超/亞臨界CO2中鄰甲酚羧基化合成鄰甲基水楊酸

張 平，徐明仙，俞景譯，林春綿

（1浙江工業大學生物與環境工程學院，浙江 杭州 310014；2杭州職業技術學院臨江學院，浙江 杭州 310018）

超/亞臨界CO2中鄰甲酚羧基化合成鄰甲基水楊酸

張 平1，徐明仙2，俞景譯1，林春綿1

（1浙江工業大學生物與環境工程學院，浙江 杭州 310014；2杭州職業技術學院臨江學院，浙江 杭州 310018）

在超/亞臨界CO2中合成鄰甲基水楊酸，對探索其綠色合成和CO2的資源化利用有重要意義。本實驗以鄰甲酚為原料，考察了無水K2CO3、無水Na2CO3等催化劑的活性，選取催化效果最好的無水K2CO3在超/亞臨界CO2中一步法直接催化合成鄰甲基水楊酸。在反應時間1～6 h、催化劑相對投加量nK2CO3/nO-Cresol為0.05～1.25、反應溫度130～270 ℃、反應壓力4～14 MPa的條件下對鄰甲酚在超/亞臨界CO2中的羧基化反應進行了研究。結果表明：鄰甲酚的轉化率與產物收率隨反應時間的延長均出現先增加的趨勢，不同的是轉化率最后趨于穩定，產物收率則略有減少；鄰甲酚的轉化率與產物收率隨催化劑相對投加量的增加先快速增加然后趨緩，隨反應溫度、反應壓力的增加先增加后減少。較佳的實驗條件為：反應時間 3 h、催化劑相對投加量0.5、反應溫度190 ℃、反應壓力8 MPa，此時，鄰甲酚轉化率可達19.7%，鄰甲基水楊酸收率可達17.5%。此外，提出了超/亞臨界CO2中鄰甲酚羧基化反應可能存在的機理。

超/亞臨界CO2；鄰甲酚；鄰甲基水楊酸；一步法合成；無水K2CO3

由于化石燃料的大量使用，CO2氣體排放量急劇增加，導致了全球氣候變暖，并威脅了人類的生存。但是由于CO2無毒、不燃、價格低廉，在有機合成領域又有著廣泛的應用[1-2]，因此，將溫室氣體CO2應用在有機合成中無疑具有重大的意義，也為工業上以CO2為原料合成鄰甲基水楊酸提供了一種新思路。

鄰甲基水楊酸（3-Methylsalicylic acid）又名3-甲基-2-羥基苯甲酸，是一種重要的染料和醫藥中間體，廣泛應用于染料和醫藥工業。鄰甲基水楊酸的合成方法有Kolbe-Schmitt法、草酰氯法、苯乙酮法、Mannich reaction法等[3-4]，其中以Kolbe-Schmitt法（又稱酚酸合成法）應用最為廣泛。這是由有機酚類化合物與 CO2發生親電取代而在芳環上引入羧基的一種方法，具體可分為兩步，即堿金屬酚鹽的制備與羧基化。Kolbe-Schmitt法又可分為氣固相合成法與溶劑合成法。據文獻所述[5-7]，氣固相合成法的產物收率可達80%，溶劑合成法的產物收率可達88%。

伴隨著綠色化學理念的提出與深入，鄰甲基水楊酸的合成被提出了更高的要求。因此，環保新型的鄰甲基水楊酸合成方法值得探索。在綠色環保領域，超/亞臨界流體因具有良好的溶解能力和傳遞性能，在萃取分離[8]、超/亞臨界水氧化[9-10]、化學反應[11]、材料制備[12]等領域都得到了廣泛的重視。而超/亞臨界化學反應也因具有反應速度快、產物易于分離等特點備受學者們的青睞。目前，CO2作為介質被廣泛應用于超/亞臨界有機合成反應，在反應中，其既可作為反應物，又可作反應溶劑[13]。

鑒于超/亞臨界CO2流體獨特的優勢，將其應用在鄰甲基水楊酸的現有合成中，有著非常大的吸引力。另一方面，簡化現有的Kolbe-Schmitt合成法，實現一步法直接合成，又是對現有方法的改進?；谝陨蟽牲c，在超/亞臨界CO2中進行鄰甲基水楊酸的直接合成研究值得人們關注。目前，此課題研究尚未見報道。而其它酚酸在超/亞臨界CO2中的直接合成研究也不多見，且主要是針對水楊酸，如Iijima、徐明仙和胡斯翰等[14-17]探討了在超臨界CO2中苯酚直接羧基化反應合成水楊酸的實驗研究。本實驗以鄰甲酚為原料，選用合適的催化劑，在超/亞臨界CO2中采用一步法直接合成鄰甲基水楊酸，為CO2的資源化利用和酚酸類有機物的綠色合成開展有益的實驗探索。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本實驗所用的材料：鄰甲酚為化學純（98.0%）；鄰甲基水楊酸為分析純（99.0%）；CO2為干冰級（99.5%）；甲醇為色譜純（99.8%）；無水 K2CO3為分析純（99.0%）；NaOH為分析純（96.0%）；H3PO4為分析純（85.0%）。

1.2 實驗裝置

圖1 實驗裝置圖

本實驗裝置如圖1所示。檢驗裝置氣密性后，首先在高壓反應釜（FYXL-0.5型，容積50 mL，設計壓力33 MPa，設計溫度773 K，大連通產高壓釜容器制造有限公司）內加入一定量的鄰甲酚與催化劑，密封后通入一定量的CO2置換反應釜內空氣，重復置換4次，然后加熱至實驗要求的溫度。溫度由接觸調壓器（TDGC2J-2型，上海人民企業有限公司）和數控電熱套（TM-500型，溫度控制范圍273～723 K，偏差為±1 ℃）控制，并由數顯指示儀（XMT型，PID控制，精度1.0級，久盛智能儀表廠）顯示。待溫度穩定后，通過微型柱塞泵（J-W-2型，杭州之江科學儀器廠）打入CO2至設定的反應壓力值，并開始計時。隨著反應的進行，壓力略有下降，啟動柱塞泵，補充CO2以維持壓力穩定。系統壓力由精密壓力表指示（量程為0～40 MPa，精度為0.4級，上海自動化儀表股份有限公司）。反應一定時間后，將反應釜快速冷卻，打開截止閥 7放氣，并用去離子水吸收。最后打開反應釜，用加入了一定量NaOH的去離子水，將釜內固相產物以鄰甲基水楊酸鈉（易溶于水）的形式洗出（鄰甲基水楊酸微溶于水，不易洗出），洗出液與氣相吸收液合并定量后分析。

1.3 分析方法

本實驗采用 JASCO LC-2000高效液相色譜儀（JASCO LC-2000，日本分光株式會社）對反應后產物進行定量分析。色譜儀配備循環泵、UV-2075可調紫外波長檢測器、U6K手動進樣器。實驗分析條件如下：色譜柱為NovapakC18W柱（250 mm×6 mm），柱溫為室溫，流動相為甲醇與水（V甲醇∶V水=75∶25），以磷酸調節pH值至3.21，流量為0.6 mL/min，檢測波長為230 nm。

鄰甲酚轉化率計算方法如式（1）。

鄰甲基水楊酸收率計算方法如式（2）。

式中，X為鄰甲酚的轉化率；n1為鄰甲酚投加量；n2為反應后鄰甲酚剩余量；Y為產物的收率；n3為反應后鄰甲基水楊酸產生量。

2 結果與討論

2.1 催化劑的選擇

一般認為，在用Kolbe-Schmitt法合成酚酸的工業化過程中，若有水存在，會阻礙反應的進行[3，17]。另外，Iijima等[14-15]認為含結晶水的AlBr3在催化苯酚直接合成水楊酸的過程中效果較差[14]。因此，本實驗選取無水 K2CO3、無水 Na2CO3等催化劑，考察其對超/亞臨界CO2中鄰甲酚羧基化反應的影響，結果見表1。

表1 不同催化劑對鄰甲酚羧基化反應的影響

Iijima與胡斯翰等[15，17]曾發現以 CaCO3、BaCO3、MgCO3為代表的堿土金屬化合物對苯酚直接羧基化反應的催化效果較差。本實驗在堿土金屬化合物中選取了MgSO4作催化劑，考察其對鄰甲酚羧基化反應的催化效果，結果發現，MgSO4毫無催化活性。Li等[18]曾在研究中證實 TiO2對苯酚直接羧基化反應有較好的催化效果（未明確晶態），但在本實驗中，TiO2對鄰甲酚羧基化反應的催化效果較差。在相關文獻中，Iijima等[14]也曾表示Lewis酸，如 AlCl3、CuCl2、ZnCl2、FeCl3等，對苯酚直接羧基化反應的催化效果尚可（未明確晶態），但在本實驗中，選用的 Lewis酸，包括 AlCl3、γ-Al2O3、ZnCl2、FeCl3，對鄰甲酚羧基化反應的催化效果并不理想。另外，胡斯翰[17]曾提出各種堿與堿金屬碳酸鹽對苯酚直接羧基化反應的催化效果不同，其中，NaOH、Na2CO3與KOH對反應的催化效果較差，而KHCO3與 K2CO3則具有較好的催化效果（未明確晶態）。他認為在苯酚直接羧基化過程中，KHCO3在加熱的條件下會分解成K2CO3、CO2與H2O，H2O的存在阻礙了苯酚羧基化反應的進行，致使 KHCO3比K2CO3的催化效果差；堿與CO2反應生成碳酸鹽與水，不利于羧基化反應的進行。根據本實驗結果，發現NaOH與Na2CO3對鄰甲酚羧基化反應的催化效果較差，KHCO3與 K2CO3對反應的催化效果較好，這與先前胡斯翰[17]的實驗研究一致；值得一提的是，本實驗中KOH表現出了僅次于K2CO3的催化效果，這與胡斯翰[17]的研究有所不同。根據表1，本實驗催化效果最好的是無水K2CO3。

2.2 催化劑相對投加量的影響

在190 ℃、8 MPa、3 h、無水K2CO3作催化劑的條件下，考察無水K2CO3的相對投加量（與鄰甲酚投加量的摩爾比）對鄰甲酚羧基化反應的影響，結果見圖2。

由圖2可知，當催化劑相對投加量低于0.5時，鄰甲酚轉化率與鄰甲基水楊酸收率隨催化劑相對投加量的增加迅速增加；在催化劑相對投加量為 0.5時，鄰甲酚轉化率與鄰甲基水楊酸收率分別達到較大值19.7%、17.5%；隨后繼續增加催化劑相對投加量，鄰甲酚轉化率與鄰甲基水楊酸收率增加緩慢；在催化劑相對投加量為1.25時，鄰甲酚轉化率與鄰甲基水楊酸收率分別達到21.0%、18.6%。在此實驗條件下，0.5是較合適的催化劑相對投加量。

2.3 反應時間的影響

在190 ℃、8 MPa、無水K2CO3作催化劑且相對投加量為0.5的條件下，考察反應時間對實驗的影響，見圖3。

圖2 催化劑相對投加量對實驗的影響

圖3 反應時間對實驗的影響

由圖3可知，當反應時間低于3 h時，鄰甲酚轉化率與鄰甲基水楊酸收率隨反應時間延長迅速增加；當反應時間為3 h時，鄰甲酚轉化率與鄰甲基水楊酸收率分別達最大值19.7%、17.5%；隨著反應時間的進一步延長，鄰甲酚轉化率和產物的收率基本趨于穩定且有所下降。上述規律與譚明臣和徐明仙等[4-16]曾發現的反應時間對鄰甲酚鈉與苯酚羧基化反應的影響規律一致。在反應過程中可能是由于釜內產物間發生了縮聚反應，發現有少量的樹脂產物生成，這使得鄰甲基水楊酸的收率呈略有下降的趨勢。但反應后期鄰甲酚轉化率也有所降低，尚不能給出合理的解釋，有待進一步研究。在此實驗條件下，3 h是較合適的反應時間。

2.4 反應溫度的影響

在8 MPa、3 h、無水K2CO3作催化劑且相對投加量為0.5的條件下，考察溫度對實驗的影響，見圖4。

實驗結果表明在溫度 130～190 ℃范圍內，隨著溫度的升高，鄰甲酚的轉化率與鄰甲基水楊酸的收率迅速增加；在反應溫度為190 ℃處，鄰甲酚的轉化率與鄰甲基水楊酸的收率分別達到了最大值；隨著溫度的進一步升高，鄰甲酚的轉化率與鄰甲基水楊酸的收率反而下降。反應是熱力學平衡控制的可逆反應[19]，溫度較低時，反應速率較慢；溫度較高時（200 ℃以上），鄰位酚酸受熱易發生脫羧反應[20]，又會使正反應生成的鄰甲基水楊酸重新脫掉羧基生成鄰甲酚，這也進一步證明了鄰甲酚的羧基化反應是可逆反應。上述實驗規律與Iijima和徐明仙等[14，16]曾提出的反應溫度對苯酚直接羧基化反應的影響規律一致。在此實驗條件下，190 ℃是較合適的反應溫度。

圖4 反應溫度對實驗的影響

2.5 反應壓力的影響

在190 ℃、3 h、無水K2CO3作催化劑且相對投加量為0.5的條件下，考察壓力對實驗的影響，結果見圖5。

當壓力在4～8 MPa范圍內，隨著壓力的增加，鄰甲酚的轉化率與鄰甲基水楊酸的收率迅速增加。尤其在8 MPa處，鄰甲酚的轉化率與鄰甲基水楊酸的收率分別達最大值；隨后，當壓力繼續增加時，鄰甲酚的轉化率與收率反而逐漸下降。反應壓力較低時，CO2的密度較低，同時鄰甲酚在CO2中的溶解度也不高，對反應不利；隨著反應壓力的提高，CO2密度也隨之增大，阻礙了催化劑與鄰甲酚的相互接觸，亦不利于反應的進行。這可能是導致出現圖5中結果的原因之一，但對其影響如此之大的其它原因有待進一步的研究。上述實驗規律與 Iijima和徐明仙等[15-16]曾表述的反應壓力對苯酚直接羧基化反應的影響規律一致。

2.6 反應機理的探討

圖5 反應壓力對實驗的影響

Iijima和胡斯翰等[15，17]曾研究過以K2CO3為催化劑在超臨界CO2中直接催化苯酚合成水楊酸的反應機理。結合本實驗結果的分析，超/亞臨界 CO2中鄰甲酚直接羧基化反應可能存在如下機理。當反應開始時，通過鄰甲酚氧原子與Lewis酸中心在固體催化劑表面發生相互作用，鄰甲酚吸附到催化劑上。通過相互作用，使得鄰甲酚上羥基的H原子轉移，在固體催化劑表面上形成不飽和的O2-中心位，產生鄰甲基苯氧陰離子。鄰甲基苯氧陰離子基團的形成和H+的釋放同時發生。

進而，不飽和的催化劑表面氧原子提供一個電荷給CO2的碳原子，同時CO2的氧原子提供一個電荷給鄰甲基苯氧基團的陽離子。同時，吸附的CO2非常不穩定，陽離子附近的強酸會取代陽離子附近的堿位而吸附CO2分子中的氧原子。

鄰近CO2碳原子的鄰甲基苯氧碳原子，能將鄰甲基苯氧基團轉移到CO2碳原子上，同時在陽離子和CO2的一個氧原子之間形成鍵。最后，釋放的氫原子重新傳遞給羧基就形成了鄰甲基水楊酸。鄰甲酚羧基化反應可能存在的機理見圖6。

3 結 論

通過探討不同因素對實驗的影響，發現無水K2CO3在鄰甲酚羧基化反應過程中具有最好的催化效果；鄰甲酚的轉化率與產物收率隨反應時間、催化劑相對投加量、反應溫度及反應壓力的變化呈現相應的規律。鄰甲基水楊酸較佳的合成條件為：反應時間3 h，催化劑相對投加量0.5，反應溫度190℃，反應壓力8 MPa。通過對反應機理的研究表明，被吸附在催化劑表面的鄰甲酚羥基上的H原子首先轉移，產生鄰甲基苯氧陰離子。進而，鄰近CO2碳原子的鄰甲基苯氧碳原子，將鄰甲基苯氧基團轉移到CO2碳原子上，同時在陽離子和CO2的一個氧原子之間形成鍵。最后，釋放的氫原子重新傳遞給羧基就形成了鄰甲基水楊酸。

圖6 鄰甲酚羧基化反應機理

對于反應過程中發生的副反應及生成的副產物，目前仍未可知，有待于進一步研究。

[1] Mette Mikkelsen，Mikkel J?rgensen，Frederik C Krebs.The teraton challenge.A review of fixation and transformation of carbon dioxide[J].Energy & Environmental Science，2010，3（1）：43-81.

[2] Sakakura T，Cho J C，Yasuda H.Transformation of carbon dioxide[J].Chemical Reviews，2007，107（6）：2365-2387.

[3] 倪祥根.鄰甲基水楊酸的合成研究[D].杭州：浙江大學，2002.

[4] 譚明臣.超臨界法合成酚酸的探究[D].濟南：山東輕工業學院，2008.

[5] 王煜華，章德祥，呂仙榮，等.鄰甲基水楊酸的合成研究[J].浙江化工，1990，21（2）：1-3.

[6] 黃寧，孟明揚.溶劑法生產鄰甲基水楊酸[J].染料工業，1995，32（5）：30-32.

[7] 孟明揚，王景國，趙秀英，等.溶劑法合成鄰甲基水楊酸[J].染料與染色，1988（4）：21-24.

[8] 文震，黨志，余德順，等.超臨界CO2流體萃取重金屬的研究進展[J].化學進展，2001，13（4）：310-314.

[9] 王亮，王樹眾，張欽明，等.超臨界水氧化處理含油廢水的實驗研究[J].環境污染與防治，2005，27（7）：546-549.

[10] 林春綿，徐明仙.超臨界水氧化法降解葡萄糖的研究[J].化學反應工程與工藝，2001，17（1）：79-83.

[11] 李國平，江渙峰，李金恒.超（近）臨界流體中的催化加氫反應[J].化學進展，2001，13（6）：455-460.

[12] 賀文智，姜兆華，索全伶.超臨界流體沉淀技術制備超細粒子研究[J].化學進展，2003，15（5）：361-366.

[13] 胡斯翰，徐明仙，林春綿.超臨界CO2在有機合成中的資源化利用[J].化工進展，2010，29（6）：984-990.

[14] Iijima Takayuki， Yamaguchi Tatsuaki.Efficient regioselective carboxylation of phenol to salicylic acid with supercritical CO2in the presence of aluminium bromide[J].Journal of Molecular Catalysis A：Chemical，2008，295（1-2）：52-56.

[15] Iijima Takayuki，Yamaguchi Tatsuaki.K2CO3-cayalyzed direct synthesis of salicylic acid from phenol and supercritical CO2[J].Applied Catalysis A：General，2008，345（1）：12-17.

[16] 徐明仙，胡斯翰，丁春曉，等.碳酸鉀催化苯酚在超臨界CO2中合成水楊酸的實驗研究[J].高?；瘜W工程學報，2011，25（3）：529-532.

[17] 胡斯翰.超臨界CO2中水楊酸（鈉）的制備研究[D].杭州：浙江工業大學，2010.

[18] Li Zhenhuan，Su Kunmei.The direct reaction between CO2and phenol catalyzed by bifunctional catalyst ZrO2[J].Journal of Molecular Catalysis A：Chemical，2007，277（1-2）：180-184.

[19] 高鴻賓.有機化學[M].第4版. 北京：高等教育出版社，2007.

[20] 汪小蘭.有機化學[M].第4版. 北京：高等教育出版社，2005.

Experimental study on the synthesis of 3-methyl salicylic acid from carboxylated o-cresol in supercritical or subcritical carbon dioxide

ZHANG Ping1，XU Mingxian2，YU Jingyi1，LIN Chunmian1
（1College of Biological and Environmental Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China；2Hangzhou Vocational and Technical College，Hangzhou 310018，Zhejiang，China）

The synthesis of 3-methyl salicylic acid in supercritical or subcritical carbon dioxide has important meaning for the green synthesis of 3-methyl salicylic acid and resourcization of carbon dioxide. After comparing the catalytic activity of anhydrous potash，anhydrous sodium carbonate and so on，anhydrous potash was chosen as the best catalyst to synthesize 3-methyl salicylic acid directly from o-cresol by one-pot method in supercritical or subcritical carbon dioxide. At the condition of reaction time from 1—6 hours，catalyst′s relative dosage（nK2CO3/ nO-Cresol）from 0.05—1.25，reaction temperature from 130—270 ℃ and reaction pressure from 4—10MPa，o-cresol’s carboxylic reaction was studied in supercritical or subcritical carbon dioxide. The result showed that the conversion of o-cresol and the yield of 3-methyl salicylic acid both increased at first with the increase of time，and then the conversion became stable，but the yield decreased slightly in the end. The conversion and the yield increased rapidly at first and then increased slowly with the increase of catalyst′s relatively dosage. The conversion and the yield increased rapidly at first but then decreased with the increase of reaction pressure or reaction temperature. The conversion is about 19.7% and the yield is about 17.5%under the optimal condition that reaction time was 3 hours，catalyst′s relatively dosage was 0.5，reaction temperature was 190 ℃ and reaction pressure was 8 MPa. In addition，a possible reaction mechanism was proposed.

supercritical or subcritical carbon dioxide；o-cresol；3-methyl salicylic acid；one-pot synthesis；anhydrous potash

TQ 460.3

：A

：1000-6613（2012）05-1137-06

2011-11-24；修改稿日期；2012-01-12。

浙江省自然科學基金（Y5110158）及浙江省教育廳項目（Y200805324）。

張平（1986—），男，碩士研究生。聯系人：林春綿，教授。E-mail lcm@zjut.edu.cn。