CN109134202B - 木质素裂解制备2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的方法 - Google Patents

木质素裂解制备2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种木质素裂解制备2,6‑二叔丁基‑4‑甲基苯酚的方法。该方法是将掺杂金属离子的分子筛催化剂和木质素混合，放入石英反应器中，通入惰性气体除氧，加热进行热解反应，使木质素裂解，冷却收集反应产物，得有芳香味的液体混合物，经柱层析分离，再冷冻结晶，得到白色晶体。本发明通过控制金属离子在催化剂中的种类和在催化剂中的含量，在相对较低的温度下，以便宜的木质素为原料，高选择性产生抗氧化剂2,6‑二叔丁基‑4‑甲基苯酚，后续经过简单的柱层析分离和结晶等过程，即得到高纯度的产品。本发明生产过程简单，提高了工业造纸废弃物和木质纤维素原料的利用效率，节约了成本，适用于大规模生产。

Description

木质素裂解制备2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的方法
技术领域
本发明涉及一种木质素裂解制备2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的方法，该方法具体涉及采用木质素热催化裂解反应制备抗氧化剂2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。
背景技术
2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(简称：BHT)，其结构如通式I所示，英文名为2,6-Di-tert-butyl-4-methyl-phenol，俗称防老剂BHT、抗氧剂BHT、抗氧剂264。易溶于常见的有机溶剂。BHT具有抗氧化能力强，耐热及稳定性好、无特异臭、无遇金属离子的呈色反应等优点，因而在国内外作为主要的食品添加剂、抗氧化剂使用。BHT广泛用于食用油脂、化妆品、药物、橡胶和石油产品的抗氧化剂，能有效防止有机化合物和聚合材料因为氧化而变质。
Figure BDA0001802010290000011
目前，合成BHT的主要方法是通过傅克反应进行。一般以对甲酚与异丁醇为原料，或者以对甲酚与异丁烯为原料，在硫酸作催化剂的作用下，进行傅克反应后，产物含量最高可达到95％，再经过除酸、结晶和重结晶等纯化步骤就得到产品。而在Shell公司，他们采用2，6-二叔丁基苯酚与甲醛进行缩合，再用氢氧钠-甲醇在200℃进行加热处理可以80％收率得到产品。在俄罗斯，很多工厂采用2，6-二叔丁基苯酚、甲醛和二甲胺进行Mannich反应后得到2，6-二叔丁基-4-二甲胺甲基苯酚，再用瑞利镍在120℃对其进行催化氢化还原就可得到粗产品。这些合成方法都以化工产品为原料，价格相对较贵。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备BHT的方法，发明人以便宜易得的木质素为原料，用掺杂金属离子的分子筛为催化剂，直接进行加热裂解，对反应条件进了摸索，经大量实验筛选，最终成功确定了可以直接用木质素制备BHT的工艺条件。该方法以木质素为原料，以掺杂金属离子的分子筛为催化剂，直接进行加热裂解，高选择性地得到BHT的粗产品。生产过程简单，原料便宜易得，环境污染少，适用于大规模工业生产。
一种木质素裂解制备2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的方法，包括如下步骤：将掺杂金属离子的分子筛催化剂和木质素混合，放入石英反应器中，通入惰性气体除氧，加热进行热解反应，使木质素裂解，冷却收集反应产物，得有芳香味的液体混合物，经柱层析分离，再冷冻结晶，得到白色晶体。经熔点测试，红外光谱测试，核磁共振氢谱和质谱鉴定，所得产物为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。
优选地，所述的分子筛为SAPO-34分子筛，掺杂的金属离子为钛，铁，钒，铜，锌，镍，钴和铋离子中的一种或同时掺杂两种以上；各金属离子在SAPO-34分子筛中的质量百分比含量范围为0.1-5％。
优选地，木质素包括溶剂提取木质素和木质素磺酸钠，即木质素可以为溶剂提取木质素、木质素磺酸钠或者普通木质纤维素。所述的分子筛和木质素的重量比为1:1-3:1。
优选地，所用反应器要耐受600℃以上温度的石英反应器，反应器内部安装控温的热电偶装置。
优选地，热解反应在惰性气体保护下进行，所述的惰性气体为氮气或氩气，反应前通氮气或氩气30-60分钟。
优选地，热解反应温度在350-500℃之间。热解反应的时间要保持10-15分钟，没有产物生成为止。
优选地，冷却收集采用的装置为二级冷阱，用液氮-乙醇冷却。
优选地，所述柱层析分离的固定相为硅胶，如层析硅胶60-100目，流动相(洗脱溶剂)为乙酸乙酯和石油醚的混合溶剂，两者的体积比从开始3:7增加到10:0，石油醚为60-90℃沸程的溶剂，溶剂可以回收利用。
优选地，冷冻结晶的溶剂为体积含量95％的乙醇，将粗产品溶解在乙醇中，加热到70℃，然后降温到0℃；析出结晶后抽滤，晾干即得到产品。
其中，掺杂金属离子的分子筛催化剂可采用以下方法制备：将磷酸和氧化铝置于水中，不断搅拌下加入二氧化硅和不同金属离子的盐(钛、铁、钒、铜、锌、钴、铋或镍的可溶性氯化盐，硝酸盐或硫酸盐，如：硫酸钛，三氯化铁，三氯化钒，硫酸铜，氯化锌，氯化钴和硝酸铋，氯化镍)，配位试剂乙二胺四乙酸钠(或四乙烯五胺，三缩四乙二醇，也可以用其他的多氮、氧配位试剂)和正丙胺，混合搅拌一段时间后，进行高压反应，洗涤，抽滤，干燥，然后在马弗炉中高温活化，冷却，研磨既可。
本发明通过大量实验，发现通过控制掺入分子筛催化剂中金属离子的种类，含量和反应温度，能够得到相对较高比例的产物和较低比例的副产物(参见附图1-4)。通过对提纯后的产物，进行进一步鉴定(参见附图5，附图6)，其结构为BHT。
本发明具有如下有益效果：
本发明的主要优点是通过控制金属离子在催化剂中的种类和在催化剂中的含量，在相对较低的温度下，以便宜的木质素为原料，高选择性产生抗氧化剂2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚，后续经过简单的柱层析分离和结晶等过程，即得到高纯度的产品。本发明生产过程简单，提高了工业造纸废弃物和木质纤维素原料的利用效率。
本发明采用工业造纸废弃物木质素产品，优选不同催化剂，在较低温度下进行热裂解反应，以较高的选择性制得BHT。其生产过程非常简单，而且以工业造纸废弃物或者木质纤维生物质为原料，变废为宝，节约了成本，适用于大规模工业生产。
附图说明
图1是以含铁离子0.25％的SAPO分子筛为催化剂在350℃裂解木质素的液相反应产物全离子色谱图；
图2是以含铜离子0.25％的SAPO分子筛为催化剂在350℃裂解木质素的液相反应产物全离子色谱图；
图3是以含铜离子0.5％的SAPO分子筛为催化剂在450℃裂解木质素的液相反应产物全离子色谱图；
图4是以含镍离子0.25％的SAPO分子筛为催化剂在350℃裂解木质素的液相反应产物全离子色谱图；
图5是以含镍离子0.5％的SAPO分子筛为催化剂在450℃裂解木质素的液相反应产物全离子色谱图；
图6是分离后产物BHT的核磁共振氢谱图；
图7是分离后产物BHT的核磁共振碳谱图；
图8是分离后产物BHT的红外谱图；
图9是分离后产物BHT的质谱图。
具体实施方式
本发明的木质素裂解制备2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的方法，采用热裂解制备BHT，将分子筛催化剂和木质素按一定比例混合，放入反应器中，通氮气除氧，加热到350-500℃，木质素裂解，冷却收集反应产物，得到以2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚为主的混合物，将产物分离纯化，结晶得到白色晶体。包括如下具体步骤：
1)掺杂金属离子的分子筛的制备：将10ml磷酸和10g氧化铝置于90克水中，不断搅拌下加入2.4克二氧化硅和不同金属离子的盐(钛，铁，钒，铜，锌，镍，钴和铋离子)1至5克，4.2克的配位试剂乙二胺四乙酸钠(也可以用其他的多氮、氧配位试剂)和14克正丙胺，混合搅拌12小时后，高压反应48h，洗涤，抽滤，干燥24小时，然后在马弗炉中350℃活化3h，冷却，研磨既可。
其中，金属离子的盐为钛、铁、钒、铜、锌、钴、铋或镍的可溶性氯化盐，硝酸盐或硫酸盐，如：硫酸钛，三氯化铁，三氯化钒，硫酸铜，氯化锌，氯化钴和硝酸铋，氯化镍。
其中，配位试剂可以为乙二胺四乙酸钠，四乙烯五胺，三缩四乙二醇等。
2)按一定比例(1:1-3:1)称取分子筛催化剂和木质素，混合均匀，放入石英反应器中，装好反应装置，通惰性气体(氮气或氩气)30-60分钟除氧，加热到350-500℃反应10-15分钟，木质素裂解，冷却收集反应产物，冷却收集反应产物的方式为二级冷阱置于液氮乙醇中冷却收集，得有芳香味的液体混合物，经柱层析分离，再用乙醇-水冷冻结晶，得到白色晶体。经熔点，红外，核磁共振氢谱、质谱鉴定，其产物为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。
其中，柱层析分离的固定相为层析硅胶(60-100目)，洗脱溶剂为乙酸乙酯和石油醚的混合溶剂，两者的体积比从开始为3:7增加到10:0，石油醚的沸程为60-90℃，溶剂可以回收利用。结晶的溶剂为95％(体积)的乙醇，将粗产品溶解在乙醇中，加热到70℃，然后降温到0℃；析出结晶后抽滤，晾干即得到产品。下列实施例中采用了与此相同的柱层析分离和溶剂结晶过程和步骤。
实施例1
催化热裂解木质素的方法，包括如下步骤：
1)掺杂铁离子的分子筛的制备：将10ml磷酸和10g氧化铝置于90克水中，溶解后，不断搅拌下加入2.4克二氧化硅和氯化铁1克，4.2克的乙二胺四乙酸钠和14克正丙胺，混合搅拌12小时后，高压反应48h，洗涤，抽滤，干燥24小时，然后在马弗炉中350℃活化3h，冷却，研磨，得到掺杂铁离子重量含量约0.25％的SAPO-34分子筛。
2)木质素的裂解反应：按1:1的重量比例称取分子筛催化剂和木质素各一克，混合均匀，放入石英反应器中，装好反应装置，通惰性气体氮气30分钟除氧，加热到350℃反应10分钟，冷却收集时采用两级冷阱，用乙醇-液氮固液混合物作冷却剂，冷却收集反应产物，得有芳香味的液体混合物，经柱层析分离，再用95％乙醇作溶剂结晶，得到白色晶体0.05克。
实施例2
催化热裂解木质素的方法，包括如下步骤：
1)掺杂铜离子的分子筛的制备：将10ml磷酸和10g氧化铝置于90克水中，溶解后，不断搅拌下加入2.4克二氧化硅和硫酸铜2克，4.2克的乙二胺四乙酸钠和14克正丙胺，混合搅拌12小时后，高压反应48h，洗涤，抽滤，干燥24小时，然后在马弗炉中350℃活化3h，冷却，研磨，得到掺杂铜离子重量含量约0.25％的SAPO-34分子筛。
2)木质素的裂解反应：按3:1的重量比例称取分子筛催化剂3克和木质素1克，混合均匀，放入石英反应器中，装好反应装置，通惰性气体氮气30分钟除氧，加热到350℃反应10分钟，冷却收集时采用两级冷阱，用乙醇-液氮固液混合物作冷却剂，冷却收集反应产物，得有芳香味的液体混合物，经柱层析分离，再用95％乙醇作溶剂结晶，得到白色晶体0.15克。
实施例3
催化热裂解木质素的方法，包括如下步骤：
1)掺杂铜离子的分子筛的制备：将10ml磷酸和10g氧化铝置于90克水中，溶解后，不断搅拌下加入2.4克二氧化硅和硫酸铜4克，4.2克的乙二胺四乙酸钠和14克正丙胺，混合搅拌12小时后，高压反应48h，洗涤，抽滤，干燥24小时，然后在马弗炉中350℃活化3h，冷却，研磨，得到掺杂铜离子重量含量约0.5％的SAPO-34分子筛。
2)木质素的裂解反应：按2:1的重量比例称取分子筛催化剂2克和木质素1克，混合均匀，放入石英反应器中，装好反应装置，通惰性气体氮气30分钟除氧，加热到450℃反应10分钟，冷却收集时采用两级冷阱，用乙醇-液氮固液混合物作冷却剂，冷却收集反应产物，得有芳香味的液体混合物，经柱层析分离，再用95％乙醇作溶剂结晶，得到白色晶体0.18克。
实施例4
催化热裂解木质素的方法，包括如下步骤：
1)掺杂镍离子的分子筛的制备：将10ml磷酸和10g氧化铝置于90克水中，溶解后，不断搅拌下加入2.4克二氧化硅和氯化镍2克，4.2克的乙二胺四乙酸钠和14克正丙胺，混合搅拌12小时后，高压反应48h，洗涤，抽滤，干燥24小时，然后在马弗炉中350℃活化3h，冷却，研磨，得到掺杂镍离子重量含量约0.25％的SAPO-34分子筛。
2)木质素的裂解反应：按2:1的重量比例称取分子筛催化剂和木质素各一克，混合均匀，放入石英反应器中，装好反应装置，通惰性气体氮气30分钟除氧，加热到350℃反应10分钟，冷却收集时采用两级冷阱，用乙醇-液氮固液混合物作冷却剂，冷却收集反应产物，得有芳香味的液体混合物，经柱层析分离，再用95％乙醇作溶剂结晶，得到白色晶体0.28克。
实施例5
催化热裂解木质素的方法，包括如下步骤：
1)掺杂镍离子的分子筛的制备：将10ml磷酸和10g氧化铝置于90克水中，溶解后，不断搅拌下加入2.4克二氧化硅和氯化镍4克，4.2克的乙二胺四乙酸钠和14克正丙胺，混合搅拌12小时后，高压反应48h，洗涤，抽滤，干燥24小时，然后在马弗炉中350℃活化3h，冷却，研磨，得到掺杂镍离子重量含量约0.5％的SAPO-34分子筛。
2)木质素的裂解反应：按1:1的重量比例称取分子筛催化剂和木质素各一克，混合均匀，放入石英反应器中，装好反应装置，通惰性气体氮气30分钟除氧，加热到450℃反应10分钟，冷却收集时采用两级冷阱，用乙醇-液氮固液混合物作冷却剂，冷却收集反应产物，得有芳香味的液体混合物，经柱层析分离，再用95％乙醇作溶剂结晶，得到白色晶体0.26克。
对实施例1-5制备得到的产物进行熔点，红外，核磁共振氢谱和质谱鉴定。
1)熔点：对实施例1-5产物的熔点进行测试，得到结果如下：
实施例1：70-71.3℃
实施例2：70.1-70.7℃
实施例3：69.8-71℃
实施例4：70-70.9℃
实施例5：70-70.8℃
2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的熔点文献参考值为69-73℃。
2)色谱图：图1-5是实施例1-5裂解木质素的液相反应产物的全离子色谱图；从图中可以看到，相对地，以含铁分子筛为催化剂时，产物的选择性较差，而以掺杂铜和镍离子的分子筛为催化剂时，其选择性大大提高，主要产物为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。
3)核磁共振氢谱：
实施例1-5所得产物的氢谱如图6所示，δ6.97(s)苯环上的2H，δ5.0024(s)酚羟基上的1H，δ2.2709(s)对位甲基的3H，δ1.4319(s)叔丁基上的18H。与文献值对应。
4)核磁共振碳谱：
实施例1-5所得产物的碳谱如图7所示，δ151.51(s)苯环上与氧相连的碳，δ135.74(s)苯环上与叔丁基相连的两个碳，δ128.24(s)苯环上与甲基相连的碳，δ125.51(s)苯环上与甲基相邻的两个碳，δ34.21叔丁基上的两个叔碳，δ30.31叔丁基上的六个甲基碳，δ21.18与苯环相连的甲基碳。与文献值对应。
5)红外：
采用红外光谱仪对实施例1-5所得产物进行测试，得到实施例1-5产物的红外光谱图，如图8所示。图8中3630cm-1的吸收峰可能是酚羟基的吸收，3070cm-1的吸收峰可能是苯环上不饱和碳氢的吸收，2867-2960cm-1的吸收峰可能是饱和碳氢的吸收，1500-1600cm-1的吸收峰可能是苯环的骨架振动。
6)质谱：
实施例1-5所得产物的质谱如图9所示。其分子离子峰的质苛比为220.2。为经谱库检索为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。
经熔点，红外，核磁共振氢谱、质谱鉴定，实施例1-5所得的产物均为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。
本发明生产过程简单，提高了工业造纸废弃物和木质纤维素原料的利用效率，节约了成本，适用于大规模生产。

Claims (4)

1.一种木质素裂解制备2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的方法，包括如下步骤：将掺杂金属离子的分子筛催化剂和木质素混合，放入石英反应器中，通入惰性气体除氧，加热进行热解反应，使木质素裂解，冷却收集反应产物，得有芳香味的液体混合物，经柱层析分离，再冷冻结晶，得到白色晶体；所述的分子筛为SAPO-34分子筛，掺杂的金属离子为铜和锌离子中的一种或同时掺杂两种；各金属离子在分子筛中的质量百分比含量为0.1-5%；所述的分子筛和木质素的重量比为1:1-3:1；所述的热解反应温度为350-500℃，所述的热解反应时间为10-15分钟；所述柱层析分离的固定相为硅胶，流动相为乙酸乙酯和石油醚的混合溶剂，两者的体积比从开始3:7增加到10:0；冷冻结晶时，将粗产品溶解在乙醇中，加热到70℃，然后降温到0℃，析出结晶后抽滤，晾干。
2.根据权利要求1所述的木质素裂解制备2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的方法，其特征在于：所述的木质素包括溶剂提取木质素和木质素磺酸钠。
3.根据权利要求1所述的木质素裂解制备2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的方法，其特征在于：所述的惰性气体为氮气或氩气，反应前通氮气或氩气30-60分钟。
4.根据权利要求1所述的木质素裂解制备2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的方法，其特征在于：冷却收集采用的装置为二级冷阱，用液氮-乙醇冷却。
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