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一种催化合成对甲基苯酚的方法
    【技术领域】

    本发明涉及一种催化合成对甲基苯酚的方法，特别涉及一种用La₂O₃或Ce₂O₃改性微孔‑介孔复合分子筛催化合成对甲基苯酚的方法。

    背景技术

    对甲基苯酚被广泛用于生产酚醛树脂、橡胶防老化剂、表面活性剂等的重要原料，而且还是生产香料及农药的重要中间体。对甲基苯酚的合成方法主要有以下几种：

    (1)天然分离法

    天然分离法是对甲基苯酚的传统制备方法，但近年来由于资源有限，加之分离工艺复杂，因此天然分离制备对甲基苯酚的装置不断被关停，取而代之的则是化学合成法。

    (2)甲基苯胺重氮化水解法

    该法是将甲基苯胺和硫酸加入反应器中，在搅拌、冷却条件下生成相应的甲基苯胺硫酸盐；然后再向体系中加入亚硝酸钠饱和溶液进行重氮化反应；将制得的重氮盐加入浓硫酸，在搅拌条件下通入蒸汽加热进行水解，静置、中和、分离即可制得对甲基苯酚。该过程工艺复杂，且在间歇条件下操作，不利于连续生产。生产过程中使用大量的硫酸，对设备腐蚀较严重，反应结束后又要消耗大量的碱中和，因此逐渐被淘汰。

    (3)甲基苯氯化水解法

    该法首先在Cu‑Fe等催化剂的作用下，向装有甲基苯的反应器中通入氯气，得到三种氯代甲基苯的混和物；在催化剂存在下氯代甲基苯水解即可得到相应的对甲基苯酚。由于该法环境污染严重，产品质量不高，因此目前基本被淘汰。

    (4)苯酚与甲醇烷基化法

    苯酚与甲醇反应合成对甲基苯酚是目前研究较多的方法。由于甲醇作为烷基化试剂活性较低，因此反应需要在较苛刻的条件下进行。如需要在高温高压条件下操作，且产物复杂，产品质量不高。目前研究发现催化剂体系大都存在选择性差，稳定性不高等问题。由于使用了酸性催化剂，低碳醇易在催化剂上发生脱水而产生聚合，生成积碳，影响催化剂稳定性。

    苯酚烷基化反应的结果往往是得到三种甲基取代苯酚的混合物，为了高选择性的得到对甲基苯酚就必须对催化剂进行改性。改性的目的主要有两点：一是降低催化剂外表面的酸性位数量减少产物对甲基苯酚在外表面的异构化反应；二是缩小分子筛孔径，增大邻甲基苯酚和间甲基苯酚在孔内的扩散阻力。

    因此，开发一种条件温和，工艺简单，选择性高的合成对甲基苯酚的方法是非常必要的。

    【发明内容】

    本发明要解决的技术问题是提供一种催化合成对甲基苯酚的方法，为解决上述技术问题本发明采用的方案是：

    一种催化合成对甲基苯酚的方法，其特征在于该方法是以碳酸二甲酯和苯酚为原料，以La₂O₃或Ce₂O₃改性的微孔‑介孔复合分子筛催化剂，在反应温度200～400℃，原料苯酚和碳酸二甲酯摩尔配比为1∶1～1∶4，质量空速为1～10h^‑1的条件下进行的。

    作为对本发明的进一步限定，本发明所述的催化剂微孔‑介孔复合分子筛H‑MCM‑22/MCM‑41或H‑MCM‑22/MCM‑48采用以下方法制备：

    首先按摩尔比正硅酸乙酯∶十六烷基三甲基溴化胺∶氢氧化钠∶去离子水＝1∶0.315∶0.29∶75的比例配制合成介孔分子筛MCM‑41的溶胶，随后将微孔分子筛H‑MCM‑22加入其中，继续搅拌2小时，然后150℃晶化48小时，随后真空抽滤，并以去离子水洗涤至滤液pH值等于7，将滤饼在80℃下干燥12小时，随后在500℃下焙烧6小时；即得到微孔‑介孔复合分子筛H‑MCM‑22/MCM‑41；或者按摩尔比正硅酸乙酯∶十六烷基三甲基溴化胺∶氢氧化钠∶去离子水＝1∶0.525∶0.12∶50的比例配制合成介孔分子筛MCM‑48的溶胶，随后将微孔分子筛H‑MCM‑22加入其中，继续搅拌2小时，然后150℃晶化48小时，随后真空抽滤，并以去离子水洗涤至滤液pH值等于7，将滤饼在80℃下干燥12小时，随后在500℃下焙烧6小时；即得到微孔‑介孔复合分子筛H‑MCM‑22/MCM‑48。

    作为对本发明的进一步限定，本发明中所用的微孔分子筛H‑MCM‑22的硅铝比为50～150。

    作为对本发明的进一步限定，本发明中所述微孔分子筛H‑MCM‑22与介孔分子筛MCM‑41或MCM‑48的质量比为1∶1‑10∶1。

    作为对本发明的进一步限定，本发明中所述的La₂O₃或Ce₂O₃改性微孔‑介孔复合分子筛H‑MCM‑22/MCM‑41或H‑MCM‑22/MCM‑48采用以下方法制备：

    首先将微孔‑介孔复合分子筛H‑MCM‑22/MCM‑41或H‑MCM‑22/MCM‑48加入0.5mol/L的硝酸镧或硝酸铈溶液中，搅拌均匀，室温静置24h，随后在60℃水浴中蒸干，120℃干燥12h，550℃焙烧5h，即得La₂O₃或Ce₂O₃改性微孔‑介孔复合分子筛催化剂。

    作为对本发明的进一步限定，本发明中所述的La₂O₃或Ce₂O₃改性微孔‑介孔复合分子筛催化剂中La₂O₃或Ce₂O₃占催化剂质量比为5‑30％。

    本发明提出以微孔‑介孔复合分子筛为催化剂，以高活性的碳酸二甲酯为烷基化试剂和苯酚反应催化合成对甲基苯酚。本发明中所提出的微孔‑介孔复合分子筛是在微孔分子筛的外表面直接生长一种纯硅介孔分子筛，由于微孔分子筛外表面生长的纯硅介孔分子筛是通过硅氧化学键进行连接的，因此作用力较强，通过一次改性即可较好的覆盖微孔分子筛外表面的酸性位；而经La₂O₃或Ce₂O₃改性后分子筛催化剂的孔口尺寸得到有效调控，因而使对甲基苯酚的选择性大大提高。

    【具体实施方式】

    催化剂微孔‑介孔复合分子筛H‑MCM‑22/MCM‑41或H‑MCM‑22/MCM‑48、采用以下方法制备：

    首先按摩尔比正硅酸乙酯∶十六烷基三甲基溴化胺∶氢氧化钠∶去离子水＝1∶0.315∶0.29∶75的比例配制合成介孔分子筛MCM‑41的溶胶或按摩尔比正硅酸乙酯∶十六烷基三甲基溴化胺∶氢氧化钠∶去离子水＝1∶0.525∶0.12∶50的比例配制合成介孔分子筛MCM‑48的溶胶，随后将微孔分子筛H‑MCM‑22加入其中，继续搅拌2小时，然后150℃晶化48小时，随后真空抽滤，并以去离子水洗涤至滤液pH值等于7，将滤饼在80℃下干燥12小时，随后在500℃下焙烧6小时即得到微孔‑介孔复合分子筛H‑MCM‑22/MCM‑41或H‑MCM‑22/MCM‑48；

    La₂O₃或Ce₂O₃改性微孔‑介孔复合分子筛H‑MCM‑22/MCM‑41或H‑MCM‑22/MCM‑48采用以下方法制备：

    首先将微孔‑介孔复合分子筛H‑MCM‑22/MCM‑41或H‑MCM‑22/MCM‑48加入0.5mol/L的硝酸镧或硝酸铈溶液中，搅拌均匀，室温静置24h，随后在60℃水浴中蒸干，120℃干燥12h，550℃焙烧5h，即得La₂O₃或Ce₂O₃改性微孔‑介孔复合分子筛催化剂。

    实施例1

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑41催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑41质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到81.5％，对甲基苯酚选择性为84.6％。

    实施例2

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑41催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑41质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为10∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到86.1％，对甲基苯酚选择性为82.2％。

    实施例3

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑41催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑41质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为150∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到72.4％，对甲基苯酚选择性为89.1％。

    实施例4

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑41催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑41质量比为1∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到52.1％，对甲基苯酚选择性为87.5％。

    实施例5

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑41催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑41质量比为10∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到97.4％，对甲基苯酚选择性为67.4％。

    实施例6

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑41催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的5％，H‑MCM‑22和MCM‑41质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到85.2％，对甲基苯酚选择性为81.6％。

    实施例7

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑41催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的30％，H‑MCM‑22和MCM‑41质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到74.9％，对甲基苯酚选择性为91.4％。

    实施例8

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑48催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑48质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到81.7％，对甲基苯酚选择性为82.9％。

    实施例9

    按照上述方法制备Ce₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑48催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑48质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到80.2％，对甲基苯酚选择性为79.6％。

    实施例10

    按照上述方法制备Ce₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑41催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑48质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到80.4％，对甲基苯酚选择性为78.7％。

    实施例11

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑48催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑48质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度200℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到76.7％，对甲基苯酚选择性为87.5％。

    实施例12

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑48催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑48质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度400℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到92.1％，对甲基苯酚选择性为80.4％。

    实施例13

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑48催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑48质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶2，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到99.1％，对甲基苯酚选择性为85.4％。

    实施例13

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑48催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑48质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶4，反应温度300℃，原料质量空速为1h^‑1，苯酚的转化率达到100％，对甲基苯酚选择性为82.3％。

    实施例14

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑48催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑48质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为5h^‑1，苯酚的转化率达到80.2％，对甲基苯酚选择性为88.4％。

    实施例15

    按照上述方法制备La₂O₃改性H‑MCM‑22/MCM‑48催化剂，其中La₂O₃质量占催化剂质量的15％，H‑MCM‑22和MCM‑48质量比为5∶1，H‑MCM‑22的硅铝比为50∶1。在此催化剂上，以苯酚和碳酸二甲酯为原料，其摩尔比为苯酚∶碳酸二甲酯1∶1，反应温度300℃，原料质量空速为10h^‑1，苯酚的转化率达到76.7％，对甲基苯酚选择性为90.8％。