异戊烯醛合成路线及其工业化研发的评述

吕耀宏，吕星鑫

(浙江理工大学，浙江 杭州 310018)

1 产品背景

异戊烯醛(化学名：3-甲基-2-丁烯-1-醛)，是高原子经济性连续化法合成柠檬醛的中间体[1-2]，而柠檬醛除了用作香料之外，主要大量用作生产维生素A的关键中间体。

根据报道，帝斯曼(荷兰)、新和成、巴斯夫和安迪苏(法国)四家约占据维生素A全球供应量的90%。国内主要生产商新和成、浙江医药以及金达威合计产量约为7 000 t/a。柠檬醛在国内需求量至少3 500 t/a，而目前用于生产维生素A的柠檬醛主要从德国巴斯夫与日本可乐丽进口。生产柠檬醛的关键技术性难点是异戊烯醛的生产制造技术。因此笔者将阐述国内外异戊烯醛的合成路线，重点评述异戊烯醛的工业化研发进展。

2 工艺路线

按照起始原料的不同，主要有3种工艺路线，分别以异戊烯醇(3-甲基-2-丁烯-1-醇)、3-甲基-3-丁烯-1-醇以及2-甲基-3-丁炔-2-醇为原料，通过不同氧化重排方法合成得到目的产品。其他如异戊醛脱氢等，本文将作简要介绍。

2.1 以异戊烯醇为起始原料

2.1.1均相催化氧化法[3-4]

以2,2,6,6-四甲基哌啶-氧自由基(TEMPO)或其衍生物作为主催化剂，硝酸盐或亚硝酸盐为助剂，在有机溶剂(如氯仿)中，用氧气对异戊烯醇进行氧化，直接制备得到异戊烯醛(如图1)。

图1 异戊烯醇均相催化氧化

2.1.2气固相催化脱氢法

早在1933年，专利[5-6]报道了铜、银或金等金属或金属氧化物在空气氛下催化氧化气态不饱和醇(主要指α,β-不饱和醇)制备得到相应的不饱和醛。巴斯夫于1970年的专利[7]中主要讨论了以铜、银为主催化剂添加碱金属氧化物或以碱金属氧化物为载体，催化氧化异戊烯醇，以减少副反应。经过筛选，一般多采用选择性好、价格适中的银作为主催化剂。

图2 异戊烯醇气固相催化脱氢法[8]

2.2 以3-甲基-3-丁烯-1-醇为起始原料

巴斯夫[9]认为：α,β-不饱和醇不易获得，可以通过气固相催化氧化法转化δ,γ-不饱和醇来得到相应的α,β-不饱和醛。其中催化剂为负载于碱金属上的银或铜，并在反应体系中加入亲核性物质来帮助重排。在此基础上，巴斯夫对该工艺技术不断地进行改进，最后将催化氧化与重排反应进行联合操作。首先在银晶体或者负载银上进行催化氧化(在催化氧化的同时，已经部分重排成异戊烯醛)，混合物用酸或碱进行重排操作[10]。由于转化率控制在50%左右，因此还需要在水与甘油的条件下对醇醛分别进行分离[11]。该工艺路线反应式如图3所示,详细讨论见3.1。

图3 3-甲基-3-丁烯-1-醇气固相催化氧化重排法路线

2.3 以2-甲基-3-丁炔-2-醇为起始原料

该催化重排方法源于Meyer和Schuter提出的反应，芳基乙炔基甲醇能够在酸催化下重排得到α,β-不饱和醛或酮[12]。该反应不仅在均相反应体系中能够发生，在多相反应体系，特别是气固相催化重排，同样能够进行。

专利[13]将取代乙炔甲醇与水混合，混合蒸气通过负载有磷酸的催化剂，重排得到α,β-不饱和醛或酮。文献[14]以硅胶为载体，将钼酸通过与硅羟基脱水，固定于载体上，进行催化重排制得异戊烯醛。但是该气固相反应副产物多，催化剂又非常容易积碳，目前难以用于生产异戊烯醛。

而均相催化重排较多相催化容易，且反应稳定。催化剂主要有钼系络合物[15]、钛系络合物[16]和用于制备维生素A前体、柠檬醛及异戊烯醛等的钒系化合物[17-19]等。图4是利用钛系均相络合物催化重排制异戊烯醛的工艺路线[20-22]。

图4 2-甲基-3-丁炔-2-醇均相催化重排反应

2.4 其他合成路线

巴斯夫也进行了将3-甲基丁醛进行气固相催化脱氢制备异戊烯醛的研究[23]。该催化剂组成较为复杂，其反应方程如图5所示。该反应即使在高选择性的情况下转化率和收率(<12%)都很低，且3-甲基丁醛价格远高于异戊烯醛，因此无工业化的意义。

图5 3-甲基丁醛催化脱氢反应

日本可乐丽公司以3-甲基-3-羟基丁醇或者3-甲基-3-甲氧基丁醇为起始原料，先通过氧化，再在酸性或碱性条件下脱水或脱甲醇得到异戊烯醛及其异构体，并进行重排[24-25]。图6以3-甲基-3-羟基丁醇为例。该制备过程较为复杂，且工业原料不易获取。

图6 3-甲基-3-羟基丁醇制备异戊烯醛路线

3 各国研究进展及工业化程度

3.1 德 国

柠檬醛的生产规模以德国巴斯夫为首，已有世界规模最大的4 万t/a柠檬醛生产线投产[26]。1977年，异戊烯醛合成技术取得突破，采用由不同尺寸铜银晶体颗粒组成的多层催化床层，在460 ℃用空气催化氧化3-甲基-3-丁烯-1-醇[27]，并通过重排纯化得到异戊烯醛。在该法基础上，巴斯夫不断地对工艺进行优化改进：1980年，改进了气固相反应器的激冷装置，由原来的列管式冷凝器改用喷雾式对反应气体进行激冷[28]；1986年，由于催化氧化反应剧烈放热，改用列管式气固相反应器，由盐浴移走反应热[29]；1997年，又对列管式气固相反应器结构进行了改进，同时还采用了一种惰性球体表面涂银的催化剂，两种改进均延长了催化剂的更换周期[30](由于反应容易积碳，催化剂仍需要进行每周一次烧碳处理)。图7为反应器结构示意及催化条件。同时在该催化剂的制造工艺上，巴斯夫也有专利[31-33]报道。

图7 列管式催化氧化反应器结构示意

1,2—原料蒸气与含氧气体(一般为空气)；3a—催化剂预层，厚度大于0.5 cm，可以是催化剂载体或催化剂本身；3b—催化床层，催化剂厚度在20～80 mm；4—流动热量转移介质(一般熔融盐，保持在360 ℃)；5—管束管板；6—反应后的热蒸气；7—喷雾器示意；8—填料堆；9—水相。

在360 ℃盐浴温度下，反应温度400～460 ℃，一定空速，相对于醇的转化率约为52%，选择性稳定在91%左右。简要工艺流程如图8所示。

巴斯夫运用Prins反应将价格便宜、来源广的异丁烯与甲醛溶液在高温高压下合成3-甲基-3-丁烯-1-醇[2,34]，并通过一步气液固三相催化重排得到柠檬醛的另一种原料3-甲基-2-丁烯-1-醇[2,35]。所有生产过程(还有缩醛反应[36])均可以较低的原料单耗实现连续化大规模生产。巴斯夫生产柠檬醛总反应过程及路线如图9所示。

图8 巴斯夫工艺简要工艺流程

3.2 日 本

国际上化学合成柠檬醛的第二大生产商是日本可乐丽，但可乐丽研发及实现工业化进程均晚于巴斯夫，使其处于竞争不利位置的原因之一。

日本可乐丽生产异戊烯醛的方法也是气固相催化氧化异戊烯醇[37-38]。所用催化剂为铜银合金负载型催化剂，并添加有碱性氧化物助剂(用来减少重排副产物3-甲基-3-丁烯-1-醛)。在350～450 ℃，用空气进行氧化，转化率40%左右，选择性可达到95%以上；但所用原料异戊烯醇目前无法直接通过单步反应制备得到。

可乐丽同样拥有3-甲基-3-丁烯-1-醇的合成生产技术，专利[39]报道了运用钯碳在氢气氛下重排3-甲基-3-丁烯-1-醇，但是产生大量饱和醇副产物。也有报道通过乙炔丙酮制备得到的2-甲基-3-丁炔-2-醇在硼酸三甲酯作用下重排得到异戊烯醇，但转化率极低[40]。较可能实现工业化的报道，是将异戊二烯与氯化氢进行加成反应[41-42]，并与醋酸钠进行取代水解[43-44]，得到高纯度的异戊烯醇。可乐丽具有从异丁烯和甲醛为起始原料的合成生产异戊二烯(也可从C5馏分中提取)的技术[45]。因此，可乐丽具备工业化异戊烯醛的合成路线如图10所示。并同样通过缩醛、消除等过程合成柠檬醛[46-47]。

图10 可乐丽异戊烯醛工业化反应过程

由于合成过程中带进了氯元素，最后柠檬醛产品中会含有微量的氯或含氯化合物，对维生素A合成的后续步骤有一定的影响，也一定程度上限制了其柠檬醛产业的发展。

3.3 中 国

浙江医药曾多次对异戊烯醛合成技术进行研发。2002年与中科院兰州化学物理研究所合作研发气固相催化氧化3-甲基-丁烯-1-醇制备异戊烯醛[8]。该工艺以银为催化剂，以钠镁为助剂，在较低空速以及较低温度(如330 ℃)，异戊烯醇和3-甲基-3-丁烯-1-醇均能达到较高的转化率以及选择性。但目前还未见该技术方案有具体工业化实施及实际应用生产的报道。

2009年，浙江医药通过均相催化氧化法，催化氧化异戊烯醇。所用催化剂为2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(TEMPO)化合物，以硝酸盐为助剂，在溶剂条件下用空气进行氧化，也得到了较高的收率[3]。但催化剂价格较高且无法重复使用。该合成技术原子经济性较低，生产成本高。同样，也未见该方案的工业化实施的报道。

据报道，新和成作为国内最大、世界第二大维生素A生产商，对中间体柠檬醛的需求更为迫切。与浙江大学理学部合作，开发了柠檬醛的全合成过程。其中关键中间体异戊烯醛是通过均相催化重排2-甲基-3-丁炔-2-醇得到。催化剂为乙酰丙酮氧钛，助剂为氯化亚铜与苯甲酸[20]。其连续生产的转化率适中，选择性能够达到90%以上。原料2-甲基-3-丁炔-2-醇由基础原料乙炔丙酮在液氨条件下制备得到[48]，单耗相对较低。但其催化剂价格较高且回收套用困难，原料单耗上占比较大。

新和成目前采用间歇的方式生产异戊烯醛[20]。柠檬醛合成中另一原料异戊烯醇由2-甲基-3-丁炔-2-醇加氢[49-50]并通过催化重排[51]得到，同样经过缩合消除重排[52-53]得到柠檬醛，并建有柠檬醛生产装置，产能较小，用于满足自身下游产品的需求[54]。新和成生产柠檬醛总反应过程如图11。

图11 新和成生产柠檬醛总反应过程

从文献[20，48-53]等报道来看，如果均从各自基础原料开始，新和成工艺技术与巴斯夫工艺技术在原料单耗上具有一定的竞争性。但由于间歇工艺以及在生产工艺步骤中比巴斯夫多，使得前者在设备及配套设施的投入与生产运行的费用较大。并且催化剂耗量大，或许还不能与巴斯夫大规模气固相连续催化工艺竞争。

4 国内展望

异戊烯醛可以由3-甲基-3-丁烯-1-醇、2-甲基-3-丁炔-2-醇或异戊烯醇反应得到。若原料均采用自主生产，由于异戊烯醛生产技术的限制，生产3-甲基-3-丁烯-1-醇与2-甲基-3-丁炔-2-醇相对廉价。新和成与巴斯夫两种工艺生产异戊烯醛的单耗相近，但烯醇工业化的气固相催化氧化制相应不饱和醛的产业化技术仍为难点，同样具有较重要的研究与开发价值。同时，随着环境保护要求的不断提高，三废处理费用也将日益增加，因此巴斯夫的高原子经济性气固相连续催化工艺将成为趋势。

异戊烯醇作为生产异戊烯醛的中间体，同时又可与异戊烯醛反应直接生产柠檬醛，是合成柠檬醛过程中最方便易用的原料，采用外购方式可减少设备及研发的投入。3-甲基-3-丁烯-1-醇与2-甲基-3-丁炔-2-醇的市场价格相近，并且低于异戊烯醇；由于2-甲基-3-丁炔-2-醇重排催化剂难以回收，导致原料单耗较大。而采用3-甲基-3-丁烯-1-醇制异戊烯醛的单耗较低，同时3-甲基-3-丁烯-1-醇又是新型减水剂的重要单体，已成功在国内实现大规模工业化[55]，计划投产2 万t/a。据此预测，3-甲基-3-丁烯-1-醇国内价格将会有所下降，有趋势成为生产异戊烯醛的最经济原料。

气固相催化氧化脱氢反应强烈放热，巴斯夫采用列管式反应器，运用熔融盐移走反应热，实践表明该工业催化反应器的可实施性。Enhong Cao等[56]从理论上表明了微管束反应器的可行性。虽然国内对异戊烯醇催化氧化脱氢制异戊烯醛进行了有益的探索研究，但仍未见有工业化公开报道，可望在气固相催化氧化制异戊烯醛的工业催化剂制造工艺及其工业催化反应器开发关键技术难点上有所建树，进而提升异戊烯醛的合成工艺技术的竞争力。

鸣谢：浙江医药及浙江大学化学工程与技术前辈吴平东教授在本文完成过程中所提供的帮助与研讨。

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