酸催化甘油和苯甲醛合成2-苯基-1，3-二氧六環- 5-醇的研究

向華明，文彬，李嚴紅，王磊

(1.中國科學院新疆理化技術研究所，新疆 烏魯木齊 830011;2.中國科學院大學，北京 100039)

石油資源的日益匱乏以及人們環保觀念的逐漸增強，促進了生物柴油的大力發展，導致了其副產物甘油的大量過剩［1-2］，每生產1 t 生物柴油就會產生0.1 t 甘油［3］，所以，對廉價甘油的綜合利用和開發倍受關注［4-6］。目前，已有研究將甘油的縮合產物應用于化妝品、醫藥、洗滌劑、燃料添加劑［7-11］等產品中。從甘油出發合成的苯甲醛甘油縮醛含有兩類同分異構體即:2-苯基-1，3-二氧六環-5-醇(六元環)和4-羥甲基-2-苯基-1，3-二氧戊環(五元環)，它們都是重要的化工產品，可直接用作添加劑和化工合成原料［12-13］。其中的六元環是參與精細化學品合成的中間體，作為重要的綠色“平臺化合物”可參與合成1，3-二羥基丙酮［14］和1，3-丙二醇［15］，兩者廣泛的應用于聚合物合成、洗滌劑、潤滑劑、制藥工程、食品等行業［16-18］。所以從生物質來源的甘油出發合成甘油苯甲醛縮醛，并分離提取出純的六元環產品，對于化學工業的發展和緩解對石油的部分依賴具有重要的意義。

由于甘油具有3 個相似的羥基，使得一步反應在目前的條件下不可能完全轉化為純品五元環或者六元環。當前國內對該縮醛反應的研究主要集中在催化劑的選擇上［19］，國外部分研究也僅僅考察了五元環和六元環的比例問題［20］，都沒有大規模的分離出純品六元環。針對這些問題，我們在優化反應條件、提高甘油苯甲醛縮醛總收率的同時，詳細的研究了不同條件下五、六元環它們之間的轉化問題。并在低溫條件下，利用甲苯和石油醚作為混合溶劑，結晶分離出具有重要利用價值的2-苯基-1，3-二氧六環-5-醇。

圖1 對甲苯磺酸(p-TsOH)催化甘油和苯甲醛合成2-苯基-1，3-二氧六環-5-醇的機理假設Fig.1 Proposed mechanism of the 2-phenyl-1，3-dioxan-5-ol from glycerol and benzaldehyde over p-toluenesulfonic acid

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

苯甲醛、甘油、甲苯、石油醚、對甲苯磺酸、NaOH(粒)、K2CO3均為分析純;氮氣。

VARINA 400 MHz 核磁共振波譜儀;Agilent 7890A-5975C 氣相色譜-質譜聯用儀;海爾雪富豪200 型冰柜;SZCL-2 數顯智能控溫磁力攪拌器;5299型旋轉蒸發儀;SHZ-D(Ⅲ)循環水式真空泵。

1.2 合成方法

1.2.1 甘油苯甲醛縮醛的合成 在裝有磁力攪拌器、Dean-Stark 分水器、冷凝裝置的三口瓶中加入甘油、對甲苯磺酸、石油醚，氮氣保護下攪拌加熱，當溫度達到70 ℃時，滴加入苯甲醛開始反應，當分水器中無水分生成，大約4 h 左右，停止加熱，得到黃色略帶粘稠和渾濁的液體。放冷后立刻加入甲苯，用0.1 mol/L 的NaOH 溶液洗滌3 次，再用蒸餾水洗至中性，分出有機層，用K2CO3干燥12 h，得到淡黃色液體，減壓蒸出溶劑，可得到2-苯基-1，3-二氧六環-5-醇(六元環)和4-羥甲基-2-苯基-1，3-二氧戊環(五元環)的混合物，GS-MS 測得收率及分析產物的組分，1H NMR 驗證產品。該反應的副產物微量，可以忽略，所以縮醛總收率以實際帶水體積與理論帶水體積的百分比表示。

1.2.2 2-苯基-1，3-二氧六環-5-醇的轉化分離 回流結束放冷后，立刻加入甲苯，在－20 ℃的低溫環境下放置24 h，然后堿洗，K2CO3干燥，過濾，加入石油醚后，繼續放置在－20 ℃溫度下結晶2 h，有大量固體生成，趁冷抽濾，得到的固體產物用冷石油醚洗滌，真空干燥，得到白色的晶體，濾液放入冰柜，低溫下繼續結晶，母液循環利用，將混合產物逐漸轉化成六元環并分離，得到的晶體用1H NMR 定性分析。

1.3 表征方法

GS-MS 表征:分析條件為DB-5 非極性柱30 m×0.32 mm ×0.25 μm，進樣口溫度250 ℃，氫火焰離子化檢測器，程序升溫:150 ℃保持1 min，20 ℃/min 升溫速率升至320 ℃，保持5 min 。采用面積歸一法求值，未作因子校正。質譜條件:電離方式為EI，電子能量70 eV，電壓350 V，掃描質量35～395 amu，化合物定性方法經NIST08 數據庫檢索定性。NMR 表征:四甲基硅烷(TMS)作為內標，氘代氯仿(CDCl3)為溶劑。

2 結果與討論

2.1 苯甲醛甘油縮醛的合成

2.1.1 產物表征結果 甘油苯甲醛縮醛為白色的固體。氣相色譜中出現3 個峰，10. 709 min 和12.362 min 處為兩種六元環的同分異構體，10.988 min 為五元環，該色譜條件不能分開兩種五元環的同分異構體，與文獻一致［15］;質譜能很容易的檢測到m/z=179，180 等信號峰，且與譜庫中標準產物一致;圖2 為產物的1H NMR 譜圖，分子結構中的A、a、B 和b 質子信號分別對應化學位移δ 5.55(s)、δ 5.39(s)、δ 5.95(s)和δ 5.82(s)，與文獻報道數據一致［20］。說明產物是甘油苯甲醛縮醛。

圖2 產物的1H NMR 圖譜Fig.2 1H NMR spectrum of the condensation products

2.1.2 原料摩爾比的影響 考察了苯甲醛和甘油物質的量比對總收率的影響，取苯甲醛為0.5 mol，石油醚50 mL，催化劑量為1.5 g，反應溫度75 ℃，反應時間4 h，結果見圖3。

圖3 原料摩爾比對縮醛收率的影響Fig.3 The influence of feed ratio on condensation yield

由圖3 可知，增加甘油的用量，能提高縮醛的收率。事實上，對于該可逆反應，提高任意原料的量，都能促進反應向生成物方向移動，選擇增加甘油過量是因為苯甲醛不易除去，會為后續的分離工作帶來麻煩，且苯甲醛的價格遠貴于甘油。隨著甘油的繼續增加，收率放緩且有降低的趨勢，可能是甘油的過量，導致了催化劑被過度稀釋;同時甘油的沸點較高，其量的增加，也會使反應體系溫度有升高趨勢，這會增大副反應發生的幾率，同時造成原料的浪費。所以，較適宜的苯甲醛和甘油的物質的量的比是1∶1.3。

2.1.3 催化劑用量的影響 取苯甲醛0.5 mol，甘油0.65 mol，石油醚50 mL，設定反應溫度75 ℃，反應時間為4 h，考察催化劑用量對反應總收率的影響，實驗結果見圖4。

圖4 催化劑用量對縮醛收率的影響Fig.4 The influence of catalyst dosage on condensation yield

由圖4 可知，產物收率隨催化劑用量的增加，先增加后降低，在實驗中我們也發現，隨著催化劑用量的增加，反應溶液的顏色也會逐漸加深，對產品進行色譜分析時發現有微量副產物生成。所以最適合的催化劑量是1.5 g。

2.1.4 反應時間的影響 取苯甲醛0.5 mol，甘油0.65 mol，石油醚50 mL，設定反應溫度75 ℃，催化劑用量為1.5 g，考察反應時間對總收率的影響，結果見圖5。

圖5 反應時間對縮醛收率的影響Fig.5 The influence of reaction time on condensation yield

由圖5 可知，反應進行到4 h 時已基本完成，再增加反應時間產品收率的增幅度趨于平緩，并且反應時間過久耗能比較大，所以最佳反應時間取4 h。

2.1. 5 帶水劑用量對反應的影響 取苯甲醛0.5 mol，甘油0.65 mol，催化劑用量為1.5 g，設定反應溫度75 ℃，反應時間4 h，考察帶水劑用量對總收率的影響，結果見圖6。

由圖6 可知，帶水劑體積過多或者過少對反應都不利。體積較小時，帶水不完全，且會使體系的溫度偏高，從而發生副反應而降低收率;隨著帶水劑體積的增加，總收率先增加后逐漸減小，因為帶水劑的增加，在一定范圍內增加了單位時間的帶水量，使帶水更加充分也加速了反應，另一方面，這也減低了反應物的濃度，不利于反應向生成物方向進行，導致收率降低。綜合考慮選擇最佳的帶水劑體積是50 mL。

圖6 帶水劑體積對收率的影響Fig.6 The influence of volume of water-carrying agent on condensation yield

2.2 五元環向六元環的轉化及分離

回流反應結束后放冷，分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三組。Ⅰ，Ⅱ加入甲苯，將Ⅰ和Ⅲ組分別分成3 份在20 ℃，0 ℃和－20 ℃放置24 h，然后用0.1 mol/L 的NaOH溶液洗滌3 次，蒸餾水洗滌至中性，Ⅰ加入K2CO3干燥12 h，過濾，得到淡黃的液體，Ⅲ因為是固體，充分堿洗、水洗后直接真空干燥;Ⅱ組先通過堿洗干燥后，同樣分成3 份在20 ℃，0 ℃和－20 ℃放置24 h。(經上述處理后:Ⅰ.存在催化劑和溶劑，Ⅱ.有溶劑無催化劑，Ⅲ.有催化劑無溶劑)色譜分析不同條件下六元環所占比例，結果見表1。從實驗結果可知，在有催化劑存在的情況下，低溫環境能明顯促進五元環向六元環的轉化，但前提是必須在溶劑中進行，而且溫度越低越有利于六元環的生成，說明六元環比五元環具有更高的熱力學穩定性，且五元環向六元環的轉化是一個溶劑下的酸催化過程。

表1 不同溫度下轉化后2-苯基-1，3-二氧六環-5-醇所占質量比Table 1 The mass ratio of 2-phenyl-1，3-dioxan-5-ol in various temperatures

實驗發現五元環和六元環在甲苯和石油醚的混合溶劑中存在著溶解度的差異，且溫度越低，溶解度差異越大，所以可將六元環從混合產物中以晶體的形式分離出來。保持V(甲苯)∶V(石油醚)=50∶50，在－20 ℃結晶，抽濾，晶體用冷石油醚洗滌，真空干燥，色譜分析產品純度為95.4%，分離的固體中含有微量五元環。產物1H NMR 分析見圖7。

圖7 2-苯基-1，3-二氧六環-5-醇的1H NMR 圖譜Fig.7 1H NMR spectrum of 2-phenyl-1，3-dioxan-5-ol

由圖7 可知，在化學位移5 ～6 的范圍內只出現了化合物A 和a 質子峰，說明結晶得到的產物為六元環。

3 結論

以對甲苯磺酸為催化劑，石油醚為帶水劑，用廉價的甘油和苯甲醛為原料，可以較高效率的合成甘油苯甲醛縮醛。通過單因素實驗優化得到的最佳條件是:苯甲醛和甘油的摩爾比=1∶1.3，石油醚體積用量50 mL，催化劑用量為1.5 g，反應時間4 h，得到了最大總收率為95.6%。利用甲苯作為溶劑，在低溫的條件下，證實了對甲苯磺酸可以很好的催化五元環向六元環的轉化，利用甲苯和石油醚作為混合溶劑低溫結晶得到六元環的純度為95.4%。該工藝易于控制，副反應少，收率高，生產成本低廉，也便于大規模生產，為2-苯基-1，3-二氧六環-5-醇的工業化提供了一定的理論支持。

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