2, 4, 6-三甲基苯甲酸的合成研究

曹 敏

（南京煉油廠有限責任公司研發中心，江蘇南京 210000）

2, 4, 6三甲基苯甲酸是一種重要的有機合成中間體[1]，可合成三甲基苯甲酰氯、聚環氧化物的硬化劑和聚合物的光引發劑，該化合物有著廣泛而重要的用途[2]。近年來，隨著均三甲苯的生產規模不斷擴大，以均三甲苯為原料的合成方法逐漸得到推廣和應用。這些方法主要包括格林試劑法[3]、均三甲苯酰化法[4]、2, 4, 6三甲基苯甲醛氧化法[5]等，2, 4, 6三甲基苯甲酸的市場潛力越來越大，因此其制備越來越受到人們的廣泛關注。

1 實驗部分

本項目采用均三甲苯為底物，無水AlCl3為催化劑，CO2為酰基化試劑，通過傅克酰基化反應制備2, 4,6-三甲基苯甲酸。

1.1 實驗步驟

在帶有導氣管、攪拌棒、尾氣液封的四口燒瓶中加入定量均三甲苯、預粉碎的無水AlCl3，攪拌均勻后，開啟CO2鋼瓶，氣體經流量計（稱重）進入反應體系鼓泡反應。控制反應溫度在10~20℃，反應過程中，體系由清晰的固液兩相，逐步轉化為均勻的淡黃色分散體。反應取樣跟蹤三甲基苯甲酸及六甲基二苯甲酮，當六甲基二苯甲酮達到一定量時停止反應。

反應結束后，將反應物料逐步滴加至定量5%鹽酸溶液中，控制溫度在40℃破壞未反應的無水AlCl3，有機相為均三甲苯-CO2-AlCl3絡合物與未反應均三甲苯形成白色黏稠膏狀體。升溫后絡合物水解，體系形成分相清晰的油水兩相。水蒸氣蒸餾回收未反應的均三甲苯，釜內三甲基苯甲酸呈顆粒狀結晶析出。過濾、濾餅水洗得粗三甲基苯甲酸。將粗酸溶于定量10%NaOH 溶液中，控制體系pH 為8~9，過濾得六甲基二苯甲酮+Al（OH）3濾餅及三甲基苯甲酸鈉鹽水溶液。濾餅經甲苯超聲波萃取、離心、干燥得六甲基二苯甲酮（GC-MS 確證）。三甲基苯甲酸鈉鹽水溶液經10%HCl 調節pH 至2，過濾，水洗，干燥得三甲基苯甲酸。

1.2 工藝流程示意圖

工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

1.3 反應中控及分析方法

1.3.1 中控方法

在50 mL 單口燒瓶中加入25 g 0℃ 10%鹽酸，從反應體系中吸取1~2 g 反應混合物，緩慢滴入冷凍鹽酸中，滴畢加入10 g 甲苯，加熱回流至有機相澄清。移取3~5 g 有機相至25 mL 單口燒瓶中，加入5 g 去離子水，加熱回流后趁熱取上層有機相配制HPLC 樣品。

1.3.2 分析方法

由于三甲基苯甲酸、甲苯、均三甲苯、六甲基二苯甲酮的極性差異較大，分離過程無須梯度洗脫，即可實現較好的分離效果，可避免梯度洗脫時泵壓力波動導致的基線毛刺。

1.3.3 校正因子

上述分析條件下分別測量三甲基苯甲酸-均三甲苯，三甲基苯甲酸-六甲基二苯甲酮雙組分體系，三甲基苯甲酸-均三甲苯-六甲基二苯甲酮三組分體系校正因子。

2 結果與討論

2.1 均三甲苯轉化率

根據傅克酰基化反應機理，在保證催化劑略過量的基礎上，理論上可實現底物的完全轉化。然而根據現有文獻，以均三甲苯為底物，CO2為酰基化試劑的傅克酰基化反應轉化率均難以超過45%。只有在溶劑高度稀釋CO2高壓力的反應體系中轉化率才能達到80%~90%。為此本項目分別考察反應時間、催化劑用量、反應溫度、攪拌轉速、CO2壓力對體系轉化率的影響。

2.1.1 反應時間

參照1.1，固定反應溫度25℃，均三甲苯與AlCl3摩爾比為1 ∶1.4，考察反應時間對均三甲苯轉化率的影響。反應時間由6 h 延長至8 h，均三甲苯轉化率緩慢提升，超過8 h 后轉化率未見提高。

2.1.2 反應溫度

參照1.1，固定反時間8 h，均三甲苯與AlCl3摩爾比為1 ∶1.4，考察反應溫度對均三甲苯轉化率的影響。隨著反應溫度升高，轉化率逐步提升，43%是反應的極限。進一步升高溫度，均三甲苯無法繼續轉化為三甲基苯甲酸，反而使中間體絡合物的反應活性大幅提升，導致反應選擇性下降。通過HPLC 分析各溫度下反應體系中三甲基苯甲酸含量隨時間變化，中控數據與實驗數據基本呈對應關系，也佐證了前期實驗反應8 h 基本達到體系極限。

另一方面，該數據體現出與傳統傅克酰基化反應的不同之處：①前4 h 反應速率受溫度影響不大；②4 h 后溫度成為限制轉化率提高的瓶頸，不同溫度反應體系達到瓶頸之后，轉化率幾乎不隨時間延長而上升。

上述現象說明，以均三甲苯為底物，CO2為酰基化試劑的傅克反應速率本身并不受溫度影響，體系最終轉化率的影響因素在于底物能否與催化劑AlCl3表面進行有效接觸。無水AlCl3催化傅克酰基化反應，其反應活性點位在底物與AlCl3接觸的表面，傳統傅克反應以酰氯為酰基化試劑，反應中間體在有機相中溶解度較好，可順利脫離催化劑表面，裸露出新鮮的催化點位使反應持續進行。

本項目中間體，均三甲苯-AlCl3-CO2絡合物在體系中的溶解度較差，當濃度累積至飽和后開始析出，弱化了均三甲苯從AlCl3表面剝離中間體的能力，使反應速率下降直至終止。升溫提升了均三甲苯對中間體的溶解能力，使原本終止的反應緩慢移動至下一平衡點。

2.1.3 無水AlCl3用量

參照1.1，固定反應溫度25℃，反時間8 h，考察無水AlCl3用量對均三甲苯轉化率的影響。隨著催化劑用量增加，體系轉化率緩慢提升，二苯甲酮的選擇性與催化劑用量無關。當體系中均三甲苯對中間體溶解能力達到飽和后，吸附于催化劑表面的絡合物只能依靠溶解平衡脫附。增加催化劑用量可增大其比表面積，提高溶解脫附概率，使反應轉化率提升。嘗試使用超聲波使催化劑表面活化，無效。

2.1.4 攪拌轉速

參照1.1，固定反應溫度25℃，反時間8 h，均三甲苯與AlCl3摩爾比為1 ∶1.4，考察攪拌速率對均三甲苯轉化率的影響。轉化率隨著轉速升高緩慢提升，轉速升高有利于氣-固-液三相物料的充分接觸；另一方面，高速攪拌使物料碰撞、摩擦、粉化，增大催化比表面積，使底物進一步轉化。

2.1.5 CO2壓力

帶壓反應可以促進CO2溶解，彌補氣-固-液三相物料接觸不均的缺陷，促進反應進行。參照1.1，固定反應溫度25℃，反時間8 h，均三甲苯與AlCl3摩爾比為1 ∶1.4，CO2壓力 0.2 MPa，考察壓力環境對均三甲苯轉化率的影響。壓力反應環境、催化劑過量、高速攪拌保證了反應物料的充分接觸，然而均三甲苯的轉化率相比于常壓體系未見明顯提高。與之對應的，降低催化劑用量和攪拌轉速，均三甲苯轉化率均迅速下降。說明CO2壓力只是影響體系轉化率的次要因素，主要因素仍在于底物和催化劑的有效接觸。

2.2 六甲基二苯甲酮選擇性影響因素

2.2.1 生成機理

由2.1.2節可知，隨著反應溫度升高，六甲基二苯甲酮的選擇性迅速上升。原因在于中間體均三甲苯-CO2-AlCl3絡合物也是一種親電試劑，但其活性弱于CO2，隨著溫度的提升，該化合物的親電活性逐步增強，并與CO2形成競爭反應關系。

2.2.2 反應溫度

參照1.1，固定反時間8 h，均三甲苯與AlCl3摩爾比為1 ∶1.4，考察反應溫度對均三甲苯選擇性的影響。通過HPLC 分析各溫度下體系中六甲基二苯甲酮含量隨時間變化，10℃時，二苯甲酮的選擇性極低，但由于均三甲苯對中間體溶解度下降，體系的轉化率僅為23.52%。20℃內，隨著溫度的升高，二苯甲酮的選擇性緩慢上升，轉化率也上升至40%。當溫度超過20℃，中間體絡合物被快速活化。綜合考慮，應將溫度控制在20℃左右。

2.2.3 酸解溫度

參照1.1，固定反時間8 h，反應溫度25℃，轉速200 r/min，均三甲苯與AlCl3摩爾比為1 ∶1.4，考察酸解溫度對均三甲苯選擇性的影響。反應物料進入酸性水溶液中分解時，由于AlCl3絡合結晶水釋放大量熱使體系溫度快速上升。高溫水體通過熱傳遞，有可能使新滴入反應物料在未完全水解時升溫，中間體絡合物在高溫下生成二苯甲酮。酸解溫度對選擇性影響較小，但必須保證新滴入物料能夠快速接觸到水體。在累積物料處理實驗中，由于有機層厚度較大，新滴入物料被包裹于有機層中，無法迅速水解，即會使得中間體在高溫下進一步發生酰基化反應。

2.3 實驗結論

（1）以均三甲苯為底物，CO2為酰基化試劑的傅克酰基化反應，表觀上底物轉化率隨著溫度升高而上升。實際上均三甲苯和CO2的酰基化反應速率受溫度影響較小。決定反應深度的因素是均三甲苯對無水AlCl3表面吸附中間體的溶解能力，溫度越高，中間體的溶解度越大，反應轉化率越高。

（2）中間體進一步酰基化反應活性和溫度密切相關，當反應溫度超過25℃后，二苯甲酮的選擇性快速上升。

（3）CO2壓力提高，可以促進物料接觸，但并非影響轉化率的決定性因素。

（4）催化劑用量和攪拌速率兩個因素的作用方式，均在于當體系對中間體達到溶解飽和時，提供更大的催化比表面積，使新鮮催化劑表面裸露的概率增大，促進反應正向進行。

3 物料平衡

前期小試過程中，存在物料不平衡問題。分析可能的原因：①產品三甲基苯甲酸溶解于水中；②均三甲苯在水蒸氣蒸餾過程未能完全蒸出；③敞口轉移物料過程中，生成的熱HCl 氣流夾帶損失。為了分析上述原因，進行了以下實驗，得知水蒸氣蒸餾不是物料損失的主要過程。

1）靜態平衡法測量三甲基苯甲酸在水中溶解度，80℃時為0.162%，30℃時為0.069%；

2）分別取500 g AlCl3廢水和堿溶酸析廢水甲苯萃取，三甲基苯甲酸回收率分別為0.032%和0.028%；

3）模擬水蒸氣蒸餾過程，定量加入去離子水、均三甲苯、三甲基苯甲酸，考察回收率。

為了排除上述影響因素，進行驗證性實驗，參照1.1，反應溫度20℃，物料轉移過程密封，控制酸解溫度不高于50℃，冷凝管內用-15℃冷凍液冷卻，后處理用水均使用飽和三甲基苯甲酸溶液。均三甲苯投入量2.0 mol，回收均三甲苯1.275 mol，得三甲基苯甲酸0.667 mol，二苯甲酮0.007 mol，物料總平衡率為97.81%。此時轉化率為34.05%，選擇性97.94%。與之前小試數據相比，得到產品重量基本一致，說明物料不平衡問題在于轉移物料過程中均三甲苯被HCl氣流夾帶損失。

4 現有工藝比較

根據文獻及公開資料，以均三甲苯為底物酰基化制備三甲基苯甲酸，現有酰基化試劑主要包括氯乙酰氯和CO2[6]。氯乙酰氯法為BASF 公開工藝，相比于CO2法具有酰基化反應轉化率高，無水AlCl3用量少的特點。然而該工藝后期鹵仿反應將產生8~10倍當量的NaCl，且步驟復雜，有機酰化試劑反應中易產生黑色焦油。

CO2法是三甲基苯甲酸生產企業的主流工藝。雖然從近期文獻可以發現，在大量溶劑稀釋、高CO2壓力條件下，底物轉化率可達到80%~90%，但并不適合大規模生產。

加壓可以促進反應進行，但2.1.4節數據可以看出，加壓狀態下體系轉化率依然和攪拌轉速密切相關，說明壓力并非影響轉化率的決定性因素。0.25 MPa 壓力，500 r/min 轉速下轉化率為39.28%，該數據于中試轉化率數據38.94%并無明顯提高，說明反應完全可以在常壓下進行。

5 結論

1）以均三甲苯為底物，CO2為酰基化試劑的傅克酰基化反應，表觀上底物轉化率隨著溫度升高而上升。實際上均三甲苯和CO2的酰基化反應速率受溫度影響較小。決定反應深度的因素是均三甲苯對無水AlCl3表面吸附中間體的溶解能力，溫度越高，中間體的溶解度越大，反應轉化率越高。

2）中間體進一步酰基化反應活性與溫度密切相關，當反應溫度超過25℃后，二苯甲酮的選擇性快速上升。

3）CO2壓力提高，可以促進物料接觸，但并非影響轉化率的決定性因素。

4）催化劑用量和攪拌速率兩個因素的作用方式，均在于當體系對中間體達到溶解飽和時，提供更大的催化比表面積，使新鮮催化劑表面裸露的概率增大，促進反應正向進行。