（化学工艺专业论文）水杨醇合成新工艺的研究.pdf

摘要 水杨醇( o h a ) 是一种重要的精细化工产品，广泛应用于农药、医药、化妆 品的合成。本文以苯酚、硼酸、多聚甲醛等为原料，经脱水、酯化、羟甲基化、 水解反应以及碳酸氢钠洗涤、减压蒸馏、重结晶制得水杨醇，该法原料成本低廉、 污染小，是一个较具有发展前景的合成路线。 本实验将酯化反应分解为脱水反应步骤和酯化反应步骤，以便提高酯化反应 收率，同时，考察了反应温度、硼酸用量、带水剂种类及用量对酯化反应收率的 影响，得到优化条件，使反应转化率达9 8 。 在羟甲基化反应中，以正丁醚为溶剂，多聚甲醛采取固态进料，通过正交实 验，考察了反应温度、反应时间、多聚甲醛用量、溶剂用量对反应收率的影响。 实验表明，反应温度对反应收率影响显著，其它因素影响较小。正丁醚还作为萃 取剂使水杨醇产品在后面的过程中得到有效分离。 本文还考察了水解反应、碳酸氢钠水溶液洗涤过程中各因素对水杨醇收率的 影响， 并采用减压蒸馏、重结晶制得水杨醇精品。通过高压液相色谱法分析表 明产品水杨醇纯度达9 9 以上。水杨醇最高收率达6 4 。 关键词：水杨醇苯酚多聚甲醛羟甲基化正丁醚 a b s t r a c t s a l i g e n i n ( o h a ) i sa ni m p o r t a n tf i n ec h e m i c a lp r o d u c t ，w h i c hi sw i d e l yu s e di n t h es y n t h e s i so f p e s t i c i d e ，m e d i c i n e ，s p i c e ，c o s m e t i ca n ds oo n i nt h i sp a p e lan e w p r o c e s sw a sd e v e l o p e d t o s y n t h e s i z eo h aw i t hp h e n o l ，b o r i ca c i d ，a n d p a r a f o r m a l d e h y d e ( p f ) a sr a wm a t e r i a l s ，w h i c hi n c l u d i n gs u c hs t e p s ，n a m e l ya s d e h y d r a t i o n ， e s t e r i f i c a t i o n ，h y d r o x y m e t h y l a t i o n ，h y d r o l y z a t i o n ， d e c o m p r e s s d i s t i l l a t i o na n dc r y s t a l l i z a t i o n t h ea d v a n t a g e so ft h i sa p p r o a c hl i ei ni t s c h e a pr a wm a t e r i a l s ，l e s sp o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t o v e ro t h e r s i nt h es t e po fe s t e d f i c a t i o n ，d e h y d r a t i o no fb o d ea c i da n dt h e ne s t e r i f y i n gw i t h p h e n o lw e r ec a r r i e do u ti no r d e rt oi n c r e a s ec o n v e r s i o no fe s t e r i f i c a t i o n e f f e c to f r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，c o n s u m p t i o no fb o r i ca c i d ，k i n d sa n da m o u n to fd e h y d r o l a t i n g a g e n to nt h ey i e l do fe s t e r i f i c a t i o nw e r es t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t h i g hc o n v e r s i o no f9 8 o fe s t e r i f i c a t i o nw a so b t a i n e d i nt h es t e po fh y d r o x y m e t h y l a t i o n ，( d i - ) n - b u t y le t h e rw a su s e da ss o l v e n t ，a n d s o l i df o r m a l d e h y d e ，w h i c hw a sd e c o m p o s e db yp a r a f o r m a l d e h y d e ，w a sc o n d u c t e d i n t ot h er e a c t o r o r t h o g o n a lt e s tw a sd e s i g n e dt oi n v e s t i g a t et h ef a c t o r so fr e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，a m o u n to fs o l v e n ta n dc o n s u m p t i o no fp fo nt h e h y d r o x y m e t h y l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r eh a ss i g n i f i c a n t i n f l u e n c e so nt h ey i e l do fo h a ，o t h e r ss e e mt oh a v el e s se f f e c t i ti sw o r t h yt on o t e t h a t ( d i - ) n - b u t y le t h e rm a ya l s ou s e da sag o o de x t r a c t i o ns o l v e n to fo h a i nt h e f o l l o w i n gs e p a r a t i o ns t e p s t h ei n f l u e n c e so fv a r i o u sf a c t o r so nt h ey i e l do fo h aw e r ea l s oi n v e s t i g a t e di n h y d r o l y z a t i o ns t e pa n ds o d i u mb i c a r b o n a t ea b s t e r s i o ns t e p t h er e f m e do h a w a s f i n a n ym a n u f a c t u r e db yd e c o m p r e s s d i s t i l l a t i o na n dc r y s t a l l i z a t i o n h p l ca n a l y s i so f f i n a lp r o d u c tw a sc o n d u c t e da n ds h o w e dt h a tt h ep u r i t yo ft h eo h aw a sa b o v e9 9 a n dt h em a x i m a m y i e l do fo h a w a su pt o6 4 k e y w o r d s ：s a l i g e n i n ，p h e n o l ，p a r a f o r m a l d e h y d e ，h y d r o x y m e t h y l a t i o n ( d i - ) n - b u t y le t h e r 前言 前言 水杨醇( o h a ：o r t h o h y d r o x y b c n z y la l c o h 0 1 ) 是一种用途较广的精细化工 产品，广泛用于农药、医药的生产。水杨醇还用于制造酚醛树脂及其他高分子材 料，药物，染料，炸药等，其中大量用于生产水杨醛。水杨醇还可以作为紫外线吸收 剂，合成防晒化妆品，与硼酸熔融混合后进行反应而制得耐热性得到改善的p f ( 耐 腐蚀塑料) ，可用作模塑料、摩擦材料、胶粘剂等。 我国水杨醇生产厂家较少，目前国内只有江苏、上海、湖南等地有小批量生 产，大多为厂内配套使用，商品水杨醇的销量较少。 天然的水杨醇存在于柳树皮、绣线菊属植物、鹿蹄草和西方桦中，远远满足 不了人类的需求。科研工作者经过长期的探索，得到水杨醇以下几个主要合成路 线：水杨醛还原法、芳卤代烷水解、苯酚甲醛直接法、苯酚甲醛间接法。 上述合成方法有些已经发展较为成熟，并工业化生产，但仍存在较多的缺点。 如水杨醛还原法投资大、能耗大、经济效益不好，工业化方面优势不明显；芳卤 代烷水解法有芳卤代烷比水杨醇更难得到的缺点；苯酚甲醛直接法水杨醇收率普 遍不高，副产品较多，最终产品的分离提纯以及“三废的处理比较因难，催化 剂容易失活且难回收，使用金属类催化剂而不利于生产食品级的水杨醇；目前的 苯酚甲醛间接法存在工艺流程长、原料浪费严重、废水较多等缺点。 本课题组之前对苯酚硼酸酯化氧化法合成水杨醛进行了初步的研究，在合成 的过程中，由于流程过长，需要对中间产物水杨醇进行分析，从而确定羟甲基化 反应、氧化反应等转化率，为深入研究水杨醛合成提供方便。 本课题拟对苯酚甲醛间接法合成水杨醇进行改进，该法以硼酸、苯酚、多聚 甲醛等为原料，经脱水、酯化、羟甲基化、水解，再经后续分离得到水杨醇，其 主要反应步骤如图解( i ) 。 刚 图解( i ) 合成水杨醇反应步骤流程图 s c h e m e ( i ) r e a c t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo f s y n t h e s i so f o h a 本文根据反应特点，将羟甲基化反应溶剂与传统水杨醇萃取剂耦合，研究了 各反应步骤的影响因素及其对反应收率的影响，最终产品采用高压液相色谱法分 析。得到水杨醇的最佳收率达6 4 8 以上。 本合成路线的优点是：操作简便、污染小、中间反应物无需碱化、酸化，是 一条极具开发价值的工艺路线。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嫂丈包签字日期：土伪7 年月伊日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：嵌史钞 签字日期：五少年f 月伊日 聊魏磋l 签字日期：缈7 年多月f 日 第章文献综述 第一章文献综述 水杨醇是重要的精细化学品，广泛应用于合成医药、农药、以及合成其它的医 药或者农药中间体。随着市场需求的不断增加，目前国内需要大量进口，产品供不 应求。 i i 水杨醇的性质 1 1 i 物理性质1 1 水杨醇是羟基苄醇的一种极为重要的异构体，又名邻羟基苯甲醇或邻羟基苄 醇，分子式c 7 h 8 0 2 ，分子量1 2 4 1 3 ，c a s 号9 0 0 l - 7 ，英文名o r t h o - h y d r o x y b c n z y l a l c o h o l ，俗称s a l i c y la l c o h o ls a l i g c n i n ，s a l i g e n i n ，s a l i c y la l c o h o l ，s a l i c y l a l k o h o l 。 结构式如图1 1 所示。水杨醇常温下为白色片状或针状结晶，熔点8 6 8 7 ( 2 ，比 重1 1 6 1 ( 2 5 c ) ，热至1 0 0 c 升华，可溶于水、苯；易溶于醇、醚、氯仿；不溶 于石油醚，遇硫酸呈红色。 o h l 伽2 0 h 图1 1 水杨醇分子结构 1 1 2 化学性质2 】 水杨醇含有酚羟基、苯环、醇羟基三个化学基团，因此其具有活泼的化学性 质，主要是由所含的羟基一o h 决定。在水杨醇的化学反应中，根据键的断裂方式， 主要有氢氧键断裂和碳氧键断裂两种不同的类型的反应。 ( 1 ) 与活泼金属的反应 水杨醇含有的羟基，是极性化合物，与金属钠作用生成醇钠和氢气，但是反 应比水慢。 o h o n a h 2 n a 第一章文献综述 ( 2 ) 氧化反应 水杨醇在贵金属催化剂如铂，钯等作用下经氧化可生成水杨醛，此反应是工 业生产水杨醛的一种重要途径。 水杨醇与卤 ( 4 ) 与卤 由水杨醇制 取代而生成邻卤 h 素 4 ( 5 ) 与无机酸反应 水杨醇还能与硫酸、硝酸、磷酸等无机酸作用，得到的产物称为无机酸酯。 1 2 水杨醇的应用 h 2 0 s 0 2 0 h 水杨醇是有机合成的重要原料，合成医药、农药；还用于制造酚醛树脂及其 他高分子材料，药物，染料，炸药等；其中大量用于生产水杨醛。 1 2 1 农药中间体3 】 由水杨醇与o 甲基硫代磷酰二氯作用而合成的水杨硫磷，也称为2 甲氧基 _ 4 h 苯并1 ，3 ，2 - - - 氧磷杂芑2 硫化物，是一种有机磷杀虫剂。主要适于果树 和蔬菜，用于防治柑橘风蝶、卷叶蛾、袋蛾、菜青虫、桃食心虫、蚜虫和甘兰夜 蛾。 由水杨醇与甲基二氯化物缩合而成的杀抗松是一种三元不对称有机磷化合 物，具有广谱、高效、低残留等优点，对害虫具有强烈的触杀、胃毒、薰蒸、内 6 第一章文献综述 吸等作用，对害虫击倒力快，残效期长，是一个非常优良的品种。 1 2 2 医药中间体 在医药领域中，水杨醇具有广泛地应用，是合成抗炎和防治肝炎等药物的重 要中间体”j 。 其衍生物乙酰水杨酸，是阿斯匹林的活性化学成分。近年来人们发现阿斯匹 林其防治心血管病和中风的用途甚至超过了它最初的止痛功用，被认为是2 0 年来 防治心脑血管病最重大的突破。阿斯匹林还可能对某些癌症、眼白内障、齿龈疾 病、孕期内高血压、糖尿病、偏头痛和老年病痴呆症有预防和治疗作用【5 】。 1 2 3 合成水杨醛 水杨醇的重要用途就是合成另一种重要的精细化学品水杨醛。水杨醛主要用 于医药旧、食品香料与香精阴、农药【舡1 1 1 、电镀12 ”1 、炼油【1 舢1 9 1 、合成纤维口0 - 2 4 、 光敏剂1 2 5 、离子电池 2 0 q 等领域。以水杨醇为原料制水杨醛主要有水杨醇液相催 化氧化法和电氧化法。水杨醇液相催化氧化法反应如下： 水杨醇催化氧化法的传统催化剂为钯系、铂系催化剂，该系列催化剂催化效 率高，副反应少，但贵金属催化剂用量大，从文献报道看，对该法的改进主要集 中于催化剂的优选方面，其中，较为重要的是： 美国专利【2 7 1 报道，钯铂系列催化剂的催化氧化效率高，并指出在该催化剂 体系中加入金属钇作为助催化剂可以提高催化氧化反应速度和产物收率 ( 9 6 ) 。 美国专利【2 8 1 报道用铬、铁等非贵重金属作催化剂，水杨醛收率5 6 ，但副产 物多。 日本专利【2 9 】报道用铅、铋、银等金属的无机盐作催化剂，收率达7 6 ，但 重金属催化剂的流失对环境污染很大。 德国专利【3 0 】报道在二甲基亚砜或二甲基甲酰胺溶剂中以钒作催化剂，收率 8 9 ，但反应中需耗用大量的反应溶剂。 中科院大连化物所也曾报道f 3 l 】以非贵重金属锰、铜的有机化物作反应过程 的催化剂，收率9 3 ，但由于种种原因，尚未工业化。 意大利m i l o n e 报道【3 2 l 以a u f e 2 0 3 为催化剂，目标产物收率达9 1 91 - ，尚处 于研究阶段。 筇一章文献综述 谢维跃等利用自制催化剂催化氧化水杨醇，水杨醛收率达9 6 。 关于电氧化法，目前的报道【3 4 】是在相转移催化剂( b u ) 。n h s o 。作用下，以 c r v i ) c r l l i ) 及a g ( i i ) a g ( i ) 2 习2 媒质体系电氧化水杨醇制得水杨醛，收率 7 5 - - 9 7 ，电流效率6 0 7 5 。 1 3 水杨醇的合成方法 人类最早在柳树皮、绣线菊属植物、鹿蹄草和西方桦中发现水杨醇，但是这 些天然的水杨醇由于量很小而远远不能满足人类的需要，因此科研工作者不断探 索水杨醇的合成方法。目前水杨醇的合成方法按照原料角度可分为三类，即以水 杨醛、卤代烷、苯酚为原料合成水杨醇。 1 3 1 以水杨醛为原料 以水杨醛为原料合成水杨醇主要是在催化剂的作用下水杨醛被还原而得到 水杨醇，目前研究的重点主要在选择合适的催化剂。 ( 1 ) 在金属催化剂n i 、c u 、p t 或p d 等存在下水杨醛与氢气作用，在羰基上 加一分子氢，生成相应的邻羟基苯甲副3 5 1 。 h o + h 2 型旦q h 2 0 h ( 2 ) 水杨醛在金属氢化物催化下被还原为水杨醇，常用的金属氢化物类还 原剂有氢化硼钠、氢化铝锂等3 6 1 。 h 2 0 h 以上的合成方法的优势为合成转化率不低，但是也有明显的劣势： ( 1 ) 所需催化剂为贵金属或者金属氢化物，催化剂成本比较高，且催化剂容 易失活； ( 2 ) 贵金属或者金属氢化物类催化剂与最终产物水杨醇分离比较困难，并且 不易于生产水杨醇； ( 3 ) 以上合成路线使用的原料水杨醛本身就是一种极为重要的化学品，在工 业中也需要合成得到，并且工业上多用水杨醇合成水杨醛。 因此用水杨醛为原料还原合成水杨醇投资大、能耗大、经济效益不好，工业 化方面优势不明显。 c 66 c 66 第一章文献综述 1 3 2 以卤代烷为原料2 】 由芳卤代烷水解可以制得苄醇，反应式如下： h 2 c i 幽h 丕渣泣- 或n a 2 c 0 3 h 2 0 h 以上反应收率不是很高，并有较大的局限性，因为水杨醇比相应的卤化物更 容易得到。目前此合成方法仅仅作为一种反应进行研究，在工业化方面没有前景。 1 3 3 以苯酚为原料 以苯酚为原料合成水杨醇早就有研究，最开始以苯酚和甲醛直接作用生成水 杨醇，区别在于催化剂的选择；近年来人们又在其中加入硼酸作为原料，使其参 与反应，获得较好的收率。因此以苯酚为原料根据是否加硼酸又可分为直接法与 间接法。 1 3 3 1 直接法 此种合成方法以苯酚和甲醛为原料，在酚羟基的邻位直接引入羟甲基的方法， 研究的重点在羟甲基化反应的催化剂，反应式： o h 0 + o h c h 2 0 h 针对以上反应，目前文献的报道多集中于对催化剂的选择以提高羟甲基化反 应的转化率。 ( 1 ) 文献【3 7 】报道以苯酚、间甲苯酚，间乙苯酚和甲醛在液相中反应，催化剂为 醋酸锌，甲酸铬；反应温度8 0 1 2 0 ；以苯酚计算，水杨醇收率为2 1 ，且 有大量的间、对羟基苯甲醇为副产物。 ( 2 ) 文献【3 8 】报道，在加入磷酸的条件下，反应温度8 0 c - - - - 1 2 0 c ，苯酚与甲醛在 液相中反应生成水杨醇、对羟基苯甲醇和4 ，4 二羟基联甲苯酚。苯酚转化率达 到9 0 ，但是水杨醇的比例较小，仅为3 0 左右，大部分产物为对羟基苯甲醇 和4 ，4 二羟基联甲苯酚。 ( 3 ) 文献【3 9 】报道，以苯酚和甲醛为原料，二价金的氢氧化物，或者有机盐为催化 剂，其中还包含有磺酸基，氟硼酸基，在液相中反应合成水杨醇。以苯酚计算， 水杨醇收率不足5 ，主要产物为高聚物酚醛清漆树脂。 ( 4 ) 文献 4 0 , 4 i 报道在碱催化下苯酚和甲醛在液相中反应生成邻位或对位羟基苯 甲醇，但是水杨醇收率仅为3 0 左右，并且碱液分离困难，后续处理复杂，三废 第一章文献综述 排放严重。 以上方法主要以苯酚和甲醛为原料，采用重金属盐、有机盐或酸类等作催化 剂直接合成水杨醇，水杨醇收率普遍不高( 3 0 左右) ，副产品较多，最终产品 的分离提纯以及“三废”的处理比较因难，催化剂容易失活并且回收困难，由于 使用贵金属类催化剂不利于生产食品级的水杨醇。 综上所述，以苯酚和甲醛为原料在催化剂作用下直接羟甲基化合成水杨醇工 艺路线优势不明显。 1 3 3 2 间接法 由硼酸参与的合成水杨醇的反应主要是苯酚先和硼酸脱水酯化，生成三苯氧 基偏硼酸酯，再与甲醛反应生成三苯氧基( 邻羟基) 偏硼酸酯，上述酯再经水 解以及后续分离得到水杨醇。 由于水杨醇和硼酸易生成络合物，造成水杨醇的分离比较困难，研究的重点 在水杨醇的分离上。 文献报道在羟甲基化步骤所用的溶剂分别为甲苯 4 2 , 4 3 、乙酸乙酯洲或者- e p 苯【4 5 】，水杨醇合成路线如下所示： 3 h 3 8 0 3 昔驴删子删夺咿o h h 2 0 h 9 ho n a 以上反应流程为硼酸脱水生成偏硼酸，偏硼酸和苯酚酯化得到三苯氧基偏硼 酸酯；三苯氧基偏硼酸酯和多聚甲醛羟甲基化生成三苯氧基( 邻羟基) 偏硼酸 酯；水解上步得到的三苯氧基( 邻羟基) 偏硼酸酯得到硼酸和水杨醇；向上步 产物加入氢氧化钠碱化，得到水杨醇钠盐和硼酸钠，并溶解在水相中；分离上述 水相，并加入盐酸酸化得到水杨醇；向水相中加入乙醚萃取水杨醇；萃取的有机 相经过减压蒸馏以及重结晶得到水杨醇精品。 以上工艺流程原料易得，操作方便，设备简单，并且收率达到6 5 左右，是 一个较有发展前途的合成路线，但是仍然有以下缺点： 1 ) 在羟甲基化步骤所用的溶剂分别为甲苯、二甲苯或者乙酸乙酯，水解生成的 第一章文献综述 水杨醇在以上溶剂中溶解度不高，造成水杨醇分离困难。因此水杨醇需进一 步经碱化得到水杨醇的钠盐，钠盐溶于水相从而与有机溶剂分离，水相再经 酸化和乙醚萃取得到水杨醇，造成工艺流程较长。 2 ) 在碱化以及酸化步骤需要大量的氢氧化钠以及盐酸，产生大量的碱液、酸液 废水，造成后期处理废水困难。 3 ) 溶剂乙酸乙酯在碱化步骤容易水解，造成溶剂损失，使溶剂不能循环利用。 由以上分析可知，优化工艺流程的关键在于选择合适的羟甲基化溶剂，将羟甲 基化溶剂和后期的萃取剂耦合，则可缩短流程。 1 4 本课题立题理论依据、任务及意义 1 4 1 课题背景 3 瞒g 洲拿。_ q b v 。k e 3 国詈 删恍气 哪、吣 岔q 专r 商等莎等函 0 i 州 ， 以上工艺以苯酚、硼酸、多聚甲醛等为原料，采用酯化氧化法经脱水、酯化、 羟甲基化、碱化水解、催化氧化、酸化六个步骤制得水杨醛，并确定了适当的工 艺条件。其中的脱水、酯化和羟甲基化步骤采用二甲苯为羟甲基化溶剂。 “酯化氧化法合成水杨醛”还有待解决的问题： ( 1 ) 羟甲基化反应过程是关键步骤之一，需继续考察的是找到更利于甲醛发生 甲基化反应的溶剂，或在该体系中加入合适的催化剂和阻聚剂以提高转化率、选 择性和阻止甲醛气体重新聚合成固体多聚甲醛。 ( 2 ) 由于没有反应过程中间体的检测方法，因此无法精确考察各步的转化率和 选择性等，只能以最终反应物水杨醛考察各反应步骤。 第一章文献综述 ( 3 ) 没有从合成水杨醛的反应工艺中得到巾问产物水杨醇晶体，从而无法考察 氧化阶段催化剂的选择性以及活性。 1 4 2 反应步骤分析 对于水杨醇的合成方法，比较以上各水杨醇合成路线以及合成水杨醛工艺 前期成果可知，有硼酸参与反应的间接法具有生产成本低、环境污染小等优点， 是一条具有很大发展前途的合成路线，考虑到前期合成水杨醛工艺过程中需解决 的问题，以及目前合成水杨醇文献的不足之处，选择更加合适的羟甲基化溶剂， 使得羟甲基化过程的溶剂与后续的水杨醇萃取、减压蒸馏步骤耦合，则可以简化 工艺流程，因而是目前以苯酚为原料合成水杨醇间接法的又一改进，由此确定本 文研究方向，具体合成路线可确定如下： 2 0 h 以上水杨醇合成路线以苯酚、硼酸和多聚甲醛为原料，经硼酸脱水、酯化、 羟甲基化、水解、碱液洗涤、减压蒸馏及重结晶，得到水杨醇晶体。由于脱水、 酯化步骤与水杨醛合成路线一样，本合成路线考察的重点为羟甲基化、水解碱洗、 减压蒸馏与重结晶。 1 4 3 分析方法 该工艺的主要反应为：脱水、酯化、羟甲基化和水解；后续分离步骤为：碱 液洗涤、减压蒸馏和重结晶。脱水和酯化反应的转化率可通过反应中采出的水量 计算；羟甲基化和水解之后得到溶于正丁醚的中间产物水杨醇，分析水杨醇的量 可以得到羟甲基化以及水解步骤的转化率；在后续碱液洗涤、减压蒸馏和重结晶 等分离步骤属于物理方法处理，因此，本文研究碱液洗涤、减压蒸馏和重结晶的 影响因素时，均以最终产物水杨醇的收率为实验指标。 该合成路线经四个反应步骤得到的产物组分有：水杨醇、苯酚、对羟基苯甲 第一章文献综述 醇、酚醛树脂和2 ，6 _ 醇基苯酚等。卜述各物质经碱液洗涤以及减压蒸馏得到 水杨醇粗品，再经甲苯重结晶得水杨醇精品，主要成分为水杨醇和苯酚。据文献 报道，该混合物的分析方法主要有两种：高效液相色谱法、气相色谱法。 1 ) 高效液相色谱法 徐秉坤1 4 7 】等人曾利用高效液相色谱分析合成水杨醛过程中中间产物水杨醇。 其分析条件如下：日本岛津公司产l c - 6 a 液相色谱仪；色谱柱：s h i m p a c k c l c c 8 柱( 2 5 c m 4 o m m ) ；流动相：甲醇水( 5 0 ：5 0 v v ) ：流速：l m l m i n ；检测器：u v 2 1 5 n m ； 柱温：3 0 c ；进样量：2i il ，该法准确性高、耗时少。 2 ) 气相色谱法 于正英【4 8 】在考察了s e 3 0 、o v - 1 7 、q f 1 、p e g 一2 0 m 等固定相的基础上，最 终得出水杨醇的气相色谱分析方法。 仪器及试剂：g c ，1 4 b 气相色谱仪具氢焰检测器( 日本岛津) ：c r 7 a 数据 处理机；水杨醇标准品( 进1 3 分装，已知含量9 9 ) ；内标物：邻苯二甲酸二乙 酯( a 固，用丙酮配成1 0 m g m l 溶液，丙酮( a r ) 。 色谱操作条件：色谱柱：0 5 r e ( l ) 3 o m m ( i d ) 玻璃柱，内装 1 0 p e g 2 0 m s h i m a l i t ew ( 6 0 - - - 8 0 目) 填料；柱温：1 7 0 ；气化室：1 7 0 ；检 测室：1 7 0 ( 2 ；气体流量：载气0 电) 5 0m l m i n ，氢气4 0 m l m i n ，空气4 0 0 m l m i m 仪器灵敏度：1 0 ；衰减：5 。 气相色谱法具有操作简便、迅速的特点。 1 4 4 本课题主要研究内容及意义 本课题的研究方向及主要研究内容如下i ( 1 ) 酯化反应过程继续沿用前期研究的两步法，并考察了硼酸用量、反应 温度等因素对反应收率的影响；羟甲基化反应中多聚甲醛的进料方式为固态直接 加入法，并考察了在正丁醚做溶剂的情况下反应温度、反应时间、溶剂用量等对 反应收率的影响；水解中，水解温度、水解量对反应的影响；碱液洗涤中，碱液 种类、碱液的浓度对反应的影响；减压蒸馏中，绝对压力、减压蒸馏温度对反应 的影响，通过以上研究思路确定了本合成工艺最佳反应条件，使得最佳反应收率 达6 4 。 ( 2 ) 解决了前期水杨醛合成过程中间产物水杨醇的分析难题，利用高压液 相色谱仪对水解后液相中的水杨醇进行分析，同时对最终产物水杨醇精品进行纯 度分析。 ( 3 ) 最终产物水杨醇的结晶与精制 与传统合成路线相比，本路线具有成本低廉、环境污染小、无需碱化酸化、 第一章文献综述 操作过程易于控制等优点；本合成工艺的开发成功必将为我国水杨醇生产市场提 供一条新的工艺路线。 第j 二章实验部分 2 1 实验试剂及规格 第二章实验部分 本实验所需实验试剂及规格见表2 1 。 表2 1 实验试剂及规格 ! 兰! ：宝2 ：! 兰2 0e c i 蠡c a t i o no f 也er e a i 釜l l 曼圣望 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一_ _ - _ - 试剂规格厂家 2 2 实验仪器 实验仪器见表2 - 2 。 表2 - 2 实验仪器及规格 设备名称型号生产厂家 2 3 主要原料物性 本实验主要原料的物理性质见表2 3 。 第：章实验部分 农2 3 主要原料物理性质 ! 璺! ! 三：jp ! z ! i 璺! 1 2 p ! 坚i ! ：2 11 生宝巴呈i 2 翌呈! ! ! i 呈! ! 原料 相对摩 密度 熔点沸点 溶解度 蒸气压 尔质量 g c m 3 c 水乙醇 乙醚 k p a 2 4 实验原理、装置及操作方法 刁： 1 4 2 节确定了本合成路线的反应步骤，由反应步骤得到实验流程如图2 - 1 碳酸氢q 图2 - 1 实验流程图 f i g u r e2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e x p e r i m e n t a lf l o w s h e e t 由实验流程可知，该合成路线历经四个反应步骤和三个分离步骤，得到最终 产物水杨醇，各实验步骤及实验装置详述如下：。 第：章实验部分 2 4 1 脱水反应 2 4 1 1 脱水反应实验原理 文献报道1 4 7 1 受热温度在熔点以下，正硼酸脱水生成环状结构偏硼酸，反应式 矾呐j 0 、拶h z o 3h 3 8 0 3 & ，占 +3h 2 0 该步骤反应无副反应发生，随着反应的进行，反应温度逐渐升高。根据化学 计量式，3 t o o l 硼酸生成l m o l 环状偏硼酸的同时，产生3 m o l 水，产生的水可作 反应转化程度衡量指标。 2 4 1 2 脱水反应实验装置 实验装置如图2 2 图2 2 脱水实验装置图 f i g u r e2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fd e h y d r a t i o na p p a r a t u s l 一反应釜2 一蒸馏装置3 冷却水4 分层器5 温度计 2 4 1 3 脱水反应操作步骤 操作如下：实验时，按如图2 2 安装反应装置，将称量好的1 1 2 m o l 硼酸 加入反应釜中，并加入1 0 0 m l 的带水剂甲苯，加热，甲苯回流并将反应生成的 水带至分层器，随着反应的进行只将生成的水取出。实验反应生成的水可衡量反 应转化率，待采出水量基本达到按化学计量式所得出水量且油水分层器不再有水 筇：章实验部分 珠出现时，停止加热，冷却，所得的环状偏硼酸待用。 2 4 2 酯化反应 2 4 2 1 酯化反应实验原理 瞅铲+ 3 占p b 铲o x b 旬2 。 2 4 2 2 酯化反应实验装置 由以上反应步骤分析，酯化反应装置与硼酸脱水反应装置为同一套装置，见 图2 2 。 2 4 2 3 酯化反应操作步骤 操作方法：实验时，待上步脱水反应后的偏硼酸降至室温后，向同一套装置 中加入9 4 1 9 ( 约l m 0 1 ) 融化的苯酚，开启电源，实验反应生成的水可衡量反应转 化率，待反应时间达到8 - v l o h 后，再将上步所加的带永剂甲苯蒸馏出，停止加 热，所得溶液待用。 2 4 3 羟甲基化反应 2 4 3 1 羟甲基化反应实验原理 上步生成的三苯氧基偏硼酸酯在7 0 1 0 0 c 下与固态多聚甲醛反应，主要反 应式如下： ( h c h o ) n ；= ! = n h c h o 第：章实验部分 o 。0 、9 。0 一_ 0 甲 0 & 删删：文 a ， 汐呐h h o h 2 p q n d 删 羟甲基化反应以三苯氧基偏硼酸酯和多聚甲醛为反应物，在一定温度下生成 三苯氧基( 邻羟基) 偏硼酸酯，反应条件分析如下： ( 1 ) 多聚甲醛反应温度 羟甲基化反应进料方式：固相直接进料法。 文献 5 0 - 5 2 】报道，羟甲基化反应中以固相直接加入法为多聚甲醛进料方式时反 应温度为9 0 左右，在该类反应中，多聚甲醛必须在反应釜内解聚成分子态甲 醛单体方可发生反应，而多聚甲醛的解聚速度及解聚程度是随反应温度升高而升 高的，本文选择固体直接加入反应釜，固体需在釜内溶剂中经历解聚阶段，考虑 本文采用的溶剂为正丁醚。反应温度低于7 0 c 时三苯氧基偏硼酸酯呈固态而不 能溶解于醚中，则反应温度下限设定为7 0 1 2 ；反应温度过高容易生成酚醛树脂 因此上限设定为1 0 0 ，在此范围内考察其变化规律。 ( 2 ) 压力 羟甲基化反应为不可逆反应，根据化学动力学及热力学可知，反应压力不影 响反应转化率，只影响反应时间，故本文反应压力选定为常压。 ( 3 ) 多聚甲醛用量 相关文献【5 3 】报道，采用直接n a , 多聚甲醛法的羟甲基化实验中，多聚甲醛用 量多为1 m o l m o l 关键反应物，本文采用的是固态加入法，反应中会有部分甲醛 溶于正丁醚中，造成流失，因此甲醛需过量。故本文考察范围定为1 1 ：i - - 1 3 ： 1 ( 摩尔l l ) 。 ( 4 ) 多聚甲醛反应时间 多聚甲醛解聚时间太短，甲醛不能充分参与羟甲基化反应而重新聚合，会浪 。9 o 罗。6 a o 妒 删 伽 h d f；砖删q c 第：章实验部分 费原料，降低反应收率；反应时间太长，延长整体工艺流程周期，副反应增多， 浪费能源。故应选定合适的反应时间。考虑到直接加入多聚甲醛法【5 3 】的反应时间 为2 h ，故本文考察范围设定为2 4 h 。 ( 5 ) 后续反应时间 解聚的甲醛由于解聚速度过快等原因未及时反应，部分重新变为固态多聚甲 醛，因此，解聚完成后，继续进行反应，聚合的多聚甲醛可能重新解聚并继续反 应，从而提高反应转化率。本文初步确定后续反应时间范围为0 l h 。 ( 6 ) 多聚甲醛原料的含水量 多聚甲醛原料都含有一定量的水，工业多聚甲醛含水量为5 左右，硼酸酯 易水解，遇水有可能发生水解，而使反应收率降低。汪元博【4 6 1 在合成水杨醛工艺 中考察多聚甲醛原料的含水量对反应转化率的影响程度，其实验发现多聚甲醛原 料的含水量越少，反应平均收率越高。本文改进之前的处理方法，处理后的多聚 甲醛含量降为0 5 以下，处理数据见表2 - 4 。因此本文不再考察多聚甲醛游离态 水含量对反应的影响。 表2 _ 4 多聚甲醛脱水数据表 t a b l e 2 - 4t h er a t eo f w a t e ri np f 原料多聚甲醛所含水量含水率 里堑量丝丛z 堑 脱水前1 0 05 5 脱水后9 5 50 5 0 5 ( 7 ) 溶剂用量 传统的工艺溶剂多为甲苯、二甲苯、乙酸丁酯等。此类溶剂在合成水杨醇过 程中有许多弊端，见1 3 3 2 ，本文选用正丁醚为羟甲基化溶剂，溶剂的最小量需 要保证能够溶解反应物，因此考虑其用量在2 0 0 - 4 0 0 m l m o l 苯酚之间。 ( 8 ) 搅拌速度 羟甲基化反应过程需要搅拌以达到多聚甲醛能够充分的解聚并与三苯氧基 偏硼酸酯反应。本文采用的搅拌速度为1 8 0 0 r m i n 。 2 4 3 2 羟甲基化反应实验步骤 操作时，按如图2 3 安装实验装置。其中，反应釜中白色混浊液为酯化反应 冷却至6 0 左右的溶液，向其中加入一定量的溶剂正丁醚，开启搅拌、加热。 待反应釜温度达到反应要求时，开始分几次加入多聚甲醛固体( 注意控制反应温 度及解聚温度) 。解聚完成后，按要求保温一定时间，降温冷却。 第：章实验部分 2 4 3 3 羟甲基化反应实验装置 实验装置如图2 3 ，图中温度计精度o 1 ，反应压力常压。 图2 3 羟甲基化实验装置 f i g u r e2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f h y d r o x y m e t h y l a t i o na p p a r a t u s l 一温度控制仪2 一电热套3 一反应釜垂放空管5 一搅拌器 2 4 4 水解反应 2 4 4 1 水解反应实验原理 水解反应以三苯氧基( 邻羟基) 偏硼酸酯为反应物，水解生成水杨醇，主 要反应式如下： h 3 0 h + 3h 3 8 0 3 2 4 4 2 水解反应操作步骤 实验时，将冷却的盛有羟甲基化产物反应釜中加入一定量的蒸馏水后，反应 立即进行。搅拌反应，水解反应一定时间，得到白色混浊液。 第：章实验部分 2 4 4 3 水解反应实验装置 实验装置如图2 - 4 ，图中温度计精度0 1 ，反应压力常压。 图2 - 4 水解实验装置 f i g u r e2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f s a p o n i f i c a t i o na p p a r a t u s 卜水解反应釜2 一搅拌器3 一水浴锅4 一温度计 2 4 5 抽滤洗液一分离 2 4 5 1 碱液洗涤原理 水解反应生成的水杨醇与硼酸，水杨醇溶解在正丁醚中，硼酸不溶解，经真空 抽滤出体系。此时正丁醚中除了水杨酵，还有羟甲基化副产物如对羟基苯甲醇、 酚醛树脂、以及未反应的甲醛和苯酚等。如不除去以上副产物会对最终产物水杨 醇的纯度有极大的影响。同时考虑所加的碱液不能与水杨醇反应，水杨醇呈弱酸 性，能溶解在氢氧化钠中，而不能溶解在碳酸氢钠中；而副产物如酚醛树脂、原 料甲醛、苯酚能够溶解在碳酸氢钠中。综合以上考虑最终选择碳酸氢钠水溶液洗 涤有机相。 2 4 5 2 抽滤洗液分离实验操作步骤 在布氏漏斗中放入滤纸润湿后，将水解后的白色混浊液倒入漏斗中抽滤，后 再加入正丁醚反复洗几次。布氏漏斗中的硼酸用于回收，将吸滤瓶中的溶液转入 分液漏斗中。将配置好的一定量的碳酸氢钠水溶液倒入分液漏斗中，震荡后静置， 将下层水相分出。上层得到溶有水杨醇的正丁醚溶液。 第：章实验部分 2 4 6 减压蒸馏 2 4 6 1 减压蒸馏原理 水杨醇易溶于醚类，因此以上步骤最终使得合成的水杨醇溶于正丁醚中。水 杨醇超过1 0 0 c 容易分解，而常压下正丁醚的沸点1 4 2 。而随着压力的降低， 物质的沸点也降低。因此本操作采用减压蒸馏，将正丁醚蒸出体系，剩余物质即 为水杨醇粗品。 2 4 6 2 减压蒸馏实验操作步骤 操作时，按图2 5 组装，将溶有水杨醇的正丁醚转入三口瓶内进行减压蒸馏， 使正丁醚通过冷凝管被蒸到减压蒸馏收集瓶中。温度计温度一般不超过6 0 ， 随着蒸馏的进行，瓶内液体变得粘稠，并有黄褐色，减压蒸馏操作时应注意控制 电热套的加热电压，并在三口瓶内加入碎玻璃或者精馏柱填料以免瓶内液体爆 沸。 2 4 6 3 减压蒸馏装置图 实验装置如图2 5 ，图中温度计精度o 1 ，反应压力常压。 空 图2 - 5 减压蒸馏实验装置 f i g u r e2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i s t i l l a t i o n 卜温度计2 一蒸馏头3 一蒸馏瓶4 一冷凝管5 一牛头管6 一接收瓶 第：章实验部分 2 4 7 重结晶 2 4 7 1 重结晶操作步骤 将减压蒸馏瓶中得到的有机相转入烧杯，加入约2 0 0 m l 的甲苯，加热使有 机相全部溶解于甲苯中，然后将烧杯移入冰水混合物中降温，并记录第一粒晶体 析出时的温度。等水杨醇全部析出得到糊状物，将糊状物再按2 4 5 2 所述的步 骤抽滤，并用冷的甲苯洗涤布氏漏斗中白色晶体，得到水杨醇精品。 2 5 最终产物分析方法的建立 由1 4 3 节可知，精制后的水杨醇产品中含有约9 8 的水杨醇、少量的苯酚 及微量的杂质。在室温下水杨醇为固体，超过1 0 0 c 就有升华和分解现象，因此 用气相色谱法测定其含量重现性差4 8 1 ，而液相色谱具有更准确的优点。因此本文 确定高效液相色谱法测定水杨醇的含量。 2 5 1 分析仪器与条件 ( 1 ) 分析仪器及色谱柱： 美国l a b a l l i a n c es e r i e si i i 液相色谱仪；色谱柱：a g i l e n tt c - c 18 ( 5 p m ，4 6x 2 5 0 衄) ：色谱工作站：e z c h r o me l i t ec l i e n t s e r v e r ( v e r s i o n 3 1 6 ) ，s e i n t i f i cs o f t w a r e i n c 。 ( 2 ) 分析条件： 流动相： 甲醇水( 5 0 ：5 0 v v ) ；流速：0 7m l m i n ；检测器：u v 2 1 5 n m ；柱 温：3 0 。 在该操作条件下，反应混合物可以得到有效分离和检测，图2 - 6 为产物组分 的液相色谱分析图。 第一：章寥验部分 ： 二5