對(duì)甲酚法生產(chǎn)香蘭素小試工藝改進(jìn)

楊興鍇，周艷青，伍家衛(wèi)，陳淑芬， 唐蓉萍，呂維華，尚秀麗

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油化學(xué)工程系，甘肅 蘭州 730060）

對(duì)甲酚法生產(chǎn)香蘭素小試工藝改進(jìn)

楊興鍇，周艷青，伍家衛(wèi)，陳淑芬， 唐蓉萍，呂維華，尚秀麗

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油化學(xué)工程系，甘肅 蘭州 730060）

以對(duì)甲苯酚為原料，經(jīng)氧化、溴化、烷氧化反應(yīng)合成香蘭素，所有中間產(chǎn)品及香蘭素經(jīng)核磁共振氫譜1HNMR確定為目標(biāo)化合物。對(duì)烷氧化反應(yīng)進(jìn)行了工藝改進(jìn)，首先以CuO作為催化劑，具有催化效果好，操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，提高了產(chǎn)品收率。其次以低沸點(diǎn)甲醇作溶劑，只加入催化量的DMF，甲醇作溶劑，價(jià)格較低，容易回收利用。在常壓回流條件下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)條件更加溫和，更適合于工業(yè)生產(chǎn)。

對(duì)甲酚；CuO；香蘭素

香蘭素廣泛存在于干香莢蘭豆中，其含量約為20g·kg-1。由于世界天然香莢蘭豆的年平均產(chǎn)量?jī)H為2000～2400t，因此僅從植物中提取香蘭素難以滿足市場(chǎng)需求，所以，多種化學(xué)合成香蘭素的方法應(yīng)運(yùn)而生。目前香蘭素的生產(chǎn)以愈創(chuàng)木酚（鄰甲氧基苯酚）為原料的合成方法為主，國(guó)內(nèi)大部分廠家用此法生產(chǎn)，但此法的缺點(diǎn)是工藝路線長(zhǎng)，綜合回收利用配套設(shè)備多。

對(duì)甲酚是一種易得的化工原料，由對(duì)甲酚出發(fā)，經(jīng)氧化、單溴化、甲氧基化生產(chǎn)香蘭素的工藝路線得到越來越多的關(guān)注，這一課題在我國(guó)研究比較深入，雖然尚未投入大規(guī)模應(yīng)用，但很快會(huì)有進(jìn)展。結(jié)合本課題組參與的蘭州長(zhǎng)興石油化工廠甲酚生產(chǎn)裝置工藝改進(jìn)項(xiàng)目，我們進(jìn)行了對(duì)甲酚法生產(chǎn)香蘭素工藝改進(jìn)小試實(shí)驗(yàn)研究［1］。反應(yīng)過程原理如下：

1 試劑和儀器設(shè)備

1.1 化學(xué)試劑

對(duì)甲苯酚（工業(yè)級(jí)，99%），溴（工業(yè)級(jí)），DMF（分析純），甲醇（分析純），甲醇鈉（93%），鹽酸（37%），氧化銅（98%）。

1.2 儀器設(shè)備

WRS-3熔點(diǎn)儀，DF101S集熱式恒溫磁力攪拌器，SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水多用真空泵，DZF-6020型真空干燥箱，ZHT型自動(dòng)恒溫電熱套，常壓蒸餾裝置一套，Mercury plus-300 Varian 型核磁共振儀。

2 反應(yīng)步驟

2.1 對(duì)羥基苯甲醛的合成［2］

在裝有攪拌、回流冷凝管和進(jìn)氣導(dǎo)管的1L四口燒瓶中， 加入對(duì)甲酚54.0g （0.5mol）、甲醇540mL、固體氫氧化鈉60.0g （1.5mol）、催化劑CoCl20.3g（0.0023 mol）和CuCl21.4g（0.01mol）。反應(yīng)混合物攪拌升溫回流， 通入氧氣反應(yīng)， 調(diào)節(jié)通氧速度使冷凝管導(dǎo)氣管出口處有間歇?dú)馀菀绯觥Ｔ?5～67℃快速攪拌下反應(yīng)， 用TLC跟蹤至對(duì)甲酚斑點(diǎn)完全消失后（約12～14h）， 停止通氣。蒸餾回收甲醇，加水250mL，再蒸出部分含水甲醇，將反應(yīng)液冷至室溫，抽濾，得對(duì)羥基苯甲醛酚鈉鹽固體。該固體轉(zhuǎn)入燒杯，加入水200mL和鋅粉0.5g，攪拌，用濃鹽酸酸化至pH=5，有沉淀析出，加熱至90℃，使其溶解，再加入粉狀活性炭1.0g，保溫30min。熱濾，水洗，干燥，得淡黃色針狀對(duì)羥基苯甲醛晶體，收率81.3%，mp 114～116℃（文獻(xiàn)值為115～117℃）。

2.2 3-溴-4-羥基苯甲醛的合成［3］

在四頸燒瓶中，加入對(duì)羥基苯甲醛12.2g （0.1mol）和200mL甲醇。另取50mL甲醇溶液向其中加入6mL（0.12mol）溴素，在室溫條件下緩慢滴加，約在1h內(nèi)滴完，在室溫下繼續(xù)攪拌4h。

反應(yīng)完畢蒸出溶劑，將剩余產(chǎn)物用水重結(jié)晶，分出油層后，將濾液冷卻，并減壓抽濾，烘干得白色結(jié)晶物3-溴-4-羥基苯甲醛，收率92.5%。熔點(diǎn)123～124℃（文獻(xiàn)值為124℃）。

2.3 3-甲氧基-4-羥基苯甲醛的合成

在三口燒瓶中加入3-溴-4-羥基苯甲醛20.1g （0.1mol）和甲醇鈉10.8g（0.12mol），加入甲醇90～100mL，DMF 5～10mL，CuO催化劑0.5g，常壓加熱回流條件下反應(yīng)，TLC跟蹤反應(yīng)10h后，3-溴-4-羥基苯甲醛反應(yīng)完畢，蒸餾回收溶劑。剩余物加適量的水和粉狀活性炭，加熱至90℃保溫30min，熱濾。濾液冷卻至室溫，用濃鹽酸酸化至pH=5.0，析出沉淀，過濾、水洗、干燥，得淡黃色甲基香蘭素晶體。收率86.3%，熔點(diǎn)76～78℃（文獻(xiàn)值77℃）。

3 結(jié)果與討論

3.1 烷氧化反應(yīng)催化劑的改進(jìn)

3-溴-4-羥基苯甲醛的甲氧基化反應(yīng)，銅鹽為其常用催化劑［4-6］，但未見以CuO為催化劑的報(bào)道。以DMF為溶劑進(jìn)行催化劑的篩選，結(jié)果見表1。

從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，Cu2Cl2和CuCl2作為催化劑時(shí)，香蘭素產(chǎn)品的收率均較低，CuCO3·Cu（OH）2、 Cu（OH）2、CuO這3種含氧銅化合物作催化劑時(shí)，產(chǎn)品收率均大幅提高，CuO作催化劑時(shí)收率最高。

表1 不同催化劑對(duì)反應(yīng)的影響

3.2 不同溶劑對(duì)反應(yīng)的影響

對(duì)于該反應(yīng)，以往文獻(xiàn)多用DMF為溶劑。DMF價(jià)格昂貴，沸點(diǎn)高，不易回收。為此我們進(jìn)行了一組溶劑優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同溶劑配比對(duì)反應(yīng)的影響

從表2結(jié)果可以看出，當(dāng)無DMF存在時(shí)，反應(yīng)不能發(fā)生，這說明DMF在該反應(yīng)中與氧化銅一起構(gòu)成了反應(yīng)催化體系。完全以DMF為催化劑可以得到稍高的產(chǎn)品收率，但從經(jīng)濟(jì)效益及溶劑回收等方面綜合考慮，認(rèn)為用甲醇代替DMF作反應(yīng)溶劑，同時(shí)，DMF的體積含量是5%時(shí)，即可取得較理想的產(chǎn)品收率。

3.3 甲醇鈉用量對(duì)反應(yīng)的影響

甲醇鈉的用量在反應(yīng)過程中應(yīng)該保持一定過量的水平，否則原料3-溴-4-羥基苯甲醛無法完全反應(yīng)。本文選取3-溴-4-羥基苯甲醛與甲醇鈉的配比分別為1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0、1∶2.5、1∶3.0進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以CuO為催化劑，在溶劑配比為甲醇∶DMF=95∶5條件下進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)果如表3所示。

表3 甲醇鈉用量對(duì)香蘭素產(chǎn)品收率的影響

從表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，3-溴-4-羥基苯甲醛與甲醇鈉的配比分別為1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0時(shí)，隨著甲醇鈉用量增加，香蘭素產(chǎn)品收率增加，但繼續(xù)增加甲醇鈉用量至1∶2.5、1∶3.0，產(chǎn)品收率幾乎不變，因此，實(shí)驗(yàn)確定3-溴-4-羥基苯甲醛與甲醇鈉的最佳配比為1∶2.0。

3.4 溫度（壓力）對(duì)反應(yīng)的影響

本實(shí)驗(yàn)在常壓下進(jìn)行，所以反應(yīng)溫度為溶劑的常壓沸點(diǎn)溫度，反應(yīng)時(shí)間為10h。以往文獻(xiàn)報(bào)道一般都在加壓高溫條件下進(jìn)行反應(yīng)［7-8］，雖然反應(yīng)時(shí)間較短，但增加實(shí)驗(yàn)操作危險(xiǎn)性。本實(shí)驗(yàn)由于條件溫和，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

4 結(jié)語(yǔ)

以對(duì)甲苯酚為原料，經(jīng)氧化、溴化、烷氧化反應(yīng)合成香蘭素，打通了工藝生產(chǎn)過程，所有中間產(chǎn)品及香蘭素經(jīng)核磁共振氫譜1HNMR確定為目標(biāo)化合物。其中氧化反應(yīng)和溴化反應(yīng)參考文獻(xiàn)報(bào)道方法合成，本實(shí)驗(yàn)主要研究了烷氧化反應(yīng)，從催化劑、溶劑的篩選、物料配比、操作條件的優(yōu)化等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究。總之，對(duì)甲酚法合成香蘭素工藝路線可行，具有原料來源豐富、工藝生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單、操作條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，這一工藝路線有較大的戰(zhàn)略意義和開發(fā)前景。

［1］ 周艷青，索隴寧，伍家衛(wèi)，陳淑芬，楊興鍇，唐蓉萍.對(duì)甲酚合成香蘭素研究進(jìn)展［J］.化工技術(shù)與開發(fā)，2014（4）：42.

［2］ 冀亞飛，魏賢勇.從對(duì)甲酚合成香蘭素［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，1998（3）：85.

［3］ 蘇醒，祝鈞，張頌培.3-溴-4-羥基苯甲醛合成工藝改進(jìn)［J］.化學(xué)試劑，2009，31（10）：841.

［4］ Manch and P S， Belica P S， Wang H S.Syn.Commun.，1990，20（17）： 2659.

［5］ 王筠松，盧冠忠，何煒.一種用于合成鄰乙氧基苯酚的催化劑及制備方法［J］.中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜志，1990，27（2）：81.

［6］ 鐘平，尹承烈.3，4，5-三甲氧基苯甲醛的合成［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1994，30（1）：115.

［7］ 唐忠濤，陳朗秋，成昌梅.銅配合物催化合成香蘭素［J］.化學(xué)試劑，2012，34（12）：1065.

［8］ 韓偉.香蘭素合成新工藝—溴化法［J］.日用化學(xué)品，2001（12）：53.

Improvement of Production Process of Vanillin by p-Cresol Method

YANG Xing-kai， ZHOU Yan-qing， WU Jia-wei， CHEN Shu-fen， TANG Rong-ping， LYU Wei-hua， SHANG Xiu-li
（Department of Petroleum Chemical Engineering， Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology， Lanzhou 730060， China）

p-Cresol as raw materials， vanillin was synthesized by oxidation reaction， bromination reaction and alkane oxidation reaction.All intermediate products and vanillin were identified as target compounds by nuclear magnetic resonance hydrogen1HNMR.The process improvement of the alkane oxidation reaction was carried out.Applied CuO as catalyst， the yield of the product was improved， the catalytic effect was good， the operation was simple and convenient.Next， applied low boiling point of methanol as a solvent， DMF was catalytic amount， so the prices was low and easy to recycle.Under the atmospheric reflux conditions， the reaction conditions were more moderate and suitable for industrial production.

p-cresol； CuO； vanillin

TQ 655

A

1671-9905（2016）09-0025-03

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目（K07-3）

楊興鍇（1966-），男，漢族，副教授，主要研究方向?yàn)槭蜔捴婆c石油化工方向教學(xué)與研究

周艷青（1978-），女，漢族，副教授，主要研究方向?yàn)榫?xì)有機(jī)合成。E-mail：zhouyanqing2005@126.com

2016-07-11