多聚磷酸催化合成4-羥基-3-甲氧基苯乙酮的實驗研究

郗 偉

（陜西國防工業職業技術學院 化學工程學院, 陜西 西安 710302）

多聚磷酸催化合成4-羥基-3-甲氧基苯乙酮的實驗研究

郗 偉

（陜西國防工業職業技術學院 化學工程學院, 陜西 西安 710302）

4-羥基-3-甲氧基苯乙酮是一種非常重要的化工原料,可用來生產食品添加，制備香料、合成多種藥品，在造紙工業中用來合成鄰醌型木質素模型物。鄰甲氧基苯酚乙酰化合成4-羥基-3-甲氧基苯乙酮的反應屬于傅列德爾-克拉夫茨(Friedel-Crafts)酰基化反應，傳統的催化劑是 AlCl3，但是 AlCl3作為催化劑自身有很多難以克服的缺點。通過對乙酰化反應催化劑（路易斯酸或質子酸）的分析探討，研究表明，多聚磷酸(PPA) 在溫和的催化條件下，具有不易水解酯類化合物、對乙酰基化反應尤其對芳香烴類酯化反應的催化活性好、副反應少、目標產物易于分離等優點。以多聚磷酸PPA為催化劑，通過實驗分析判別出了該合成工藝的最佳催化劑用量、反應溫度、反應時間和原料摩爾比。

多聚磷酸；催化；實驗研究

乙酰基愈創木酚（即4-羥基-3-甲氧基苯乙酮）是一種外觀呈黃色的結晶粉末狀物質，主要用來生產食品添加劑、化工原料、制備香料、合成多種藥品。在造紙工業中可用于合成多種造紙化學品及鄰醌型木質素模型物，該模型物用來對比分析紙張中的木質素發色基團對紙漿漂白效果的影響[1]。4-羥基-3-甲氧基苯乙酮的需求量每年可以達到萬噸，然而目前國內尚無規模化生產。乙酰基愈創木酚是愈創木酚(鄰甲氧基苯酚）經乙酰基化來制備的，此反屬于傅列德爾-克拉夫茨(Friedel-Crafts)酰基化反應。愈創木酚在催化劑的作用下，與乙酸酐反應生成乙酰基愈創木酚，即4-羥基-3-甲氧基苯乙酮。反應中的乙酰化劑是乙酸酐，本實驗使用的催化劑是多聚磷酸(PPA)，而不是一般傅列德爾-克拉夫茨酰基化反應中常規使用的三氯化鋁(AlCl3)[2,3]。

通過實驗研究深入探討了在合成4-羥基-3-甲氧基苯乙酮的乙酰基化反應中使用多聚磷酸（PPA）代替三氯化鋁作為催化劑的反應條件，通過實驗分析判別出了該反應的最佳催化劑用量、反應溫度、反應時間和原料摩爾比。研究表明，多聚磷酸(PPA)在溫和的化學反應條件下，具有不易水解酯類化合物、對乙酰基化反應尤其對芳香烴類酯化反應的催化活性好、副反應少、目標產物易于分離等優點。PPA作為乙酰基化催化劑的反應效果良好，對同類的其它傅列德爾-克拉夫茨酰基化反應具有借鑒參考意義。

1 實驗部分

1.1 傅列德爾-克拉夫茨反應

反應式見圖1。

圖1 多聚磷酸催化合成4-羥基-3-甲氧基苯乙酮Fig.1 Synthesis of 4- hydroxy -3- methyl ethyl ketone catalyzed by PPA

1.2 催化劑的選擇

乙酰化反應催化劑可以選用路易斯酸(Leuis Acid)或質子酸，有研究者將路易斯酸(Leuis Acid)和質子酸催化劑的催化活性做了如下排列[3]。

路易斯酸(Leuis Acid) 催化劑的活性：

AlBr3>AlCl3>FeCl3>ZnCl3>BF3>VCl3>TiCl3>ZnCl2>SnC l2>TiCl4>SbCl5>HgCl>CuCl2>BiCl2

質子酸催化劑的活性：

HF>H2SO4>P2O5>H3PO4>H4P2O7>H5P3O10>PPA

三氯化鋁是應用最廣泛的傅列德爾-克拉夫茨反應催化劑，但三氯化鋁催化劑有以下缺點：

（1）遇水迅速分解，使反應產物復雜化，釋放出大量的氯化氫氣體，造成有機物的污染，并且富含鋁的酸性溶液在工業上很難處理；

（2）自身有腐蝕性，操作處理有危險性；

（3）在酰基化反應中能與產物形成等摩爾的絡合物，浪費催化劑的用量。

因此有必要使用更安全穩定的催化劑，如質子酸。為避免異構化和脫烷烴等副反應，本實驗采用較溫和的多聚磷酸(PPA)催化劑[4,5]。

多聚磷酸采用85%的H3PO4和98%的P2O5配制，也可以購買商品多聚磷酸。

1.3 實驗試劑與設備

愈創木酚（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；乙酸酐（分析純，上海試劑廠）；多聚磷酸（化學純，實驗室自備）；乙醚（分析純，天津市化學試劑廠）；苯（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；無水硫酸鈉（分析純，天津市化學試劑廠）。

電子天平（賽多利斯科學儀器北京有限公司）；電動攪拌器、超級恒溫水浴鍋（常州國華電器有限公司）；循環水多用真空泵（鄭州杜甫儀器廠）；真空旋轉蒸發器（上海申生科技）；電熱恒溫鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司）。

1.4 乙酰化反應與產物分離提純

將10.0 g愈創木酚放入單口燒瓶中，加入適量的催化劑PPA，再加入12.3 mL乙酸酐（愈創木酚與乙酸酐的摩爾比為固定值）。在水浴上加熱反應一定時間，并不斷攪拌，降溫冷卻后，將反應混合物倒入100 mL蒸餾水。接著用分液漏斗萃取，萃取液是乙醚30 mL×5次，萃取完后用無水Na2SO4干燥乙醚抽出物，最后用真空旋轉蒸發器除去乙醚（減壓下，蒸發溫度為20 ℃左右），并用布氏漏斗抽濾得到粗產品。

粗產品要進行重結晶，把萃取出的粗產品加入到苯中，并加熱至全溶，然后冷卻，振蕩，析晶（如不能析出可以放入到冰水中或冰箱里，以充分析晶），抽濾，用蒸餾水洗滌數次并干燥得到純凈的黃色粉末晶體，采用紅外光譜及熔點確認產物為 4-羥基-3-甲氧基苯乙酮[6,7]。

2 結果與討論

2.1 PPA用量對產率的影響

反應物愈創木酚10.0 g、乙酸酐12.3 mL，原料摩爾比為1∶1.8，乙酰基化反應時間確定為20 min，反應溫度保持在 60～65 ℃條件下，通過改變 PPA催化劑的用量進行平行實驗，觀察目標產物的產量及產率變化情況(表1)。實驗結果見圖2。

表1 PPA用量與產率關系Table 1 The relation between PPA dosage and the reaction’s productivity

圖2 PPA用量與產率關系曲線Fig.2 The relation between PPA dosage and the productivity curve

從表1和圖2可以發現，在催化劑PPA用量小于4 g時隨著PPA用量的增加，乙酰基愈創木酚的產量、產率明顯增加；當催化劑添加量進一步提高，大于4 g，隨著PPA添加量的增加，產率反而降低。分析反應過程及結晶提純過程原因，可能在于PPA用量過大時，反應過程中出現少量油狀淺黃色PPA樹脂物質，在分離操作時目標產物被吸附，導致產物的產率明顯降低。

2.2 乙酰基化反應時間對產率的影響

在反應物摩爾比、反應溫度不變的條件下，催化劑PPA用量為4 g，分別采用不同的反應時間，觀察反應時間對乙酰化反應產物產率的影響。反應時間與產率的關系見表2和圖3。

表2 反應時間與產率關系Table 2 The relation between reaction time and the reaction’s productivity

圖3 反應時間與產率關系曲線Fig.3 The relation between time and the productivity curve

實驗結果表明，在催化劑PPA的作用下，該乙酰基化反應較佳的反應時間在25 min左右。當延長反應時間時，不但不利于乙酰基化反應的進行，在反應過程中可能由于反應時間過長有副產物生成，反而降低了目標產物4-羥基-3-甲氧基苯乙酮的產率。

2.3 乙酰基化反應溫度對產率的影響

原料比為1∶1.8，PPA用量(4 g)，反應時間設定為25 min，在不同的溫度下進行乙酰基化反應，目標產物產率隨時間變化結果見表3和圖4。

實驗數據及實驗現象表明，當反應溫度高于70 ℃時，發生了副反應，出現了淡黃色透明液體，用乙醚萃取時該淡黃色體透明液體未被抽提出來。當反應溫度進一步升至120～130 ℃時，乙酰基愈創木酚的產率只有 62.9%，水相沖殘留了大量的淡黃色透明液體。可見反應溫度控制在60～65 ℃較為適宜，副反應少，目標產物產率高，見圖4反應溫度與產率的關系曲線。

表3 反應溫度與產率的關系Table 3 The relation between reaction temperature and the reaction’s productivity

圖4 反應溫度與產率的關系曲線Fig.4 The relation between temperature and the productivity curve

實驗數據及實驗現象表明，當反應溫度高于70 ℃時，發生了副反應，出現了淡黃色透明液體，用乙醚萃取時該淡黃色體透明液體未被抽提出來。當反應溫度進一步升至120～130 ℃時，乙酰基愈創木酚的產率只有62.9%，水相沖殘留了大量的淡黃色透明液體。可見反應溫度控制在60～65 ℃較為適宜，副反應少，目標產物產率高，見圖4反應溫度與產率的關系曲線。

2.4 原料摩爾比的選擇

上述2.1至2.3實驗結果均是在愈創木酚(10 g)與乙酸酐(12.3 mL)的摩爾比為1∶1.8的情況下進行的乙酰基化反應。由反應式圖1可知愈創木酚與乙酸酐反應的配平系數是1∶1，為了提高乙酰基愈創木酚的產率和愈創木酚的轉化率，增加了乙酸酐的摩爾用量。在PPA用量4 g，反應時間25 min，溫度 60～65 ℃條件下，通過改變反應物愈創木酚與乙酸酐的摩爾比，尋求目標產物最佳的產量和產率。原料摩爾比與產率的關系見表4。

表4 原料摩爾比與產率的關系Table 4 The relation between raw material’s mol ratio andthe reaction’s productivity

從表4實驗結果可以發現，當乙酸酐用量的摩爾比超過2.0時，目標產物的產率增加不明顯。適宜的反應物摩爾比應該在1∶1.4至1∶2.0之間。

3 結 論

通過對產物紅外光譜圖的分析與熔點的測定（110～113 ℃），確認黃色結晶粉末狀物質為目標產物4-羥基-3-甲氧基苯乙酮，見圖5。

圖5 4-羥基-3-甲氧基苯乙酮的紅外光譜圖Fig.5 The infrared spectrogram of 4-hydroxy–3-methoxyacetophenone

經過對路易斯酸(Leuis Acid)和質子酸催化劑的催化活性的大量理論及實驗參考分析，避開了活性太強、穩定性差的三氯化鋁(AlCl3)催化劑；選擇了活性溫和、穩定更安全可靠的質子酸（多聚磷酸）作為乙酰基化反應的催化劑。由上述實驗結果可知，在多聚磷酸催化愈創木酚和乙酸酐反應合成 4-羥基-3-甲氧基苯乙酮的乙酰基化反應過程中，為了提高愈創木酚的轉化率和4-羥基-3-甲氧基苯乙酮的產率，愈創木酚摩和乙酸酐的摩爾比適宜采用1∶1.8；乙酰基化反應的溫度控制在60～65 ℃效果良好，副反應少，乙醚萃取效果良好；乙酰基化反應的時間控制在 25 min，催化劑PPA用量為 4 g（14.6%）時，催化效果最好，產物重結晶后產率可達到96.7%。

4-羥基-3-甲氧基苯乙酮的乙酰基化合成反應以及此類反應在醫藥中間體、化工原料制備等過程中應用非常廣泛，選擇溫和、穩定的催化劑、探討最佳的乙酰基化反應工藝條件，對于此類專業化學品、化工中間體的研究非常有現實參考價值。

［1］ 郗偉，李新平．過氧化氫與β-O-4型木質素醌型發色基團反應特性的研究[J].中華紙業，2008(16):32-35．

［2］ 曹日慶，王國喜．一種對乙酰氧基苯乙酮和鄰乙酰氧基苯乙酮的制備方法:CN,102093216A[P].2011-06-15．

［3］ 蔣登高，章亞東主編.精細有機合成反應及工藝[M].北京：化學工業出版社，2001-08．

［4］ 王葆仁．有機合成反應（下冊）[M].上海：科學出版社，1985:130-134．

［5］ 韓長日．多聚磷酸催化合成阿斯匹林[J]. 化學通報，1989(12):30-32．

［6］ 張正，楊盟輝，段遠富．對羥基苯乙酮的合成研究[J].化學工程師，2010，181(10):55-56．

［7］Elena F.K, Juliette Quartararo, Ivan. V. K. Fries rearrangement of aryl esters catalysed by heteropoly acid[J]. Applied Catalysis A: General, 2003, 245:69-78．

Catalytic Synthesis of 4- Hydroxy-3-methyl Ethyl Ketone by Poly Phosphoric Acid

XI Wei
（School of Chemical Engineering,Shaanxi Institute of Technology, Shaanxi Xi’an 710300, China）

4-Hydroxy-3-methoxy-acetophenone is an important organic chemical raw material, and can be used to produce food additives, perfume, various intermediates of pesticides, pharmaceuticals, and so on. Synthesis reaction of 4-hydroxy-3-methoxy-acetophenone by guaiacol acetylation belongs to Friedel-Crafts acylation reaction, conventional catalyst is AlCl3, but AlCl3catalyst has many insurmountable drawbacks. In this paper, the acetylation catalysts (Lewis acid or a proton acid) were analyzed. The results show that, PPA catalyst has many advantages, such as mild reaction condition, high catalytic activity, and fewer side reactions and so on. At last, the best synthesis conditions including PPA catalyst dosage, reaction temperature, reaction time and molar ratio of the raw materials were determined through experiments.

Poly phosphoric acid; Catalysis; Experimental study

TQ 028

A

1671-0460（2016）03-0469-04

陜西國防工業職業技術學院2015年科研支持項目（項目編號：Gfy 15－19）。

2016-01-24

郗偉（1979-），男，陜西省戶縣人，講師，碩士研究生，研究方向：主要從事應用化工技術及造紙化學品的應用研究與教學工作。E-mail：sxgfxyxw@163.com。