中间体对乙酰氧基苯乙烯的合成及其进展

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中间体对乙酰氧基苯乙烯的合成及其进展
赵双霞张义玲崔云梓
(中石化齐鲁分公司研究院职淄博255400)
摘要:对乙酰氧基苯乙烯可用于合成作为光致抗蚀剂(光刻胶)主要成分的聚对羟基苯乙烯。

本文介绍了中间体对乙酰氧基苯乙烯的合成方法,其主要采用对羟基苯乙酮、对羟基苯甲醛、对乙基苯酚及衍生物等为原料合成。

关键词:对乙酰氧基苯乙烯对羟基苯乙烯对羟基苯乙酮对羟基苯甲醛对乙基苯酚
中图分类号:O621.259.3文献标识码:A文章编号:1006-253x(2005)11-008-6
Progessinthesynthesisof4-acetoxystyrene
ZhaoShuangxiaZhangYilingCuiYunzi
(ResearchInstituteofQiluBranchCo.,SINOPEC,zibo,255400)
Abstract:4-acetoxystyreneisanintermediateinthepreparationofPoly(4-hydroxystyrene)usedfortheproductionofphotoresists.Inthispaper,themethodsofsynthesizing4-acetoxystyrenemainlyfrom4-hydroxyacetophenone、4-hy-droxybenzaldehyde、4-ethylphenolanditsderivateswasreviewed.
Keywords:4-acetoxystyrene4-hydroxystyrene4-hydroxyacetophenone4-hydroxybenzaldehyde4-ethylphenol.
一、前言
对乙酰氧基苯乙烯可用于合成作为光致抗蚀剂(光刻胶)主要成分的聚对羟基苯乙烯。

聚对羟基苯乙烯系列的化学增幅型光致抗蚀剂是目前国际上主流的光致抗蚀剂产品,是用于处理光蚀刻集成电路、制造芯片的关键技术之一。

光蚀刻技术由生产0.3~0.28μm线宽,发展到改用深紫外光(波长248nm)生产0.18μm线宽,更可通过超深紫外光(波长193nm)刻画线宽达0.11μm的微细回路。

248nm光刻胶通常采用聚对羟基苯乙烯衍生物为成膜树脂,芳基碘鎓盐或硫鎓盐作为光致产酸剂,运用化学增幅技术,在光作用下光致酸发生剂释放出酸,然后酸催化使聚合物交联(负胶)或发生脱保反应(正胶),从而使感光灵敏度极大地提高。

目前我国IC行业大多生产线宽在0.35-1μm分辨率的芯片,尽管可以提供少量深紫外光刻胶产品,但无法满足国内需求。

通常,聚对羟基苯乙烯通过对叔丁氧基苯乙烯、对叔丁氧酰氧基苯乙烯、对乙酰氧基苯乙烯等中间体聚合,形成相应的聚合物,再经处理脱除对叔丁氧基、对乙酰氧基等保护基后得到。

对乙酰氧基苯乙烯是最早用于研究合成聚对羟基苯乙烯系列光致抗蚀剂的中间体,对羟基苯乙烯乙酰化后可得到对乙酰氧基苯乙烯,本文主要综述了对乙酰氧基苯乙烯及对羟基苯乙烯的合成方法[1-2]。

二、合成
2.1以对羟基苯乙酮为原料合成对乙酰氧基苯乙烯
2.1.1经对乙酰氧基苯基甲基甲醇合成对乙酰氧基苯乙烯
1958年,Corson等人[3]提出了从苯酚出发经对羟基苯乙酮、对乙酰氧基苯乙酮、对乙酰氧基苯基甲基甲醇制备对乙酰氧基苯乙烯的方法。

赫希斯特人造丝公司改进了上述的经对乙酰氧基苯乙酮、对乙酰氧基苯基甲基甲醇制备对乙酰氧基苯乙烯的方法,同时也提供
了一种制备聚对羟基苯乙烯的方法[4-10],反应过程见图1。

首先对羟基苯乙酮乙酰化,得到对乙酰氧基苯乙酮。

对羟基苯乙酮与醋酐,在0.1~1000毫米汞柱的压力和135~150℃的初始温度,然后降低到35~85℃条件下,进行回流2~20小时生成对乙酰氧基苯乙酮。

然后对乙酰氧基苯乙酮再经无溶剂氢化生成对乙酰氧基苯基甲基甲醇。

在无溶剂存在,至少达化学计算量的氢及选自钯/碳或活性镍(如Raney镍)的催化剂的存在下,将对乙酰氧基苯乙酮于60~90℃的温度
下,加热2~7小时制取对乙酰氧基苯基甲基甲醇。

图1
最后制得的对乙酰氧基苯基甲基甲醇进行脱水。

在乙酸酐、磷酸脱水催化剂、0.1%吩噻嗪聚合阻聚剂存在下,以连续进料的方式,对乙酰氧基苯基甲基甲醇在180~220℃的温度、40~100mmHg的压力下进行脱水,制备对乙酰氧基苯乙烯,此时反应的选择性可达95%,对乙酰氧基苯基甲基甲醇转化为对乙酰氧基苯乙烯的转化率为78%。

当在一台停留时间短的薄膜蒸发器中[11],用一种酸催化剂,将对乙酰氧基苯基甲基甲醇真空加热10分钟或更短的时间,反应温度约为85℃~300℃,反应压
力约为0.1~760毫米汞柱,制取对乙酰氧基苯乙烯时,比在间歇反应器脱水制备对乙酰氧基苯乙烯时,反应选择性至少可提高10%。

得到的对乙酰氧基苯乙烯可以进行自由基聚合,生成聚对乙酰氧基苯乙烯,然后水解生成聚对羟基苯乙烯。

此外,日本ADCHEMCO公司也研究了另一种经对乙酰氧基苯基甲基甲醇制备对乙酰氧基苯乙烯的方
法[12]。

即对乙酰氧基苯乙酮加氢得到对乙酰氧基苯基甲基甲醇,然后卤化(SOCl2)
,再脱氯制得产品对乙酰氧基苯乙烯。

2.1.2经对羟基苯基甲基甲醇制备对乙酰氧基苯乙烯
赫希斯特人造丝公司发明了以对羟基苯乙酮为原
料,经对羟基苯基甲基甲醇制备对乙酰氧基苯乙烯的方法。

该方法工艺步骤少,而且对羟基苯基甲基甲醇在酸催化剂和乙酰化试剂的存在下,加热脱水直接形成对乙酰氧基苯乙烯[13-15]。

首先对羟基苯乙酮加氢形成对羟基苯基甲基甲醇。

对羟基苯乙酮在20℃~100℃、100磅/英寸2到
400磅/英寸2的压力、化学计量的氢气和一种选自Pd/C、Pd/Al2O3、Pd/SiO2和Pd/CaCO3的催化剂及溶剂/稀释剂的存在下,加氢1到12小时形成对羟基苯基甲基甲醇。

对羟基苯乙酮加氢后,从反应产物中分离对羟基苯基甲基甲醇。

回收含有未反应的对羟基苯乙酮的残余物,并作为下一加氢过程的起始物质。

可以使用任何方法从反应产物中分离对羟基苯基甲基甲醇。

然后对羟基苯基甲基甲醇在磷酸催化剂、乙酰化试剂(乙酸酐、乙酰氯或它们的混合物)和溶剂/稀释剂的存在下,在100℃到300℃,1乇至100乇的压力下,直接脱水生成对乙酰氧基苯乙烯。

利用这种方法,在加氢产物中含对羟基苯基甲基甲醇能达99.0%,脱水后对乙酰氧基苯乙烯的产率可达68.5%。

此外,赫希斯特人造丝公司还依此提供了一种以对羟基苯乙酮为原料,经对羟基苯基甲基甲醇生产聚对羟基苯乙烯的新方法[16-19]。

对羟基苯乙酮加氢形成对羟基苯基甲基甲醇,然后在100℃~300℃、常压下,加热对羟基苯基甲基甲醇,分解形成单体对羟基苯乙烯,再在70℃~300℃加热聚合形成聚对羟基苯乙烯。

用这种方式可以用两步法合成聚对羟基苯乙烯,而先前需要利用五步法制备。

2.2以对羟基苯甲醛为原料2.2.1经对羟基肉桂酸生成对羟基苯乙烯
早期,Sovish[20]以对羟基苯甲醛为原料,与丙二酸反应制取对羟基肉桂酸后,制备对羟基苯乙烯。

利用这
种方法获得41%的对羟基苯乙烯。

1982年,美国国际香料和芳香有限公司研究了一种以对羟基苯甲醛为原料制备食品级对羟基苯乙烯的方法[21]。

首先丙二酸与对羟基苯甲醛,在亚乙基二酰胺、二甲基甲酰胺和溶剂环己烷的存在下,形成对羟基苯乙烯二羧酸。

然后该物质在原位脱去羧基形成对羟基肉桂酸。

最后对羟基肉桂酸脱去羧基形成不纯的对羟基苯乙烯(见图2)。

随后不纯的对羟基苯乙烯乙酰化形成对乙酰氧基苯乙烯,通过蒸馏从杂质中分离出来,得到的纯对乙酰氧基苯乙烯用碱如氢氧化钠或氢氧化钾水解形成对乙烯苯酚盐(其中M为钠或钾);再用酸中和形成食品级的对羟基苯乙烯,再通过结晶、过滤进一步分离出产品(见图3)。

2004年,美国科学与工业研究委员会研究了一种用微波诱导对羟基苯甲醛制备对羟基苯乙烯的方法[22]。

对羟基苯甲醛与丙二酸在有机碱和有机酸存在下,用微波辐射1~20分钟,然后经分离、过滤、洗涤后,以40%的产率得到液体对羟基苯乙烯。

2.2.2经对乙酰氧基苯甲醛合成对乙酰氧基苯乙烯
对羟基苯甲醛酯化得到对乙酰氧基苯甲醛后,用格林试剂亚甲基化或经Wittig反应,可以得到对乙酰氧基苯乙烯(见图4)。

早期,Jean等人[23]通过对乙酰氧基苯甲醛的Wittig反应制备出对乙酰氧基苯乙烯,但通过这种方法得到对乙酰氧基苯乙烯的产率仅在12%~42%之间。

2002年,日本的ADCHEMCO公司也公开了对乙酰氧基苯甲醛经Wittig反应制备对乙酰氧基苯乙烯的方法;以及另外一种对羟基苯甲醛先经Wittig反应,随后进行酯化制备对乙酰氧基苯乙烯的方法[24]。

图2
图3
图4
上述生产对乙酰氧基苯乙烯的方法中,使用了昂贵的试剂如格林试剂和Witting试剂,以及特殊反应所需的设备和操作,而且产率不高。

本州化学工业株式会社提供了一种生产对乙酰氧基苯乙烯的方法[25]。

即对乙酰氧基苯甲醛与二溴甲烷在活性氯和金属锌的存在下,在有机溶剂中反应,醛基选择性地转化为乙烯基,对乙酰氧基苯乙烯不需使用特殊的设备就能容易地以很高的产率(能达到80%)得到;不过这种方法使用了过量的高价、毒性很强的试剂二溴甲烷。

对羟基苯甲醛在NaOH水溶液存在下,与乙酸酐反应,以94%的产率合成对乙酰氧基苯甲醛。

在50℃的条件下,对乙酰氧基苯甲醛与活化后的金属锌、二溴甲烷及乙酐反应得到对乙酰氧基苯乙烯。

2.3以对乙基苯酚及其衍生物为原料2.3.1以对乙基苯酚为原料
以对乙基苯酚为原料,在500℃以上的温度脱氢,形成对羟基苯乙烯,然后再乙酰化得到对乙酰氧基苯
乙烯。

如下图所示:
图5
最适合对乙基苯酚脱氢的催化剂是采用多种金属氧化物组合使用。

日本丸善石油株式会社研究的乙基苯酚脱氢催化剂主要有以下几类:(1)载于碱土金属氧
化物上的氧化铁类[26];(2)载于碱土金属氧化物上的含钒、钼、锰、钴等金属的氧化物[27];(3)氧化铬(III)可与氧化锌、氧化锰、氧化钛和氧化锆金属氧化物结合[28];(4)氧化锡(IV)可与金属锡粉末或氧化锰、氧化铬(II-I)、氧化锌等金属氧化物结合[29];(5)氧化钛(IV)可与金属氧化物氧化锰、氧化铁、氧化铜等结合[30];(6)含钡和锡的氧化物,可与氧化钒、氧化锰、氧化铁等金属氧化物结合[31];(7)其他催化剂。

研究者采取各种方法提高对乙基苯酚脱氢生产对羟基苯乙烯的选择性、降低反应温度、制备高纯度的对羟基苯乙烯及对乙酰氧基苯乙烯。

日本丸善石油株式会社研究了一种对乙基苯酚脱氢生产对羟基苯乙烯的方法[32]。

在催化剂和稀释剂存在下,在气相条件下,当反应体系中存在苯酚和/或对甲酚,其量为对乙基苯酚的5~50wt%时,提高了生产对羟基苯乙烯的选择性,可以使得在工业规模生产对羟基苯乙烯时,最终产品的选择性高于现有技术,达到85%以上。

同时,也降低了起始物质因副反应造成的损失。

2002年,广荣化学工业株式会社开发了一种催化剂,通过气相脱氢,即使在较低的温度(400~600℃)下,也可以高选择性(可达77%)地由烷基苯酚制备对羟基苯乙烯的方法[33]。

催化剂的通式如下:
CoaXbOc式(1)式中,X表示铬、铁,a、b、c分别钴、元素X以及氧原子的比,a=1时,b=0.3-3,c是由钴和元素X的原子比和原子价以及氧的原子价决定的值。

广荣化学工业株式会社提供了一种从含对羟基苯乙烯和乙基苯酚的混合物中,通过简单的蒸馏操作,制
备含少量乙基苯酚的高纯度对羟基苯乙烯溶液的方法[34]。

将含羟基苯乙烯和乙基苯酚的混合物,在20℃和液体多价乙醇以及/或它的诱导体存在下进行蒸馏,使乙基苯酚馏出,将得到的对羟基苯乙烯残留物溶液,再用薄膜蒸馏装置进行蒸馏,可以得到高纯度对羟基苯乙烯。

该公司与田冈化学工业株式会社联合进一步开发了一种从上述羟基苯乙烯和乙基苯酚混合物,制备
高收率、高纯度对乙酰氧基苯乙烯的方法[35]。

首先利用前面所述的技术从混合物制得高纯度对羟基苯乙烯,然后在有或没有催化剂的条件下,加入乙酰化试剂进行反应,制备对乙酰氧基苯乙烯。

2.3.2以对-α-氨基乙基苯酚为原料
赫希斯特人造丝公司开发了一种以对-α-氨基
乙基苯酚(图6a)为原料,制备对羟基苯乙烯与对乙酰氧基苯乙烯的方法[36-37]。

该方法的反应温度低、在常压
下即可形成对羟基苯乙烯。

对-α-氨基乙基苯酚在80~200℃的温度和常压下脱氨基,经足够长的时间(至少5分钟,也可达5小时)形成对羟基苯乙烯。

对羟基苯乙烯再在50~150℃、常压下,用乙酰化试剂如乙酸酐、乙酸、乙酰氯或它们的混合物乙酰化,得到对乙
酰氧基苯乙烯。

2.4.微生物法合成对羟基苯乙烯
杜邦公司的Ben-Bassat等人[38]研究了从简单的碳源如葡萄糖利用一种重组寄主细胞生产对羟基苯乙烯的生物方法。

该寄主细胞至少含有一个具有对羟基肉桂酸脱酸酶(PDC)活性的多肽编码基因以及含有一个具有酪氨酸解氨酶(TAL)活性的多肽编码基因或一个具有苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性的多肽编码基因。

PAL活性在P-450/P-450还原酶体系能将苯丙氨酸转化为对羟基肉桂酸。

TAL活性高的酶能将酪氨酸直接转化为对羟基肉桂酸,无需中间步骤。

然后,对羟基肉桂酸脱羧酶(PDC)将对羟基肉桂酸转化为对羟基苯乙烯。

不过生物法生产对羟基苯乙烯遇到最终产品受到抑制的问题,限制了产率。

特别是,微生物法生产产品时的生产速率随产品浓度增加降低。

另外,当产品在发酵介质中达到一定的浓度时,PDC酶和微生物因产品而失活。

使用具有对羟基肉桂酸脱酸酶活性的酶源,在双相反应介质中催化对羟基肉桂酸脱酸,生产对羟基苯乙烯,然后萃取对羟基苯乙烯进入双相反应介质的有机相,这样因减少了酶源接触并抑制产品生产的机会,能使对羟基苯乙烯的生产产率提高。

而且产品能容易
地从萃取剂中回收,或回收前直接在萃取剂中用化学方法生成衍生物[39]。

2.5.以其他物质为原料2.5.1以对卤代苯衍生物为原料
日本的ADCHEMCO公司研究了一种利用p-MeCO2C6H4X(X=F、Cl、Br、I)制备对乙酰氧基苯乙烯的方法。

对乙酰氧基溴苯(图6b)与乙烯在乙酸钯、三间甲苯膦和三乙胺存在下,于90℃在1MPa的压力下在乙腈中反应30分钟,生成91.3%的对乙酰氧基苯乙烯[24]。

美国伊士曼柯达公司研究了一种以对位取代的芳香碘化合物与烯烃反应制备对羟基苯乙烯的方法。

对溴苯酚与乙烯,在催化剂乙酸钯、溶剂乙酸甲酯的存在下,在156℃下反应3小时,生成90.3%的对羟基苯乙烯,而以甲苯为溶剂时生成18.0%的对羟基苯乙烯。

该工艺不需要昂贵的膦配体,产品容易回收,催化剂可再生,即使烯烃的反应性能较低也是有作用的,因其减少了不必要的副产品如1,2-二苯乙烯或其衍生物的形成[40]。

2.5.2以对乙酰氧基苯基乙烷衍生物为原料
韩国大学研究了一种连二溴化合物还原脱溴生成对乙酰氧基苯乙烯的方法。

二氯双(环戊二烯基)钛和铟粉混合加入到4-(1,2-二溴乙基)苯基乙酰氧基酯(图6c)中,生成90%的对乙酰氧基苯乙烯[41]。

BASF公司公开了一种从1-(4-乙酰氧基苯基)乙
醇得到的酯制备对乙酰氧基苯乙烯的方法[42]。

在160~250℃、0.1~300mbar,在酸催化剂(如Al2O3/
SiO2)和聚合抑制剂存在下,在惰性的热交换介质中加热酯p-(AcO)C6H4CHMeO2CR(R=烷基、环烷基、芳基)(图6d),以高转化率和选择性形成对乙酰氧基苯乙烯。

2.5.3以对叔丁氧基苯乙烯为原料
日本东芝公司研发了以对叔丁氧基苯乙烯(图6e)为原料制备对乙酰氧基苯乙烯的方法。

对叔丁氧基苯乙烯与乙酸在硫酸催化剂的存在下,在50℃反应1小时生成66.4%的对乙酰氧基苯乙烯[43]。

本州化学工业
株式会社研究了对叔丁氧基苯乙烯与乙酸在对甲苯磺
酸、DMF和叔丁基氢醌的存在下,在70℃反应2.5小时生成67.9%的对乙酰氧基苯乙烯[44]。

日本东芝公司研究了对叔丁氧基苯乙烯与乙酸在硫酸和对甲苯磺酸的存在下,反应得到84%的对乙酰氧基苯乙烯[45]。

2.5.4以二(对乙酰氧基苯基乙基)醚为原料
赫希斯特人造丝公司开发了从二(1-(4-乙酰氧
基苯基)乙基)醚(图6f)为原料制备对乙酰氧基苯乙烯的方法[46-47]。

这种醚在酸催化剂存在下从芳基烷基醇制备。

三、结束语
目前,用于光致抗蚀剂的聚对羟基苯乙烯,其中间体对乙酰氧基苯乙烯主要采用对羟基苯乙酮、对羟基苯甲醛、对乙基苯酚及衍生物、对卤代苯衍生物、对乙酰氧基苯基乙烷衍生物、对叔丁氧基苯乙烯等为原料用化学方法合成,以及用对羟基肉桂酸为原料利用生物催化的方法、用微波诱导对羟基苯甲醛的方法合成。

从文献资料来看,以对羟基苯乙酮为原料,经对乙酰氧基苯基甲基甲醇制备对乙酰氧基苯乙烯的方法;以对羟基苯甲醛为原料,经对羟基肉桂酸制备对羟基苯乙烯的方法;以对乙基苯酚为原料制备对羟基苯乙烯的方法;以及微生物的方法制备对乙酰氧基苯乙烯的方
法等在工业上具有可行性。

图6四、
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