H2O2直接氧化甲苯合成邻/对甲酚

时间：2024-08-31

俞新南，朱小刚，刘芳，张跃，严生虎，刘建武

1.南通醋酸化工股份有限公司，江苏南通 226017；2.常州大学药学院，江苏常州 213164；3.石油和化工行业连续流技术工程实验室，江苏常州 213164

邻/对甲酚是重要的精细化学品，在医药、农药和香料等领域应用十分广泛［1］。传统的甲酚生产方法主要有甲苯磺化碱熔法［2］、苯酚烷基化法［3］、异丙基甲苯氧化法［4］、甲苯氯化水解法［5］和甲基苯胺法［6］等，其中甲苯磺化碱熔法是最早用于生产甲酚的方法，技术成熟，工艺简单，但因使用大量强酸强碱，设备腐蚀和环境污染严重，目前已被逐步淘汰。苯酚烷基化法、异丙基甲苯氧化法和甲苯氯化水解法已在国外规模化生产，这3种方法普遍存在工艺过程复杂、污染严重、高温高压以及对设备腐蚀严重等缺点，因此有待开发新的生产工艺。

近年来，利用甲苯和H2O2直接羟基化合成甲酚的研究较多［7-8］。由于芳香族化合物苯环上的C—H键能高，不易直接活化且在苯环上直接引入羟基很困难，同时芳环羟基化和甲苯侧链氧化存在竞争反应，氧化历程和产物分布难以精确控制，因此，高活性/高选择性催化剂是羟基化反应进行的关键。这类催化剂主要有FeO［9-10］、Al2O3-Fe2O3复合金属氧化物［11-12］、硅钼钒和硅钨钒杂多酸盐［13-14］和钛硅分子筛（Ts-1）［15-16］等，最终甲苯转化率约11.7%、苯甲醛选择性约52.2%、甲酚选择性约38.8%，同时还有苯甲醇和其他副产物生成。由此可见，这些催化剂普遍存在原料转化率低、产品选择性低、催化剂制备复杂和反应时间长等问题。过氧化氢法是以甲苯和H2O2为原料，在催化剂作用下直接氧化生成邻/对甲酚，不需要经过磺化、水解、酸化和分离等步骤，因为该工艺不使用强酸强碱，不会产生大量较难处理的废水，且其反应步骤少、绿色无污染、原子利用率高，因而成为甲酚合成研究的主要方向。

笔者在现有制备方法基础上，以过渡金属盐及其氧化物为催化剂，甲苯经H2O2液相氧化直接生成邻/对甲酚，该制备方法具有原子经济性高、工艺简洁和环境友好等特点，为工业上制备酚类化合物提供新的路径。

1 实验

1.1 试剂和仪器

甲苯，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；H2O2溶液，工业级，中盐常州化工有限公司；硫酸氧钒、偏钒酸铵，分析纯，上海达瑞精细化学品有限公司；醋酸钴、醋酸铜、乙腈、丙酮，分析纯，上海凌峰试剂有限公司；冰醋酸，化学纯，上海申博化工有限公司；叔丁醇，分析纯，上海展云化工有限公司；环氧酸钴、FeSO4、草酸亚铁、Fe2O3、FeO、CuCl，分析纯，北京百灵威科技有限公司。

Agilent7890B 型气相色谱仪，安捷伦科技有限公司；DF101S 型集热式恒温磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；RE-3000A 型旋转蒸发仪器，上海亚荣生化仪器厂；DLSB-500 型低温冷却循环泵，南京科尔仪器设备有限公司。

1.2 实验过程

在配有水冷凝装置、温度计和磁力搅拌加热装置的四口烧瓶中，加入一定量甲苯、催化剂和溶剂，加热搅拌，开启冷凝水。升温到一定温度后，量取适量H2O2溶液倒入恒压滴液漏斗中，控制滴加速度，反应结束后，料液用二氯甲烷多次萃取，保留有机相，进行气相色谱定量分析。

1.3 反应机制

甲苯羟基化反应可以发生在芳环上，也可以在侧链上进行，芳环上亲电取代反应产物为邻/间/对甲酚，侧链上自由基反应产物为苯甲醇和苯甲醛［17-20］，其反应机制见图1。

图1 甲苯直接氧化反应机制

氧化过程中过渡金属离子促使H2O2均裂产生·OH，而过渡金属离子在H2O2的作用下被氧化为高价态离子，·OH 进攻甲苯形成酚羟基离子，与体系中的高价态过渡金属离子作用，通过释放一个电子，发生亲电取代形成甲酚。甲苯在过渡金属离子作用下生成苄基自由基，·OH进攻苄基生成不稳定中间态，脱去一分子水，形成副产物苯甲醇和苯甲醛，进一步深度氧化成苯甲酸。

1.4 分析方法

采用Agilent7890B 型气相色谱仪进行定量检测，色谱柱为HP-5（30 m×300 μm×0.25 μm），进样口温度240 ℃，检测器温度250 ℃，程序升温（初温100 ℃，以25 ℃/min升温至250 ℃），进样量1 μL。采用面积归一化法计算分析结果。

1.5 转化率与选择性计算

甲苯转化率与邻甲酚、对甲酚和苯甲醛的选择性计算见式（1）~（4）。

式中：X（甲苯）为甲苯转化率，S（邻甲酚）为邻甲酚选择性，S（对甲酚）为对甲酚选择性，S（苯甲醛）为苯甲醛选择性，n0为加入的甲苯物质的量，n1为所消耗的甲苯物质的量，n2为邻甲酚物质的量，n3为对甲酚物质的量，n4为苯甲醛物质的量。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

甲苯羟基化反应亲电取代反应产物为邻/对甲酚，自由基反应产物为苯甲醛。甲苯直接氧化过程产物中邻甲酚、对甲酚和苯甲醛样品的质谱图和1H NMR谱图如图2和3所示。

图2 氧化产物的质谱图

2.2 催化剂种类对氧化反应的影响

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、m（催化剂）：m（甲苯）=0.10∶1、乙腈为溶剂、反应温度80 ℃、反应1.0 h 的条件下，考察不同催化剂对氧化反应的影响，结果如表1所示。

图3 氧化产物的1 H NMR谱图

表1 不同催化剂对氧化反应的影响

由表 1 可知：以 Fe2O3和 FeO 为催化剂时，由于催化剂在溶剂乙腈和原料甲苯中溶解度较小，导致甲苯转化率较低；以Co、V 和Cu 等金属盐为催化剂时，甲酚的选择性小于苯甲醛的选择性；以含Fe 硫酸盐为催化剂时，H2O2溶液容易和Fe2+形成Feton 氧化体系，提高催化氧化能力，苯甲醛的选择性小于甲酚的选择性。实验表明，过渡金属盐对氧化反应有一定的催化活性，芳环上侧链容易发生自由基反应，大部分氧化产物为苯甲醛，当FeSO4为催化剂时，芳香环侧链容易发生亲电取代反应，甲酚的区域选择性较高，酚/醛比高，此时甲苯转化率为12.8%，邻甲酚选择性为25.7%，对甲酚选择性为25.5%。

2.3 催化剂用量对氧化反应的影响

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、FeSO4为催化剂、乙腈为溶剂、反应温度80 ℃、反应1.0 h的条件下，考察催化剂用量对氧化反应的影响，结果如图4所示。

图4 催化剂用量对氧化反应的影响

由图4 可知：催化剂是H2O2直接氧化甲苯制备邻/对甲酚的关键因素。从反应机制可知，由于过渡金属离子促使H2O2释放出·OH，进攻甲苯形成甲基环己二烯自由基，此中间体非常不稳定，在催化剂作用下生成目标产物。催化剂浓度越高，H2O2释放的•OH越多，甲苯转化率就越高；但是过渡金属离子用量过高，会加快H2O2分解速率，导致氧化剂有效含量减少，不利于反应的进行。实验表明，当m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1时，反应效果较好，甲酚的选择性小于苯甲醛的选择性，此时甲苯的转化率为12.6%，邻甲酚选择性为25.1%，对甲酚选择性为25.2%。

2.4 溶剂对氧化反应的影响

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1.0、反应温度80 ℃、反应1.0 h 的条件下，考察不同溶剂对氧化反应的影响，结果如图5所示。

图5 不同溶剂对氧化反应的影响

由图5 可知：溶剂的极性对邻/对甲酚和苯甲醛选择性影响较大。以叔丁醇为溶剂时，苯甲醛的选择性小于邻甲酚的选择性，甲苯转化率低，这是由于叔丁醇-水-甲苯三者沸点相近，形成三元共沸，难以分离；以水为溶剂时，甲苯与水容易形成油水两相，存在传质障碍，原料和溶剂难以充分混合，催化剂分散性较差，致使甲苯转化率较低；以丙酮为溶剂时，邻/对甲酚的选择性均小于苯甲醛的选择性；以乙酸为溶剂时，对甲酚的选择性和苯甲醛的选择性均较低；但以乙腈为溶剂时，邻/对甲酚的选择性较其他溶剂的选择性大，乙腈为非质子极性溶剂，对水相和有机相均有较好的溶解性，反应效率高。当芳环上侧链发生自由基反应，溶剂乙腈能传递自由基，副反应概率增大，苯甲醛含量也增加显著。以乙腈为溶剂时，甲苯转化率为12.8%，邻甲酚选择性为24.8%，对甲酚选择性为25.1%。

2.5 反应温度对氧化反应的影响

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1、乙腈为溶剂、反应1.0 h 的条件下，考察反应温度对氧化反应的影响，结果如图6 和7所示。

图6 反应温度对氧化反应的影响

图7 H2O2浓度随温度的变化

反应温度是影响氧化反应的重要因素之一，温度升高10 ℃，反应速率加快2~4 倍，即反应温度越高，反应速率越快，转化率越高。由图6 和7 可知：当温度较低时，甲苯转化率低；当温度较高时，反应物得到活化，强化了传质，甲苯的转化率明显提高，邻/对甲酚的选择性也有一定的提高，苯甲醛选择性反而降低；继续升高温度，体系中H2O2分解严重，氧化剂有效浓度大幅度衰减，氧化反应速率减慢，甲苯的转化率和甲酚选择性变化不明显。实验结果表明，当温度为80 ℃时，反应效果较好，此时甲苯转化率为12.6%，邻甲酚选择性为25.6%，对甲酚选择性为25.1%。

2.6 氧化剂用量对氧化反应的影响

在m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1、乙腈为溶剂、反应温度80 ℃、反应1.0 h 的条件下，考察氧化剂用量对氧化反应的影响，结果如图8所示。

图8 氧化剂用量对氧化反应的影响

H2O2直接氧化甲苯制备邻/对甲酚反应，理论上来说，是一个原子利用率100%的反应，即甲苯和H2O2的摩尔比为1∶1，但是H2O2极易分解，实验中H2O2常常需要过量。由图8 可知：增加氧化剂用量，甲苯转化率和邻/对甲酚选择性有所提高，随着反应的进行，生成的苯甲醛、邻/对甲酚活性高于甲苯，再增加氧化剂用量，会促进副反应的产生。实验发现，苯环由于本身活化难度大，甲苯的氧化速率相对较慢，芳环上甲基先活化，生成苯甲醛以及邻/对甲酚。实验结果表明，n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1时，效果最佳，此时甲苯转化率为12.6%、邻甲酚选择性为25.6%，对甲酚选择性为25.1%。

2.7 H2O2质量分数对氧化反应的影响

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1、乙腈为溶剂、反应温度80 ℃、反应1.0 h 的条件下，考察H2O2质量分数对氧化反应的影响，结果如图9所示。

图9 H2O2质量分数对氧化反应的影响

由图9 可知：H2O2质量分数越大，甲苯的转化率越高，邻/对甲酚选择性有明显的提高。若使用低浓度H2O2，那么反应体系中含水量较大，由于甲苯与水不互溶，原料和氧化剂未能充分混合，传质效果较差，导致甲苯转化率低。实验结果表明，高浓度氧化剂有利于氧化反应，但高浓度H2O2存在安全隐患，从安全性和氧化产物分布来看，实验过程中需将H2O2配制成质量分数为50%的溶液，再进行氧化甲苯实验。

2.8 反应时间对氧化反应的影响

在n（H2O2）∶n（甲苯）=5∶1、m（FeSO4）∶m（甲苯）=0.10∶1、乙腈为溶剂、反应温度80 ℃的条件下，考察反应时间对氧化反应的影响，结果如图10和11所示。

图10 反应时间对氧化反应的影响

图11 H2O2浓度随时间的变化

由图10 和11 可知：反应初期，反应时间对邻/对甲酚选择性的影响较大，H2O2滴加缓慢，会降低体系的温度，且甲苯还处于活化阶段；反应中后期，由于H2O2发生自身分解，此时反应体系中H2O2浓度快速减少，H2O2也因参与反应和分解几乎消耗完全。因此，随着反应时间的延长，甲苯转化率以及甲酚收率趋于稳定。实验结果表明，当反应时间为1.0 h 时，反应效果较好，此时甲苯转化率为12.5%，邻甲酚选择性为25.2%，对甲酚选择性为25.1%。