對(duì)氯甲苯制備對(duì)甲酚的合成方法研究

陳貴軍，程遠(yuǎn)志，王星祿，楊旭，岳濤

（青島科技大學(xué)山東化工研究院 山東省水相有機(jī)合成及高效清潔分離工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014）

對(duì)甲酚（4-甲基苯酚）是精細(xì)化工生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)原料，在抗氧劑[1-2]、合成染料[3]、人造香料[4-5]和農(nóng)藥[6]等方面有著廣泛的應(yīng)用。

對(duì)甲酚最初主要是從煤焦油和煉油廠洗滌石油餾分的廢液中分餾得來，該方法被稱為天然分離法[7]。由于存在資源不可再生、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、分離設(shè)備眾多、產(chǎn)量不高等缺點(diǎn)，已越來越難以滿足市場的需求，逐漸被淘汰。目前，制備對(duì)甲酚的方法主要有甲苯磺化堿熔法[8-9]、異丙基甲苯氧化法[10]、苯酚烷基化[11-12]和甲苯直接氧化法[13-14]等。這些方法均存在一些問題，如甲苯磺化堿熔法存在設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)；異丙基甲苯氧化法存在技術(shù)難度大、原子經(jīng)濟(jì)性不高等缺點(diǎn)；甲苯直接氧化法存在收率低、選擇性差等缺點(diǎn)。

本研究以對(duì)氯甲苯為原料、氯化亞銅為催化劑制備對(duì)甲酚，并采用冷卻析晶的后處理方式避免大量溶劑的使用。與現(xiàn)有合成方法相比，該方法具有綠色環(huán)保、反應(yīng)條件溫和、收率和純度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

儀器：YP20002 電子天平（上海光正醫(yī)療儀器有限公司），HT-250FJ 高壓反應(yīng)釜（上海霍桐實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），DHJF 低溫恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)?。ㄠ嵵蓍L城科工貿(mào)有限公司），C-2030C 高效氣相色譜儀（島津公司）。

試劑：對(duì)氯甲苯、氯化亞銅、KOH、NaOH、CsOH、四丁基溴化銨、乙醇、對(duì)甲酚（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

向高壓反應(yīng)釜中加入對(duì)氯甲苯（126.6 g，1 mol）、45% KOH 溶液（186.7 g，1.5 mol KOH）、催化劑（CuCl，5 g，0.05 mol）、配體8-羥基喹啉（7.25 g，0.05 mol）和相轉(zhuǎn)移催化劑四丁基溴化銨（3.3 g，0.01 mol）。將以上混合體系在無氧條件下，于120 ℃下反應(yīng)9 h。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，將反應(yīng)產(chǎn)物用鹽酸酸化至體系pH 為6～7，靜置分層，水相使用甲苯萃取，所得油相合并后精餾，得到無色透明的液體，利用高效液相色譜（HPLC）檢測(cè)其中對(duì)甲酚的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物分析

2.1.1 產(chǎn)物1H NMR 譜圖

產(chǎn)物在1H MNR（圖1）中共出現(xiàn)4 組峰，其中2.176 處為甲基峰，6.659 和6.940 處的二組二重峰為苯環(huán)的氫，9.083 處的單峰為酚羥基的峰。根據(jù)該核磁氫譜圖可證實(shí)產(chǎn)物為對(duì)甲酚。

圖1 產(chǎn)物的1H NMR 譜圖

2.1.2 HPLC 檢測(cè)對(duì)甲酚含量

采用HPLC 法檢測(cè)產(chǎn)物中的對(duì)甲酚，HPLC具體的檢測(cè)條件為：色譜柱為島津Shim-Pcak scepter PFPP-120（250 mm×4.6 mm×5 μm）；流動(dòng)相為10 mmol/L 磷酸二氫鉀溶液（用稀磷酸溶液調(diào)pH=6.8）+乙腈=40+60；檢測(cè)波長為276 nm；柱溫為35 ℃，對(duì)甲酚的HPLC 檢測(cè)圖見圖2。

圖2 對(duì)甲酚HPLC 圖

2.1.3 外標(biāo)法檢測(cè)對(duì)甲酚含量

使用外標(biāo)法檢測(cè)對(duì)甲酚的含量，具體實(shí)驗(yàn)步驟為：取一定量的對(duì)甲酚試劑，用甲醇溶解，配制濃度分別為0.26 mg/mL、0.52 mg/mL、1.05 mg/mL、1.31 mg/mL、1.83 mg/mL 和2.36 mg/mL 的對(duì)甲酚溶液，對(duì)以上溶液進(jìn)行HPLC 分析。以色譜圖上對(duì)甲酚的峰面積為縱坐標(biāo)，對(duì)甲酚的實(shí)際含量為橫坐標(biāo)得到一條線性曲線。然后取一定量的產(chǎn)物，溶于甲醇進(jìn)行HPLC 分析，根據(jù)線性曲線計(jì)算得到產(chǎn)物中對(duì)甲酚的含量。對(duì)甲酚的線性曲線見圖3。

圖3 對(duì)甲酚線性曲線圖

2.2 實(shí)驗(yàn)條件選擇

2.2.1 親核試劑的選擇

該反應(yīng)為親核取代反應(yīng)，親核試劑親核性的強(qiáng)弱對(duì)反應(yīng)速率及產(chǎn)物的收率影響很大。固定其他實(shí)驗(yàn)條件，分別選擇NaOH、KOH 和CsOH 作為親核試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得產(chǎn)物對(duì)甲酚的收率見表1。

表1 親核試劑對(duì)產(chǎn)物收率的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：KOH 作為親核試劑，實(shí)驗(yàn)所得對(duì)甲酚收率明顯高于NaOH 體系；CsOH 作為親核試劑，實(shí)驗(yàn)所得對(duì)甲酚收率略高于KOH體系。由于CsOH 價(jià)格遠(yuǎn)高于KOH，出于經(jīng)濟(jì)效益考慮，本實(shí)驗(yàn)選用KOH 作為親核試劑。

2.2.2 KOH 濃度的選擇

隨著KOH 濃度的增加，對(duì)氯甲苯與KOH 的碰撞幾率增加，反應(yīng)時(shí)間隨之縮短，但濃度過高易產(chǎn)生苯酚和二甲酚等副產(chǎn)物。KOH 濃度對(duì)產(chǎn)物收率的影響見表2。

表2 KOH 濃度對(duì)產(chǎn)物收率的影響

由表2 可知：隨著KOH 濃度的增加，反應(yīng)時(shí)間明顯縮短，對(duì)甲酚收率隨之增加。當(dāng)KOH 濃度大于45%以后，濃度對(duì)反應(yīng)時(shí)間和收率的影響沒有明顯改變，故確定KOH 濃度為45%為最佳。

2.2.3 催化劑用量的選擇

含銅化合物是對(duì)氯甲苯水解反應(yīng)較好的催化劑，本實(shí)驗(yàn)選用CuCl 作為催化劑?？疾炝舜呋瘎┯昧繉?duì)對(duì)甲酚收率的影響，見圖4。

圖4 催化劑用量對(duì)產(chǎn)物收率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)催化劑用量為4%時(shí)，催化效果最好。催化劑用量繼續(xù)增加，反應(yīng)收率變化不明顯，因此實(shí)驗(yàn)中選擇催化劑的用量為4%。

2.2.4 相轉(zhuǎn)移催化劑用量的選擇

通過加入相轉(zhuǎn)移催化劑四丁基溴化銨，可以增加有機(jī)相中對(duì)氯甲苯和水相中KOH 的碰撞幾率，提高反應(yīng)速率。通過實(shí)驗(yàn)確定了相轉(zhuǎn)移催化劑的最佳用量為對(duì)氯甲苯摩爾量的1%。

2.2.5 反應(yīng)溫度的選擇

對(duì)氯甲苯的水解需要較高的溫度，但溫度太高會(huì)產(chǎn)生苯酚等副產(chǎn)物，保持其他反應(yīng)條件不變，考察反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物收率的影響，見圖5。

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物收率的影響

由圖5 可知：隨著反應(yīng)溫度的升高，對(duì)甲酚的收率明顯升高，當(dāng)反應(yīng)溫度為120 ℃時(shí)，產(chǎn)物收率達(dá)到最高，隨著反應(yīng)溫度的繼續(xù)升高，副反應(yīng)增多，產(chǎn)物的收率有所降低，因此選擇120 ℃為最佳反應(yīng)溫度。

2.2.6 反應(yīng)時(shí)間的選擇

保持其他反應(yīng)條件不變，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物收率的影響。結(jié)果見圖6。

圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物收率的影響

由圖6 可知：對(duì)甲酚的收率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而升高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到9 h 后，產(chǎn)物收率隨時(shí)間的增加基本不變，因此選擇反應(yīng)時(shí)間為9 h。

2.2.7 析晶溫度的選擇

析晶溫度對(duì)產(chǎn)物收率有較大的影響，溫度高時(shí)對(duì)甲酚析出量少，產(chǎn)物收率較低；隨著溫度的降低，對(duì)甲酚析出量增多，但溫度太低會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)析出量較多。綜合考慮，確定最佳的析晶溫度為0 ℃。

3 結(jié)論

以對(duì)氯甲苯為原料，KOH 作為親核試劑制備對(duì)甲酚，反應(yīng)使用CuCl 為催化劑，四丁基溴化銨為相轉(zhuǎn)移催化劑，乙醇為反應(yīng)溶劑，考察了KOH濃度、催化劑用量、相轉(zhuǎn)移催化劑用量、反應(yīng)溫度等因素的影響，確定最佳反應(yīng)條件為：KOH 濃度為45%，催化劑用量為4%，相轉(zhuǎn)移催化劑為1%，反應(yīng)溫度為120 ℃，反應(yīng)時(shí)間為9 h，析晶溫度為0 ℃。在該條件下，對(duì)甲酚的收率可達(dá)82.9%，該方法綠色環(huán)保，反應(yīng)條件溫和，收率高。