强酸树脂催化合成乙醛酸甲酯

龚海燕，孙凤侠，刘俊涛

(中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院绿色化工与工业催化国家重点实验室，上海 201208)

乙醛酸酯及其缩醛化合物中的α-酮(或乙缩醛)官能团具有很高的反应性能，可用于合成多种药物和天然化合物。如乙醛酸酯经Aldol反应合成3-氨基-α-羟基-β-酯基-3-季碳氧化吲哚类具有抗肿瘤性能的化合物[1]。乙醛酸酯在手性有机小分子或离子液体催化作用下可与各种醛发生不对称羟醛缩合反应合成具有较高光学效率的化合物[2-3]。

目前文献报道的合成方法主要有：(1) 酒石酸酯氧化法。采用具有氧化性的无机氧化剂[4-5]对酒石酸酯进行氧化得到乙醛酸乙酯，该方法产率较高，但废液量大，不环保；(2) 乙醇酸甲酯氧化法。该方法以乙醇酸甲酯为原料，经空气催化氧化制备乙醛酸甲酯，催化剂经过优化后收率达97.7%，但是该反应温度较高，且原料乙醇酸甲酯价格相对较高[6-7]；(3) 马来酸臭氧氧化法。用臭氧对马来酸酯先氧化，再催化加氢还原得到乙醛酸乙酯，产物收率≥89.0%，但反应过程中需使用过量臭氧，且后续还需高压还原，流程长，工业化有一定难度[8-9]；(4) 丁烯二酸二乙酯氧化法。以氧化锰或三氯化钒为催化剂，在室温下用氧气氧化丁烯二酸二乙酯得到乙醛酸酯，该方法产物收率不高，且在合成过程中会使用大量二甲基亚砜、苯和磷酸等溶剂[10]。所以从整体环保、经济性等方面考虑，上述几种工艺工业化都有一定局限性，因此，研究一种简单高效的制备乙醛酸甲酯的合成方法具有重要意义。

本文以乙醛酸和甲醇为原料，在强酸性树脂催化剂作用下进行反应得到乙醛酸甲酯。考察反应时间、反应温度、醇酸比和催化剂用量对反应性能的影响。

1 实验部分

1.1 试 剂

甲醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；乙醛酸，化学纯，南京化学试剂股份有限公司；催化剂，强酸性阳离子交换树脂。

1.2 乙醛酸酯合成

称取一定量的甲醇、乙醛酸和强酸性阳离子交换树脂置于四口烧瓶内，烧瓶装有回流冷凝管、温度计、搅拌桨和取样口。控制油浴至反应温度，并根据反应时间定时取样分析。

1.3 样品分析

采用液相色谱(岛津LC-20A)分析反应产物。安捷伦C18柱，柱箱温度35 ℃，检测波长212 nm，进样量2 μL，10%乙腈和0.06%磷酸水溶液流动相，流速0.6 mL·min-1。

2 结果与讨论

2.1 反应机理

乙醛酸和甲醇在酸催化作用下发生反应，其过程一般按图1～2进行。乙醛酸分子在酸催化剂作用下形成带净正电荷的乙醛酸分子。然后这个带正电荷的乙醛酸和甲醇分子反应，得到两羟基连着一个碳原子的中间产物，该中间产物脱水可得到乙醛酸甲酯。

图1 乙醛酸和甲醇酯化反应机理Figure 1 Esterification mechanism of glyoxylic acid and methanol

乙醛酸甲酯进一步受酸催化作用，其中的羰基氧原子质子化后和醇发生亲核加成反应得到半缩醛。半缩醛不稳定，继续和醇反应得到缩醛。

图2 乙醛酸甲酯和甲醇缩合反应机理Figure 2 Condensation mechanism of methyl glyoxylate and methanol

2.2 反应时间对反应性能的影响

在常压、醇酸物质的量比8∶1、反应温度55 ℃、催化剂用量为乙醛酸质量5%条件下，考察反应时间对反应性能的影响，结果见图3。

图3 反应时间对反应性能的影响Figure 3 Effect of time on the reaction performance

从图3可以看出，随着反应时间的延长，乙醛酸转化率快速升高，反应1.5 h后升至78%以上，但进一步延长反应时间，转化率上升趋于缓慢。乙醛酸甲酯选择性随着反应时间的增加而下降，乙醛酸甲酯收率呈先增后降的趋势。这是因为乙醛酸和甲醇在酸性催化剂作用下不仅发生酯化反应，而且酯化产物还会和甲醇反应生成缩醛。反应开始阶段原料中乙醛酸和甲醇浓度较高，主要进行酯化反应，且反应速率较快，乙醛酸转化率迅速上升。随着反应进行，物料中的乙醛酸甲酯含量上升，促进缩醛反应进行，乙醛酸甲酯选择性下降，同时缩醛反应速率相对较慢。反应1.5 h时，乙醛酸甲酯收率最高，为74.8%。

2.3 反应温度对反应性能的影响

在常压、醇酸物质的量比8∶1和催化剂用量为乙醛酸质量5%条件下，考察反应温度对反应性能的影响，结果如图4所示。

图4 反应温度对反应性能的影响Figure 4 Effect of temperature on the reaction performance

从图4可以看出，反应温度从30 ℃提高到55 ℃，乙醛酸转化率明显加快，但进一步提高反应温度至65 ℃时，转化率变化不明显。乙醛酸甲酯选择性随着反应温度的升高而降低，所以控制反应温度为55 ℃可以获得较高的乙醛酸甲酯收率。

乙醛酸和甲醇酯化反应过程中伴随乙醛酸甲酯和甲醇缩合的串联反应，提高反应温度在加快反应速率的同时也会使乙醛酸甲酯过度反应生成缩醛，乙醛酸甲酯选择性下降，所以，控制反应温度55 ℃。

2.4 醇酸物质的量比对反应性能的影响

在常压、反应温度55 ℃、反应时间1.5 h和催化剂用量为乙醛酸质量5%条件下，考察甲醇和乙醛酸物质的量比对反应性能的影响，结果见图5。

图5 醇酸物质的量比对反应性能的影响Figure 5 Effect of alcohol-acid mole ratio on the reaction performance

从图5可以看出，提高原料中醇酸物质的量比，乙醛酸转化率和乙醛酸甲酯收率提高，当醇酸物质的量比为8∶1时，转化率为78.55%，收率为74.88%。继续提高醇酸物质的量比，对反应性能影响不明显。这是由于乙醛酸酯化反应是一个可逆反应，增加反应物中甲醇的比例可提高乙醛酸的平衡转化率。同时提高醇酸物质的量比后，产物中乙醛酸甲酯浓度降低，缩合反应减少，选择性小幅提高。醇酸物质的量比过高，甲醇用量过多，回收成本增加。因此，优选醇酸物质的量比为6∶1～8∶1。

2.5 催化剂用量对反应性能的影响

在常压、醇酸物质的量比8∶1和反应温度55 ℃条件下，考察催化剂用量对乙醛酸转化的影响，结果见图6。

图6 催化剂用量对乙醛酸转化率的影响Figure 6 Effect of catalyst loading on the conversion of glyoxylic acid

从图6可以看出，乙醛酸和甲醇的酯化反应在无催化剂条件下也可以进行，但同样反应时间内乙醛酸转化率明显低于催化反应。当催化剂用量为乙醛酸质量的1%～5%时，乙醛酸转化率随催化剂用量的增加而提高，但是进一步增加催化剂用量至10%时，转化率提升不明显。综合考虑，催化剂用量为乙醛酸质量的5%较优。

2.6 催化剂稳定性

在常压、醇酸物质的量比8∶1、反应温度55 ℃和反应时间1.5 h条件下，考察催化剂重复使用性能，结果见图7。

图7 催化剂重复使用性能Figure 7 Reusability of the catalyst

从图7可以看出，催化剂重复使用7次，乙醛酸转化率和乙醛酸甲酯选择性均超过77%和95%，催化剂稳定性良好。

3 结 论

(1) 乙醛酸和甲醇在酸催化作用下先进行酯化反应得到乙醛酸甲酯，然后乙醛酸甲酯和甲醇进一步发生缩合反应生成缩醛。

(2) 在反应温度55 ℃、醇酸物质的量比6∶1～8∶1、催化剂用量为乙醛酸质量5%和反应时间1.5 h条件下，乙醛酸甲酯收率最高达74.8%。

(3) 催化剂经过7次重复使用后，乙醛酸转化率和乙醛酸甲酯选择性变化不大，催化剂稳定性良好。