楊 濤, 唐 璇*, 薛 珊, 周宛欣, 成西濤

(1. 西安石油大學(xué),陜西 西安 710065; 2. 陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院,陜西 西安 710054)

4,4′-二(羥甲基)聯(lián)苯(4,4′-bis(hydroxymethyl)biphenyl),又名聯(lián)苯對二甲醇(BHMBP),作為合成具有低吸濕性和阻燃性聚合物的單體[1],用于高性能聚合物的合成和液晶等產(chǎn)品的生產(chǎn),也可用于其它聯(lián)苯衍生物如4,4′-聯(lián)苯二甲酸[2-3]的合成。BHMBP的合成主要采用4,4′-二(氯甲基)聯(lián)苯(BCMBP)為原料進(jìn)行生產(chǎn)[4-5]。上世紀(jì)90年代末,日本南?；瘜W(xué)工業(yè)株式會(huì)社[6]公開了合成BHMBP的專利,其反應(yīng)在強(qiáng)堿存在下的有機(jī)溶劑/H2O介質(zhì)中,于100 ℃左右進(jìn)行,收率為95%,同時(shí)有淡黃色副產(chǎn)物生成,增加了后續(xù)分離難度。侯文杰等[7]利用溶劑法在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中,在水解劑甲酸鈉的作用下進(jìn)行水解反應(yīng)合成了BHMBP。然而水解劑用量大且有副產(chǎn)物二芐醚的生成,使產(chǎn)物含量較低,因此需精制才能用于后續(xù)生產(chǎn)[8]。來國橋等[9]研究發(fā)現(xiàn)BCMBP在乙腈/水中進(jìn)行水解反應(yīng),合成BHMBP需反應(yīng)29 h以上,反應(yīng)周期過長,而強(qiáng)堿的存在會(huì)降低反應(yīng)的產(chǎn)率。據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道[10],聚乙二醇(PEG)在陽離子誘導(dǎo)下可以重疊成螺旋形結(jié)構(gòu),使反應(yīng)物具有較高的活性,一方面可以提高產(chǎn)物收率,減少副反應(yīng);另一方面可縮短反應(yīng)時(shí)間。因此,聚乙二醇作為一種低毒、安全且穩(wěn)定的催化劑[11-12],被廣泛地應(yīng)用于各類化學(xué)反應(yīng)中。

本研究以4,4′-二氯甲基聯(lián)苯為原料,PEG作為催化劑,在乙腈和堿液存在的條件下,經(jīng)水解發(fā)生親核取代生成4,4′-二(羥甲基)聯(lián)苯(圖1),產(chǎn)物經(jīng)1H NMR, IR和HPLC表征。探討了4,4′-二(羥甲基)聯(lián)苯可能的合成路線,確定了較優(yōu)的溶劑法,同時(shí)進(jìn)行了反應(yīng)條件的優(yōu)化,并提出了可能的反應(yīng)機(jī)理。該工藝反應(yīng)條件溫和,副反應(yīng)少,而且周期短,收率高,是一種適宜的工藝路線。

圖1 4,4′-二(羥甲基)聯(lián)苯的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

MPLK-701型數(shù)顯控溫加熱攪拌器;DZF-6050ABDZF型真空干燥箱;RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器;5700-尼高力型紅外光譜儀;Bruker AVANCE III 400M型布魯克-液體核磁共振儀;安捷倫-1260型液相色譜儀。

所用試劑均為分析純。

1.2 合成

在250 mL三口瓶中先后加入BCMBP 10 g(0.04 mol)、 KOH 6.69 g(0.12 mol)、乙腈150 mL和水15 mL,攪拌加熱至回流,緩慢滴加催化劑PEG-600 3.0 g,保溫反應(yīng)10～12 h后,溶液過濾分液,有機(jī)相經(jīng)減壓蒸餾后有白色物體析出,過濾后得粗品BHMBP,再經(jīng)水洗、抽濾和重結(jié)晶,烘干得白色固體BHMBP,純度98.2%, m.p.191～192 ℃;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 7.62～7.52(m, 2H), 7.47 ～7.39(m, 2H), 5.15(s, 2H), 2.12(s, 3H); IR(KBr)ν: 3500(—OH), 3040, 950, 780(C—H), 2930, 2850(—CH2), 1500(C=C), 1050, 1300(C—O) cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑與水解劑的篩選

以BCMBP為底物,考察不同溶劑與水解劑對產(chǎn)物收率、含量的影響,結(jié)果見表1。首先在溶劑存在的條件下,加入一定量水反應(yīng)30 h,并依次探究甲苯、氯苯和乙腈溶劑對反應(yīng)的影響。結(jié)果表明,乙腈作溶劑時(shí)效果最佳,這是由于乙腈與水互溶,對原料BCMBP也有一定的溶解度,可以提高產(chǎn)物BHMBP的含量至55.8%;而甲苯微溶于水,氯苯不溶于水,因此產(chǎn)物含量較低。進(jìn)一步探究不同水解劑對反應(yīng)的影響,結(jié)果表明,氫氧化鉀作水解劑時(shí)效果最佳,收率為67.3%,產(chǎn)物含量為81.6%。此外,產(chǎn)品含量隨水解劑堿性的增強(qiáng)而增大。因此,選用乙腈作為溶劑,KOH作為水解劑來進(jìn)行后續(xù)反應(yīng)研究。

表1 溶劑與水解劑的篩選

2.2 配料比的影響

(1) 物料比的影響

在上述條件下,研究BCMBP和KOH的不同物料比對目標(biāo)產(chǎn)物BHMBP收率與含量的影響。由表2可知,隨物料比增加,堿可以提供大量反應(yīng)物所需要的氫氧根,產(chǎn)品的收率與含量逐漸增加;當(dāng)n(BCMBP)∶n(KOH)=1.0 ∶3.0時(shí),產(chǎn)品含量為85.2%,收率達(dá)到58.2%。而當(dāng)該比例繼續(xù)增大時(shí),產(chǎn)品含量與收率反而減少,這是由于堿的加入量增加,生成粘稠副產(chǎn)物,目標(biāo)產(chǎn)物的收率及含量降低。

表2 物料的物質(zhì)的量之比對反應(yīng)的影響

(2) 溶劑比的影響

在上述優(yōu)化條件下,探究溶劑乙腈和H2O的體積比對反應(yīng)的影響。由表3可知,BHMBP的含量隨著溶劑比的增大而增大。當(dāng)溶劑比為10 ∶1時(shí),BHMBP收率為84.6%,含量達(dá)到89.5%。由此可見,乙腈對水和BHMBP均具有良好的溶解性,可以促進(jìn)反應(yīng)介質(zhì)中BCMBP的溶解;而隨著溶劑比的增大,產(chǎn)物含量開始減少,這是由于過量的乙腈在堿性條件下發(fā)生水解,生成酰胺類產(chǎn)物,影響目標(biāo)產(chǎn)物的含量。因此,當(dāng)溶劑的體積比V(乙腈) ∶V(H2O)=10 ∶1時(shí)最為適宜。

表3 溶劑體積比對反應(yīng)的影響

2.3 反應(yīng)溫度的影響

在上述優(yōu)化條件下,進(jìn)一步考察溫度對反應(yīng)的影響,其結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,反應(yīng)溫度對反應(yīng)影響較大,隨著反應(yīng)溫度升高,BHMBP含量先急劇增大后緩慢增長,升高溫度有利于反應(yīng)中BHMBP含量的增大。當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)70 ℃后,BHMBP含量增幅減小,繼續(xù)升高溫度至78 ℃,此時(shí)反應(yīng)體系溫度達(dá)到共沸點(diǎn),產(chǎn)物BHMBP含量達(dá)到最高,高達(dá)90.8%。

溫度/℃

2.4 反應(yīng)時(shí)間的影響

在上述優(yōu)化條件下,乙腈作為溶劑,KOH作為水解劑,在物料比為n(BCMBP)∶n(KOH)=1.0 ∶3.0,溶劑比為V(乙腈)∶V(H2O)=10 ∶1,反應(yīng)溫度為78 ℃的條件下,探究反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)的影響,其結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,BHMBP含量先急劇增大后趨于平穩(wěn)。當(dāng)反應(yīng)至30 h時(shí),BHMBP含量達(dá)到90%以上,表明BHMBP水解反應(yīng)趨于完成。

反應(yīng)時(shí)間/h

2.5 催化劑的篩選

上述優(yōu)化條件中存在反應(yīng)時(shí)間過長的問題,因此,保持其它反應(yīng)條件不變,進(jìn)一步研究催化劑種類與用量對BHMBP含量及反應(yīng)時(shí)間的影響,結(jié)果如表4所示。由表4可知,無催化劑時(shí),BHMBP收率為86.4%,含量可達(dá)到90.8%,而反應(yīng)時(shí)間長達(dá)30 h;催化劑CTAB的參與不僅使副產(chǎn)物增多,還會(huì)使產(chǎn)物含量大大降低。三乙胺可以縮短反應(yīng)時(shí)間至19 h,但選擇性不佳,產(chǎn)物含量僅為56.6%;在催化劑PEG-200的參與下反應(yīng)僅需12 h,收率可達(dá)到77.2%。通過比較可知,催化劑PEG-200對BCMBP的水解反應(yīng)的催化效果較好。

表4 催化劑的篩選

在催化劑用量相同的情況下,隨著PEG分子量的增加,產(chǎn)物含量開始增大,當(dāng)PEG分子量增加到600時(shí),BHMBP的收率與含量分別為89.3%和95.5%(Entry 6);當(dāng)分子量繼續(xù)增大時(shí),PEG形態(tài)由液體變?yōu)橄灎罟腆w,其吸水性和有機(jī)溶劑的溶解度下降,凝固點(diǎn)與粘度相應(yīng)提高,因此BHMBP的收率不僅不增加,反而出現(xiàn)下降的趨勢,此時(shí)BHMBP收率為74.7%,含量達(dá)到85.5%(Entry 7)。由此可見, PEG-600對反應(yīng)的催化效果最優(yōu)。表4中(Entry 6、 8～9),當(dāng)PEG-600用量為3.0 g時(shí),BHMBP的收率與含量最高,分別為93.9%和97.2%。當(dāng)催化劑過量時(shí),易產(chǎn)生一些副反應(yīng),從而使BHMBP含量與收率有所下降。因此,催化劑PEG-600的加入,可以大大縮短反應(yīng)時(shí)間,提高BHMBP的含量與收率,并且催化劑PEG-600用量以3.0 g為宜。

2.6 BCMBP的水解機(jī)理

BCMBP的水解反應(yīng)是典型的親核取代反應(yīng)。BCMBP中“鹵素電負(fù)性”很強(qiáng),因此,C—Cl鍵的1對電子偏向氯原子,使碳原子帶部分的正電荷而易受帶有1對電子的親核試劑進(jìn)攻。整個(gè)反應(yīng)為堿性水解反應(yīng),為SN2雙分子歷程(圖4)。

圖4 水解反應(yīng)過程

BCMBP不溶于水而較難在水中發(fā)生水解反應(yīng),而乙腈與水互溶且對BCMBP有良好的溶解性,因此可以促使BCMBP溶解在反應(yīng)介質(zhì)中。在水解過程中,油水兩相體系消失,形成均相反應(yīng)介質(zhì)。BCMBP的水解反應(yīng)一般較緩慢,而當(dāng)KOH作為水解劑時(shí),其OH-代替水作水解劑,可以加速反應(yīng)進(jìn)程。一般而言,親核試劑的“堿性愈強(qiáng),親核能力亦愈強(qiáng)”[13],且成鍵快,反應(yīng)性強(qiáng)。BCMBP在KOH溶液中反應(yīng),由于OH-的濃度大,便可直接進(jìn)攻參與反應(yīng),形成過渡態(tài)(I)[14];通過消除氯離子(Cl-),羥基與碳原子形成共價(jià)鍵,最后生成目標(biāo)產(chǎn)物(II)(圖5)。

圖5 PEG催化合成BHMBP

PEG作為相轉(zhuǎn)移催化劑(PTC),其催化機(jī)理是由于鏈節(jié)可以折迭成螺旋狀并自由滑動(dòng)的鏈[15]。PEG在K+的誘導(dǎo)下重疊成螺旋形結(jié)構(gòu)(Ⅲ),其中氧原子位于結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè),形成的7～8個(gè)氧原子處于同一平面的假環(huán)狀結(jié)構(gòu),而其余氧原子則彎伸于平面的一側(cè)。一方面,通過這種結(jié)構(gòu)與K+的絡(luò)合起到增溶BCMBP作用,另一方面與反應(yīng)試劑的K+結(jié)合生成偽有機(jī)陽離子,親核試劑氫氧根裸露,使之具有較高的反應(yīng)活性,同時(shí)從水相轉(zhuǎn)移至有機(jī)相中形成目標(biāo)產(chǎn)物(Ⅱ),提高了反應(yīng)速率且縮短了反應(yīng)時(shí)間。

2.7 芐基類化合物的水解工藝研究

目前有關(guān)BCMBP的水解工藝研究較少,因此,選擇從結(jié)構(gòu)(官能團(tuán))-芐基入手,研究其水解條件及水解機(jī)理。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[16-17],芐醇類化合物的催化合成主要有催化酯化法,芐基氯和乙酸鹽/甲酸鹽反應(yīng)。在相轉(zhuǎn)移催化下,生成芐酯類化合物,再與NaOH發(fā)生水解反應(yīng)生成芐醇,該過程雖能減少副產(chǎn)物芐醚的生成,但條件嚴(yán)格,反應(yīng)步驟多且不便操作。

關(guān)于芐基類化合物水解的相關(guān)研究報(bào)道表明,其反應(yīng)在溶劑/水溶液中進(jìn)行而非純水中。采用溶劑法[7]在DMF中與水解劑反應(yīng)生成BHMBP,但水解劑用量大,為原料質(zhì)量比的6倍,將導(dǎo)致大量副產(chǎn)物的生成,且不利于后續(xù)分離及廢液處理;而在無堿條件下于乙腈/水中進(jìn)行反應(yīng)時(shí),雖收率較高,但反應(yīng)周期長達(dá)29 h以上[9],因此,BHMBP的合成工藝仍有待改善。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中,為抑制副反應(yīng)的發(fā)生[18-19],通常使用相轉(zhuǎn)移催化劑[20-21]來提高反應(yīng)速率及其選擇性。本文研究了催化合成BHMBP的優(yōu)化工藝:在PEG-600催化下,乙腈為溶劑,KOH為水解劑,配料比n(BCMBP)∶n(KOH)=1 ∶3,V(乙腈) ∶V(H2O)=10 ∶1,在78 ℃下反應(yīng)12 h。PEG催化反應(yīng),抑制了強(qiáng)堿參與下芐醚副產(chǎn)物的生成,將反應(yīng)收率從86.4%提高至93.9%,經(jīng)重結(jié)晶純化后產(chǎn)物含量可達(dá)98.0%以上。該合成路線反應(yīng)收率高,副產(chǎn)物少,反應(yīng)過程穩(wěn)定安全,是一條適宜的工藝路線。