堿催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應研究

汪 波，蔣澤晨，張勝紅

(北京石油化工學院新材料與化工學院，恩澤生物質精細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化工中間體和有機溶劑，廣泛用于染料、醫藥、農藥和其他高值精細化學品的合成，是我國長期依賴進口的重要精細化工品種之一[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反應釜能夠實現70%的甲基異丙基酮收率[5]，是一條極具市場應用前景的技術路線。該工藝涉及丁酮和甲醛發生羥醛縮合(Aldol)生成α，β-不飽和酮及其催化加氫兩個過程，且Aldol反應的效率是進一步提升產品收率的關鍵。

Aldol反應是指有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。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，但產物較為復雜，除4-羥基-3-甲基-2-丁酮(HMBO)及其脫水產物甲基異丙烯酮(MIPK)外，還含有1-羥基-3-戊酮(HPO)、次級Aldol反應以及丁酮自身縮合的產物[6-7]。與堿催化不同，酸催化丁酮和甲醛縮合難以得到HMBO，產物主要是5-乙?；?5-甲基-1，3-二氧六環；其中，甲醛和丁酮烯醇式異構體的加成為反應的決速步驟[8]。相比之下，堿催化丁酮和甲醛Aldol反應的產物HMBO能夠進一步脫水加氫得到甲基異丙基酮，但如何實現丁酮和甲醛的定向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)產物的選擇性超過90%，為丁酮和甲醛定向Aldol反應催化劑的篩選提供了借鑒。因此，筆者詳細考察了不同有機堿催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應的性能，優化反應參數并基于產物的時間分布曲線初步推導了可能的反應路徑。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

丁酮、碳酸鉀、乙胺、二環己基胺、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；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；25%氨水和37%甲醛溶液，國藥集團化學試劑有限公司生產。

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

1.2 催化性能評價

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

1.3 產物分析

反應液經冷卻和濾膜(0.45 μm)分離后分別采用配置有Supelco WAX-10毛細管柱(30 m×0.32 mm×0.5 μm)的氣質聯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)和其他少許副產物。丁酮的轉化率[(X(MEK)]和產物Pi選擇性[(S(Pi)]的計算式分別為：

(1)

(2)

式中：n(Pi)和n(MEK)分別為反應液中產物Pi和殘留原料MEK的物質的量。

2 結果與討論

2.1 丁酮和甲醛Aldol縮合產物的定性分析

丁酮和甲醛Aldol縮合反應主要產物的EI質譜圖如圖1所示。由圖1中可以看出，產物依次對應于MIPK、HMBO和FHMBO。其中，m/z84為MIPK的分子離子峰，其發生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，FHMBO未觀察到分子離子峰，其質譜中豐度最高的為CH2=C(CH3)-O碎片。

圖1 主要產物的質譜數據圖Fig.1 Mass spectra of the main products

丁酮和甲醛Aldol縮合反應產物(未分離)與HMBO標準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于羰基和甲基的吸收。反應液具有和HMBO相似的紅外吸收圖譜，佐證了HMBO是丁酮和甲醛Aldol縮合反應的主要產物，與質譜分析結果一致。此外，MIPK和HMBO也分別通過比照其與相應標準品的氣相色譜保留時間進行了驗證。

圖2 反應產物和HMBO標準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的性能

不同堿催化丁酮和甲醛Aldol縮合反應的性能如表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4 h，空白反應中MEK的轉化率僅為6.5%，表明未加入堿時丁酮和甲醛間難以發生有效的羥醛縮合。在上述反應體系引入摩爾分數5%(相對于丁酮)的氨水，丁酮的轉化率提高到31.1%，羥醛縮合反應產物及其衍生物(HMBO、FHMBO和MIPK)的總選擇性為69.1%，但深度聚合導致的副產物的選擇性仍然高達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化率到83.4%，并促進產物HMBO分子內脫水形成MIPK，但同時也增加了聚合副產物的含量。與無機堿不同，有機胺催化丁酮和甲醛縮合反應的活性較為溫和且與催化劑的結構無明顯關聯，但目標產物的選擇性卻顯著提高，尤其是三乙胺 (TEA) 為催化劑時高達88.1%，表明三乙胺是催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應的理想催化劑。

表1 不同堿催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應的性能

2.3 三乙胺催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應條件的優化

為優化三乙胺催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應的工藝條件，采用單一變量法依次考察了溫度、醛酮摩爾比、催化劑用量和反應時間對羥醛縮合反應的影響。溫度對丁酮和甲醛羥醛縮合反應的轉化率和選擇性的影響如圖3所示。由圖3可以看出，低溫時丁酮的轉化率隨著溫度的升高而增加；一旦溫度超過60 ℃丁酮的轉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物的形成。因此，丁酮和甲醛的羥醛縮合應該維持在相對低的反應溫度以獲得高的目標產物(MIPK、HMBO及其衍生物FHMBO)選擇性。

注：TEA的摩爾分數為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數為5%、反應溫度為40 ℃、反應時間為4 h的條件下，甲醛和丁酮摩爾比對縮合反應的影響如圖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和過量的甲醛繼續發生親核加成反應生成半縮醛FHMBO。此外，一旦醛酮摩爾比超過1.5，副產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縮合反應的理想醛酮摩爾比為1.5。

注：TEA摩爾分數為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4 h后丁酮的轉化率僅為4.9%，與表1中的結果吻合；0.5%三乙胺的引入能夠將丁酮的轉化率大幅提高到50.5%并且其數值隨三乙胺摩爾分數的提高持續增加，直至三乙胺摩爾分數超過10%后穩定在70%左右。與此同時，HMBO的選擇性隨催化劑摩爾分數的提高持續降低并趨于穩定，FHMBO表現出相反的趨勢，而MIPK和聚合副產物的選擇性幾乎與三乙胺的摩爾分數無關。結果表明，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，過量三乙胺的存在則促進HMBO和甲醛發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中產物的時間分布曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，丁酮的轉化率在升溫過程中已經達到了31.1%且隨反應時間的延長持續增大；反應6 h后丁酮的轉化率趨于穩定，約為64%。產物選擇性方面，隨著反應時間延長至8 h，HMBO的選擇性從65.5%降低為38.0%，FHMBO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時間而改變，維持在7%左右。結果表明，延長反應時間不能促進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平衡的右移并提高丁酮的轉化率。

注：TEA摩爾分數為5%，T=40 ℃，n(HCHO)/n(MEK)=1.1。圖6 反應時間對甲醛和丁酮羥醛縮合反應性能的影響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的路徑

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

基于圖6中的轉化率-選擇性曲線以及醛酮摩爾比對產物分布的影響，可以推測丁酮和甲醛縮合反應的反應路徑如圖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個質子，形成碳負離子并進攻甲醛分子，分別生成HMBO和HPO；其中，前者為主要產物。HMBO進一步脫水生成MIPK或與多余的甲醛分子發生親核加成反應生成FHMBO，與Mahajani等[12]報道的丁酮和乙醛交叉Aldol反應的路徑類似。盡管HMBO和甲醛的加成反應為典型的可逆過程，但其卻提供了一個有效提升丁酮轉化率的反應策略，即通過增大原料中的醛酮摩爾比促進HMBO向FHMBO的轉化，進而拉動丁酮和甲醛羥醛縮合反應的不斷右移。

3 結論

考察了堿催化劑類別和反應參數對丁酮和甲醛羥醛縮合反應性能的影響，得出以下結論：

(1)三乙胺是催化丁酮和甲醛羥醛縮合反應的高效催化劑；

(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-序列的反應路徑，4-羥基-3-甲基-2-丁酮為反應的中間產物，其與甲醛形成相對穩定的半縮醛或脫水生成穩定的甲基異丙烯酮。