H2O2直接氧化甲苯合成鄰/對(duì)甲酚

俞新南 ，朱小剛 ，劉 芳 ，張 躍 ，嚴(yán)生虎 ，劉建武

1.南通醋酸化工股份有限公司，江蘇 南通 226017；2.常州大學(xué)藥學(xué)院，江蘇 常州 213164；3.石油和化工行業(yè)連續(xù)流技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164

鄰/對(duì)甲酚是重要的精細(xì)化學(xué)品，在醫(yī)藥、農(nóng)藥和香料等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛［1］。傳統(tǒng)的甲酚生產(chǎn)方法主要有甲苯磺化堿熔法［2］、苯酚烷基化法［3］、異丙基甲苯氧化法［4］、甲苯氯化水解法［5］和甲基苯胺法［6］等，其中甲苯磺化堿熔法是最早用于生產(chǎn)甲酚的方法，技術(shù)成熟，工藝簡(jiǎn)單，但因使用大量強(qiáng)酸強(qiáng)堿，設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染嚴(yán)重，目前已被逐步淘汰。苯酚烷基化法、異丙基甲苯氧化法和甲苯氯化水解法已在國(guó)外規(guī)?；a(chǎn)，這3種方法普遍存在工藝過(guò)程復(fù)雜、污染嚴(yán)重、高溫高壓以及對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重等缺點(diǎn)，因此有待開(kāi)發(fā)新的生產(chǎn)工藝。

近年來(lái)，利用甲苯和H2O2直接羥基化合成甲酚的研究較多［7-8］。由于芳香族化合物苯環(huán)上的C—H鍵能高，不易直接活化且在苯環(huán)上直接引入羥基很困難，同時(shí)芳環(huán)羥基化和甲苯側(cè)鏈氧化存在競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，氧化歷程和產(chǎn)物分布難以精確控制，因此，高活性/高選擇性催化劑是羥基化反應(yīng)進(jìn)行的關(guān)鍵。這類(lèi)催化劑主要有FeO［9-10］、Al2O3-Fe2O3復(fù)合金屬氧化物［11-12］、硅鉬釩和硅鎢釩雜多酸鹽［13-14］和鈦硅分子篩（Ts-1）［15-16］等，最終甲苯轉(zhuǎn)化率約11.7%、苯甲醛選擇性約52.2%、甲酚選擇性約38.8%，同時(shí)還有苯甲醇和其他副產(chǎn)物生成。由此可見(jiàn)，這些催化劑普遍存在原料轉(zhuǎn)化率低、產(chǎn)品選擇性低、催化劑制備復(fù)雜和反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。過(guò)氧化氫法是以甲苯和H2O2為原料，在催化劑作用下直接氧化生成鄰/對(duì)甲酚，不需要經(jīng)過(guò)磺化、水解、酸化和分離等步驟，因?yàn)樵摴に嚥皇褂脧?qiáng)酸強(qiáng)堿，不會(huì)產(chǎn)生大量較難處理的廢水，且其反應(yīng)步驟少、綠色無(wú)污染、原子利用率高，因而成為甲酚合成研究的主要方向。

筆者在現(xiàn)有制備方法基礎(chǔ)上，以過(guò)渡金屬鹽及其氧化物為催化劑，甲苯經(jīng)H2O2液相氧化直接生成鄰/對(duì)甲酚，該制備方法具有原子經(jīng)濟(jì)性高、工藝簡(jiǎn)潔和環(huán)境友好等特點(diǎn)，為工業(yè)上制備酚類(lèi)化合物提供新的路徑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑和儀器

甲苯，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；H2O2溶液，工業(yè)級(jí)，中鹽常州化工有限公司；硫酸氧釩、偏釩酸銨，分析純，上海達(dá)瑞精細(xì)化學(xué)品有限公司；醋酸鈷、醋酸銅、乙腈、丙酮，分析純，上海凌峰試劑有限公司；冰醋酸，化學(xué)純，上海申博化工有限公司；叔丁醇，分析純，上海展云化工有限公司；環(huán)氧酸鈷、FeSO4、草酸亞鐵、Fe2O3、FeO、CuCl，分析純，北京百靈威科技有限公司。

Agilent7890B 型氣相色譜儀，安捷倫科技有限公司；DF101S 型集熱式恒溫磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；RE-3000A 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀器，上海亞榮生化儀器廠；DLSB-500 型低溫冷卻循環(huán)泵，南京科爾儀器設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在配有水冷凝裝置、溫度計(jì)和磁力攪拌加熱裝置的四口燒瓶中，加入一定量甲苯、催化劑和溶劑，加熱攪拌，開(kāi)啟冷凝水。升溫到一定溫度后，量取適量H2O2溶液倒入恒壓滴液漏斗中，控制滴加速度，反應(yīng)結(jié)束后，料液用二氯甲烷多次萃取，保留有機(jī)相，進(jìn)行氣相色譜定量分析。

1.3 反應(yīng)機(jī)制

甲苯羥基化反應(yīng)可以發(fā)生在芳環(huán)上，也可以在側(cè)鏈上進(jìn)行，芳環(huán)上親電取代反應(yīng)產(chǎn)物為鄰/間/對(duì)甲酚，側(cè)鏈上自由基反應(yīng)產(chǎn)物為苯甲醇和苯甲醛［17-20］，其反應(yīng)機(jī)制見(jiàn)圖1。

圖1 甲苯直接氧化反應(yīng)機(jī)制

氧化過(guò)程中過(guò)渡金屬離子促使H2O2均裂產(chǎn)生·OH，而過(guò)渡金屬離子在H2O2的作用下被氧化為高價(jià)態(tài)離子，·OH 進(jìn)攻甲苯形成酚羥基離子，與體系中的高價(jià)態(tài)過(guò)渡金屬離子作用，通過(guò)釋放一個(gè)電子，發(fā)生親電取代形成甲酚。甲苯在過(guò)渡金屬離子作用下生成芐基自由基，·OH進(jìn)攻芐基生成不穩(wěn)定中間態(tài)，脫去一分子水，形成副產(chǎn)物苯甲醇和苯甲醛，進(jìn)一步深度氧化成苯甲酸。

1.4 分析方法

采用Agilent7890B 型氣相色譜儀進(jìn)行定量檢測(cè)，色譜柱為HP-5（30 m×300 μm×0.25 μm），進(jìn)樣口溫度240 ℃，檢測(cè)器溫度250 ℃，程序升溫（初溫100 ℃，以25 ℃/min升溫至250 ℃），進(jìn)樣量1 μL。采用面積歸一化法計(jì)算分析結(jié)果。

1.5 轉(zhuǎn)化率與選擇性計(jì)算

甲苯轉(zhuǎn)化率與鄰甲酚、對(duì)甲酚和苯甲醛的選擇性計(jì)算見(jiàn)式（1）~（4）。

式中：X（甲苯）為甲苯轉(zhuǎn)化率，S（鄰甲酚）為鄰甲酚選擇性，S（對(duì)甲酚）為對(duì)甲酚選擇性，S（苯甲醛）為苯甲醛選擇性，n0為加入的甲苯物質(zhì)的量，n1為所消耗的甲苯物質(zhì)的量，n2為鄰甲酚物質(zhì)的量，n3為對(duì)甲酚物質(zhì)的量，n4為苯甲醛物質(zhì)的量。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

甲苯羥基化反應(yīng)親電取代反應(yīng)產(chǎn)物為鄰/對(duì)甲酚，自由基反應(yīng)產(chǎn)物為苯甲醛。甲苯直接氧化過(guò)程產(chǎn)物中鄰甲酚、對(duì)甲酚和苯甲醛樣品的質(zhì)譜圖和1H NMR譜圖如圖2和3所示。

圖2 氧化產(chǎn)物的質(zhì)譜圖

2.2 催化劑種類(lèi)對(duì)氧化反應(yīng)的影響

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、m（催化劑）：m（甲苯）=0.10∶1、乙腈為溶劑、反應(yīng)溫度80 ℃、反應(yīng)1.0 h 的條件下，考察不同催化劑對(duì)氧化反應(yīng)的影響，結(jié)果如表1所示。

圖3 氧化產(chǎn)物的1 H NMR譜圖

表1 不同催化劑對(duì)氧化反應(yīng)的影響

由表 1 可知：以 Fe2O3和 FeO 為催化劑時(shí)，由于催化劑在溶劑乙腈和原料甲苯中溶解度較小，導(dǎo)致甲苯轉(zhuǎn)化率較低；以Co、V 和Cu 等金屬鹽為催化劑時(shí)，甲酚的選擇性小于苯甲醛的選擇性；以含F(xiàn)e 硫酸鹽為催化劑時(shí)，H2O2溶液容易和Fe2+形成Feton 氧化體系，提高催化氧化能力，苯甲醛的選擇性小于甲酚的選擇性。實(shí)驗(yàn)表明，過(guò)渡金屬鹽對(duì)氧化反應(yīng)有一定的催化活性，芳環(huán)上側(cè)鏈容易發(fā)生自由基反應(yīng)，大部分氧化產(chǎn)物為苯甲醛，當(dāng)FeSO4為催化劑時(shí)，芳香環(huán)側(cè)鏈容易發(fā)生親電取代反應(yīng)，甲酚的區(qū)域選擇性較高，酚/醛比高，此時(shí)甲苯轉(zhuǎn)化率為12.8%，鄰甲酚選擇性為25.7%，對(duì)甲酚選擇性為25.5%。

2.3 催化劑用量對(duì)氧化反應(yīng)的影響

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、FeSO4為催化劑、乙腈為溶劑、反應(yīng)溫度80 ℃、反應(yīng)1.0 h的條件下，考察催化劑用量對(duì)氧化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 催化劑用量對(duì)氧化反應(yīng)的影響

由圖4 可知：催化劑是H2O2直接氧化甲苯制備鄰/對(duì)甲酚的關(guān)鍵因素。從反應(yīng)機(jī)制可知，由于過(guò)渡金屬離子促使H2O2釋放出·OH，進(jìn)攻甲苯形成甲基環(huán)己二烯自由基，此中間體非常不穩(wěn)定，在催化劑作用下生成目標(biāo)產(chǎn)物。催化劑濃度越高，H2O2釋放的?OH越多，甲苯轉(zhuǎn)化率就越高；但是過(guò)渡金屬離子用量過(guò)高，會(huì)加快H2O2分解速率，導(dǎo)致氧化劑有效含量減少，不利于反應(yīng)的進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1時(shí)，反應(yīng)效果較好，甲酚的選擇性小于苯甲醛的選擇性，此時(shí)甲苯的轉(zhuǎn)化率為12.6%，鄰甲酚選擇性為25.1%，對(duì)甲酚選擇性為25.2%。

2.4 溶劑對(duì)氧化反應(yīng)的影響

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1.0、反應(yīng)溫度80 ℃、反應(yīng)1.0 h 的條件下，考察不同溶劑對(duì)氧化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同溶劑對(duì)氧化反應(yīng)的影響

由圖5 可知：溶劑的極性對(duì)鄰/對(duì)甲酚和苯甲醛選擇性影響較大。以叔丁醇為溶劑時(shí)，苯甲醛的選擇性小于鄰甲酚的選擇性，甲苯轉(zhuǎn)化率低，這是由于叔丁醇-水-甲苯三者沸點(diǎn)相近，形成三元共沸，難以分離；以水為溶劑時(shí)，甲苯與水容易形成油水兩相，存在傳質(zhì)障礙，原料和溶劑難以充分混合，催化劑分散性較差，致使甲苯轉(zhuǎn)化率較低；以丙酮為溶劑時(shí)，鄰/對(duì)甲酚的選擇性均小于苯甲醛的選擇性；以乙酸為溶劑時(shí)，對(duì)甲酚的選擇性和苯甲醛的選擇性均較低；但以乙腈為溶劑時(shí)，鄰/對(duì)甲酚的選擇性較其他溶劑的選擇性大，乙腈為非質(zhì)子極性溶劑，對(duì)水相和有機(jī)相均有較好的溶解性，反應(yīng)效率高。當(dāng)芳環(huán)上側(cè)鏈發(fā)生自由基反應(yīng)，溶劑乙腈能傳遞自由基，副反應(yīng)概率增大，苯甲醛含量也增加顯著。以乙腈為溶劑時(shí)，甲苯轉(zhuǎn)化率為12.8%，鄰甲酚選擇性為24.8%，對(duì)甲酚選擇性為25.1%。

2.5 反應(yīng)溫度對(duì)氧化反應(yīng)的影響

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1、乙腈為溶劑、反應(yīng)1.0 h 的條件下，考察反應(yīng)溫度對(duì)氧化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖6 和7所示。

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)氧化反應(yīng)的影響

圖7 H2O2濃度隨溫度的變化

反應(yīng)溫度是影響氧化反應(yīng)的重要因素之一，溫度升高10 ℃，反應(yīng)速率加快2~4 倍，即反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)速率越快，轉(zhuǎn)化率越高。由圖6 和7 可知：當(dāng)溫度較低時(shí)，甲苯轉(zhuǎn)化率低；當(dāng)溫度較高時(shí)，反應(yīng)物得到活化，強(qiáng)化了傳質(zhì)，甲苯的轉(zhuǎn)化率明顯提高，鄰/對(duì)甲酚的選擇性也有一定的提高，苯甲醛選擇性反而降低；繼續(xù)升高溫度，體系中H2O2分解嚴(yán)重，氧化劑有效濃度大幅度衰減，氧化反應(yīng)速率減慢，甲苯的轉(zhuǎn)化率和甲酚選擇性變化不明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度為80 ℃時(shí)，反應(yīng)效果較好，此時(shí)甲苯轉(zhuǎn)化率為12.6%，鄰甲酚選擇性為25.6%，對(duì)甲酚選擇性為25.1%。

2.6 氧化劑用量對(duì)氧化反應(yīng)的影響

在m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1、乙腈為溶劑、反應(yīng)溫度80 ℃、反應(yīng)1.0 h 的條件下，考察氧化劑用量對(duì)氧化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 氧化劑用量對(duì)氧化反應(yīng)的影響

H2O2直接氧化甲苯制備鄰/對(duì)甲酚反應(yīng)，理論上來(lái)說(shuō)，是一個(gè)原子利用率100%的反應(yīng)，即甲苯和H2O2的摩爾比為1∶1，但是H2O2極易分解，實(shí)驗(yàn)中H2O2常常需要過(guò)量。由圖8 可知：增加氧化劑用量，甲苯轉(zhuǎn)化率和鄰/對(duì)甲酚選擇性有所提高，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成的苯甲醛、鄰/對(duì)甲酚活性高于甲苯，再增加氧化劑用量，會(huì)促進(jìn)副反應(yīng)的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，苯環(huán)由于本身活化難度大，甲苯的氧化速率相對(duì)較慢，芳環(huán)上甲基先活化，生成苯甲醛以及鄰/對(duì)甲酚。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1時(shí)，效果最佳，此時(shí)甲苯轉(zhuǎn)化率為12.6%、鄰甲酚選擇性為25.6%，對(duì)甲酚選擇性為25.1%。

2.7 H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氧化反應(yīng)的影響

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1、乙腈為溶劑、反應(yīng)溫度80 ℃、反應(yīng)1.0 h 的條件下，考察H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氧化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖9 H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氧化反應(yīng)的影響

由圖9 可知：H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，甲苯的轉(zhuǎn)化率越高，鄰/對(duì)甲酚選擇性有明顯的提高。若使用低濃度H2O2，那么反應(yīng)體系中含水量較大，由于甲苯與水不互溶，原料和氧化劑未能充分混合，傳質(zhì)效果較差，導(dǎo)致甲苯轉(zhuǎn)化率低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高濃度氧化劑有利于氧化反應(yīng)，但高濃度H2O2存在安全隱患，從安全性和氧化產(chǎn)物分布來(lái)看，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需將H2O2配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的溶液，再進(jìn)行氧化甲苯實(shí)驗(yàn)。

2.8 反應(yīng)時(shí)間對(duì)氧化反應(yīng)的影響

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1、乙腈為溶劑、反應(yīng)溫度80 ℃的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)氧化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖10和11所示。

圖10 反應(yīng)時(shí)間對(duì)氧化反應(yīng)的影響

圖11 H2O2濃度隨時(shí)間的變化

由圖10 和11 可知：反應(yīng)初期，反應(yīng)時(shí)間對(duì)鄰/對(duì)甲酚選擇性的影響較大，H2O2滴加緩慢，會(huì)降低體系的溫度，且甲苯還處于活化階段；反應(yīng)中后期，由于H2O2發(fā)生自身分解，此時(shí)反應(yīng)體系中H2O2濃度快速減少，H2O2也因參與反應(yīng)和分解幾乎消耗完全。因此，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，甲苯轉(zhuǎn)化率以及甲酚收率趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為1.0 h 時(shí)，反應(yīng)效果較好，此時(shí)甲苯轉(zhuǎn)化率為12.5%，鄰甲酚選擇性為25.2%，對(duì)甲酚選擇性為25.1%。

2.9 實(shí)驗(yàn)重復(fù)性

在FeSO4為催化劑、乙腈為溶劑、H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、m（催化劑）∶m（甲苯）=0.10∶1、反應(yīng)溫度80 ℃、反應(yīng)1.0 h 的最優(yōu)條件下，進(jìn)行了5 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得甲苯轉(zhuǎn)化率均約為12.6%、鄰甲酚選擇性均約為25.6%、對(duì)甲酚選擇性均約為25.1%。

重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在乙腈溶劑下，F(xiàn)eSO4過(guò)濾金屬鹽催化劑與H2O2形成的氧化體系，對(duì)甲苯羥甲基化反應(yīng)中鄰/對(duì)甲酚選擇性起到很好的調(diào)控作用，有效地控制了酚/醛比，催化性能穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1）過(guò)渡金屬鹽及其氧化物與H2O2形成的Fe?ton氧化體系，對(duì)H2O2直接氧化甲苯羥甲基化反應(yīng)中氧化產(chǎn)物的分布和區(qū)域選擇起到關(guān)鍵作用。

2）對(duì)H2O2液相氧化甲苯羥基化制備鄰/對(duì)甲酚提供了新的思路，但甲苯羥基化制備鄰/對(duì)甲酚產(chǎn)物中，側(cè)鏈氧化產(chǎn)物居多，鄰/對(duì)甲酚較少，且甲苯轉(zhuǎn)化率較低，苯環(huán)羥基化產(chǎn)物鄰/對(duì)甲酚選擇性不高，需進(jìn)一步提高催化反應(yīng)活性，增加甲苯轉(zhuǎn)化率，提高H2O2的利用率，優(yōu)化反應(yīng)分離耦合工藝。

3）以 FeSO4為催化劑、乙腈為溶劑，在H2O2與甲苯的物質(zhì)的量之比為5、催化劑與甲苯質(zhì)量比為0.10、反應(yīng)溫度80 ℃、反應(yīng)時(shí)間1.0 h條件下，甲苯轉(zhuǎn)化率達(dá)12.6%，鄰甲酚選擇性為25.6%，對(duì)甲酚選擇性為25.1%。