异丁苯合成工艺的研究

朱兆友，陈新德，张方坤

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛266042）

异丁苯（IBB）主要用于有机合成，是生产布洛芬的主要原料。布洛芬［1，2］具有消炎、解热、镇痛的功效，且副作用小。自1969年英国普施公司首次将布洛芬投入市场以来，在国际市场上十分畅销。我国从20世纪70年代开始研制布洛芬，国内的异丁苯需求量很大。

异丁苯的主要合成方法是以甲苯和丙烯为原料的烷基化法，是甲苯与丙烯在酸性催化剂存在下发生苯环烷基化反应生成甲基异丙苯［3－6］，再在碱性催化剂存在下发生侧链烷基化反应生成异丁苯［7－9］。近几年关于异丁苯合成工艺研究的报道较少，较早文献中报道的合成工艺多采用“一锅煮”的方式，即将反应物和催化剂全部加入后升温反应，存在副反应多、异丁苯收率低（＜60%）等缺点。

作者在此采用“分步法”合成异丁苯，考察了反应温度、反应压力、丙烯反应时间及反应物摩尔比对异丁苯收率的影响，优化了反应条件。

1 实验

1．1 试剂与仪器

金属钾、金属钠、碳酸钾，均为分析纯；丙烯（纯度≥99．7%）；氮气（纯度≥99．9%）；甲苯。

GC－14C型气相色谱仪，日本岛津仪器有限公司；GSH型磁力驱动高压反应釜，威海化工机械有限公司。

1．2 反应机理

文献［10］提出甲苯与丙烯侧链烷基化反应的机理：甲苯首先与催化剂反应形成苄基阴离子，当苄基阴离子累积到一定量时，才与丙烯发生加成反应。通常加成反应发生在丙烯的第二位碳原子上生成异丁苯，但也有部分发生在第一位碳原子上生成正丁苯，同时还伴随着丙烯二聚生成4－甲基－1－戊烯。

主反应：

副反应：

1．3 方法

（1）甲苯与催化剂的反应：取一定量的碳酸钾在200℃高温下干燥5h。在氮气保护下，将6g碳酸钾、2．5g金属钾、0．7g金属钠及250g甲苯加入到1 L反应釜中，开启搅拌并保持转速恒定在800r·min－1，反应釜升温到180℃，反应一定时间。

（2）异丁苯的合成：向釜内通入一定量的丙烯，升到指定温度，反应一定时间后，通过蛇管加冷却水降温至室温，排空釜内剩余的丙烯，将合成液和催化剂从釜底排出，静置，取上层液用水洗至中性。用气相色谱分析产物组成，计算异丁苯收率。

1．4 气相色谱条件

色谱柱SE－30；载气为氢气，输出压力0．3MPa，输出流量70mL·min－1；柱温120℃；汽化温度200℃；检测室温度200℃。

2 结果与讨论

2．1 反应温度对异丁苯收率的影响

在丙烯与甲苯的摩尔比为0．9∶1、甲苯与催化剂反应时间为2．0h、丙烯反应时间（加入丙烯后开始计时，下同）为2．0h的条件下，考察反应温度对异丁苯收率的影响，结果如图1所示。

图1 反应温度对异丁苯收率的影响Fig．1 Effect of reaction temperature on the yield of IBB

由图1可以看出，随着反应温度的升高，异丁苯的收率不断提高；在反应温度为200℃时，收率达到最高，为59．8%（以甲苯计）；当反应温度超过200℃后，收率略有下降。这是由于，反应温度过高使得部分催化剂炭化失活，同时副反应速率加快，导致异丁苯收率下降。因此，选择最佳反应温度为200℃。

2．2 丙烯反应时间对异丁苯收率的影响

在丙烯与甲苯的摩尔比为0．9∶1、反应温度为200℃、甲苯与催化剂反应时间为2．0h的条件下，考察丙烯反应时间对异丁苯收率的影响，结果如图2所示。

图2 丙烯反应时间对异丁苯收率的影响Fig．2 Effect of reaction time for propylene on the yield of IBB

由图2可以看出，随着丙烯反应时间的延长，异丁苯的收率不断提高，当丙烯反应时间为3h时，收率达到最高；当丙烯反应时间超过3h后，收率略有下降。这是由于，随着丙烯反应时间的延长，副产物的量也在增加，并且催化剂炭化程度越来越严重，使得异丁苯生成速率减慢，导致异丁苯收率下降。因此，选择最佳丙烯反应时间为3h。

2．3 反应压力对异丁苯收率的影响

在丙烯与甲苯的摩尔比为0．85∶1、甲苯与催化剂反应时间为1．5h、丙烯反应时间为3h、反应温度为200℃的条件下，考察反应压力对异丁苯收率的影响，结果如图3所示。

图3 反应压力对异丁苯收率的影响Fig．3 Effect of reaction pressure on the yield of IBB

由图3可以看出，随着反应压力的增大，异丁苯的收率不断提高；在反应压力为3．0MPa时，收率达到最高，为63．85%；当反应压力超过3．0MPa后，收率有所下降。这是由于，此体系中存在的所有反应都属于分子数减少的反应，增大压力有利于反应正向进行，但甲苯与丙烯的反应是气液反应，而丙烯二聚属于气气反应，压力对后者的影响更大，且压力过大，对设备的要求也较高。因此，选择最佳反应压力为3．0MPa。

2．4 丙烯与甲苯摩尔比对异丁苯收率的影响

在反应温度为200℃、反应压力为3．0MPa、丙烯反应时间为3h的条件下，取甲苯250g与催化剂反应1．5h，考察丙烯与甲苯摩尔比对异丁苯收率的影响，结果如图4所示。

由图4可以看出，随着丙烯与甲苯摩尔比的增大，异丁苯收率不断提高；当丙烯与甲苯的摩尔比达到0．85∶1时，异丁苯的收率达到63．85%；继续增大摩尔比，异丁苯收率变化不大。由于丙烯的价格相对甲苯比较昂贵且难以回收利用，因此，选取最佳丙烯与甲苯摩尔比为0．85∶1。

图4 反应物摩尔比对异丁苯收率的影响Fig．4 Effect of molar ratio of propylene to toluene on the yield of IBB

3 结论

以钠－钾合金为催化剂、碳酸钾为载体，采用甲苯与丙烯分步加入的方式合成了异丁苯，确定最佳反应条件如下：反应温度为200℃、反应压力为3．0MPa、甲苯与催化剂反应时间为1．5h、丙烯反应时间为3 h、丙烯与甲苯的摩尔比为0．85∶1，此时，异丁苯的收率达到63．85%。

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