對苯二甲基二甲醚的合成工藝進展

陳婷婷，林漲，佟子睿，方明哲，胡予繽，陳新志

(1.浙江大學 化學工程與生物工程學院，浙江省化工高效制造技術重點實驗室，浙江 杭州 310027；2.浙江大學衢州研究院，浙江 衢州 324000)

醚類化合物中對苯二甲基二甲醚是一種重要的精細化學品中間體，以其為原料生產的耐高溫樹脂可用于高速賽車及高檔汽車領域，對苯二甲基二甲醚還可作為酚醛樹脂的改性劑，用于提高樹脂的耐熱性。目前工業上主要是以對二甲苯為起始原料，經氯化后生成對二氯芐，對二氯芐與甲醇鈉反應生成對苯二甲基二甲醚。反應過程中引入的鹵素轉化成化學計量的氯化鈉，環境污染大，后處理成本較高。對苯二甲基二甲醚的市場應用前景廣闊，因此開發出一條綠色、高效的對苯二甲基二甲醚生產工藝，具有重大的研究意義和經濟價值。

本文重點介紹了以對二鹵芐、對二芐醇及對苯二甲酸二甲酯為原料合成對苯二甲基二甲醚的工藝路線，總結與評價了工藝特點，并概述了對二鹵芐和對二芐醇的制備方法，對綠色化工業生產對苯二甲基二甲醚具有一定的指導意義。

1 對二鹵芐路線

對二鹵芐與甲醇鈉/甲醇氫氧化鈉反應可生成對苯二甲基二甲醚，是常見的威廉姆遜醚合成法(Williamson合成)，其反應方程式如下。

鄒等[1]以甲醇作溶劑，對二氯芐與甲醇鈉摩爾比為1∶(2.05～2.2)，60 ℃下保溫回流反應3～4 h，蒸出溶劑甲醇，粗品水洗除鹽，粗油真空精餾,收集102 ℃/0.1 MPa的餾分即得對苯二甲基二甲醚。產品純度可達99.5%以上，產率可達99%。制備的甲醇氫氧化鈉溶液與對二氯芐保溫回流反應6 h，產品純度為98.05%,產率為57.8%。甲醇氫氧化鈉工藝路線所得產物的產率明顯較低，主要是由于甲醇氫氧化鈉溶液中含水，對二氯芐在含水的情況下容易發生一些副反應如生成醇等，導致反應的轉化率和選擇性降低。Wang等[2]在室溫條件下，使用甲醇鈉與對二溴芐(摩爾比1～2)反應一段時間后，產物的產率約98%。對二鹵芐與甲醇鈉反應制備對苯二甲基二甲醚，該方法原料易得，操作簡便，產率高，在工業上應用廣泛，但反應過程中生成鹵化鈉，原子經濟性差，后處理成本較高。

除威廉姆遜醚合成法外，對二鹵芐在合適的催化劑下也能與甲醇反應成醚，Girdhar等[3]使用硫酸鐵作為催化劑，催化對二溴芐與甲醇在75 ℃下加熱回流反應12 h，TLC跟蹤反應進程，反應完全后，冷卻至室溫，過濾除去硫酸鐵，用冷甲醇洗滌產品，產物產率為80%。其中硫酸鐵催化劑不易回收再用，反應的原子經濟性較差，且生成的廢酸溴化氫腐蝕性強，需中和處理。

對二鹵芐是常見的有機合成中間體，可用于制備染料及醫藥等。其來源廣泛，接下來簡要介紹對二鹵芐的制備合成工藝，其制備方法包括芳烴側鏈鹵化法，芐醇鹵化法，Blanc氯甲基化及醛鹵化法。

1.1 對二鹵芐的制備

1.1.1 芳烴側鏈鹵化法 目前，工業上主要是以對二甲苯側鏈鹵化法制備對二鹵芐，其反應方程式如下所示。

制備工藝主要有以下兩種：①對二甲苯在高溫/紫外光條件下通氯氣/溴氣進行鹵化反應，該反應選擇性差，收率低，鹵素毒性大，腐蝕性強，反應過程中伴有嚴重的廢氣污染；②催化氯化，在引發劑過氧化苯甲酰(BPO)/偶氮二異丁腈(AIBN)的作用下，對二甲苯與N-氯代丁二酰亞胺(NCS)/N-溴代丁二酰亞胺(NBS)發生反應，該反應具有選擇性好，產物后處理容易等優勢，但NBS/NCS價格相對較貴，工藝成本偏高。

Kulka等[4]將對二甲苯與磺酰氯反應，使用引發劑過氧化苯甲酰(摩爾比為1∶2.5∶0.006)，自然光照下反應4 h，對二氯芐的產率為58%。Florian等[5]使用對二甲苯與1,3,4,6-四氯甘脲 (TCDGU)反應，在引發劑偶氮二異丁腈的作用下，使用CCl4作為溶劑，在81 ℃下反應2 h，對二氯芐的產率為20%。該反應的產率較低，使用的溶劑CCl4毒性大，且原料TCDGU不易得。吳等[6]將對二甲苯、氯化鈉、氯酸鈉、水和二氯甲烷混合均勻后通過進料口進入液-液噴射強化反應器本體內，在30 ℃及自然光照條件下循環反應1 h，產物產率為90.71%。該方法操作簡單，成本低，反應時間短，條件溫和，適合于工業化生產。

Kulangiappar等[7]結合電化學的方法制備對二溴芐，陽極和陰極均采用貴金屬鉑(Pt)板，上層電解液為NaBr/HBr的水溶液，下層為對二甲苯溶于氯仿的有機層，在0 ℃下電解，產物的產率為48%。Kulangiappar等[8]進一步優化反應條件，研究發現使用50 mL的40%溴化鈉溶液和5 mL氫溴酸作為上層電解液，下層有機層中原料對二甲苯的用量為0.01 mol，氯仿溶劑30 mL，在15 ℃下電解，產物的產率為90%。該反應使用電化學的方法制備溴氣，溴氣與水反應生成的次溴酸在酸性條件下進一步生成氧化二溴，氧化二溴進入有機層與對二甲苯反應生成對二溴芐，反應方程式如下。該反應的反應條件溫和，不需要加入引發劑，但使用的溶劑氯仿易致癌，屬于有毒有害的水體污染物。

1.1.2 芐醇鹵化法 對二芐醇與鹵化試劑反應可制備對二鹵芐，傳統的鹵化試劑包括HCl，SOCl2，CCl4，PCl3，PCl5，HBr，PBr3等，鄭等[9]研究發現在二甲基乙酰胺(DMAc)的作用下,對二芐醇與SOCl2在室溫25 ℃下反應1 h，產物的產率為92.3%，反應方程式如下所示。DMAc具有堿性，可作為副產物SO2和HCl的縛酸劑，促進反應正向進行。

Zheng等[10]使用對二芐醇與苯磺酰氯反應，使用二氯乙烷溶劑，N-甲基吡咯烷酮(NMP)作為促進劑，在80 ℃下反應1.5 h，對二氯芐的產率為90%，反應方程式如下所示。與傳統的鹵化試劑相比，苯磺酰氯的毒性和危害性較低。但該工藝整體而言，經濟性較差，不適合工業化生產。

1.1.3 Blanc氯甲基化 芳烴及其衍生物在催化劑的作用下與氯甲基化試劑反應，從而在芳環上引入氯甲基的反應稱為Blanc氯甲基化反應，常用的催化劑包括氯化鋅、氯化鋁、氯化錫等，氯甲基化試劑包括三聚甲醛-氯化氫、多聚甲醛-氯化氫、氯甲基醚等，芳環上的給電子基促進反應進行，吸電子基則阻礙反應進行。以苯為底物經氯甲基化反應制備對二氯芐，反應時間較長，催化劑用量較多且不易回收。Hu等[11]使用新型離子液體[C12minPEG800]Br，促進苯與多聚甲醛、氯化氫發生氯甲基化反應，使用甲基環己烷作為溶劑，80 ℃下反應14 h，反應的選擇性為72%，產物的產率為70%。Wang等[12]制備了新型離子液體[emim]BF4，苯與多聚甲醛、氯化氫在該離子液體的作用下，70 ℃下反應5 h，轉化率為76%，產物的產率為59%。之后Wang等[13]進一步制備新型離子液體[emim]PF6，在相同的條件下反應5 h，轉化率為78%，產物的產率為62%，反應方程式如下所示。作為反應的催化劑和溶劑，離子液體具有溶解性能好，熱穩定性高等優點，但其合成工藝較為復雜，且純化步驟繁多導致生產成本較高。

羅等[14]先將多聚甲醛溶解于濃硫酸中，再分批加入氯化鈉,滴加完畢后緩慢滴入氯化芐，在40 ℃下反應2.5 h后，產物產率為63%，反應方程式如下所示。研究發現，反應溫度較高(60 ℃)，反應物呈黑色粘稠狀，后處理困難；室溫下滴加氯化芐，反應放熱，溫度維持在40 ℃左右，反應物呈泥土狀,洗滌后顏色變淺,經乙醇重結晶后得近白色晶體。

1.1.4 醛鹵化法 Kabalka等[15]在二氯甲烷溶劑中，使用HBBr2(SMe2)與α-蒎烯回流反應制備異戊二烯基二溴化硼二甲基硫醚絡合物，之后在室溫條件下，對苯二甲醛與該配合物在正己烷溶劑中反應5 h后，產物的產率為81%，反應方程式如下所示。該方法的底物普適性較強，對于α,β-不飽和醛類化合物也適用，但其原料對苯二甲醛不易制備，生產成本較高。

2 對二芐醇路線

Haruo等[16]在室溫條件下，使用硫酸二甲酯與對二芐醇(摩爾比12∶1)反應，以環己烷為溶劑，氧化鋁為催化劑，反應2 h后過濾除去氧化鋁，用乙酸乙酯洗脫濃縮得到產物，單醚產物4-甲氧基甲基芐醇的產率為73%，二醚產物對苯二甲基二甲醚的產率為9.2%，反應的選擇性較差，反應方程式如下所示。Fariba等[17]使用催化劑無水碳酸鉀，溶劑丙酮，對二芐醇與硫酸二甲酯回流反應24 h后，二醚產物的產率為92%。醚化試劑硫酸二甲酯極易水解成硫酸和甲醇，屬于高毒類化合物，且反應生成的副產物硫酸甲酯熱穩定性也較差，遇高熱易劇烈分解，容易引起容器破裂或爆炸事故發生，副產物硫酸腐蝕性強，對反應設備要求較高，不適合工業化生產。

Piero等[18]在200 ℃下，使用堿性氧化鋁或水滑石KW2000催化芐醇與碳酸二甲酯反應制備苯甲基甲醚，芐醇與碳酸二甲酯的重量比為1∶15，芐醇與堿性氧化鋁或水滑石KW2000的重量比為1∶1，反應3 h后，在催化劑堿性氧化鋁的作用下，反應的轉化率和選擇性均為100%，在催化劑水滑石KW2000的作用下，反應的轉化率為98%，選擇性為96%。對反應路徑進一步探索得知，芐醇與碳酸二甲酯在堿性催化劑的催化下先生成中間體碳酸酯，之后碳酸酯在高溫下脫羧生成苯甲基甲醚和二氧化碳，反應方程式和反應路徑如下所示。Maurizio等[19]使用鈉離子交換的沸石分子篩NaX或NaY作為催化劑，催化芐醇與碳酸二甲酯反應生成苯甲基甲醚，在200 ℃下反應3 h，產物的產率高于90%。Pranab等[20]制備了含溴的吡啶基離子液體1-丁基-4-甲基溴化吡啶鎓離子液體，該離子液體可催化芐醇與碳酸二甲酯反應制備苯甲基甲醚，170 ℃下反應2 h，產物的產率為70%。以碳酸二甲酯作醚化試劑，反應過程中無需引入鹵素，且反應的主要副產物是甲醇和二氧化碳，環境污染程度低，反應過程中如能釋放低沸點的甲醇和CO2，則可促進反應正向進行，有利于提高產物的產率。

對二芐醇作為有機合成中間體，在工業上主要用于生產可溶性聚苯，可由醛或羧酸衍生物酯還原得到對二芐醇，接下來簡要介紹其制備合成工藝。

2.1 對二芐醇的制備

2.1.1 醛還原制醇 醛、酮在氫化鋁鋰、硼氫化鈉和活潑金屬等還原劑的作用下可生成醇，反應的轉化率和選擇性與還原體系的還原能力相關，Behzad等[21]將丁二酮肟和醋酸銅加入到無水乙醇中，制備得到棕色沉淀Cu(dmg)2，使用NaBH4/Cu(dmg)2作為還原體系可提高NaBH4的還原能力，在室溫下，原料對苯二甲醛與NaBH4/Cu(dmg)2的摩爾比為1∶1∶0.02， 反應14 h后，產物的產率為98%。

醛、酮也可經催化加氫生成相應的醇，催化劑包括均相催化劑和非均相催化劑兩類，其中，非均相催化劑較易回收利用，適合應用于大規模的工業化生產中。常用的非貴金屬催化劑如Ni，Co，Mn等加氫一般需要高溫高壓的操作條件，對設備的要求較高，Liu等[22]使用金屬前驅體K2PdCl4與配體4-硝基鄰苯二胺反應制備了Pd-NPs催化劑，以水作為溶劑，H2壓力為0.1 MPa，反應3 h后，原料對苯二甲醛的轉化率和產物的產率均大于99%，反應條件較為溫和，反應方程式如下所示。Zhang等[23]制備了鐵基配合物催化劑，在該催化劑及活化劑KOtBu的作用下，對苯二甲醛與頻哪醇硼烷HBpin在室溫下生成中間體，中間體進一步在二氧化硅的作用下生成對二芐醇，產物的產率為95%。

2.1.2 酯還原制醇 羧酸衍生物經催化氫化或用氫化鋁鋰、硼氫化鈉、活潑金屬等還原劑還原也能生成醇，但使用這些還原劑易產生化學計量的廢棄物，且反應裝置較為復雜。非均相的催化氫化過程，所需溫度和壓力較高(>200 ℃，20 MPa)，自從Zhang[24]，Saudan[25]，Kuriyama等[26]發現使用含Ru配合物作為催化劑可大大降低反應所需的溫度和壓力，越來越多的研究者把注意力放在含Ru配合物上，Hofman等[27]研究發現對苯二甲酸二甲酯在Ru/C催化劑的作用下，4.5 MPa H2，120 ℃下反應24 h后，僅在苯環上加氫生成1,4-環己烷二羧酸二甲酯，醛基未被加氫還原，同樣的反應條件下，使用Ru-MAHO-BH配合物作為催化劑，可生成目標產物對二芐醇，轉化率為99%，產物產率為82%，反應方程式如下所示。Anaby等[28]制備了新型含釕復合配體([Ru(NP3)(H)CO]OMe，向高壓釜內充入6 MPa 的H2，加入0.6 mmol的對苯二甲酸二甲酯及0.1%的新型含釕復合配體，130 ℃下反應17 h，產物的產率為97%。Tan等[29]制備了一系列含肼基的氮膦配體和釕配合物，其中([Ru(Cl)2(p-cymene)]2催化效果最佳，向高壓釜內充5 MPa的H2，對苯二甲酸二甲酯與催化劑的摩爾比為2 000∶1，80 ℃ 下反應16 h，產物的產率為99%。最近，人們開始使用價格低廉的金屬如Fe[30-32]，Mn[33]，Co[34]來代替釕作為催化劑，反應的轉化率和選擇性與釕相差不多。

3 其他合成方法

羧酸衍生物在合適的催化劑下也可加氫還原生成相應的醚類化合物，Li等[35]在催化劑乙酰丙酮釕(III)[Ru(acac)3]、1,1,1-三(二苯基膦甲基)乙烷(triphos)、三氟甲磺酸鋁[Al(OTf)3]的催化下，對苯二甲酸二甲酯與H2在160 ℃下反應12 h，氫氣壓力為6 MPa，使用THF作為溶劑，產物的產率為80%，反應方程式如下所示。該反應的反應步驟簡單，原料對苯二甲基二甲酯易得，但使用貴金屬作為催化劑，價格較為昂貴且不易回收再用，反應需高溫高壓，反應條件較為苛刻。

4 總結與展望

本文總結了對苯二甲基二甲醚的合成工藝，各工藝特點見表1。

表1 對苯二甲基二甲醚的主要合成工藝與特點

對二鹵芐路線具有原料易得、操作簡便、產率高等優點，但對二鹵芐中的鹵素會轉化成鹵鹽，原子經濟性差，環境影響大，后處理成本高。對二芐醇路線中，以硫酸二甲酯為醚化試劑，硫酸二甲酯屬高毒類化合物，副產物主要是硫酸和硫酸甲酯，刺激性和腐蝕性較強，對設備要求高，廢酸不易后處理，不適合工業化生產；以碳酸二甲酯為醚化試劑，副產物主要是甲醇和CO2，環境影響小，反應的催化劑易得，但反應需高溫高壓，反應條件較為苛刻，有待進一步改進。對苯二甲酸二甲酯直接加氫制備對苯二甲基二甲醚，反應步驟簡單，原料易得，但使用貴金屬作為催化劑，價格較為昂貴且不易回收再用，反應也需高溫高壓，條件苛刻。綜合來看，以碳酸二甲酯為醚化試劑與對二芐醇酯交換脫羧生成對苯二甲基二甲醚的工藝最佳，反應過程中無需引入鹵素，副產物是甲醇和CO2，環境污染程度低，反應過程中如能釋放低沸點的甲醇和CO2，則能推動反應正向進行，提高產物的產率，有實現綠色工業化生產的前景。