2-甲基-1,4-萘醌連續(xù)化合成研究

＊劉冬 翟德偉 周云鮮 石霄鵬 霍鴻飛 陳新志

（1.浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院 浙江 310000 2.浙江醫(yī)藥股份有限公司昌海生物分公司 浙江 312000）

1.前言

2-甲基-1,4-萘醌，又稱為維生素K3，是合成K系維生素的重要中間體，其純品為亮黃色的晶體，具有特殊的刺激氣味，熔點(diǎn)104～105℃。不溶于水，溶于乙醇、苯、氯仿、四氯化碳和植物油等，在空氣中穩(wěn)定，遇光或鐵質(zhì)分解變質(zhì)，能隨水蒸氣一同揮發(fā)[1]。

在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，主要的生產(chǎn)路線是2-甲基萘鉻酐氧化法，主要是以2-甲基萘為原料，在冰醋酸介質(zhì)中，以硫酸催化鉻酐或重鉻酸鈉氧化而成。反應(yīng)過程如下：

圖1 反應(yīng)過程

用此種方法生產(chǎn)的2-甲基萘醌約占總體產(chǎn)量的90%。其特點(diǎn)是流程短、操作穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量好。但是工藝最大缺點(diǎn)是會產(chǎn)生大量的含鉻廢水，后處理復(fù)雜、環(huán)境污染嚴(yán)重。

鑒于目前對K系維生素日漸增長的市場需求及工業(yè)傳統(tǒng)方法的嚴(yán)重弊端，大家展開了對維生素K3合成的廣泛研究，其中液相氧化法的研究要深入的多，根據(jù)反應(yīng)所用氧化劑的不同主要有空氣氧化、氧氣氧化、鉻氧化物氧化、鈰氧化物氧化、錳氧化物氧化、過氧化氫氧化和其他有機(jī)氧化物氧化等方法[2-3]。但是清潔生產(chǎn)是一個(gè)大趨勢，過氧化氫作為氧化劑參與反應(yīng)[4-6]，理論上分解產(chǎn)物只有氧氣和水，不會帶來任何環(huán)境污染，綠色環(huán)保且價(jià)格低廉，因此作為一種最具潛力的氧化劑近年來受到廣泛關(guān)注。

本文介紹一種以2-甲基萘為原料用過氧化氫連續(xù)氧化合成2-甲基萘醌：將固體酸填充于固定床反應(yīng)器中，2-甲基萘加入冰乙酸溶解，再按比例加入35%雙氧水混合，連續(xù)進(jìn)料到固定床反應(yīng)器中，持續(xù)出料，GC檢測跟蹤反應(yīng)結(jié)果，將產(chǎn)物料液加入一定純化水，降溫結(jié)晶4h，過濾得到亮黃色晶體，GC檢測含量＞98%。

2.實(shí)驗(yàn)部分

(1)主要試劑和儀器

冰乙酸，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；35%過氧化氫，分析純，上海哈勃技術(shù)有限公司；HDN-32、HDN-580、HDN-8固體酸催化劑，南大合成化學(xué)有限公司；2-甲基萘，98%，阿拉丁試劑有限公司。

氣相色譜儀：Aglient7890A，安捷倫科技有限公司。

(2)反應(yīng)方程式及反應(yīng)裝置圖

圖2 2-甲基萘合成2-甲基-1,4-萘醌反應(yīng)式

圖3 2-甲基萘連續(xù)氧化反應(yīng)裝置圖

(3)停留時(shí)間測定方法

本文所使用反應(yīng)裝置中，預(yù)熱段內(nèi)徑10mm×長550mm，反應(yīng)段內(nèi)徑18mm×長500mm，冷卻段內(nèi)徑10mm×長600mm，為不銹鋼管焊接而成，固體酸10g與石英砂混合填充反應(yīng)段后，用泵進(jìn)料料液到達(dá)進(jìn)料口開始計(jì)時(shí)，料液到達(dá)出口計(jì)時(shí)結(jié)束，測出泵流量為0.1mL/min、0.2mL/min、0.3mL/min、0.4mL/min、0.6mL/min對應(yīng)停留時(shí)間為38min、25min、21min、18min、10min。

(4)實(shí)驗(yàn)方法

將2-甲基萘、冰乙酸與35%過氧化氫按一定比例混合均勻后，用計(jì)量泵以一定的流量從固定床反應(yīng)器的進(jìn)料口泵入，物料自下而上經(jīng)過固體酸催化劑，產(chǎn)物從出料口排出，取樣測定產(chǎn)物含量變化。主要考察固體酸催化劑、床層溫度、進(jìn)料速度以及2-甲基萘與過氧化氫摩爾比對轉(zhuǎn)化率及選擇性的影響。

3.結(jié)果與討論

(1)固體酸對反應(yīng)性能的影響

選擇3種不同酸性的固體酸催化劑，分別為HDN-8、HDN-580、HDN-32，酸性由弱到強(qiáng)排列，考察不同酸強(qiáng)度對反應(yīng)的影響。分別用以上3種催化劑催化2-甲基萘的氧化反應(yīng)，結(jié)果見表1。

表1 固體酸性質(zhì)對反應(yīng)性能的影響

由表1可看出：隨著酸性增強(qiáng)，2-甲基萘轉(zhuǎn)化率增大，HDN-32轉(zhuǎn)化率可以到達(dá)98%，因?yàn)樗嵝栽鰪?qiáng)，反應(yīng)過程中生成過氧乙酸的濃度增大，并且隨著酸性增強(qiáng)氧化性增強(qiáng)。也可看出2-甲基-1,4-萘醌選擇性與酸性有關(guān)，隨著酸性增強(qiáng)選擇性有所下降，但HDN-32修飾了弱堿中心，使得選擇性有所增加，可達(dá)到90%。由表1可以看出：該反應(yīng)主要副產(chǎn)物為6-甲基-1,4-萘醌及其他開環(huán)小分子雜質(zhì)。由以上可以得知HDN-32有利于2-甲基-1,4-萘醌的合成。

(2)溫度對反應(yīng)性能影響

2-甲基萘的氧化反應(yīng)，提高反應(yīng)溫度，在某一溫度范圍之內(nèi)，反應(yīng)速率會隨著溫度的增加而增加；另一方面，隨著溫度的升高，容易產(chǎn)生副反應(yīng)，因此采用HDN-32催化劑研究了不同溫度對反應(yīng)性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度對反應(yīng)性能的影響注:n(H2O2):n(2-甲基萘):n(冰乙酸)=3:1:8，催化劑HDN-32的質(zhì)量10g，停留時(shí)間：20min

由圖4可以看出：隨著溫度的升高，2-甲基萘的轉(zhuǎn)化率上升，后趨于穩(wěn)定，溫度高于70℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率為98%左右。由2-甲基-1,4-萘醌的選擇性曲線可以看出：溫度低于70℃時(shí)，2-甲基-1,4-萘醌的選擇性接近90%，后隨著溫度的升高，2-甲基-1,4-萘醌的選擇性依次下降，由表2可以看出這是因?yàn)榉磻?yīng)溫度過高會導(dǎo)致過度氧化，2-甲基萘的苯環(huán)會被氧化開環(huán)生成很多副產(chǎn)物，同時(shí)也會生成更多6-甲基-1,4-萘醌。由此可以看出選擇反應(yīng)溫度為70℃為最佳。

表2 溫度對反應(yīng)性能的影響

(3)停留時(shí)間對反應(yīng)性能的影響

對固定床反應(yīng)器，降低進(jìn)料速度可增加停留時(shí)間提高原料轉(zhuǎn)化率，但通常會導(dǎo)致選擇性下降，因此選擇進(jìn)料速度分別為0.1mL/min、0.2mL/min、0.3mL/min、0.4mL/min、0.6mL/min考察停留時(shí)間對反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 停留時(shí)間對反應(yīng)性能的影響

由圖5可以看出：隨著停留時(shí)間的增加，2-甲基萘的轉(zhuǎn)化率上升，當(dāng)停留時(shí)間為21min時(shí)，2-甲基萘的轉(zhuǎn)化率為98.1%，產(chǎn)物的選擇性為90.1%，當(dāng)停留時(shí)間繼續(xù)增加，轉(zhuǎn)化率可達(dá)到100%，但選擇性下降較快。隨著停留時(shí)間的增加，產(chǎn)物2-甲基-1,4-萘醌的選擇性下降。這是由于停留時(shí)間的增加，2-甲基萘與過氧化氫的接觸時(shí)間變長、反應(yīng)充分，從而轉(zhuǎn)化率增加，但是深度反應(yīng)使得目標(biāo)產(chǎn)物及原料過度氧化，所以選擇性下降。實(shí)驗(yàn)選擇最佳停留時(shí)間為21min，即進(jìn)料速度為0.3mL/min，在此條件下，2-甲基萘轉(zhuǎn)化率為98.1%，目標(biāo)產(chǎn)物選擇性為90.1%。

(4)過氧化氫與2-甲基萘摩爾比對反應(yīng)性能的影響

由圖6可以看出：2-甲基萘的轉(zhuǎn)化率隨著過氧化氫與2-甲基萘摩爾比的增加而增加，過氧化氫與2-甲基萘的摩爾比分別為2:1、3:1、4:1時(shí)，2-甲基萘的轉(zhuǎn)化率分別為85.2%、98.1%、99.4%。過氧化氫與2-甲基萘的摩爾比分別為2:1、3:1時(shí)，2-甲基-1,4-萘醌的選擇性均為90%左右，過氧化氫與2-甲基萘的摩爾比為4:1時(shí)選擇性有所下降，這是由于過氧化氫比例過高會發(fā)生過度氧化等副反應(yīng)生成雜質(zhì)。綜合考慮，選擇過氧化氫與2-甲基萘的摩爾比為3:1。

圖6 過氧化氫與2-甲基萘不同配比對反應(yīng)性能的影響

4.結(jié)論

2-甲基萘和過氧化氫合成2-甲基-1,4-萘醌的最佳反應(yīng)條件為：以HDN-32型號的固體酸為催化劑，反應(yīng)溫度70℃，停留時(shí)間21min，2-甲基萘與過氧化氫的摩爾比為1:3，在此條件下，2-甲基萘的轉(zhuǎn)化率為98.1%，產(chǎn)物選擇性為90.1%，收率為88.5%。催化劑引入了弱堿中心，選擇性較好，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。