2-甲基-1,4-萘醌连续化合成研究

＊刘冬 翟德伟 周云鲜 石霄鹏 霍鸿飞 陈新志

（1.浙江大学 化学工程与生物工程学院 浙江 310000 2.浙江医药股份有限公司昌海生物分公司 浙江 312000）

1.前言

2-甲基-1,4-萘醌，又称为维生素K3，是合成K系维生素的重要中间体，其纯品为亮黄色的晶体，具有特殊的刺激气味，熔点104～105℃。不溶于水，溶于乙醇、苯、氯仿、四氯化碳和植物油等，在空气中稳定，遇光或铁质分解变质，能随水蒸气一同挥发[1]。

在目前的工业生产中，主要的生产路线是2-甲基萘铬酐氧化法，主要是以2-甲基萘为原料，在冰醋酸介质中，以硫酸催化铬酐或重铬酸钠氧化而成。反应过程如下：

图1 反应过程

用此种方法生产的2-甲基萘醌约占总体产量的90%。其特点是流程短、操作稳定、产品质量好。但是工艺最大缺点是会产生大量的含铬废水，后处理复杂、环境污染严重。

鉴于目前对K系维生素日渐增长的市场需求及工业传统方法的严重弊端，大家展开了对维生素K3合成的广泛研究，其中液相氧化法的研究要深入的多，根据反应所用氧化剂的不同主要有空气氧化、氧气氧化、铬氧化物氧化、铈氧化物氧化、锰氧化物氧化、过氧化氢氧化和其他有机氧化物氧化等方法[2-3]。但是清洁生产是一个大趋势，过氧化氢作为氧化剂参与反应[4-6]，理论上分解产物只有氧气和水，不会带来任何环境污染，绿色环保且价格低廉，因此作为一种最具潜力的氧化剂近年来受到广泛关注。

本文介绍一种以2-甲基萘为原料用过氧化氢连续氧化合成2-甲基萘醌：将固体酸填充于固定床反应器中，2-甲基萘加入冰乙酸溶解，再按比例加入35%双氧水混合，连续进料到固定床反应器中，持续出料，GC检测跟踪反应结果，将产物料液加入一定纯化水，降温结晶4h，过滤得到亮黄色晶体，GC检测含量＞98%。

2.实验部分

(1)主要试剂和仪器

冰乙酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；35%过氧化氢，分析纯，上海哈勃技术有限公司；HDN-32、HDN-580、HDN-8固体酸催化剂，南大合成化学有限公司；2-甲基萘，98%，阿拉丁试剂有限公司。

气相色谱仪：Aglient7890A，安捷伦科技有限公司。

(2)反应方程式及反应装置图

图2 2-甲基萘合成2-甲基-1,4-萘醌反应式

图3 2-甲基萘连续氧化反应装置图

(3)停留时间测定方法

本文所使用反应装置中，预热段内径10mm×长550mm，反应段内径18mm×长500mm，冷却段内径10mm×长600mm，为不锈钢管焊接而成，固体酸10g与石英砂混合填充反应段后，用泵进料料液到达进料口开始计时，料液到达出口计时结束，测出泵流量为0.1mL/min、0.2mL/min、0.3mL/min、0.4mL/min、0.6mL/min对应停留时间为38min、25min、21min、18min、10min。

(4)实验方法

将2-甲基萘、冰乙酸与35%过氧化氢按一定比例混合均匀后，用计量泵以一定的流量从固定床反应器的进料口泵入，物料自下而上经过固体酸催化剂，产物从出料口排出，取样测定产物含量变化。主要考察固体酸催化剂、床层温度、进料速度以及2-甲基萘与过氧化氢摩尔比对转化率及选择性的影响。

3.结果与讨论

(1)固体酸对反应性能的影响

选择3种不同酸性的固体酸催化剂，分别为HDN-8、HDN-580、HDN-32，酸性由弱到强排列，考察不同酸强度对反应的影响。分别用以上3种催化剂催化2-甲基萘的氧化反应，结果见表1。

表1 固体酸性质对反应性能的影响

由表1可看出：随着酸性增强，2-甲基萘转化率增大，HDN-32转化率可以到达98%，因为酸性增强，反应过程中生成过氧乙酸的浓度增大，并且随着酸性增强氧化性增强。也可看出2-甲基-1,4-萘醌选择性与酸性有关，随着酸性增强选择性有所下降，但HDN-32修饰了弱碱中心，使得选择性有所增加，可达到90%。由表1可以看出：该反应主要副产物为6-甲基-1,4-萘醌及其他开环小分子杂质。由以上可以得知HDN-32有利于2-甲基-1,4-萘醌的合成。

(2)温度对反应性能影响

2-甲基萘的氧化反应，提高反应温度，在某一温度范围之内，反应速率会随着温度的增加而增加；另一方面，随着温度的升高，容易产生副反应，因此采用HDN-32催化剂研究了不同温度对反应性能的影响，结果如图4所示。

图4 温度对反应性能的影响注:n(H2O2):n(2-甲基萘):n(冰乙酸)=3:1:8，催化剂HDN-32的质量10g，停留时间：20min

由图4可以看出：随着温度的升高，2-甲基萘的转化率上升，后趋于稳定，温度高于70℃时，转化率为98%左右。由2-甲基-1,4-萘醌的选择性曲线可以看出：温度低于70℃时，2-甲基-1,4-萘醌的选择性接近90%，后随着温度的升高，2-甲基-1,4-萘醌的选择性依次下降，由表2可以看出这是因为反应温度过高会导致过度氧化，2-甲基萘的苯环会被氧化开环生成很多副产物，同时也会生成更多6-甲基-1,4-萘醌。由此可以看出选择反应温度为70℃为最佳。

表2 温度对反应性能的影响

(3)停留时间对反应性能的影响

对固定床反应器，降低进料速度可增加停留时间提高原料转化率，但通常会导致选择性下降，因此选择进料速度分别为0.1mL/min、0.2mL/min、0.3mL/min、0.4mL/min、0.6mL/min考察停留时间对反应的影响，结果见图5。

图5 停留时间对反应性能的影响

由图5可以看出：随着停留时间的增加，2-甲基萘的转化率上升，当停留时间为21min时，2-甲基萘的转化率为98.1%，产物的选择性为90.1%，当停留时间继续增加，转化率可达到100%，但选择性下降较快。随着停留时间的增加，产物2-甲基-1,4-萘醌的选择性下降。这是由于停留时间的增加，2-甲基萘与过氧化氢的接触时间变长、反应充分，从而转化率增加，但是深度反应使得目标产物及原料过度氧化，所以选择性下降。实验选择最佳停留时间为21min，即进料速度为0.3mL/min，在此条件下，2-甲基萘转化率为98.1%，目标产物选择性为90.1%。

(4)过氧化氢与2-甲基萘摩尔比对反应性能的影响

由图6可以看出：2-甲基萘的转化率随着过氧化氢与2-甲基萘摩尔比的增加而增加，过氧化氢与2-甲基萘的摩尔比分别为2:1、3:1、4:1时，2-甲基萘的转化率分别为85.2%、98.1%、99.4%。过氧化氢与2-甲基萘的摩尔比分别为2:1、3:1时，2-甲基-1,4-萘醌的选择性均为90%左右，过氧化氢与2-甲基萘的摩尔比为4:1时选择性有所下降，这是由于过氧化氢比例过高会发生过度氧化等副反应生成杂质。综合考虑，选择过氧化氢与2-甲基萘的摩尔比为3:1。

图6 过氧化氢与2-甲基萘不同配比对反应性能的影响

4.结论

2-甲基萘和过氧化氢合成2-甲基-1,4-萘醌的最佳反应条件为：以HDN-32型号的固体酸为催化剂，反应温度70℃，停留时间21min，2-甲基萘与过氧化氢的摩尔比为1:3，在此条件下，2-甲基萘的转化率为98.1%，产物选择性为90.1%，收率为88.5%。催化剂引入了弱碱中心，选择性较好，同时具有良好的稳定性。