4,4′-二(羟甲基)联苯的合成、表征与机理探究

杨 涛, 唐 璇*, 薛 珊, 周宛欣, 成西涛

(1. 西安石油大学,陕西 西安 710065; 2. 陕西省石油化工研究设计院,陕西 西安 710054)

4,4′-二(羟甲基)联苯(4,4′-bis(hydroxymethyl)biphenyl),又名联苯对二甲醇(BHMBP),作为合成具有低吸湿性和阻燃性聚合物的单体[1],用于高性能聚合物的合成和液晶等产品的生产,也可用于其它联苯衍生物如4,4′-联苯二甲酸[2-3]的合成。BHMBP的合成主要采用4,4′-二(氯甲基)联苯(BCMBP)为原料进行生产[4-5]。上世纪90年代末,日本南海化学工业株式会社[6]公开了合成BHMBP的专利,其反应在强碱存在下的有机溶剂/H2O介质中,于100 ℃左右进行,收率为95%,同时有淡黄色副产物生成,增加了后续分离难度。侯文杰等[7]利用溶剂法在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中,在水解剂甲酸钠的作用下进行水解反应合成了BHMBP。然而水解剂用量大且有副产物二苄醚的生成,使产物含量较低,因此需精制才能用于后续生产[8]。来国桥等[9]研究发现BCMBP在乙腈/水中进行水解反应,合成BHMBP需反应29 h以上,反应周期过长,而强碱的存在会降低反应的产率。据已有文献报道[10],聚乙二醇(PEG)在阳离子诱导下可以重叠成螺旋形结构,使反应物具有较高的活性,一方面可以提高产物收率,减少副反应;另一方面可缩短反应时间。因此,聚乙二醇作为一种低毒、安全且稳定的催化剂[11-12],被广泛地应用于各类化学反应中。

本研究以4,4′-二氯甲基联苯为原料,PEG作为催化剂,在乙腈和碱液存在的条件下,经水解发生亲核取代生成4,4′-二(羟甲基)联苯(图1),产物经1H NMR, IR和HPLC表征。探讨了4,4′-二(羟甲基)联苯可能的合成路线,确定了较优的溶剂法,同时进行了反应条件的优化,并提出了可能的反应机理。该工艺反应条件温和,副反应少,而且周期短,收率高,是一种适宜的工艺路线。

图1 4,4′-二(羟甲基)联苯的合成路线

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

MPLK-701型数显控温加热搅拌器;DZF-6050ABDZF型真空干燥箱;RE-52AA型旋转蒸发器;5700-尼高力型红外光谱仪;Bruker AVANCE III 400M型布鲁克-液体核磁共振仪;安捷伦-1260型液相色谱仪。

所用试剂均为分析纯。

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,搅拌加热至回流,缓慢滴加催化剂PEG-600 3.0 g,保温反应10～12 h后,溶液过滤分液,有机相经减压蒸馏后有白色物体析出,过滤后得粗品BHMBP,再经水洗、抽滤和重结晶,烘干得白色固体BHMBP,纯度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 结果与讨论

2.1 溶剂与水解剂的筛选

以BCMBP为底物,考察不同溶剂与水解剂对产物收率、含量的影响,结果见表1。首先在溶剂存在的条件下,加入一定量水反应30 h,并依次探究甲苯、氯苯和乙腈溶剂对反应的影响。结果表明,乙腈作溶剂时效果最佳,这是由于乙腈与水互溶,对原料BCMBP也有一定的溶解度,可以提高产物BHMBP的含量至55.8%;而甲苯微溶于水,氯苯不溶于水,因此产物含量较低。进一步探究不同水解剂对反应的影响,结果表明,氢氧化钾作水解剂时效果最佳,收率为67.3%,产物含量为81.6%。此外,产品含量随水解剂碱性的增强而增大。因此,选用乙腈作为溶剂,KOH作为水解剂来进行后续反应研究。

表1 溶剂与水解剂的筛选

2.2 配料比的影响

(1) 物料比的影响

在上述条件下,研究BCMBP和KOH的不同物料比对目标产物BHMBP收率与含量的影响。由表2可知,随物料比增加,碱可以提供大量反应物所需要的氢氧根,产品的收率与含量逐渐增加;当n(BCMBP)∶n(KOH)=1.0 ∶3.0时,产品含量为85.2%,收率达到58.2%。而当该比例继续增大时,产品含量与收率反而减少,这是由于碱的加入量增加,生成粘稠副产物,目标产物的收率及含量降低。

表2 物料的物质的量之比对反应的影响

(2) 溶剂比的影响

在上述优化条件下,探究溶剂乙腈和H2O的体积比对反应的影响。由表3可知,BHMBP的含量随着溶剂比的增大而增大。当溶剂比为10 ∶1时,BHMBP收率为84.6%,含量达到89.5%。由此可见,乙腈对水和BHMBP均具有良好的溶解性,可以促进反应介质中BCMBP的溶解;而随着溶剂比的增大,产物含量开始减少,这是由于过量的乙腈在碱性条件下发生水解,生成酰胺类产物,影响目标产物的含量。因此,当溶剂的体积比V(乙腈) ∶V(H2O)=10 ∶1时最为适宜。

表3 溶剂体积比对反应的影响

2.3 反应温度的影响

在上述优化条件下,进一步考察温度对反应的影响,其结果如图2所示。由图2可知,反应温度对反应影响较大,随着反应温度升高,BHMBP含量先急剧增大后缓慢增长,升高温度有利于反应中BHMBP含量的增大。当反应温度达70 ℃后,BHMBP含量增幅减小,继续升高温度至78 ℃,此时反应体系温度达到共沸点,产物BHMBP含量达到最高,高达90.8%。

温度/℃

2.4 反应时间的影响

在上述优化条件下,乙腈作为溶剂,KOH作为水解剂,在物料比为n(BCMBP)∶n(KOH)=1.0 ∶3.0,溶剂比为V(乙腈)∶V(H2O)=10 ∶1,反应温度为78 ℃的条件下,探究反应时间对反应的影响,其结果如图3所示。由图3可知,随着反应时间的增加,BHMBP含量先急剧增大后趋于平稳。当反应至30 h时,BHMBP含量达到90%以上,表明BHMBP水解反应趋于完成。

反应时间/h

2.5 催化剂的筛选

上述优化条件中存在反应时间过长的问题,因此,保持其它反应条件不变,进一步研究催化剂种类与用量对BHMBP含量及反应时间的影响,结果如表4所示。由表4可知,无催化剂时,BHMBP收率为86.4%,含量可达到90.8%,而反应时间长达30 h;催化剂CTAB的参与不仅使副产物增多,还会使产物含量大大降低。三乙胺可以缩短反应时间至19 h,但选择性不佳,产物含量仅为56.6%;在催化剂PEG-200的参与下反应仅需12 h,收率可达到77.2%。通过比较可知,催化剂PEG-200对BCMBP的水解反应的催化效果较好。

表4 催化剂的筛选

在催化剂用量相同的情况下,随着PEG分子量的增加,产物含量开始增大,当PEG分子量增加到600时,BHMBP的收率与含量分别为89.3%和95.5%(Entry 6);当分子量继续增大时,PEG形态由液体变为蜡状固体,其吸水性和有机溶剂的溶解度下降,凝固点与粘度相应提高,因此BHMBP的收率不仅不增加,反而出现下降的趋势,此时BHMBP收率为74.7%,含量达到85.5%(Entry 7)。由此可见, PEG-600对反应的催化效果最优。表4中(Entry 6、 8～9),当PEG-600用量为3.0 g时,BHMBP的收率与含量最高,分别为93.9%和97.2%。当催化剂过量时,易产生一些副反应,从而使BHMBP含量与收率有所下降。因此,催化剂PEG-600的加入,可以大大缩短反应时间,提高BHMBP的含量与收率,并且催化剂PEG-600用量以3.0 g为宜。

2.6 BCMBP的水解机理

BCMBP的水解反应是典型的亲核取代反应。BCMBP中“卤素电负性”很强,因此,C—Cl键的1对电子偏向氯原子,使碳原子带部分的正电荷而易受带有1对电子的亲核试剂进攻。整个反应为碱性水解反应,为SN2双分子历程(图4)。

图4 水解反应过程

BCMBP不溶于水而较难在水中发生水解反应,而乙腈与水互溶且对BCMBP有良好的溶解性,因此可以促使BCMBP溶解在反应介质中。在水解过程中,油水两相体系消失,形成均相反应介质。BCMBP的水解反应一般较缓慢,而当KOH作为水解剂时,其OH-代替水作水解剂,可以加速反应进程。一般而言,亲核试剂的“碱性愈强,亲核能力亦愈强”[13],且成键快,反应性强。BCMBP在KOH溶液中反应,由于OH-的浓度大,便可直接进攻参与反应,形成过渡态(I)[14];通过消除氯离子(Cl-),羟基与碳原子形成共价键,最后生成目标产物(II)(图5)。

图5 PEG催化合成BHMBP

PEG作为相转移催化剂(PTC),其催化机理是由于链节可以折迭成螺旋状并自由滑动的链[15]。PEG在K+的诱导下重叠成螺旋形结构(Ⅲ),其中氧原子位于结构内侧,形成的7～8个氧原子处于同一平面的假环状结构,而其余氧原子则弯伸于平面的一侧。一方面,通过这种结构与K+的络合起到增溶BCMBP作用,另一方面与反应试剂的K+结合生成伪有机阳离子,亲核试剂氢氧根裸露,使之具有较高的反应活性,同时从水相转移至有机相中形成目标产物(Ⅱ),提高了反应速率且缩短了反应时间。

2.7 苄基类化合物的水解工艺研究

目前有关BCMBP的水解工艺研究较少,因此,选择从结构(官能团)-苄基入手,研究其水解条件及水解机理。据相关文献报道[16-17],苄醇类化合物的催化合成主要有催化酯化法,苄基氯和乙酸盐/甲酸盐反应。在相转移催化下,生成苄酯类化合物,再与NaOH发生水解反应生成苄醇,该过程虽能减少副产物苄醚的生成,但条件严格,反应步骤多且不便操作。

关于苄基类化合物水解的相关研究报道表明,其反应在溶剂/水溶液中进行而非纯水中。采用溶剂法[7]在DMF中与水解剂反应生成BHMBP,但水解剂用量大,为原料质量比的6倍,将导致大量副产物的生成,且不利于后续分离及废液处理;而在无碱条件下于乙腈/水中进行反应时,虽收率较高,但反应周期长达29 h以上[9],因此,BHMBP的合成工艺仍有待改善。

在工业生产过程中,为抑制副反应的发生[18-19],通常使用相转移催化剂[20-21]来提高反应速率及其选择性。本文研究了催化合成BHMBP的优化工艺:在PEG-600催化下,乙腈为溶剂,KOH为水解剂,配料比n(BCMBP)∶n(KOH)=1 ∶3,V(乙腈) ∶V(H2O)=10 ∶1,在78 ℃下反应12 h。PEG催化反应,抑制了强碱参与下苄醚副产物的生成,将反应收率从86.4%提高至93.9%,经重结晶纯化后产物含量可达98.0%以上。该合成路线反应收率高,副产物少,反应过程稳定安全,是一条适宜的工艺路线。