芴在煤焦油中的含量约为1%～2%[1]，而我国煤焦油年产量在两千万吨以上[2]，因此我国具有丰富的芴资源。芴由于具有特殊的刚性联苯结构，表现出良好的热稳定性、光致发光和电致发光性能。其衍生物在材料[3-5]、医药[6]、生物[7]等方面均有广泛应用。其中，9-芴甲醇是一种重要的化工原料，可用于合成抗疟疾药物[8]、氨基保护剂[9]、制备感光材料[10-11]等。
蒽渣是高温煤焦油提取蒽和咔唑后的固体废弃物，其富含的菲和芴(含量约65%)是重要的化工中间体。从蒽渣中提取高附加值的菲和芴是实现蒽渣资源化的重要途径。但由于菲和芴性质相似，用溶剂结晶法等常规分离方法较难分离。课题组通过反应-分离耦合技术，将芴转化为与菲性质差异较大的下游产品如9-芴酮[12]、9-芴甲醛[13]，利用其与菲的溶解性差异实现了菲的高效提取分离。虽然前期利用两步法合成9-芴甲醇的选择性和收率都接近100%[13]，但两步法存在步骤多、原子经济性差等问题。芴一步合成9-芴甲醇的反应如图1所示。
图1 芴一步法合成9-芴甲醇
Fig.1 One-step synthesis of 9-fluorenylmethanol from fluorene
关于芴一步法合成9-芴甲醇的研究较少。很早就报道芴的9位亚甲基可与醛酮等在碱的存在下反应生成芴基原醇[14]。1960年，GHERA et al[15]将苄基三甲基氢氧化铵加到含有芴、多聚甲醛的吡啶溶液中，在冰水浴中反应3 min，9-芴甲醇收率9.8%，并指出保持足够的低温可避免原醇脱水。CHONG et al[16]用丁基锂催化芴与多聚甲醛在四氢呋喃中反应，生成74%的9-芴甲醇。随后FUKUI et al[17]采用相同的方法得到9-芴甲醇的收率为71%.HIROMICHI et al[18]以n-BuLi为催化剂、四丁基乙二胺为助剂，在环己烷中合成9-芴甲醇，收率68.9%.闫皙等[19]以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂、1、8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)为催化剂，在15 ℃下反应15 min，9-芴甲醇收率为58.5%.此后朱建发等[20]以DMSO为溶剂、DBU为催化剂合成9-芴甲醇，收率仅17%.总之，芴一步法合成9-芴甲醇的反应多使用有机强碱为催化剂，反应易生成脱水副产物9-亚甲基芴和二取代产物9，9-双羟甲基芴，反应重现性差，同时催化剂溶于有机溶剂不易回收。
郭美鑫[21]以DMSO+乙醇为溶剂，对催化剂种类、加料顺序、物料配比等的影响进行了初步研究。本文在上述研究的基础上，以碳酸钾为催化剂，考察了碳酸钾用量、乙醇加入量以及反应温度、时间等对芴与多聚甲醛一步合成9-芴甲醇的影响，探讨了副产物的生成机制，尝试在体系中加入无机盐对副产物进行调控，在此基础上将该反应用于蒽渣中菲的分离，并取得了不错的效果。研究内容对实现蒽渣中菲的提取分离以及9-芴甲醇的工业合成具有一定的指导意义。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
芴(97%)、菲(97%)、9-芴酮(99%)、二甲基亚砜(AR)、多聚甲醛(95%)、Al2O3(γ相)、碳酸铯(AR)，以及标准品9，9-双羟甲基芴(98%)、十四醇(99.5%)，均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；碳酸钾、无水乙醇、氯化钙、氯化锌、氯化钠均为分析纯(AR)，购自天津市科密欧化学试剂有限公司；氯化钡(AR)，购自西安化学试剂厂；乙腈(HPLC)，购自迪马科技有限公司；标准品芴(99.5%)、菲(99.3%)，购自WEST CHESTER CO.Limited；标准品9-芴甲醇(99%)，购自上海麦克林生化科技有限公司。
1.2 9-芴甲醇的合成
将一定量的碳酸钾加入到装有DMSO和乙醇混合溶液(20 mL)的夹套反应器中，通入13 ℃的循环水以控制反应温度，300 r/min磁力搅拌20 min后，加入1.66 g(10 mmol)芴，并开始计时。在3 min内缓慢加入一定量的多聚甲醛。间隔取样，用气相色谱监测反应。反应结束后，经过滤、乙醇洗涤、烘干(100 ℃)回收碳酸钾。加入20 mL冰水，有白色粉末析出，过滤得到未反应的芴，滤液中含有的少量芴用环己烷萃出。滤液加盐酸调pH至中性，静置1 h后，有淡黄色丝状物析出，再过滤得到9-芴甲醇，将滤液中的9-芴甲醇用乙酸乙酯萃取并用无水Na2SO4干燥，旋蒸后，合并产物，得到9-芴甲醇粗产品。
1.3 芴与菲的反应分离
将0.138 g(1 mmol)碳酸钾加入到装有20 mL DMSO+10%(体积分数)乙醇的夹套反应器中，条件同1.2，20 min后，加入芴和菲的混合物4.2 g(其中，芴0.88 g，5 mmol；菲3.32 g，18.6 mmol)，并开始计时。在3 min内缓慢加入0.15 g(5 mmol)多聚甲醛，反应20 min.产物分离及回收情况同1.2，菲和未反应的芴同时析出，用水洗涤、干燥后重复反应4次。
1.4 检测方法
采用气相色谱仪(Shimadzu GC-2014)对反应产物进行检测，条件见文献[22]，升温程序：170 ℃保持1 min，以4 ℃/min升温至200 ℃并保持1 min，然后以10 ℃/min升温到250 ℃并保持3 min.用内标标准曲线法进行定量分析，内标物为十四醇，用色谱纯乙腈为溶剂配制标准溶液及待分析样品，标准曲线如图2所示(ci、ci,s分别为待测物和内标物的浓度，Ai、Ai,s分别为待测物和内标物的峰面积，i为不同物质)。
图2 菲、芴、9-芴甲醇、9-芴酮和9，9-双羟甲基芴内标标准曲线
Fig.2 Calibration curves of phenanthrenes, fluorenes, 9-fluorenyl-methanol, 9-fluorenone, and 9,9-bis(hydroxymethyl)fluorene
2 结果与讨论
2.1 乙醇加入量及反应温度的影响
高介电常数和极性非质子溶剂，如DMSO能在一定程度上增强碱的强度，有助于9-芴负离子的生成。芴一步法合成9-芴甲醇的反应中，羟甲基化反应放热，9-芴甲醇的脱水反应吸热。因此，为减少脱水副产物的生成，反应需在低温下进行。但由于DMSO的凝固点较高，需在DMSO中加入少量质子溶剂(如乙醇)来降低溶剂的凝固点。而质子溶剂的加入会使芴负离子发生质子化内返[23]，需要考察乙醇加入量对反应的影响。结果见表1.
从表1可以看出，随着乙醇量的增加，芴的转化率降低，说明乙醇的加入会抑制9-芴负离子的产生。脱水产物随乙醇添加量增加而增加，说明乙醇能促进脱水产物的生成，这与文献[24]中采用乙醇为溶剂易生成富烯类产物一致。随着乙醇的加入量增加，9-芴甲醇的收率和选择性均降低。因此，为了提高9-芴甲醇选择性和收率，在保持体系温度的同时，要尽可能少地加入乙醇。
表1 不同乙醇加入量对产物分布的影响
Table 1 Effect of different ethanol additions on product distribution %
乙醇加入量(体积分数)/%产物分布(质量分数)芴9-芴甲醇9-亚甲基芴9,9-双羟甲基芴9-芴甲醇选择性1069.7625.490.754.0084.302078.4515.423.592.5471.563087.838.522.830.8269.994091.225.802.98066.065097.622.3800100100100000-
注：13 ℃，DMSO+乙醇，n(芴)∶n(甲醛)∶n(碳酸钾)=1∶1∶0.2，反应时间15 min
当乙醇体积分数为10%时，体系在低于10 ℃时仍会凝固。因此以DMSO+20%乙醇为溶剂，考察了反应温度的影响，结果如表2所示。当温度低于13 ℃时，反应明显减慢，15 min时9-芴甲醇选择性达到100%.随时间延长，副产物增多，9-芴甲醇的选择性下降。说明13 ℃以下低温对主反应的抑制大于对副反应的抑制，13 ℃为适宜的反应温度。
表2 不同温度下的产物分布
Table 2 Product distribution at different temperatures %
温度/℃时间/min产物分布(质量分数)芴9-芴甲醇9-亚甲基芴9,9-双羟甲基芴9-芴甲醇选择性131578.4515.423.592.5471.5651581.858.150010053074.8715.725.354.0662.5501596.263.740010003086.009.932.441.6370.93
注：DMSO+20%乙醇，n(芴)∶n(甲醛)∶n(碳酸钾)=1∶1∶0.2图4为产物分布随反应时间的变化。可以看出，随反应时间增加，9-芴甲醇的收率呈先升高后下降的趋势。9-芴甲醇达到一定浓度后，二取代产物9，9-双羟甲基芴增加，且反应时间越长，脱水产物越多。在15 min时，9-芴甲醇收率25.31%，选择性84.31%.
2.2 碳酸钾用量及反应时间的影响
随碳酸钾用量增加，9-芴甲醇收率提高，副产物也随之增多，9-芴甲醇选择性降低，如图3所示。n(碳酸钾)∶n(芴)由0.1增加到0.2时，9-芴甲醇的收率明显升高，而由0.2增加到0.3时，收率增加不明显，因此，选择n(碳酸钾)∶n(芴)=0.2.
图3 碳酸钾用量对产物分布的影响
Fig.3 Effect of potassium carbonate amount on product distribution
图4 反应时间对产物分布的影响
Fig.4 Effect of reaction time on product distribution
图5为碳酸钾循环使用3次的结果。除首次使用时芴的转化率和9-芴甲醇的收率略高外，后续2次循环二者均无明显变化。因此，以碳酸钾为固体催化剂实现了催化剂的回收和循环使用。
图5 碳酸钾循环使用三次结果
Fig.5 Results of potassium carbonate recycled for three times
2.3 无机盐的影响
9-芴甲醇在碱性条件下极易发生单分子共轭碱消除反应，生成脱水产物9-亚甲基芴。CaCl2或MgCl2等可与低级醇反应生成络合物[25]，增大脱氢位阻。如果在溶液中9-芴甲醇同样会与之形成类似的络合物，使9-芴甲醇的脱氢位阻增加，将有助于减少脱水产物。MOROZUMI et al[26]在甲醛和苯酚的羟甲基化的反应中，通过酚与Zn2+离子的短暂络合，提高了邻位羟甲基化产物的选择性。LEE et al[27]通过添加Lewis酸来提高羰基的亲电性。本文考察了无机盐BaCl2、CaCl2、ZnCl2的作用，结果如表3所示。可以看出，无机盐的加入影响了传质过程，从而降低了反应速率。在9-芴甲醇收率相当的情况下(未添加无机盐反应20 min和添加无机盐反应30 min)，添加CaCl2和ZnCl2生成的副产物较少，9-芴甲醇选择性较高，说明其对副反应有抑制作用。
表3 无机盐对反应的影响
Table 3 Effect of inorganic salts on the reaction %
无机盐种类反应时间/min产物分布(质量分数)芴9-芴甲醇9-亚甲基芴9,9-双羟甲基芴9-芴甲醇选择性-1569.7625.490.754.0084.302055.9430.592.0211.2769.73BaCl21579.1018.9101.9990.483052.9131.672.4911.8067.24CaCl21587.7212.28001003060.1130.701.757.4376.98ZnCl21591.298.71001003065.3028.261.305.1381.47
注：13 ℃，DMSO+10%乙醇，n(芴)∶n(甲醛)∶n(碳酸钾)∶n(无机盐)=1∶1∶0.2∶0.01，“-”表示未添加无机盐
2.4 芴与菲的反应-分离
由于蒽渣经预处理后芴和菲的质量比在1∶4到1∶5之间，以芴和菲的混合物(质量比1∶4)为原料，利用一步法合成9-芴甲醇的反应，来实现与菲的分离，反应-分离结果如图6所示。
图6 芴与菲的分离结果
Fig.6 Separation results of fluorene and phenanthrene
经过5次反应-分离后，菲的纯度达到93.2%，收率为97.6%。9-芴甲醇的平均纯度95.0%，5次收率分别为13.1%、13.5%、13.4%、13.3%、13.3%，总收率66.5%，剩余28.4%的芴未反应。同时，菲的存在对9-芴甲醇合成过程中副产物的生成有一定的抑制。
3 结论
1) DMSO+10%乙醇为溶剂，碳酸钾为催化剂，13 ℃下反应15 min，9-芴甲醇的收率为25%，选择性>84%.乙醇能促进脱水产物生成，CaCl2、ZnCl2等无机盐可与9-芴甲醇短暂络合，降低反应速率，减缓脱水产物的生成。
2) 利用反应-分离耦合技术，将蒽渣中芴一步法合成9-芴甲醇，可实现菲的提取分离。以模型混合物芴+菲(质量比1∶4)为原料，经5次反应-分离后菲的收率和纯度分别为97.6%和93.2%，9-芴甲醇总收率为66.5%，平均纯度为95.0%，满足功能化学品的要求。
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