何媛媛，张 伟，鲁墨弘，李明时，单玉华

(常州大学石油化工学院，江苏 常州 213164)

3-甲基-6异丙基苯酚又称百里香酚,具有抗菌性，可用于口腔卫生、抑制上呼吸道细菌感染、抑制埃希氏杆菌和鼠伤寒沙门氏菌活性[1-3]；还具有保护低密度蛋白[4]和抗氧化性功能[5]，也可用作鉴定氮化钛用的特殊试剂、百里香酚兰的对比基准试剂。由于天然资源有限，从20世纪40年代以来，合成百里香酚取代天然百里香酚成为发展方向[6]。

百里香酚的合成路线主要由间甲酚异丙基化和薄荷脱氢等路线，其中研究最多且有实际应用价值的是通过间甲酚和丙烯或异丙醇等经傅-克烷基化反应合成。目前的研究焦点是选择高转化率、高选择性的催化剂，传统的烷基化合成方法，如晁建平等[7]以硫酸为催化剂，存在环境污染问题；Grabowska[8]等使用通过共沉淀法制备的ZnAl2O4尖晶石催化间甲酚和异丙醇合成百里香酚，有较高的转化率和选择性；Masahiro等[9]用分别负载在SiO2和γ-Al2O3上的硫酸盐催化间甲酚和丙烯合成百里香酚。这些催化剂制作复杂，反应条件苛刻。Mashiro等[10]发现γ-Al2O3对间甲酚和丙烯烷基化反应显示出较高的催化活性。笔者选择不同孔径的γ-Al2O3为催化剂，对间甲酚和丙烯合成百里香酚进行研究，优化了反应工艺条件，并考察了异丙醇代替丙烯为原料合成百里香酚的可行性。

1 实验部分

1.1 试 剂

γ-Al2O3，抚顺新瑞催化剂有限公司；丙烯，工业品；间甲酚，AR，国药试剂有限公司；异丙醇，AR，上海凌峰化学试剂有限公司。

1.2 催化剂的性能评价

催化剂评价采用微型固定床催化反应装置，反应器为外径10 mm×长460 mm的石英管，Al2O3经450 ℃焙烧3 h后得到γ-Al2O3，将所得催化剂填装在反应器恒温段，以2 ℃/min的升温速率达到反应所需温度，用单通道微量注射泵将反应溶液送入反应器，同时通入丙烯，每隔1 h采集一个样品，所得产物用美国Varian GC- 3800气相色谱分析，FID检测，副产物定性采用GC-MS分析。

1.3 催化剂的表征

采用德国NOVA2000e型比表面积/孔径测定仪测定催化剂比表面积。催化剂装入量为50 mg，程序升温至400 ℃进行真空脱气，然后将处理好的催化剂在液氮冷却下进行比表面积与孔径测定，用BET公式计算催化剂比表面积。

1.4 实验原理

间甲酚和丙烯或异丙醇通过傅-克烷基化反应主要在甲基对位上引入异丙基生成百里香酚(Ⅱ)，这是由于甲基和羟基都是邻对位定位基，但还是会生成一系列一取代和二取代的副产物以及与羟基反应的副产物，一取代副产物如：2-异丙3-甲基酚(Ⅲ)、4-异丙基-3-甲基酚(Ⅳ)；醚化产物3-甲基苯-异丙基醚(Ⅴ)；二取代副产物如：2,6-二异丙基-3-甲基酚(Ⅵ)、2,4-二异丙基-5-甲基酚(Ⅶ)等，如图1所示。

图1 间甲酚为原料合成百里香酚的反应式

2 结果与讨论

2.1 γ-Al2O3孔径对反应性能的影响

选择3种不同孔径的γ-Al2O3，分别记为小孔γ-Al2O3、中孔γ-Al2O3、大孔γ-Al2O3，考察催化剂孔径大小对反应的影响，其BET表征结果见表1。

表1 γ-Al2O3不同孔径BET表征

分别用以上3种催化剂催化间甲酚与丙烯的烷基化反应，结果见图2。由图2(a)可看出：小孔γ-Al2O3催化活性较高，间甲酚转化率可以达到72.7%，中孔和大孔γ-Al2O3催化活性较低，间甲

酚转化率接近50%，这可能由于小孔表面的L酸中心数量较多所致；由图2(b)可看出百里香酚的选择性与孔径大小有关，且随着孔径的增大，百里香酚的选择性增大，在大孔γ-Al2O3催化剂上，百里香酚的选择性接近100%，而中孔和小孔γ-Al2O3上选择性下降，其产物分布见表2。

图2 γ-Al2O3孔径对反应性能的影响

表2 γ-Al2O3孔径对反应性能的影响

注：反应温度250 ℃，n(间甲酚)∶n(丙烯)=1∶2，催化剂质量0.5 g，空速2.6 mL/(g·h)，反应时间7 h。

由表2可以看出：中孔γ-Al2O3上有3种副产物，分别为一取代副产物Ⅳ和二取代副产物Ⅶ，并含有少量的醚类副产物Ⅴ；小孔γ-Al2O3上共有四种副产物，分别为一取代副产物Ⅲ和Ⅳ、二取代副产物Ⅵ和Ⅶ，且Ⅳ与Ⅶ的含量高于Ⅲ与Ⅵ，这是因为反应时丙烯形成的正碳离子先攻击间甲酚中甲基位阻小的邻位，后攻击位阻较大的甲基与羟基共同的邻位。随着孔径的增大，有利于主产物从孔内扩散而进入体相，副产物减少，在大孔γ-Al2O3上未检测到副产物，因此大孔γ-Al2O3有利于百里香酚的合成。

2.2 空速的影响

对固定床反应器，降低空速可提高原料转化率，但通常会导致副产物增加。因此，选择空速分别为2.6，1.3，0.87，0.65 mL/(g·h)，考察对间甲酚与丙烯烷基化反应的影响,结果见图3。

图3 空速对反应性能的影响

由图3可以看出：随着空速的降低，间甲酚的转化率上升，当空速为 2.6 mL/(g·h)时，间甲酚的转化率可以达到51.5%，百里香酚的选择性为100%；随着空速的降低，间甲酚的转化率上升，当空速低于1.3 mL/(g·h)时，间甲酚的转化率为81.2%，选择性随着空速的降低而降低。这是由于在空速较小时，间甲酚与丙烯的接触时间较长，反应充分，从而转化率增加，但是深度反应使得目标产物继续反应，所以选择性降低。实验选择最佳空速为0.87 mL/(g·h)，在此空速下，间甲酚的转化率为80%，选择性为93%。不同空速时产物分布见表3。

由表3可知：空速为1.3和0.87 mL/(g·h)时，只生成二取代副产物Ⅵ和Ⅶ，而没有检测到一取代副产物，说明这两种二取代副产物Ⅵ和Ⅶ是由一取代主产物百里香酚深度取代生成；当空速进一步降低为0.65 mL/(g·h)时，副产物既有一取代也有二取代，且二取代的含量高于一取代，由此可以看出，随着空速较低，反应物料与催化剂接触时间增加，不但会导致一取代主产物深度反应生成二取代副产物，同时还会生成一取代副产物。

表3 空速对反应性能的影响

注：反应温度250 ℃，n(间甲酚)∶n(丙烯)=1∶2，催化剂质量0.5 g，反应时间7 h。

2.3 温度的影响

间甲酚与丙烯的烷基化反应，提高反应温度，在某一温度范围之内，反应速率会随着温度的增加而增加；另一方面，随着温度的提高，容易产生各种副反应，因此研究了不同温度对反应性能的影响，结果如图4所示。

图4 温度对反应性能的影响

由图4可以看出：温度低于280 ℃时，随着温度的升高，间甲酚的转化率上升，后趋于稳定；在240～280 ℃时，间甲酚的转化率为50%左右；温度高于280 ℃时，间甲酚的转化率随着温度的升高而降低；在320 ℃时，仅有30%左右，这是因为反应温度过高会引发乙烯自身聚合，甚至积碳，能用于与间甲酚烷基化反应的丙烯减少，因此，间甲酚转化率降低；由百里香酚选择性曲线可以看出：温度低于250 ℃时，百里香酚的选择性接近100%，后随着温度的升高，百里香酚的选择性依次降低，其产物分布见表4。

由表4可以看出:温度高于280 ℃时，其主要生成一取代副产物Ⅲ、Ⅳ和二取代副产物Ⅶ，且随着温度的升高，甲基与羟基相邻高位阻邻位Ⅲ含量增加，说明温度高时，丙烯碳正离子的活性高，可以攻击位阻高的位子；另一方面，尽管百里香酚选择性随温度升高而下降，主要是一取代副产物增多，而二取代副产物随温度升高反而减少。这也是因为温度升高引发乙烯自身聚合，使乙烯与间甲酚的相对摩尔比降低，所以二取代副产物选择性下降。

表4 温度对反应性能的影响

注：反应温度250 ℃，n(间甲酚)∶n(丙烯)=1∶2，催化剂质量0.5 g，空速2.6 mL/(g·h)，反应时间7 h。

2.4 间甲酚与丙烯摩尔比的影响

考察间甲酚与丙烯不同摩尔比对反应性能的影响，结果见图5。

图5 间甲酚与丙烯不同配比对反应性能的影响

由图5可以看出：间甲酚的转化率随着丙烯与间甲酚摩尔比的增加而增加，间甲酚与丙烯的摩尔比分别为1∶1、1∶2、1∶3时，间甲酚的转化率分别为34.3%，51.5%，69.3%。间甲酚与丙烯的摩尔比分别为1∶1、1∶2时，百里香酚的选择性接近于100%，间甲酚与丙烯的摩尔比分别为1∶3时选择性有所降低，这是由于丙烯比例过高会发生副反应。综合考虑，选择间甲酚与丙烯的摩尔比为1∶2。

2.5 水对催化剂的影响

由于γ-Al2O3表面L酸水合会转化为B酸，因此考察水对催化剂的影响，考察L酸和B酸间的转化对反应的影响。选择3种情况来考察：1)经450 ℃焙烧3 h脱水后的γ-Al2O3；2)γ-Al2O3加水饱和浸渍后250 ℃焙烧3 h的试样；3)γ-Al2O3催化剂，并在原料中加入V(间甲酚)∶V(水)=5∶1的水，实验结果如图6所示。

图6 水对反应性能的影响

由图6可知：γ-Al2O3加水浸渍后，间甲酚转化率降低，说明催化剂活性降低，γ-Al2O3吸水后表面的L酸中心部分转变为B酸中心，说明起催化作用的主要为L酸中心。同样，以含水间甲酚为反应原料时，转化率进一步降低至20%以下，选择性增加的原因是因为副产物主要由主产物百里香酚转化而来，由于百里香酚生成量减少，副产物相应减少。

2.6 异丙醇与丙烯比较

进一步考察γ-Al2O3催化剂对间甲酚与异丙醇烷基化反应催化性能，并与丙烯烷基化作比较，实验结果如图7所示。

由图7可看出：用异丙醇做为原料时，随着异丙醇与间甲酚的摩尔比增加，间甲酚转化率增加，百里香酚选择性降低，与丙烯为原料时规律相同；用异丙醇做为原料与丙烯为原料相比，摩尔比相同条件下，间甲酚的转化率相近，百里香酚选择性有所下降。用丙烯作为原料，百里香酚的收率较高，但是原料的危险性以及运输成本高，并且实验装置要求较高；用异丙醇为原料，百里香酚的收率较低，但是原料运输成本低，生产装置简单。因此，可以根据具体的条件选择合适的原料。用异丙醇或丙烯为原料时，反应后的产物分布见表5。

图7 异丙醇与丙烯比较

表5 用异丙醇或丙烯为原料时的产物分布

注：反应温度250 ℃，催化剂质量0.5 g，空速2.6 mL/(g·h)，反应时间7 h。

由表5可以看出:用异丙醇作为原料时，其生成的副产物主要为二取代以及醚类，由于甲基与羟基主要为邻对位定位基，而百里香酚甲基与羟基共同的邻位所受的空间位阻较大，所以Ⅵ的含量比Ⅶ的含量要高，但同时也可以看出，用异丙醇作为原料时，副产物中还会生成醚类，且醚类的含量随着异丙醇与间甲酚摩尔比的增大明显增加。

2.7 催化剂稳定性

用间甲酚和异丙醇为原料合成百里香酚，考察γ-Al2O3催化剂的稳定性，连续反应152 h后，间甲酚转化率为44.5%，百里香酚选择性为90.3%，收率为40.2%，说明γ-Al2O3催化剂具有较好的稳定性。

3 结 论

a.间甲酚和丙烯经烷基化合成百里香酚的最佳工艺条件为：以平均孔径为7.48 nm的大孔γ-Al2O3为催化剂，间甲酚与丙烯的摩尔比为1∶2，反应温度为250 ℃，空速0.87 mL/(g·h)。该工艺条件下，间甲酚转化率为78.8%，百里香酚的选择性为92.6%，收率为73.0%，催化剂具有良好的稳定性。

b.采用异丙醇代替丙烯为原料合成百里香酚，在异丙醇(或丙烯)与间甲酚摩尔比相同条件下，间甲酚转化率相近，百里香酚选择性和收率略有下降。

c.间甲酚和丙烯烷基化反应的活性中心主要为L酸。

参 考 文 献

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