對叔丁基苯酚羥基化反應的研究

趙亮亮，楊元法，李艷妮，劉蘭香，朱玉梅

(浙江師范大學 物理化學研究所 浙江省固體表面反應化學重點實驗室，浙江 金華 321004)

精細化工

對叔丁基苯酚羥基化反應的研究

趙亮亮，楊元法，李艷妮，劉蘭香，朱玉梅

(浙江師范大學 物理化學研究所 浙江省固體表面反應化學重點實驗室，浙江 金華 321004)

采用Fe(OH)3+有機絡合劑+H2O2系統，對羥基化法由對叔丁基苯酚(PTBP)制備對叔丁基鄰苯二酚(4－TBC)的反應進行了研究。探討了反應時間、反應溫度、催化劑用量、n(H2O2)∶n(PTBP)、溶劑類型等因素對反應的影響。實驗結果表明，溶劑類型和n(H2O2)∶n(PTBP)對催化劑的活性影響較大。在PTBP 0.80 g、n(H2O2)∶n(PTBP)=1.0、乙腈水溶液(乙腈與水體積比2∶1)30 mL、Fe(OH)30.05 g、鄰苯二酚0.05 g、反應溫度55℃、反應時間60 min的條件下，PTBP轉化率可達18.5%，4－TBC選擇性達89.2%。對反應機理的探索表明，Fe3++H2O2系統中的羥基自由基(·OH)不能對PTBP進行羥基化反應;Fe3++有機絡合劑+H2O2系統中以活性鐵氧絡合物為氧化劑，與有機酚類反應物有良好的反應親和力，能順利完成PTBP的羥基化反應。

對叔丁基鄰苯二酚;羥基化催化劑;對叔丁基苯酚;鄰苯二酚;鐵氧絡合物

對叔丁基鄰苯二酚(4－TBC)是一種重要的精細化工產品，主要用作烯烴單體蒸餾或貯運時的高效阻聚劑，特別適用于苯乙烯、丁二烯以及其他乙烯單體。目前4－TBC已被美國ASTM指定為苯乙烯等通用的阻聚劑［1］。此外，4－TBC也可作為抗氧劑和殺蟲劑的穩定劑。

目前國內外基本采用鄰苯二酚烷基化法［2－5］合成4－TBC。根據烷基化試劑不同，可分為叔丁醇法、異丁烯法和甲基叔丁基醚法。在適當催化劑存在下，烷基化法的產品收率很高，具有很好的工業應用價值。但存在以下缺點：反應時間長，能耗相對較高;反應過程較復雜，催化劑價格昂貴;未反應的原料回收困難且造成嚴重污染。

以H2O2為氧化劑的酚類羥基化反應，已廣泛用于多種物質的合成。該工藝反應條件溫和，主要副產物為水，污染小，原料易得，符合當今綠色化學的發展趨勢。近年來國內外對該類反應的催化劑和工藝的研究十分活躍，所研究的催化劑主要有雜原子分子篩［6－8］、雜多酸鹽［9－10］、金屬氧化物以及復合金屬氧化物［11－13］。

對于對叔丁基苯酚(PTBP)的羥基化反應，最早主要采用均相催化劑，包括無機強酸［14］和有機酸催化劑［15］。但由于液體強酸類催化劑具有強腐蝕性，而且分離困難，隨著多相催化的發展，現在已很少使用。

鐵基催化劑已被廣泛應用于苯和苯酚的羥基化反應中。本課題組［16］前期曾采用Fe(OH)3催化劑直接催化苯酚羥基化反應，轉化率達到40%以上，選擇性88%左右。

本工作在前期工作［16］的基礎上，采用鐵基催化劑，通過PTBP直接羥基化的方法制備4－TBC?？疾炝髓F基催化劑催化PTBP羥基化反應的性能，探討了催化劑種類和用量、助催化劑種類和用量、n(H2O2)∶n(PTBP)、反應溫度、反應時間等對PTBP羥基化反應的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑

Fe(NO3)3·9H2O、乙腈：分析純，天津市光復精細化工研究所;氨水、丙酮、乙醇、H2O2水溶液(質量分數30%)：分析純，天津市北方天醫化學試劑廠;PTBP和4－TBC：化學純，國藥集團化學試劑有限公司;乙酸銅、鄰苯二酚、8－羥基喹啉、十六烷基三甲基溴化銨(CATB)、硫代硫酸鈉、KI：分析純，國藥集團化學試劑有限公司;甲醇：色譜純，國藥集團化學試劑有限公司;無水乙酸：分析純，上?；瘜W試劑總廠經貿公司;乙二胺四乙酸(EDTA)：分析純，上海試劑一廠;KSCN：分析純，天津市光復科技發展有限公司。

1.2 催化劑的制備

將Fe(NO3)3·9H2O溶解于去離子水中，以氨水為沉淀劑，調節溶液 pH為10.0，靜置約5 h，洗滌、過濾、沉淀，在110℃下烘干12 h，得到Fe(OH)3催化劑。將Fe(OH)3催化劑在350℃下焙燒4 h，得到以α－Fe2O3為主要成分的催化劑(稱為Fe2O3催化劑)。

將Fe(NO3)3·9H2O和乙酸銅按 n(Fe)∶n(Cu)=7∶1的比例溶于去離子水中，以氨水為沉淀劑，調節溶液pH為7.0，老化約72 h，洗滌、過濾、沉淀，在120℃下烘干2 h，在550℃下焙燒2 h，得到鐵銅復合氧化物(FeCuO)催化劑［17］。

1.3 PTBP羥基化反應及產物分析

PTBP羥基化反應在配有恒溫水浴槽、回流冷卻裝置和磁力攪拌裝置的間歇式玻璃反應器內進行，以H2O2水溶液為羥基化試劑，在適當的溶劑中進行反應。在反應溫度下將H2O2水溶液一次性加入到含有催化劑、PTBP和溶劑的反應器內并開始計時反應。

反應液用Waters公司1525 Binary HPLC Pump型高效液相色譜儀進行分析，分析條件為：C18色譜柱，流動相為體積比80∶20的甲醇－水混合液，流量0.8 mL/min，檢測波長280 nm。采用外標法計算反應液中PTBP和4－TBC的含量，并由此計算出PTBP轉化率和4－TBC選擇性。

1.4 反應液中剩余H2O2的分析

采用碘量法分析反應液中剩余H2O2的量。具體方法：用吸量管吸取5 mL反應液置于碘量瓶中，準確稱其質量后用去離子水稀釋。向其中加入3滴鉬酸銨溶液、10 mL 2 mol/L的硫酸和7 mL 0.1 g/mL的KI溶液，然后用標定后的硫代硫酸鈉溶液滴定至橙色;再加入1～2 mL淀粉溶液，繼續滴定至無色。按照化學計量求出剩余H2O2的量。

1.5 催化劑的表征

XRD分析在荷蘭 PANalytical公司的 X’Pert PRO MPD型全自動X射線衍射儀上進行，Cu Kα射線，λ =0.154 2 nm，管電壓40 kV，管電流 40 mA，掃描范圍 2θ=20 ～80°，掃描速率 1.2(°)/min。

2 結果與討論

2.1 催化劑的表征結果

不同催化劑的XRD譜圖見圖1。由圖1可看出，Fe(OH)3催化劑以非晶態存在;Fe2O3催化劑在2θ =24.5，34.5，36.0，42.0，50.0，55.0，57.5，63.0，65.0°處出現了很強的α－Fe2O3的特征衍射峰，表明晶型良好;FeCuO催化劑在2θ=37°附近出現了CuO的特征衍射峰，表明Cu物種已經摻雜到Fe2O3晶體中。

圖1 不同催化劑的XRD譜圖Fig.1 XRD spectra of different catalysts.

2.2 不同催化劑的活性

不同催化劑催化PTBP羥基化反應的活性見表1。由表1可見，單獨的Fe(OH)3催化劑對該反應無催化活性，當加入助催化劑鄰苯二酚時，在60 min內PTBP轉化率達到18.5%，4－TBC選擇性達到89.2%;在相同條件下使用FeCuO催化劑時，PTBP轉化率達到4.8%，4－TBC選擇性達到69.1%;而Fe2O3催化劑對該反應無催化活性。實驗結果表明，在助催化劑鄰苯二酚存在下，3種催化劑中Fe(OH)3催化劑的活性最高。

表1 不同催化劑催化PTBP羥基化反應的活性Table 1 Activities of different catalysts in hydroxylation of PTBP

2.3 鄰苯二酚加入量對PTBP羥基化反應的影響

助催化劑鄰苯二酚加入量對PTBP羥基化反應的影響見表2。由表2可見，鄰苯二酚加入量大于等于0.05 g時，4－TBC選擇性可達89.1%以上;鄰苯二酚加入量由0.01 g增至0.03 g時，PTBP轉化率明顯提高，從10.3%提高到17.9%，鄰苯二酚加入量為0.05～0.15 g時，PTBP轉化率保持在18.5%左右。從H2O2轉化率的分析可知，當鄰苯二酚加入量為0.01 g時，H2O2轉化率為74.3%，反應系統中還存在一定量的H2O2;當鄰苯二酚加入量大于等于0.03 g時，H2O2轉化率達94%以上，反應系統中H2O2的殘存量很小，這是在此范圍內PTBP轉化率保持不變的原因。另外，隨鄰苯二酚加入量的增加，H2O2的有效利用率也有一定的提高，由鄰苯二酚加入量為0.01 g時的13.9%提高到鄰苯二酚加入量為0.05 g時的19.2%;繼續增加鄰苯二酚的用量，H2O2的有效利用率基本保持不變。因此，選擇鄰苯二酚加入量為0.05 g。

表2 鄰苯二酚加入量對PTBP羥基化反應的影響Table 2 Effect of catechol dosage on the hydroxylation

2.4 反應時間對PTBP羥基化反應的影響

反應時間對PTBP羥基化反應的影響見圖2。由圖2可見，在加入助催化劑鄰苯二酚的反應系統中，PTBP羥基化反應進行得很快，在60 min內即可完成，其中10～20 min內羥基化反應最快，PTBP轉化率由4.4%升高到15.4%。20 min后PTBP轉化率緩慢上升，4－TBC選擇性緩慢下降。這可能是因為隨反應時間的延長，產物4－TBC進一步縮合生成焦油［18］。因此，選擇反應時間為60 min。

圖2 反應時間對PTBP羥基化反應的影響Fig.2 Effect of reaction time on the hydroxylation.

2.5 原料配比對PTBP羥基化反應的影響

n(H2O2)∶n(PTBP)對PTBP羥基化反應的影響見圖3。由圖 3可見，n(H2O2)∶n(PTBP)=0.5 ～2.0 時，PTBP 轉化率從10.0%增加到63.7%;4－TBC選擇性明顯降低，從95.8%下降到44.7%。這是由于產物4－TBC在過量H2O2的存在下發生了深度氧化。在 n(H2O2)∶n(PTBP)＜1.0時，4－TBC選擇性較高，達到89%以上。因此，選擇原料配比為 n(H2O2)∶n(PTBP)=1.0。

圖3 n(H2O2)∶n(PTBP)對PTBP羥基化反應的影響Fig.3 Effect of n(H2O2) ∶n(PTBP)on the hydroxylation.

2.6 反應溫度對PTBP羥基化反應的影響

反應溫度對PTBP羥基化反應的影響見圖4。由圖4可見，在較低溫度(45℃)下反應即可進行，4－TBC選擇性在80%以上。隨反應溫度的升高，PTBP轉化率有所提高，但4－TBC選擇性明顯下降。這是因為在較高反應溫度下產物4－TBC容易進一步縮合生成焦油，導致副反應增多［18］。因此，選擇反應溫度為55℃。

圖4 反應溫度對PTBP羥基化反應的影響Fig.4 Effect of reaction temperature on the hydroxylation.

2.7 催化劑用量對PTBP羥基化反應的影響

催化劑用量對PTBP羥基化反應的影響見表3。由表3可知，當Fe(OH)3用量為0.01 g時，PTBP轉化率很低，這是因為反應體系中活性中心太少的緣故;當Fe(OH)3用量增至0.03 ～0.07 g 時，PTBP 轉化率保持在17.0%左右，4－TBC選擇性為88.0%左右;當Fe(OH)3用量繼續增至0.10 g時，PTBP轉化率和4－TBC選擇性均有所降低，表明催化劑用量增加會導致H2O2分解加快和副反應增多。過量催化劑的加入加劇了H2O2的轉化，導致其有效利用率有所降低，由 Fe(OH)3用量為0.05 g時的19.2%降至 Fe(OH)3用量為 0.10 g時的 16.1%。因此，選擇催化劑用量為0.05 g。

表3 催化劑用量對PTBP羥基化反應的影響Table 3 Effect of catalyst dosage on the hydroxylation

2.8 不同溶劑對PTBP羥基化反應的影響

不同溶劑對PTBP羥基化反應的影響見表4。

表4 不同溶劑對PTBP羥基化反應的影響Table 4 Effect of different solvents on the hydroxylation

所用溶劑均為與水體積比為2∶1的水溶液。由表4可知，PTBP在醇類和丙酮溶劑的水溶液中不發生羥基化反應;在乙酸水溶液中PTBP轉化率較高，達 26.2%;但 4－TBC選擇性很低，僅為21.6%，說明有大量的副反應發生;在乙腈水溶液作為溶劑時，PTBP轉化率為18.5%，4－TBC選擇性可達89.2%。據文獻報道［19］，醇類屬于極性質子溶劑，較強的溶劑化效應會使催化活性下降。而乙腈和乙酸(乙酸與Fe3+和H2O2能形成具有催化活性的絡合物)作為溶劑時催化活性較高，但由于乙酸水溶液為溶劑的體系中發生副反應導致產物選擇性下降，故適宜的反應溶劑為乙腈水溶液。

3 催化機理探索

以Fe(OH)3為催化劑，加入不同助催化劑時，PTBP羥基化反應的結果見表5。助催化劑分別選擇能與Fe3+發生絡合作用的化合物(KSCN、鄰苯二酚、EDTA、8－羥基喹啉)以及相轉移試劑(CTAB)。由表5可知，以有機絡合劑(鄰苯二酚、EDTA、8－羥基喹啉)作為助催化劑時，PTBP能發生羥基化反應;以無機絡合劑KSCN作為助催化劑時，雖然PTBP轉化率能達到0.5%，但未檢測到產物4－TBC;當以相轉移試劑CATB為助催化劑或不加助催化劑時，反應中既無產物4－TBC生成，也無PTBP轉化，且CATB使反應系統中的H2O2幾乎完全分解(H2O2轉化率達98.1%)。

表5 不同助催化劑對PTBP羥基化反應的影響Table 5 Effect of different cocatalysts on the hydroxylation

上述反應結果與H2O2+鐵基催化劑的羥基化自由基反應機理(見圖5)不相符。

圖5 H2O2+鐵基催化劑的羥基化自由基反應機理Fig.5 Radical reaction mechanism of H2O2+iron-based catalyst in the hydroxylation.

根據圖5所示的反應機理，當反應物的苯環上的取代基為羥基時反應能順利進行［16］(見圖5(4))，而當取代基為叔丁基時，反應則表現為“禁阻”(見圖5(5))。可能的原因是：在反應條件下羥基自由基(·OH)與苯酚的反應活化能較其在水中分解為O2的活化能低，競爭反應中羥基化反應為主導;而·OH與叔丁基苯酚的反應活化能較其在水中分解為O2的活化能高，競爭反應中表現為H2O2的分解(見圖5(3))，實驗中能觀察到不斷有O2冒出。當試圖用相轉移試劑CTAB改善反應環境時，反而導致H2O2更快地分解(見表5)。

當在反應系統中加入能與Fe3+絡合的助催化劑時，羥基化反應機理不再遵循自由基機理，而是遵循由Fe3++絡合劑+H2O2形成的活性鐵氧絡合物為氧化劑的 Hamilton 羥基化反應機理［20－21］。Fe3++H2O2系統中含有鄰苯二酚有機絡合劑時可形成活性氧物種鄰－醌鐵氧絡合物C(見圖6)，C與有機酚類反應物PTBP的反應親和力增強，形成活性中間體D，進而生成羥基化產物E。

圖6 Hamilton機理下的PTBP羥基化反應Fig.6 PTBP hydroxylation according to Hamilton mechanism.

與圖5中含有羥基的活性中間體B(假設可生成該中間體)相比，含有活性氧化物的活性中間體D具有更大的活化熵，對反應動力學有利，使羥基化反應順利進行。當Fe3++H2O2系統中含有KSCN無機絡合劑時，可能所形成的活性氧物種與有機酚類反應物的反應親和力不強，未能按Hamilton機理進行反應，僅觀察到H2O2的分解。有關活性氧物種與有機酚類反應物的反應親和力間的關系有待進一步研究。

4 結論

(1)以Fe(OH)3為催化劑、鄰苯二酚為助催化劑時，對PTBP的羥基化反應表現出較好的催化性能。在 PTBP 0.80 g、n(H2O2) ∶n(PTBP)=1.0、乙腈水溶液(乙腈與水體積比2∶1)30 mL、Fe(OH)30.05 g、鄰苯二酚 0.05 g、反應溫度 55 ℃、反應時間60 min的條件下，PTBP轉化率達到18.5%，4－TBC選擇性達到89.2%。

(2)當無有機絡合劑存在時，Fe3++H2O2對PTBP羥基化反應表現為“禁阻”，反應系統中的·OH不能對PTBP進行羥基化反應;而Fe3++有機絡合劑+H2O2系統中以形成的活性鐵氧絡合物為氧化劑，與有機酚類反應物有良好的反應親和力，能順利完成PTBP的羥基化反應。

［1］ 李慶偉，周春暉，劉華彥，等.對叔丁基鄰苯二酚的合成研究［J］.浙江化工，2002，33(2)：46 －48.

［2］ 楊春華，劉凌波，臧陽陵，等.對叔丁基鄰苯二酚的合成研究［J］.精細化工中間體，2007，37(3)：25 －26.

［3］ 杜非，張曉紅.對叔丁基鄰苯二酚的生產與應用［J］.遼寧化工，2000，29(5)：271 －273.

［4］ 馮惠生，魏月娥，潘笑竹.對叔丁基鄰苯二酚合成工藝及催化劑研究進展［J］.化學工業與工程，2008，25(1)：72 －75.

［5］ 田文彥.合成對叔丁基鄰苯二酚的工藝研究［J］.化工時刊，2006，20(4)：53 －54.

［6］ 喻鈴，何紅運，何馳劍，等.無鋁V－β分子篩的合成、表征及催化性能研究［J］.高等學?；瘜W學報，2006，27(3)：538 －542.

［7］ Choi Jung-Sik，Yoon Sang-Soon，Jang Soo-Hyun，et al.Phenol Hydroxylation Using Fe-MCM-41 Catalysts［J］.Catal Today，2006，111(3 －4)：280 －287.

［8］ 于曉東，盧冠忠，曹鋼，等.TS－1分子篩催化氧化性能的研究：Ⅲ.焙燒溫度、預處理劑與溶劑對苯羥基化的影響［J］.石油化工，2002，31(9)：708 －712.

［9］ 林深，王世銘，鄭瑛，等.(NH4)11Gd［Gd4Mo29O100(H2O)16］·33H2O雜多化合物在苯酚羥化反應中的催化活性［J］.應用化學，2000，17(2)：192 －194.

［10］ 羅茜，董亮，王金月，等.硅鉬釩和硅鎢釩雜多酸催化過氧化氫直接氧化苯制苯酚的活性研究［J］.分子催化，2007，21(2)：128－131

［11］ Sun Jianmin，Meng Xiangju，Shi Yanhui，et al.A Novel Catalyst of Cu-Bi-V-O Complex in Phenol Hydroxylation with Hydrogen Peroxide［J］.J Catal，2000，193(2)：199 －206.

［12］ Shylesh S，Radhika T，Sreeja R K，et al.Synthesis，Characterization and Catalytic Activity of Nd2O3Supported V2O5Catalysts［J］.J Mol Catal A：Chem，2005，236(1 －2)：253 －259.

［13］ Liu Qingsheng，Yu Jianfeng，Wang Zhenlü，et al.Preparation，Characterization and Catalytic Properties of α-Fe2O3/SiO2Catalyst in Phenol Hydroxylation with Hydrogen Peroxide［J］.React Kinet Catal Lett，2001，73(1)：179 －186.

［14］ Degussa Aktiengesellschaft. Process for the Production of Dihydroxybenzenes：US，4533766［P］.1985 －08 －06.

［15］ Dainippon Ink＆ Chem Inc.Method for Producing Alkylcatechols：JP，2002322108［P］.2002 －11 －08.

［16］ 朱艷婧，楊元法，王莎，等.Fe(OH)3催化苯酚羥基化反應［J］.石油化工，2009，38(7)：739 －744.

［17］ 顧曉利，喬旭，崔咪芬，等.金屬酸鹽催化劑對苯酚羥基化反應的活性考察［J］.分子催化，2005，19(6)：448 －452.

［18］ 張信芳，張敬暢，張光明，等.苯酚羥基化合成苯二酚反應過程酚焦油的生成與抑制［J］.高等化學工程學報，2007，21(2)：257－261.

［19］ 韓威，喬俊梅，劉鵬.有機反應中的相轉移催化劑［J］.化工文摘，2009，(1)：48 －50.

［20］ Hamilton G A，Friedman J P，Campbell P M.The Hydroxylation of Anisole by Hydrogen Peroxide in the Presence of Catalytic Amounts of Ferric Ion and Catechol：Scope，Requirements，and Kinetic Studies［J］.J Am Chem Soc，1966，88(22)：5266－5268.

［21］ Hamilton G A，Friedman J P，Campbell P M.The Hydroxylation of Anisole by Hydrogen Peroxide in the Presence of Catalytic Amounts of Ferric Ion and Catechol：Product Studies，Mechanism，and Relation to Some Enzymic Relation［J］.J Am Chem Soc，1966，88(22)：5269 －5272.

4-tert-Butyl-Phenol Hydroxylation

Zhao Liangliang，Yang Yuanfa，Li Yanni，Liu Lanxiang，Zhu Yumei

(Institute of Physical Chemistry，Zhejiang Normal University，Zhejiang Key Laboratory for Reactive Chemistry on Solid Surfaces，Jinhua Zhejiang 321004，China)

4-tert-Butylcatechol(4-TBC)was synthesized from 4-tert-butyl-phenol(PTBP)by hydroxylation with Fe(OH)3+organic complexing agent+H2O2system.Effects of reaction time，reaction temperature，catalyst dosage，n(H2O2)∶n(PTBP)，solvent type and cocatalyst dosage on the hydroxylation were investigated.The results showed that the solvent type and n(H2O2)∶n(PTBP)played important roles in the hydroxylation.Under the conditions：PTBP 0.80 g，n(H2O2) ∶n(PTBP)=1.0，acetonitrile-water mixture(volume ratio 2 ∶1)as the solvent 30 mL，Fe(OH)30.05 g and catechol as the cocatalyst and complexing agent 0.05 g，reaction temperature 55 ℃ and reaction time 60 min，PTBP conversion was 18.5%and selectivity to 4-TBC reached 89.2%.Discussion of the reaction mechanism showed that PTBP could not be hydroxylated by hydroxyl radical(·OH)formed in Fe3++H2O2system;in Fe3++organic complexing agent+H2O2system，an active ironoxygen complex was formed，which had good affinity with the reactant PTBP.

4-tert-butylcatechol;hydroxylation catalyst;4-tert-butyl-phenol;catechol;iron-oxygen complex

1000－8144(2011)06－0624－06

TQ 032.4

A

2010－12－09;［修改稿日期］2011－04－01。

趙亮亮(1984—)，男，河北省正定縣人，碩士生，電郵zhaoliang3205@163.com。聯系人：楊元法，電話0579 －82282234，電郵 sky688@zjnu.cn。

(編輯 安 靜)