2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的合成和結(jié)構(gòu)表征

張樂濤，張亞剛，昝興杰，劉艷霞,2

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

氯甲基化反應(yīng)是一類重要的有機(jī)合成反應(yīng)[1]，可以將氯甲基(—CH2Cl)直接引入到芳香化合物中，然后氯甲基進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為羥甲基(—CH2OH)、氰甲基(—CH2CN)、氨甲基(—CH2NH2)等，芳烴轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的衍生物，從而被廣泛應(yīng)用在農(nóng)藥、高分子樹脂、助劑、燃料以及液晶等的合成中[2-3]。經(jīng)典的氯甲基化反應(yīng)是以HCHO、(HCHO)n與HCl為氯甲基化試劑，具有反應(yīng)易控、工藝可靠、價(jià)格低、儲(chǔ)存運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在反應(yīng)活性較低、產(chǎn)率不高的缺點(diǎn)[4-5]。本文以2,6-二叔丁基苯酚為原料，以多聚甲醛和HCl為氯甲基化試劑，優(yōu)化了氯甲基化反應(yīng)條件，獲得了較優(yōu)的工藝過程。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

2,6-二叔丁基苯酚、多聚甲醛、冰乙酸、氯化鈉、苯、碳酸氫鈉、亞硫酸氫鈉、無水硫酸鎂均為化學(xué)純；濃硫酸，分析純；正己烷，色譜純。

HWCL-3集熱式磁力攪拌油浴鍋；GC9790Plus氣相色譜儀；MR-400核磁共振儀。

1.2 合成方法

在室溫下，在帶有攪拌、導(dǎo)氣管和回流冷凝器的三口圓底燒瓶中，加入19.5 g(0.65 mol)多聚甲醛和1 000 mL冰乙酸，邊攪拌邊慢慢升溫(不超過30 ℃)，邊通入干燥的氯化氫氣體。通氣體30 min之后，溶液變得澄清。加入適量2,6-二叔丁基苯酚乙酸溶液[103 g(0.5 mol)2,6-二叔丁基苯酚溶于100 mL冰乙酸中]。原料加完之后，繼續(xù)通氣，并保持在30 ℃攪拌45 min。反應(yīng)結(jié)束后，先停止通氣，然后將反應(yīng)液進(jìn)行分液。將油相溶于150 mL苯中，分別用飽和NaCl溶液、飽和NaHCO3溶液和9%的NaHSO3溶液洗滌。分得油相，用無水MgSO4干燥，過濾，蒸去溶劑苯，即得到透明黃色液體產(chǎn)物2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚。紅外分析：3 637,2 958,1 434,1 235,702 cm-1。

反應(yīng)方程式如下:

1.3 分析方法

1.3.1 氣相色譜法 進(jìn)樣口溫度250 ℃；程序升溫，柱溫箱初始80 ℃，升溫速率10 ℃/min，240 ℃保持20 min；檢測(cè)器300 ℃。

1.3.2 核磁共振氫譜和碳譜 以氘代氯仿為溶劑，400 M核磁共振儀測(cè)定了原料和產(chǎn)物的核磁共振氫譜和碳譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣相色譜

將2,6-二叔丁基苯酚和2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚溶于正己烷，配制成合適的濃度，按照氣相色譜的測(cè)試條件進(jìn)樣分析測(cè)試，結(jié)果見圖1。

圖1 正己烷(a),2,6-二叔丁基苯酚(b),2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚(c)的氣相色譜曲線Fig.1 Gas chromatography curve of n-hexane(a),2,6-di-tert-butyl phenol(b) and 2,6-di-tert-butyl-4-chloromethyl phenol(c)

由圖1可知，正己烷出峰位置在9 min左右處(曲線a)，2,6-二叔丁基苯酚的出峰位置位于28～29 min(曲線b)；曲線c中，除了正己烷和2,6-二叔丁基苯酚的峰之外，在30 min處出現(xiàn)一強(qiáng)峰，應(yīng)該為2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚。通過積分面積，2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的純度約為96.8%。氣相色譜結(jié)果證明了本實(shí)驗(yàn)方法完全可以制備較高純度的2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚。

2.2 核磁共振氫譜

將2,6-二叔丁基苯酚做核磁共振氫譜，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的核磁共振氫譜見圖2。

圖2 2,6-二叔丁基苯酚和2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的核磁共振氫譜圖Fig.2 1H NMR of 2,6-di-tert-butyl phenol and 2,6-di-tert-butyl-4-chloromethyl phenol

由圖2可知，2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的化學(xué)位移δ為：7.24(Ar—OH，1H)，7.19和7.18(ArH，2H)，4.57(ArCH2Cl，2H)，1.45(CH3，18H)；2,6-二叔丁基苯酚的化學(xué)位移δ為：7.24(Ar—OH，1H)，7.18和7.16(ArH，2H)，6.82(ArH，1H)，1.44(CH3，18H)。2,6-二叔丁基苯酚經(jīng)過氯甲基化反應(yīng)后，最明顯的變化是6.82處的峰消失，同時(shí)4.57處出現(xiàn)氯甲基—CH2Cl中氫的峰。核磁共振氫譜證明，2,6-二叔丁基苯酚發(fā)生了氯甲基化反應(yīng)，生成了2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚。

2.3 核磁共振碳譜

將產(chǎn)物與原料2,6-二叔丁基苯酚做核磁共振碳譜，觀察反應(yīng)前后結(jié)構(gòu)的變化。2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的核磁共振碳譜見圖3。

圖3 2,6-二叔丁基苯酚和2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的核磁共振碳譜Fig.3 13C NMR of 2,6-di-tert-butyl phenol and 2,6-di-tert-butyl-4-chloromethyl phenol

由圖3可知，在2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的碳譜圖中，47.58處的峰為—CH2Cl中碳的峰，很明顯是2,6-二叔丁基苯酚經(jīng)過氯甲基化反應(yīng)生成的。這與核磁共振氫譜的變化是一致的。

2.4 優(yōu)化反應(yīng)條件

以冰乙酸為溶劑，考察了原料配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)氯甲基化產(chǎn)物收率的影響。

2.4.1 原料配比對(duì)收率的影響 以1 000 mL冰乙酸為溶劑，加入不同比例的2,6-二叔丁基苯酚和多聚甲醛，反應(yīng)溫度為40 ℃，反應(yīng)時(shí)間為6 h，考察原料配比對(duì)氯甲基化產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 2,6-二叔丁基苯酚與多聚甲醛的摩爾比對(duì)氯甲基化產(chǎn)物收率的影響Fig.4 Effect of the molar ratio of 2,6-di-tert-butyl phenol to paraformaldehyde on the yield of chloromethylated product

由圖4可知，隨著多聚甲醛用量的增加，產(chǎn)物的收率隨著增大。當(dāng)2,6-二叔丁基苯酚與多聚甲醛的摩爾比為1∶1.3時(shí)，產(chǎn)物的產(chǎn)率基本達(dá)到最大；再增加多聚甲醛的用量，產(chǎn)物的產(chǎn)率增加不明顯，反而原料成本增加；當(dāng)大于這個(gè)比例時(shí)，體系內(nèi)產(chǎn)生的亞甲基正離子濃度不夠，反應(yīng)不徹底，收率低。因此，從產(chǎn)物收率和原料成本來看，較優(yōu)的原料摩爾比為1∶1.3。

2.4.2 反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響 以1 000 mL冰乙酸為溶劑，按照1∶1.3的摩爾比加入2,6-二叔丁基苯酚和多聚甲醛，反應(yīng)時(shí)間為6 h，考察不同反應(yīng)溫度對(duì)氯甲基化產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)氯甲基化產(chǎn)物收率的影響Fig.5 Effect of reaction temperature on the yield of chloromethylated product

由圖5可知，反應(yīng)溫度在30～40 ℃下收率最高，可達(dá)84.7%，降低或者升高溫度,產(chǎn)品收率都會(huì)降低。這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，提供的能量不能使亞甲基正離子發(fā)生親電取代反應(yīng)，反應(yīng)緩慢，在有限的時(shí)間內(nèi)不能完全反應(yīng)，收率降低；溫度升高時(shí)，氯化氫氣體逸出速度加快，相應(yīng)的減少了有效的氯甲基化試劑，也使產(chǎn)品收率降低。

2.4.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響 以1 000 mL冰乙酸為溶劑，按照1∶1.3的摩爾比加入2,6-二叔丁基苯酚和多聚甲醛，反應(yīng)溫度為40 ℃，考察不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)氯甲基化產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)氯甲基化產(chǎn)物收率的影響Fig.6 Effect of reaction time on the yield of chloromethylated product

由圖6可知，產(chǎn)物的收率隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，反應(yīng)時(shí)間低于6 h時(shí)，產(chǎn)物收率隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而快速增大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過6 h后，產(chǎn)品收率增加緩慢?？紤]到原料成本(主要是氯化氫氣體)和能源成本，合適的反應(yīng)時(shí)間為6 h。

3 結(jié)論

以2,6-二叔丁基苯酚、多聚甲醛、氯化氫氣體為原料，合成2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的較佳工藝條件為：在1 000 mL冰乙酸溶劑中，2,6-二叔丁基苯酚與多聚甲醛的摩爾比為1∶1.3，反應(yīng)溫度為30～40 ℃，反應(yīng)時(shí)間為6 h。在上述條件下，2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的收率為84.7%，純度可達(dá)96.8%。紅外光譜、核磁共振氫譜和核磁共振碳譜等分析證明產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)是一致的。