摘要：羟醛缩合可以形成新的碳 碳键,增长碳链,是一类重要的有机反应。反应过程中同时存在许多副反应,导致反应选择性的降低,选择合适的催化剂对此类反应十分关键。本文根据活性中心的不同,对酸性、碱性和酸 碱两性三类不同的催化剂进行了论述,分析了羟醛缩合反应催化剂今后的发展方向。
关键词：羟醛缩合;催化剂;活性中心;催化机理中图分类号:O621 25+ 2 文献标识码:A
羟醛缩合反应是指含有活性α 氢原子的化合物如醛、酮、羧酸和酯等,在催化剂的作用下与羰基化合物发生亲核加成,得到β 羟基醛或酸,或进一步脱水得到α,β 不饱和醛酮或酸酯的反应。分子间的羟醛缩合经常被用来合成一些β 羟基化合物,如1,3 丙二醇、1,3 丁二醇和新戊二醇等。其可作为进一步生产香料、药物等多聚物或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)等高聚物的单体;缩合脱水产物α,β 不饱和醛氧化得到相应的可广泛用作精细化工生产原料的羧酸,如2,2 二羟甲基丙酸可用作水性氨脂扩链剂以及制备聚酯、光敏树脂和液晶,2 甲基 2 戊烯酸是具有水果香味的食用香料,可广泛用于食品加工业和其它日化香精产业;此外,α,β 不饱和醛完全氢化时得到饱和伯醛,可用作溶剂或制造洗涤剂、增塑剂。
分子间的羟醛缩合涉及含α 氢原子的同一种醛之间自身缩合和两种不同醛之间的交叉缩合。若参与交叉缩合的两种醛都含有α 氢,反应得到的总是复杂的混合物,限制了其应用。酮的自缩合反应产率很低,应用较少。酮与不含α 氢原子的醛进行交叉羟醛缩合的应用也比较普遍[1]。
分子间的交叉羟醛缩合,存在以下问题:1)烯醇化和醛醇化的过程中,结构选择,区域选择和化学选择的选择性比较低;2)分子容易脱水形成α,β 不饱和羰基化合物,进一步生成低聚物甚至多聚物,降低了主反应的选择性;3)质子可能从羰基转移到具有活性的烯醇化物,交叉耦合被制约[2]。故反应过程中伴随许多副反应,降低反应选择性和目标产物收率和纯度。因此选择适宜的催化剂是保证羟醛缩合反应工业化应用成功的关键。
1 羟醛缩合反应机理
羟醛缩合从机理上讲,是碳负离子对羰基碳的亲核加成。醛或酮分子中的羰基结构使α 碳原子上的氢原子具有较大的活性,在酸性催化剂作用下,羰基氧原子质子化,增强了羰基的诱导作用促进α 氢解离生成烯醇。在碱性催化剂作用下α 碳原子失去氢原子形成碳负离子共振杂化物,达到平衡后生成烯醇盐(图1)。
烯醇盐,紧接着与另一分子醛或酮的羰基进行亲核加成,形成新的碳 碳单键,得到β 羟基醛或酮。由于α 氢原子比较活泼,含有α 氢原子的β 羟基醛或酮容易失去一分子水形成具有更加稳定共轭双键结构的α,β 不饱和醛或酮(图2)。
2 反应催化剂
对于两种不同醛或酮间的交叉缩合,由于非催化过程副反应多,导致选择性不高。需通过催化过程使得目的产物的选择性达到工业应用的要求。对于反应所使用的催化剂,根据其所具有的酸碱活性中心,可分为酸性催化剂、碱性催化剂、酸 碱催化剂。
2.1 酸性催化剂
常用的酸性催化剂有(VO)2P207、α VOHPO4、铌酸和MFI沸石等。在酸性催化剂的阳离子活性中心(Brnsted中心或Lewis中心),醛羰基活化形成烯醇正碳离子从而发生缩合反应。酸催化的烯醇 酮平衡可表示为已有的研究发现,催化剂表面酸性活性中心的种类、数目和分布都会影响其催化性能,适宜的酸强度能有效促进气相羟醛缩合反应过程中正碳离子的形成,提高反应活性。
Tanner等[3]使用(VO)2P2P7和α VOHPO4的磷酸钒氧化物作催化剂,对丙酮的自缩合、丙酮与甲醛的交叉缩合进行了研究,表明对于该反应磷酸钒催化剂的酸性活性中心具有较好的催化能力,羰基结构基团在其表面迅速完成了质子化和亲核加成的反应过程。
Paulis等[4]使用铌酸(Nb2o5·nH2O)作为催化剂,进行丙酮气相羟醛缩合反应,发现反应产物种类与催化剂酸性中心的的酸强度和酸度密切相关。研究表明,铌酸催化剂表面的bR nsted酸性中心酸强度较强,在催化缩醛和缩酮的反应中,具有很好的催化活性,选择性和稳定性。
Dumitriu等[5]将具有不同酸性的MFI沸石用于低碳醛的气相羟醛缩合反应,通过改变催化剂中Si Fe3+的比例,调节Br nsted酸性中心的酸强度和酸度,结果发现表面酸强度的增强,可以促进低碳醛气相羟醛缩合反应的进行,提高反应转化率。
2 2 碱性催化剂
羟醛缩合反应中经常采用的碱性催化剂,其包括碱性化合物(碱金属或碱土金属的氧化物、氢氧化物、碳酸氢盐、碳酸盐和羧酸盐)、有机胺类化合物以及阴离子交换树脂等。实际工业应用中,羟醛缩合反应所选用的碱性催化剂,可以是弱碱(如碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸钠),也可以是强碱(如氢氧化钠、氢氧化钙、氢化钠、醇钠等)。前者一般用于活性较大的醛之间的缩合,产物多为β 羟基化合物;后者则用于活性较小、空间位阻大的醛或酮之间的缩合,且反应多在非质子极性溶剂中进行。碱催化的烯醇 酮平衡如下：
碱金属化合物催化剂常用于羟醛缩合制备羟基醛的反应中,得到的产物经过加氢纯化可以得到二元醇乃至多元醇,例如乙醛自缩合得到的3 羟基丁醛的反应,选择苛性钠水溶液作为催化剂[6、7],粗产品催化加氢可得到1,3 丁二醇。同样的,甲醛和丁醛交叉缩合生成2,2 二羟甲基丁醛,选择碳酸钠和氢氧化钠混合溶液作为催化剂可以减少副反应,提高反应选择性。
Lopez等[8]分别采用NaBEA、KF/矾土和La2O3固体催化剂,对苯甲醛和苯乙酮的羟醛缩合反应中催化剂失活机理进行了研究。试验表明,反应过程中产生的苯甲酸会大大降低反应过程中质子氢的转移速率,而胺的加入对其速率影响较小,因此认为催化剂的碱性活性中心能够有效催化反应,而催化剂的失活也与碱性活性中心的损耗相关。
有机胺类化合物是羟醛缩合反应中广泛应用的另一类碱性催化剂。例如甲醛和异丁醛缩合生成羟基新戊醛的反应,多使用三乙胺作为缩合催化剂,缩合产物经氢化得到新戊二醇。甲醛和正丁醛在三乙胺催化作用下缩合然后氢化,则生成高纯度的羟甲基丙烷。最近专利[9]报导了一种有机胺盐类缩合催化剂,用于羟醛缩合制1,3 丙二醇的过程。
阴离子交换树脂是近年来新兴的碱性催化剂。传统的碱金属氢氧化物溶液(如nAOH、KOH)作为催化剂,存在催化剂难于回收,容易腐蚀设备,生成液需要中和分离,反应工艺复杂、生产周期长等缺点,而阴离子交换树脂在保持催化活性的基础上克服了上述缺点,得到越来越多研究人员的关注。
目前工业上2,2 二羟甲基丙酸的生产主要以甲醛、丙醛为原料,在无机碱或有机碱催化作用下,经羟醛缩合反应生成2,2 二羟甲基丙醛,再用H2O2氧化得到。最新研究表明,在固定床反应器中,选用硅烷化碱性阴离子交换树脂催化剂,反应效果的好坏取决于球状催化剂比表面的大小、活性基团的多少、吸附脱附速度的快慢等[10]。催化剂以固体形式存在,避免了用碱液作催化剂的一系列问题,同时也保证了反应转化率和选择性。
工业上合成2 甲基 2 戊烯醛也普遍使用NaOH水溶液作催化剂,产率在80%左右,但是NaOH水溶液会腐蚀实验设备且产物不易分离。唐斯萍等[11]研究了以阴离子交换树脂作催化剂,丙醛双分子缩合制备2 甲基 2 戊烯醛的新工艺,目标产物2 甲基 2 戊烯醛的产率可以达到93 54%。
近年来国内也有不少关于阴离子交换树脂应用于羟醛缩合反应的报道。欧植泽等[12]通过试验筛选出三丁胺胺化强碱性阴离子交换树脂作为相转移催化剂,催化合成苄叉丙酮,在优化反应条件下,苄叉丙酮的收率可达98%,且催化剂可重复使用。胡微等[13]选择强碱性苯乙烯系季铵型离子交换树脂作为催化剂,用丙酮与甲醛缩合制得乙酰乙醇,再在草酸存在下脱水得到甲基乙烯酮。石秀敏等[14]研制筛选出适合于催化蒸馏法制二丙酮醇的新型阴离子催化剂,即大孔型强碱性苯乙烯阴离子树脂,催化活性和选择性都很高。
2.3 酸碱催化剂
酸碱催化剂同时具有酸性 碱性活性中心,如一些二元氧化物或者水滑石(Hydrotalcites,简称HTs)等,适用于气相羟醛缩合反应,也可用于液相羟醛缩合反应,近年来随着其相关研究的发展,酸 碱催化剂在羟醛缩合反应中的应用越来越受到重视。
Ai[15]在用各种氧化物催化气相羟醛缩合反应的研究过程中,发现催化剂的活性和选择性是由催化剂的酸碱平衡所决定的,认为羟醛缩合反应主要是由碱性活性中心催化的,同时需要有酸性活性中心促进缩合反应的进行。但是如果催化剂中所含酸性氧化物比例过高,会降低催化剂的碱性,导致催化剂失活,如何合理选择酸碱活性中心的数目比例是应用两性催化剂的关键。
1987年Ai[16]将V2O5 P2P5二元氧化物催化剂用于甲醛和乙酸及其衍生物的气相羟醛缩合反应,发现如果不使用催化剂,反应要求温度比较高,而使用V2O5 P2O5二元氧化物将提高反应活性,降低所需要的反应温度,V2O5 P2O5二元氧化物中P/V原子比即酸碱活性中心的数目和分布是影响催化性能的关键。
甲醛与乙醛气相羟醛缩合反应的主产物为丙烯醛,同时伴随着两种副反应:丙烯醛进一步聚合生成大分子的多聚物;甲醛二聚生成甲酸甲酯,再分解为甲醇和二氧化碳。Ai[17]对其实验发现,酸性氧化物如MoO3、WO3、P2O5等,对丙烯醛的生成表现出相当高的选择性,但是反应活性比较低;而碱性氧化物Mgo、V2O5等,催化活性很高,但同时也会促进副产物甲醇和二氧化碳的形成,降低了选择性。他尝试将酸性氧化物和碱性氧化物相结合即以NiP,MnP,FeP和VP二元氧化物作为缩合催化剂,在一定程度上提高了主反应的选择性,丙烯醛收率达到86%,副产物甲醇和二氧化碳的生成速度很慢,对主反应的影响不大。
Roelofs等[18]在低温下用水滑石催化苯甲醛与酮、柠檬醛与丙酮的液相羟醛缩合反应,研究发现水滑石的催化活性与其结构特征密切相关,催化剂边缘结构的无序状态,可以提高内层的OH-活性,结构不规则程度越高,边缘结构越无序,其晶片OH-的碱性越强,对羟醛缩合反应的催化活性也越明显。
Emil等[19]将各种混合氧化物类催化剂用于甲醛和乙醛的气相羟醛缩合反应,发现对于低碳原子数目的醛之间的气相羟醛缩合,催化剂的选择性由其结构中酸、碱性的平衡度来控制,Mg AI或者Co AI混和氧化物对低碳醛之间的自缩合反应以及交叉缩合反应,表现出了极高的选择性和活性。Koteswara等[20]也进行了类似的研究,考察了不同条件下活化Mg AI水滑石催化剂对羟醛缩合选择性的影响,得出结论在较低的温度和非均相催化条件下反应收率比较高。
3 结语
由前文所述,酸性或碱性催化剂对羟醛缩合反应都具有一定的催化效果,传统的工业应用中,碱性催化剂使用更普遍一些。目前碱性催化剂研究的重点是以固态的阴离子交换树脂代替传统的液体碱类催化剂,减轻了反应器的腐蚀,有利于产物的分离。近年来,同时具有酸 碱活性中心的两性催化剂,对于羟醛缩合反应所表现出的良好选择性和催化活性,引起了不少研究人员注意,相信通过进一步深入研究羟醛缩合反应催化机理,根据具体反应调整两性催化剂酸碱活性中心的强度,对于提高羟醛缩合反应的收率、促进其工业化具有极大的应用价值,是羟醛缩合反应催化剂未来发展的重要方向。
