒溫攪拌下進行，油相與水相在混合之前分別預熱至設定溫度。采用氣相色譜(GC)、質譜(MS)、氣相色譜-質譜(GC-MS)、高效液相色譜(HPLC-DAD)與液相色譜-質譜(HPLC-MS)進行產物結構鑒定和定性分析，定時取樣用氣相色譜跟蹤定量分析，以苯甲酸乙酯為內標物。反應完成后，體系通過靜置分層分離催化劑水相。

2.3 TMP反應產物分析

2.3.1 GC-MS對產物定性分析

(1) 2,3,6-三甲基-4-氯苯酚(Cl-TMP)

GC-MS (EI)/(相對強度)：170(86，[M]+)，172(28，[M+2]+)，155(16，[M-CH3]+)，135(100，[M-Cl]+)， 91(25，[M-2CH2-Cl-O]+)

(2) 2,3,5-三甲基-1,4-對苯二酚(TMHQ)

GC-MS (EI)/(相對強度)：152(100，[M]+)，151(24，[M-H]+)，137(68，[M-CH3]+)。

(3) 2,2,3,3,5,5-六甲基-4,4-聯(lián)苯二酚(BP)

GC-MS (EI)/(相對強度)：270(100，[M]+)，255(57，[M-CH3]+)，240(61，[M-2CH3]+)，225(15，[M-3CH3]+)，210(3，[M-4CH3]+)。

(4) 2,3,6-三甲基-4-(2,3,6-三甲基苯氧基)苯酚(PP)

GC-MS (EI)/(相對強度)：270(100，[M]+)，255(5，[M-CH3]+)，225(4，[M-3CH3]+)，208(5，[M-3CH3-OH]+)，136(63，[M-C6H(CH3)3O]+)，135(59，[M-C6H(CH3)3OH]+)，121(21，[M-C6H(CH3)3OH-CH2]+)，105(10，[M-C6H(CH3)3OH-CH2-O]+)，91(32，[M-C6H(CH3)3OH-2CH2-O]+)。

2.3.2 MS對產物的定性分析

(1Z)-2,2',3,3',5,5'-六甲基-1,1'-聯(lián)(環(huán)己-2,5-二烯-1-亞基)-4,4'-二酮 (BQ)

MS (ESI)/: 269([MH]+)

2.3.3 HPLC-MS和DAD對產物的定性分析

鄰-(2,2,2,3,3,3,5,5,5-九甲基)三聯(lián)苯-4,4,4-三醇 (TP)

HPLC-MS(ESI)/：405([MH]+)，269([M-C6H(CH3)3OH]+)；HPLC-DAD: (= 202 nm，= 284 nm，= 303 nm)。

3 結果與討論

3.1 反應溫度的影響

在催化劑水相60 mL(CuCl2·2H2O濃度為12.67%(wt)，F(xiàn)eCl3·6H2O濃度為20.12%(wt))，油相TMP正己醇溶液60 mL(TMP濃度為24.15%(wt))，純氧流量為20 mL×min-1，攪拌轉速為400 r×min-1的條件下，改變反應溫度(60、65、70、75、80℃)進行實驗，結果如圖2和圖3所示。

圖2 不同溫度下TMP轉化率的變化

圖3 不同溫度下Cl-TMP濃度的變化

由圖2和圖3可見，反應溫度越高，反應速率越快。反應產物Cl-TMP隨反應時間延長先增加后減少，應為反應中間產物。Cl-TMP在反應過程中能達到的最高濃度隨溫度升高而增大，同時達到峰值的時間提前。這是由于溫度升高時油相中氯離子溶解度增加，中間產物Cl-TMP生成量增加；同時隨溫度升高TMP·生成速率較快，導致TMP·和氯離子反應速率也加快，因此達到峰值時間提前。Cl-TMP作為反應中間產物最終會轉化成主產物TMQ，通過溫度升高促進Cl-TMP的生成可以提高主產物選擇性。

3.2 催化劑用量的影響

在油相TMP正己醇溶液60 mL(TMP濃度為24.15%(wt))，催化劑水相60 mL，氧氣流量為20 mL×min-1，攪拌轉速為400 r×min-1，反應溫度為70℃，CuCl2·2H2O和FeCl3·6H2O的摩爾比為1:1的條件下，改變催化劑用量(0.03、0.04、0.05、0.055、0.06、0.075 mol)進行實驗，結果如表1和圖4所示。圖4中最高含量是指中間產物在反應體系中達到的最高濃度；消耗量指產物BP達到最高濃度后進一步氧化反應消耗量。

表1 不同催化劑用量下的Cl–TMP最高濃度

圖4 不同催化劑用量下BP的最高含量和消耗量

由表1和圖4中結果可以看出，催化劑用量對反應產物Cl-TMP和BP的濃度影響顯著。隨著催化劑用量增加，中間產物Cl-TMP的最高含量增加。催化劑用量增加反應體系中氯離子含量也增加，從而Cl-TMP濃度增加。催化劑用量增加能夠形成更多TMP·，BP最高濃度增加。催化劑用量較大時(> 0.04 mol) BP在反應后期會被消耗，且其消耗量隨著催化劑用量增加而增加。催化劑CuCl2·2H2O/FeCl3·6H2O具有氧化性，BP在高濃度催化劑作用下能夠進一步氧化，氧化產物(1Z)-2,2',3,3',5,5'-六甲基-1,1'-聯(lián)(環(huán)己-2,5-二烯-1-亞基)-4,4'-二酮可由MS檢測。同時微量的三聚產物鄰-(2,2,2,3,3,3,5,5,5-九甲基)三聯(lián)苯-4,4,4-三醇在HPLC和HPLC-MS中出現(xiàn)，該產物可能由TMP和BP反應形成。上述分析表明催化劑用量較大時BP為反應中間產物。催化劑用量小于0.04 mol時，BP濃度在反應前期隨時間延長而增加，最終趨于穩(wěn)定值，可視為反應副產物。上述反應途徑如圖5所示。

圖5 BP的反應網絡

3.3 FeCl3·6H2O用量的影響

實驗研究發(fā)現(xiàn)，當反應體系中只有CuCl2·2H2O作催化劑時，反應速率較快，反應2 h后原料轉化率可達99%，但主產物TMQ選擇性較低只有70.39%。當反應體系中只有FeCl3·6H2O作催化劑時，反應速率很慢，要使原料轉化率達99% 需反應18 h以上。為探究FeCl3·6H2O催化劑對反應的催化作用，設計固定CuCl2·2H2O催化劑用量，改變FeCl3·6H2O催化劑用量實驗。

在油相TMP正己醇溶液60 mL (TMP濃度為24.15%(wt))，催化劑水相60 mL，氧氣流量為20 mL×min-1，攪拌轉速為400 r×min-1，反應溫度為70℃，CuCl2·2H2O催化劑用量為0.05 mol的條件下，改變FeCl3·6H2O催化劑用量(0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 mol)進行實驗，結果如表2和圖6所示。

表2 不同F(xiàn)eCl3×6H2O加入量下TMQ的選擇性

圖6 不同F(xiàn)eCl3·6H2O催化劑用量下PP濃度隨時間的變化

圖7 TMQ和PP濃度隨時間的變化

由表2可知，加入助催化劑FeCl3·6H2O后主產物TMQ的選擇性提高近10%，認為銅鐵催化劑存在協(xié)同催化效應。由圖6可知，反應產物PP隨反應時間延長先增加后減少，應為反應中間產物。由圖7可知，TMQ在PP濃度下降之后依然上升，推斷PP還會進一步氧化成TMQ。鐵鹽催化劑對中間產物PP的影響顯著，PP濃度隨鐵鹽催化劑用量增加而下降，說明鐵鹽會抑制中間產物PP的形成。FeCl3中Fe3+氧化TMP的同時還原為Fe2+，F(xiàn)e2+含有4個未成對電子很容易與氧結合：O2的π*z和π*x軌道中的未成對電子與高自旋Fe2+的dzz和dzx軌道中的未成對電子相互偶合，活化氧分子[12~14]，使更多的活性氧分子和反應體系中的TMP·反應生成TMQ。從而提高TMQ的選擇性，減少二聚產物PP生成。在銅鹽催化體系中加入助催化劑鐵鹽可以提高主產物選擇性。FeCl3含量小于0.05 mol時，反應體系中存在較多TMP·，TMP·通過自由基轉移形成苯氧自由基RO·，TMP·和RO·兩者之間C-O耦合則可生成PP。FeCl3含量較高時(>0.05 mol)，中間產物PP含量很低，對主產物產率的影響可以忽略。圖8為PP生成TMQ的反應網絡。

圖8 PP反應成TMQ的反應網絡

3.4 反應時間的影響

在催化劑水相60 mL(CuCl2·2H2O濃度為12.67%(wt)，F(xiàn)eCl3·6H2O濃度為20.12%(wt))，油相TMP正己醇溶液60 mL(TMP濃度為24.15%(wt))，反應溫度為70℃，攪拌轉速為400 r×min-1，純氧流量為20 mL×min-1時考察TMP氣-液-液三相催化氧化反應產物濃度隨反應時間的變化情況，結果如圖9所示。

圖9 TMP反應主要產物濃度隨時間變化

由圖9可知，TMP氣液液三相催化氧化的主要反應產物有：TMQ、Cl-TMP、TMHQ、PP、BP。其中Cl-TMP、TMHQ、PP隨反應時間呈先增加后減少趨勢，推測它們?yōu)榉磻虚g產物。TMQ濃度隨反應時間呈現(xiàn)單調增加趨勢，到反應后期趨于穩(wěn)定值，且在中間產物Cl-TMP、TMHQ、PP濃度下降之后依然上升，推斷TMQ不僅由TMP直接反應生成，也是中間產物Cl-TMP、TMHQ、PP進一步氧化的產物。而BP濃度隨時間增大到最大值后下降，最終趨于穩(wěn)定值。BP濃度下降的原因是較高濃度催化劑作用下進一步氧化。酚類物質催化氧化形成醌類物質的反應為自由基反應過程[15,16]，本文中在水相催化劑CuCl2·2H2O/FeCl3·6H2O作用下TMP生成自由基TMP·，同時TMP·自身發(fā)生自由基轉移形成苯氧自由基RO·。因此TMP氣液液三相催化氧化過程是先形成TMP·，繼而發(fā)生TMP反應生成TMQ、TMHQ、 Cl-TMP以及BP和PP的五個平行反應，Cl-TMP、PP和TMHQ可以進一步轉變?yōu)楫a物，它們?yōu)榉磻虚g產物。推測反應網絡如圖10所示。反應過程的化學反應方程式如(1)~(10)所示。

圖10 TMP生成TMQ的反應網絡

4 結 論

(1) TMP氣–液–液三相催化氧化制備TMQ反應過程中有2,3,6-三甲基-4-氯苯酚、2,3,5-三甲基-1,4-對苯二酚、2,2,3,3,5,5-六甲基-4,4-聯(lián)苯二酚和2,3,6-三甲基-1,4,-對苯酚等多種中間產物和副產物生成。根據各物質之間相互關系，本文提出一個包含平行和連串反應的反應網絡。

(2) 在CuCl2催化體系中加入助催化劑FeCl3，F(xiàn)eCl3對氧分子更好的活化作用可以促進TMP的氧化反應，減少二聚，使主產物TMQ的選擇性由70.39%提高到82.91%。

(3) CuCl2/FeCl3摩爾比為1:1的條件下，催化劑用量大于0.04 mol時，BP為反應中間產物，會被進一步氧化成(1Z)-2,2',3,3',5,5'-六甲基-1,1'-聯(lián)(環(huán)己-2,5-二烯-1-亞基)-4,4'-二酮；催化劑用量小于0.04 mol時，BP濃度隨時間延長先增加，最終趨于穩(wěn)定值，可視為反應副產物。

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Reaction Networks of 2,3,5-Trimethyl-1,4-Benzoquinone Synthesis Catalyzed by CuCl2/FeCl3

YIN Hong, LI Qian, CHEN Zhi-rong, YUAN Shen-feng

(College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

2,3,6-trimethylphenol(TMP) oxidation in a gas-liquid-liquid system to prepare 2,3,5-trimethyl-1,4 -benzoquinone(TMQ) was studied using an aqueous solution of CuCl2/FeCl3as a catalyst,-hexanol as a solvent and O2as an oxidant. The reaction network was proposed by analyzing by-products and intermediate products formed during the reaction. Effects of operation parameters including reaction time, reaction temperature, catalyst concentration and FeCl3concentration were studied. The results show that 4-chloro-2,3,6-trimethylphenol, 2,3,5-trimethyl-1,4-benzeediol and 2,2,3,3,5,5-hexamethyl-4,4-bisphenol are formed as intermediates and byproducts. The addition of FeCl3as a co-catalyst can improve product selectivity from 70.39% to 82.91%. A reaction network with parallel and series reaction steps is proposed.

2,3,6-trimethylphenol; reaction network; CuCl2; FeCl3; 2,3,5-trimethyl-1,4-benzoquinone

1003-9015(2016)03-0597-07

O625.4；O 643.32

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.03.014

2015-11-03；

2016-01-18。

浙江省公益性技術應用研究計劃(2013C31091)。

尹紅(1971-)，女，湖南衡陽人，浙江大學副教授，博士。通訊聯(lián)系人，尹紅，E-mail：yinh@zju.edu.cn