本发明提供一种2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯(TMHQ-DA)的制备方法，其制备方法为：在磁性固体酸催化剂存在下，通过2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮(KIP)与酰化剂重排反应而实现。该工艺具有催化剂易回收，催化剂重复利用效果好，环境友好，对设备腐蚀性小等优点。与传统的固体酸催化剂相比，该催化剂具有高比表面积、分散性好、活性和选择性高等优点。
1.一种2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯的制备方法，其特征在于，在磁性固体酸催化剂存在下，通过原料2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮与酰化剂在0℃-130℃温度下发生酯化和重排反应制备2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯，所述的2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯结构式如式(1)所示：其中，R代表烷基、环烷基或芳基；
所述的磁性固体酸催化剂包含：以具有磁性的过渡金属氧化物为磁性载体，SO4 为活性组分，以金属或非金属氮化物为第一助剂，以金属氯化物为第二助剂；
其中，式(2)中的R和R’分别表示脂肪烃基、脂环烃基或芳香烃基团；式(3)代表酰卤，X表示卤素，R表示脂肪烃基、脂环烃基或芳香烃基团。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，式(1)中R代表C1-2的烷基、直链或支链的C3-10的烷基，或C3-10的环烷基，或C6-12的芳基。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，式(1)中R代表甲基。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以催化剂总重量计，磁性载体的含量为
10％-40wt％，活性组分的含量为50％-85wt％，第一助剂的含量为1％-10wt％，第二助剂的含量为0.1％-5wt％。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，以催化剂总重量计，磁性载体的含量为
15％-30wt％，活性组分的含量为65％-80wt％，第一助剂的含量为3％-8wt％，第二助剂的含量为0.5％-3wt％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的磁性载体选自Fe3O4、α-Fe2O3、γ-Fe2O3、TiO2和ZrO2中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一助剂选自Li3N、Mg3N2、BN、AlN、GaN、InN、P3N5、Si3N4、Ti3N4、TaN、VN中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的第一助剂选自BN、AlN、GaN、Ti3N4和VN中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的第一助剂选自BN和/或Ti3N4。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述的第二助剂选自TiCl4、AlCl3、FeCl2、NiCl2中的一种或多种。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的第二助剂选自FeCl2和/或NiCl2。
12.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述的磁性固体酸催化剂的用量为2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮用量的0.05-30wt％。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的磁性固体酸催化剂的用量为
2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮用量的0.1-10wt％。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的磁性固体酸催化剂的用量为
2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮用量的1-8wt％。
15.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述的磁性固体酸催化剂的制备方法包含如下步骤：(1)磁性载体的制备：将Fe、Ti和Zr的可溶性金属盐的一种或多种以一定比例混合，在30-70℃的超声波环境中震荡分散均匀，然后将分散均匀的液体升温至80-90℃并不断搅拌，将碱液滴加至体系pH＝11.5-12，恒温静置生成沉淀，将沉淀洗涤烘干得到磁性载体；
(2)将所得磁性载体、第一助剂、第二助剂按比例混合后，在过量的发烟硫酸中超声振荡2-5h后停止超声继续浸泡8-12h，真空抽滤，将滤饼焙烧得到磁性固体酸催化剂。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述的Fe、Ti和Zr的可溶性金属盐选自Fe、Ti和Zr的氯化物、硫酸盐或硝酸盐；所述的碱液选自NaOH、KOH和NH3·H2O水溶液中的一种或多种；焙烧的温度为600～1300℃，焙烧时间2～16h。
17.根据权利要求1的方法，其特征在于，式(2)中的R和R’分别表示C2-6的脂肪烃基团；式(3)中R为C1-4的脂肪烃基团。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于，酰化剂为乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐、乙酰氯、或异丁酸酐。
19.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述的酰化剂与2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮的摩尔比为2:1-10:1；反应温度为30℃-100℃。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于，所述的酰化剂与2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮的摩尔比为3:1-10:1，反应温度为40℃-80℃。
21.根据权利要求20的方法，其特征在于，所述的酰化剂与2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮的摩尔比为3:1-5:1。
一种2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯的制备方法。
背景技术
[0002] 2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯是合成维生素E主环的重要中间体。同时，其水解产物2,3,5-三甲基对苯二酚可用作抗氧剂、染料和医药中间体、橡胶防老剂、阻聚剂、抗氧化剂、显影剂等。因此，其工业应用前景广阔。
[0003] 美国专利文献US5969176A报道使用Lewis酸和Bronsted酸的混合物作催化剂(例如浓硫酸和硼酸的混合物)催化重排酰化反应制备三甲基氢醌二烷酸酯；美国专利文献US6350897报道在磺化剂和强酸(例如浓硫酸)以及酰化剂存在下由2,2,6-三甲基环己烷-1,4-二酮(KIP)反应制备三甲基氢醌二酯。然而，上述方法中作为催化剂使用的液体酸，在反应完成后必须中和。但是在中和过程中三甲基氢醌二酯会发生水解，致使产率降低。同时，由于液体酸对金属反应器的腐蚀严重，故对设备要求较为苛刻，致使工业化成本增大。
[0004] 中国专利文献CN102180793A报道以α-异佛尔酮为原料，使其与酰化剂在催化剂的存在下反应得到异佛尔酮的烯醇异构体酯化物；烯醇异构体酯化物中再加入溶剂DMSO与杂多酸类催化剂以及碱，鼓入空气，反应得到酮基异佛尔酮的单酯化产物；回收所述单酯化产物中的溶剂，然后在羧酸酐和催化剂的存在下反应得到2,3,5-三甲基氢醌二酯。该发明中虽能实现从α-异佛尔酮到2,3,5-三甲基氢醌二酯的制备，但反应所需步骤较多，且结晶后产物纯度普遍偏低，无法满足下游反应的要求。
[0005] 欧洲专利文献EP850910A中报道在固体催化剂存在条件下，2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮与酰化剂反应制备2,5,6-三甲基对苯二酚双酯，该方法与液体酸催化剂相比很大程度上降低了对设备腐蚀，同时也不需要中和催化剂，且减缓了2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯的水解。例如，当采用强酸性离子交换树脂“Amberlyst 15”作催化剂时选择性能达到88％，结晶分离收率60％；当采用超强酸性离子交换树脂“Nafion NR 50”作催化剂时选择性能达到85％，结晶分离收率60％。该工艺主要缺点是：选择性和结晶收率相对较低。同时，细颗粒固体酸催化剂的回收和分离难度较大，分离过程中易造成催化剂颗粒的破损。
[0006] 中国专利文献CN 101607896A使用酸性离子液体为催化剂，在-20℃-130℃的反应温度下，使氧代异佛尔酮重排酰化制备2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯。其中催化剂的回收采用萃取和蒸馏的方式，该工艺主要缺点是：1)萃取过程消耗大量的有机溶剂(正己烷)；2)蒸馏除水过程带来大量的能耗。
[0007] 综上可以看出，目前制备2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯的方法存在催化剂对设备腐蚀或难以回收问题，且产品收率低，选择性差，因此需要寻求一种新的2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯的制备方法解决上述技术问题。
发明内容
[0008] 本发明的目的是提供一种对设备腐蚀性小、反应完毕无需中和催化剂、降低产物水解、反应的可操作性强、易于工业化的制备2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯的方法。
[0009] 为达到以上发明目的，本发明的技术方案如下：
[0010] 一种2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯的制备方法，在磁性固体酸催化剂存在下，通过原料2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮与酰化剂在0℃-130℃温度下发生酯化和重排反应而实现。
[0011] 本发明方法中，2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯结构如下式(1)所示：
[0012]
[0013] 其中，R代表烷基、环烷基或芳基。优选地，R代表C1-2的烷基、直链或支链的C3-10的烷基(例如甲基、乙基、丙基、异丙基等)。R也可代表环丙基、环己基等C3-10的环烷基。另外，R还可代表诸如苯基、邻甲基苯基等C6-12的芳基。更优选地，R代表甲基。
[0014] 本发明方法中，所述的磁性固体酸催化剂包含：以具有磁性的过渡金属氧化物为2-
磁性载体，以SO4 为活性组分，以金属或非金属氮化物为第一助剂，以金属氯化物为第二助剂。以催化剂总重量计，磁性载体的含量为10％-40％(wt)，活性组分的含量为50％-85％(wt)，第一助剂的含量为1％-10％(wt)，第二助剂的含量为0.1％-5％(wt)。
[0015] 作为一种优选的方案，所述催化剂中，以催化剂总重量计，磁性载体的含量为15％-30％(wt)，活性组分的含量为65％-80％(wt)，第一助剂的含量为3％-8％(wt)，第二助剂的含量为0.5％-3％(wt)。
[0016] 优选地，本发明方法中，所述的磁性载体选自Fe3O4、α-Fe2O3、γ-Fe2O3、TiO2、ZrO2等过渡金属氧化物及它们的复合氧化物，诸如Fe3O4/ZrO2、Fe3O4/TiO2，优选的磁性载体是Fe3O4。
[0017] 优选地，本发明方法中，所述的第一助剂选自Li3N、Mg3N2、BN、AlN、GaN、InN、P3N5、Si3N4、Ti3N4、TaN、VN中的一种或多种。优选BN、AlN、GaN、Ti3N4和VN中的一种或多种，更优2-
选BN和/或Ti3N4。第一助剂的加入一方面对SO4 催化过程具有协同作用，另一方面使催化剂耐高温性能和强度增大，提高催化剂的使用寿命。
[0018] 优选地，本发明方法中，所述的第二助剂选自TiCl4、AlCl3、FeCl2、NiCl2中的一种或多种，优选FeCl2和/或NiCl2，此类氯化物作为一种较弱的路易斯酸，能够使KIP重排酰化反应向TMHQ-DA生成的方向进行，有助于提高目标产物的选择性。同时，铁、镍等元素的引入提高催化剂的顺磁性，使催化剂磁学性能增强。
[0019] 本发明中，所述的磁性固体酸催化剂的制备方法如下：
[0020] (1)磁性载体的制备：将Fe、Ti和Zr的可溶性金属盐的一种或多种以一定比例混合于三口烧瓶后，在30-70℃的超声波环境中震荡30-120min使其充分的分散均匀，随后将三口烧瓶转移至恒温油浴中并配备具有冷却水冷却的蛇形冷凝管，将三口烧瓶内液体升温至80-90℃并不断搅拌，将碱液(如NaOH、KOH、NH3·H2O的水溶液)缓慢滴加至体系pH＝11.5-12，停止搅拌、恒温静置1-2h使其生成沉淀；随后抽滤、去离子水洗涤沉淀至中性，在
110-150℃烘箱中烘干(至60min质量差小于0.01％)。
[0021] (2)将所得磁性载体、第一助剂、第二助剂按比例混合后，在过量的发烟硫酸中超声振荡2-5h，使其充分接触且便于沉淀的细化，停止超声后继续浸泡8-12h。真空抽滤，将滤饼置于600-1300℃马弗炉中焙烧2-16h。
[0022] 本发明中催化剂的制备方法中，所述的Fe、Ti和Zr的可溶性金属盐为Fe、Ti和Zr的氯化物、硫酸盐或硝酸盐。
[0023] 采用本发明的方法制备的磁性固体酸催化剂具有核壳式结构，即磁性载体做内核，而具有酸催化作用的活性组分、第一助剂与第二助剂做外壳。外壳中的活性组分、第一助剂与第二助剂形成均一分散的体系，有利于各个组分充分发挥作用，从而实现反应体系催化效率的最大化。
[0024] 本发明很好的解决常规固体酸细颗粒催化剂的回收和分离难的问题，同时，更大2
的比表面积，其质量比表面积可达55m/g，旋转磁场作用下催化剂在反应体系中的更均匀的分布使反应活性和产物选择性大大提高。磁分离技术的引入，与离心、抽滤等传统分离方法相比具有省时、简捷、耗能低等优点。
[0025] 本发明方法中，催化剂在反应体系中是以浆料的形式使用。催化剂用量为相对于底物KIP用量的0.05-30％(wt)，优选为KIP用量的0.1-10％(wt)，更优选为KIP用量的1-8％(wt)。
[0026] 本发明方法中，所述的酰化剂具有下式(2)或式(3)所示结构：
[0027]
[0028] 其中，式(2)中的R和R’可表示脂肪烃基、脂环烃基或芳香烃基团。式(2)优选诸如乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐、异丁酸酐等含C2-6的脂肪烃基团的酸酐。式(3)代表酰卤，X表示卤素，R可表示脂肪烃基、脂环烃基或芳香烃基团，R优选为C1-4的脂肪烃基团，式(3)更优选乙酰氯。
[0029] 本发明方法中，所述的酰化剂与原料KIP的摩尔比在2:1-10:1均是合适的，优选摩尔比为3:1-10:1，更优选摩尔比为3:1-5:1。
[0030] 本发明是在反应温度0℃-130℃进行的，并优选在30℃-100℃，更优选在40℃-80℃。若反应温度过低，则反应速率非常慢，反应时间在24h以上，时间成本增大；若反应温度过高，原料KIP在1-2h内即可完全转化，但产物选择性有所下降。然而在优选的温度范围内，反应可在4～12h内原料2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮转化率高于
99.5％。
[0031] 根据本发明方法，反应可在有溶剂或无溶剂条件下实施，可选用脂肪烷烃(例如：正己烷、正庚烷)、含卤素的溶剂(例如：二氯甲烷、四氯化碳，1,2-二氯乙烷、氯苯)、有机酸(例如：乙酸、丙酸)等有机物作为溶剂，溶剂在反应体系中呈惰性。这些溶剂可单独使用或多种混合使用。溶剂的用量可以在KIP与酰化剂总量的0-300％(wt)之间，优选的溶剂用量为KIP与酰化剂总量的0-100％(wt)，若酰化剂过量，也可作为反应体系的溶剂。
[0032] 本发明所述方法得到主产物2,3,5-三甲基氢醌二烷酸酯选择性可高达97％以上，产品总收率可高达90％以上。与现有技术相比均有较大提升。
[0033] 具体实施方法
[0034] 下面的实施例将对本发明所提供的方法予以进一步的说明，但本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其它任何公知的改变。
[0035] 气相色谱分析条件：安捷伦气相色谱的聚硅氧烷柱HP-5进行在线测定，气化室温度为250℃，检测器温度250℃，柱温为程序升温：50℃，1min；80℃，1min；10℃/min至250℃，10min，进样量0.2μL。
[0036] 实施例1
[0037] 载体Fe3O4制备：将32.44g FeCl3(0.2mol)与12.68g FeCl2(0.1mol)混合于三口烧瓶内，在60℃的超声波环境中震荡30min使其充分的分散均匀，随后将三口烧瓶转移至恒温油浴中并配备具有冷却水冷却的蛇形冷凝管，将三口烧瓶内液体升温至85℃并不断搅拌，将2.0mol/L的NaOH水溶液缓慢滴加至体系pH＝12，停止搅拌、恒温静置2h使其生成沉淀；随后抽滤、去离子水洗涤沉淀至中性，在130℃烘箱中烘干(至60min质量差小于0.01％)。
[0038] 将所得载体Fe3O44.25g、第一助剂BN1.50g、第二助剂NiCl2 0.50g均匀混合，将22.00g发烟硫酸缓慢加入其中，超声振荡5h，停止超声后继续浸泡10h。真空抽滤，将滤饼
2-
置于900℃马弗炉中焙烧4h，即制得[17％Fe3O4-6％BN-2％NiCl2-75％SO4 ]磁性固体酸催化剂25g。
[0039] 将200.0g(1.96mol)乙酸酐和5.0g上述制备的磁性固体酸催化剂置于500mL三口烧瓶中，并将100.0g(0.66mol)2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮缓慢滴入三口瓶中，在滴加过程中，用一蠕动泵对反应液进行冰水浴外循环冷却，同时开启三相异步电动机使其带动一对磁极逆时针旋转。该混合物在60℃恒温条件下反应10h，反应完毕，外加磁场作用下分离催化剂。取反应液进行气相色谱分析，原料2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮完全转化，产物2,3,5-三甲基氢醌二乙酸酯选择性97.2％。
[0040] 在75℃条件下加入363.0g的醋酸水溶液(质量分数22.7％)，溶解充分后静置自然冷却至20℃结晶，并保持20℃条件下静置8h。过滤析出晶体，并用水洗涤滤饼数次，真空干燥。可得浅黄色固体138.3g，纯度99.9％，mp：109-110℃，对应收率89.1％。
[0041] 将反应完毕分离得到的催化剂使用10mL二氯甲烷室温下浸泡5min，并将催化剂与二氯甲烷一并转入80℃真空烘箱干燥2h得到干燥的催化剂。使用干燥后的催化剂重复上述反应制备2,3,5-三甲基氢醌二乙酸酯，原料2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮转化率为99.8％，产物2,3,5-三甲基氢醌二乙酸酯选择性97.1％，催化剂回收利用效果较优。将该催化剂反复套用9次，其催化效果基本不变。
[0042] 实施例2
[0043] 载体α-Fe2O3的制备：取50mL 1.0 mol·L-1的FeCl3水溶液加入三口烧瓶内，在30℃的超声波环境中震荡30min使其充分的分散均匀，随后将三口烧瓶转移至恒温油浴中并配备具有冷却水冷却的蛇形冷凝管，将三口烧瓶内液体升温至80℃并不断搅拌，将质量分数为15％的NH3·H2O溶液缓慢滴加至体系pH＝11.5，停止搅拌、恒温静置2h使其生成沉淀；随后抽滤、去离子水洗涤沉淀至中性，在130℃烘箱中烘干(至60min质量差小于0.01％)。
[0044] 将所得载体α-Fe2O35.75g、第一助剂VN1.00g、第二助剂TiCl40.25g均匀混合，将25.00g发烟硫酸缓慢加入其中，超声振荡3h，停止超声后继续浸泡12h。真空抽滤，将滤饼
2-
置于1200℃马弗炉中焙烧8h，即制得[23％α-Fe2O3-4％VN-1％TiCl4-72％SO4 ]磁性固体酸催化剂25g。
[0045] 将200.0g(1.96mol)乙酸酐和1.0g上述制备的磁性固体酸催化剂置于500mL三口烧瓶中，并将100.0g(0.66mol)2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮缓慢滴入三口瓶中，在滴加过程中，用一蠕动泵对反应液进行冰水浴外循环冷却，同时开启三相异步电动机使其带动一对磁极逆时针旋转。该混合物在80℃恒温条件下反应7h，反应完毕，外加磁场作用下分离催化剂。取反应液进行气相色谱分析，原料2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮完全转化，产物2,3,5-三甲基氢醌二乙酸酯选择性96.9％。
[0046] 在75℃条件下加入363.0g的醋酸水溶液(质量分数19.8％)，溶解充分后静置自然冷却至20℃结晶，并保持20℃条件下静置8h。过滤析出晶体，并用水洗涤滤饼数次，真空干燥。可得浅黄色固体137.0g，纯度99.6％，mp：109-110℃，对应收率88.3％。
[0047] 将反应完毕分离得到的催化剂使用3mL二氯甲烷室温下浸泡5min，并将催化剂与二氯甲烷一并转入80℃真空烘箱干燥2h得到干燥的催化剂。使用干燥后的催化剂重复上述反应制备2,3,5-三甲基氢醌二乙酸酯，原料2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮完全转化，产物2,3,5-三甲基氢醌二乙酸酯选择性96.9％，催化剂效率无降低。将该催化剂反复套用7次，其催化效果基本不变。
[0048] 实施例3
[0049] 载体Fe3O4/ZrO2的制备：将25.95g FeCl3(0.16mol)、10.14g FeCl2(0.08mol)与22.67g Zr(SO4)2(0.08mol)混合于三口烧瓶内，在55℃的超声波环境中震荡30min使其充分的分散均匀，随后将三口烧瓶转移至恒温油浴中并配备具有冷却水冷却的蛇形冷凝管，将三口烧瓶内液体升温至90℃并不断搅拌，将1.0mol/L的KOH水溶液缓慢滴加至体系pH＝12，停止搅拌、恒温静置2h使其生成沉淀；随后抽滤、去离子水洗涤沉淀至中性，在130℃烘箱中烘干(至60min质量差小于0.01％)。
[0050] 将所得载体Fe3O4/ZrO212.0g、第一助剂Ti3N43.5g、第二助剂FeCl21.5g均匀混合，将40.0g发烟硫酸缓慢加入其中，超声振荡5h，停止超声后继续浸泡10h。真空抽滤，将滤2-
饼置于700℃马弗炉中焙烧6h，即制得[24％Fe3O4/ZrO2-7％Ti3N4-3％FeCl2-66％SO4 ]磁性固体酸催化剂50g。
[0051] 将155.4g(1.98mol)乙酰氯、132.3g(1.32mol)正庚烷和10.0g上述制备的磁性固体酸催化剂置于1000mL三口烧瓶中，并将100.0g(0.66mol)2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮缓慢滴入三口瓶中，在滴加过程中，用一蠕动泵对反应液进行冰水浴外循环冷却，同时开启三相异步电动机使其带动一对磁极逆时针旋转。该混合物在40℃恒温条件下反应12h，反应完毕，外加磁场作用下分离催化剂。取反应液进行气相色谱分析，可得原料2,6,6-三甲基环己-2-烯-1,4-二酮转化率99.5％，产物2,3,5-三甲基氢醌二乙酸酯选择性94.8％。
[0052] 在70℃条件下用旋转蒸发仪旋蒸出反应液中的低沸组分，剩余反应液在75℃条
