制季戊四醇的方法

1、制季戊四醇的方法1.4季戊四醇的制備美國人于20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)，甲醛與乙醛在堿性催化劑氫氧化鈉作用下， 可以發(fā)生縮合反應(yīng)，偶然間發(fā)現(xiàn)了制備出季戊四醇的方法，從此季戊四醇的工 業(yè)化生產(chǎn)便在美國實(shí)現(xiàn)了。季戊四醇的應(yīng)用范圍及市場需求不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致國 內(nèi)及國外都加大了對季戊四醇生產(chǎn)技術(shù)的研究，季戊四醇的開發(fā)研究進(jìn)入了火 熱的時期。季戊四醇的制備根據(jù)催化劑的不同，總體來說分為兩種途徑，一種途徑是 選用強(qiáng)堿性催化劑，例如氫氧化鈉，氫氧化鉀，氫氧化鈣，然而這個過程最大 的缺點(diǎn)是形成大量副產(chǎn)物甲酸鹽，甲酸鹽沒有合適的銷路；另一種途徑是選擇 堿性較弱的胺類作為反應(yīng)的催化劑，尤其是三乙胺，非常適合作為此反應(yīng)的催

2、 化劑，在三乙胺的催化作用下，甲醛與乙醛發(fā)生反應(yīng)，三羥甲基乙醛是羥醛縮 合反應(yīng)的主要產(chǎn)物，然后通過加氫反應(yīng)，制得最終產(chǎn)物季戊四醇 30。1.4.1 Cannizzaro 縮合法甲醛、乙醛會發(fā)生反應(yīng)生成三羥甲基乙醛，該制備過程選擇的催化劑大多 為堿性較強(qiáng)的催化劑，生產(chǎn)的中間產(chǎn)物再經(jīng)過Cannizzaro反應(yīng)生成季戊四醇，整個反應(yīng)過程的機(jī)理研究已相當(dāng)成熟，Cannizzaro縮合法制備季戊四醇的過程 分為兩個階段，Cannizzaro縮合法的第一步反應(yīng)是過量甲醛與乙醛混合發(fā)生羥 醛縮合反應(yīng)，生成三羥甲基乙醛31。Cannizzaro縮合法的第一步反應(yīng)是可逆反 應(yīng)，具體的反應(yīng)過程如下所示：OH-CH

3、3CHO+ HCHOCHzOHCHzCHOCH2OHCH2CHO+HCHO(CH2OH)2CHCHO (CH2OH)2CHCHO + HCHO0H(CH2OH)3CCHO經(jīng)過羥醛縮合反應(yīng)制得中間產(chǎn)物三羥甲基乙醛，再與甲醛進(jìn)一步發(fā)生 Cannizzaro反應(yīng)，最終制得產(chǎn)物季戊四醇，并且有相應(yīng)的副產(chǎn)物甲酸鹽生成， 第二步反應(yīng)的具體機(jī)理如下：(CH2OH)3CCHO +HCHO+OH * (CH 2OH)4C+ HCOOCannizzaro反應(yīng)的反應(yīng)速度較慢，是不可逆反應(yīng)，通常是在 30C以上、 pH9的堿性條件下完成的。Cannizzaro反應(yīng)結(jié)束時，需要及時進(jìn)行 pH調(diào)節(jié)， 通過pH的調(diào)節(jié)來平衡

4、反應(yīng)體系32。近些年Cannizzaro反應(yīng)方法主要有以下幾 種：1）鈣法鈣法就是指多元醇制備過程中選擇氫氧化鈣作為催化劑。選擇氫氧化鈣作 為季戊四醇制備過程的催化劑，雖然成本價格合適，但涉及到的后處理步驟麻 煩，季戊四醇溶液中會含有鈣離子，鈣離子的存在會影響季戊四醇純度，此外 產(chǎn)品中殘余的鈣灰不利于季戊四醇的存在，鈣離子必須除去，因此后處理過程 中就需要增加沉淀和過濾的步驟33。此外一些科研人員聲明，甲醛能在此堿性 條件下發(fā)生縮合反應(yīng)，嚴(yán)重干擾季戊四醇的純度及產(chǎn)率34。2）鈉法鈉法是指多元醇制備過程中選擇氫氧化鈉作為催化劑。鈉法的出現(xiàn)促使制 備季戊四醇的工藝路線發(fā)生了轉(zhuǎn)變，季戊四醇的生產(chǎn)水平

5、得到了進(jìn)一步的提高。 這雖然增加了季戊四醇的生產(chǎn)成本，但是鈉法生成的副產(chǎn)品溶于水，減輕了后 處理任務(wù)，而且該反應(yīng)體系中季戊四醇也可以穩(wěn)定存在 35。季戊四醇制備過程中，無論選擇氫氧化鈉還是氫氧化鈣均存在缺陷：（1）季戊四醇的制備過程涉及兩個反應(yīng)機(jī)理：羥醛縮合反應(yīng)和Cannizzaro反應(yīng)。前者屬于吸熱反應(yīng)，而后者屬于放熱反應(yīng)，而且縮合過程需要嚴(yán)格控制升溫速率， 否則很容易引發(fā)副反應(yīng)36。反應(yīng)過程中如果溫度超過 20C，就會引發(fā)反應(yīng)速度 加劇，該過程產(chǎn)生的反應(yīng)熱不能及時處理，進(jìn)一步誘發(fā)了副反應(yīng)，極為嚴(yán)重的 破壞了季戊四醇的純度及收率37。（2）反應(yīng)過程中每得到1mol的季戊四醇，便會 有1mol

6、的副產(chǎn)物甲酸鹽隨之出現(xiàn)，目前難以實(shí)現(xiàn)兩者分離，而且副產(chǎn)物還沒有 找到合適的銷售途徑，影響季戊四醇的質(zhì)量及數(shù)量。（3）常用的結(jié)晶方法不能使產(chǎn)品充分結(jié)晶分離，就隨母液被排放了，不僅資源得不到合理利用，造成浪費(fèi)， 還造成了環(huán)境的污染。（4）而選用強(qiáng)堿性的催化劑，該催化劑會腐蝕設(shè)備，影響 設(shè)備使用?！扳c法”工業(yè)化生產(chǎn)季戊四醇的過程中，存在多種工藝控制條件，工藝種 類繁多，原料配比和溫度是季戊四醇合成過程主要的影響因素，基于原料配比38.的大小以及反應(yīng)溫度的高低，將季戊四醇的生產(chǎn)工藝歸納為以下幾類a）低配比高溫工藝本工藝要求原料甲醛、乙醛的物質(zhì)的量比例小于5比1,初始反應(yīng)溫度為20-30C,最終反應(yīng)為3

7、0-50Eo堿性條件下甲醛在升溫的過程中會遭到破壞，生成的糖類、甲酸鹽、甲醇等，會隨著蒸發(fā)脫水和分離的過程而去除。國內(nèi)通常 采用此法生產(chǎn)季戊四醇，該方法生產(chǎn)工藝簡單，而且基本上不消耗冷凍液。b）高配比低溫工藝本工藝要求原料甲醛、乙醛的物質(zhì)的量比例大于5比1,初始反應(yīng)溫度為15E，最終反應(yīng)大于30E o該反應(yīng)工藝整個反應(yīng)體系溫度較低，目的是堿性條 件下使其盡量少的發(fā)生歧化反應(yīng)，如果反應(yīng)原料中甲醛的量遠(yuǎn)大于需要的量， 就會增大甲醛與乙醛相互碰撞發(fā)生反應(yīng)的幾率，使發(fā)生副反應(yīng)的的幾率降低， 產(chǎn)品的產(chǎn)率及純度均有所提高，目前國內(nèi)甚至是國外的一些廠家都引用了此套 季戊四醇的生產(chǎn)技術(shù)。c）咼配比咼溫工藝低溫

8、高配比生產(chǎn)工藝?yán)酶介g歇反應(yīng)裝置，雖然可以使甲醛、乙醛、三 羥甲基乙醛發(fā)生自聚反應(yīng)的幾率減小，并使原料及催化劑的消耗減少，但是低 溫反應(yīng)在能耗方面的問題相當(dāng)嚴(yán)重，不利于控制成本。將常壓間歇釜式反應(yīng)裝 置改裝為加壓管式連續(xù)反應(yīng)器，使用0.4MPa的壓力，反應(yīng)的初始溫度從14-16E 提高到25-30E，最終反應(yīng)溫度從28-30E提至30-50E，反應(yīng)溫度的升高對加快 反應(yīng)速率有著積極的意義。能耗隨之極大的降低，并且可以用循環(huán)水代替冷凍 鹽水，產(chǎn)品的市場競爭力得到極大的提高。3）離子交換催化法近年來，一些研究表明，可以用強(qiáng)堿性離子交換樹脂作為季戊四醇制備過 程中的催化劑，替代傳統(tǒng)工藝中的氫氧化鈉

9、、氫氧化鈣等催化劑，而且該過程 所使用的離子交換樹脂是可以回收利用的，減低了成本，避免了對環(huán)境的破壞。 本生產(chǎn)工藝使用固定床間歇式反應(yīng)裝置，通過蒸餾的方法分離出甲醛溶液，濃 縮母液的方法分離出產(chǎn)物季戊四醇和相同物質(zhì)的量的副產(chǎn)品甲酸鹽39 o再生離子交換樹脂時需要使用稀的強(qiáng)堿溶液浸泡，然后再使用回收的甲醛溶液洗滌。使用離子交換樹脂的最大優(yōu)勢在于，避免了甲醛發(fā)生自身的縮合反應(yīng)，然而該 工藝相對會加重整個過程的工作量，離子交換樹脂需要再生、洗滌，加大了生 產(chǎn)過程的工作量，而且該過程不可避免的產(chǎn)生副產(chǎn)物甲酸鹽，該工藝尚未成熟， 同樣制約著產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模，目前還處于摸索階段 40 04) 光照與Y射線輻

10、射法Irie和Setsuk發(fā)現(xiàn)堿性條件下，光照、丫寸線輻射可以引起多羥基醛的選擇性反應(yīng)。光輻射的作用下，甲醛與乙醛為反應(yīng)原料，制得的產(chǎn)品中不會含有單季的醚化物，此方法制得的單季純度極高，而丫寸線輻射會促使中間產(chǎn)物及 其他副產(chǎn)品的產(chǎn)生。雖然該工藝方法在反應(yīng)選擇性方面優(yōu)于其它方法，得到的產(chǎn)品純度也相對高于其它方法，但是該方法的技術(shù)難度過于巨大，目前該方法 還未工業(yè)化。5) 混合堿法國外研究者提出利用弱堿性的碳酸鹽和碳酸氫鹽作為反應(yīng)的堿性催化劑，替代強(qiáng)堿性的氫氧化鈉、氫氧化鈣，該方法可以解決傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中存在的某 些問題。混合堿法的反應(yīng)過程與第一種及第二種方法極為相像，都是先發(fā)生羥 醛縮合反應(yīng)，再發(fā)

11、生康尼查羅反應(yīng)，生成目標(biāo)產(chǎn)物季戊四醇，同時也會伴有物 質(zhì)的量等同的副產(chǎn)品甲酸鈉41。混合堿法與鈉法不同的是，該方法后處理過程 中增加了甲酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟潲}的過程，貴金屬催化劑可以促使甲酸鹽經(jīng)氧化 反應(yīng)或水解反應(yīng)轉(zhuǎn)變成碳酸氫鹽和碳酸鹽。該制備過程的具體工藝原理如下：羥醛縮合：0H-CH3CHO+ HCHOCH2OHCH2CHOCH2OHCH2CHO+HCHO 型(CH2H)2CHCHO(CH2OH)2CHCHO + HCHO=0H(CH2OH)3CCHOCannizzaro 反應(yīng)：(CH2OH)3CCHO+CO2 +HCHO+H2O C(CH3OH)4 +HCOO +HCOf 以下是由甲酸鹽制備碳酸氫鹽的機(jī)理，該過程涉及到氧化反應(yīng)或者水解反應(yīng)。氧化反應(yīng):水解反應(yīng):HCOO+H2Oil2O+HCOf碳酸氫鹽轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}。2HCOf CO32+CO2+112O混合堿法與之前的第一種、第二種方法相比較而言，有如下幾項(xiàng)優(yōu)勢：（1選用混合堿法合成的工藝，所需要的各項(xiàng)條件相對穩(wěn)定，副反應(yīng)的存在幾率減 小，季戊四醇的產(chǎn)率及純度都得到了相應(yīng)的提高 42。（2）該方法使用的催化劑腐 蝕能力不大，對儀器設(shè)備沒有太大的危害。（3）在后處理階段，借助貴金屬