對氯甲苯制備對甲酚的合成方法研究

陳貴軍，程遠志，王星祿，楊旭，岳濤

（青島科技大學山東化工研究院 山東省水相有機合成及高效清潔分離工程技術研究中心，山東 濟南 250014）

對甲酚（4-甲基苯酚）是精細化工生產(chǎn)的重要基礎原料，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用。

對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)工藝復雜、分離設備眾多、產(chǎn)量不高等缺點，已越來越難以滿足市場的需求，逐漸被淘汰。目前，制備對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備腐蝕嚴重、環(huán)境污染嚴重等缺點；異丙基甲苯氧化法存在技術難度大、原子經(jīng)濟性不高等缺點；甲苯直接氧化法存在收率低、選擇性差等缺點。

本研究以對氯甲苯為原料、氯化亞銅為催化劑制備對甲酚，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、反應條件溫和、收率和純度高等優(yōu)點。

1 實驗部分

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 高壓反應釜（上海霍桐實驗儀器有限公司），DHJF 低溫恒溫攪拌反應浴（鄭州長城科工貿(mào)有限公司），C-2030C 高效氣相色譜儀（島津公司）。

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

1.2 實驗方法

向高壓反應釜中加入對氯甲苯（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9 h。反應結(jié)束后，冷卻至室溫，將反應產(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）檢測其中對甲酚的含量。

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產(chǎn)物為對甲酚。

圖1 產(chǎn)物的1H NMR 譜圖

2.1.2 HPLC 檢測對甲酚含量

采用HPLC 法檢測產(chǎn)物中的對甲酚，HPLC具體的檢測條件為：色譜柱為島津Shim-Pcak scepter PFPP-120（250 mm×4.6 mm×5 μm）；流動相為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；檢測波長為276 nm；柱溫為35 ℃，對甲酚的HPLC 檢測圖見圖2。

圖2 對甲酚HPLC 圖

2.1.3 外標法檢測對甲酚含量

使用外標法檢測對甲酚的含量，具體實驗步驟為：取一定量的對甲酚試劑，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 的對甲酚溶液，對以上溶液進行HPLC 分析。以色譜圖上對甲酚的峰面積為縱坐標，對甲酚的實際含量為橫坐標得到一條線性曲線。然后取一定量的產(chǎn)物，溶于甲醇進行HPLC 分析，根據(jù)線性曲線計算得到產(chǎn)物中對甲酚的含量。對甲酚的線性曲線見圖3。

圖3 對甲酚線性曲線圖

2.2 實驗條件選擇

2.2.1 親核試劑的選擇

該反應為親核取代反應，親核試劑親核性的強弱對反應速率及產(chǎn)物的收率影響很大。固定其他實驗條件，分別選擇NaOH、KOH 和CsOH 作為親核試劑進行實驗，所得產(chǎn)物對甲酚的收率見表1。

表1 親核試劑對產(chǎn)物收率的影響

由實驗結(jié)果可知：KOH 作為親核試劑，實驗所得對甲酚收率明顯高于NaOH 體系；CsOH 作為親核試劑，實驗所得對甲酚收率略高于KOH體系。由于CsOH 價格遠高于KOH，出于經(jīng)濟效益考慮，本實驗選用KOH 作為親核試劑。

2.2.2 KOH 濃度的選擇

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

表2 KOH 濃度對產(chǎn)物收率的影響

由表2 可知：隨著KOH 濃度的增加，反應時間明顯縮短，對甲酚收率隨之增加。當KOH 濃度大于45%以后，濃度對反應時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

含銅化合物是對氯甲苯水解反應較好的催化劑，本實驗選用CuCl 作為催化劑。考察了催化劑用量對對甲酚收率的影響，見圖4。

圖4 催化劑用量對產(chǎn)物收率的影響

實驗結(jié)果表明：當催化劑用量為4%時，催化效果最好。催化劑用量繼續(xù)增加，反應收率變化不明顯，因此實驗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，可以增加有機相中對氯甲苯和水相中KOH 的碰撞幾率，提高反應速率。通過實驗確定了相轉(zhuǎn)移催化劑的最佳用量為對氯甲苯摩爾量的1%。

2.2.5 反應溫度的選擇

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

圖5 反應溫度對產(chǎn)物收率的影響

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

2.2.6 反應時間的選擇

保持其他反應條件不變，考察反應時間對產(chǎn)物收率的影響。結(jié)果見圖6。

圖6 反應時間對產(chǎn)物收率的影響

由圖6 可知：對甲酚的收率隨著反應時間的增加而升高，當反應時間達到9 h 后，產(chǎn)物收率隨時間的增加基本不變，因此選擇反應時間為9 h。

2.2.7 析晶溫度的選擇

析晶溫度對產(chǎn)物收率有較大的影響，溫度高時對甲酚析出量少，產(chǎn)物收率較低；隨著溫度的降低，對甲酚析出量增多，但溫度太低會導致雜質(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

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