2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的合成和结构表征

张乐涛，张亚刚，昝兴杰，刘艳霞,2

(1.中国科学院新疆理化技术研究所，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院大学，北京 100049)

氯甲基化反应是一类重要的有机合成反应[1]，可以将氯甲基(—CH2Cl)直接引入到芳香化合物中，然后氯甲基进一步转化为羟甲基(—CH2OH)、氰甲基(—CH2CN)、氨甲基(—CH2NH2)等，芳烃转化成相应的衍生物，从而被广泛应用在农药、高分子树脂、助剂、燃料以及液晶等的合成中[2-3]。经典的氯甲基化反应是以HCHO、(HCHO)n与HCl为氯甲基化试剂，具有反应易控、工艺可靠、价格低、储存运输方便等优点，但也存在反应活性较低、产率不高的缺点[4-5]。本文以2,6-二叔丁基苯酚为原料，以多聚甲醛和HCl为氯甲基化试剂，优化了氯甲基化反应条件，获得了较优的工艺过程。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

2,6-二叔丁基苯酚、多聚甲醛、冰乙酸、氯化钠、苯、碳酸氢钠、亚硫酸氢钠、无水硫酸镁均为化学纯；浓硫酸，分析纯；正己烷，色谱纯。

HWCL-3集热式磁力搅拌油浴锅；GC9790Plus气相色谱仪；MR-400核磁共振仪。

1.2 合成方法

在室温下，在带有搅拌、导气管和回流冷凝器的三口圆底烧瓶中，加入19.5 g(0.65 mol)多聚甲醛和1 000 mL冰乙酸，边搅拌边慢慢升温(不超过30 ℃)，边通入干燥的氯化氢气体。通气体30 min之后，溶液变得澄清。加入适量2,6-二叔丁基苯酚乙酸溶液[103 g(0.5 mol)2,6-二叔丁基苯酚溶于100 mL冰乙酸中]。原料加完之后，继续通气，并保持在30 ℃搅拌45 min。反应结束后，先停止通气，然后将反应液进行分液。将油相溶于150 mL苯中，分别用饱和NaCl溶液、饱和NaHCO3溶液和9%的NaHSO3溶液洗涤。分得油相，用无水MgSO4干燥，过滤，蒸去溶剂苯，即得到透明黄色液体产物2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚。红外分析：3 637,2 958,1 434,1 235,702 cm-1。

反应方程式如下:

1.3 分析方法

1.3.1 气相色谱法 进样口温度250 ℃；程序升温，柱温箱初始80 ℃，升温速率10 ℃/min，240 ℃保持20 min；检测器300 ℃。

1.3.2 核磁共振氢谱和碳谱 以氘代氯仿为溶剂，400 M核磁共振仪测定了原料和产物的核磁共振氢谱和碳谱。

2 结果与讨论

2.1 气相色谱

将2,6-二叔丁基苯酚和2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚溶于正己烷，配制成合适的浓度，按照气相色谱的测试条件进样分析测试，结果见图1。

图1 正己烷(a),2,6-二叔丁基苯酚(b),2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚(c)的气相色谱曲线Fig.1 Gas chromatography curve of n-hexane(a),2,6-di-tert-butyl phenol(b) and 2,6-di-tert-butyl-4-chloromethyl phenol(c)

由图1可知，正己烷出峰位置在9 min左右处(曲线a)，2,6-二叔丁基苯酚的出峰位置位于28～29 min(曲线b)；曲线c中，除了正己烷和2,6-二叔丁基苯酚的峰之外，在30 min处出现一强峰，应该为2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚。通过积分面积，2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的纯度约为96.8%。气相色谱结果证明了本实验方法完全可以制备较高纯度的2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚。

2.2 核磁共振氢谱

将2,6-二叔丁基苯酚做核磁共振氢谱，对其结构进行验证。2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的核磁共振氢谱见图2。

图2 2,6-二叔丁基苯酚和2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的核磁共振氢谱图Fig.2 1H NMR of 2,6-di-tert-butyl phenol and 2,6-di-tert-butyl-4-chloromethyl phenol

由图2可知，2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的化学位移δ为：7.24(Ar—OH，1H)，7.19和7.18(ArH，2H)，4.57(ArCH2Cl，2H)，1.45(CH3，18H)；2,6-二叔丁基苯酚的化学位移δ为：7.24(Ar—OH，1H)，7.18和7.16(ArH，2H)，6.82(ArH，1H)，1.44(CH3，18H)。2,6-二叔丁基苯酚经过氯甲基化反应后，最明显的变化是6.82处的峰消失，同时4.57处出现氯甲基—CH2Cl中氢的峰。核磁共振氢谱证明，2,6-二叔丁基苯酚发生了氯甲基化反应，生成了2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚。

2.3 核磁共振碳谱

将产物与原料2,6-二叔丁基苯酚做核磁共振碳谱，观察反应前后结构的变化。2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的核磁共振碳谱见图3。

图3 2,6-二叔丁基苯酚和2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的核磁共振碳谱Fig.3 13C NMR of 2,6-di-tert-butyl phenol and 2,6-di-tert-butyl-4-chloromethyl phenol

由图3可知，在2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的碳谱图中，47.58处的峰为—CH2Cl中碳的峰，很明显是2,6-二叔丁基苯酚经过氯甲基化反应生成的。这与核磁共振氢谱的变化是一致的。

2.4 优化反应条件

以冰乙酸为溶剂，考察了原料配比、反应温度、反应时间对氯甲基化产物收率的影响。

2.4.1 原料配比对收率的影响 以1 000 mL冰乙酸为溶剂，加入不同比例的2,6-二叔丁基苯酚和多聚甲醛，反应温度为40 ℃，反应时间为6 h，考察原料配比对氯甲基化产物收率的影响，结果见图4。

图4 2,6-二叔丁基苯酚与多聚甲醛的摩尔比对氯甲基化产物收率的影响Fig.4 Effect of the molar ratio of 2,6-di-tert-butyl phenol to paraformaldehyde on the yield of chloromethylated product

由图4可知，随着多聚甲醛用量的增加，产物的收率随着增大。当2,6-二叔丁基苯酚与多聚甲醛的摩尔比为1∶1.3时，产物的产率基本达到最大；再增加多聚甲醛的用量，产物的产率增加不明显，反而原料成本增加；当大于这个比例时，体系内产生的亚甲基正离子浓度不够，反应不彻底，收率低。因此，从产物收率和原料成本来看，较优的原料摩尔比为1∶1.3。

2.4.2 反应温度对收率的影响 以1 000 mL冰乙酸为溶剂，按照1∶1.3的摩尔比加入2,6-二叔丁基苯酚和多聚甲醛，反应时间为6 h，考察不同反应温度对氯甲基化产物收率的影响，结果见图5。

图5 反应温度对氯甲基化产物收率的影响Fig.5 Effect of reaction temperature on the yield of chloromethylated product

由图5可知，反应温度在30～40 ℃下收率最高，可达84.7%，降低或者升高温度,产品收率都会降低。这是因为温度较低时，提供的能量不能使亚甲基正离子发生亲电取代反应，反应缓慢，在有限的时间内不能完全反应，收率降低；温度升高时，氯化氢气体逸出速度加快，相应的减少了有效的氯甲基化试剂，也使产品收率降低。

2.4.3 反应时间对收率的影响 以1 000 mL冰乙酸为溶剂，按照1∶1.3的摩尔比加入2,6-二叔丁基苯酚和多聚甲醛，反应温度为40 ℃，考察不同反应时间对氯甲基化产物收率的影响，结果见图6。

图6 反应时间对氯甲基化产物收率的影响Fig.6 Effect of reaction time on the yield of chloromethylated product

由图6可知，产物的收率随着反应时间的延长而逐渐增大，反应时间低于6 h时，产物收率随着反应时间的延长而快速增大，当反应时间超过6 h后，产品收率增加缓慢。考虑到原料成本(主要是氯化氢气体)和能源成本，合适的反应时间为6 h。

3 结论

以2,6-二叔丁基苯酚、多聚甲醛、氯化氢气体为原料，合成2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的较佳工艺条件为：在1 000 mL冰乙酸溶剂中，2,6-二叔丁基苯酚与多聚甲醛的摩尔比为1∶1.3，反应温度为30～40 ℃，反应时间为6 h。在上述条件下，2,6-二叔丁基-4-氯甲基苯酚的收率为84.7%，纯度可达96.8%。红外光谱、核磁共振氢谱和核磁共振碳谱等分析证明产物的结构与目标产物的结构是一致的。