姜辛，张伟，鲁墨弘，朱劼，单玉华，李明时

(常州大学石油化工学院，江苏省绿色催化材料与技术重点实验室，江苏 常州 213164)

苯和氯苯衍生物在工业生产中被广泛应用。苯酚是一种重要有机化工原料，在合成纤维、塑料、医药、染料、香料以及涂料方面具有广泛应用[1-3]。邻氯苯酚、间氯苯酚、对氯苯酚在各自的领域中也有着不同的作用。邻氯苯酚主要用于合成农药；间氯苯酚用于有机合成，还可用于显微分析；对氯苯酚可用于农药、医药、染料、塑料等工业，也可用作乙醇变色剂、精炼矿物油选择性溶剂、显微分析等[4]。

苯酚主要通过苯与丙烯烷基化，再氧化制得。Tanev等[5]发现，在介孔钛硅分子筛存在下，H2O2可以直接氧化苯制苯酚。Bhaumik等[6]首次报道了在无溶剂存在的情况下，用TS-1催化苯羟基化反应，H2O2利用率高达85%。Shahami等[7]用Fe-ZSM-5沸石催化苯羟基化反应，苯转化率为25.5%，苯酚选择性高达90%。Elmetwally等[8]以FeOCl为催化剂催化苯反应，反应4 h，苯转化率为43.5%，且除苯酚无副产物生成。Morimoto等[9]用负载镍的配合物催化苯羟基化反应，苯酚选择性高达99%，收率为21%。苯酚的氯代衍生物可以通过苯酚氯化合成。以醋酸为溶剂，在30～85 ℃将氯气与一氧化碳的混合物通入苯酚溶液中，转化率为65～70%，对氯苯酚的选择性在60%以上[10]。苯酚与磺酰氯在催化剂存在下反应即生成对氯苯酚[11]。赵美法[12]采用氯化铜法使苯酚氯化，对位平均收率达70%以上，对邻比在10∶1以上。通过氯苯氧化羟基化也可以得到苯酚的氯代衍生物，这种一步合成法途径绿色环保，但却鲜有报道。本工作研究了苯和氯苯及其衍生物(苯酚，邻二氯苯，间二氯苯，对二氯苯)在V2O5催化剂下，以H2O2作为氧化剂，氧化羟基化反应，考察了氯对苯环羟基化反应活性和选择性的影响。

1 实 验

1.1 主要试剂及仪器

苯、苯酚、磷酸，分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；氯苯、邻二氯苯，化学纯，上海凌峰化学试剂有限公司；对二氯苯，99%，阿拉丁；间二氯苯，99%，罗恩；乙酸，分析纯，上海申博化工有限公司；30% H2O2，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

WAS-50F6型双道微量注射泵，浙江史密斯医学仪器有限公司；LC-500型高效液相色谱仪，杭州旭星科技有限公司。

1.2 催化剂的制备

取一定量的V2O5催化剂，加入15 mL磷酸，搅拌混合均匀，得到V2O5-H3PO4催化剂。

1.3 实验方法

在250 mL三颈烧瓶加入0.102 mol反应物(苯，苯酚，氯苯，间二氯苯，邻二氯苯，对二氯苯)和100 mL乙酸，加入磁子，放入水浴锅中30 ℃恒温搅拌溶解，再加入15 mL V2O5-H3PO4催化剂，控制V2O5为反应物质量的0.5%(质量分数)，控制反应温度30 ℃，搅拌混合均匀后，用一次性无菌注射器吸入一定量30%的H2O2溶液，用微量注射泵滴加，滴加速度2.5 mL/h，总滴加量为10 mL，滴加反应4 h，继续搅拌反应1 h。反应结束，取样，用液相色谱分析。

1.4 产物的分析检测方法

反应产物的定量分析采用液相内标法。色谱柱Kromasil 100-5(4.6 mm×250 mm)C18柱；根据不同的反应，采用不同的液相色谱分析方法。

苯和苯酚氧化：流动相选取乙腈∶水(体积比)=4∶6的混合溶液，并加入0.25%乙酸(体积比)，内标物选用甲苯，流动相流量为0.8 mL /min，取试样10 μL溶于1 mL流动相进行稀释，分析注射量为5 μL，柱温为常温，检测波长为270 nm。

氯苯氧化：流动相选取乙腈∶水(体积比)=4∶6混合溶液，并加入0.25%乙酸(体积比)，内标物选用2,6-二氯苯酚，流动相流量为1 mL/min，取试样10 μL溶于1 mL流动相进行稀释，注射量为5 μL，柱温为常温，检测波长为270 nm。

邻二氯苯氧化分析：流动相选取乙腈∶水(体积比)=6∶4混合溶液，并加入0.25%乙酸(体积比)，内标物选用间二氯苯，流动相流量1 mL/min，取试样10 μL溶于1 mL流动相进行稀释，分析注射量为5 μL，柱温为常温，检测波长为254 nm。

间二氯苯氧化：流动相选取乙腈∶水(体积比)=6∶4混合溶液，并加入0.25%乙酸(体积比)，内标物选用对二氯苯，流动相流量为1 mL/min，取试样10 μL溶于1 mL流动相进行稀释，分析注射量为5 μL，柱温为常温，检测波长为254 nm。

对二氯苯氧化：流动相选取乙腈∶水(体积比)=7∶3混合溶液，并加入0.25%乙酸(体积比)，内标物选用氯苯，流动相流量为1 mL/min，取试样10 μL溶于1 mL流动相进行稀释，分析注射量为5 μL，柱温为常温，检测波长为254 nm。

2 结果与讨论

2.1 苯氧化羟基化反应

图1为苯氧化液相色谱。由图1可看出，各物质保留时间分别为：对苯二酚(产物)4.39 min，邻苯二酚(产物)5.78 min，苯醌(产物)6.35 min，苯酚(产物)8.95 min，苯(原料)31.62 min，甲苯(内标)57.00 min。

图1 苯氧化液相色谱

表1为苯氧化羟基化反应结果。由表1可看出，苯的一步氧化羟基化产物为苯酚，苯酚还会进一步氧化生成对苯二酚和邻苯二酚，对苯二酚再进一步反应生成苯醌。

表1 苯氧化羟基化反应结果

2.2 苯酚氧化羟基化反应

图2为苯酚氧化液相色谱。由图2可见，各物质保留时间分别为：对苯二酚(产物)4.33 min，邻苯二酚(产物)5.34 min，苯醌(产物)6.24 min，苯酚(原料)8.81 min，甲苯(内标)56.82 min。

表2为苯酚氧化羟基化反应结果。由表2可看出，苯酚的一步氧化羟基化产物为对苯二酚和邻苯二酚，没有生成间苯二酚。对苯二酚和邻苯二酚的选择性分别为0.94%和0.22%，还有大量产物没有定性及定量分析，反应后产物放置一段时间，会在底部沉积一层固体物质，初步推测是深度氧化得到的产物，也可能是苯酚自身聚合，导致得到的产物量很少。

图2 苯酚氧化液相色谱

2.3 氯苯氧化羟基化反应

图3为氯苯氧化液相色谱图。由图3可看出，各物质保留时间分别为：2-氯-1,4-苯醌(产物)8.77 min，2-氯苯酚(产物)11.85 min，3-氯苯酚(产物)13.49 min，4-氯苯酚(产物)14.52 min，2,

6-二氯苯酚(内标)20.40 min，氯苯(原料)46.73 min。

图3 氯苯氧化液相色谱

表3和图4分别为氯苯氧化羟基化反应结果和氯苯一步氧化产物分布。可以看出，氯苯的一步氧化羟基化产物为2-氯苯酚、3-氯苯酚和4-氯苯酚，其中2-氯苯酚和3-氯苯酚选择性接近，4-氯苯酚选择性最高，约为2-氯苯酚或3-氯苯酚的2～2.5倍。考虑到氯苯氧化过程中有两个邻位和两个间位，只有一个对位，则对位氧化的相对选择性约为邻位或间位相对选择性的4～5倍，即Sp≈5So≈5Sm。2-氯苯酚和3-氯苯酚还会进一步氧化生成2-氯对苯二酚，2-氯对苯二酚很容易被氧化，会迅速进行下一步氧化生成2-氯-1,4-苯醌。

表2 苯酚氧化羟基化反应结果

表3 氯苯氧化羟基化反应结果

图4 氯苯一步氧化产物分布

图5为氯苯氧化转化率和产物选择性与反应时间关系。从图5可以看出，随着反应的进行，氯苯的转化率逐渐升高，4-氯苯酚的选择性趋于稳定，2-氯苯酚和3-氯苯酚的选择性有所下降，2-氯-1,4-苯醌的选择性不断增加。这是因为2-氯苯酚和3-氯苯酚会被氧化生成2-氯对苯二酚，2-氯对苯二酚还会迅速氧化生成2-氯-1,4-苯醌。

图5 氯苯氧化转化率和产物选择性与反应时间关系

2.4 邻二氯苯氧化羟基化反应

图6为邻二氯苯氧化液相色谱。由图6可看出，各物质保留时间分别为：2,3-二氯苯酚(产物)6.75 min，3,4-二氯苯酚(产物)7.46 min，邻二氯苯(原料)17.80 min，间二氯苯(内标)21.41 min。

图6 邻二氯苯氧化液相色谱

表4和图7分别为邻二氯苯氧化羟基化反应结果和邻二氯苯一步氧化产物分布。可以看出，邻二氯苯的一步氧化羟基化产物为2,3-二氯苯

酚、3,4-二氯苯酚，其中3,4-氯苯酚选择性明显高于2,3-二氯苯酚。这是因为3,4-二氯苯酚的羟基所在位置相对于苯环上的两个氯的位置来说，一个是对位，一个是间位，而2,3-二氯苯酚的羟基所在位置相对于苯环上两个氯的位置分别为间位和邻位，又因为苯环上氯对位的选择性要高于苯环上氯间位和邻位的选择性，在氯对位上更容易发生氧化羟基化反应。根据2.3得到的氯苯氧化产物选择性数据，不难发现，这种规律存在一定的定量关系，苯环上氯的对位氧化的相对选择性约为邻位或间位选择性的4～5倍，即(So,m+So,m)∶(Sp,m+Sp,m)≈(1×1+1×1)∶(1×5+1×5)≈1∶5。也就是说，当邻二氯苯氧化时，苯环上的两个氯共同影响某位置的选择性，此位置的相对选择性相当于每个氯单独存在时相对选择性的乘积。

表4 邻二氯苯氧化羟基化反应结果

图7 二氯苯一步氧化产物分布

2.5 间二氯苯氧化羟基化反应

图8为间二氯苯氧化液相色谱。由图8可看出，各物质保留时间分别为：2,6-二氯苯酚(产物)6.73 min，2,4-二氯苯酚(产物)7.48 min，3,5-二氯苯酚(产物)8.79 min，对二氯苯(内标)19.48 min，间二氯苯(原料)20.96 min。

图8 间二氯苯氧化液相色谱

表5和图9分别为间二氯苯氧化羟基化反应结果和间二氯苯一步氧化产物分布。可以看出，

间二氯苯的一步氧化羟基化产物为3,5-二氯苯酚、2,6-二氯苯酚和2,4-二氯苯酚，其中2,4-二氯苯酚选择性最高。这是因为2,4-二氯苯酚的羟基所在位置相对于苯环上的两个氯的位置来说，一个是对位，一个是邻位；而3,5-二氯苯酚和2,6-二氯苯酚的羟基所在位置相对于苯环上两个氯的位置分别为间位和邻位，又因为苯环上氯对位氧化的选择性要高于苯环上氯间位和邻位的选择性，在氯对位上更容易发生氧化羟基化反应。3,5-二氯苯酚和2,6-二氯苯酚中羟基相对于氯分别都为间位和邻位，所以两者的选择性接近。3,5-二氯苯酚的选择性略高于2,6-二氯苯酚的选择性，这可能是2,6-二氯苯酚中羟基位于两个氯之间，会有一定的位阻，产生一定的抑制作用导致2,6-二氯苯酚的选择性一定程度减少。比较间二氯苯羟基化反应的三种产物的选择性，不难发现，苯环上氯的邻位或间位与对位选择性间存在与氯苯和邻二氯苯相同的规律，即Sm,m∶So,o∶(Sp,o+Sp,o)≈1×1∶1×1∶(1×5+1×5)≈1∶1∶10。当间二氯苯氧化时，苯环上的两个氯共同影响某位置的选择性，此位置的相对选择性相当于每个氯单独存在时相对选择性的乘积。

表5 间二氯苯氧化羟基化反应结果

图9 间二氯苯一步氧化产物分布

2.6 对二氯苯氧化羟基化反应

图10为对二氯苯氧化液相色谱。由图10可看出，各物质的保留时间分别为：2,5-二氯-1,4-苯醌(产物)4.29 min，2,5-二氯苯酚(产物)4.80 min，氯苯(内标)7.81 min，对二氯苯(原料)10.93 min。

图10 对二氯苯氧化液相色谱图

表6为对二氯苯氧化羟基化反应结果。由表6可看出，对二氯苯的一步羟基化产物只有一种结构，为2,5-二氯苯酚，2,5-二氯苯酚会再进行两步氧化生成2,5-二氯-1,4-苯醌。

图11为对二氯苯氧化羟基化反应进程。从图11可以看出，随着反应的进行，原料对二氯苯的转化率随反应时间的增加而上升，而产物2,5-二氯苯酚和2,5-二氯1,4-苯醌的选择性随着反应时间的增加保持平稳或略微上升。

图11 对二氯苯氧化羟基化反应进程

表6 对二氯苯氧化羟基化反应结果

3 结 论

a.以钒氧化物为催化剂、醋酸为溶剂、过氧化氢为氧化剂，研究了苯、苯酚、氯苯、(邻、间、对)二氯苯氧化羟基化反应规律。该系列氧化羟基化反应的相对活性顺序为：苯酚>间二氯苯>对二氯苯≈邻二氯苯≈氯苯>苯。苯酚氧化活性高，但容易发生深度氧化。二氯苯与氯苯氧化羟基化活性相当，氯苯氧化羟基化反应活性略高于苯。

b.氯苯氧化羟基化反应中，氯的邻位和间位选择性相当，而对位选择性是邻位或间位选择性的4～5倍。

c.二氯苯氧化羟基化反应中，其选择性受两个氯共同影响，就某个氯的影响而言，氯的邻位和间位选择性相当，对位选择性是邻位或间位选择性的4～5倍，苯环上某位置的相对选择性为两个氯单独存在时相对选择性的乘积。

d.对二氯苯氧化羟基化只有一种单羟基异构体，因而可以获得较高(82.5%)的2,5-氯苯酚选择性。