α-羥基環(huán)己基苯基甲酮合成工藝研究進展

王敏嘉，徐澤，阮建成，陳新志，2

（1 浙江大學化學工程與生物工程學院，浙江杭州310027；2 浙江省化工高效制造技術重點實驗室，浙江杭州310027）

近幾年，紫外光固化技術因其高效性、經(jīng)濟性和環(huán)保性獲得快速發(fā)展。相應地，紫外光固化涂料作為新一代綠色化工產(chǎn)品，廣泛應用于電子、光纖、印刷等領域。

光引發(fā)劑是紫外光固化涂料的主要組成部分，其中α-羥基環(huán)己基苯基甲酮為瑞士Ciba-Geigy 公司80 年代推出的一種新型高效光敏引發(fā)劑，商品代號為Irgacure184（光引發(fā)劑184），因其引發(fā)效率高、溶解性好、低氣味、低污染、穩(wěn)定性好、耐黃變等特點迅速在電子、光纖、印刷、包裝、黏合劑、涂料和復合材料等領域得到廣泛應用[1]。

我國的光引發(fā)劑研究始于20 世紀70 年代，在90年代中期開始工業(yè)生產(chǎn)，并步入快速發(fā)展階段。進入21 世紀，隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，我國紫外光固化涂料產(chǎn)業(yè)也同步快速成長，年產(chǎn)量從2001 年的15245t 增加到2012 年的55367t，增長了近3倍。同時，我國已成為繼美國、日本后全球第3大紫外光固化產(chǎn)品生產(chǎn)地區(qū)。近些年，光引發(fā)劑產(chǎn)品市場年增長率為15%～20%[2]，光引發(fā)劑184作為開發(fā)應用較成功的產(chǎn)品，可預見其市場潛力相當大。因此，開發(fā)經(jīng)濟、綠色、高效的光引發(fā)劑184生產(chǎn)工藝路線有利于提高我國光引發(fā)劑競爭能力，拓展紫外光固化涂料市場，符合工業(yè)化需求。本文分析總結了光引發(fā)劑184 的生產(chǎn)工藝研究狀況，并對其特點進行了總結與評價，指出了光引發(fā)劑184合成工藝的未來發(fā)展方向，對其工業(yè)化生產(chǎn)具有一定的指導意義。

1 以環(huán)己基苯基甲酮為中間體

環(huán)己基苯基甲酮是重要的醫(yī)藥、染料中間體，主要用于合成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮（光引發(fā)劑184）和鎮(zhèn)痙藥環(huán)己基苯基甲醇。

1.1 鹵代水解法

環(huán)己基苯基甲酮經(jīng)鹵化、水解即可制得α-羥基環(huán)己基苯基甲酮（如圖1），這也是目前工業(yè)上應用最廣的方法。

圖1 環(huán)己基苯基甲酮經(jīng)鹵化水解法得到α-羥基環(huán)己基苯基甲酮

夏俊等[3]先制得環(huán)己基苯基甲酮，滴加溴素反應得到α-溴代環(huán)己基苯基甲酮，加入質(zhì)量分數(shù)為35%的氫氧化鈉溶液，水解得到α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，純度為97%，收率為69%。該合成方法反應速率快，產(chǎn)生有害氣體少，但原料中的溴素毒性較強。Stevens等[4]將環(huán)己基苯基甲酮經(jīng)鹵化后得到α-氯代環(huán)己基苯基甲酮，然后將其與氫氧化鈉在乙醚中反應得到產(chǎn)物，收率為83%，熔點為47～49℃。Meneguzzo等[5]將環(huán)己基苯基甲酮用氫溴酸或次氯酸鈉鹵化后，加入30%氫氧化鈉溶液，再分批加入芐基三乙基氯化銨，反應得到α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，收率為59%，熔點為45～46℃。

1.2 催化氧化法

除了通過鹵化水解二步法的方式外，在選擇合適催化劑的條件下，可以將環(huán)己基苯基甲酮通過催化氧化法一步合成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮（如圖2）。

圖2 環(huán)己基苯基甲酮經(jīng)催化氧化法得到α-羥基環(huán)己基苯基甲酮

焦寧等[6]以二甲亞砜為溶劑，以碳酸銫為縛酸劑，在環(huán)己基苯基甲酮中加入亞磷酸三乙酯，在室溫下通氧氣反應72h得到α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，產(chǎn)率為96%。與傳統(tǒng)方法相比，本方法具有收率高、條件簡單、廢棄物排放少等優(yōu)點，但亞磷酸三乙酯易燃，在操作上有一定風險。武瑞等[7]以二氯甲烷為溶劑，將環(huán)己基苯基甲酮與30%雙氧水混合后置于微波反應器（功率為800W）中攪拌反應，產(chǎn)物收率為85%；該合成工藝綠色環(huán)保，收率較高，但在操作上有較高要求。Reinhard 等[8]在氫氧化鈉水溶液中加入環(huán)己基苯基甲酮和四丁基溴化銨攪拌反應一段時間，然后加入六氯乙烷的四氯乙烯溶液，反應得到產(chǎn)品，收率為81%。楊建明等[9]在分子篩催化下，將環(huán)己基苯基甲酮與雙氧水及鹽酸溶液反應得到α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，收率為85%。

1.3 中間體環(huán)己基苯基甲酮的合成

從上文可以看出環(huán)己基苯基甲酮是合成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮的主要中間體，然而，在工業(yè)生產(chǎn)中并非直接以環(huán)己基苯基甲酮來合成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮的，而是先合成環(huán)己基苯基甲酮，繼而再合成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮。因此，環(huán)己基苯基甲酮的合成方法優(yōu)劣對α-羥基環(huán)己基苯基甲酮的綠色、高效工業(yè)化生產(chǎn)起重要作用。合成環(huán)己基苯基甲酮主要有Friedel-Crafts?；?、格氏反應法等。

1.3.1 Friedel-Crafts?；?/p>

Friedel-Crafts?；?，是目前工業(yè)上合成環(huán)己基苯基甲酮的主要方法：以環(huán)己基甲酸為原料，先與氯化亞砜等氯化試劑反應制成環(huán)己基甲酰氯，再與苯進行Friedel-Crafts?；磻铣森h(huán)己基苯基甲酮（如圖3）。

丁成榮等[10]以環(huán)己基甲酸為原料，先制得環(huán)己基甲酰氯，將環(huán)己基甲酰氯滴入苯中，在三氯化鋁作用下，反應得到環(huán)己基苯基甲酮，收率為93.5%，純度為98.6%。胡應喜等[1]以相同的方法，得到產(chǎn)物收率為88.7%，其工藝路線見圖4。

圖3 Friedel-Crafts?；?/p>

圖4 Friedel-Crafts酰基化合成環(huán)己基苯基甲酮工藝路線

Ho 等[11]采用“一鍋法”，用氯化亞砜處理環(huán)己基甲酸的無水苯溶液，得到環(huán)己基甲酰氯，再加入無水三氯化鋁，經(jīng)減壓蒸餾后得到環(huán)己基苯基甲酮，收率為46%。秦引林等[12]的發(fā)明采用相同的方法，得到產(chǎn)物收率為61.7%，熔點55～57℃。

1.3.2 格氏反應法

采用格氏反應法，以環(huán)己基鹵化鎂為原料合成環(huán)己基苯基甲酮，具體反應見圖5。Weiberth 等[13]以苯基甲酰氯和環(huán)己基溴化鎂為原料，THF 為溶劑，在溴化亞銅催化下合成環(huán)己基苯基甲酮，收率為98%。Malanga 等[14]報道了以苯基甲酰氯和環(huán)己基溴化鎂為原料，以THF 為溶劑，在NidppeCl2催化下反應得到環(huán)己基苯基甲酮，收率為91%。

采用格氏反應法合成環(huán)己基苯基甲酮，收率較高，三廢處理簡單，應用前景較好，但也存在需選擇適宜的催化劑、原料價格較貴等問題。

1.3.3 羰基化反應法

羰基化反應，即在一定反應條件下，通過催化劑的作用，將一氧化碳轉(zhuǎn)化為羰基的反應（見圖6）。

圖5 格氏反應法

圖6 羰基化反應法

Fukumoto等[15]以苯甲醛和環(huán)己烯為原料，通入一氧化碳氣體，以Ru3(CO)12為催化劑，在200℃的反應條件下合成環(huán)己基苯基甲酮，收率為50%。Kondo 等[16]使用相同的原料，以Ru3(CO)12為催化劑得到環(huán)己基苯基甲酮，收率為50%。Ya?ez 等[17]則以RhCl(PPh3)3和MK-10 為聯(lián)合催化劑，在110℃條件下反應得到的環(huán)己基苯基甲酮，收率為22%。

羰基化反應法反應條件苛刻，操作復雜，催化劑成本高，收率低，較難應用于工業(yè)化生產(chǎn)。

1.3.4 催化脫羧反應法

催化脫羧反應，即從羧酸或其鹽脫去羧基并放出二氧化碳的反應，環(huán)己基苯基甲酮常以環(huán)己基甲酸和苯甲酸為原料在催化劑存在下脫羧合成（見圖7）。

圖7 催化脫羧反應法

羅邵偉等[18]以苯甲酸和環(huán)己基甲酸為原料，以一氧化錳為催化劑，在適宜反應條件下，環(huán)己基苯基甲酮收率可達56.4%。Schommer等[19]采用相同的工藝，得到產(chǎn)物收率為56%。張建鋒等[20]以苯甲酸鈉和環(huán)己基甲酸鈉為原料，以氧化鐵為催化劑，在280℃下反應2h，得到環(huán)己基苯基甲酮，純度為99%，收率為70.4%。

催化脫酸?；磻蟻碓磸V，生成廢棄物少，但存在反應條件苛刻、產(chǎn)物收率低等問題，需要優(yōu)化工藝，降低生產(chǎn)成本。

2 以α-芐基環(huán)己醇及其類似物為原料

2.1 芐位氧化法

芐位氧化法合成路線見圖8。薛圣耀等[21]以α-芐基環(huán)己醇為原料，加入過氧化氫和氫溴酸，在可見光（波長約400nm）照射下反應得到（α-羥基環(huán)己基）芐基溴，在100℃下加水混合，然后加入50%過氧化氫在冰浴下由可見光照射反應得到產(chǎn)物α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，產(chǎn)率為65%。石彩云[22]將α-芐基環(huán)己醇用重鉻酸鉀與硫酸氧化體系進行氧化，在相轉(zhuǎn)移催化劑存在的條件下反應得到產(chǎn)物α-羥基環(huán)己基苯基甲酮。

圖8 芐位氧化法

芐位氧化法中的氧化劑腐蝕性較強、污染較大且成本較高，另外，催化劑的回收比較困難，若采用光催化，雖然符合綠色化工的要求，但收率低。

2.2 α-(1-羥基-苯甲基)環(huán)己醇氧化法

α-(1-羥基-苯甲基)環(huán)己醇氧化合成路線見圖9。

圖9 α-(1-羥基-苯甲基)環(huán)己醇氧化法

陳婷等[23]采用“一鍋法”，以溴素為催化劑，以二氯甲烷為溶劑，在室溫下將α-(1-羥基-苯甲基)環(huán)己醇和過氧化氫反應制得α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，收率為89%。在陳婷的另一項專利中[24]，對該工藝進行了優(yōu)化，將α-(1-羥基-苯甲基)環(huán)己醇溶于二氯甲烷中，再加入水和10%的HBr溶液，在白光LED 光源（波長為395～550nm）的照射下，滴加30%過氧化氫溶液，攪拌反應一段時間得到產(chǎn)物，轉(zhuǎn)化率為96%。Hansiorg 等[25]以α-(1-羥基-苯甲基)環(huán)己醇為原料，先將氯化亞銅、1,10-鄰菲咯啉和甲苯在室溫下攪拌一段時間，然后加入碳酸鉀和乙醇攪拌并加入α-羥基苯基甲基環(huán)己醇，通入氧氣，在70～90℃油浴中反應得到α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，收率為90%。

α-(1-羥基-苯甲基)環(huán)己醇氧化法的收率較高，但其中用到的溴化氫、溴素有較強的腐蝕性，影響設備的使用壽命，工藝危險性較大。

3 以三甲基甲硅烷氧基化合物為原料

將氰醇底物的羥基用硅烷保護后，與相應的酮反應，也可生成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮（見圖10）。

圖10 三甲基甲硅烷氧基化合物親核加成

Ohta 等[26]以1-(三甲基甲硅烷氧基)-1-環(huán)己烷甲腈為原料，加入苯基溴化鎂，以乙醚為溶劑，在碘的催化作用下反應生成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，產(chǎn)率為87%。Olah等[27]將1-苯基-1-(三甲基甲硅烷氧基)甲基膦酸二乙酯與二異丙基氨基鋰、環(huán)己酮反應得到α-(三甲基甲硅烷氧基)-1-環(huán)己基苯基酮，與乙酸鈉水溶液反應得到產(chǎn)物α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，產(chǎn)率為86%。Koenigkramer 等[28]同樣將1-苯基-1-(三甲基甲硅烷氧基)甲基膦酸二乙酯與環(huán)己酮反應，以二異丙基氨基鋰為催化劑，反應得到α-(三甲基甲硅烷氧基)-1-環(huán)己基苯基酮，與鹽酸溶液反應得到產(chǎn)物，產(chǎn)率為83%。Huenig等[29]的報道中，以芳香醛與三甲基甲硅烷氰化物反應生成雜芳族醛，雜芳族醛去質(zhì)子化后與環(huán)己酮在溫和條件下反應一段時間，最后水解得到產(chǎn)物α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，收率為78%。Steven 等[30]以環(huán)己酮、氫氰酸為原料，用氰化鋅催化合成氰醇，然后與三甲基氯硅烷反應生成環(huán)己基三甲硅烷基氰醇，再與苯基鋰反應，水解后得到產(chǎn)物，產(chǎn)率為60%。其工藝路線見圖11。

此工藝路線的收率較高，但硅烷的回收比較困難，以及其反應活性不強，所需反應時間較長，且原料成本高，毒性大，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

圖11 以三甲基甲硅烷氧基化合物為原料的工藝路線

4 以2-羥基-2-苯基-環(huán)庚酮為原料

2-羥基-2-苯基-環(huán)庚酮可以經(jīng)Favorskii 重排反應生成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮（見圖12）。

Paquette 等[31]采用Favorskii 重排反應法，以為催化劑，使2-羥基-2-苯基-環(huán)庚酮經(jīng)歷遷移、重排、環(huán)收縮、環(huán)形成，得到產(chǎn)物α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，收率為38%。Elphimoff等[32]采用同樣的方法，以2-羥基-2-苯基-環(huán)庚酮為原料，加入Pb(NO3)2和過量KOH，在蒸汽中反應1～2h，使酮醇發(fā)生異構化，環(huán)收縮得到產(chǎn)物α-羥基環(huán)己基苯基甲酮。

圖12 Favorskii重排反應合成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮

Favorskii重排反應法易發(fā)生副反應得到異構產(chǎn)物，導致該法收率較低。另外，由于產(chǎn)生了結構類似的化合物，產(chǎn)物的分離提純比較困難。

5 其他方法

王輝明[33]以鹵化芐為原料，先與硫醚反應制備成锍鹽，再在堿性條件下，锍鹽去質(zhì)子化形成硫葉立德，再與酮進行加成反應得到環(huán)氧化合物，環(huán)氧化合物通過氧化劑氧化得到產(chǎn)物α-羥基環(huán)己基苯基甲酮。Lyle等[34]利用頻哪醇重排反應得到α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，其機理可見圖13。他們將1-羥基-1-環(huán)己基甲酸與碳酸鋰反應制備1-羥基-1-環(huán)己基甲酸鋰，再把1-羥基-1-環(huán)己基甲酸鋰加入到苯基鋰的乙醚溶液中回流反應得到產(chǎn)物，收率為28%，熔點為46～48℃。該工藝路線反應選擇性不高，原料毒性強，對設備腐蝕性較大。

圖13 頻哪醇重排反應的機理

Clerici 等[35]以環(huán)己酮和苯甲基酰氯為原料，加入TiCl3水溶液經(jīng)還原偶聯(lián)反應后得到粗產(chǎn)物，將粗產(chǎn)物溶解在叔丁醇中，加入碳酸鉀洗滌后得到產(chǎn)物，收率為37%。Irene等[36]以環(huán)己酮和氫氰酸為原料反應生成氰醇，以二氫吡喃保護羥基，繼而與苯基溴化鎂反應，水解后得到α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，產(chǎn)率為30%。Hsueh 等[37]以溴甲基苯為原料，在THF 中與鎂粉反應生成格氏試劑，再加入苯甲醛反應生成α-苯基甲基環(huán)己醇，然后鹵化得到α-溴苯基甲基環(huán)己醇，最后在氯化亞銅的催化下生成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮，收率為65%。

以上合成路線工藝復雜、產(chǎn)率低、分離提純困難且使用的原料成本較高，故均不適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

6 結語

近幾年來，隨著光固化材料市場的不斷增大及國際合作的加強，我國光引發(fā)劑的生產(chǎn)廠家不斷增多，并已初具規(guī)模，如常州華鈦化學有限公司、蘭州長欣精細化工有限公司、天津久日化學工業(yè)有限公司等。浙江省最大的光引發(fā)劑生產(chǎn)中心——浙江上虞揚帆精細化工有限公司，于2003 年投入生產(chǎn)907、184、1173等光引發(fā)劑[38]。它們被廣泛應用于機械、電子、化工、建筑、通訊、輕工業(yè)等，從民用工業(yè)到國防工業(yè)，都起到了舉足輕重的作用[39]。因此，開發(fā)綠色高效、經(jīng)濟效益高的光引發(fā)劑合成工藝路線至關重要。

表1 合成光引發(fā)劑184的主要工藝與特點

本文介紹和總結了α-羥基環(huán)己基苯基甲酮（光引發(fā)劑184）現(xiàn)有的主要合成工藝，各工藝的特點總結如表1。

由表1可以看出，相較于其他合成方法，以環(huán)己基苯基甲酮為中間體合成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮具有收率高、反應條件溫和、工業(yè)應用較廣等優(yōu)勢。因此，環(huán)己基苯基甲酮的合成工藝優(yōu)劣對α-羥基環(huán)己基苯基甲酮的綠色、高效工業(yè)化生產(chǎn)起重要作用。在合成環(huán)己基苯基甲酮的眾多合成工藝中，目前，以環(huán)己基甲酸為原料經(jīng)Friedel-Crafts?；磻铣森h(huán)己基苯基甲酮的工藝方法在工業(yè)上應用最為廣泛，但其存在的問題也非常明顯，如工藝路線較長、會產(chǎn)生有毒有害氣體、三廢多且處理復雜；而格氏反應法由于反應條件溫和、收率較高、綠色環(huán)保等優(yōu)點，在合適的催化劑作用下用于制備環(huán)己基苯基甲酮，繼而再合成α-羥基環(huán)己基苯基甲酮是未來的發(fā)展方向之一。

7 展望

我國正處于國民經(jīng)濟高速平穩(wěn)發(fā)展的階段，環(huán)境保護的壓力日益增大，而大力發(fā)展綠色高效的光引發(fā)劑技術是解決這一矛盾的有效方法，由此可預見未來光引發(fā)劑的工業(yè)生產(chǎn)技術將獲得極大的發(fā)展。現(xiàn)階段國內(nèi)還未形成成熟的大規(guī)模光引發(fā)劑工業(yè)生產(chǎn)體系，其工藝上也仍存在許多技術上的不足[39]，因此我國應當著力發(fā)展光引發(fā)劑的生產(chǎn)技術，提高質(zhì)量與經(jīng)濟效益，減少污染與能耗。

α-羥基環(huán)己基苯基甲酮作為目前最高效的光引發(fā)劑之一，在電子、涂料、印刷等領域具有廣闊的應用前景，隨著對其研究的不斷深入，未來對此類化合物的合成工藝必定會朝著高效且綠色環(huán)保的方向發(fā)展。