3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸合成工艺研究

高玉清，王文正，孔凡鹏，刘 荣

(1.甘肃省化工研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730020；2.甘肃省精细化工重点实验室，甘肃 兰州 730020)

3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸是一类重要的精细化工产品[1]，其本身可以作为受阻酚类抗氧剂应用于塑料橡胶抗老化[2-3]，近年来以3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸作为母体开发出的高效紫外线吸收剂产品3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸正十六酯[4]、3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸正丁酯[5]、3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸十二硫酯[6]、3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸-2,4-二叔丁基苯基酯受到市场青睐[7]，高端市场对3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸的品质要求越来越高。根据文献资料报道3，5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸的合成方法主要有3种[1]：一是以3，5-二叔丁基-4-羟基苯甲醛为原料，经氧化反应制备[1-2,8]；二是以2，6-二叔丁基酚为原料，在乙酸溶液中经溴化、氧化而制得[1-2,8]；三是以2，6-二叔丁基酚为原料，利用Kolbe-Schmitt反应制备[1-2,8]。其各自的反应过程分别如下所示：

方法一、对羟基苯甲醛氧化法：

方法二、2，6-二叔丁基酚溴化、氧化法：

方法三：Kolbe-Schmitt合成法：

方法一使用到的原料3,5-二叔丁基-4-羟基甲醛原料难得[1,8]；方法二使用到毒性较大的溴素为原料，对环境污染较大[1,8]；方法三利用Kolbe-Schmitt反应合成，该方法是目前工业生产苯甲酸类产品的主流方法[8-10]。

笔者选用Kolbe-Schmitt合成法合成3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸，重点研究了酚盐合成工艺及不同酚盐对产品收率的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

2,6-二叔丁基苯酚(工业纯，南京大唐化工有限公司)；甲苯(工业纯、兰州石油化工公司)；氢氧化钠(分析纯，无锡市亚泰联合化工公司)；氢氧化钾(化学纯，天津市大陆化学试剂厂)；DMF(工业纯，山东宇硕化工有限公司)；DMAC(工业纯，山东丰仓工有限公司)；二氧化碳(工业纯，兰州裕隆气体股份有限公司)；氮气(工业纯，兰州裕隆气体股份有限公司)。

1.2 实验仪器

机械搅拌(JJ-1型)；高压釜(GS-0.5型，苏州奇乐电子科技有限公司)；真空烘箱(ZK-72B型)；真空泵(H-B型),旋转蒸发仪(RE-2000B型，郑州市亚荣仪器有限公司)。

1.3 合成方法

1.3.1 中间体2,6-二叔丁基盐的合成

称取2,6-二叔丁基酚，氢氧化钠，甲苯适量，在氮气保护下加入三口烧瓶中，搅拌、升温至回流，停止通氩气，回流脱水至无水分出为止，停止反应，降温过滤，得2,6-二叔丁基盐产品。

本阶段研究了以甲苯为回流脱水溶剂，2,6-二叔丁基酚与氢氧化钠/氢氧化钾反应生成相应的2,6-二叔丁基酚盐的合成工艺,考察了物料配比、溶剂用量、反应时间对收率的影响，并确定了最佳反应工艺。

反应式如下所示:

1.3.2 3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸的合成

将烘干的2,6-二叔丁基酚盐，DMF/DMAC加入高压反应釜中，盖好釜盖，通惰性气体(氮气)置换高压釜内空气，搅拌升温至120℃通入CO2置换釜内惰性气体并加压，保温反应至CO2气体不再吸收，取出反应液酸化处理，得目标产品。

在本阶段分别考察不同物料及溶剂用量对反应的影响。

反应式如下所示:

2 结果与讨论

2.1 中间体2,6-二叔丁基盐的合成

2.1.1 物料配比对收率的影响

在反应时间确定为5 h，溶剂用量为2,6-酚投料质量的5倍量的情况下考察物料配比对产品收率的影响，见表1。

表1 物料配比对2,6-二叔丁基盐反应收率影响

从实验结果可以看出物料配比对产品的收率有一定的影响，反应收率随着反应物中NaOH增加而升高。这是由于NaOH的增多有利于将反应向正向推进，使得酚钠盐的形成更完全，当NaOH用量增加到一定量时，其反应收率提高较小，为节省物料降低成本，故本实验确定的最佳物料配比为n(2,6-酚)∶n(氢氧化钠)为1∶1.2。

2.1.2 反应时间对收率的影响

在反应物料配比n(2,6-酚)∶n(氢氧化钠)为1∶1.2，溶剂用量为2,6-酚投料质量的5倍量的的情况下考察反应时间对产品收率的影响，见表2。

表2 反应时间对2,6-二叔丁基盐反应收率影响

反应时间对产品收率有一定的影响，反应时间过短，反应原料2,6-酚未完全转化为酚盐，故产品收率较低，随着反应时间的延长产品收率逐渐提高，当到6 h以后随着时间的延长产品收率变化较小，故确定最佳反应时间为6 h。

2.1.3 溶剂用量对收率的影响

反应物料配比为n(2,6-酚)∶n(氢氧化钠)为1∶1.2，反应时间为6 h，考察反应溶剂用量对产品收率的影响，见表3。

表3 溶剂用量对2,6-二叔丁基盐反应收率影响

在反应过程中所使用的溶剂甲苯主要是用做回流脱水和反应媒介，从实验数据可以看出，当溶剂较少时反应生成的酚盐在有机溶剂中无法完全分散，阻碍了2,6-酚与氢氧化钠的接触几率，降低了反应速率，因而产品收率较低。随着溶剂用量的增加酚盐在有机溶剂中的分散状况得到改善，反应各相接触几率增大，反应速率随之增高，产品收率也明显提高。本实验确定的最佳反应溶剂用量为2,6酚投料量的4倍量。

根据以上实验数据最终确定以2,6-酚、氢氧化钠为原料合成2,6-酚钠盐的最佳工艺条件为：n(2,6-酚)∶n(氢氧化钠)为1∶1.2，m(2,6-酚)∶m(甲苯)为1∶4，反应时间为6 h。此反应中因2,6-酚容易被氧化成相应的醌从而使得到的产品颜色发黄，故在反应需在惰性气体保护下进行，尤其是加料环节和降温、过滤环节惰性气体保护尤为重要，在惰性气体保护下得到的产品颜色为类白色。

在2,6-酚钠盐合成工艺条件的基础上，使用相同的实验条件研究了2,6-酚钾盐的合成工艺，在对2,6-酚钾盐合成工艺的研究过程中发现反应生成的2,6-酚钾盐颗粒体积较大，反应体系较为粘稠，需增大反应溶剂用量来保证反应正常进行，经过实验研究，最终确定2,6-酚钾盐的合成工艺条件为：n(2,6-酚)∶n(氢氧化钾)为1∶1.2，m(2,6-酚)∶m(甲苯)为1∶5，反应时间为6 h，最高收率为94.8%。

2.2 3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸的合成

2.2.1 反应物料对收率的影响

本步反应使用到气体二氧化碳为原料，故在反应过程中二氧化碳可以根据反应实际情况进行加压补充调节，二氧化碳物料过量，产品收率以2,6-二叔丁基酚盐的投料量计算。

在反应压力为0.6 MPa，反应温度120℃，溶剂用量为2,6-二叔丁基酚盐质量的3倍量条件下，反应至二氧化碳气体不再吸收结束反应，考察不同反应物料对产品收率的影响，见表4。

表4 反应物料对3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸收率影响

从表4可以得出以DMAC为溶剂时反应收率整体较低，以DMF为溶剂时，反应收率有一定幅度的提高，DMF溶解性较强，在相同溶剂用量的情况下可溶解更多的酚盐，使得反应以气-液形式进行。2,6-酚钾盐为原料在两种溶剂中的反应收率均高于2,6-酚钠盐，这是因为钾原子比钠原子多一个电子层，钾原子半径大，原子核对最外层电子引力小，故最外层电子更易失去，有利于Kolbe-Schmitt反应的进行。

2.2.2 反应压力对收率的影响

在反应原料为2,6-二叔丁基酚钾盐，反应溶剂为DMF，反应温度为120℃，溶剂用量为2,6-二叔丁基酚钾盐质量的3倍量条件下，反应至二氧化碳气体不再吸收结束反应，考察不同反应压力对产品收率的影响，见表5。

表5 反应压力对3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸收率影响

从表5可以得出，随着反应压力的上升目标产物收率也在上升，此反应收率与反应压力成正比关系，当压力增长至0.65 MPa以后产品收率随压力增长缓慢，考虑到工业生产设备耗能及安全因素，取0.65 MPa为本产品生产最佳反应压力，在此反应压力下最优收率为89.4%。

3 结论

(1)以2,6-酚、氢氧化钠为原料合成2,6-二叔丁基酚钠盐的最佳工艺条件为：n(2,6-酚)∶n(氢氧化钠)为1∶1.2，m(2,6-酚)∶m(甲苯)为1∶4，反应时间为6 h，最高收率92.6%。

(2)以2,6-酚、氢氧化钾为原料合成2,6-二叔丁基酚钾盐的最佳工艺条件为：n(2,6-酚)：n(氢氧化钾)为1∶1.2，m(2,6-酚)∶m(甲苯)为1∶5，反应时间为6 h，最高收率94.8%。

(3)以2,6-二叔丁基酚钾盐、二氧化碳，为原料，DMF为溶剂合成3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸的最佳工艺条件为：反应温度120℃，反应压力0.65 MPa，溶剂用量为2,6-二叔丁基酚钾盐质量的3倍量，收率为89.4%。