对苯二甲基二甲醚的合成工艺进展

陈婷婷，林涨，佟子睿，方明哲，胡予缤，陈新志

(1.浙江大学 化学工程与生物工程学院，浙江省化工高效制造技术重点实验室，浙江 杭州 310027；2.浙江大学衢州研究院，浙江 衢州 324000)

醚类化合物中对苯二甲基二甲醚是一种重要的精细化学品中间体，以其为原料生产的耐高温树脂可用于高速赛车及高档汽车领域，对苯二甲基二甲醚还可作为酚醛树脂的改性剂，用于提高树脂的耐热性。目前工业上主要是以对二甲苯为起始原料，经氯化后生成对二氯苄，对二氯苄与甲醇钠反应生成对苯二甲基二甲醚。反应过程中引入的卤素转化成化学计量的氯化钠，环境污染大，后处理成本较高。对苯二甲基二甲醚的市场应用前景广阔，因此开发出一条绿色、高效的对苯二甲基二甲醚生产工艺，具有重大的研究意义和经济价值。

本文重点介绍了以对二卤苄、对二苄醇及对苯二甲酸二甲酯为原料合成对苯二甲基二甲醚的工艺路线，总结与评价了工艺特点，并概述了对二卤苄和对二苄醇的制备方法，对绿色化工业生产对苯二甲基二甲醚具有一定的指导意义。

1 对二卤苄路线

对二卤苄与甲醇钠/甲醇氢氧化钠反应可生成对苯二甲基二甲醚，是常见的威廉姆逊醚合成法(Williamson合成)，其反应方程式如下。

邹等[1]以甲醇作溶剂，对二氯苄与甲醇钠摩尔比为1∶(2.05～2.2)，60 ℃下保温回流反应3～4 h，蒸出溶剂甲醇，粗品水洗除盐，粗油真空精馏,收集102 ℃/0.1 MPa的馏分即得对苯二甲基二甲醚。产品纯度可达99.5%以上，产率可达99%。制备的甲醇氢氧化钠溶液与对二氯苄保温回流反应6 h，产品纯度为98.05%,产率为57.8%。甲醇氢氧化钠工艺路线所得产物的产率明显较低，主要是由于甲醇氢氧化钠溶液中含水，对二氯苄在含水的情况下容易发生一些副反应如生成醇等，导致反应的转化率和选择性降低。Wang等[2]在室温条件下，使用甲醇钠与对二溴苄(摩尔比1～2)反应一段时间后，产物的产率约98%。对二卤苄与甲醇钠反应制备对苯二甲基二甲醚，该方法原料易得，操作简便，产率高，在工业上应用广泛，但反应过程中生成卤化钠，原子经济性差，后处理成本较高。

除威廉姆逊醚合成法外，对二卤苄在合适的催化剂下也能与甲醇反应成醚，Girdhar等[3]使用硫酸铁作为催化剂，催化对二溴苄与甲醇在75 ℃下加热回流反应12 h，TLC跟踪反应进程，反应完全后，冷却至室温，过滤除去硫酸铁，用冷甲醇洗涤产品，产物产率为80%。其中硫酸铁催化剂不易回收再用，反应的原子经济性较差，且生成的废酸溴化氢腐蚀性强，需中和处理。

对二卤苄是常见的有机合成中间体，可用于制备染料及医药等。其来源广泛，接下来简要介绍对二卤苄的制备合成工艺，其制备方法包括芳烃侧链卤化法，苄醇卤化法，Blanc氯甲基化及醛卤化法。

1.1 对二卤苄的制备

1.1.1 芳烃侧链卤化法 目前，工业上主要是以对二甲苯侧链卤化法制备对二卤苄，其反应方程式如下所示。

制备工艺主要有以下两种：①对二甲苯在高温/紫外光条件下通氯气/溴气进行卤化反应，该反应选择性差，收率低，卤素毒性大，腐蚀性强，反应过程中伴有严重的废气污染；②催化氯化，在引发剂过氧化苯甲酰(BPO)/偶氮二异丁腈(AIBN)的作用下，对二甲苯与N-氯代丁二酰亚胺(NCS)/N-溴代丁二酰亚胺(NBS)发生反应，该反应具有选择性好，产物后处理容易等优势，但NBS/NCS价格相对较贵，工艺成本偏高。

Kulka等[4]将对二甲苯与磺酰氯反应，使用引发剂过氧化苯甲酰(摩尔比为1∶2.5∶0.006)，自然光照下反应4 h，对二氯苄的产率为58%。Florian等[5]使用对二甲苯与1,3,4,6-四氯甘脲 (TCDGU)反应，在引发剂偶氮二异丁腈的作用下，使用CCl4作为溶剂，在81 ℃下反应2 h，对二氯苄的产率为20%。该反应的产率较低，使用的溶剂CCl4毒性大，且原料TCDGU不易得。吴等[6]将对二甲苯、氯化钠、氯酸钠、水和二氯甲烷混合均匀后通过进料口进入液-液喷射强化反应器本体内，在30 ℃及自然光照条件下循环反应1 h，产物产率为90.71%。该方法操作简单，成本低，反应时间短，条件温和，适合于工业化生产。

Kulangiappar等[7]结合电化学的方法制备对二溴苄，阳极和阴极均采用贵金属铂(Pt)板，上层电解液为NaBr/HBr的水溶液，下层为对二甲苯溶于氯仿的有机层，在0 ℃下电解，产物的产率为48%。Kulangiappar等[8]进一步优化反应条件，研究发现使用50 mL的40%溴化钠溶液和5 mL氢溴酸作为上层电解液，下层有机层中原料对二甲苯的用量为0.01 mol，氯仿溶剂30 mL，在15 ℃下电解，产物的产率为90%。该反应使用电化学的方法制备溴气，溴气与水反应生成的次溴酸在酸性条件下进一步生成氧化二溴，氧化二溴进入有机层与对二甲苯反应生成对二溴苄，反应方程式如下。该反应的反应条件温和，不需要加入引发剂，但使用的溶剂氯仿易致癌，属于有毒有害的水体污染物。

1.1.2 苄醇卤化法 对二苄醇与卤化试剂反应可制备对二卤苄，传统的卤化试剂包括HCl，SOCl2，CCl4，PCl3，PCl5，HBr，PBr3等，郑等[9]研究发现在二甲基乙酰胺(DMAc)的作用下,对二苄醇与SOCl2在室温25 ℃下反应1 h，产物的产率为92.3%，反应方程式如下所示。DMAc具有碱性，可作为副产物SO2和HCl的缚酸剂，促进反应正向进行。

Zheng等[10]使用对二苄醇与苯磺酰氯反应，使用二氯乙烷溶剂，N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为促进剂，在80 ℃下反应1.5 h，对二氯苄的产率为90%，反应方程式如下所示。与传统的卤化试剂相比，苯磺酰氯的毒性和危害性较低。但该工艺整体而言，经济性较差，不适合工业化生产。

1.1.3 Blanc氯甲基化 芳烃及其衍生物在催化剂的作用下与氯甲基化试剂反应，从而在芳环上引入氯甲基的反应称为Blanc氯甲基化反应，常用的催化剂包括氯化锌、氯化铝、氯化锡等，氯甲基化试剂包括三聚甲醛-氯化氢、多聚甲醛-氯化氢、氯甲基醚等，芳环上的给电子基促进反应进行，吸电子基则阻碍反应进行。以苯为底物经氯甲基化反应制备对二氯苄，反应时间较长，催化剂用量较多且不易回收。Hu等[11]使用新型离子液体[C12minPEG800]Br，促进苯与多聚甲醛、氯化氢发生氯甲基化反应，使用甲基环己烷作为溶剂，80 ℃下反应14 h，反应的选择性为72%，产物的产率为70%。Wang等[12]制备了新型离子液体[emim]BF4，苯与多聚甲醛、氯化氢在该离子液体的作用下，70 ℃下反应5 h，转化率为76%，产物的产率为59%。之后Wang等[13]进一步制备新型离子液体[emim]PF6，在相同的条件下反应5 h，转化率为78%，产物的产率为62%，反应方程式如下所示。作为反应的催化剂和溶剂，离子液体具有溶解性能好，热稳定性高等优点，但其合成工艺较为复杂，且纯化步骤繁多导致生产成本较高。

罗等[14]先将多聚甲醛溶解于浓硫酸中，再分批加入氯化钠,滴加完毕后缓慢滴入氯化苄，在40 ℃下反应2.5 h后，产物产率为63%，反应方程式如下所示。研究发现，反应温度较高(60 ℃)，反应物呈黑色粘稠状，后处理困难；室温下滴加氯化苄，反应放热，温度维持在40 ℃左右，反应物呈泥土状,洗涤后颜色变浅,经乙醇重结晶后得近白色晶体。

1.1.4 醛卤化法 Kabalka等[15]在二氯甲烷溶剂中，使用HBBr2(SMe2)与α-蒎烯回流反应制备异戊二烯基二溴化硼二甲基硫醚络合物，之后在室温条件下，对苯二甲醛与该配合物在正己烷溶剂中反应5 h后，产物的产率为81%，反应方程式如下所示。该方法的底物普适性较强，对于α,β-不饱和醛类化合物也适用，但其原料对苯二甲醛不易制备，生产成本较高。

2 对二苄醇路线

Haruo等[16]在室温条件下，使用硫酸二甲酯与对二苄醇(摩尔比12∶1)反应，以环己烷为溶剂，氧化铝为催化剂，反应2 h后过滤除去氧化铝，用乙酸乙酯洗脱浓缩得到产物，单醚产物4-甲氧基甲基苄醇的产率为73%，二醚产物对苯二甲基二甲醚的产率为9.2%，反应的选择性较差，反应方程式如下所示。Fariba等[17]使用催化剂无水碳酸钾，溶剂丙酮，对二苄醇与硫酸二甲酯回流反应24 h后，二醚产物的产率为92%。醚化试剂硫酸二甲酯极易水解成硫酸和甲醇，属于高毒类化合物，且反应生成的副产物硫酸甲酯热稳定性也较差，遇高热易剧烈分解，容易引起容器破裂或爆炸事故发生，副产物硫酸腐蚀性强，对反应设备要求较高，不适合工业化生产。

Piero等[18]在200 ℃下，使用碱性氧化铝或水滑石KW2000催化苄醇与碳酸二甲酯反应制备苯甲基甲醚，苄醇与碳酸二甲酯的重量比为1∶15，苄醇与碱性氧化铝或水滑石KW2000的重量比为1∶1，反应3 h后，在催化剂碱性氧化铝的作用下，反应的转化率和选择性均为100%，在催化剂水滑石KW2000的作用下，反应的转化率为98%，选择性为96%。对反应路径进一步探索得知，苄醇与碳酸二甲酯在碱性催化剂的催化下先生成中间体碳酸酯，之后碳酸酯在高温下脱羧生成苯甲基甲醚和二氧化碳，反应方程式和反应路径如下所示。Maurizio等[19]使用钠离子交换的沸石分子筛NaX或NaY作为催化剂，催化苄醇与碳酸二甲酯反应生成苯甲基甲醚，在200 ℃下反应3 h，产物的产率高于90%。Pranab等[20]制备了含溴的吡啶基离子液体1-丁基-4-甲基溴化吡啶鎓离子液体，该离子液体可催化苄醇与碳酸二甲酯反应制备苯甲基甲醚，170 ℃下反应2 h，产物的产率为70%。以碳酸二甲酯作醚化试剂，反应过程中无需引入卤素，且反应的主要副产物是甲醇和二氧化碳，环境污染程度低，反应过程中如能释放低沸点的甲醇和CO2，则可促进反应正向进行，有利于提高产物的产率。

对二苄醇作为有机合成中间体，在工业上主要用于生产可溶性聚苯，可由醛或羧酸衍生物酯还原得到对二苄醇，接下来简要介绍其制备合成工艺。

2.1 对二苄醇的制备

2.1.1 醛还原制醇 醛、酮在氢化铝锂、硼氢化钠和活泼金属等还原剂的作用下可生成醇，反应的转化率和选择性与还原体系的还原能力相关，Behzad等[21]将丁二酮肟和醋酸铜加入到无水乙醇中，制备得到棕色沉淀Cu(dmg)2，使用NaBH4/Cu(dmg)2作为还原体系可提高NaBH4的还原能力，在室温下，原料对苯二甲醛与NaBH4/Cu(dmg)2的摩尔比为1∶1∶0.02， 反应14 h后，产物的产率为98%。

醛、酮也可经催化加氢生成相应的醇，催化剂包括均相催化剂和非均相催化剂两类，其中，非均相催化剂较易回收利用，适合应用于大规模的工业化生产中。常用的非贵金属催化剂如Ni，Co，Mn等加氢一般需要高温高压的操作条件，对设备的要求较高，Liu等[22]使用金属前驱体K2PdCl4与配体4-硝基邻苯二胺反应制备了Pd-NPs催化剂，以水作为溶剂，H2压力为0.1 MPa，反应3 h后，原料对苯二甲醛的转化率和产物的产率均大于99%，反应条件较为温和，反应方程式如下所示。Zhang等[23]制备了铁基配合物催化剂，在该催化剂及活化剂KOtBu的作用下，对苯二甲醛与频哪醇硼烷HBpin在室温下生成中间体，中间体进一步在二氧化硅的作用下生成对二苄醇，产物的产率为95%。

2.1.2 酯还原制醇 羧酸衍生物经催化氢化或用氢化铝锂、硼氢化钠、活泼金属等还原剂还原也能生成醇，但使用这些还原剂易产生化学计量的废弃物，且反应装置较为复杂。非均相的催化氢化过程，所需温度和压力较高(>200 ℃，20 MPa)，自从Zhang[24]，Saudan[25]，Kuriyama等[26]发现使用含Ru配合物作为催化剂可大大降低反应所需的温度和压力，越来越多的研究者把注意力放在含Ru配合物上，Hofman等[27]研究发现对苯二甲酸二甲酯在Ru/C催化剂的作用下，4.5 MPa H2，120 ℃下反应24 h后，仅在苯环上加氢生成1,4-环己烷二羧酸二甲酯，醛基未被加氢还原，同样的反应条件下，使用Ru-MAHO-BH配合物作为催化剂，可生成目标产物对二苄醇，转化率为99%，产物产率为82%，反应方程式如下所示。Anaby等[28]制备了新型含钌复合配体([Ru(NP3)(H)CO]OMe，向高压釜内充入6 MPa 的H2，加入0.6 mmol的对苯二甲酸二甲酯及0.1%的新型含钌复合配体，130 ℃下反应17 h，产物的产率为97%。Tan等[29]制备了一系列含肼基的氮膦配体和钌配合物，其中([Ru(Cl)2(p-cymene)]2催化效果最佳，向高压釜内充5 MPa的H2，对苯二甲酸二甲酯与催化剂的摩尔比为2 000∶1，80 ℃ 下反应16 h，产物的产率为99%。最近，人们开始使用价格低廉的金属如Fe[30-32]，Mn[33]，Co[34]来代替钌作为催化剂，反应的转化率和选择性与钌相差不多。

3 其他合成方法

羧酸衍生物在合适的催化剂下也可加氢还原生成相应的醚类化合物，Li等[35]在催化剂乙酰丙酮钌(III)[Ru(acac)3]、1,1,1-三(二苯基膦甲基)乙烷(triphos)、三氟甲磺酸铝[Al(OTf)3]的催化下，对苯二甲酸二甲酯与H2在160 ℃下反应12 h，氢气压力为6 MPa，使用THF作为溶剂，产物的产率为80%，反应方程式如下所示。该反应的反应步骤简单，原料对苯二甲基二甲酯易得，但使用贵金属作为催化剂，价格较为昂贵且不易回收再用，反应需高温高压，反应条件较为苛刻。

4 总结与展望

本文总结了对苯二甲基二甲醚的合成工艺，各工艺特点见表1。

表1 对苯二甲基二甲醚的主要合成工艺与特点

对二卤苄路线具有原料易得、操作简便、产率高等优点，但对二卤苄中的卤素会转化成卤盐，原子经济性差，环境影响大，后处理成本高。对二苄醇路线中，以硫酸二甲酯为醚化试剂，硫酸二甲酯属高毒类化合物，副产物主要是硫酸和硫酸甲酯，刺激性和腐蚀性较强，对设备要求高，废酸不易后处理，不适合工业化生产；以碳酸二甲酯为醚化试剂，副产物主要是甲醇和CO2，环境影响小，反应的催化剂易得，但反应需高温高压，反应条件较为苛刻，有待进一步改进。对苯二甲酸二甲酯直接加氢制备对苯二甲基二甲醚，反应步骤简单，原料易得，但使用贵金属作为催化剂，价格较为昂贵且不易回收再用，反应也需高温高压，条件苛刻。综合来看，以碳酸二甲酯为醚化试剂与对二苄醇酯交换脱羧生成对苯二甲基二甲醚的工艺最佳，反应过程中无需引入卤素，副产物是甲醇和CO2，环境污染程度低，反应过程中如能释放低沸点的甲醇和CO2，则能推动反应正向进行，提高产物的产率，有实现绿色工业化生产的前景。