3，5-二叔丁基-4 羥基苯基丙酸甲酯合成技術優(yōu)化研究

丁軼東 陳瓊珠

1 中化國際圣奧化學科技有限公司（上海 200126）

2 博謝思（上海）貿易有限公司（上海 200233）

3,5-二叔丁基-4-羥基苯基丙酸甲酯（MPC，以下簡稱“35 甲酯”），分子式為C18H28O3，熔點為63～68℃，外觀為白色晶狀粉末，無味無毒；揮發(fā)性低，不溶于水，微溶于醇類，可溶于各類烴類溶劑。35 甲酯是生產1010，1076，1098 和1135 等高檔抗氧劑的重要中間體[1-2]。35 甲酯本身也可作為一種基礎抗氧劑使用，對聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等有機高分子化合物具有良好的防氧化功能。

35 甲酯的合成路徑主要有兩種：“酸+醇”法和“酚+酯”法。

“酸+醇”法：由Martin Dexter 等[3]申請的專利提出，以3，5-二叔丁基-4-羥基苯基丙酸為原料，與甲醇在催化劑作用下進行酯化反應，可以制備相應的酯。該工藝因原料難得，較少用于工業(yè)化生產。

“酚+酯”法：即采用2，6-二叔丁基苯酚（以下簡稱“26 酚”）與丙烯酸甲酯（MA）為原料，在催化劑作用下進行Michael 加成反應[4-5]。該法流程較短，原料易得，因此在工業(yè)生產中得到廣泛應用。

隨著塑料應用的不斷發(fā)展，市場上對高品質抗氧劑1010，1076，1135 等的需求越來越大，對高純度中間體35 甲酯的品質要求也越來越高[6-7]。采用“酚+酯”法路徑的Michael 加成反應合成35 甲酯，在反應過程中，不可避免地會生成丙烯酸甲酯二聚物（二聚MA）和3，5-二叔丁基-4-羥基苯基二丙酸甲酯（二甲酯）。二聚MA 的生成會降低主反應的深度進而導致35 甲酯收率降低；二甲酯的生成直接影響35 甲酯產品的品質，容易導致合成的1010，1076等產品色澤呈粉色[8]、抗氧化性能降低等，最終導致抗氧劑產品的競爭力下降。因此，如何有效提升主反應深度、減少副反應的發(fā)生、提高原料利用率和產品品質是合成35 甲酯主要考慮的因素。

基于上述背景，本研究以“醇+酯”法的Michael加成合成35 甲酯為技術路徑，首先研究了在不同催化劑下酚鹽中間體的制備方式及對加成反應的影響，然后考察了合成過程中的各工藝條件，并分析了其作用原理，得出適合于35 甲酯合成的技術路線及工藝參數。

1 機理研究

Michael 加成反應是指α，β-不飽和羰基化合物受烯醇負離子等親核試劑進攻時，容易發(fā)生1，4-共軛加成。在該反應中，生成碳負離子的底物被稱為Michael 供體，α，β-不飽和羰基化合物被稱為Michael 受體[9]。在活潑堿金屬存在的條件下，酚類物質容易形成烯醇負離子，作為親核試劑與α，β-不飽和羰基化合物發(fā)生Michael 加成反應。35 甲酯合成的Michael 加成反應主路線反應式 如下所示：

26 酚易溶于醇類、酯類、烷烴等有機溶劑，幾乎不溶于水，呈一定酸性，能電離出H+，在活潑堿金屬攻擊下，脫氫和活潑金屬形成活性中間物酚鹽中間體。該中間體在活潑正價金屬離子作用下，非常容易與OH-或其他負價離子反應，因此該反應是一個可逆反應。在35 甲酯Michael 加成反應中，酚鹽中間體是起決定性作用的活性組分，因此高純度酚鹽是加成反應深度的關鍵。酚鹽反應中生成的水或醇如果沒有及時移走，則在加成反應過程中會和丙烯酸甲酯發(fā)生副反應而導致雜質生成。因此酚鹽反應必須不斷除去反應生成的水或醇氧類物質，這樣反應才能向正向進行，從而獲得高純度酚鹽。

在酚鹽中間體的催化作用下，26 酚和丙烯酸甲酯首先生成35 甲酯鹽。由于35 甲酯鹽的空間位阻效應大于26 酚鹽，因此35 甲酯上的活潑金屬離子更容易脫離而去進攻位阻效應相對較小的26 酚，從而生成35 甲酯和26 酚鹽。由Michael 加成反應機理可以看出，酚鹽金屬離子的活潑程度決定了催化作用的反應閾值。

國內有文獻[10]采用氫氧化鈉、叔丁醇鉀等為催化劑合成酚鹽，同時采用大量溶劑，工藝復雜、能耗大。國外有文獻[11]采用金屬鉀、氨基鈉等作催化劑，但這些物質使用不安全，固體物質加料容易導致反應器進氧氣等問題，不利于工業(yè)化生產。因此，使用安全易得且有足夠活性的合成催化劑是反應成功的關鍵。

由于丙烯酸甲酯的易聚合特性，在Michael 加成反應過程中，存在以下副反應。

副反應1：

副反應2：

副反應1 為MA 聚合形成二聚MA，然后在酚鹽的作用下與26 酚發(fā)生Michael 加成生成二甲酯。

副反應2 為35 甲酯在酚鹽作用下與MA 再次發(fā)生Michael 加成反應生成二甲酯。

二聚MA 和二甲酯這兩種副反應的產物會極大地影響主反應的轉化率及產品收率。根據MA 聚合的特性，在溫度升高或者壓力增加時，MA 更容易發(fā)生聚合。但是，Michael 加成反應需要足夠的反應溫度才能達到一定的反應速率。另外，增加壓力也有助于主反應的進行，但是壓力增加的同時會導致MA的聚合繼而導致二甲酯反應的增加。因此，針對不同的反應體系，研究出合適的反應溫度和壓力對Michael 加成反應很重要。

2 實驗部分

2.1 原料規(guī)格

2,6-二叔丁基苯酚（w>99.8%），北京極易化工有限公司；丙烯酸甲酯（w>99%），中國石化揚子石油化工有限公司；氫氧化鉀（w>48%）、氫氧化鈉（w>50%），濟南金昊化工有限公司；甲酸（w>99%），魯西化工集團股份有限公司。

2.2 實驗步驟

取400 g 26 酚加入750 mL 反應器中，隔離反應系統，用氮氣置換反應器約1 min 進行系統惰化。水浴加熱反應器至70 ℃使物料完全融化，滴加設定量的堿液進反應器，并開啟攪拌。然后逐步加熱物料并抽真空至反應系統壓力為20 kPa（絕對壓力，下同），待反應釜溫度達到105 ℃左右，維持攪拌并進一步抽真空至壓力約為5 kPa，維持約1.0 h，確保生成的所有水分被除盡，得到液態(tài)酚鹽中間體。

控制反應溫度、反應初始壓力，隔離反應器，按照設定的時間、速率滴加MA。滴加過程中控制反應溫度，滴加結束后繼續(xù)攪拌并保溫一定時間。反應結束后，將反應器再次連接真空系統，控制溫度不超過105 ℃并抽真空至5 kPa，維持約2 h，確保所有未反應的MA 被移除。然后注入氮氣破除真空，再往反應釜內滴加比堿金屬過量30%（物質的量分數）的甲酸中和反應液，攪拌0.5 h 后過濾，取過濾液樣進行分析。

3 結果與討論

3.1 堿金屬比例對反應的影響

堿金屬的活性是影響Michael 加成反應的重要因素。控制堿金屬的量為26 酚物質的量的0.3%，n（MA）∶n（26 酚）=1.1，在20 kPa的初始反應壓力、110 ℃下密閉反應器，控制1.0 h滴加完MA，然后維持反應1.0 h。反應結束后，真空抽除MA，加甲酸攪拌，過濾得反應液。考察不同混堿配方對反應的影響，結果見表1。

表1 催化劑K+/Na+物質的量比對Michael 加成反應的影響

由表1 可以看出，隨著K+比例的增加，35 甲酯的含量有一個快速上升的趨勢，同時35 甲酯反應的選擇性也進一步上升，聚合MA 和二甲酯的含量逐漸下降。但是當n（K+）/n（Na+）超過4 以后，35 甲酯的含量開始下降，二聚MA 和二甲酯含量開始增加，反應選擇性有所下降。

由于K酚鹽在Michael 加成體系中的活性高于Na 酚鹽，由上述實驗結果可知：K 酚鹽可有效促進反應深度，降低反應閾值。Na 酚鹽可有效增加反應體系的活性，加快反應速率。因此隨著K 酚鹽的增加，35 甲酯轉化率上升較快。但是當K 酚鹽比例達到用量最高點后，Na 酚鹽的減少造成反應速率不夠高，導致35 甲酯轉化率降低。主反應反應深度降低的同時，導致更多的MA 累積并發(fā)生聚合，繼而發(fā)生二甲酯的合成。

由此可見，K 酚鹽和Na 酚鹽在Michael 加成反應體系中是相輔相成的。一個合適的比例可有效促使反應朝想要的方向進行。在合成35 甲酯的反應體系下，n（K+）/n（Na+）=4 是較合適的催化劑配方。

3.2 催化劑用量對加成反應的影響

堿催化劑的用量不僅影響反應結果，同時對去除金屬離子的后處理提出要求，因為過量的堿金屬在后處理時需要耗費更多的甲酸，同時產生更多的危廢。控制n（K+）/n（Na+）=4，調節(jié)不同的混堿加入量，制得酚鹽中間體。在n（MA）∶n（26 酚）=1.1、20 kPa 的初始反應壓力、110 ℃下密閉反應器，控制1.0 h 滴加完MA，然后維持反應1.0 h。考察催化劑混堿加入量對反應的影響，結果見表2。

由表2 可以看出，隨著催化劑用量的增加，35甲酯的含量增加。在催化劑用量為26 酚物質的量的3%之前，35 甲酯含量隨催化劑用量增加有一個明顯的上升趨勢，同時主反應選擇性也有一個上升趨勢。當催化劑用量比達到4%后，35 甲酯含量增加不明顯，但二甲酯含量卻有一個上升趨勢。

由實驗結果可知，催化劑加入過少，酚鹽含量降低，顯著降低反應速率。由于反應速率降低，多余的MA 發(fā)生聚合生成二聚MA，繼而與26 酚發(fā)生反應生成二甲酯。當堿金屬比例超過0.03 后，再增大催化劑加入量，對35 甲酯主反應的促進作用不大，過多的活性中間體反而促進二甲酯加成反應的進行，導致反應選擇性降低。

因此，對于35 甲酯的加成反應體系，較合適的催化劑量為n（堿金屬）∶n（26 酚）=0.03。

3.3 丙烯酸甲酯過量比例對加成反應的影響

在確定催化劑配方及用量的基礎上，考察不同原料配比的影響。在20 kPa 的初始反應壓力下，調節(jié)MA 的加入量，110 ℃下控制1.0 h 滴加完MA，維持反應1.0 h，得到的實驗結果見表4。

由表3 可以看出，隨著MA 加入量的增加，35甲酯的含量呈現出逐步增加的趨勢，在投入比例達到1.10 后，35 甲酯的含量逐步減少。但是二聚MA和二酯的含量隨著MA 過量比例的增加，呈現出單邊增長的趨勢。主反應的選擇性在MA 與26 酚物質的比為1.05～1.10 時出現最高值。

表3 MA 加入量對Michael 加成反應的影響

由實驗結果可知，MA 過量有助于反應的進行。在n（MA）∶n（26 酚）不超過1.10 之前，MA 過量值的增加對主反應起貢獻作用。這是由于在反應器的上部空間存在MA 的氣相部分，導致溶解在反應體系內的MA 小于反應需要的量。但是比值超過1.10后，更多的MA 對主反應所起的作用不大，反而MA的聚合及二甲酯反應開始增加。

因此，在該反應系統下，較合適的MA 與26 酚的物質的量比為1.10。

3.4 初始反應壓力對加成反應的影響

實驗采用密閉法反應，初始反應壓力決定了整個過程的反應壓力。調節(jié)不同的初始密閉壓力，按照MA 過量10%，110℃下控制1.0 h 滴加完MA，維持反應1.0 h，實驗結果見表4。

表4 初始反應壓力對Michael 加成反應的影響

從表4 可以看出，隨著初始反應壓力的降低，35甲酯含量有一個緩慢的上升過程，但是二聚MA 和二甲酯卻顯著減少。當初始壓力降低至10 kPa 時，35 甲酯的含量反而有所下降，二聚MA 和二甲酯的含量有所上升。

雖然增加壓力有助于Michael 加成反應的進行，但是副反應MA 聚合和二甲酯反應也會相應增加。通過降低初始反應壓力，可以有效避免MA 的聚合，配合合適的滴加速率和反應時間，可以有效增加35 甲酯反應的選擇性。但是過低的反應壓力會過分抑制加成反應的進行，導致MA 在反應體系內累積而發(fā)生聚合。

因此，對于采用“酚+酯”法Michael 加成合成35 甲酯的工藝，較合適的初始反應壓力為20 kPa。

3.5 丙烯酸甲酯滴加時間對反應的影響

在MA 過量10%、初始反應壓力為20 kPa、反應溫度為110 ℃的條件下，按照不同的速率滴加MA，滴加結束后維持1.0 h，實驗結果見表5。

表5 MA 滴加時間Michael 加成反應的影響

由表5 可以看出，隨著MA 滴加時間的延長，即滴加速率的減小，35 甲酯的含量略有增加。但是二甲酯的含量在過快或過慢的滴加下都顯著增加，同時35 甲酯的選擇性都相對較低。

滴加過慢時，可以確保滴加的MA 充分與26 酚反應生成35 甲酯，但是過慢的反應也導致需要過長的反應時間，從而導致MA 與35 甲酯生成二甲酯的副反應增加。若滴加過快，由于部分MA 來不及與酚鹽反應，從而導致更多的二聚MA 生成。合適的滴加速率既可以確保充分的加成主反應，又可以避免副反應過度發(fā)生而生成二甲酯。

因此，針對35 甲酯的Michael 加成反應，合適的滴加時間應控制在1.0 h。

3.6 反應溫度對加成反應的影響

在MA 過量10%、反應器20 kPa的初始壓力下，調節(jié)不同的反應溫度，然后控制MA 滴加時間為1.0 h，滴加結束后維持1.0 h，實驗結果見表6。

表6 反應溫度對Michael 加成反應的影響

由表6 可以看出，隨著反應溫度的升高，35 甲酯的含量和主反應選擇性呈現出先增加后減少的趨勢，在115℃出現最高值。但是二聚MA 和二甲酯的含量則隨著反應溫度的升高先呈現下降的趨勢，在110℃出現最低含量后，逐步變成增加的趨勢。

由此可以得出結論，過高或過低的反應溫度都不利于35 甲酯的加成反應。這是由于過低的反應溫度導致反應活性下降，35 加成主反應轉化率較低，更多MA 累積在反應器內；100 ℃已經足夠引起MA的聚合反應，繼而二甲酯反應也相應增多。過高的反應溫度雖然有助于主反應進行，但是此時副反應也進一步加快，特別是超過115 ℃后，二聚MA 反應和二甲酯反應對產物的影響超過了主反應。

綜合考慮35 甲酯的反應深度和選擇性，保溫反應溫度在110～115 ℃比較適合該體系。

3.7 保溫時間對反應的影響

在MA 過量10%、20 kPa 的初始壓力、反應溫度為110 ℃下，控制1.0 h滴加完MA，然后維持不同的保溫反應時間，實驗結果見表7。

表7 保溫時間對Michael 加成反應的影響

由表7 可以看出，隨著保溫時間的延長，35 甲酯的含量呈先增加后減少的趨勢，在1.5 h 左右出現最高值。二聚MA 和二甲酯含量則隨保溫時間延長呈單邊增長的趨勢，同時，主反應選擇性逐步下降。

由此可以得出結論，延長保溫時間有助于促進Michael 加成反應的深度，但是當主反應達到一個最高點后，副反應的效應開始逐步明顯。隨著保溫時間的延長，二聚MA 逐漸聚合增多，繼而導致二甲酯副反應逐漸增多，最終反映在主反應上的結果是選擇性先增加后降低。延長保溫時間的同時會影響反應的批次時間，進而影響裝置的產能。綜合考慮35 甲酯的反應深度、反應選擇性及裝置產能，保溫時間控制在1.0 h 比較合適。

4 結論

以2，6-二叔丁基苯酚和丙烯酸甲酯為原料，采用KOH 與NaOH 混堿作催化劑，堿金屬離子與26酚的物質的量為0.3%，n（K+）/n（Na+）=4 時，反應結果較好。混堿生成的兩種酚鹽中間體可有效加深反應深度，提高反應速率。

在確定混堿催化劑的條件下，控制MA 過量約10%、反應初始壓力為20 kPa、反應溫度為115 ℃，密閉反應器，控制約1.0 h 滴加完MA，隨后保溫1.0 h，可得到35 甲酯含量為93.52%，主反應選擇性達99.53%的結果。該實驗結果可用于指導實際生產中的優(yōu)化調試，具有一定的應用價值。