2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的合成和結構表征

張樂濤，張亞剛，昝興杰，劉艷霞,2

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

氯甲基化反應是一類重要的有機合成反應[1]，可以將氯甲基(—CH2Cl)直接引入到芳香化合物中，然后氯甲基進一步轉化為羥甲基(—CH2OH)、氰甲基(—CH2CN)、氨甲基(—CH2NH2)等，芳烴轉化成相應的衍生物，從而被廣泛應用在農藥、高分子樹脂、助劑、燃料以及液晶等的合成中[2-3]。經典的氯甲基化反應是以HCHO、(HCHO)n與HCl為氯甲基化試劑，具有反應易控、工藝可靠、價格低、儲存運輸方便等優點，但也存在反應活性較低、產率不高的缺點[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，優化了氯甲基化反應條件，獲得了較優的工藝過程。

1 實驗部分

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，繼續通氣，并保持在30 ℃攪拌45 min。反應結束后，先停止通氣，然后將反應液進行分液。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。

反應方程式如下:

1.3 分析方法

1.3.1 氣相色譜法 進樣口溫度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核磁共振儀測定了原料和產物的核磁共振氫譜和碳譜。

2 結果與討論

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，按照氣相色譜的測試條件進樣分析測試，結果見圖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處出現一強峰，應該為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%。氣相色譜結果證明了本實驗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，對其結構進行驗證。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過氯甲基化反應后，最明顯的變化是6.82處的峰消失，同時4.57處出現氯甲基—CH2Cl中氫的峰。核磁共振氫譜證明，2,6-二叔丁基苯酚發生了氯甲基化反應，生成了2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚。

2.3 核磁共振碳譜

將產物與原料2,6-二叔丁基苯酚做核磁共振碳譜，觀察反應前后結構的變化。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過氯甲基化反應生成的。這與核磁共振氫譜的變化是一致的。

2.4 優化反應條件

以冰乙酸為溶劑，考察了原料配比、反應溫度、反應時間對氯甲基化產物收率的影響。

2.4.1 原料配比對收率的影響 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，反應溫度為40 ℃，反應時間為6 h，考察原料配比對氯甲基化產物收率的影響，結果見圖4。

圖4 2,6-二叔丁基苯酚與多聚甲醛的摩爾比對氯甲基化產物收率的影響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，產物的收率隨著增大。當2,6-二叔丁基苯酚與多聚甲醛的摩爾比為1∶1.3時，產物的產率基本達到最大；再增加多聚甲醛的用量，產物的產率增加不明顯，反而原料成本增加；當大于這個比例時，體系內產生的亞甲基正離子濃度不夠，反應不徹底，收率低。因此，從產物收率和原料成本來看，較優的原料摩爾比為1∶1.3。

2.4.2 反應溫度對收率的影響 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，反應時間為6 h，考察不同反應溫度對氯甲基化產物收率的影響，結果見圖5。

圖5 反應溫度對氯甲基化產物收率的影響Fig.5 Effect of reaction temperature on the yield of chloromethylated product

由圖5可知，反應溫度在30～40 ℃下收率最高，可達84.7%，降低或者升高溫度,產品收率都會降低。這是因為溫度較低時，提供的能量不能使亞甲基正離子發生親電取代反應，反應緩慢，在有限的時間內不能完全反應，收率降低；溫度升高時，氯化氫氣體逸出速度加快，相應的減少了有效的氯甲基化試劑，也使產品收率降低。

2.4.3 反應時間對收率的影響 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，反應溫度為40 ℃，考察不同反應時間對氯甲基化產物收率的影響，結果見圖6。

圖6 反應時間對氯甲基化產物收率的影響Fig.6 Effect of reaction time on the yield of chloromethylated product

由圖6可知，產物的收率隨著反應時間的延長而逐漸增大，反應時間低于6 h時，產物收率隨著反應時間的延長而快速增大，當反應時間超過6 h后，產品收率增加緩慢。考慮到原料成本(主要是氯化氫氣體)和能源成本，合適的反應時間為6 h。

3 結論

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，反應溫度為30～40 ℃，反應時間為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物的結構與目標產物的結構是一致的。