強(qiáng)酸樹脂催化合成乙醛酸甲酯

龔海燕，孫鳳俠，劉俊濤

(中國(guó)石油化工股份有限公司上海石油化工研究院綠色化工與工業(yè)催化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201208)

乙醛酸酯及其縮醛化合物中的α-酮(或乙縮醛)官能團(tuán)具有很高的反應(yīng)性能，可用于合成多種藥物和天然化合物。如乙醛酸酯經(jīng)Aldol反應(yīng)合成3-氨基-α-羥基-β-酯基-3-季碳氧化吲哚類具有抗腫瘤性能的化合物[1]。乙醛酸酯在手性有機(jī)小分子或離子液體催化作用下可與各種醛發(fā)生不對(duì)稱羥醛縮合反應(yīng)合成具有較高光學(xué)效率的化合物[2-3]。

目前文獻(xiàn)報(bào)道的合成方法主要有：(1) 酒石酸酯氧化法。采用具有氧化性的無機(jī)氧化劑[4-5]對(duì)酒石酸酯進(jìn)行氧化得到乙醛酸乙酯，該方法產(chǎn)率較高，但廢液量大，不環(huán)保；(2) 乙醇酸甲酯氧化法。該方法以乙醇酸甲酯為原料，經(jīng)空氣催化氧化制備乙醛酸甲酯，催化劑經(jīng)過優(yōu)化后收率達(dá)97.7%，但是該反應(yīng)溫度較高，且原料乙醇酸甲酯價(jià)格相對(duì)較高[6-7]；(3) 馬來酸臭氧氧化法。用臭氧對(duì)馬來酸酯先氧化，再催化加氫還原得到乙醛酸乙酯，產(chǎn)物收率≥89.0%，但反應(yīng)過程中需使用過量臭氧，且后續(xù)還需高壓還原，流程長(zhǎng)，工業(yè)化有一定難度[8-9]；(4) 丁烯二酸二乙酯氧化法。以氧化錳或三氯化釩為催化劑，在室溫下用氧氣氧化丁烯二酸二乙酯得到乙醛酸酯，該方法產(chǎn)物收率不高，且在合成過程中會(huì)使用大量二甲基亞砜、苯和磷酸等溶劑[10]。所以從整體環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，上述幾種工藝工業(yè)化都有一定局限性，因此，研究一種簡(jiǎn)單高效的制備乙醛酸甲酯的合成方法具有重要意義。

本文以乙醛酸和甲醇為原料，在強(qiáng)酸性樹脂催化劑作用下進(jìn)行反應(yīng)得到乙醛酸甲酯。考察反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、醇酸比和催化劑用量對(duì)反應(yīng)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 劑

甲醇，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙醛酸，化學(xué)純，南京化學(xué)試劑股份有限公司；催化劑，強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂。

1.2 乙醛酸酯合成

稱取一定量的甲醇、乙醛酸和強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂置于四口燒瓶?jī)?nèi)，燒瓶裝有回流冷凝管、溫度計(jì)、攪拌槳和取樣口。控制油浴至反應(yīng)溫度，并根據(jù)反應(yīng)時(shí)間定時(shí)取樣分析。

1.3 樣品分析

采用液相色譜(島津LC-20A)分析反應(yīng)產(chǎn)物。安捷倫C18柱，柱箱溫度35 ℃，檢測(cè)波長(zhǎng)212 nm，進(jìn)樣量2 μL，10%乙腈和0.06%磷酸水溶液流動(dòng)相，流速0.6 mL·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)機(jī)理

乙醛酸和甲醇在酸催化作用下發(fā)生反應(yīng)，其過程一般按圖1～2進(jìn)行。乙醛酸分子在酸催化劑作用下形成帶凈正電荷的乙醛酸分子。然后這個(gè)帶正電荷的乙醛酸和甲醇分子反應(yīng)，得到兩羥基連著一個(gè)碳原子的中間產(chǎn)物，該中間產(chǎn)物脫水可得到乙醛酸甲酯。

圖1 乙醛酸和甲醇酯化反應(yīng)機(jī)理Figure 1 Esterification mechanism of glyoxylic acid and methanol

乙醛酸甲酯進(jìn)一步受酸催化作用，其中的羰基氧原子質(zhì)子化后和醇發(fā)生親核加成反應(yīng)得到半縮醛。半縮醛不穩(wěn)定，繼續(xù)和醇反應(yīng)得到縮醛。

圖2 乙醛酸甲酯和甲醇縮合反應(yīng)機(jī)理Figure 2 Condensation mechanism of methyl glyoxylate and methanol

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)性能的影響

在常壓、醇酸物質(zhì)的量比8∶1、反應(yīng)溫度55 ℃、催化劑用量為乙醛酸質(zhì)量5%條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)性能的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)性能的影響Figure 3 Effect of time on the reaction performance

從圖3可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，乙醛酸轉(zhuǎn)化率快速升高，反應(yīng)1.5 h后升至78%以上，但進(jìn)一步延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，轉(zhuǎn)化率上升趨于緩慢。乙醛酸甲酯選擇性隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而下降，乙醛酸甲酯收率呈先增后降的趨勢(shì)。這是因?yàn)橐胰┧岷图状荚谒嵝源呋瘎┳饔孟虏粌H發(fā)生酯化反應(yīng)，而且酯化產(chǎn)物還會(huì)和甲醇反應(yīng)生成縮醛。反應(yīng)開始階段原料中乙醛酸和甲醇濃度較高，主要進(jìn)行酯化反應(yīng)，且反應(yīng)速率較快，乙醛酸轉(zhuǎn)化率迅速上升。隨著反應(yīng)進(jìn)行，物料中的乙醛酸甲酯含量上升，促進(jìn)縮醛反應(yīng)進(jìn)行，乙醛酸甲酯選擇性下降，同時(shí)縮醛反應(yīng)速率相對(duì)較慢。反應(yīng)1.5 h時(shí)，乙醛酸甲酯收率最高，為74.8%。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)性能的影響

在常壓、醇酸物質(zhì)的量比8∶1和催化劑用量為乙醛酸質(zhì)量5%條件下，考察反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)性能的影響Figure 4 Effect of temperature on the reaction performance

從圖4可以看出，反應(yīng)溫度從30 ℃提高到55 ℃，乙醛酸轉(zhuǎn)化率明顯加快，但進(jìn)一步提高反應(yīng)溫度至65 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率變化不明顯。乙醛酸甲酯選擇性隨著反應(yīng)溫度的升高而降低，所以控制反應(yīng)溫度為55 ℃可以獲得較高的乙醛酸甲酯收率。

乙醛酸和甲醇酯化反應(yīng)過程中伴隨乙醛酸甲酯和甲醇縮合的串聯(lián)反應(yīng)，提高反應(yīng)溫度在加快反應(yīng)速率的同時(shí)也會(huì)使乙醛酸甲酯過度反應(yīng)生成縮醛，乙醛酸甲酯選擇性下降，所以，控制反應(yīng)溫度55 ℃。

2.4 醇酸物質(zhì)的量比對(duì)反應(yīng)性能的影響

在常壓、反應(yīng)溫度55 ℃、反應(yīng)時(shí)間1.5 h和催化劑用量為乙醛酸質(zhì)量5%條件下，考察甲醇和乙醛酸物質(zhì)的量比對(duì)反應(yīng)性能的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 醇酸物質(zhì)的量比對(duì)反應(yīng)性能的影響Figure 5 Effect of alcohol-acid mole ratio on the reaction performance

從圖5可以看出，提高原料中醇酸物質(zhì)的量比，乙醛酸轉(zhuǎn)化率和乙醛酸甲酯收率提高，當(dāng)醇酸物質(zhì)的量比為8∶1時(shí)，轉(zhuǎn)化率為78.55%，收率為74.88%。繼續(xù)提高醇酸物質(zhì)的量比，對(duì)反應(yīng)性能影響不明顯。這是由于乙醛酸酯化反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，增加反應(yīng)物中甲醇的比例可提高乙醛酸的平衡轉(zhuǎn)化率。同時(shí)提高醇酸物質(zhì)的量比后，產(chǎn)物中乙醛酸甲酯濃度降低，縮合反應(yīng)減少，選擇性小幅提高。醇酸物質(zhì)的量比過高，甲醇用量過多，回收成本增加。因此，優(yōu)選醇酸物質(zhì)的量比為6∶1～8∶1。

2.5 催化劑用量對(duì)反應(yīng)性能的影響

在常壓、醇酸物質(zhì)的量比8∶1和反應(yīng)溫度55 ℃條件下，考察催化劑用量對(duì)乙醛酸轉(zhuǎn)化的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 催化劑用量對(duì)乙醛酸轉(zhuǎn)化率的影響Figure 6 Effect of catalyst loading on the conversion of glyoxylic acid

從圖6可以看出，乙醛酸和甲醇的酯化反應(yīng)在無催化劑條件下也可以進(jìn)行，但同樣反應(yīng)時(shí)間內(nèi)乙醛酸轉(zhuǎn)化率明顯低于催化反應(yīng)。當(dāng)催化劑用量為乙醛酸質(zhì)量的1%～5%時(shí)，乙醛酸轉(zhuǎn)化率隨催化劑用量的增加而提高，但是進(jìn)一步增加催化劑用量至10%時(shí)，轉(zhuǎn)化率提升不明顯。綜合考慮，催化劑用量為乙醛酸質(zhì)量的5%較優(yōu)。

2.6 催化劑穩(wěn)定性

在常壓、醇酸物質(zhì)的量比8∶1、反應(yīng)溫度55 ℃和反應(yīng)時(shí)間1.5 h條件下，考察催化劑重復(fù)使用性能，結(jié)果見圖7。

圖7 催化劑重復(fù)使用性能Figure 7 Reusability of the catalyst

從圖7可以看出，催化劑重復(fù)使用7次，乙醛酸轉(zhuǎn)化率和乙醛酸甲酯選擇性均超過77%和95%，催化劑穩(wěn)定性良好。

3 結(jié) 論

(1) 乙醛酸和甲醇在酸催化作用下先進(jìn)行酯化反應(yīng)得到乙醛酸甲酯，然后乙醛酸甲酯和甲醇進(jìn)一步發(fā)生縮合反應(yīng)生成縮醛。

(2) 在反應(yīng)溫度55 ℃、醇酸物質(zhì)的量比6∶1～8∶1、催化劑用量為乙醛酸質(zhì)量5%和反應(yīng)時(shí)間1.5 h條件下，乙醛酸甲酯收率最高達(dá)74.8%。

(3) 催化劑經(jīng)過7次重復(fù)使用后，乙醛酸轉(zhuǎn)化率和乙醛酸甲酯選擇性變化不大，催化劑穩(wěn)定性良好。