3，5-二叔丁基-4 羥基苯基丙酸甲酯合成技術(shù)優(yōu)化研究

丁軼東 陳瓊珠

1 中化國際圣奧化學(xué)科技有限公司（上海 200126）

2 博謝思（上海）貿(mào)易有限公司（上海 200233）

3,5-二叔丁基-4-羥基苯基丙酸甲酯（MPC，以下簡稱“35 甲酯”），分子式為C18H28O3，熔點為63～68℃，外觀為白色晶狀粉末，無味無毒；揮發(fā)性低，不溶于水，微溶于醇類，可溶于各類烴類溶劑。35 甲酯是生產(chǎn)1010，1076，1098 和1135 等高檔抗氧劑的重要中間體[1-2]。35 甲酯本身也可作為一種基礎(chǔ)抗氧劑使用，對聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等有機高分子化合物具有良好的防氧化功能。

35 甲酯的合成路徑主要有兩種：“酸+醇”法和“酚+酯”法。

“酸+醇”法：由Martin Dexter 等[3]申請的專利提出，以3，5-二叔丁基-4-羥基苯基丙酸為原料，與甲醇在催化劑作用下進行酯化反應(yīng)，可以制備相應(yīng)的酯。該工藝因原料難得，較少用于工業(yè)化生產(chǎn)。

“酚+酯”法：即采用2，6-二叔丁基苯酚（以下簡稱“26 酚”）與丙烯酸甲酯（MA）為原料，在催化劑作用下進行Michael 加成反應(yīng)[4-5]。該法流程較短，原料易得，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

隨著塑料應(yīng)用的不斷發(fā)展，市場上對高品質(zhì)抗氧劑1010，1076，1135 等的需求越來越大，對高純度中間體35 甲酯的品質(zhì)要求也越來越高[6-7]。采用“酚+酯”法路徑的Michael 加成反應(yīng)合成35 甲酯，在反應(yīng)過程中，不可避免地會生成丙烯酸甲酯二聚物（二聚MA）和3，5-二叔丁基-4-羥基苯基二丙酸甲酯（二甲酯）。二聚MA 的生成會降低主反應(yīng)的深度進而導(dǎo)致35 甲酯收率降低；二甲酯的生成直接影響35 甲酯產(chǎn)品的品質(zhì)，容易導(dǎo)致合成的1010，1076等產(chǎn)品色澤呈粉色[8]、抗氧化性能降低等，最終導(dǎo)致抗氧劑產(chǎn)品的競爭力下降。因此，如何有效提升主反應(yīng)深度、減少副反應(yīng)的發(fā)生、提高原料利用率和產(chǎn)品品質(zhì)是合成35 甲酯主要考慮的因素。

基于上述背景，本研究以“醇+酯”法的Michael加成合成35 甲酯為技術(shù)路徑，首先研究了在不同催化劑下酚鹽中間體的制備方式及對加成反應(yīng)的影響，然后考察了合成過程中的各工藝條件，并分析了其作用原理，得出適合于35 甲酯合成的技術(shù)路線及工藝參數(shù)。

1 機理研究

Michael 加成反應(yīng)是指α，β-不飽和羰基化合物受烯醇負離子等親核試劑進攻時，容易發(fā)生1，4-共軛加成。在該反應(yīng)中，生成碳負離子的底物被稱為Michael 供體，α，β-不飽和羰基化合物被稱為Michael 受體[9]。在活潑堿金屬存在的條件下，酚類物質(zhì)容易形成烯醇負離子，作為親核試劑與α，β-不飽和羰基化合物發(fā)生Michael 加成反應(yīng)。35 甲酯合成的Michael 加成反應(yīng)主路線反應(yīng)式 如下所示：

26 酚易溶于醇類、酯類、烷烴等有機溶劑，幾乎不溶于水，呈一定酸性，能電離出H+，在活潑堿金屬攻擊下，脫氫和活潑金屬形成活性中間物酚鹽中間體。該中間體在活潑正價金屬離子作用下，非常容易與OH-或其他負價離子反應(yīng)，因此該反應(yīng)是一個可逆反應(yīng)。在35 甲酯Michael 加成反應(yīng)中，酚鹽中間體是起決定性作用的活性組分，因此高純度酚鹽是加成反應(yīng)深度的關(guān)鍵。酚鹽反應(yīng)中生成的水或醇如果沒有及時移走，則在加成反應(yīng)過程中會和丙烯酸甲酯發(fā)生副反應(yīng)而導(dǎo)致雜質(zhì)生成。因此酚鹽反應(yīng)必須不斷除去反應(yīng)生成的水或醇氧類物質(zhì)，這樣反應(yīng)才能向正向進行，從而獲得高純度酚鹽。

在酚鹽中間體的催化作用下，26 酚和丙烯酸甲酯首先生成35 甲酯鹽。由于35 甲酯鹽的空間位阻效應(yīng)大于26 酚鹽，因此35 甲酯上的活潑金屬離子更容易脫離而去進攻位阻效應(yīng)相對較小的26 酚，從而生成35 甲酯和26 酚鹽。由Michael 加成反應(yīng)機理可以看出，酚鹽金屬離子的活潑程度決定了催化作用的反應(yīng)閾值。

國內(nèi)有文獻[10]采用氫氧化鈉、叔丁醇鉀等為催化劑合成酚鹽，同時采用大量溶劑，工藝復(fù)雜、能耗大。國外有文獻[11]采用金屬鉀、氨基鈉等作催化劑，但這些物質(zhì)使用不安全，固體物質(zhì)加料容易導(dǎo)致反應(yīng)器進氧氣等問題，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。因此，使用安全易得且有足夠活性的合成催化劑是反應(yīng)成功的關(guān)鍵。

由于丙烯酸甲酯的易聚合特性，在Michael 加成反應(yīng)過程中，存在以下副反應(yīng)。

副反應(yīng)1：

副反應(yīng)2：

副反應(yīng)1 為MA 聚合形成二聚MA，然后在酚鹽的作用下與26 酚發(fā)生Michael 加成生成二甲酯。

副反應(yīng)2 為35 甲酯在酚鹽作用下與MA 再次發(fā)生Michael 加成反應(yīng)生成二甲酯。

二聚MA 和二甲酯這兩種副反應(yīng)的產(chǎn)物會極大地影響主反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)品收率。根據(jù)MA 聚合的特性，在溫度升高或者壓力增加時，MA 更容易發(fā)生聚合。但是，Michael 加成反應(yīng)需要足夠的反應(yīng)溫度才能達到一定的反應(yīng)速率。另外，增加壓力也有助于主反應(yīng)的進行，但是壓力增加的同時會導(dǎo)致MA的聚合繼而導(dǎo)致二甲酯反應(yīng)的增加。因此，針對不同的反應(yīng)體系，研究出合適的反應(yīng)溫度和壓力對Michael 加成反應(yīng)很重要。

2 實驗部分

2.1 原料規(guī)格

2,6-二叔丁基苯酚（w>99.8%），北京極易化工有限公司；丙烯酸甲酯（w>99%），中國石化揚子石油化工有限公司；氫氧化鉀（w>48%）、氫氧化鈉（w>50%），濟南金昊化工有限公司；甲酸（w>99%），魯西化工集團股份有限公司。

2.2 實驗步驟

取400 g 26 酚加入750 mL 反應(yīng)器中，隔離反應(yīng)系統(tǒng)，用氮氣置換反應(yīng)器約1 min 進行系統(tǒng)惰化。水浴加熱反應(yīng)器至70 ℃使物料完全融化，滴加設(shè)定量的堿液進反應(yīng)器，并開啟攪拌。然后逐步加熱物料并抽真空至反應(yīng)系統(tǒng)壓力為20 kPa（絕對壓力，下同），待反應(yīng)釜溫度達到105 ℃左右，維持攪拌并進一步抽真空至壓力約為5 kPa，維持約1.0 h，確保生成的所有水分被除盡，得到液態(tài)酚鹽中間體。

控制反應(yīng)溫度、反應(yīng)初始壓力，隔離反應(yīng)器，按照設(shè)定的時間、速率滴加MA。滴加過程中控制反應(yīng)溫度，滴加結(jié)束后繼續(xù)攪拌并保溫一定時間。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)器再次連接真空系統(tǒng)，控制溫度不超過105 ℃并抽真空至5 kPa，維持約2 h，確保所有未反應(yīng)的MA 被移除。然后注入氮氣破除真空，再往反應(yīng)釜內(nèi)滴加比堿金屬過量30%（物質(zhì)的量分數(shù)）的甲酸中和反應(yīng)液，攪拌0.5 h 后過濾，取過濾液樣進行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 堿金屬比例對反應(yīng)的影響

堿金屬的活性是影響Michael 加成反應(yīng)的重要因素。控制堿金屬的量為26 酚物質(zhì)的量的0.3%，n（MA）∶n（26 酚）=1.1，在20 kPa的初始反應(yīng)壓力、110 ℃下密閉反應(yīng)器，控制1.0 h滴加完MA，然后維持反應(yīng)1.0 h。反應(yīng)結(jié)束后，真空抽除MA，加甲酸攪拌，過濾得反應(yīng)液。考察不同混堿配方對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

表1 催化劑K+/Na+物質(zhì)的量比對Michael 加成反應(yīng)的影響

由表1 可以看出，隨著K+比例的增加，35 甲酯的含量有一個快速上升的趨勢，同時35 甲酯反應(yīng)的選擇性也進一步上升，聚合MA 和二甲酯的含量逐漸下降。但是當n（K+）/n（Na+）超過4 以后，35 甲酯的含量開始下降，二聚MA 和二甲酯含量開始增加，反應(yīng)選擇性有所下降。

由于K酚鹽在Michael 加成體系中的活性高于Na 酚鹽，由上述實驗結(jié)果可知：K 酚鹽可有效促進反應(yīng)深度，降低反應(yīng)閾值。Na 酚鹽可有效增加反應(yīng)體系的活性，加快反應(yīng)速率。因此隨著K 酚鹽的增加，35 甲酯轉(zhuǎn)化率上升較快。但是當K 酚鹽比例達到用量最高點后，Na 酚鹽的減少造成反應(yīng)速率不夠高，導(dǎo)致35 甲酯轉(zhuǎn)化率降低。主反應(yīng)反應(yīng)深度降低的同時，導(dǎo)致更多的MA 累積并發(fā)生聚合，繼而發(fā)生二甲酯的合成。

由此可見，K 酚鹽和Na 酚鹽在Michael 加成反應(yīng)體系中是相輔相成的。一個合適的比例可有效促使反應(yīng)朝想要的方向進行。在合成35 甲酯的反應(yīng)體系下，n（K+）/n（Na+）=4 是較合適的催化劑配方。

3.2 催化劑用量對加成反應(yīng)的影響

堿催化劑的用量不僅影響反應(yīng)結(jié)果，同時對去除金屬離子的后處理提出要求，因為過量的堿金屬在后處理時需要耗費更多的甲酸，同時產(chǎn)生更多的危廢。控制n（K+）/n（Na+）=4，調(diào)節(jié)不同的混堿加入量，制得酚鹽中間體。在n（MA）∶n（26 酚）=1.1、20 kPa 的初始反應(yīng)壓力、110 ℃下密閉反應(yīng)器，控制1.0 h 滴加完MA，然后維持反應(yīng)1.0 h。考察催化劑混堿加入量對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2。

由表2 可以看出，隨著催化劑用量的增加，35甲酯的含量增加。在催化劑用量為26 酚物質(zhì)的量的3%之前，35 甲酯含量隨催化劑用量增加有一個明顯的上升趨勢，同時主反應(yīng)選擇性也有一個上升趨勢。當催化劑用量比達到4%后，35 甲酯含量增加不明顯，但二甲酯含量卻有一個上升趨勢。

由實驗結(jié)果可知，催化劑加入過少，酚鹽含量降低，顯著降低反應(yīng)速率。由于反應(yīng)速率降低，多余的MA 發(fā)生聚合生成二聚MA，繼而與26 酚發(fā)生反應(yīng)生成二甲酯。當堿金屬比例超過0.03 后，再增大催化劑加入量，對35 甲酯主反應(yīng)的促進作用不大，過多的活性中間體反而促進二甲酯加成反應(yīng)的進行，導(dǎo)致反應(yīng)選擇性降低。

因此，對于35 甲酯的加成反應(yīng)體系，較合適的催化劑量為n（堿金屬）∶n（26 酚）=0.03。

3.3 丙烯酸甲酯過量比例對加成反應(yīng)的影響

在確定催化劑配方及用量的基礎(chǔ)上，考察不同原料配比的影響。在20 kPa 的初始反應(yīng)壓力下，調(diào)節(jié)MA 的加入量，110 ℃下控制1.0 h 滴加完MA，維持反應(yīng)1.0 h，得到的實驗結(jié)果見表4。

由表3 可以看出，隨著MA 加入量的增加，35甲酯的含量呈現(xiàn)出逐步增加的趨勢，在投入比例達到1.10 后，35 甲酯的含量逐步減少。但是二聚MA和二酯的含量隨著MA 過量比例的增加，呈現(xiàn)出單邊增長的趨勢。主反應(yīng)的選擇性在MA 與26 酚物質(zhì)的比為1.05～1.10 時出現(xiàn)最高值。

表3 MA 加入量對Michael 加成反應(yīng)的影響

由實驗結(jié)果可知，MA 過量有助于反應(yīng)的進行。在n（MA）∶n（26 酚）不超過1.10 之前，MA 過量值的增加對主反應(yīng)起貢獻作用。這是由于在反應(yīng)器的上部空間存在MA 的氣相部分，導(dǎo)致溶解在反應(yīng)體系內(nèi)的MA 小于反應(yīng)需要的量。但是比值超過1.10后，更多的MA 對主反應(yīng)所起的作用不大，反而MA的聚合及二甲酯反應(yīng)開始增加。

因此，在該反應(yīng)系統(tǒng)下，較合適的MA 與26 酚的物質(zhì)的量比為1.10。

3.4 初始反應(yīng)壓力對加成反應(yīng)的影響

實驗采用密閉法反應(yīng)，初始反應(yīng)壓力決定了整個過程的反應(yīng)壓力。調(diào)節(jié)不同的初始密閉壓力，按照MA 過量10%，110℃下控制1.0 h 滴加完MA，維持反應(yīng)1.0 h，實驗結(jié)果見表4。

表4 初始反應(yīng)壓力對Michael 加成反應(yīng)的影響

從表4 可以看出，隨著初始反應(yīng)壓力的降低，35甲酯含量有一個緩慢的上升過程，但是二聚MA 和二甲酯卻顯著減少。當初始壓力降低至10 kPa 時，35 甲酯的含量反而有所下降，二聚MA 和二甲酯的含量有所上升。

雖然增加壓力有助于Michael 加成反應(yīng)的進行，但是副反應(yīng)MA 聚合和二甲酯反應(yīng)也會相應(yīng)增加。通過降低初始反應(yīng)壓力，可以有效避免MA 的聚合，配合合適的滴加速率和反應(yīng)時間，可以有效增加35 甲酯反應(yīng)的選擇性。但是過低的反應(yīng)壓力會過分抑制加成反應(yīng)的進行，導(dǎo)致MA 在反應(yīng)體系內(nèi)累積而發(fā)生聚合。

因此，對于采用“酚+酯”法Michael 加成合成35 甲酯的工藝，較合適的初始反應(yīng)壓力為20 kPa。

3.5 丙烯酸甲酯滴加時間對反應(yīng)的影響

在MA 過量10%、初始反應(yīng)壓力為20 kPa、反應(yīng)溫度為110 ℃的條件下，按照不同的速率滴加MA，滴加結(jié)束后維持1.0 h，實驗結(jié)果見表5。

表5 MA 滴加時間Michael 加成反應(yīng)的影響

由表5 可以看出，隨著MA 滴加時間的延長，即滴加速率的減小，35 甲酯的含量略有增加。但是二甲酯的含量在過快或過慢的滴加下都顯著增加，同時35 甲酯的選擇性都相對較低。

滴加過慢時，可以確保滴加的MA 充分與26 酚反應(yīng)生成35 甲酯，但是過慢的反應(yīng)也導(dǎo)致需要過長的反應(yīng)時間，從而導(dǎo)致MA 與35 甲酯生成二甲酯的副反應(yīng)增加。若滴加過快，由于部分MA 來不及與酚鹽反應(yīng)，從而導(dǎo)致更多的二聚MA 生成。合適的滴加速率既可以確保充分的加成主反應(yīng)，又可以避免副反應(yīng)過度發(fā)生而生成二甲酯。

因此，針對35 甲酯的Michael 加成反應(yīng)，合適的滴加時間應(yīng)控制在1.0 h。

3.6 反應(yīng)溫度對加成反應(yīng)的影響

在MA 過量10%、反應(yīng)器20 kPa的初始壓力下，調(diào)節(jié)不同的反應(yīng)溫度，然后控制MA 滴加時間為1.0 h，滴加結(jié)束后維持1.0 h，實驗結(jié)果見表6。

表6 反應(yīng)溫度對Michael 加成反應(yīng)的影響

由表6 可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，35 甲酯的含量和主反應(yīng)選擇性呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，在115℃出現(xiàn)最高值。但是二聚MA 和二甲酯的含量則隨著反應(yīng)溫度的升高先呈現(xiàn)下降的趨勢，在110℃出現(xiàn)最低含量后，逐步變成增加的趨勢。

由此可以得出結(jié)論，過高或過低的反應(yīng)溫度都不利于35 甲酯的加成反應(yīng)。這是由于過低的反應(yīng)溫度導(dǎo)致反應(yīng)活性下降，35 加成主反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較低，更多MA 累積在反應(yīng)器內(nèi)；100 ℃已經(jīng)足夠引起MA的聚合反應(yīng)，繼而二甲酯反應(yīng)也相應(yīng)增多。過高的反應(yīng)溫度雖然有助于主反應(yīng)進行，但是此時副反應(yīng)也進一步加快，特別是超過115 ℃后，二聚MA 反應(yīng)和二甲酯反應(yīng)對產(chǎn)物的影響超過了主反應(yīng)。

綜合考慮35 甲酯的反應(yīng)深度和選擇性，保溫反應(yīng)溫度在110～115 ℃比較適合該體系。

3.7 保溫時間對反應(yīng)的影響

在MA 過量10%、20 kPa 的初始壓力、反應(yīng)溫度為110 ℃下，控制1.0 h滴加完MA，然后維持不同的保溫反應(yīng)時間，實驗結(jié)果見表7。

表7 保溫時間對Michael 加成反應(yīng)的影響

由表7 可以看出，隨著保溫時間的延長，35 甲酯的含量呈先增加后減少的趨勢，在1.5 h 左右出現(xiàn)最高值。二聚MA 和二甲酯含量則隨保溫時間延長呈單邊增長的趨勢，同時，主反應(yīng)選擇性逐步下降。

由此可以得出結(jié)論，延長保溫時間有助于促進Michael 加成反應(yīng)的深度，但是當主反應(yīng)達到一個最高點后，副反應(yīng)的效應(yīng)開始逐步明顯。隨著保溫時間的延長，二聚MA 逐漸聚合增多，繼而導(dǎo)致二甲酯副反應(yīng)逐漸增多，最終反映在主反應(yīng)上的結(jié)果是選擇性先增加后降低。延長保溫時間的同時會影響反應(yīng)的批次時間，進而影響裝置的產(chǎn)能。綜合考慮35 甲酯的反應(yīng)深度、反應(yīng)選擇性及裝置產(chǎn)能，保溫時間控制在1.0 h 比較合適。

4 結(jié)論

以2，6-二叔丁基苯酚和丙烯酸甲酯為原料，采用KOH 與NaOH 混堿作催化劑，堿金屬離子與26酚的物質(zhì)的量為0.3%，n（K+）/n（Na+）=4 時，反應(yīng)結(jié)果較好。混堿生成的兩種酚鹽中間體可有效加深反應(yīng)深度，提高反應(yīng)速率。

在確定混堿催化劑的條件下，控制MA 過量約10%、反應(yīng)初始壓力為20 kPa、反應(yīng)溫度為115 ℃，密閉反應(yīng)器，控制約1.0 h 滴加完MA，隨后保溫1.0 h，可得到35 甲酯含量為93.52%，主反應(yīng)選擇性達99.53%的結(jié)果。該實驗結(jié)果可用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)中的優(yōu)化調(diào)試，具有一定的應(yīng)用價值。