作者简介:李 宁,1993年生,男,在读硕士研究生。
合成[Me3NH]Cl-2.0AlCl3、[PyH]Cl-2.0AlCl3、[Bmim]Cl-2.0AlCl3以及[Et3NH]Cl-2.0AlCl3氯铝酸盐离子液体,对[Et3NH]Cl-2.0AlCl3和[PyH]Cl-2.0AlCl3两种离子液体进行系列改性,并考察氯铝酸盐离子液体催化甲苯与氯代叔丁烷的烷基化反应,反应合成对叔丁基甲苯的催化性能。结果表明,未经改性的氯铝酸离子液体催化烷基化反应,对位产物选择性均较低,经FeCl3、CuCl以及CH3NO2改性的[Et3NH]Cl-2.0AlCl3离子液体对叔丁基甲苯选择性显著提高,而[PyH]Cl-2.0AlCl3离子液体经CuCl改性后的对叔丁基甲苯选择性则提高到85%以上。采用乙腈、吡啶为探针的红外光谱对离子液体酸性表征的结果表明,改性后离子液体的L酸和B酸均有所降低,其中B酸是影响对叔丁基甲苯选择性的主要因素,并对离子液体酸性催化甲苯与氯代叔丁烷烷基化反应合成对叔丁基甲苯的作用机制进行分析。
The chloroaluminate ionic liquids,including [Me3NH]Cl-2.0AlCl3,[PyH]Cl-2.0AlCl3,[Bmim]Cl-2.0AlCl3,[Et3NH]Cl-2.0AlCl3,were synthesized and characterized.The [Et3NH]Cl-2.0AlCl3 and [PyH]Cl-2.0AlCl3 ionic liquids were modified by FeCl3,CuCl,CH3NO2 and C2H5-S-C2H5.Alkylation of toluene with 2-chloro-2-methylpropane catalyzed by the prepared ionic liquids was investigated.The results showed that p-tert-butyltoluene selectivity over unmodified chloroaluminate ionic liquid was lower,and p-tert-butyltoluene selectivity over [Et3NH]Cl-2.0AlCl3 ionic liquids modified by FeCl3,CuCl and CH3NO2 were improved significantly.Moreover,selectivity of p-tert-butyltoluene reached more than 85% over [PyH]Cl-2.0AlCl3 modified by CuCl.Acidity characterization using acetonitrile and pyridine as probe showed that Lewis acid and Brönsted acid of the ionic liquid were decreased after modification,and Brönsted acid was the main factor to selectivity of p-tert-butyl toluene.The synthesis mechanism of p-tert-butyltoluene by alkylation of toluene with chloro-isobutane catalyzed by ionic liquid was also discussed.
对叔丁基甲苯是树脂工业和香精香料中的重要有机中间体[1], 可用于生产各种成核剂、树脂改进剂、橡胶与油漆添加剂[2, 3]。传统的对叔丁基甲苯合成路线多采用无机酸作为催化剂[4], 如三氯化铝和硫酸等, 以氯代叔丁烷或异丁烯作为烷基化剂, 这些工艺均存在耗酸量大、腐蚀性强、分离困难、污染环境和生产成本高等缺点, 使得对叔丁基甲苯的生产受到制约[5, 6]。因此, 研究和开发环境友好并具有优良的对叔丁基甲苯选择性的烷基化催化剂, 对于降低生产成本及消除传统工艺对环境的污染具有十分重要的意义。
离子液体作为新型的绿色溶剂和催化剂, 被广泛用于酰基化、聚合、异构化、烷基化和环氧化等反应[7, 8, 9, 10], 它是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的在室温下呈液体状态的盐类[11], 其中, 氯铝酸盐离子液体是研究较早的离子液体, 具有较强的L酸酸性, 且酸密度高, 同时还可选择不同的阳离子类型来调节酸性[12, 13, 14], 对催化甲苯与氯代叔丁烷的烷基化反应合成对叔丁基甲苯具有较好的活性。而且由于离子液体与反应产物易于分层, 便于产物与催化剂的分离, 分离后的催化剂可以重复使用, 从而降低生产成本, 避免传统三氯化铝法在反应产物碱洗及水洗过程中产生的大量含盐废水对环境造成的污染, 是一种相对环保的对叔丁基甲苯合成工艺。
本文以甲苯和氯代叔丁烷为反应原料, 比较不同氯铝酸盐离子液体及改性离子液体催化合成对叔丁基甲苯的催化性能, 并以乙腈和吡啶为探针分子, 对制备的离子液体催化剂进行红外表征, 考察离子液体的酸性及酸强度对甲苯烷基化选择性的影响, 并对甲苯烷基化高选择性合成对叔丁基甲苯的机理进行分析探讨。
氯代叔丁烷、无水氯化铝、氯化亚铜、无水氯化铁和吡啶盐酸盐, 分析纯, 国药集团化学试剂有限公司; 氯代1-丁基-3-甲基咪唑、盐酸三乙胺、盐酸三甲胺和二乙基硫醚, 分析纯, 阿拉丁试剂(上海)有限公司; 甲苯, 分析纯, 北京化工厂。
在干燥氮气保护下, 分别将1 mol阳离子前驱体三乙胺盐酸(或氯代1-丁基-3甲基咪唑、或三甲胺盐酸、或吡啶盐酸盐)加至装有200 mL正庚烷的三口烧瓶中, 搅拌均匀, 分次加入2 mol三氯化铝, 加热到60 ℃持续搅拌6 h。待冷却至室温后, 用分液漏斗分离出下层棕色的氯铝酸盐离子液体于干燥容器中保存待用。
采用文献方法[15, 16]对制备的离子液体催化剂进行助剂改性, 室温下按一定比例分别称取改性组分, 包括二乙基硫醚、氯化亚铜、三氯化铁和硝基甲烷等, 分次缓慢加入到制备好的氯铝酸盐离子液体中, 充分搅拌6 h, 形成不同助剂改性的离子液体催化剂。
采用德国布鲁克公司Tensor 27型傅里叶变换红外光谱仪(分辨率1 cm-1)对离子液体酸性进行红外光谱表征。将离子液体分别按AlCl3物质的量比1∶ 1加入吡啶或乙腈, 并加入适量氯仿稀释后, 采用窗片液膜法, 取适量混合液覆盖KBr片制样进行扫描, 扫描范围(400~4000) cm-1。
采用250 mL水浴夹套间歇反应釜评价离子液体催化剂的烷基化催化性能。将原料甲苯及质量分数2%的离子液体一并加至反应釜中, 维持搅拌速率250 rpm, 在设定的反应温度下, 按一定速率将定量的氯代叔丁烷滴加至反应器中进行反应, 反应产生的氯化氢气体用碱液吸收。反应结束后, 静置分层, 将上层油相烷基化产物分出, 并经碱洗、水洗至中性后, 采用日本岛津公司GC-2010色谱仪分析产物组成。分析条件为:FID检测器, HP-5毛细色谱柱(50 m× 0.32 mm× 0.25 μ m), 初始柱温80 ℃, 恒温5 min, 以10 ℃· min-1的速率升至180 ℃并维持10 min, 汽化室温度250 ℃, 检测器温度230 ℃。以氯代叔丁烷的转化率及对叔丁基甲苯选择性评价离子液体催化剂的烷基化催化性能。
氯代叔丁烷转化率:
式中, p, t-Bu-Cl为产物中的氯代叔丁烷; r, t-Bu-Cl为原料中的氯代叔丁烷。
对叔丁基甲苯(p-TBT)选择性:
间叔丁基甲苯(m-TBT)选择性:
式中, DTBT为3, 5-二叔丁基甲苯。
p-TBT与m-TBT选择性比:
以不同阳离子制备[Me3NH]Cl-2.0AlCl3、[PyH]Cl-2.0AlCl3、[Bmim]Cl-2.0AlCl3以及[Et3NH]Cl-2.0AlCl3系列离子液体, 采用200 mL玻璃夹套间歇反应器, 在常压、30 ℃、离子液体加入量为甲苯质量的2%、甲苯与氯代叔丁烷物质的量比为3∶ 1和反应时间10 min条件下, 对甲苯与氯代叔丁烷烷基化反应合成对叔丁基甲苯进行考察, 结果见表1。通过对油相产物进行GC-MS分析, 烷基化产物只检测到p-TBT、m-TBT以及少量DTBT(3, 5-二叔丁基甲苯), 且均未检测有o-TBT(邻叔丁基甲苯)。
![]() | 表1 不同离子液体催化甲苯叔丁基化反应产物组成 Table 1 Composition distribution of toluenetert-butylation products catalyzed by different ionic liquids |
从表1可以看出, 不同类型的阳离子, 包括[Me3NH]+、 [Bmim]+ 、[PyH]+、
氯铝酸盐离子液体为典型的L酸催化剂, 催化甲苯与氯代叔丁烷的烷基化反应合成叔丁基甲苯为典型的L酸催化的碳正离子反应。为深入研究不同阳离子类型的氯铝酸盐离子液体催化烷基化的活性及p-TBT选择性的差异, 采用乙腈和吡啶为探针分子对离子液体酸性进行红外光谱表征, 结果见图1和图2。从图1可以看出, 乙腈在(2 225~2 325) cm-1处存在1和2特征伸缩振动峰, 当乙腈与L酸酸性离子液体相互作用后, 在约2 330 cm-1处出现新的特征峰(峰3), L酸酸性越强, 峰所处的波数越大, 1和2两处吸收峰为L酸酸中心的特征峰, 且随着离子液体酸性增强发生蓝移, 蓝移的程度越大, 代表离子液体的酸性越强[17]。[Et3NH]Cl-2.0AlCl3、[PyH]Cl-2.0AlCl3和[Bmim]Cl-2.0AlCl3具有明显的L酸酸性中心振动吸收峰, 其中, [PyH]Cl-2.0AlCl3和 [Et3NH]Cl-2.0AlCl3在2 253 cm-1和2 293 cm-1处的伸缩振动峰分别蓝移至2 253.6 cm-1和2 253.9 cm-1及2 293.9 cm-1和2 294.2 cm-1处, 对应相对较强的L酸酸性中心, 而且[Et3NH]Cl-2.0AlCl3的红外吸收峰最大, 表明其L酸酸密度最大。[Me3NH]Cl-2.0AlCl3的3个特征伸缩振动峰最弱, 表明其L酸酸性最弱。根据特征吸收峰吸收强度及蓝移程度确定不同阳离子类型离子液体的L酸酸性强弱顺序依次为:[Et3NH]Cl-2.0AlCl3> [PyH]Cl-2.0AlCl3> [Bmim]Cl-2.0AlCl3> [Me3NH]Cl-2.0AlCl3, 与表1氯代叔丁烷转化率一致, 即离子液体的L酸酸性越强, 烷基化催化活性越高, 氯代叔丁烷转化率越高。
通常纯吡啶分子在1 437 cm-1显示特征吸收峰, 当吡啶分子与L酸及B酸相互作用后, 其红外光谱分别会在约1 450 cm-1和1 540 cm-1处出现新吸收峰, 可根据1 540 cm-1处吸收峰判断B酸的存在[18]。由图2可以看出, 不同类型阳离子的氯铝酸盐离子液体Py-IR光谱均在约1 540 cm-1处出现了B酸特征吸收峰, 表明制备的离子液体均存在B酸中心, 其B酸酸性强弱的顺序为[PyH]Cl-2.0AlCl3< [Me3NH]Cl-2.0AlCl3< [Bmim]Cl-2.0AlCl3< [Et3NH]Cl-2.0AlCl3。结合表1对叔丁基甲苯选择性, 认为离子液体的B酸酸性是影响对叔丁基甲苯选择性的主要因素, B酸酸性越强, 对叔丁基甲苯选择性越低, 这可能与目标产物p-TBT在B酸酸性中心催化作用下向结构更为稳定的m-TBT异构有关。
一般而言, 甲苯与氯代叔丁烷烷基化反应是典型的L酸催化作用的碳正离子反应, B酸酸性对这类烷基化反应几乎无任何活性。按甲苯与叔丁基碳正离子烷基化反应的邻对位优先法则(由于空间位阻的作用, 邻位烷基化反应被抑制), p-TBT产物理论上应该是烷基化反应的主要产物, 而实际上表1所列各离子液体催化的产物中p-TBT选择性均很低, 表明伴随着L酸催化甲苯与氯代叔丁烷烷基化反应生成p-TBT产物的同时, 发生了p-TBT产物向m-TBT产物转化的异构化反应, 而该反应是典型的B酸催化的异构化反应, 而且催化剂的B酸酸性越强, p-TBT异构化转化为m-TBT的活性越高, 从而使p-TBT选择性下降。
离子液体的酸性对甲苯叔丁基化反应选择性生成对位产物的影响较大, 仅仅通过改变氯铝酸盐离子液体中阳离子的种类并不能明显提高p-TBT选择性。为此, 可以通过添加具有配位能力的过渡金属离子和分子轨道有孤对电子的有机化合物, 使其与离子液体中的阴离子配位络合, 进而改变离子液体的酸性, 尤其是离子液体的B酸酸性, 以达到提高对叔丁基甲苯选择性的目的。选择流动性能相对较好和且烷基化活性相对较高的[Et3NH]Cl-2.0AlCl3及[PyH]Cl-2.0AlCl3离子液体, 加入一定量硫醚、过渡金属氯化物盐及硝基甲烷助剂对离子液体进行改性, 并在相同的烷基化反应条件下, 考察其对催化甲苯与氯代叔丁烷的烷基化反应性能的影响, 结果见表2。由表2可以看出, 改性后的离子液体催化甲苯与氯代叔丁烷的烷基化反应活性仍然较高, 除了乙基硫醚助剂之外, [Et3NH]Cl-2.0AlCl3离子液体采用FeCl3、CuCl和CH3NO2改性后, p-TBT选择性均明显提高, 而[PyH]Cl-2.0AlCl3离子液体经物质的量分数0.5%CuCl改性后, 对叔丁基苯选择性提高至85.5%。
![]() | 表2 改性离子液体催化甲苯与氯代叔丁烷的烷基化反应结果 Table 2 Alkylation reaction results of toluene with 2-chloro-2-methylpropane catalyzed by modified ionic liquids |
图3为改性前后的离子液体乙腈探针的FT-IR表征结果。
从图3可以看出, [Et3NH]Cl-2.0AlCl3离子液体改性后, 在2 253 cm-1处的吸收峰红移不明显, 而在2 293 cm-1和2 330 cm-1处的吸收峰存在一定程度红移, 表明离子液体中添加助剂与离子液体中L酸酸中心配位, 使[Et3NH]Cl-2.0AlCl3离子液体L酸酸性降低, 氯代叔丁烷转化率有所下降(表2)。
图4为不同离子液体改性前后吡啶探针的红外光谱表征结果。从图4可以看出, 除乙基硫醚之外, 其他助剂改性后, 离子液体B酸酸性均有不同程度下降, 催化甲苯与氯代叔丁烷的烷基化产物中p-TBT选择性普遍提高(表2), 如CH3NO2改性后的[Et3NH]Cl-2.0AlCl3离子液体, 其δ p/m值由0.31提高到2.38, 可能是由于硝基甲烷是强极性非质子溶剂, 能与三氯化铝反应生成AlCl3-CH3NO2配合物, 降低了离子液体中的AlC
采用CuCl助剂改性后的[Et3NH]Cl-2.0AlCl3 离子液体催化烷基化反应, 其δ p/m由0.31提高到2.63; 而经CuCl改性的[PyH]Cl-2.0AlCl3离子液体, δ p/m由1.06更是提高到6.11。可见, CuCl可显著改变p-TBT选择性。对比表2和图4还可以看出, 随着助剂CuCl加入量增加, 离子液体L酸酸性有所降低, 对应氯代叔丁烷转化率下降; 而且离子液体的B酸酸性也随之减弱, p-TBT选择性由73.5%提高到85.5%, 原因可能是由于[PyH]Cl-2.0AlCl3离子液体中氯铝酸阴离子与CuCl 发生络合形成阴离子配合物[AlCl4CuCl
氯铝酸盐离子液体催化甲苯与氯代叔丁烷的烷基化反应一般具有较好的催化活性, 但对叔丁基甲苯选择性则与离子液体催化剂的B酸酸性有密切关系。因此, 为了提高对位产物选择性和目标产物收率, 需要对氯铝酸盐离子液体进行改性, 以降低催化剂的B酸酸性, 减少对位产物向间位产物异构的副反应发生。
在常压、催化剂用量为甲苯质量的1%条件下, 采用[PyH]Cl-2.0AlCl3-0.5CuCl离子液体考察工艺条件对p-TBT选择性的影响, 结果见图5。
由图5可见, 随着甲苯与氯代叔丁烷物质的量比增加, 对叔丁基甲苯选择性逐渐下降, 甲苯与氯代叔丁烷物质的量比为2∶ 1时对叔丁基甲苯选择性最高。
在L酸的催化下, 甲苯与氯代叔丁烷首先生成对叔丁基苯, 对叔丁基苯在甲苯溶液中发生异构化反应生成间叔丁基甲苯[21, 22], 第一步为快速反应, 第二步为慢速反应, 随着体系中氯代叔丁烷含量增加, 对叔丁基甲苯选择性提高。甲苯烷基化为放热反应, 低温更有利于第一步的烷基化产物生成, 温度较低时对叔丁基甲苯选择性较高; 随着反应温度升高, 对叔丁基甲苯选择性逐渐下降, 表明随着反应温度上升, 产物中的对叔丁基甲苯发生异构化反应向热力学结构更稳定的间叔丁基甲苯转化, 因此, 对叔丁基甲苯选择性下降。
(1)不同阳离子组成的氯铝酸离子液体催化甲苯与氯代叔丁烷的烷基化反应均有较好的催化活性, 但对叔丁基甲苯产物选择性均较低。红外光谱表征结果表明, 不同阳离子的氯铝酸盐离子液体既具有L酸中心, 同时也具有B酸中心, 其中B酸的强度顺序依次为[PyH]Cl-2.0AlCl3< [Me3NH]Cl-2.0AlCl3< [Bmim]Cl-2.0AlCl3< [Et3NH]Cl-2.0AlCl3, 且B酸酸性是影响对叔丁基甲苯选择性的主要因素。
(2)采用二乙基硫醚、FeCl3、CuCl和CH3NO2对氯铝酸盐离子液体改性后, 均能有效的催化甲苯与氯代叔丁烷的烷基化反应, 其中CuCl与CH3NO2改性后的氯铝酸盐离子液体催化的产物中对叔丁基甲苯选择性明显提高, 尤其是[PyH]Cl-2.0AlCl3离子液体经物质的量分数0.5%CuCl改性后, 对叔丁基苯选择性提高至85.5%。
The authors have declared that no competing interests exist.
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