2,5-二甲基苯酚传统合成工艺及改进

2,5-二甲基苯酚传统合成工艺及改进

一、实验目的

1.掌握传统磺化碱熔工艺制备酚类产品的方法。

2.掌握一般反应条件优化方法，认识不同优化方法对应的结果。

3.针对传统磺化碱熔工艺存在的诸多问题，开发环境友好的绿色路线合成酚类产品（以2,5-二甲基苯酚的合成为例）。

4.找到新工艺能够替代传统工艺的成本平衡点及改进突破口。

二、实验原理

羟基（-OH）与芳烃核（苯环或稠苯环）直接相连形成的有机化合物称为酚，是一类用途非常广泛的有机化合物，代表性的化合物包括苯酚、甲基苯酚、萘酚等等。如何经济、环保的在苯环上引入羟基，是现代化学工业及学术界热门的研究方向之一。

2,5-二甲基苯酚（CAS号：95-87-4）是一种重要的染料中间体，也是合成吉非罗齐的重要中间体。2,5-二甲基苯酚为近白色至米红色柱状结晶体或片状固体。易溶于醚，醇，能升华，能与水蒸汽一同挥发。2,5-二甲基苯酚有许多同分异构体，如2,3-二甲基苯酚，2,4-二甲基苯酚，2,6-二甲基苯酚，3,4-二甲基苯酚等等，这些异构体的合成方法有具有一定的相似性（包括整个酚类产品的合成也具有一定的相似性）。

现在工业上采用的合成2,5-二甲基苯酚的方法如图1所示[1]，以对二甲苯为原料，经浓硫酸磺化得2,5-二甲基苯磺酸，然后在低温下

与氢氧化钠反应得2,5-二甲基苯磺酸钠，进一步在高温（300度以上）与氢氧化钠反应制得2,5-二甲基苯酚钠，最后经酸中和得到2,5-二甲基苯酚。此工艺路线的特点的路线成熟，原料易得。但其显著的缺点

是过程需消耗大量的酸、碱（为了确保合理的原料转化率，有的需过量10倍摩尔量以上），且酸解交替使用使得过量的酸碱难以被回收利用，最终酸碱成盐，含盐废水量大，酸碱消耗量大，设备要求较高。

图1.现有2,5-二甲基苯酚合成工艺

尽管磺化碱熔法仍然是现在工业上生产2,5-二甲基苯酚的优选工艺，为了解决现有工艺中含盐废水量大、酸碱消耗量大、设备要求较高等问题，人们一直在追求一种从对二甲苯直接一步合成2,5-二甲基苯酚的方法，如图2所示。此路线的关键是找到高效催化剂来催化对二甲苯的羟基化，在确保合理转化率（单程转化>40%）的前提下降低双氧水用量。

图2.对二甲苯直接一步合成2,5-二甲基苯酚

双氧水氧化是近年来新开发的在苯环上引入羟基的环境友好的工艺路线，其催化过程包括双氧水在催化剂作用下分解为羟基自由基，羟基自由基与苯环上的氢结合生成水，以及酚羟基生成的过程（图3）。在催化剂存在下，双氧水不但会生成羟基自由基，自身还会分解为水和氧气。因此，反应所需的双氧水往往是过量的。如何合理控制双氧水分解速率与羟基自由基生成及消耗速率，是降低反应双氧水消耗量的关键。此外，苯环上可上羟基的位置较多，并且苯环与苯环间易于偶联，如何合理控制反应的选择性也是此工艺路线获得成功的关键所在。

图3.双氧水氧化生成酚羟基的可能机制

三、主要仪器与试剂

1.仪器三口烧瓶，温度计，电磁加热搅拌器，恒压滴液漏斗，球形

冷凝

管，抽滤瓶，布氏漏斗，分液漏斗，气相色谱。

2.试剂对二甲苯，浓硫酸，氢氧化钠，双氧水，催化剂及其他实验

室可

利用的试剂。

四、实验步骤

（一）磺化碱熔路线（非实验操作，讨论用）：

安全预防：浓硫酸具有强烈腐蚀性，皮肤接触应立即用大量清水冲洗。

标准磺化过程（非实验操作，讨论用）：

在250ml三口瓶中，加入20g对二甲苯，搅拌升温至100℃（A），缓慢滴加50.0g（B）浓硫酸（滴加时控制反应温度在100~105℃（C）），滴加完后100~105℃（C）保温2小时。保温结束后，将反应液冷至70℃。滴加28.6g水，滴加水时控制温度在70~75℃。滴完后放入冰水浴中低速搅拌30分钟，抽滤，真空烘干得白色固体，计算收率。每个同学采用不同的反应条件（从第一位同学开始，依次选择A=90,100,110；B=30,40,50,60：C=90,100,110），对照不同反应条件对收率影响。

成盐过程（非实验操作，讨论用）：

在250ml反应瓶中，加入16.9g水，搅拌下室温加入6.5g氢氧化钠，然后升温到60℃，缓慢加入30.0g对二甲基苯磺酸。保温半小时，然后补加10.0g水。冰水冷却到10℃以下，静置30分钟，抽滤，烘干。

碱熔及酸化过程（非实验操作，讨论用）：

在250ml反应瓶中加入氢氧化钠30.0g，并加入水0.7g。缓慢搅拌下加热至310℃，15分钟内分批加入对二甲苯磺酸钠34.0g，然后在315~320℃下保温反应90分钟。停止加热，冷至300℃时，慢慢滴加80g水，冷至室温后，在冰水浴中滴加50%的硫酸调PH=3-4。水蒸汽蒸馏，对收集瓶进行冰水冷却可析出大量白色固体，过滤，烘干。

（二）双氧水羟基化路线（2周）

1.（1周）翻译文献ORGANICPREPARATIONSANDPROCEDURESINT., 2000,32,373-405的实验操作部分[3]。按文献方法从对二甲苯直接制备2,5-二甲基苯酚。实际操作过程中，做如下改动：（1）滴加完双氧水后保温时间为1.5小时；（2）乙酸乙酯萃取结束后，用气相色谱检测原料转化及产品生成情况。

对二甲苯（1.06g0.01mol）的乙腈溶液（10mL），中性磷酸盐缓冲溶液（10mL水 510mg3.6mmolNa2HPO4 488mg3.6mmolKH2PO4），硝酸铜溶液（0.5g2.1mmol 2mL水），30%H2O2溶液（7mL0.0618mol），50°反应1.5h，10mL水稀释，15mL乙酸乙酯萃取，水洗有机层，Na2SO4干燥，减压抽干溶剂。

2.（1周，每周一次实验）以提高双氧水利用率和反应选择性为目标，

对文献ORGANIC PREPARATIONS AND PROCEDURES INT., 2000, 32,

373-405的方法做出改进并实验验证。注：（1）两个同学为一个组，可以讨论商量，然后各自采用不同的条件，两个同学的数据在最后的报告中可以共享（每个同学最后需提交独立的报告）；（2）第一次改进实验结束后，所有同学可以一起讨论各自的方法及获得的结果，每组同学可以以这次的讨论结果作为各自第二次实验改进的依据（但确定改进方案时仅限于小组内两人讨论）；（3）所有改进方案中滴加完双氧水后的保温时间均限定在1.5小时内。

五、思考题

1.假设现有磺化碱熔工艺从对二甲苯到2,5-二甲基苯酚总质量收率为60%，试评估双氧水羟基化路线需获得什么样的反应结果（包括反应收率、原料消耗、催化剂用量及催化剂可能的回收利用情况等）才具有替代磺化碱熔工艺的优势？注：可通过图表等形式直观表示。

2.以实验结果为依据，探讨双氧水羟基化路线中提高双氧水利用率和反应选择性的关键是什么？

3.以工业化应用为目标，试评价以下两篇文献对二甲苯羟基化的方法：ORGANICPREPARATIONSANDPROCEDURESINT.,2000,32, 373-405[2]和Nature,2013,499,192-196[3]。

参考文献:

1.章思规，《精细化学品及中间体手册》下册，化工工业出版社。

2.Nasreen, A.;Adapa, S. R. "AROMATICHYDROXYLATIONBY ANEW

CUPRIC NITRATE-H2O2-PHOSPHATE BUFFER SYSTEM ",

ORGANICPREPARATIONSANDPROCEDURESINT.,2000,32,373-405.

3.Yuan,C.X.;Liang,Y.;Hernandez,T.;Berriochoa,A.;Houk,K.N.;Siegel,

D. "Metal-free oxidationof aromaticcarbon–hydrogen bondsthroughareverse-rebound mechanism", Nature,2013,499,192-196.