任威偉

4,4'-二羥甲基聯(lián)苯的合成工藝研究

任威偉

(上海匯友精密化學(xué)品有限公司，上海201322)

以4,4'-二氯甲基聯(lián)苯為原料，經(jīng)酯化、水解反應(yīng)合成了4,4'-二羥甲基聯(lián)苯，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR及MS(APCI)表征。分別對酯化物中間體及產(chǎn)物的合成方法進(jìn)行了探索，結(jié)果表明，在優(yōu)化合成路線下，目標(biāo)產(chǎn)物的總收率為94%，且產(chǎn)物不經(jīng)精制提純含量即達(dá)到99%以上。

4,4'-二氯甲基聯(lián)苯；4,4'-二羥甲基聯(lián)苯；酯化；水解

1 引言

4,4'-二羥甲基聯(lián)苯（BHMBP）是合成具有低吸濕性和阻燃性聚合物及液晶聚合物的重要單體，也可用于其他聯(lián)苯衍生物的合成[1-6]。1997年，日本南海化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社公開了合成BHMBP的專利[7]，反應(yīng)在有機(jī)溶劑/水的介質(zhì)中，在強(qiáng)堿（NaOH或KOH）存在條件下于溫度100℃左右進(jìn)行，收率95%左右。然而來國橋等發(fā)現(xiàn)按照專利所給條件進(jìn)行反應(yīng)，在反應(yīng)中會(huì)生成一種淡黃色的樹脂狀物質(zhì)，它們的存在增加了后續(xù)處理的難度，且得不到專利所述的純度和收率。來國橋等又發(fā)現(xiàn)4,4'-二氯甲基聯(lián)苯（BCMBP）在乙腈/水中進(jìn)行水解反應(yīng)，得到BHMBP的收率在98%以上，反應(yīng)時(shí)間29 h[8]。然而筆者認(rèn)為此工藝反應(yīng)時(shí)間過長，用于工業(yè)化生產(chǎn)能耗較高。2009年侯文杰等利用溶劑法在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中在水解劑的作用下進(jìn)行水解反應(yīng)合成了BHMBP，收率為95%左右，但其反應(yīng)過程中伴隨有副產(chǎn)物二芐醚的生成使得產(chǎn)物含量較低，需精制才能用于后續(xù)生產(chǎn)[9-11]。筆者采用無水乙酸鈉作為酯化試劑首先與4,4'-二氯甲基聯(lián)苯進(jìn)行酯化反應(yīng)得到酯化中間體，然后經(jīng)水解得到高含量的產(chǎn)品，并進(jìn)行了最佳反應(yīng)條件的探索與優(yōu)化。該工藝操作簡單，收率較高，操作周期較短，是一種比較適宜的工業(yè)化工藝路線。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1合成原理

首先，4,4'-二氯甲基聯(lián)苯在極性溶劑中與無水乙酸鈉（或無水乙酸鉀）進(jìn)行縮合，得到酯化產(chǎn)物中間體4,4'-聯(lián)苯二甲醇二乙酸酯。然后，此酯化產(chǎn)物中間體在堿性條件下水解得到目標(biāo)產(chǎn)物4,4'-二羥甲基聯(lián)苯。反應(yīng)方程式如下圖所示。

2.2儀器和試劑

主要儀器：Agilent 1100液相色譜儀，Agilent 6890氣相色譜儀，美國Varian Mercury 300 MHz核磁共振儀，Agilent 5973N GC-MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，北京泰克X-4熔點(diǎn)測定儀。

主要試劑：4,4'-二氯甲基聯(lián)苯（含量為99%）、氫氧化鈉、氫氧化鉀、鹽酸，均為化學(xué)純試劑；無水乙酸鈉、無水乙酸鉀、甲酸鈉、甲酸鉀、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亞砜（DMSO）、四氫呋喃（THF）、六甲基磷酰三胺（HMPA）、氫氧化鋰、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀等原料均分析純試劑。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

2.3.1 酯化

將4,4'-二氯甲基聯(lián)苯、無水乙酸鈉、溶劑按計(jì)量投入帶有攪拌、回流冷凝器及溫度計(jì)的四口燒瓶中，升溫至一定溫度后進(jìn)行酯化反應(yīng)，液相色譜跟蹤反應(yīng)直至反應(yīng)結(jié)束。冷卻至室溫后，加入一定量水，用稀鹽酸調(diào)pH至5～6，繼續(xù)攪拌一定時(shí)間，過濾、干燥得白色固體，即為酯化中間體4,4'-聯(lián)苯二甲醇二乙酸酯，含量大于99%，收率為95%。

2.3.2 水解

將上步反應(yīng)所得酯化中間體4,4'-聯(lián)苯二甲醇二乙酸酯、氫氧化鈉、水、溶劑按計(jì)量投入帶有攪拌、回流冷凝器及溫度計(jì)的四口燒瓶中，升溫至一定溫度后進(jìn)行水解反應(yīng)，液相色譜跟蹤反應(yīng)直至反應(yīng)結(jié)束。冷卻至室溫后用稀鹽酸調(diào)pH至5～6，過濾、干燥得白色固體，即為目標(biāo)產(chǎn)物4,4'-二羥甲基聯(lián)苯，含量大于99%（HPLC），熔點(diǎn)190.8～191.5℃，收率為99%。兩步反應(yīng)總收率達(dá)到94%。

2.4測試與表征

對實(shí)驗(yàn)得到的目標(biāo)產(chǎn)物用1H NMR及GCMS測試，對其進(jìn)行定量及定性分析，結(jié)果分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 4,4'-二羥甲基聯(lián)苯的1H NMR譜圖

圖2 4,4'-二羥甲基聯(lián)苯的氣相色譜圖

圖3 4,4'-二羥甲基聯(lián)苯的質(zhì)譜圖

從圖3的質(zhì)譜圖中可以看出m/Z=213.9的碎片離子峰就是目標(biāo)產(chǎn)物4,4'-二羥甲基聯(lián)苯（分子量為214.3）的分子離子峰。

3 結(jié)果與討論

3.1合成路線的選擇

鹵代烴的水解可分為直接水解法和間接水解法，而4,4'-二氯甲基聯(lián)苯的直接水解很容易發(fā)生副反應(yīng)而產(chǎn)生副產(chǎn)物，所得產(chǎn)物需精制提純后才可以用于后續(xù)生產(chǎn)應(yīng)用，給后續(xù)的生產(chǎn)及應(yīng)用帶來一定的問題。間接水解法通過先酯化后水解得到高純度產(chǎn)品，且此方法原料轉(zhuǎn)化較為充分，無副產(chǎn)物生成，工藝簡單，收率高，成本低，溶劑亦可回收套用，因此本實(shí)驗(yàn)采用酯化水解法合成4,4'-二羥甲基聯(lián)苯。

3.2 工藝條件的優(yōu)化

影響反應(yīng)收率及產(chǎn)品質(zhì)量的因素大致有以下幾個(gè)：酯化試劑的種類、酯化反應(yīng)溶劑的種類、酯化反應(yīng)的溫度及時(shí)間、水解劑的種類、水解反應(yīng)的溫度及時(shí)間。下面將對上述因素進(jìn)行具體分析。

3.2.1 酯化試劑種類的影響

根據(jù)酯化試劑種類的不同，選擇無水乙酸鈉、無水乙酸鉀、無水甲酸鈉、無水甲酸鉀作為酯化劑，探究酯化試劑種類對酯化反應(yīng)及收率的影響，結(jié)果見表1。

由表1可知，乙酸鹽比甲酸鹽效果好，且鉀鹽比鈉鹽效果稍好，但乙酸鈉與乙酸鉀效果接近，考慮到成本問題選擇無水乙酸鈉作為酯化試劑較為合適。

3.2.2 酯化溶劑種類的影響

根據(jù)溶劑極性的不同，酯化溶劑選擇THF、DMSO、HMPA及DMF，考察酯化溶劑對酯化反應(yīng)及收率的影響，結(jié)果見表2。

表1 酯化試劑種類對酯化反應(yīng)及收率的影響

表2 酯化溶劑種類對酯化反應(yīng)及收率的影響

由表2可知，隨著溶劑極性的增加，酯化反應(yīng)的收率及酯化中間體的純度均有所提高，其中DMF做酯化溶劑效果較好，因此選擇DMF作為酯化溶劑較為合適。

3.2.3 酯化反應(yīng)時(shí)間的影響

酯化反應(yīng)時(shí)間對酯化反應(yīng)液中各組分含量的影響見圖4所示。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對酯化反應(yīng)液中各組分含量的影響

從圖4可知，隨著酯化反應(yīng)的進(jìn)行，原料逐漸減少，產(chǎn)物逐漸增加，酯化產(chǎn)物在2 h后基本不發(fā)生變化，液相色譜檢測原料基本反應(yīng)完全，產(chǎn)物和原料組分基本穩(wěn)定，因此酯化反應(yīng)時(shí)間選擇2 h較為合適。

3.2.4 酯化反應(yīng)溫度的影響

酯化反應(yīng)溫度對酯化反應(yīng)產(chǎn)品純度及收率的影響如圖5所示。

圖5 反應(yīng)溫度對酯化反應(yīng)產(chǎn)品純度及收率的影響

由圖5中可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，產(chǎn)品純度和收率均出現(xiàn)先升高后降低的趨勢，溫度為110℃時(shí)收率和純度均達(dá)到最高；當(dāng)溫度低于110℃時(shí)，則反應(yīng)較慢，產(chǎn)品純度和收率均較低，因此酯化反應(yīng)的溫度選擇110℃較為合適。

3.2.5 水解劑種類的影響

根據(jù)水解劑堿性大小的不同，選擇6種不同水解劑分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察水解劑種類對水解反應(yīng)及收率的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 水解劑種類對水解反應(yīng)及收率的影響

由表3可知，隨著水解劑堿性的增強(qiáng)，水解反應(yīng)進(jìn)行越徹底，且所得產(chǎn)物純度越高，考慮到成本問題選擇氫氧化鈉作為水解劑較為合適。

3.2.6 水解反應(yīng)時(shí)間的影響

圖6給出了水解反應(yīng)時(shí)間對水解反應(yīng)液中各組分含量的影響。

圖6 反應(yīng)時(shí)間對水解反應(yīng)液中各組分含量的影響

從圖6可知，隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行，原料逐漸減少，產(chǎn)物逐漸增加，水解產(chǎn)物在2 h后基本不發(fā)生變化，液相色譜檢測原料基本反應(yīng)完全，產(chǎn)物與原料組分基本不發(fā)生變化，因此水解反應(yīng)時(shí)間選擇2 h較為合適。

3.2.7 水解反應(yīng)溫度的影響

圖7給出了水解反應(yīng)溫度對水解反應(yīng)產(chǎn)品純度及收率的影響。

由圖7可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，產(chǎn)品純度和收率先升高后降低，溫度為85℃時(shí)收率和純度均達(dá)到最高；當(dāng)溫度低于85℃時(shí)，則反應(yīng)較慢，產(chǎn)品純度和收率均較低，因此水解反應(yīng)的溫度選擇85℃較為合適。

4 結(jié)論

根據(jù)鹵代烴水解合成相應(yīng)醇的反應(yīng)原理，比較各種4,4'-二羥甲基聯(lián)苯可能的合成路線，如：相轉(zhuǎn)移催化水解法、溶劑法、酯化水解法等，通過綜合比較發(fā)現(xiàn)酯化水解法較好。采用酯化水解法合成4,4'-二羥甲基聯(lián)苯，工藝簡單，收率高，無副產(chǎn)物，成本低，總收率達(dá)到94%。

產(chǎn)品經(jīng)熔點(diǎn)測定、質(zhì)譜（GC-MS）、氣相色譜、高效液相色譜、核磁等檢測手段證明了所合成的產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物，且產(chǎn)品不用經(jīng)重結(jié)晶提純含量可達(dá)99%以上。確定了利用4,4'-二氯甲基聯(lián)苯合成4,4'-二羥甲基聯(lián)苯的最佳工藝條件：酯化溫度110℃，酯化反應(yīng)時(shí)間2 h，DMF作為酯化溶劑，氫氧化鈉作為水解劑，水解溫度85℃，水解反應(yīng)時(shí)間2 h。酯化水解法合成4,4'-二羥甲基聯(lián)苯工藝簡單，收率高，反應(yīng)過程不對環(huán)境產(chǎn)生污染，適合進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

[1]Hasegawa Ryoichi,Hiroki Seiji.High-purity 4,4'-biphenyldicarboxylicacidanditsmanufacture:JP, 2001172221[P].2001-06-26.

[2]Randell D R,Hyde T G.Fire-retardant chlorine-containing polymer compositions:GB,1551966[P].1979-09-05.

[3]Randell D R,Hyde T G.Crosslinked epoxide resin compositions having flame-redardant properties:ZA,7802445 [P].1979-04-25.

[4]Boller A,Petrzilka M.Colored liquid crystal mixtures containing phenylethane:EP,110205[P].1984-06-13.

[5]Tanaka M,Nakaya T.Liquid crystal polyurethane:JP, 6041263[P].1994-02-15.

[6]XIA Xue-wei,LU Jian-mei,ZHAI Jin-xing,et al.Synthesis and analysis of PSt initiated by p-chloromethyl benzoic acid and the polymer coordinated with rare-earth metal[J].Journal of Chemical Engineering of Chinese U-niversities,2005,19(5):660-664.

[7]Taniguchi Hisaji，Nomura Eisaku.Production of 4,4'-bis (hydroxymethyl)diphenyl:JP,09208510[P].1997-08-12.

[8]來國橋,方奇,任曉莉,等.4,4'-二(氯甲基)聯(lián)苯在乙腈/水中的水解反應(yīng)[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào),2006,20(6): 1013-1016.

[9]侯文杰,朱春燕,夏燁.一種制備4,4'-二羥甲基聯(lián)苯的方法:中國,CN101607871A[P].2009-12-23.

[10]侯文杰,朱春燕,夏燁.4,4'-二羥甲基聯(lián)苯的合成工藝研究[J].精細(xì)化工原料及中間體,2009(10):28-30.

[11]侯文杰,朱春燕,夏燁.4,4'-二羥甲基聯(lián)苯的提純工藝研究[J].上?；?2010,35(8):12-14.

10．13752／j．issn．1007－2217．2016．04．006

2016-10-24