TsOH催化甘油苯甲醛缩醛的制备工艺研究

 杨少鹏，冯书晓，杨宁宁，张灿利，章亚东

（1.郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001：

 2．河南科技大学化工与制药学院，河南洛阳471023）

 摘要：以甘油和苯甲醛为原料，对甲苯磺酸为催化剂，制备了甘油苯甲醛缩醛，产物分为2种：4-羟甲基-2-苯基一1，3--氧戊环（五元环）和2-苯基一l，3一二氧六环_5-醇（六元环）。分别研究了原料摩尔比、带水剂用量、催化剂用量及反应时间对反应的影响。结果表明，在n（甘油）：n（苯甲醛）=1.2：l，带水剂体积为15 mL，催化剂质量为0.15 g，反应时间为4h的较优反应条件下，得到了缩醛产物最大收率为97%（以苯甲醛计）。利用气相色谱(GC)、气相色谱一质谱联用仪(cc - MS)、核磁共振氢谱(lH-NMR)对目标产物进行了定量和定性分析。

  关键词：甘油；苯甲醛；2-苯基一l，3一二氧六环_5-醇（六元环）；4-羟甲基-2-苯基一1，3一二氧戊环（五元环）；缩醛

 甘油作为生物柴油生产过程的主要副产物，价格低廉，是非常理想的可再生资源。甘油通过发酵、催化氧化可生成1，3-丙二醇、二羟基丙酮等高附加值化学品；通过酯化或醚化可生成高支化聚合物和含氧燃料。

 其中，从甘油出发合成二羟基丙酮( DHA)已经有大量报道。二羟基丙酮是最简单的三碳酮糖，其化学性质活泼，能参与加聚、缩合、酯化等多种化学反应，有绿色“平台化合物”之称。目前二羟基丙酮的制备方法主要有微生物发酵法和化学合成法。前者主要是通过氧化葡萄糖杆菌发酵制得，具有周期长，分离提纯难度大等弊端。而化学合成法中，电催化法收率不高，金属催化氧化法存在贵金属流失，甘油转化率不高等问题，甲醛缩合法面临副产物多，分离困难等诸多问题。在Zheng等的研究中，通过保护甘油2位上的羟基，将甘油间接氧化得到了二羟基丙酮。与其他方法相比，这种基团保护的间接合成路线具有反应条件温和，生产效率高且分离工艺简单等优点。

 该方法中，中间产物甘油苯甲醛缩醛的制备尤为关键。该缩醛产物有2种：2-苯基一l，3一二氧六环≤-醇（六元环）和4-羟甲基_2-苯基一1，3-=氧戊环（五元环），其中，六元环产物是合成二羟基丙酮的目的中间产物。

 笔者以对甲苯磺酸为催化剂，重点考察了原料摩尔比、催化剂质量、带水剂用量和种类、反应时间对反应收率的影响，并探讨了产物间的相互转化及分离问题。

1  实验部分

1.1试剂与仪器

 苯甲醛、甘油、苯、石油醚(60~90℃)、甲苯、环己烷、二氯甲烷、对甲苯磺酸、NaOH（片）、无水MgS04、乙醚，均为分析纯。

 Bruker AvanceⅡ400 MHz核磁共振(NMR)仪；Agilent GC6890/MS59731气相色谱一质谱联用仪；上海精密仪器WRS -1A熔点仪；上海亚荣RE -2000旋转蒸发仪；郑州长城科工SHB-Ⅲ真空泵。

 采用GC9800型气相色谱仪进行GC分析，40. 32 mm×81  pdm×L30 m( SE -54)，进样口温度为250℃，氢火焰离子化检测器温度为250CC，程序升温：100℃保温1 min，然后20℃/min升温至3000C，保温3 min。采用内标法（内标物苯甲酸甲酯）求值。

1.2苯甲醛缩醛的合成

在装有电磁搅拌、冷凝管和Dean -Stark分水器的三口烧瓶中加入甘油(0. 12  mol)、苯甲醛(0.1 mol)、对甲苯磺酸(0. 15 g)、环己烷(15 mL)，氮气保护下搅拌加热至85cC开始回流，带水剂与反应产生的水共沸蒸出。图1为该反应式。约4h后，当出水量不再增加停止加热，放冷，得到略带黏稠的淡黄色液体，GC分析缩合物含量，计算产物总收率（以苯甲醛为准）。

反应结束后的气相色谱图如图2所示。由图2可知，3. 070 min处是溶剂环己烷的峰；4. 760 min处是未反应的苯甲醛的峰；5. 438 min处是内标物苯甲酸甲酯的峰；7. 005  min处是顺式六元环的峰；7. 632 min处是五元环的峰；8.397 min处为反式六元环的峰。

1.3顺-2 -苯基一1，3-=氧六环-5 -醇（顺式六元环）的分离

 产物放冷后加入适量甲苯在冰箱中低温过夜。加入2滴酚酞指示剂，用1%的NaOH溶液中和至颜色消失，加入其一半体积的乙醚萃取，蒸馏水水洗至中性。分出有机层后加入无水MgS04干燥4h，减压蒸除溶剂。加入y（苯）：y（石油醚）=3:4的混合溶液于低温下搅拌结晶，得到大量白色针状晶体，抽滤，用冷石油醚洗涤，真空干燥后称量(收率为36%)，熔点为81~83℃。母液收集后用于下批反应。得到的晶体用1H -NMR进行定性分析，GC分析产物的组成和含量。

2  结果与讨论

2.1  单因素实验

2.1.1原料摩尔比对收率的影响

 在苯甲醛为0.1 mol，环己烷为15 mL，催化剂质量为0. 15 g，反应温度为85℃，反应时间为4h的条件下，考察甘油和苯甲醛摩尔比对缩合反应收率的影响，结果如图3所示。

 由图3可以看出，甘油用量增加有利于提高反应收率，但甘油过量太多，收率反而有降低的趋势，其原因：一方面，由于甘油沸点较高，其量增加会导致反应体系温度升高，增加副反应的发生几率；另一方面，甘油的过量导致催化剂被稀释，也导致缩醛收率下降。此外，甘油过量太多还会给后处理带来负担。因此，较适宜的甘油和苯甲醛的物质的量的比是1.2：1。

2.1.2带水剂用量对反应的影响

在苯甲醛为0.1 mol，甘油为0.12 mol，催化剂质量为0.15 g，反应温度为85cC，反应时间为4h的条件下，考察环己烷用量对反应的影响，结果如图4所示。

由图4可以看出，环己烷体积过多或过少都对反应不利。环己烷用量过少，带水不完全，且反应温度升高，导致副反应发生，使缩醛的收率下降；环己烷用量过多，反应物的浓度降低，不利于反应向生成物方向进行，导致缩醛收率下降。因此，较适宜的环己烷用量为15 mL。

2.1.3催化剂用量对反应的影响

在苯甲醛为0.1 mol，甘油为0.12 mol，环己烷为15 mL，反应温度为85℃，反应时间为4h的条件下，考察催化剂质量对反应的影响，结果如图5所示。

 由图5可见，缩醛收率随催化剂质量的增加先增加后降低。另外，在实验中发现，催化剂质量增加，反应液的颜色也逐渐加深，有少量副产物生成。因此，较适宜的催化剂质量是0. 15 g。

2.1.4反应时间对反应的影响

在苯甲醛为0.1 mol，甘油为0.12 mol，环己烷为15 mL，催化剂质量为0.15 g，反应温度为85℃的条件下，考察反应时间对反应的影响，结果如图6所示。

 由图6及反应分水情况可知，反应到4h时已基本完成，再延长反应时间，产品收率的增长幅度趋于平缓，反应时间过久还会因副反应的发生以及反应平衡的左移使收率出现下降的趋势，故反应时间以4h为宜。

2.1.5  带水剂种类对反应的影响

缩醛反应为可逆反应，及时除去反应生成的水尤为重要。实验中，选取苯、甲苯、二氯甲烷、石油醚以及环己烷为带水剂，考察不同带水剂对反应的影响，结果如表1所示。

 由表1可见，反应时间与反应温度成反比，甲苯带水效果好但反应温度高，对六元环产物的选择性较低；苯作带水剂收率较高，反应温度也适中，但苯自身毒性较大，不符合绿色清洁的生产过程；二氯甲烷作为带水剂的反应对六元环产物的选择性最高，反应温度也较低，但带水效果很差导致收率很低；环己烷和石油醚都是工业上优良的溶剂，作为带水剂的反应条件温和，收率和六元环产物的选择性都很高，综合考虑选取环己烷作为缩醛反应的带水剂。

2.2正交实验

 根据各单因素条件对反应的影响设计了4因素3水平的正交实验，考察原料n（甘油）：n（苯甲醛）、环己烷用量( ml)、催化剂质量(g)、反应时间(h)对反应收率的影响，各因素的取值水平如表2所示。

其正交实验结果如表3所示。

  根据正交实验极差R值的大小可以看出，各因素影响顺序为：环己烷用量>催化剂用量>反应时间>原料配比。

  根据正交实验各因素的影响顺序，选定最优方案为：n（甘油）：n（苯甲醛）=1.2，环己烷用量为15 mL，催化剂质量0.15 g，反应时间为4h，与单因素的最佳反应条件吻合。为了验证该正交实验的可行性，按照最优方案进行3次平行实验，得到的平均缩醛收率为96. 3%（标准偏差为0.529%），结果较为稳定，因此对该工艺的正交实验结果有一定实用价值。

2.3缩醛产物的转化分离

 甘油与苯甲醛的缩醛反应生成的4种产物分别是顺式和反式2-苯基一1，3一二氧六环一5-醇（六元环）、顺式和反式4-羟甲基-2 -苯基一1，3一二氧戊环（五元环），顺式六元环能从冷的苯和石油醚的混合溶液中结晶，从而顺利地进行分离。更重要的是，六元环和五元环产物之间存在酸催化平衡，控制五元环的量积累到一定比例，适当地改变原料的投料量即可使原料基本定量地转化为六元环产物。因此，通过循环套用结晶母液，使接下来的缩醛反应达到较高的收率。

为了验证该方法，取分离后的母液（含有大量五元环及未转化的反式一六元环产物），减压除去结晶溶剂，加入甘油(0. 024 mol)．苯甲醛(0.02  mol)、对甲苯磺酸(0. 03 g)、环己烷(5 mL)，其他反应条件及分离方法同上所述。结果如表4所示。

 由表4可见，第1批次的反应六元环收率不高，但套用结晶母液进行下1批次的反应后，六元环能达到较高的收率。

3产物表征结果

 苯甲醛缩醛为白色的固体。气相色谱中出现3个峰，7. 005 min和8.397 min处为2种六元环的同分异构体，7. 632 min处为五元环，该色谱条件不能分开2种五元环的同分异构体，与文献一致。MS( EI)，m/z:calcd[ M]+，180.2，found 180.1。由产物的'H-NMR (400 MHz，CDCl3)谱图可知，其中化学位移笳．55(s)、5. 42(s)、5.96(s)和5.83(s)的质子峰分别对应异构体Hla、Hlb、H2a和H2b信号，位移值与文献报道的数据一致，说明产物是甘油苯甲醛缩醛。

 六元环缩合产物具有重要应用价值。其在低温下能从y（苯）：y（石油醚）=3:4的混合溶液中结晶并分离。由经分离后的顺-2 -苯基一1，3一二氧六环一5-醇（顺式六元环）的'H-NMR (400 MHz，CDCl3)谱图可知，在笳—6 ppm范围内只出现了极少量的五元环的峰，主要是六元环la的笳．55峰，说明分离出的产物是la，与文献报道值一致‘7,12 -3]。GC分析纯度为96. 5%。1HNMR( 400 MHz，CDCl3)：6( ppm) ,3. 04( d,J=10.0 Hz, 1H, OH) ,3. 66( brd,I,= 10.0 Hz,lH) ,4. 14( dd,J=12.O and l.5 Hz,2H) ,4. 20( dd,J=12.0 and l.5 Hz,2H) ,5. 55(s,1H),7.38(m,3H),7.41(m,2H)。

4结论

 以廉价的甘油和苯甲醛为原料，对甲苯磺酸为催化剂，环己烷为带水剂，制得苯甲醛甘油缩醛。通过单因素以及正交实验，得到了最优实验条件：n（甘油）：n（苯甲醛）=1.2，带水剂环己烷用量为15 mL，催化剂质量为0.15 g，反应时间为4h，得到的缩醛产物最大收率为97%（以苯甲醛计）。通过套用结晶母液用于缩醛反应，使六元环产物的收率达到96. 6%，以y（苯）：y（石油醚）=3:4的混合溶液低温下结晶，分离出六元环的纯度为96.5 010。该工艺易于控制，副反应少，收率高，成本低廉，具有工业化生产潜在的应用价值。