強酸樹脂催化合成乙醛酸甲酯

龔海燕，孫鳳俠，劉俊濤

(中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院綠色化工與工業催化國家重點實驗室，上海 201208)

乙醛酸酯及其縮醛化合物中的α-酮(或乙縮醛)官能團具有很高的反應性能，可用于合成多種藥物和天然化合物。如乙醛酸酯經Aldol反應合成3-氨基-α-羥基-β-酯基-3-季碳氧化吲哚類具有抗腫瘤性能的化合物[1]。乙醛酸酯在手性有機小分子或離子液體催化作用下可與各種醛發生不對稱羥醛縮合反應合成具有較高光學效率的化合物[2-3]。

目前文獻報道的合成方法主要有：(1) 酒石酸酯氧化法。采用具有氧化性的無機氧化劑[4-5]對酒石酸酯進行氧化得到乙醛酸乙酯，該方法產率較高，但廢液量大，不環保；(2) 乙醇酸甲酯氧化法。該方法以乙醇酸甲酯為原料，經空氣催化氧化制備乙醛酸甲酯，催化劑經過優化后收率達97.7%，但是該反應溫度較高，且原料乙醇酸甲酯價格相對較高[6-7]；(3) 馬來酸臭氧氧化法。用臭氧對馬來酸酯先氧化，再催化加氫還原得到乙醛酸乙酯，產物收率≥89.0%，但反應過程中需使用過量臭氧，且后續還需高壓還原，流程長，工業化有一定難度[8-9]；(4) 丁烯二酸二乙酯氧化法。以氧化錳或三氯化釩為催化劑，在室溫下用氧氣氧化丁烯二酸二乙酯得到乙醛酸酯，該方法產物收率不高，且在合成過程中會使用大量二甲基亞砜、苯和磷酸等溶劑[10]。所以從整體環保、經濟性等方面考慮，上述幾種工藝工業化都有一定局限性，因此，研究一種簡單高效的制備乙醛酸甲酯的合成方法具有重要意義。

本文以乙醛酸和甲醇為原料，在強酸性樹脂催化劑作用下進行反應得到乙醛酸甲酯。考察反應時間、反應溫度、醇酸比和催化劑用量對反應性能的影響。

1 實驗部分

1.1 試 劑

甲醇，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；乙醛酸，化學純，南京化學試劑股份有限公司；催化劑，強酸性陽離子交換樹脂。

1.2 乙醛酸酯合成

稱取一定量的甲醇、乙醛酸和強酸性陽離子交換樹脂置于四口燒瓶內，燒瓶裝有回流冷凝管、溫度計、攪拌槳和取樣口。控制油浴至反應溫度，并根據反應時間定時取樣分析。

1.3 樣品分析

采用液相色譜(島津LC-20A)分析反應產物。安捷倫C18柱，柱箱溫度35 ℃，檢測波長212 nm，進樣量2 μL，10%乙腈和0.06%磷酸水溶液流動相，流速0.6 mL·min-1。

2 結果與討論

2.1 反應機理

乙醛酸和甲醇在酸催化作用下發生反應，其過程一般按圖1～2進行。乙醛酸分子在酸催化劑作用下形成帶凈正電荷的乙醛酸分子。然后這個帶正電荷的乙醛酸和甲醇分子反應，得到兩羥基連著一個碳原子的中間產物，該中間產物脫水可得到乙醛酸甲酯。

圖1 乙醛酸和甲醇酯化反應機理Figure 1 Esterification mechanism of glyoxylic acid and methanol

乙醛酸甲酯進一步受酸催化作用，其中的羰基氧原子質子化后和醇發生親核加成反應得到半縮醛。半縮醛不穩定，繼續和醇反應得到縮醛。

圖2 乙醛酸甲酯和甲醇縮合反應機理Figure 2 Condensation mechanism of methyl glyoxylate and methanol

2.2 反應時間對反應性能的影響

在常壓、醇酸物質的量比8∶1、反應溫度55 ℃、催化劑用量為乙醛酸質量5%條件下，考察反應時間對反應性能的影響，結果見圖3。

圖3 反應時間對反應性能的影響Figure 3 Effect of time on the reaction performance

從圖3可以看出，隨著反應時間的延長，乙醛酸轉化率快速升高，反應1.5 h后升至78%以上，但進一步延長反應時間，轉化率上升趨于緩慢。乙醛酸甲酯選擇性隨著反應時間的增加而下降，乙醛酸甲酯收率呈先增后降的趨勢。這是因為乙醛酸和甲醇在酸性催化劑作用下不僅發生酯化反應，而且酯化產物還會和甲醇反應生成縮醛。反應開始階段原料中乙醛酸和甲醇濃度較高，主要進行酯化反應，且反應速率較快，乙醛酸轉化率迅速上升。隨著反應進行，物料中的乙醛酸甲酯含量上升，促進縮醛反應進行，乙醛酸甲酯選擇性下降，同時縮醛反應速率相對較慢。反應1.5 h時，乙醛酸甲酯收率最高，為74.8%。

2.3 反應溫度對反應性能的影響

在常壓、醇酸物質的量比8∶1和催化劑用量為乙醛酸質量5%條件下，考察反應溫度對反應性能的影響，結果如圖4所示。

圖4 反應溫度對反應性能的影響Figure 4 Effect of temperature on the reaction performance

從圖4可以看出，反應溫度從30 ℃提高到55 ℃，乙醛酸轉化率明顯加快，但進一步提高反應溫度至65 ℃時，轉化率變化不明顯。乙醛酸甲酯選擇性隨著反應溫度的升高而降低，所以控制反應溫度為55 ℃可以獲得較高的乙醛酸甲酯收率。

乙醛酸和甲醇酯化反應過程中伴隨乙醛酸甲酯和甲醇縮合的串聯反應，提高反應溫度在加快反應速率的同時也會使乙醛酸甲酯過度反應生成縮醛，乙醛酸甲酯選擇性下降，所以，控制反應溫度55 ℃。

2.4 醇酸物質的量比對反應性能的影響

在常壓、反應溫度55 ℃、反應時間1.5 h和催化劑用量為乙醛酸質量5%條件下，考察甲醇和乙醛酸物質的量比對反應性能的影響，結果見圖5。

圖5 醇酸物質的量比對反應性能的影響Figure 5 Effect of alcohol-acid mole ratio on the reaction performance

從圖5可以看出，提高原料中醇酸物質的量比，乙醛酸轉化率和乙醛酸甲酯收率提高，當醇酸物質的量比為8∶1時，轉化率為78.55%，收率為74.88%。繼續提高醇酸物質的量比，對反應性能影響不明顯。這是由于乙醛酸酯化反應是一個可逆反應，增加反應物中甲醇的比例可提高乙醛酸的平衡轉化率。同時提高醇酸物質的量比后，產物中乙醛酸甲酯濃度降低，縮合反應減少，選擇性小幅提高。醇酸物質的量比過高，甲醇用量過多，回收成本增加。因此，優選醇酸物質的量比為6∶1～8∶1。

2.5 催化劑用量對反應性能的影響

在常壓、醇酸物質的量比8∶1和反應溫度55 ℃條件下，考察催化劑用量對乙醛酸轉化的影響，結果見圖6。

圖6 催化劑用量對乙醛酸轉化率的影響Figure 6 Effect of catalyst loading on the conversion of glyoxylic acid

從圖6可以看出，乙醛酸和甲醇的酯化反應在無催化劑條件下也可以進行，但同樣反應時間內乙醛酸轉化率明顯低于催化反應。當催化劑用量為乙醛酸質量的1%～5%時，乙醛酸轉化率隨催化劑用量的增加而提高，但是進一步增加催化劑用量至10%時，轉化率提升不明顯。綜合考慮，催化劑用量為乙醛酸質量的5%較優。

2.6 催化劑穩定性

在常壓、醇酸物質的量比8∶1、反應溫度55 ℃和反應時間1.5 h條件下，考察催化劑重復使用性能，結果見圖7。

圖7 催化劑重復使用性能Figure 7 Reusability of the catalyst

從圖7可以看出，催化劑重復使用7次，乙醛酸轉化率和乙醛酸甲酯選擇性均超過77%和95%，催化劑穩定性良好。

3 結 論

(1) 乙醛酸和甲醇在酸催化作用下先進行酯化反應得到乙醛酸甲酯，然后乙醛酸甲酯和甲醇進一步發生縮合反應生成縮醛。

(2) 在反應溫度55 ℃、醇酸物質的量比6∶1～8∶1、催化劑用量為乙醛酸質量5%和反應時間1.5 h條件下，乙醛酸甲酯收率最高達74.8%。

(3) 催化劑經過7次重復使用后，乙醛酸轉化率和乙醛酸甲酯選擇性變化不大，催化劑穩定性良好。