对叔丁基苯酚羟基化反应的研究

赵亮亮，杨元法，李艳妮，刘兰香，朱玉梅

(浙江师范大学 物理化学研究所 浙江省固体表面反应化学重点实验室，浙江 金华 321004)

精细化工

对叔丁基苯酚羟基化反应的研究

赵亮亮，杨元法，李艳妮，刘兰香，朱玉梅

(浙江师范大学 物理化学研究所 浙江省固体表面反应化学重点实验室，浙江 金华 321004)

采用Fe(OH)3+有机络合剂+H2O2系统，对羟基化法由对叔丁基苯酚(PTBP)制备对叔丁基邻苯二酚(4－TBC)的反应进行了研究。探讨了反应时间、反应温度、催化剂用量、n(H2O2)∶n(PTBP)、溶剂类型等因素对反应的影响。实验结果表明，溶剂类型和n(H2O2)∶n(PTBP)对催化剂的活性影响较大。在PTBP 0.80 g、n(H2O2)∶n(PTBP)=1.0、乙腈水溶液(乙腈与水体积比2∶1)30 mL、Fe(OH)30.05 g、邻苯二酚0.05 g、反应温度55℃、反应时间60 min的条件下，PTBP转化率可达18.5%，4－TBC选择性达89.2%。对反应机理的探索表明，Fe3++H2O2系统中的羟基自由基(·OH)不能对PTBP进行羟基化反应;Fe3++有机络合剂+H2O2系统中以活性铁氧络合物为氧化剂，与有机酚类反应物有良好的反应亲和力，能顺利完成PTBP的羟基化反应。

对叔丁基邻苯二酚;羟基化催化剂;对叔丁基苯酚;邻苯二酚;铁氧络合物

对叔丁基邻苯二酚(4－TBC)是一种重要的精细化工产品，主要用作烯烃单体蒸馏或贮运时的高效阻聚剂，特别适用于苯乙烯、丁二烯以及其他乙烯单体。目前4－TBC已被美国ASTM指定为苯乙烯等通用的阻聚剂［1］。此外，4－TBC也可作为抗氧剂和杀虫剂的稳定剂。

目前国内外基本采用邻苯二酚烷基化法［2－5］合成4－TBC。根据烷基化试剂不同，可分为叔丁醇法、异丁烯法和甲基叔丁基醚法。在适当催化剂存在下，烷基化法的产品收率很高，具有很好的工业应用价值。但存在以下缺点：反应时间长，能耗相对较高;反应过程较复杂，催化剂价格昂贵;未反应的原料回收困难且造成严重污染。

以H2O2为氧化剂的酚类羟基化反应，已广泛用于多种物质的合成。该工艺反应条件温和，主要副产物为水，污染小，原料易得，符合当今绿色化学的发展趋势。近年来国内外对该类反应的催化剂和工艺的研究十分活跃，所研究的催化剂主要有杂原子分子筛［6－8］、杂多酸盐［9－10］、金属氧化物以及复合金属氧化物［11－13］。

对于对叔丁基苯酚(PTBP)的羟基化反应，最早主要采用均相催化剂，包括无机强酸［14］和有机酸催化剂［15］。但由于液体强酸类催化剂具有强腐蚀性，而且分离困难，随着多相催化的发展，现在已很少使用。

铁基催化剂已被广泛应用于苯和苯酚的羟基化反应中。本课题组［16］前期曾采用Fe(OH)3催化剂直接催化苯酚羟基化反应，转化率达到40%以上，选择性88%左右。

本工作在前期工作［16］的基础上，采用铁基催化剂，通过PTBP直接羟基化的方法制备4－TBC。考察了铁基催化剂催化PTBP羟基化反应的性能，探讨了催化剂种类和用量、助催化剂种类和用量、n(H2O2)∶n(PTBP)、反应温度、反应时间等对PTBP羟基化反应的影响。

1 实验部分

1.1 试剂

Fe(NO3)3·9H2O、乙腈：分析纯，天津市光复精细化工研究所;氨水、丙酮、乙醇、H2O2水溶液(质量分数30%)：分析纯，天津市北方天医化学试剂厂;PTBP和4－TBC：化学纯，国药集团化学试剂有限公司;乙酸铜、邻苯二酚、8－羟基喹啉、十六烷基三甲基溴化铵(CATB)、硫代硫酸钠、KI：分析纯，国药集团化学试剂有限公司;甲醇：色谱纯，国药集团化学试剂有限公司;无水乙酸：分析纯，上海化学试剂总厂经贸公司;乙二胺四乙酸(EDTA)：分析纯，上海试剂一厂;KSCN：分析纯，天津市光复科技发展有限公司。

1.2 催化剂的制备

将Fe(NO3)3·9H2O溶解于去离子水中，以氨水为沉淀剂，调节溶液 pH为10.0，静置约5 h，洗涤、过滤、沉淀，在110℃下烘干12 h，得到Fe(OH)3催化剂。将Fe(OH)3催化剂在350℃下焙烧4 h，得到以α－Fe2O3为主要成分的催化剂(称为Fe2O3催化剂)。

将Fe(NO3)3·9H2O和乙酸铜按 n(Fe)∶n(Cu)=7∶1的比例溶于去离子水中，以氨水为沉淀剂，调节溶液pH为7.0，老化约72 h，洗涤、过滤、沉淀，在120℃下烘干2 h，在550℃下焙烧2 h，得到铁铜复合氧化物(FeCuO)催化剂［17］。

1.3 PTBP羟基化反应及产物分析

PTBP羟基化反应在配有恒温水浴槽、回流冷却装置和磁力搅拌装置的间歇式玻璃反应器内进行，以H2O2水溶液为羟基化试剂，在适当的溶剂中进行反应。在反应温度下将H2O2水溶液一次性加入到含有催化剂、PTBP和溶剂的反应器内并开始计时反应。

反应液用Waters公司1525 Binary HPLC Pump型高效液相色谱仪进行分析，分析条件为：C18色谱柱，流动相为体积比80∶20的甲醇－水混合液，流量0.8 mL/min，检测波长280 nm。采用外标法计算反应液中PTBP和4－TBC的含量，并由此计算出PTBP转化率和4－TBC选择性。

1.4 反应液中剩余H2O2的分析

采用碘量法分析反应液中剩余H2O2的量。具体方法：用吸量管吸取5 mL反应液置于碘量瓶中，准确称其质量后用去离子水稀释。向其中加入3滴钼酸铵溶液、10 mL 2 mol/L的硫酸和7 mL 0.1 g/mL的KI溶液，然后用标定后的硫代硫酸钠溶液滴定至橙色;再加入1～2 mL淀粉溶液，继续滴定至无色。按照化学计量求出剩余H2O2的量。

1.5 催化剂的表征

XRD分析在荷兰 PANalytical公司的 X’Pert PRO MPD型全自动X射线衍射仪上进行，Cu Kα射线，λ =0.154 2 nm，管电压40 kV，管电流 40 mA，扫描范围 2θ=20 ～80°，扫描速率 1.2(°)/min。

2 结果与讨论

2.1 催化剂的表征结果

不同催化剂的XRD谱图见图1。由图1可看出，Fe(OH)3催化剂以非晶态存在;Fe2O3催化剂在2θ =24.5，34.5，36.0，42.0，50.0，55.0，57.5，63.0，65.0°处出现了很强的α－Fe2O3的特征衍射峰，表明晶型良好;FeCuO催化剂在2θ=37°附近出现了CuO的特征衍射峰，表明Cu物种已经掺杂到Fe2O3晶体中。

图1 不同催化剂的XRD谱图Fig.1 XRD spectra of different catalysts.

2.2 不同催化剂的活性

不同催化剂催化PTBP羟基化反应的活性见表1。由表1可见，单独的Fe(OH)3催化剂对该反应无催化活性，当加入助催化剂邻苯二酚时，在60 min内PTBP转化率达到18.5%，4－TBC选择性达到89.2%;在相同条件下使用FeCuO催化剂时，PTBP转化率达到4.8%，4－TBC选择性达到69.1%;而Fe2O3催化剂对该反应无催化活性。实验结果表明，在助催化剂邻苯二酚存在下，3种催化剂中Fe(OH)3催化剂的活性最高。

表1 不同催化剂催化PTBP羟基化反应的活性Table 1 Activities of different catalysts in hydroxylation of PTBP

2.3 邻苯二酚加入量对PTBP羟基化反应的影响

助催化剂邻苯二酚加入量对PTBP羟基化反应的影响见表2。由表2可见，邻苯二酚加入量大于等于0.05 g时，4－TBC选择性可达89.1%以上;邻苯二酚加入量由0.01 g增至0.03 g时，PTBP转化率明显提高，从10.3%提高到17.9%，邻苯二酚加入量为0.05～0.15 g时，PTBP转化率保持在18.5%左右。从H2O2转化率的分析可知，当邻苯二酚加入量为0.01 g时，H2O2转化率为74.3%，反应系统中还存在一定量的H2O2;当邻苯二酚加入量大于等于0.03 g时，H2O2转化率达94%以上，反应系统中H2O2的残存量很小，这是在此范围内PTBP转化率保持不变的原因。另外，随邻苯二酚加入量的增加，H2O2的有效利用率也有一定的提高，由邻苯二酚加入量为0.01 g时的13.9%提高到邻苯二酚加入量为0.05 g时的19.2%;继续增加邻苯二酚的用量，H2O2的有效利用率基本保持不变。因此，选择邻苯二酚加入量为0.05 g。

表2 邻苯二酚加入量对PTBP羟基化反应的影响Table 2 Effect of catechol dosage on the hydroxylation

2.4 反应时间对PTBP羟基化反应的影响

反应时间对PTBP羟基化反应的影响见图2。由图2可见，在加入助催化剂邻苯二酚的反应系统中，PTBP羟基化反应进行得很快，在60 min内即可完成，其中10～20 min内羟基化反应最快，PTBP转化率由4.4%升高到15.4%。20 min后PTBP转化率缓慢上升，4－TBC选择性缓慢下降。这可能是因为随反应时间的延长，产物4－TBC进一步缩合生成焦油［18］。因此，选择反应时间为60 min。

图2 反应时间对PTBP羟基化反应的影响Fig.2 Effect of reaction time on the hydroxylation.

2.5 原料配比对PTBP羟基化反应的影响

n(H2O2)∶n(PTBP)对PTBP羟基化反应的影响见图3。由图 3可见，n(H2O2)∶n(PTBP)=0.5 ～2.0 时，PTBP 转化率从10.0%增加到63.7%;4－TBC选择性明显降低，从95.8%下降到44.7%。这是由于产物4－TBC在过量H2O2的存在下发生了深度氧化。在 n(H2O2)∶n(PTBP)＜1.0时，4－TBC选择性较高，达到89%以上。因此，选择原料配比为 n(H2O2)∶n(PTBP)=1.0。

图3 n(H2O2)∶n(PTBP)对PTBP羟基化反应的影响Fig.3 Effect of n(H2O2) ∶n(PTBP)on the hydroxylation.

2.6 反应温度对PTBP羟基化反应的影响

反应温度对PTBP羟基化反应的影响见图4。由图4可见，在较低温度(45℃)下反应即可进行，4－TBC选择性在80%以上。随反应温度的升高，PTBP转化率有所提高，但4－TBC选择性明显下降。这是因为在较高反应温度下产物4－TBC容易进一步缩合生成焦油，导致副反应增多［18］。因此，选择反应温度为55℃。

图4 反应温度对PTBP羟基化反应的影响Fig.4 Effect of reaction temperature on the hydroxylation.

2.7 催化剂用量对PTBP羟基化反应的影响

催化剂用量对PTBP羟基化反应的影响见表3。由表3可知，当Fe(OH)3用量为0.01 g时，PTBP转化率很低，这是因为反应体系中活性中心太少的缘故;当Fe(OH)3用量增至0.03 ～0.07 g 时，PTBP 转化率保持在17.0%左右，4－TBC选择性为88.0%左右;当Fe(OH)3用量继续增至0.10 g时，PTBP转化率和4－TBC选择性均有所降低，表明催化剂用量增加会导致H2O2分解加快和副反应增多。过量催化剂的加入加剧了H2O2的转化，导致其有效利用率有所降低，由 Fe(OH)3用量为0.05 g时的19.2%降至 Fe(OH)3用量为 0.10 g时的 16.1%。因此，选择催化剂用量为0.05 g。

表3 催化剂用量对PTBP羟基化反应的影响Table 3 Effect of catalyst dosage on the hydroxylation

2.8 不同溶剂对PTBP羟基化反应的影响

不同溶剂对PTBP羟基化反应的影响见表4。

表4 不同溶剂对PTBP羟基化反应的影响Table 4 Effect of different solvents on the hydroxylation

所用溶剂均为与水体积比为2∶1的水溶液。由表4可知，PTBP在醇类和丙酮溶剂的水溶液中不发生羟基化反应;在乙酸水溶液中PTBP转化率较高，达 26.2%;但 4－TBC选择性很低，仅为21.6%，说明有大量的副反应发生;在乙腈水溶液作为溶剂时，PTBP转化率为18.5%，4－TBC选择性可达89.2%。据文献报道［19］，醇类属于极性质子溶剂，较强的溶剂化效应会使催化活性下降。而乙腈和乙酸(乙酸与Fe3+和H2O2能形成具有催化活性的络合物)作为溶剂时催化活性较高，但由于乙酸水溶液为溶剂的体系中发生副反应导致产物选择性下降，故适宜的反应溶剂为乙腈水溶液。

3 催化机理探索

以Fe(OH)3为催化剂，加入不同助催化剂时，PTBP羟基化反应的结果见表5。助催化剂分别选择能与Fe3+发生络合作用的化合物(KSCN、邻苯二酚、EDTA、8－羟基喹啉)以及相转移试剂(CTAB)。由表5可知，以有机络合剂(邻苯二酚、EDTA、8－羟基喹啉)作为助催化剂时，PTBP能发生羟基化反应;以无机络合剂KSCN作为助催化剂时，虽然PTBP转化率能达到0.5%，但未检测到产物4－TBC;当以相转移试剂CATB为助催化剂或不加助催化剂时，反应中既无产物4－TBC生成，也无PTBP转化，且CATB使反应系统中的H2O2几乎完全分解(H2O2转化率达98.1%)。

表5 不同助催化剂对PTBP羟基化反应的影响Table 5 Effect of different cocatalysts on the hydroxylation

上述反应结果与H2O2+铁基催化剂的羟基化自由基反应机理(见图5)不相符。

图5 H2O2+铁基催化剂的羟基化自由基反应机理Fig.5 Radical reaction mechanism of H2O2+iron-based catalyst in the hydroxylation.

根据图5所示的反应机理，当反应物的苯环上的取代基为羟基时反应能顺利进行［16］(见图5(4))，而当取代基为叔丁基时，反应则表现为“禁阻”(见图5(5))。可能的原因是：在反应条件下羟基自由基(·OH)与苯酚的反应活化能较其在水中分解为O2的活化能低，竞争反应中羟基化反应为主导;而·OH与叔丁基苯酚的反应活化能较其在水中分解为O2的活化能高，竞争反应中表现为H2O2的分解(见图5(3))，实验中能观察到不断有O2冒出。当试图用相转移试剂CTAB改善反应环境时，反而导致H2O2更快地分解(见表5)。

当在反应系统中加入能与Fe3+络合的助催化剂时，羟基化反应机理不再遵循自由基机理，而是遵循由Fe3++络合剂+H2O2形成的活性铁氧络合物为氧化剂的 Hamilton 羟基化反应机理［20－21］。Fe3++H2O2系统中含有邻苯二酚有机络合剂时可形成活性氧物种邻－醌铁氧络合物C(见图6)，C与有机酚类反应物PTBP的反应亲和力增强，形成活性中间体D，进而生成羟基化产物E。

图6 Hamilton机理下的PTBP羟基化反应Fig.6 PTBP hydroxylation according to Hamilton mechanism.

与图5中含有羟基的活性中间体B(假设可生成该中间体)相比，含有活性氧化物的活性中间体D具有更大的活化熵，对反应动力学有利，使羟基化反应顺利进行。当Fe3++H2O2系统中含有KSCN无机络合剂时，可能所形成的活性氧物种与有机酚类反应物的反应亲和力不强，未能按Hamilton机理进行反应，仅观察到H2O2的分解。有关活性氧物种与有机酚类反应物的反应亲和力间的关系有待进一步研究。

4 结论

(1)以Fe(OH)3为催化剂、邻苯二酚为助催化剂时，对PTBP的羟基化反应表现出较好的催化性能。在 PTBP 0.80 g、n(H2O2) ∶n(PTBP)=1.0、乙腈水溶液(乙腈与水体积比2∶1)30 mL、Fe(OH)30.05 g、邻苯二酚 0.05 g、反应温度 55 ℃、反应时间60 min的条件下，PTBP转化率达到18.5%，4－TBC选择性达到89.2%。

(2)当无有机络合剂存在时，Fe3++H2O2对PTBP羟基化反应表现为“禁阻”，反应系统中的·OH不能对PTBP进行羟基化反应;而Fe3++有机络合剂+H2O2系统中以形成的活性铁氧络合物为氧化剂，与有机酚类反应物有良好的反应亲和力，能顺利完成PTBP的羟基化反应。

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4-tert-Butyl-Phenol Hydroxylation

Zhao Liangliang，Yang Yuanfa，Li Yanni，Liu Lanxiang，Zhu Yumei

(Institute of Physical Chemistry，Zhejiang Normal University，Zhejiang Key Laboratory for Reactive Chemistry on Solid Surfaces，Jinhua Zhejiang 321004，China)

4-tert-Butylcatechol(4-TBC)was synthesized from 4-tert-butyl-phenol(PTBP)by hydroxylation with Fe(OH)3+organic complexing agent+H2O2system.Effects of reaction time，reaction temperature，catalyst dosage，n(H2O2)∶n(PTBP)，solvent type and cocatalyst dosage on the hydroxylation were investigated.The results showed that the solvent type and n(H2O2)∶n(PTBP)played important roles in the hydroxylation.Under the conditions：PTBP 0.80 g，n(H2O2) ∶n(PTBP)=1.0，acetonitrile-water mixture(volume ratio 2 ∶1)as the solvent 30 mL，Fe(OH)30.05 g and catechol as the cocatalyst and complexing agent 0.05 g，reaction temperature 55 ℃ and reaction time 60 min，PTBP conversion was 18.5%and selectivity to 4-TBC reached 89.2%.Discussion of the reaction mechanism showed that PTBP could not be hydroxylated by hydroxyl radical(·OH)formed in Fe3++H2O2system;in Fe3++organic complexing agent+H2O2system，an active ironoxygen complex was formed，which had good affinity with the reactant PTBP.

4-tert-butylcatechol;hydroxylation catalyst;4-tert-butyl-phenol;catechol;iron-oxygen complex

1000－8144(2011)06－0624－06

TQ 032.4

A

2010－12－09;［修改稿日期］2011－04－01。

赵亮亮(1984—)，男，河北省正定县人，硕士生，电邮zhaoliang3205@163.com。联系人：杨元法，电话0579 －82282234，电邮 sky688@zjnu.cn。

(编辑 安 静)