張應(yīng)鵬 譚偉 楊云裳

摘 要：設(shè)計(jì)了一種合成4，4'-二羥基聯(lián)苯的新方法，以聯(lián)苯為原料，經(jīng)Friedel-Crafts?；磻?yīng)、Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)、酯水解反應(yīng)得到4，4'-二羥基聯(lián)苯。中間體和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)均經(jīng)1H NMR、元素分析和熔點(diǎn)儀進(jìn)行表征確認(rèn)，并且對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，取得了較高的收率。

關(guān) 鍵 詞：4，4'-二羥基聯(lián)苯； 聯(lián)苯； Friedel-Crafts?；?； Baeyer-Villiger氧化； 酯水解

中圖分類號(hào)：TQ 028 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）10-2277-03

Study on Synthesis of 4，4'-Dihydroxybiphenyl

ZHANG Ying-peng， TAN Wei， YANG Yun-shang

（School of Petrochemical Engineering，Lanzhou University of Technology， Gansu Lanzhou 730050，China）

Abstract： A new method to synthesize 4，4'-dihydroxybiphenyl was designed by using diphenyl as raw material via Friedel-Crafts acylation，Baeyer-Villiger reaction， hydrolysis of ester. The structures of product and intermediates were confirmed by 1H NMR， elemental analysis and melting point apparatus. And the reaction conditions were optimized， higher yield was achieved.

Key words： 4，4'-dihydroxybiphenyl； Diphenyl； Friedel-Crafts acylation； Baeyer-Villiger reaction； Hydrolysis of ester

4， 4' -二羥基聯(lián)苯是一種重要的有機(jī)中間體，常作為橡膠防老劑[1]和塑料抗氧劑[2]，用于無色硫化橡膠制品、食品包裝用橡膠制品及醫(yī)用乳膠制品，也用于氯化硫冷硫化制品，如醫(yī)用手套等。同時(shí)，它也是一種染料中間體和石油制品穩(wěn)定劑，如合成光敏材料[3]、潤(rùn)滑油脂的穩(wěn)定劑[4]。在合成高聚物方面[5，6]，由于其耐熱性極佳，常用作為聚酯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚砜及環(huán)氧樹脂等的改性單體，用以制造優(yōu)良的工程塑料和復(fù)合材料等，目前其高純度產(chǎn)品主要用于合成液晶聚合物[7]。4，4'-二羥基聯(lián)苯應(yīng)用廣泛，但是由于技術(shù)、生產(chǎn)、工藝、環(huán)保等各方面的限制，目前國(guó)內(nèi)高純度 4，4'-二羥基聯(lián)苯的生產(chǎn)能力一直很低，處于供不應(yīng)求狀態(tài)。

目前生產(chǎn)4，4'-二羥基聯(lián)苯有以下五種方法：

（1）聯(lián)苯磺化堿融法（圖1）[8，9]

該方法合成路線簡(jiǎn)單、產(chǎn)率較高，在工業(yè)上被廣泛采用。但是反應(yīng)過程中采用了濃酸、強(qiáng)堿，造成環(huán)境污染。

（2）聯(lián)苯胺的重氮化法[10]

這種方法中，重氮鹽不穩(wěn)定且易分解發(fā)生爆炸，反應(yīng)需要在低溫下進(jìn)行，而且反應(yīng)原料毒性較大，此法不適宜大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)（圖2）。

（3）鹵代聯(lián)苯水解法（圖3） [11]

這種方法需要在高溫下發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)能耗太高。

（4）2，6二叔丁基苯酚氧化偶聯(lián)還原脫烷法（圖4） [12]

此類方法反應(yīng)步驟較多，過程復(fù)雜，產(chǎn)率過低。

（5） 2，6二甲基苯酚氧化偶聯(lián)還原脫烷（圖5）法[13]

這種方法與第四種方法類似，產(chǎn)率有所提高。

據(jù)此，本研究設(shè)計(jì)了一種新方法合成了4，4'-二羥基聯(lián)苯，具體過程如下如圖6所示。以聯(lián)苯為原料，第一步Friedel-Crafts?；玫?，4'-乙?；?lián)苯；第二步通過Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)得到4，4'-二乙酰氧基聯(lián)苯；第三步將4，4'-二乙酰氧基聯(lián)苯水解得到4，4'-二羥基聯(lián)苯。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

XRC-1型顯微熔點(diǎn)儀（四川大學(xué)科學(xué)儀器廠）；Bruker Avance 400型核磁共振儀（TMS為內(nèi)標(biāo)，CDCl3作溶劑）； Vario Ⅲ 元素分析儀（德國(guó)Elementar 公司）； 所用試劑均為市售化學(xué)純。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 4，4'-二乙?；?lián)苯的合成

在500 mL燒瓶中加入7.334 g（55 mmol）無水AlCl3，250 mL CH2Cl2，冰水浴攪拌條件下滴加4.318 g（55 mmol，30 mLCH2Cl2溶解）乙酰氯，滴加速度控制在每分鐘30滴，待反應(yīng)體系澄清后，加入4.256 g（25 mmol，30 mLCH2Cl2溶解）聯(lián)苯，滴加速度控制在每分鐘30滴，滴加完畢后，反應(yīng)1 h，升溫至室溫后，40 ℃攪拌回流24 h；反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)液攪拌倒入冰水混合物中，減壓蒸出二氯甲烷，抽濾，濾餅用蒸餾水沖洗，得到粗產(chǎn)品；粗產(chǎn)品用95%的乙醇重結(jié)晶三次。計(jì)算產(chǎn)率，表征產(chǎn)物。

1.2.2 4，4'-二乙酰氧基聯(lián)苯的合成

（1）催化體系篩選

稱取0.238 g（1 mmol）4，4'-二乙酰基聯(lián)苯于12支柱塞試管，分別加入等量不同的催化劑，溶劑、反應(yīng)溫度根據(jù)催化劑而定，TLC跟蹤反應(yīng)，每30 min檢測(cè)一次，反應(yīng)時(shí)間以薄層色譜檢測(cè)為準(zhǔn)。產(chǎn)物提純，計(jì)算產(chǎn)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。

（2）催化劑量的篩選

由（1）得到最佳催化體系為H2O2/I2，對(duì)H2O2和I2的用量進(jìn)行篩選。分別準(zhǔn)確稱取0.238 g（1 mmol）4，4'-二乙?；?lián)苯于12支柱塞試管，加入不同量的H2O2和I2，25 ℃反應(yīng)1.5 h，提純，計(jì)算產(chǎn)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2。

（3）最優(yōu)條件驗(yàn)證

在500 mL單口圓底燒瓶中加入250 mL 冰乙酸，1.524 g （6 mmol）的碘， 23.3 mL（ 300 mmol，30%水溶液）的H2O2，常溫?cái)嚢?0 min后，加入7.149 g（30 mmol）4，4'-二乙酰基聯(lián)苯。TLC跟蹤至反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)液倒入蒸餾水中，固體析出完全后，抽濾，濾餅用大量蒸餾水洗滌，得到粗產(chǎn)物。95%乙醇重結(jié)晶三次，產(chǎn)物置于80 ℃真空干燥2 h。表征產(chǎn)物。

1.2.3 4，4'-二羥基聯(lián)苯的合成

在250 mL單口圓底燒瓶中加入5.401 g（20 mmol）4，4'-二乙酰氧基聯(lián)苯，150 mL乙醇，3.333 g （80 mmol，含量大于96%，30 mL水溶解）氫氧化鈉，80 ℃攪拌回流1 h后，冷卻至室溫，將反應(yīng)液倒入300 mL蒸餾水中，用3 mol/L的鹽酸調(diào)節(jié)pH至酸性，當(dāng)固體不再析出后抽濾，濾餅用蒸餾水洗滌至濾液為中性，得到粗產(chǎn)物。粗產(chǎn)物用95%乙醇重結(jié)晶三次，產(chǎn)物置于80 ℃真空干燥2 h。表征產(chǎn)物。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件篩選

在合成4，4'-二乙?；?lián)苯中，我們按照文獻(xiàn)[14]方法，常溫下進(jìn)行?；磻?yīng)，反應(yīng)未得到目標(biāo)產(chǎn)物。我們將反應(yīng)置于40 ℃加熱回流，得到目標(biāo)產(chǎn)物，產(chǎn)率高達(dá)98%。我們推斷，可能是由于取代的乙酰基鈍化了對(duì)位的苯環(huán)，導(dǎo)致對(duì)位苯環(huán)酰化難度增加，升高反應(yīng)溫度有利于產(chǎn)物生成。

反應(yīng)第二步Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)合成4，4'-二乙酰氧基聯(lián)苯，我們對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道的氧化體系進(jìn)行了篩選，結(jié)果如表1所示。

表1 催化體系的篩選

Table 1 The selection of catalyst system

序號(hào) 氧化劑 溶劑 T/℃ t/h 產(chǎn)率a，%

1 KHSO5 CH2Cl2 25 24 16

2 KHSO5/H2SO4 CH2Cl2 25 6 83

3 I2 AcOH 25 24 0

4 H2O2 AcOH 45 24 19

5 H2O2/ I2 AcOH 25 1.5 91

6 CF3CO3H AcOH 25 2 78

7 CH3CO3H AcOH 25 3 75

8 C6H5CO3H AcOH 25 3.5 80

9 mCPBAb AcOH 25 2 87

10 H2O2/Al2O3 AcOH 25 24 53

11 H2O2/Na2B4O7 AcOH 25 12 82

12 H2O2/BF3 AcOH 25 12 76

a： 純化后的產(chǎn)率； b： 間氯過氧苯甲酸。

實(shí)驗(yàn)選用了12種不同的催化體系，催化劑的量相等，溶劑和反應(yīng)溫度是根據(jù)催化劑的性質(zhì)而定，反應(yīng)時(shí)間以TLC檢測(cè)為準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2比較，KHSO5可以催化反應(yīng)，但反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化率低，加入H2SO4以后反應(yīng)時(shí)間縮短，產(chǎn)率提高，推斷酸性條件有利于KHSO5催化反應(yīng)正向進(jìn)行。由實(shí)驗(yàn)3、4、5比較，只有I2催化的時(shí)候反應(yīng)不發(fā)生，H2O2雖然可以催化反應(yīng)，但是催化效率不高，即使反應(yīng)溫度升高到45 ℃，時(shí)間延長(zhǎng)至24 h，也只有19%的收率。H2O2/I2催化體系，H2O2和 I2協(xié)同催化，反應(yīng)溫度低，反應(yīng)時(shí)間段，產(chǎn)率高達(dá)91%。比較試驗(yàn)6、7、8、9，有機(jī)過酸催化該反應(yīng)，反應(yīng)都取得了較高的收率，但有機(jī)過酸價(jià)格高、有一定的危險(xiǎn)性及會(huì)產(chǎn)生羧酸鹽廢物。比較試驗(yàn)5、10、11、12，都為H2O2和路易斯酸的混合催化體系，其中試驗(yàn)5 H2O2/I2催化體系得到了最佳的收率。綜合12組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，我們選用H2O2/I2為最佳催化體系。

對(duì)H2O2和I2的用量進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果如表2所示。

分別對(duì)H2O2和I2的用量進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，當(dāng)I2的量不變時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率隨著H2O2的量增加而增加，但是氧化劑H2O2的量超過10 equiv時(shí)，產(chǎn)率不再增加，故選擇10 equiv為最佳量。保持H2O2的量不變，改變I2的量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)I2用量為0.2 equiv時(shí)取得較高產(chǎn)率95%，后面即使增加I2的量，產(chǎn)率也沒有明顯提高，雖然在0.2 equiv的時(shí)候取得了最高產(chǎn)率96%，但在0.3 equiv的時(shí)候產(chǎn)率又回到95%，相差很小，推斷可能是實(shí)驗(yàn)操作導(dǎo)致的誤差，故我們選擇0.2 equiv為最佳用量。對(duì)得到的最佳反應(yīng)條件進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)率高達(dá)94%，證明實(shí)驗(yàn)條件穩(wěn)定、可靠。

表2 反應(yīng)催化劑量的篩選

Table 2 The selection of reaction catalyst amount

序號(hào) H2O2（equiv） I2（equiv） 產(chǎn)率b，%

1 2 0.15 26

2 4 0.15 46

3 6 0.15 76

4 8 0.15 83

5 10 0.15 90

6 11 0.15 91

7 12 0.15 90

8 10 0.05 63

9 10 0.10 87

10 10 0.20 95

11 10 0.25 96

12 10 0.30 95

a： 反應(yīng)條件：0.238 g（1 mmol）4，4'-二乙酰基聯(lián)苯，冰乙酸為溶劑，25 ℃反應(yīng)1.5 h；b：純化后的產(chǎn)率。

第三步4，4'-二乙酰氧基聯(lián)苯水解，根據(jù)4，4'-二羥基聯(lián)苯的性質(zhì)，我們選用堿式水解法，在4，4'-二乙酰氧基聯(lián)苯水解的過程中氫氧化鈉既作為催化劑催化反應(yīng)，也可以與水解后的產(chǎn)物乙酸和4，4'-二羥基聯(lián)苯反應(yīng)，促進(jìn)4，4'-二乙酰氧基聯(lián)苯的水解，從而加快反應(yīng)速率。反應(yīng)結(jié)束反應(yīng)液倒入蒸餾水中，再利用4，4'-二羥基聯(lián)苯不溶于水的性質(zhì)，加酸使4，4'-二羥基聯(lián)苯從水中沉淀下來。水解反應(yīng)較為徹底，得到了高達(dá)97%的收率。

2.2 中間體和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

4，4'-二乙?；?lián)苯：白色固體；產(chǎn)率：98%；熔點(diǎn)：188～189 ℃（文獻(xiàn)值[15]：189～192 ℃）；1H NMR （400 MHz， CDCl3） δ 8.06（d， J = 8.3 Hz， 4H）， 7.73 （d， J = 8.3 Hz， 4H）， 2.66（s， 6H）；元素分析（%，C16H14O2計(jì)算值） ：C 80.64（80.65），H 5.90（5.92），O 13.42（13.43）。

4，4'-二乙酰氧基聯(lián)苯：白色固體；產(chǎn)率：95%；熔點(diǎn)：165-166 ℃（文獻(xiàn)值[16]：167～168 ℃）；1H NMR （400 MHz， CDCl3） δ 8.06 （d， J =8.3 Hz， 4H）， 7.73 （d， J = 8.3 Hz， 4H）， 3.70 （s， 6H）；元素分析（%，C16H14O4計(jì)算值）：C 71.12 （71.10），H 5.20（5.22），O 23.68（23.68）。