生物質基甘油縮醛和縮酮的合成研究進展

肖 澤, 常 春*, 白 凈, 陳俊英, 李 攀, 韓秀麗

(1.鄭州大學 化工與能源學院, 河南 鄭州 450001; 2.河南省杰出外籍科學家工作室, 河南 鄭州 450001)

由于化石燃料枯竭和環(huán)境污染等問題，綠色可再生能源的研究已成為全球熱點[1]。生物質作為一類應用潛力巨大的可再生資源，其易被分解成包含2～6個碳原子且具有活潑羥基或羧基的小分子平臺化合物，它們易于被官能團化而合成高附加值的化學品或者燃料，是解決全球能源危機的一種重要手段[2]。生物柴油主要由動物脂肪和植物油同單羥基醇通過酯交換作用制得，具有可再生、生物可降解、無毒和幾乎與石化柴油相同的物理化學特性等性質，可以直接或與石化柴油混合后使用，被認為是極具吸引力的石化柴油替代品[3-5]。隨著全球生物柴油產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)品——甘油[6]。每生產(chǎn)100 kg生物柴油就產(chǎn)生將近10 kg的甘油，預計到2022年，全球甘油產(chǎn)量將達到410萬噸，年均復合增長率6.6%[7]。因此，甘油的充分利用對生物柴油行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展至關重要[8]。作為一種平臺化合物，甘油可以分別與醛、酮發(fā)生縮合反應，產(chǎn)生環(huán)狀的縮醛和縮酮,甘油中的任意2個羥基都能參與反應，可形成具有五元環(huán)和六元環(huán)結構的一對同分異構體。縮醛和縮酮具有同一碳與2個烷氧基和2個烴基相連的特殊結構，可用作很多化學品的前驅物，廣泛應用于燃料添加劑、香料、獸藥溶劑、塑化劑和多元醇等領域[9]。作者綜述了近年來備受關注的幾種重要的生物基甘油縮醛和縮酮的合成、特性和應用，探究生物質基甘油縮醛和縮酮工業(yè)生產(chǎn)存在的關鍵技術問題，以期為生物質基平臺化合物轉化制備新型的縮醛和縮酮提供參考。

1 甘油縮醛和縮酮的合成機理

甘油與羰基化合物通過縮合反應生成高附加值的縮醛和縮酮，是甘油利用的一個新途徑[10]。甘油和羰基化合物的縮合反應是一個由酸催化脫水縮合、可逆的親核反應，制備得到五元環(huán)或六元環(huán)的縮醛和縮酮，具有四步合成機制，如圖1所示。縮酮的形成極大地受電子和空間位阻因素的影響，所以質子化的半縮酮脫水形成離子化的半縮酮是決定反應速率的關鍵步驟[2]。為了解決離子化的半縮酮生成速率低的問題，反應體系必須保持足夠的酸度和極性，才能促進半縮酮有效地質子化、維持陽離子中間體的穩(wěn)定性，縮醛的制備也是如此[11]。

圖1 甘油和羰基化合物的縮合反應機理

2 甘油與醛/酮反應的催化劑

甘油與醛/酮反應的傳統(tǒng)催化劑為液體酸，如H2SO4、HCl、HF、H3PO4和對甲苯磺酸等，但液體酸催化劑會造成設備腐蝕、環(huán)境污染和產(chǎn)品分離純化困難等問題。近年來，固體催化劑在縮醛/縮酮合成中備受關注(表1)。總體來說，相比于液體酸催化劑，固體催化劑具有效率高、分離簡單、活性好、反應條件溫和等優(yōu)點。常見的固體催化劑包括離子交換樹脂、沸石、蒙脫石、金屬氧化物、固體超強酸、活性炭、介孔材料、稀土材料和納米顆粒負載材料等[12]。

通常情況下，縮醛/縮酮化反應的平衡常數(shù)很低，為了提高甘油的轉化率，需要增加羰基化合物的量或及時移除反應中產(chǎn)生的水[13]。此外，由于酸作為催化劑，酸度對催化性能的影響至關重要，通常酸度更強的催化劑，酸性位也越多，越可能得到更高的甘油轉化率。Vicente等[14]在探究催化劑酸度對丙酮縮甘油合成的影響時發(fā)現(xiàn)，在其它條件相同的情況下，利用SAC-13催化劑(酸度6.72 mg/g)和Amberlyst-15催化劑(酸度268.8 mg/g)分別催化甘油和丙酮的縮合，得到丙酮縮甘油的產(chǎn)率分別為74%和85%。與液體酸相比，固體酸單位質量的酸性位更多，酸性也更強。但是固體催化劑在實際應用中也存在問題，對于介孔固體催化劑，由于反應物必須進入介孔中才能同催化中心發(fā)生作用，故其孔徑大小是影響性能的重要參數(shù)。另外，催化劑的制備方法、用量、催化劑對毒害雜質的敏感性、熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和重復利用特性都是選擇固體催化劑時需要考慮的因素。

表1 甘油與醛、酮反應的催化劑和反應參數(shù)

3 甘油縮酮和縮醛的合成工藝

3.1 丙酮甘油縮酮

甘油和丙酮經(jīng)酸催化合成的丙酮縮甘油(如圖2所示)。丙酮縮甘油是一類重要的甘油縮酮，可用作燃料汽油、生物柴油的添加劑，用于降低燃料的密度和黏度，提高辛烷和十六烷值，通過增加燃料的氧含量，減少顆粒物的排放和一氧化碳的產(chǎn)生，改善燃燒性能[24]。

圖2 甘油和丙酮的縮合反應

Nanda等[17]對甘油和丙酮縮合反應的熱力學特性進行了研究，研究表明該反應是放熱反應，在298 K下焓變(ΔH)-(30.1±1.6)kJ/mol, 吉布斯自由能變(ΔG)-(2.1±0.1)kJ/mol，熵變(ΔS)-(0.1±0.01)kJ/(mol·K)。催化劑的類型、酸度、多孔性、加載量、制備技術和重復利用等是研究催化劑對丙酮縮甘油合成影響的重點[12]。Jamil等[25]將硝酸改性的β沸石用于丙酮縮甘油的制備，在溫度60 ℃、甘油和丙酮的物質的量之比1∶6和反應時間4 h的條件下，甘油轉化率和丙酮縮甘油的產(chǎn)率分別為94.26%和94.21%。Shirani 等[8]采用陽離子交換樹脂Purolite?PD206在連續(xù)流系統(tǒng)中催化甘油和丙酮的縮合，考察工藝條件對合成結果的影響，得出在溫度20 ℃、壓力12 MPa、丙酮與甘油的物質的量之比5 ∶1、進料流速為0.1 mL/min和催化劑添加量為0.77 g時，丙酮縮甘油的產(chǎn)率可達95%，該連續(xù)催化反應工藝易于放大，可提高產(chǎn)量，實現(xiàn)100%選擇性合成五元環(huán)的丙酮縮甘油。Priya等[18]通過濕浸漬法制備各種過渡金屬離子促進的絲光沸石固體酸催化劑，并以微波輔助加熱的方法用于甘油丙酮的縮合反應過程，結果表明：Cu-Mor沸石作催化劑，丙酮與甘油物質的量之比3∶1、反應15 min，甘油的轉化率可達到95%，而五元環(huán)的丙酮縮甘油的選擇性可達98%，此催化劑在4個反應循環(huán)中顯示出良好的重復使用性能，轉化率只是略有降低。近年來，一些新型的催化劑也用于丙酮和甘油的縮合反應。Konwar等[26]制備了固體強酸性木質磺酸鹽(LS)大孔催化劑，并對其結構進行了表征,結果表明：LS衍生材料具有大量表面—OH，—COOH和—SO3H基團，在甘油與各種生物質基醛和酮(丙酮、乙酰丙酸甲酯和糠醛)縮合后顯示出固體酸催化劑的優(yōu)異性能，該催化劑具有連續(xù)生產(chǎn)丙酮縮甘油的潛力，在90 h 后仍可保持活性(甘油轉化率≥91%)。

3.2 環(huán)己酮甘油縮酮

環(huán)己酮甘油縮酮是帶有清香、花木香的香料，具有留香持久、擴散能力強、原料來源豐富、生產(chǎn)工藝簡單、化學性質穩(wěn)定，以及對一些刺激性氣味的消除效果較好等優(yōu)點，在日用、食品香精中應用廣泛[27-28]。甘油和環(huán)己酮的縮合反應見圖3。

圖3 甘油和環(huán)己酮的縮合反應

在環(huán)己酮甘油縮酮合成中，很多固體催化劑有良好的催化效果。陸禹吉等[28]采用Hβ分子篩為催化劑催化環(huán)己酮甘油縮酮的合成，最佳工藝條件：環(huán)己酮0.1 mol、甘油0.15 mol、反應時間90 min、反應溫度90 ℃和催化劑用量0.2 g，此條件下縮酮的產(chǎn)率達95%。李貴賢等[29]采用改性二氧化硅固載磷鎢酸(HPW/APTES-SiO2)催化劑催化環(huán)己酮甘油的縮合反應，在催化劑加載量0.15 g、反應溫度95 ℃和反應時長2 h的優(yōu)化反應條件下,得到環(huán)己酮轉化率92.7%，主產(chǎn)物五元環(huán)縮酮的選擇性達97.8%，且催化劑重復使用4次后，環(huán)己酮的轉化率還可達91.5%以上。吳之強等[30]用煤基碳基固體酸AC@PANI-SO3H為催化劑，催化環(huán)己酮甘油縮酮反應，環(huán)己酮與甘油物質的量比1∶1.2，催化劑用量0.5%，帶水劑環(huán)己烷用量為10 mL，環(huán)己酮甘油縮酮產(chǎn)率達到96.5%，五元環(huán)產(chǎn)物的選擇性達98.0%以上，重復使用5次后收率仍可達88.6%。

3.3 苯甲醛甘油縮醛

苯甲醛甘油縮醛是一種具有果香味的無色液體,普遍應用于日用、食品香精中,還可作為合成中間體或溶劑，可以提高相應醛類香料的沸點，對增強醛類香料的熱穩(wěn)定性作用顯著，在各種食品、飲料加工中的應用和需求量呈逐年增長趨勢[31-32]。甘油和苯甲醛的縮合反應見圖4。

高良軍等[19]以杯[4]芳烴磺酸為催化劑，以甘油和苯甲醛為原料進行縮合反應，在n(苯甲醛)∶n(甘油)=1∶1.1、催化劑用量0.1%、15 mL甲苯為帶水劑的條件下，130 ℃反應1 h，苯甲醛的轉化率為98.35%，主產(chǎn)物2-苯基-1,3-二氧六環(huán)-5-醇的選擇性為73.94%。劉秉智[33]采用負載磷鎢酸(TPA)的活性炭為催化劑，在TPA 負載量15%、催化劑用量4%、n(苯甲醛)∶n(甘油)=1∶1.1和反應時間2.0 h 時，苯甲醛甘油縮醛的產(chǎn)率可達96.4%。宋如[34]在相轉移催化劑芐基三乙基氯化銨添加量3%、環(huán)己烷8 mL、醇醛物質的量之比1.3∶1和反應時間3 h的條件下，得到六元環(huán)產(chǎn)物苯甲醛甘油縮醛的產(chǎn)率達90.3%。研究發(fā)現(xiàn)相轉移催化劑和負載型固體酸在苯甲醛甘油縮醛的合成中效果良好。

圖4 甘油和苯甲醛的縮合反應

3.4 甘油甲醛縮醛

甘油縮甲醛是一種新型藥用非水溶劑，為無色透明黏稠液體，是獸藥用注射劑丙二醇、吡咯烷酮及甘油的代用品，具有提高藥物穩(wěn)定性、增大藥物溶解度、減少藥物殘留以及增強藥效的作用。甘油縮甲醛可用于獸用抗寄生蟲藥、磺胺甲惡唑、磺胺制劑、四環(huán)素類產(chǎn)品、異煙肼解毒劑、阿維菌素注射液、長效土霉素注射液、復方氯氰碘柳胺鈉和沙星類等相關液體制劑的配制[35-37]。通常以甲醛/多聚甲醛和甘油為原料，在酸性催化劑催化的作用下合成甘油縮甲醛，反應如圖5所示。

圖5 甘油和甲醛的縮合反應

Chen等[20，38]用一種耐水雜多酸催化劑Cs2.5H0.5PW12O40(簡寫為Cs2.5)催化甘油與甲醛的縮醛化，通過對溫度、進料組成和催化劑用量等參數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)反應在60 min內(nèi)甘油轉化率超過70%。通過調(diào)整參數(shù)為Cs2.5用量1.33 g、n(甘油)∶n(甲醛)=2 ∶1和反應溫度90 ℃時，反應24 h后六元環(huán)異構體的最高選擇性接近70%。在此基礎上，將Cs2.5負載到介孔二氧化硅載體上并用于催化甘油和甲醛的縮醛化反應，發(fā)現(xiàn)負載型Cs2.5催化劑活性優(yōu)于塊體Cs2.5，且原料對Cs2.5酸性位點的獲取受介孔體積的影響顯著。當Cs2.5負載量為30%時甘油轉化率達到90%，催化劑重復使用3次(每次24 h)，甘油轉化率僅降低10%。Pawar等[39]采用一種無溶劑、無催化劑的工藝，利用微波輔助甘油和羰基化合物醛類或環(huán)酮類進行縮和反應。與常規(guī)加熱方法相比，微波輻射對縮醛化反應起著至關重要的作用，甘油的轉化率為(90±5)%。馬存等[35]用對甲苯磺酸催化多聚甲醛與甘油的縮合反應，甘油縮甲醛產(chǎn)率達到91.4%。Gonzalez-Arellano等[37]利用介孔催化劑Zr-SBA-16(n(Si)∶n(Zr)=100∶1)來催化甘油和多聚甲醛的縮醛化反應，研究顯示催化劑具有較高的活性和選擇性，在無溶劑體系、溫和的反應條件下，五元環(huán)和六元環(huán)產(chǎn)物的選擇性比為24∶76，甘油的轉化率為77%。

3.5 甘油乙酰丙酸酯縮酮

乙酰丙酸烷基酯類是一類很容易從纖維素、半纖維素或者淀粉原料獲得的物質[40]，從單糖或二糖直接生成時產(chǎn)率只有50%左右[41-42]。同甘油一樣，乙酰丙酸烷基酯也是很重要的生物質基平臺化合物，其分子中含有一個羰基和酯基，具有良好的反應活性，能夠進行水解、酯交換、加成、取代、氧化還原等多種反應[43-44]。

在強質子酸催化劑的作用下，乙酰丙酸烷基酯和甘油可發(fā)生高選擇性的縮酮化(幾乎全部生成五元環(huán)產(chǎn)物)。Mullen等[45]采用質子酸催化劑催化甘油和乙酰丙酸酯的縮酮化作用，在催化劑相對少量(H2SO4與甘油的物質的量比值為1.8×10-4)、n(乙酰丙酸酯)∶n(甘油)> 2.5、無溶劑和真空除水的條件下，甘油的轉化率大于95%，五元環(huán)縮酮產(chǎn)物的選擇性為100%。如圖6所示，生成的甘油乙酰丙酸酯縮酮具有酯基、醚基和羥基等官能團，使其具有均衡的溶解性，能和油、水、芳香烴互溶，能用于清洗溶劑或者液體配方的耦合劑，還能夠應用于潤滑劑、塑化劑、多元醇、熱固性和熱塑性塑料的生物質基單體和衍生物[15]。

Amarasekara等[46]利用固體催化劑Sb2O3催化甘油乙酰丙酸酯縮酮低聚物的合成，在通氮氣條件下，先把乙酰丙酸和甘油等物質的量混合物加熱1 h,使溫度從23 ℃升至210 ℃，然后在一定真空、210 ℃、添加1.0% Sb2O3(以物質的量計)的條件下反應9 h，生成低聚物的聚合度最高達到9.8。乙酰丙酸縮酮合成成本低，易于官能化并且具有較低的凝固點、較高的沸點、較強的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，這些特性使其成為未來可持續(xù)性材料的重要組成部分[40]。

圖6 甘油與乙酰丙酸酯的縮合反應

4 甘油縮醛和縮酮的反應模式

4.1 連續(xù)流反應模式

目前，用固體酸代替液體酸用于甘油縮酮反應已成為趨勢。然而，傳統(tǒng)的分批反應模式反應時間長(通常會超過2 h)，而且常要用到機械攪拌，攪拌的強度和效率會很大程度地影響縮酮的產(chǎn)率，此外，分批處理反應模式在規(guī)模化生產(chǎn)過程中也存在很大的局限性[21-22,47]。因此，在采用固體酸催化劑的基礎上，發(fā)展連續(xù)流反應模式成為關鍵。Nanda等[48]在2014年率先應用連續(xù)流反應模式生產(chǎn)丙酮縮甘油，通過比較6種固體催化劑(Amberlyst 35 Dry、Amberlyst 36 Wet、沸石、蒙脫石K-10、硫酸鋯和Polymax 845)，得出Amberlyst 36 Wet的催化性能最好，在反應溫度40 ℃、4.1 MPa和反應體積空速4 h-1的最佳反應條件下，五元環(huán)丙酮縮甘油的產(chǎn)率可達88%。該反應模式的核心工藝是把固體催化劑添加到可以加熱的管式反應器中，利用HPLC泵把反應液按一定的比例加壓流過反應器，由于催化劑有較大的比表面積，使得該反應器有較高的熱質轉換效率，能顯著提高丙酮縮甘油的生產(chǎn)速率。

4.2 改良的連續(xù)流反應模式

粗甘油的純度級別決定了甘油的價格。精制的純甘油是比較貴的，而粗甘油的價格低且變化較大，價格為純甘油的1/5左右[49]。因此，用粗甘油來生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品，對實現(xiàn)經(jīng)濟和可持續(xù)地生產(chǎn)甘油縮醛和縮酮至關重要。但是由于粗甘油中包含水、鉀或鈉鹽、酯、脂肪酸和醇等雜質，所以直接使用粗甘油用作反應原料可能會引起催化劑的失活(由于雜質毒化活性位)或者堵塞反應器(由于高沸點有機化合物或無機鹽的沉積)[16]。為了促進粗甘油的應用，Nanda[50]研制出一種改良的連續(xù)流反應器，該反應器包含了一個保護反應器，可以在線去除粗甘油中的雜質和再生失活的催化劑。利用粗甘油(純度約13%)為原料和這種改良的連續(xù)流反應器，經(jīng)過1 h的連續(xù)反應，縮酮的產(chǎn)率可達78%。此外，利用保護反應器進行催化劑的在線再生，結果表明：失活的催化劑在4輪連續(xù)的循環(huán)反應中可以被成功再生，縮酮的產(chǎn)率僅從92%降低到81%。

5 結語與展望

近年來，對甘油縮醛和縮酮的合成研究較多，研究者一直致力于通過嘗試不同的催化劑、反應物、溫度和反應器類型等尋找其合成的最佳反應條件，然而該領域還存在反應時間較長、催化劑成本高和重復利用率低、對原料純度要求高、反應溫度較高、粗甘油應用少和連續(xù)流反應模式應用不成熟等問題。因此，為了更好地開發(fā)與應用甘油縮醛和縮酮，有必要從以下幾個方面進行嘗試：1)研制更加廉價、高效和能重復使用的固體催化劑；2)開發(fā)更為成熟的連續(xù)流反應模式，升級性能更加優(yōu)異的連續(xù)流反應器；3)探索粗甘油在連續(xù)流反應中應用更加穩(wěn)定可靠的方案，直接用粗甘油作為原料有利于降低產(chǎn)物生產(chǎn)成本和促進甘油的利用效率。可以預期，隨著對高附加值甘油縮醛和縮酮規(guī)模化生產(chǎn)的需要，未來尋找更溫和的條件、更高效的催化劑和設計更高效的反應器是研究的熱點和難點。