第3 9卷 第5期 2 O l 2 年湖南大学学报(自然科学版) Vo1.39,No.5 Mav.2 0 1 2 5月 {ournal of Hunan uniVersity(Natura1 Sciences) 文章编号:1674—2974(2012)05—0069—04 t-BAMBP的催化合成及精馏纯化研究 阳卫军 ,刘和辉,罗喜生,郭灿城 (湖南大学化学化工学院,湖南长沙410082) 摘要:采用4一叔丁基苯酚与苯乙烯为原料,在磷酸的催化下合成了4一叔丁基一2一(a一甲 基苄基)苯酚(£一BAMBP).适宜的合成反应条件为反应温度150℃,反应时间150 min,反应 物料4一叔丁基苯酚与苯乙烯之摩尔比为1:1.8,催化剂用量为总反应物料量的1.5 .在该 工艺条件下,4一叔丁基苯酚的转化率为81.29 ,t-BAMBP的产率为81.O4 .采用减压精 馏的方法提纯t-BAMBP,确定了£一BAMBP产品的馏出温度为156~157℃,绝对压力为 400 Pa.t-BAMBP的纯度达到98.79 .分析了t-BAMBP合成过程中的脱叔丁基反应机 理,推测了副产物的生成途径. 关键词:t-BAMBP;合成;精馏;萃取 中图分类号:0643.32 文献标识码:A Catalytic Synthesis of t-BAMBP and Its Purification through Distillation LUO xi—sheng,GUO Can—cheng YANG Wei-j un ,LIU He—hui, (College of Chemistry and Chemical Engineering- Hunan Univ。Changsha,Hunan 410082,China) Abstract:4-tert—butyl一2一(a—methy1benzy1)phenol(t-BAMBP)was synthesized from tert—butylphenol and styrene catalyzed by concentrated phosphoric acid.The optimal synthesis conditions were as follows:a reaction temperature of 150℃,a reaction time of 150 min,a reactant ratio of 1:1.8,and a catalyst dos— age equal to 1.5 of the feed stock.Under such conditions,the conversion percent of tert—butyl phenol was 81.29 ,and the yield of t-BAMBP was 81.04 .The synthetic products were separated and purified by vacuum distillation.The proper distillation temperature was 156~157℃,and the absolute pressure was 400Pa.The purity of t-BAMBP was higher than 98.79 .The tert—butyl group removing mechanism in the t-BAMBP synthesis process was analyzed,and the by-products forming routes were deduced. Key words:t-BAMBP;synthesis;distillation;extraction 我国青海、的盐湖卤水中蕴含有极为丰富 的铷、铯离子,但浓度很低.卤水中还共存有大量的、 物理化学性质均与之非常接近的钾、钠、镁和锂等离 子,其浓度是铷铯离子的几千至几十万倍,给铷铯离 铯的富集、分离提取还是一个尚未解决的技术难 题 .对于类似于盐湖水中含量很低的铷、铯离子的 富集和提取研究,常用吸附剂吸附和萃取剂萃取两 种方法 .取代酚类萃取剂由于其高选择性和易 子的分离提纯带来很大的困难.因此,盐湖卤水中铷 于反萃等因素 ,在盐湖卤水中铷铯的提取和分离 收稿日期:2011-09_22 作者简介:阳卫军(1971一),男,湖南衡阳人,湖南大学博士,教授 十通讯联系人,E-mail:wjyang@hnu.edu.an 70 湖南大学学报(自然科学版) 中具有潜在的应用前景.目前研究较多的是4一仲丁 基一2( 一甲基苄基)苯酚(BAMBP)和4一叔丁基一2一(a一 甲基苄基)苯酚(£一BAMBP)两种酚类萃取剂 ]. BAMBP的合成较为困难[9],但其异构体t— BAMBP在萃取性能上有着同等的优越性且合成原 料易得[1 .关于t-BAMBP合成、特别是其纯化工艺 研究的文献报道甚少.本文研究了t-BAMBP的合 成和精馏纯化工艺,得到了较好的实验结果,为t— BAMBP的工业化批量生产和低浓度铷、铯离子的 工业化萃取分离奠定了前期基础. 1 实验部分 1.1试剂与仪器 对4一叔丁基苯酚,苯乙烯,磷酸等试剂,均为分 析纯. GC 9890A气相色谱仪,南京科捷分析仪器应 用研究所;AC-80型核磁共振仪,瑞士Bruker公司; QP2010型GC-MS,日本岛津仪器有限公司;WQF_ 410型傅立叶变换红外光谱仪,北京第二光学仪器 厂. 1.2 t-BAMBP的合成及纯化 1.2.1 t-BAMBP的合成路线 从t-BAMBP的结构和理化性质来看,最有利 的合成路线是以对4一叔丁基苯酚和苯乙烯为起始 原料,Lewis酸催化,通过傅瑞德尔一克拉夫茨烷基 化反应(F-C反应)来完成.由于浓磷酸价格不贵,反 应易于控制,反应后催化剂可方便回收再利用,故本 研究采用浓磷酸为催化剂,合成路线如下: CH H3PO4 ——————————{●- 1.2.2 t-BAMBP的合成步骤及分析方法 在250 mL三口烧瓶中,中间接口接回流装置, 一口接温度计,一口为加料口.首先按比例加入对 4一叔丁基苯酚和苯乙烯,在室温下搅拌使其充分溶 解.然后加入一定量的浓磷酸,升高到设定温度进行 反应.每隔30 rain取样做色谱检测.停止反应后,把 反应混合物静止分层,先分离出浓磷酸催化剂供重 复使用;然后进行后续的普通减压蒸馏和减压精馏. 用气一质联用仪和气相色谱仪分别对产物进行定性 和定量分析. 气相色谱分析条件:毛细管色谱柱,SE-54;柱 温:250℃恒温;进样器温度:260℃;检测器温度: 260℃.采用外标法中的单点校正法处理色谱数据. 4一叔丁基苯本酚转化率: 欲 加入的4一叔丁基苯酚总蒜 量 mol X1明 00% 匿 t-BAMBP选择性一 反应所消费的一叔丁基苯酚 mol 量 X100一 % 1.2.3 t-BAMBP的精馏纯化 经分析,该合成反应的产物和副产物的沸点都 较高,其中t-BAMBP的沸点为145~160℃(2 mm— Hg).由于副反应物多,普通蒸馏的方法无法将其分 离提纯,要采用减压精馏过程.本试验装置的主体设 备是自组的填料精密精馏塔,配套有釜底加热控温 系统、回流装置、塔顶温控装置、真空控制系统、产品 取样出料管路和相关的测量仪表. 将反应混合液先进行减压蒸馏,馏出部分未反 应的原料并初步确定后续的精馏条件,然后进行减 压精馏提纯. 2结果与讨论 2.1 t-BAMBP合成的条件优化 通过气相色谱跟踪t-BAMBP的合成反应过 程,反应结束后用气质联用仪及气相色谱仪分析产 物的种类和含量.通过对反应温度(130,140,150, 160,170℃)、反应时间(130,140,150,16O,170 min)、反应物料比(1:1.0,1:1.2,1:1.5,1: 1.8,1:2.0),催化剂用量与总反应物料量的比率 (1.0 ,1.5 ,3.0 ,5.0 ,10.0 )等因素进行比 较研究,并采用正交实验进行验证,得到了最佳工艺 参数为反应温度150℃,反应时间150 rain,催化剂 用量1.5 9/6,反应物料比1:1.8.在该工艺条件下, 有效的控制了副反应,4一叔丁基苯酚的转化率为 81.29%,t-BAMBP的产率为81.04 . 2.2 t-BAMBP合成反应混合物的精馏提纯 采用上述最佳反应条件下合成出的反应混合物 进行提纯工艺研究.先从反应混合物中分离出浓磷 酸,然后将反应后液进行减压简单蒸馏,在135℃下 把大部分未反应的4一叔丁基苯酚馏出,实验真空度 为440 Pa.然后再进行减压精馏. 采取减压精馏的方法对合成粗产物 一BAMBP 进行纯化,温度的控制是此操作的关键所在.该过程 第5期 阳卫军等 BAMBP的催化合成及精馏纯化研究 71 采用减压分段式精馏,真空度为440 Pa,先蒸出沸 点较低的前馏分和部分中间馏分,最后精馏出高纯 度的产品(回流比2:1).用200 mL经初步减压简 单蒸馏后的合成反应后液作为纯化原料,实验结果 如表1所示. 表1 合成反应混合物减压精馏的实验结果 Tab.1 Results of decompression rectification of the reaction products 精馏过程中,通过控制塔顶温度来控制出料.在 真空度440 Pa下,釜温在189℃之前,釜内一直沸 腾,塔顶处于全回流状态.先将塔顶温度控制在143 ℃,稳定在该温度下,回流比2:1出料,至没有馏出 物为止.这样把低沸点的前馏分基本去除.继续升高 温度,直至馏出高纯度的t-BAMBP.各段馏出物用 气相色谱检测产品的纯度. 由表1可以看出,在真空度为440 Pa下,t— BAMBP能够在比较低的温度下精馏得到.经过此 精馏过程,t-BAMBP得到了很好的纯化,纯度达到 了98.79%. 2.3 t-BAMBP合成反应产物分析及表征 2.3.1 GC-MS和GC谱分析 合成反应混合物经GC-MS分析,除目标产物t— BAMBP外,副产物主要是苯乙烯的聚合物以及苯 乙烯二取代物,主要有2一叔丁基苯酚,2,4一二叔丁基 苯酚,苯乙烯二聚物,2一(a一甲基苄基)苯酚等. t-BAMBP反应前原料混合物,反应后产品混合 物及经精馏提纯的产品的气相色谱图如图1所示. 从图1的色谱困B,根据气质联用仪分析,物质 峰1~8依次确定如下:丙酮(溶剂),苯乙烯,4一叔丁 基苯酚,2,4一二叔丁基苯酚,2一叔丁基苯酚,苯乙烯 聚合物(两个主峰),2-(Q一甲基苄基)苯酚,t-BAM— BP.苯乙烯和4一叔丁基苯酚反应后,苯乙烯基本反 应完全,4一叔丁基苯酚的强度显著降低.副产物中除 了苯乙烯的聚合物外,还有2,4一二叔丁基苯酚和相 当部分2一(a一甲基苄基)苯酚.在精馏提纯过程中也 能得到较纯的2一(a一甲基苄基)苯酚(气相色谱纯度 ’ A——P—OrtOtheI℃aI 2B—Afberthere I A i __—— C—Af嘧 fic撕I 6 7 B .j C 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t/min 1.acetone;2.styrene;3.4-tert—butyI phenol; 4.2,4-d tert—butylphenol;5.2-tert—butyl phenol;6.styrene dimer; 7.2-methybbenzyl phenol:8.t-BAMBP 图l合成反应的气相色谱图 Fig.1 GC chromatogram of the reaction products 从反应原料来看,4~叔丁基苯酚和苯乙烯要生 成2-(a一甲基苄基)苯酚,那么4一叔丁基苯酚首先要 脱去叔丁基,然后在路易斯酸催化下与苯乙烯发生 F-C反应,一0H是邻位定位基,是苯环得到活化, 故生成2-(a一甲基苄基)苯酚.这也正好解释了产物 中还有2一叔丁基苯酚,2,4---叔丁基苯酚等副产物 的原因.反应过程中脱叔丁基的反应机理可以推测 如图2所示. (a)24tert—butyl phenol;(b)2,4-di—tert-butyl phenol (c)2-methyl-benzyl phenol;(d)t-BAMBP 图2脱叔丁基的反应机理 Fig.2 The tert-butyl group removing mechanism 2.3.2 H NMR谱表征 t-BAMBP经纯化后的 H NMR谱如图3 所示. H NMR分析结果( ,CDC1。,400 MHz)如下: 1.28(9H,s,一CH3);1.60.- ̄1.62(3H,m,一CH3); 4.33~4.35(H,m,一CH一);6.59~6.61(1H,m, Ar—H);7.07~7.28(7H,m,Ar—H). 72 湖南大学学报(自然科学版) 2012正 2.3.3 IR谱表征 致谢 t-BAMBP经纯化后的红外光谱(KBr)分析结 果: (~C(CH3))一1 250 C1TI ;口(一OH)一3 533 感谢“湖南大学一海西州一新湖集团”铷铯联 合实验室提供经费资助. cm-1(与文献[4]吻合).同时,820 cm-1处出现苯环 1,2,4三取代的特征峰,说明反应物4一叔丁基苯酚 (1,4取代)已转化为目标产物t-BAMBP(1,2,4 参考文献 Eli郑绵平,b令忠.盐湖资源的合理开发与综合利用口].矿产 取代). -cac ̄ 一. .i’‘ : ’ 1.1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o 7.6 7.4 7.2 7.o 6.8 6.6 6.4 5.04.94.84.74.64.54.44.34.24.1 图3 t-BAMBP的 H NMR谱 Fig.3 H NMR spectra of t-BAMBP 3 结 论 1)采用4一叔丁基苯酚与苯乙烯为原料,在磷酸 的催化下合成了4一叔丁基-2-(a一甲基苄基)苯酚(t- BAMBP).确定了t-BAMBP合成反应的适宜工艺 条件:反应温度150℃,反应时间150 min,反应物 料比4一叔丁基苯酚:苯乙烯一1:1.8.在该工艺条 件下,4一叔丁基苯酚的转化率为81.29 ,t-BAM— BP的产率为81.O4 . 2)通过对反应混合物的减压普通蒸馏确定了大 部分副产物的馏出温度在142~143℃,产品£一 BAMBP的馏出温度在156 ̄157℃,并除去绝大部 分未反应的4一叔丁基苯酚,保证了后续精馏的正常 进行.经过精馏提纯,最后t-BAMBP的色谱纯度达 到98.79 . 3) 一BAMBP合成反应中,副产物主要是2,4-二 叔丁基苯酚和2一(a一甲基苄基)苯酚,还含有苯乙烯 聚合物,由此推断出了£一BAMBP合成的脱叔丁基 反应机理. 保护与利用,2009,29(1):17—22. 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