芴兩步法合成9-芴甲醇在蒽渣提取分離菲中的應用

郭美鑫，葉翠平,2，師田田，梁美生

(1.太原理工大學 環境科學與工程學院，山西 晉中 030600; 2.太原理工大學 省部共建煤基能源清潔高效利用國家重點實驗室，山西 太原 030024)

9-芴甲醛性質活潑儲存條件苛刻[10-11]，其還原產物9-芴甲醇性質穩定且是重要的化工中間體，可合成羧基保護劑[12]、用作氨基保護劑[13]、抗瘧藥[14]、感光材料[15]及齊格勒-納塔催化劑[16]等。目前芴制9-芴甲醛常采用2段溫度進行[17-20]，反應時間長、工序復雜且不易控制;還原階段常以甲醛水溶液、多聚甲醛為還原劑。甲醛雖價廉，但還原過程易生成固體不溶物，增加后續提純難度，9-芴甲醇收率從36.7%到75.36%不等[20-23]。而使用NaBH4或KBH4為還原劑選擇性高，產物純度高，但需要溶劑轉換，工藝過程復雜。同時，9-芴甲醇在堿性條件下易發生單分子共軛堿消除反應(E1cb)，脫水生成富烯化合物，進而聚合生成黏稠副產物[24]，影響產物的收率和分離提純。因此，如何不經溶劑轉換，在堿水溶液中實現9-芴甲醛的高效還原，同時減少副產物的生成，是研究的重點和難點。另外還需考慮蒽渣中其他組分對反應的影響。

為使芴快速、高選擇性地轉化為9-芴甲醇，筆者在芴甲酰化階段以DMSO為溶劑，乙醇鈉-乙醇溶液為催化劑，采用一段溫度反應，還原過程采用NaBH4-無機鹽復合還原劑，無需溶劑轉換，簡化了工藝。無機鹽的加入使NaBH4的還原能力和對產物的選擇性進一步提高，9-芴甲醇收率可達100%。以菲和芴的混合物(質量比4∶1)和實際蒽渣為原料考察了反應及分離效果。研究內容拓展了蒽渣等有機固體廢棄物資源化利用的新方法，為復雜樣品的非常規分離奠定了基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

分析純試劑:芴(97%)、菲(97%)、DMSO、環已烷、乙醇鈉-乙醇溶液(20%)、甲酸乙酯、甲酸正丁酯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司;二甲苯(鄰二甲苯10%～15%，間二甲苯45%～70%，對二甲苯15%～25%)，天津市北辰方正試劑廠;NaBH4(>98%)，國藥試劑廠;CaCl2,ZnCl2,NaCl,乙酸乙酯，天津市科密歐化學試劑有限公司;CaCO3,BaCl2，西安化學試劑廠；十六胺(>95%)，梯希愛(上海)化成工業發展有限公司。

標準品:芴(99.5%)、菲(99.3%)，West Chester Co.,Limited;9-芴甲醇(99%)，上海麥克林生化科技有限公司。

HPLC試劑:甲醇、乙腈，迪馬科技有限公司。

1.2 9-芴甲醇的合成

在裝有磁力攪拌器、冷凝管的100 mL圓底夾套反應器中依次加入芴(1.66 g，10 mmol)、DMSO(20 mL)，于N2(99.99%，太原市泰能氣體有限公司)保護下升溫至50 ℃，攪拌速率300 r/min，待固體溶解后加入質量分數為20%的乙醇鈉-乙醇溶液(7 mL，18 mmol)，溶液變為深紫紅色，緩慢加入甲酸乙酯(1.2 mL，14 mmol)，在N2保護下反應70 min后，加水(20 mL)淬滅反應。待反應液溫度降至25 ℃后，加入粉末狀CaCl2固體(15 mmol，1.65 g)，攪拌溶解后加入NaBH4(12 mmol，0.456 g)，反應1.5 h，緩慢滴加鹽酸(2 mol/L)調節pH至7.0～7.5后終止反應，快速抽濾并用水(40 mL)洗滌，得濾餅m1，濾液中加入冰塊靜置過夜抽濾得到濾餅m2。將濾液倒入分液漏斗，用乙酸乙酯分別萃取3次(40，20，20 mL)，萃取液經水洗、無水硫酸鈉干燥后旋蒸，得到m3，將3部分產物m1，m2，m3合并計算收率。

1.3 蒽渣預處理及反應與分離

以質量比4∶1的菲和芴混合物(菲1.78 g，芴0.445 g)為原料，反應條件與1.2節9-芴甲醇的合成相同，反應2 h后，加水淬滅靜置冷卻1 h，過濾得菲，用環己烷(20 mL)萃取反應液中少量菲，萃余液加還原劑反應2 h，產物處置方式同1.2節。

蒽渣預處理方法:蒽渣中加入二甲苯(液固質量比為0.8∶1.0)，加熱至50 ℃后恒溫攪拌30 min，降至室溫后過濾掉不溶物。濾液減壓蒸餾得到芴與菲富集物用于下一步反應。在與模型混合物相同條件下進行反應并分離，得到的菲以二甲苯重結晶一次(液固質量比為0.8∶1.0)。

在大壩下游配置一套生產能力為45 m3/h的組合式混凝土攪拌站，主機采用JS750強制式雙臥軸攪拌機，配備1臺三斗電子自動配料器、1臺裝載機、1臺混凝土輸送泵及2座150 t水泥罐。拌和系統采用自動化計量裝置，全部實行計算機控制。

1.4 氣相色譜及質譜檢測分析

采用日本Shimadzu GC-2014氣相色譜儀，檢測條件見文獻[25]，升溫程序:170 ℃保持1 min，以4 ℃/min升到200 ℃并保持1 min，然后以10 ℃/min升到230 ℃并保持1 min。內標物為十六胺，用內標標準曲線法定量，相應的標準曲線如圖1所示，圖中Ci/Cs為標準樣品中待測標樣質量濃度和內標質量濃度比值，Ai/As為待測組分與十六胺的峰面積比值。

圖1 芴、菲、9-芴酮和9-芴甲醇內標法標準曲線Fig.1 Calibration curves of fluorene,phenanthrene,9-fluorenone and 9-fluorenylmethanol

氣質聯用檢測條件:采用美國Agilent 7890B/5977A氣質聯用儀，色譜柱為HP-5-MS(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm，固定相為質量分數5%二苯基與95%二甲基聚硅氧烷)升溫程序同氣相色譜。質譜檢測條件:EI電離源，電子能量70 eV，離子源溫度250 ℃，掃描范圍50～500 u。

2 結果與討論

2.1 芴制9-芴甲醇

2.1.1芴的甲酰化反應

芴的9號位C—H受兩邊苯環的超共軛與誘導效應影響活性較高[26]。醇鈉等堿性催化劑在DMSO等具有較高介電常數和偶極矩的非質子溶劑中可產生一個幾乎裸露的、無溶劑化的負離子，從而增強其親核反應活性，使芴容易脫質子生成芴負離子，進而與酰基化試劑發生親核取代反應。以DMSO為溶劑，質量分數20%的乙醇鈉-乙醇溶液為催化劑(無特殊注明，所用試劑用量均按照1.2和1.3節已確定好的最佳條件操作，下同)，考察了甲?；噭┑姆N類、用量及反應溫度、時間對芴轉化率的影響，結果見表1。

隨著甲酸乙酯用量的增加(實驗I～IV)，芴的轉化率逐漸增加，當甲酸乙酯用量為14 mmol時，芴的轉化率為100%，繼續增加其用量，芴轉化率不變。甲酸正丁酯(實驗V～VIII)沸點較高，可以提高反應溫度縮短?；磻獣r間。但實驗發現，反應溫度≥75 ℃時，會生成黃綠色黏稠副產物(實驗編號為IX，X)，且甲酸正丁酯成本高(價格是甲酸乙酯的2～3倍)，故后期?；噭┒疾捎眉姿嵋阴?。

2.1.29-芴甲醛還原為9-芴甲醇實驗

甲醛與9-芴甲醛可發生“交叉羥醛縮合”反應后堿性裂解生成9-芴甲醇[26]，而金屬硼氫化物上的負氫可將醛基還原為羥基[26]。分別以質量分數37%的甲醛水溶液、多聚甲醛和NaBH4為還原劑，將9-芴甲醛完全還原的理論量加入，即n(芴)∶n(甲醛)=1∶1，n(芴)∶n(NaBH4)=1∶0.25，n為物質的量。在25 ℃下反應5 h，考察還原劑種類及用量對9-芴甲醛還原為9-芴甲醇的影響，結果如圖2和表2所示。

表1 甲?；噭┓N類、用量、反應溫度及時間對芴轉化率的影響Table 1 Effect of formylation reagents type,dosage,temperature and formylation reaction time on the conversion of fluorene

圖2 采用不同還原劑得到產物的氣相色譜Fig.2 Gas chromatogram of products with different reducing agents

表2 還原劑種類及用量對9-芴甲醇合成的影響Table 2 Effect of the reductants type and dosage on the synthesis of 9-fluorenylmethanol

表3 NaBH4用量及還原時間對9-芴甲醇合成的影響Table 3 Effect of reductant dosage and reduction time on the synthesis of 9-fluorenylmethanol

由表3可知，增加NaBH4的用量，還原時間縮短。n(芴)∶n(NaBH4)=1.0∶1.2時，反應時間從6 h縮短為3 h。同時，9-芴甲醇的收率從49.87%提高到92.26%。但進一步增加NaBH4用量，由于副產物隨著反應時間延長也在增加，9-芴甲醇的收率降低。

加入無機氯鹽，如CaCl2[27-28],ZnCl2[29],SnCl2[30],FeCl3[31]可提高NaBH4的還原能力和產物的選擇性。在25 ℃下，在n(芴)∶n(NaBH4)=1.0∶1.2的條件下考察了無機鹽助劑的影響，結果見表4。

從實驗I,IV～VII可以看出，加入ZnCl2,CaCl2及BaCl2后，9-芴甲醇的收率都有不同程度地提高，而加入NaCl效果不明顯。其中，CaCl2促進作用最顯著，相同時間內(反應1 h)9-芴甲醇收率最高可達81.33%，是不添加助劑時的1.34倍。實驗X，XIII～XIV結果顯示，加入Ca(NO3)2與CaCl2對9-芴甲醇收率的影響效果基本相同，CaCO3幾乎無作用。隨著CaCl2添加量增加(VII～XI)，9-芴甲醇的收率逐漸提高，當n(芴)∶n(NaBH4)∶n(CaCl2)=1.0∶1.2∶1.5(實驗X)，反應時間最少為1.5 h時，9-芴甲醇收率達100%。繼續增加CaCl2用量，反應時間不變，但會增加后續產物回收及溶劑回收難度。

表4 助劑種類、用量及還原時間對反應的影響Table 4 Effect of the type,dosage and reduction time of auxiliaries on the reaction

可溶性鹽能促進9-芴甲醛的還原反應，推測主要是陽離子與NaBH4和9-芴甲醛作用，形成絡合物。二價陽離子絡合、活化羰基氧的能力比鈉離子強，導致負氫更容易加成到羰基碳上，因此反應活性提高，作用機理如圖3所示。同時，ZnCl2，CaCl2及BaCl2均為路易斯酸，使反應體系堿性減弱，從而使9-芴甲醇脫除9位H生成9-亞甲基芴的反應速率降低。因此，無機鹽的加入，一方面提高了NaBH4的還原能力;另一方面抑制了9-芴甲醇消除反應的進行，從而大幅提升9-芴甲醇收率。

圖3 無機鹽陽離子與9-芴甲醛作用機理(以CaCl2為例)Fig.3 Mechanism of interaction between inorganic salt cation and 9-formylfluorene (CaCl2)

2.2 芴制備9-芴甲醇及菲的提取

蒽渣中除了菲和芴外，還含有蒽和咔唑及少量的苊、氧芴、二苯并噻吩、1-甲基菲、2-甲基蒽、甲基咔唑、熒蒽和芘等組分[1]。為了減少蒽和咔唑對反應及后續分離的影響，采用二甲苯為溶劑，液固質量比為0.8∶1.0對蒽渣進行預處理，使菲和芴進一步富集。模型混合物及預處理前后蒽渣、反應和分離后產物組成見表5。預處理后蒽渣中菲的質量分數由37.83%提高到55.03%，收率為85.47%，芴的質量分數由12.47%提高到14.66%，收率為65.84%，但其中仍含有少量的咔唑和蒽。部分雜質，如苊、1-甲基菲和氧芴會與芴、菲一起在二甲苯溶液中富集，故而預處理后蒽渣中其他組分質量分數相較預處理前增加。二甲苯預處理后蒽渣中菲和芴的質量比3∶1～4∶1，筆者選擇質量比4∶1的菲和芴混合物，考察了菲存在下9-芴甲醇的合成。

表5 9-芴甲醇的制備及菲的提取反應-分離前后物質組成Table 5 Synthesis of 9-fluorenylmethanol and composition of phenanthrene before and after reaction-separation %

菲存在下，芴完全轉化為9-芴甲醛的反應時間為2 h，比芴單獨反應略有延長，加水淬滅后菲大量析出，純度96.90%，濾液中少量菲以環己烷萃出，收率為98.95%，表明菲不參與反應(圖4)。還原階段，采用n(芴)∶n(NaBH4)∶n(CaCl2)=1.0∶1.2∶1.5時，3 h后9-芴甲醛100%轉化為9-芴甲醇，純度為97.68%，收率為91.58%。

圖4 以模型混合物和蒽渣為原料制9-芴甲醇反應后的物料衡算結果Fig.4 Mass balance of model compound and anthracene residue after fluorene converted to 9-fluorenylmethanol

以預處理后的蒽渣為原料進行反應，芴全部轉化為9-芴甲醇，而蒽渣中其他組分，如菲、蒽和咔唑不參與反應，物料衡算結果如圖4所示。由于蒽渣中其他組分的存在使后續菲和9-芴甲醇的精制難度加大，純度和收率下降。以蒽渣為原料經反應、分離后得到純度為72.65%的工業級菲，收率為98.59%，雜質蒽和咔唑及其他組分在堿水中溶解性差，故而主要富集在菲中。以二甲苯為精制溶劑，一次溶解結晶后，菲的純度從72.65%提高到83.88%，收率為64.46%。由于咔唑有一定的酸性，部分留在反應液中，最后在產品中保留，9-芴甲醇純度從97.68%降為94.35%，收率為89.49%。

3 結 論

(1)以硼氫化鈉為還原劑，通過先加入無機鹽助劑的方式，不經溶劑轉換，就可使9-芴甲醛高選擇性地還原為9-芴甲醇。簡化操作步驟的同時，提高了還原效率。在相同硼氫化鈉用量下，9-芴甲醇的收率從92.26%提高到100%，遠高于目前報道的75.36%。同時，還原時間由3 h縮短為1.5 h。

(2)將芴轉化為9-芴甲醛，加水淬滅反應后，便可實現蒽渣中菲的提取分離。其他組分蒽和咔唑等對反應沒有影響，但由于其在堿水中的溶解性差異，蒽、咔唑和其他組分在菲中富集，部分咔唑進入9-芴甲醇，使后續純化難度增加。最終得到純度為83.88%，收率為64.46%的菲;9-芴甲醇純度為94.35%，收率為89.49%。

(3)將反應-分離耦合技術用于蒽渣的資源化利用，在提取菲的同時得到高附加值的芴下游產品，為復雜樣品的非常規分離奠定了基礎。