陸樊委，張偉，魯墨弘，李明時(shí)，單玉華，朱建軍

(常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164)

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3,5-二羥基苯甲酸甲酯催化加氫制備3,5-二羥基甲苯及反應(yīng)歷程研究

陸樊委，張偉，魯墨弘，李明時(shí)*，單玉華，朱建軍

(常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164)

制備了Cu-Zn-Al催化劑，用于3,5-二羥基苯甲酸甲酯加氫反應(yīng)?？疾炝思託涔に嚄l件及羥基對(duì)苯環(huán)加氫的影響。結(jié)果表明：在反應(yīng)溫度200 ℃和壓力8 MPa下，反應(yīng)時(shí)間3 h，3,5-二羥基苯甲酸甲酯的轉(zhuǎn)化率為80.5%，3,5-二羥基甲苯的選擇性為97.7%。反應(yīng)生成的3,5-二羥基甲苯易被進(jìn)一步加氫生成3-甲基環(huán)己醇；苯環(huán)上羥基的存在，使苯環(huán)的電子云密度增加，從而使苯環(huán)活化，易被進(jìn)一步加氫；苯環(huán)上的醛基和羥甲基容易被進(jìn)一步加氫，驗(yàn)證了3,5-二羥基苯甲酸甲酯加氫經(jīng)3,5-二羥基苯甲醛和3,5-二羥基苯甲醇，進(jìn)一步加氫生成3,5-二羥基甲苯的反應(yīng)歷程。

銅鋅鋁催化劑 3,5-二羥基苯甲酸甲酯 3,5-二羥基甲苯 反應(yīng)歷程

3,5-二羥基甲苯(DHT)，又稱(chēng)地衣酚或苔黑酚，是合成聯(lián)香豆素化合物和白藜蘆醇[1]的重要原料，也被應(yīng)用于顯色劑，用于各種化學(xué)檢測(cè)。DHT具有其他藥物所無(wú)法比擬的抗真菌和抗細(xì)菌活性，因而在醫(yī)藥和生物領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿2-3]。合成DHT的方法有以下幾種：1)環(huán)化法[4]。以巴豆酸乙酯和乙酰乙酸乙酯為原料，在乙醇鈉的作用下使其發(fā)生環(huán)合反應(yīng)，經(jīng)溴化，催化氫解，再水解脫羧得到產(chǎn)物。2)磺化法[5]。以對(duì)甲苯胺為原料，經(jīng)過(guò)濃H2SO4磺化得到磺化產(chǎn)物，再經(jīng)過(guò)重氮化后直接水解脫氨基得到5-甲基-1,3-苯二磺酸的鈉鹽，最后堿融和酸化制得終產(chǎn)物。3)硝化法：以對(duì)(或鄰)甲苯胺為原料，利用硝化反應(yīng)[6]得到3,5-二硝基-4-氨基甲苯，同時(shí)在乙醇介質(zhì)中一步完成重氮化和氫解反應(yīng)得到3,5-二硝基甲苯，然后用Pd/C催化加氫得到3,5-二氨基甲苯，再經(jīng)過(guò)重氮化和水解反應(yīng)得到DGT。4)高溫脫氯水解法[7]：以3-甲基-4-氯苯酚為原料，經(jīng)過(guò)堿融高溫脫氯，然后酸化水解，最后分離得到DGT。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)催化加氫法，以3,5-二羥基苯甲酸甲酯[8]為原料，經(jīng)過(guò)選擇性加氫反應(yīng)直接制備3,5-二羥基甲苯。該合成工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)時(shí)間短。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 催化劑的制備

根據(jù)文獻(xiàn)[9-11]，分別制備了Cu-Zn-Al, Cu-Zn-Mn和Cu/SiO2催化劑。采用逆流共沉淀法制備了Cu-Al-Ba催化劑：按照一定的摩爾比稱(chēng)取一定量的Cu(NO3)2·3H2O、Al(NO3)3·9H2O、Ba(NO3)2，在燒杯中配成10%的混合鹽溶液，并稱(chēng)取一定量的沉淀劑(無(wú)水碳酸鈉)配制成10%的Na2CO3溶液，在80 ℃水浴鍋中，強(qiáng)烈攪拌下將混合鹽溶液滴加到沉淀劑中，并控制pH值在8～9，在80 ℃水浴中老化3 h后，經(jīng)過(guò)濾，水洗和干燥，于550 ℃下焙燒2 h。在H2氣氛下，230 ℃還原上述的催化劑前驅(qū)體，冷卻至溫度用N2鈍化，得到反應(yīng)催化劑。

1.2 加氫反應(yīng)

在80 mL間歇式高壓反應(yīng)釜中，分別加入原料，溶劑無(wú)水甲醇和催化劑。密閉高壓釜，關(guān)閉進(jìn)出氣閥，先采用氮?dú)庵脫Q出釜內(nèi)的空氣，再用氫氣置換出氮?dú)?，然后通?.0 MPa的氫氣，并打開(kāi)加熱裝置和攪拌器，程序升溫至反應(yīng)溫度后，加壓至反應(yīng)壓力。反應(yīng)過(guò)程中，保持溫度穩(wěn)定，并且不斷補(bǔ)充反應(yīng)消耗的H2至反應(yīng)結(jié)束。冷卻后泄壓，出料并濾除催化劑，得到的反應(yīng)液采用氣相色譜儀分析(CP-Sil 24CB毛細(xì)管柱，F(xiàn)ID檢測(cè)器)，以面積歸一法定量分析反應(yīng)液中原料和產(chǎn)物，計(jì)算轉(zhuǎn)化率和選擇性。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的選擇

表1為Cu催化劑在高壓反應(yīng)釜中對(duì)3,5-二羥基苯甲酸甲酯加氫反應(yīng)的催化性能。

表1 不同催化劑對(duì)反應(yīng)的影響

注：反應(yīng)溫度200 ℃，反應(yīng)壓力8 MPa，催化劑還原溫度230 ℃。

3,5-二羥基苯甲酸甲酯加氫反應(yīng)主要產(chǎn)物為3,5-二羥基甲苯(DHT)，副產(chǎn)物為3-甲基環(huán)己醇(MHC)。由表1可以看出，Cu-Zn-Al催化劑對(duì)3,5-二羥基苯甲酸甲酯的轉(zhuǎn)化率和DHT的選擇性均較高，因此，選擇Cu-Zn-Al催化劑進(jìn)行反應(yīng)歷程研究。

2.2 反應(yīng)歷程的探索

以 Cu-Zn-Al為反應(yīng)催化劑，在反應(yīng)溫度200 ℃和壓力8 MPa下進(jìn)行反應(yīng)，采用氣象色譜進(jìn)行分析，檢測(cè)反應(yīng)物和各種反應(yīng)產(chǎn)物隨著反應(yīng)時(shí)間的變化。在反應(yīng)過(guò)程中，檢測(cè)到的反應(yīng)產(chǎn)物分別為：3,5-二羥基苯甲醇(DHBL)、3,5-二羥基甲苯(DHT)、和3-甲基環(huán)己醇(MHC)，如圖1。

圖1 3,5-二羥基苯甲酸甲酯轉(zhuǎn)化率和選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的變化催化劑0.75 g，原料5 g，無(wú)水甲醇，25 mL。

由圖1得出，3,5-二羥基苯甲酸甲酯的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。在反應(yīng)的初始階段檢測(cè)到了少量的DHBL，但DHBL不穩(wěn)定，易被繼續(xù)加氫生成DHT。而DHT的選擇性隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，同時(shí)MHC的選擇性隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而上升。說(shuō)明DHT隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，不斷地轉(zhuǎn)化成MHC。3,5-二羥基苯甲酸甲酯的加氫反應(yīng)的可能反應(yīng)歷程，如圖2所示：

圖2 3,5-二羥基苯甲酸甲酯的加氫反應(yīng)歷程

反應(yīng)過(guò)程既沒(méi)有檢測(cè)到3-羥基苯甲酸甲酯，也沒(méi)有檢測(cè)到3-甲基苯酚，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)條件下，3,5-二羥基苯甲酸甲酯加氫反應(yīng)主要沿著k1，k3，k5，k7，k9的歷程進(jìn)行。

2.3 苯環(huán)上不同取代基對(duì)加氫反應(yīng)的影響：

為了進(jìn)一步理解3,5-二羥基苯甲酸甲酯加氫反應(yīng)歷程，在相同反應(yīng)條件下，分別考察了間羥基苯甲酸甲酯、苯甲酸甲酯、苯甲醛、苯甲醇和甲苯的相對(duì)加氫反應(yīng)速率。

2.3.1 間羥基苯甲酸甲酯加氫反應(yīng)：

采用間羥基苯甲酸甲酯為原料，考察苯環(huán)上只有一個(gè)羥基時(shí)反應(yīng)情況，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 間羥基苯甲酸甲酯反應(yīng)情況

注：催化劑0.75 g，原料5 g，無(wú)水甲醇25 mL，反應(yīng)溫度200 ℃，反應(yīng)壓力8 MPa。

由表2可以看出：在反應(yīng)進(jìn)行到1 h轉(zhuǎn)化率就達(dá)到了99.6%，反應(yīng)主要產(chǎn)物是間甲酚，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，有部分間甲酚進(jìn)一步加氫生成3-甲基環(huán)己醇。

間羥基苯甲酸甲酯反應(yīng)較快，為了研究反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)，將催化劑的量減為原來(lái)的1/5(0.15 g)時(shí)，反應(yīng)情況如圖3所示。

圖3 間羥基苯甲酸甲酯的轉(zhuǎn)化率和選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線

從圖3可以看出，當(dāng)催化劑的量減少時(shí)，反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)了中間產(chǎn)物間羥基苯甲醇，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)一步加氫脫水生成間甲酚，說(shuō)明生成的間羥基苯甲醇易加氫變成間甲酚。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，只有極少量的間甲酚會(huì)進(jìn)一步加氫生成3-甲基環(huán)己醇，說(shuō)明間甲酚較為穩(wěn)定，苯環(huán)不太容易被加氫。

比較間羥基苯甲酸甲酯與3,5-二羥基苯甲酸甲酯的加氫過(guò)程，可以看出，在兩個(gè)羥基存在下，苯環(huán)被活化，更容易加氫飽和生成5-甲基-1,3-環(huán)己二醇，后者極易脫羥基生成3-甲基環(huán)己醇。另一方面，間羥基苯甲酸甲酯加氫生成間羥基甲苯的相對(duì)速率比3,5-二羥基苯甲酸甲酯加氫生成3,5-二羥基甲苯的速率快，這可能是由于3,5-二羥基苯甲酸甲酯空間位阻較大引起的。

2.3.2 苯甲酸甲酯加氫反應(yīng)：

采用苯甲酸甲酯為原料，考察苯環(huán)上沒(méi)有羥基時(shí)反應(yīng)情況，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 苯甲酸甲酯反應(yīng)情況

注：催化劑0.75 g，原料5 g，無(wú)水甲醇25 mL，反應(yīng)溫度200 ℃，反應(yīng)壓力8 MPa。

由表3看出：苯甲酸甲酯的加氫速率緩慢，反應(yīng)主產(chǎn)物為甲苯和苯甲醇。反應(yīng)反應(yīng)初始階段生成了苯甲醛，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，苯甲醛進(jìn)一步反應(yīng)成苯甲醇然后苯甲醇進(jìn)一步加氫脫水生成甲苯。苯環(huán)上沒(méi)有羥基存在時(shí)，羧酯基的加氫反應(yīng)速率較慢，且不存在苯環(huán)加氫。

對(duì)比上述3個(gè)反應(yīng)可以看出，間羥基苯甲酸和3,5-二羥基苯甲酸的加氫速率比苯甲酸甲酯快得多，說(shuō)苯環(huán)上的羥基可促進(jìn)苯環(huán)上酯基加氫生成甲基。另一方面，苯環(huán)上沒(méi)有羥基存在時(shí)，生成的甲苯很穩(wěn)定，苯環(huán)不會(huì)進(jìn)一步被加氫。苯環(huán)上有一個(gè)羥基時(shí)，只有少量苯環(huán)加氫飽和產(chǎn)物，而兩個(gè)羥基存在時(shí)，幾乎完全轉(zhuǎn)化為苯環(huán)加氫飽和產(chǎn)物。由此說(shuō)明，苯環(huán)上羥基，既促進(jìn)了酯基加氫也促進(jìn)了苯環(huán)加氫。對(duì)苯環(huán)上羥基而言，其給電性的共軛效應(yīng)大于吸電性的誘導(dǎo)效應(yīng)，使苯環(huán)上電子云密度增加，從而使苯環(huán)活化[12]，同時(shí)給電性的共軛效應(yīng)也使得與苯環(huán)共軛的酯基中的CO鍵電子云密度增加，從而易加氫脫氧生成甲基。

2.3.3 苯甲醛的加氫反應(yīng)：

采用苯甲醛為原料，反應(yīng)情況見(jiàn)表4。

表4 苯甲醛反應(yīng)情況

注：原料3.9 g(0.037 mol)，催化劑0.15 g，無(wú)水甲醇25 mL，反應(yīng)溫度200 ℃，反應(yīng)壓力8 MPa。

由表4可以看出，在反應(yīng)條件下，苯甲醛先轉(zhuǎn)化為苯甲醇，然后苯甲醇進(jìn)一步加氫生成甲苯。

苯甲醛反應(yīng)較快，為了研究該反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)，將催化劑的量減為原來(lái)1/5(0.03 g)時(shí)，反應(yīng)情況如圖4所示。

圖4 苯甲醛的轉(zhuǎn)化率和選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線

從圖4可以看出，當(dāng)催化劑的量減少時(shí)，苯甲醛的反應(yīng)速率仍然很快，說(shuō)明苯甲醛易生成苯甲醇。在反應(yīng)過(guò)程中，苯甲醇的選擇性不斷下降，甲苯的選擇性不斷升高，從而最終反應(yīng)生成甲苯。

2.3.4 苯甲醇的加氫反應(yīng)：

采用苯甲醇為原料，反應(yīng)情況見(jiàn)表5。

表5 苯甲醇反應(yīng)情況

注：原料4 g(0.037 mol )，催化劑0.15 g，無(wú)水甲醇，25 mL，反應(yīng)溫度200 ℃，反應(yīng)壓力8 MPa

由表5看出，苯甲醇的反應(yīng)速率較快，反應(yīng)3 h完全轉(zhuǎn)化為甲苯。說(shuō)明苯甲醇在該反應(yīng)條件下容易加氫脫水生成甲苯。

2.3.5 甲苯的加氫反應(yīng)：

采用甲苯為原料，在反應(yīng)溫度為200 ℃，反應(yīng)壓力為8 MPa過(guò)程中不消耗氫氣，反應(yīng)7 h后通過(guò)GC對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分析，沒(méi)有檢測(cè)到甲基環(huán)己烷，說(shuō)明在Cu系催化劑下甲基對(duì)苯環(huán)幾乎沒(méi)有活化作用，不能使苯環(huán)進(jìn)一步加氫。

對(duì)比在同一物質(zhì)量，同一反應(yīng)時(shí)間，使用相同量催化劑條件下，苯甲醛，苯甲醇和甲苯的反應(yīng)速率，可以發(fā)現(xiàn)，苯甲醛的反應(yīng)速率比苯甲醇的快，而甲苯幾乎不反應(yīng)，說(shuō)明醛基和羥甲基都不穩(wěn)定，容易被進(jìn)加氫生成甲苯。從而進(jìn)一步驗(yàn)證了3,5-二羥基苯甲酸甲酯的反應(yīng)歷程中，3,5-二羥基苯甲醛和3,5-二羥基苯甲醇都容易進(jìn)一步加氫生成3,5-二羥基甲苯。

3 結(jié) 論

采用Cu-Zn-Al催化劑，在反應(yīng)溫度200 ℃和壓力8 MPa下，反應(yīng)時(shí)間3 h，3,5-二羥基苯甲酸甲酯的轉(zhuǎn)化率為80.5%，3,5-二羥基甲苯的選擇性為97.7% 。如反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，生成的3,5-二羥基甲苯會(huì)被進(jìn)一步加氫生成3-甲基環(huán)己醇。

苯環(huán)上羥基對(duì)酯基和苯環(huán)加氫過(guò)程中，苯環(huán)上羥基的存在，由于給電子共軛效應(yīng)，使苯環(huán)的電子云密度增加，從而使苯環(huán)及其上的共軛羰基活化，易發(fā)生加氫反應(yīng)。

苯環(huán)上的醛基和羥甲基都不穩(wěn)定，容易被進(jìn)一步加氫生成甲苯，驗(yàn)證了3,5-二羥基苯甲酸甲酯加氫生成的3,5-二羥基苯甲醛、3,5-二羥基苯甲醇，進(jìn)而生成3,5-二羥基甲苯的反應(yīng)歷程。

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PREPARATION AND REACTION MECHANISM OF 3,5-DIHYDROXYTOLUENE FROM METHYL 3,5-DIHYDROXYBENZOATE BY CATALYTIC HYDROGENATION

Lu Fanwei, Zhang Wei, Lu Mohong, Li Mingshi, Shan Yuhua, Zhu Jianjun

(DepartmentofPetrochemicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213164,Jiangsu,China)

Different catalysts were prepared for the synthesis of 3,5-dihydroxytoluene by hydrogena-tion of methyl 3,5-dihydroxybenzoate and their catalytic performance were evaluated. Results showed that high selectivity of 97.7% to 3,5-dihydroxytoluene with 80.5% conversion of methyl 3,5-dihydroxybenzoate was obtained over the selected Cu-Zn-Al catalyst under reaction conditions of 200 ℃ and 8 MPa at the reaction time of 3 h. The benzene ring of 3,5-dihydroxytoluene was unstable in the reaction conditions which resulted in the formation of 3-methylcyclohexanol. Hydroxyl in benzene ring increased the electron cloud density of benzene ring, which led to activation of benzene ring and benzene ring was easy to be further hydrogenated. Aldehyde group and hydroxymethyl in benzene ring was unstable and easy to be further hydrogenated. It is proposed that hydrogenation of methyl 3,5-dihydroxybenzoate resulted in the formation of the intermediates of 3,5-dihydroxybenzaldehyde and 3,5-dihydroxybenzyl alcohol which were unstable and easy to be further hydrogenated to 3,5-dihydroxytoluene.

Cu-Zn-Al catalyst; methyl 3,5-dihydroxybenzoate; 3,5-dihydroxytoluene; reaction mechanism.

2014-10-16;修改稿收到日期:2015-01-30。

陸樊委(1989-)，在讀碩士。

國(guó)家自然科學(xué)基金(20976076；21307009)。

TQ243.1

A

*通信聯(lián)系人：Email：mingshili@cczu.edu.cn。