堿催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)研究

汪 波，蔣澤晨，張勝紅

(北京石油化工學(xué)院新材料與化工學(xué)院，恩澤生物質(zhì)精細(xì)化工北京市重點實驗室，北京 102617)

甲基異丙基酮(3-甲基-2-丁酮)作為一種重要的精細(xì)化工中間體和有機溶劑，廣泛用于染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥和其他高值精細(xì)化學(xué)品的合成，是我國長期依賴進口的重要精細(xì)化工品種之一[1]。甲基異丙基酮的合成按照起始原料可以分為異丁酸法、異丁醛法、異戊二烯和丁酮(MEK)法[2-4]。其中，以丁酮和甲醛為原料采用多級串聯(lián)反應(yīng)釜能夠?qū)崿F(xiàn)70%的甲基異丙基酮收率[5]，是一條極具市場應(yīng)用前景的技術(shù)路線。該工藝涉及丁酮和甲醛發(fā)生羥醛縮合(Aldol)生成α，β-不飽和酮及其催化加氫兩個過程，且Aldol反應(yīng)的效率是進一步提升產(chǎn)品收率的關(guān)鍵。

Aldol反應(yīng)是指有α氫的醛(酮)在堿或酸的催化作用下縮合形成β-羥基醛(酮)的反應(yīng)。Morgan和Holmes早在1932年就報道了氫氧化鈉催化丁酮和甲醛間的縮合反應(yīng)，但產(chǎn)物較為復(fù)雜，除4-羥基-3-甲基-2-丁酮(HMBO)及其脫水產(chǎn)物甲基異丙烯酮(MIPK)外，還含有1-羥基-3-戊酮(HPO)、次級Aldol反應(yīng)以及丁酮自身縮合的產(chǎn)物[6-7]。與堿催化不同，酸催化丁酮和甲醛縮合難以得到HMBO，產(chǎn)物主要是5-乙酰基-5-甲基-1，3-二氧六環(huán)；其中，甲醛和丁酮烯醇式異構(gòu)體的加成為反應(yīng)的決速步驟[8]。相比之下，堿催化丁酮和甲醛Aldol反應(yīng)的產(chǎn)物HMBO能夠進一步脫水加氫得到甲基異丙基酮，但如何實現(xiàn)丁酮和甲醛的定向Aldol縮合并高收率地制備HMBO至今尚未有完美的解決方案。

最近，大量的實驗報道顯示[9-11]，有機胺及其鹽能夠高選擇性地催化甲醛和其他醛(酮)間的交叉Aldol縮合，α，β-不飽和醛(酮)產(chǎn)物的選擇性超過90%，為丁酮和甲醛定向Aldol反應(yīng)催化劑的篩選提供了借鑒。因此，筆者詳細(xì)考察了不同有機堿催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的性能，優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)并基于產(chǎn)物的時間分布曲線初步推導(dǎo)了可能的反應(yīng)路徑。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

丁酮、碳酸鉀、乙胺、二環(huán)己基胺、乙二胺和三乙胺，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司生產(chǎn)；甲基異丙烯酮和4-羥基-3-甲基-2-丁酮，分析純，百靈威科技有限公司生產(chǎn)；25%氨水和37%甲醛溶液，國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

WP-TDC-020P加壓平行反應(yīng)儀，西安華太科思化學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)；Shimadzu GC-2014氣相色譜儀和GCMS-QP 2010 Plus氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，日本島津公司生產(chǎn)；Nicolet 6700紅外光譜儀，美國ThermoFisher公司生產(chǎn)；ME204/02電子天平，梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司生產(chǎn)。

1.2 催化性能評價

采用間歇式平行反應(yīng)儀對堿催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的性能進行評價。首先在硬質(zhì)玻璃反應(yīng)管中按照一定摩爾比加入丁酮和37%甲醛溶液，然后加入摩爾分?jǐn)?shù)為5%(相對于丁酮)的堿催化劑，以5 ℃/min的速率升溫到目標(biāo)反應(yīng)溫度并開始計時。反應(yīng)液采用電磁攪拌且磁子攪拌速率為300 r/min，反應(yīng)溫度為40 ℃，反應(yīng)時間為4 h。

1.3 產(chǎn)物分析

反應(yīng)液經(jīng)冷卻和濾膜(0.45 μm)分離后分別采用配置有Supelco WAX-10毛細(xì)管柱(30 m×0.32 mm×0.5 μm)的氣質(zhì)聯(lián)用儀和氣相色譜儀進行定性和定量分析，同時輔以紅外圖譜進行佐證。產(chǎn)物主要有MIPK、HMBO、甲醛縮一(4-羥基-3-甲基-2-丁酮)(FHMBO)和其他少許副產(chǎn)物。丁酮的轉(zhuǎn)化率[(X(MEK)]和產(chǎn)物Pi選擇性[(S(Pi)]的計算式分別為：

(1)

(2)

式中：n(Pi)和n(MEK)分別為反應(yīng)液中產(chǎn)物Pi和殘留原料MEK的物質(zhì)的量。

2 結(jié)果與討論

2.1 丁酮和甲醛Aldol縮合產(chǎn)物的定性分析

丁酮和甲醛Aldol縮合反應(yīng)主要產(chǎn)物的EI質(zhì)譜圖如圖1所示。由圖1中可以看出，產(chǎn)物依次對應(yīng)于MIPK、HMBO和FHMBO。其中，m/z84為MIPK的分子離子峰，其發(fā)生α斷裂失去甲基后得到m/z69的碎片離子；與MIPK不同，HMBO的分子離子峰m/z102較弱，其失水得到m/z 84的碎片離子或失去C3H5得到m/z61碎片離子。相比之下，F(xiàn)HMBO未觀察到分子離子峰，其質(zhì)譜中豐度最高的為CH2=C(CH3)-O碎片。

圖1 主要產(chǎn)物的質(zhì)譜數(shù)據(jù)圖Fig.1 Mass spectra of the main products

丁酮和甲醛Aldol縮合反應(yīng)產(chǎn)物(未分離)與HMBO標(biāo)準(zhǔn)品的紅外光譜圖如圖2所示。由圖2中可以看出，HMBO在3 200～3 650 cm-1處寬吸收帶為羥基的吸收，1 702 cm-1和1 360 cm-1處的尖銳吸收峰分別對應(yīng)于羰基和甲基的吸收。反應(yīng)液具有和HMBO相似的紅外吸收圖譜，佐證了HMBO是丁酮和甲醛Aldol縮合反應(yīng)的主要產(chǎn)物，與質(zhì)譜分析結(jié)果一致。此外，MIPK和HMBO也分別通過比照其與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)品的氣相色譜保留時間進行了驗證。

圖2 反應(yīng)產(chǎn)物和HMBO標(biāo)準(zhǔn)品的紅外光譜的對比圖Fig.2 FT-IR spectra of HMBO and the mixed reaction products

2.2 不同堿催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的性能

不同堿催化丁酮和甲醛Aldol縮合反應(yīng)的性能如表1所示。由表1中可以看出，在n(HCHO)/n(MEK)為1.1、溫度為60 ℃的條件下反應(yīng)4 h，空白反應(yīng)中MEK的轉(zhuǎn)化率僅為6.5%，表明未加入堿時丁酮和甲醛間難以發(fā)生有效的羥醛縮合。在上述反應(yīng)體系引入摩爾分?jǐn)?shù)5%(相對于丁酮)的氨水，丁酮的轉(zhuǎn)化率提高到31.1%，羥醛縮合反應(yīng)產(chǎn)物及其衍生物(HMBO、FHMBO和MIPK)的總選擇性為69.1%，但深度聚合導(dǎo)致的副產(chǎn)物的選擇性仍然高達(dá)30.9%。采用堿性更強的碳酸鉀作為催化劑能夠進一步提高丁酮的轉(zhuǎn)化率到83.4%，并促進產(chǎn)物HMBO分子內(nèi)脫水形成MIPK，但同時也增加了聚合副產(chǎn)物的含量。與無機堿不同，有機胺催化丁酮和甲醛縮合反應(yīng)的活性較為溫和且與催化劑的結(jié)構(gòu)無明顯關(guān)聯(lián)，但目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性卻顯著提高，尤其是三乙胺 (TEA) 為催化劑時高達(dá)88.1%，表明三乙胺是催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的理想催化劑。

表1 不同堿催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的性能

2.3 三乙胺催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)條件的優(yōu)化

為優(yōu)化三乙胺催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的工藝條件，采用單一變量法依次考察了溫度、醛酮摩爾比、催化劑用量和反應(yīng)時間對羥醛縮合反應(yīng)的影響。溫度對丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響如圖3所示。由圖3可以看出，低溫時丁酮的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而增加；一旦溫度超過60 ℃丁酮的轉(zhuǎn)化率受溫度的影響不大，基本維持在62%。盡管如此，隨著溫度從40 ℃提高到90 ℃，副產(chǎn)物的選擇性卻從10.1%增加到20.0%，表明高溫有利于聚合副產(chǎn)物的形成。因此，丁酮和甲醛的羥醛縮合應(yīng)該維持在相對低的反應(yīng)溫度以獲得高的目標(biāo)產(chǎn)物(MIPK、HMBO及其衍生物FHMBO)選擇性。

注：TEA的摩爾分?jǐn)?shù)為5%，n(HCHO)/n(MEK)=1.1，t=4 h。圖3 溫度對丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的影響Fig.3 Effect of temperature on the Aldol reaction between MEK and formaldehyde

在催化劑三乙胺摩爾分?jǐn)?shù)為5%、反應(yīng)溫度為40 ℃、反應(yīng)時間為4 h的條件下，甲醛和丁酮摩爾比對縮合反應(yīng)的影響如圖4所示。由圖4中可以看出，隨著醛酮摩爾比從1.0提高到2.0，丁酮的轉(zhuǎn)化率逐步增大，但在醛酮摩爾比大于1.5時增長趨勢明顯放緩；另外，HMBO的選擇性隨醛酮摩爾比的增加持續(xù)降低，同時伴隨著FHMBO選擇性的提高并且二者選擇性的加和幾乎保持不變，表明HMBO和過量的甲醛繼續(xù)發(fā)生親核加成反應(yīng)生成半縮醛FHMBO。此外，一旦醛酮摩爾比超過1.5，副產(chǎn)物的選擇性隨醛酮摩爾比的增加而緩慢升高，而MIPK的選擇性對醛酮摩爾比不太敏感。因此，丁酮和甲醛Aldol縮合反應(yīng)的理想醛酮摩爾比為1.5。

注：TEA摩爾分?jǐn)?shù)為5%，T=40 ℃，t=4 h。圖4 甲醛和丁酮摩爾比對二者羥醛縮合反應(yīng)性能的影響Fig.4 Effect of the molar ratios of formaldehyde to MEK on their Aldol reaction

三乙胺用量對丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的影響如圖5所示。由圖5中可以看出，不存在催化劑時，40 ℃反應(yīng)4 h后丁酮的轉(zhuǎn)化率僅為4.9%，與表1中的結(jié)果吻合；0.5%三乙胺的引入能夠?qū)⒍⊥霓D(zhuǎn)化率大幅提高到50.5%并且其數(shù)值隨三乙胺摩爾分?jǐn)?shù)的提高持續(xù)增加，直至三乙胺摩爾分?jǐn)?shù)超過10%后穩(wěn)定在70%左右。與此同時，HMBO的選擇性隨催化劑摩爾分?jǐn)?shù)的提高持續(xù)降低并趨于穩(wěn)定，F(xiàn)HMBO表現(xiàn)出相反的趨勢，而MIPK和聚合副產(chǎn)物的選擇性幾乎與三乙胺的摩爾分?jǐn)?shù)無關(guān)。結(jié)果表明，少量的三乙胺即能有效催化丁酮和甲醛間的羥醛縮合反應(yīng)，過量三乙胺的存在則促進HMBO和甲醛發(fā)生親核加成生成半縮醛FHMBO。

注：n(HCHO)/n(MEK)=1.1，T=40 ℃，t=4 h。圖5 三乙胺用量對丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)性能的影響Fig.5 Effect of the TEA doses on the Aldol reaction between MEK and formaldehyde

三乙胺催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)中產(chǎn)物的時間分布曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，丁酮的轉(zhuǎn)化率在升溫過程中已經(jīng)達(dá)到了31.1%且隨反應(yīng)時間的延長持續(xù)增大；反應(yīng)6 h后丁酮的轉(zhuǎn)化率趨于穩(wěn)定，約為64%。產(chǎn)物選擇性方面，隨著反應(yīng)時間延長至8 h，HMBO的選擇性從65.5%降低為38.0%，F(xiàn)HMBO的選擇性則從21.9%增加到44.7%，二者的總選擇性基本維持在83%左右；與此不同，MIPK的選擇性幾乎不隨反應(yīng)時間而改變，維持在7%左右。結(jié)果表明，延長反應(yīng)時間不能促進HMBO脫水生成MIPK，而是有利于HMBO和甲醛間的縮合，進而拉動丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)平衡的右移并提高丁酮的轉(zhuǎn)化率。

注：TEA摩爾分?jǐn)?shù)為5%，T=40 ℃，n(HCHO)/n(MEK)=1.1。圖6 反應(yīng)時間對甲醛和丁酮羥醛縮合反應(yīng)性能的影響Fig.6 Effect of reaction time on the Aldol reaction between MEK and formaldehyde

2.4 三乙胺催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的路徑

圖7 三乙胺催化丁酮和甲醛Aldol縮合反應(yīng)路徑Fig.7 The proposed reaction network for the Aldol condensation between MEK and formaldehyde

基于圖6中的轉(zhuǎn)化率-選擇性曲線以及醛酮摩爾比對產(chǎn)物分布的影響，可以推測丁酮和甲醛縮合反應(yīng)的反應(yīng)路徑如圖7所示。三乙胺為催化劑時，丁酮中羰基鄰位的亞甲基碳和端甲基碳均可以失去1個質(zhì)子，形成碳負(fù)離子并進攻甲醛分子，分別生成HMBO和HPO；其中，前者為主要產(chǎn)物。HMBO進一步脫水生成MIPK或與多余的甲醛分子發(fā)生親核加成反應(yīng)生成FHMBO，與Mahajani等[12]報道的丁酮和乙醛交叉Aldol反應(yīng)的路徑類似。盡管HMBO和甲醛的加成反應(yīng)為典型的可逆過程，但其卻提供了一個有效提升丁酮轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)策略，即通過增大原料中的醛酮摩爾比促進HMBO向FHMBO的轉(zhuǎn)化，進而拉動丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的不斷右移。

3 結(jié)論

考察了堿催化劑類別和反應(yīng)參數(shù)對丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1)三乙胺是催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應(yīng)的高效催化劑；

(2)低溫相對有利于丁酮和甲醛間的羥醛縮合，在反應(yīng)溫度為40 ℃、醛酮摩爾比為1.1的條件下，三乙胺催化丁酮和甲醛羥醛縮合產(chǎn)物的總選擇性超過92%；

(3)三乙胺催化丁酮和甲醛羥醛縮合遵從平行-序列的反應(yīng)路徑，4-羥基-3-甲基-2-丁酮為反應(yīng)的中間產(chǎn)物，其與甲醛形成相對穩(wěn)定的半縮醛或脫水生成穩(wěn)定的甲基異丙烯酮。