生物质基甘油缩醛和缩酮的合成研究进展

肖 泽, 常 春*, 白 净, 陈俊英, 李 攀, 韩秀丽

(1.郑州大学 化工与能源学院, 河南 郑州 450001; 2.河南省杰出外籍科学家工作室, 河南 郑州 450001)

由于化石燃料枯竭和环境污染等问题，绿色可再生能源的研究已成为全球热点[1]。生物质作为一类应用潜力巨大的可再生资源，其易被分解成包含2～6个碳原子且具有活泼羟基或羧基的小分子平台化合物，它们易于被官能团化而合成高附加值的化学品或者燃料，是解决全球能源危机的一种重要手段[2]。生物柴油主要由动物脂肪和植物油同单羟基醇通过酯交换作用制得，具有可再生、生物可降解、无毒和几乎与石化柴油相同的物理化学特性等性质，可以直接或与石化柴油混合后使用，被认为是极具吸引力的石化柴油替代品[3-5]。随着全球生物柴油产业的快速发展，产生了大量的副产品——甘油[6]。每生产100 kg生物柴油就产生将近10 kg的甘油，预计到2022年，全球甘油产量将达到410万吨，年均复合增长率6.6%[7]。因此，甘油的充分利用对生物柴油行业的健康、可持续发展至关重要[8]。作为一种平台化合物，甘油可以分别与醛、酮发生缩合反应，产生环状的缩醛和缩酮,甘油中的任意2个羟基都能参与反应，可形成具有五元环和六元环结构的一对同分异构体。缩醛和缩酮具有同一碳与2个烷氧基和2个烃基相连的特殊结构，可用作很多化学品的前驱物，广泛应用于燃料添加剂、香料、兽药溶剂、塑化剂和多元醇等领域[9]。作者综述了近年来备受关注的几种重要的生物基甘油缩醛和缩酮的合成、特性和应用，探究生物质基甘油缩醛和缩酮工业生产存在的关键技术问题，以期为生物质基平台化合物转化制备新型的缩醛和缩酮提供参考。

1 甘油缩醛和缩酮的合成机理

甘油与羰基化合物通过缩合反应生成高附加值的缩醛和缩酮，是甘油利用的一个新途径[10]。甘油和羰基化合物的缩合反应是一个由酸催化脱水缩合、可逆的亲核反应，制备得到五元环或六元环的缩醛和缩酮，具有四步合成机制，如图1所示。缩酮的形成极大地受电子和空间位阻因素的影响，所以质子化的半缩酮脱水形成离子化的半缩酮是决定反应速率的关键步骤[2]。为了解决离子化的半缩酮生成速率低的问题，反应体系必须保持足够的酸度和极性，才能促进半缩酮有效地质子化、维持阳离子中间体的稳定性，缩醛的制备也是如此[11]。

图1 甘油和羰基化合物的缩合反应机理

2 甘油与醛/酮反应的催化剂

甘油与醛/酮反应的传统催化剂为液体酸，如H2SO4、HCl、HF、H3PO4和对甲苯磺酸等，但液体酸催化剂会造成设备腐蚀、环境污染和产品分离纯化困难等问题。近年来，固体催化剂在缩醛/缩酮合成中备受关注(表1)。总体来说，相比于液体酸催化剂，固体催化剂具有效率高、分离简单、活性好、反应条件温和等优点。常见的固体催化剂包括离子交换树脂、沸石、蒙脱石、金属氧化物、固体超强酸、活性炭、介孔材料、稀土材料和纳米颗粒负载材料等[12]。

通常情况下，缩醛/缩酮化反应的平衡常数很低，为了提高甘油的转化率，需要增加羰基化合物的量或及时移除反应中产生的水[13]。此外，由于酸作为催化剂，酸度对催化性能的影响至关重要，通常酸度更强的催化剂，酸性位也越多，越可能得到更高的甘油转化率。Vicente等[14]在探究催化剂酸度对丙酮缩甘油合成的影响时发现，在其它条件相同的情况下，利用SAC-13催化剂(酸度6.72 mg/g)和Amberlyst-15催化剂(酸度268.8 mg/g)分别催化甘油和丙酮的缩合，得到丙酮缩甘油的产率分别为74%和85%。与液体酸相比，固体酸单位质量的酸性位更多，酸性也更强。但是固体催化剂在实际应用中也存在问题，对于介孔固体催化剂，由于反应物必须进入介孔中才能同催化中心发生作用，故其孔径大小是影响性能的重要参数。另外，催化剂的制备方法、用量、催化剂对毒害杂质的敏感性、热稳定性、机械稳定性和重复利用特性都是选择固体催化剂时需要考虑的因素。

表1 甘油与醛、酮反应的催化剂和反应参数

3 甘油缩酮和缩醛的合成工艺

3.1 丙酮甘油缩酮

甘油和丙酮经酸催化合成的丙酮缩甘油(如图2所示)。丙酮缩甘油是一类重要的甘油缩酮，可用作燃料汽油、生物柴油的添加剂，用于降低燃料的密度和黏度，提高辛烷和十六烷值，通过增加燃料的氧含量，减少颗粒物的排放和一氧化碳的产生，改善燃烧性能[24]。

图2 甘油和丙酮的缩合反应

Nanda等[17]对甘油和丙酮缩合反应的热力学特性进行了研究，研究表明该反应是放热反应，在298 K下焓变(ΔH)-(30.1±1.6)kJ/mol, 吉布斯自由能变(ΔG)-(2.1±0.1)kJ/mol，熵变(ΔS)-(0.1±0.01)kJ/(mol·K)。催化剂的类型、酸度、多孔性、加载量、制备技术和重复利用等是研究催化剂对丙酮缩甘油合成影响的重点[12]。Jamil等[25]将硝酸改性的β沸石用于丙酮缩甘油的制备，在温度60 ℃、甘油和丙酮的物质的量之比1∶6和反应时间4 h的条件下，甘油转化率和丙酮缩甘油的产率分别为94.26%和94.21%。Shirani 等[8]采用阳离子交换树脂Purolite®PD206在连续流系统中催化甘油和丙酮的缩合，考察工艺条件对合成结果的影响，得出在温度20 ℃、压力12 MPa、丙酮与甘油的物质的量之比5 ∶1、进料流速为0.1 mL/min和催化剂添加量为0.77 g时，丙酮缩甘油的产率可达95%，该连续催化反应工艺易于放大，可提高产量，实现100%选择性合成五元环的丙酮缩甘油。Priya等[18]通过湿浸渍法制备各种过渡金属离子促进的丝光沸石固体酸催化剂，并以微波辅助加热的方法用于甘油丙酮的缩合反应过程，结果表明：Cu-Mor沸石作催化剂，丙酮与甘油物质的量之比3∶1、反应15 min，甘油的转化率可达到95%，而五元环的丙酮缩甘油的选择性可达98%，此催化剂在4个反应循环中显示出良好的重复使用性能，转化率只是略有降低。近年来，一些新型的催化剂也用于丙酮和甘油的缩合反应。Konwar等[26]制备了固体强酸性木质磺酸盐(LS)大孔催化剂，并对其结构进行了表征,结果表明：LS衍生材料具有大量表面—OH，—COOH和—SO3H基团，在甘油与各种生物质基醛和酮(丙酮、乙酰丙酸甲酯和糠醛)缩合后显示出固体酸催化剂的优异性能，该催化剂具有连续生产丙酮缩甘油的潜力，在90 h 后仍可保持活性(甘油转化率≥91%)。

3.2 环己酮甘油缩酮

环己酮甘油缩酮是带有清香、花木香的香料，具有留香持久、扩散能力强、原料来源丰富、生产工艺简单、化学性质稳定，以及对一些刺激性气味的消除效果较好等优点，在日用、食品香精中应用广泛[27-28]。甘油和环己酮的缩合反应见图3。

图3 甘油和环己酮的缩合反应

在环己酮甘油缩酮合成中，很多固体催化剂有良好的催化效果。陆禹吉等[28]采用Hβ分子筛为催化剂催化环己酮甘油缩酮的合成，最佳工艺条件：环己酮0.1 mol、甘油0.15 mol、反应时间90 min、反应温度90 ℃和催化剂用量0.2 g，此条件下缩酮的产率达95%。李贵贤等[29]采用改性二氧化硅固载磷钨酸(HPW/APTES-SiO2)催化剂催化环己酮甘油的缩合反应，在催化剂加载量0.15 g、反应温度95 ℃和反应时长2 h的优化反应条件下,得到环己酮转化率92.7%，主产物五元环缩酮的选择性达97.8%，且催化剂重复使用4次后，环己酮的转化率还可达91.5%以上。吴之强等[30]用煤基碳基固体酸AC@PANI-SO3H为催化剂，催化环己酮甘油缩酮反应，环己酮与甘油物质的量比1∶1.2，催化剂用量0.5%，带水剂环己烷用量为10 mL，环己酮甘油缩酮产率达到96.5%，五元环产物的选择性达98.0%以上，重复使用5次后收率仍可达88.6%。

3.3 苯甲醛甘油缩醛

苯甲醛甘油缩醛是一种具有果香味的无色液体,普遍应用于日用、食品香精中,还可作为合成中间体或溶剂，可以提高相应醛类香料的沸点，对增强醛类香料的热稳定性作用显著，在各种食品、饮料加工中的应用和需求量呈逐年增长趋势[31-32]。甘油和苯甲醛的缩合反应见图4。

高良军等[19]以杯[4]芳烃磺酸为催化剂，以甘油和苯甲醛为原料进行缩合反应，在n(苯甲醛)∶n(甘油)=1∶1.1、催化剂用量0.1%、15 mL甲苯为带水剂的条件下，130 ℃反应1 h，苯甲醛的转化率为98.35%，主产物2-苯基-1,3-二氧六环-5-醇的选择性为73.94%。刘秉智[33]采用负载磷钨酸(TPA)的活性炭为催化剂，在TPA 负载量15%、催化剂用量4%、n(苯甲醛)∶n(甘油)=1∶1.1和反应时间2.0 h 时，苯甲醛甘油缩醛的产率可达96.4%。宋如[34]在相转移催化剂苄基三乙基氯化铵添加量3%、环己烷8 mL、醇醛物质的量之比1.3∶1和反应时间3 h的条件下，得到六元环产物苯甲醛甘油缩醛的产率达90.3%。研究发现相转移催化剂和负载型固体酸在苯甲醛甘油缩醛的合成中效果良好。

图4 甘油和苯甲醛的缩合反应

3.4 甘油甲醛缩醛

甘油缩甲醛是一种新型药用非水溶剂，为无色透明黏稠液体，是兽药用注射剂丙二醇、吡咯烷酮及甘油的代用品，具有提高药物稳定性、增大药物溶解度、减少药物残留以及增强药效的作用。甘油缩甲醛可用于兽用抗寄生虫药、磺胺甲恶唑、磺胺制剂、四环素类产品、异烟肼解毒剂、阿维菌素注射液、长效土霉素注射液、复方氯氰碘柳胺钠和沙星类等相关液体制剂的配制[35-37]。通常以甲醛/多聚甲醛和甘油为原料，在酸性催化剂催化的作用下合成甘油缩甲醛，反应如图5所示。

图5 甘油和甲醛的缩合反应

Chen等[20，38]用一种耐水杂多酸催化剂Cs2.5H0.5PW12O40(简写为Cs2.5)催化甘油与甲醛的缩醛化，通过对温度、进料组成和催化剂用量等参数的研究，发现反应在60 min内甘油转化率超过70%。通过调整参数为Cs2.5用量1.33 g、n(甘油)∶n(甲醛)=2 ∶1和反应温度90 ℃时，反应24 h后六元环异构体的最高选择性接近70%。在此基础上，将Cs2.5负载到介孔二氧化硅载体上并用于催化甘油和甲醛的缩醛化反应，发现负载型Cs2.5催化剂活性优于块体Cs2.5，且原料对Cs2.5酸性位点的获取受介孔体积的影响显著。当Cs2.5负载量为30%时甘油转化率达到90%，催化剂重复使用3次(每次24 h)，甘油转化率仅降低10%。Pawar等[39]采用一种无溶剂、无催化剂的工艺，利用微波辅助甘油和羰基化合物醛类或环酮类进行缩和反应。与常规加热方法相比，微波辐射对缩醛化反应起着至关重要的作用，甘油的转化率为(90±5)%。马存等[35]用对甲苯磺酸催化多聚甲醛与甘油的缩合反应，甘油缩甲醛产率达到91.4%。Gonzalez-Arellano等[37]利用介孔催化剂Zr-SBA-16(n(Si)∶n(Zr)=100∶1)来催化甘油和多聚甲醛的缩醛化反应，研究显示催化剂具有较高的活性和选择性，在无溶剂体系、温和的反应条件下，五元环和六元环产物的选择性比为24∶76，甘油的转化率为77%。

3.5 甘油乙酰丙酸酯缩酮

乙酰丙酸烷基酯类是一类很容易从纤维素、半纤维素或者淀粉原料获得的物质[40]，从单糖或二糖直接生成时产率只有50%左右[41-42]。同甘油一样，乙酰丙酸烷基酯也是很重要的生物质基平台化合物，其分子中含有一个羰基和酯基，具有良好的反应活性，能够进行水解、酯交换、加成、取代、氧化还原等多种反应[43-44]。

在强质子酸催化剂的作用下，乙酰丙酸烷基酯和甘油可发生高选择性的缩酮化(几乎全部生成五元环产物)。Mullen等[45]采用质子酸催化剂催化甘油和乙酰丙酸酯的缩酮化作用，在催化剂相对少量(H2SO4与甘油的物质的量比值为1.8×10-4)、n(乙酰丙酸酯)∶n(甘油)> 2.5、无溶剂和真空除水的条件下，甘油的转化率大于95%，五元环缩酮产物的选择性为100%。如图6所示，生成的甘油乙酰丙酸酯缩酮具有酯基、醚基和羟基等官能团，使其具有均衡的溶解性，能和油、水、芳香烃互溶，能用于清洗溶剂或者液体配方的耦合剂，还能够应用于润滑剂、塑化剂、多元醇、热固性和热塑性塑料的生物质基单体和衍生物[15]。

Amarasekara等[46]利用固体催化剂Sb2O3催化甘油乙酰丙酸酯缩酮低聚物的合成，在通氮气条件下，先把乙酰丙酸和甘油等物质的量混合物加热1 h,使温度从23 ℃升至210 ℃，然后在一定真空、210 ℃、添加1.0% Sb2O3(以物质的量计)的条件下反应9 h，生成低聚物的聚合度最高达到9.8。乙酰丙酸缩酮合成成本低，易于官能化并且具有较低的凝固点、较高的沸点、较强的热稳定性和化学稳定性，这些特性使其成为未来可持续性材料的重要组成部分[40]。

图6 甘油与乙酰丙酸酯的缩合反应

4 甘油缩醛和缩酮的反应模式

4.1 连续流反应模式

目前，用固体酸代替液体酸用于甘油缩酮反应已成为趋势。然而，传统的分批反应模式反应时间长(通常会超过2 h)，而且常要用到机械搅拌，搅拌的强度和效率会很大程度地影响缩酮的产率，此外，分批处理反应模式在规模化生产过程中也存在很大的局限性[21-22,47]。因此，在采用固体酸催化剂的基础上，发展连续流反应模式成为关键。Nanda等[48]在2014年率先应用连续流反应模式生产丙酮缩甘油，通过比较6种固体催化剂(Amberlyst 35 Dry、Amberlyst 36 Wet、沸石、蒙脱石K-10、硫酸锆和Polymax 845)，得出Amberlyst 36 Wet的催化性能最好，在反应温度40 ℃、4.1 MPa和反应体积空速4 h-1的最佳反应条件下，五元环丙酮缩甘油的产率可达88%。该反应模式的核心工艺是把固体催化剂添加到可以加热的管式反应器中，利用HPLC泵把反应液按一定的比例加压流过反应器，由于催化剂有较大的比表面积，使得该反应器有较高的热质转换效率，能显著提高丙酮缩甘油的生产速率。

4.2 改良的连续流反应模式

粗甘油的纯度级别决定了甘油的价格。精制的纯甘油是比较贵的，而粗甘油的价格低且变化较大，价格为纯甘油的1/5左右[49]。因此，用粗甘油来生产高附加值的产品，对实现经济和可持续地生产甘油缩醛和缩酮至关重要。但是由于粗甘油中包含水、钾或钠盐、酯、脂肪酸和醇等杂质，所以直接使用粗甘油用作反应原料可能会引起催化剂的失活(由于杂质毒化活性位)或者堵塞反应器(由于高沸点有机化合物或无机盐的沉积)[16]。为了促进粗甘油的应用，Nanda[50]研制出一种改良的连续流反应器，该反应器包含了一个保护反应器，可以在线去除粗甘油中的杂质和再生失活的催化剂。利用粗甘油(纯度约13%)为原料和这种改良的连续流反应器，经过1 h的连续反应，缩酮的产率可达78%。此外，利用保护反应器进行催化剂的在线再生，结果表明：失活的催化剂在4轮连续的循环反应中可以被成功再生，缩酮的产率仅从92%降低到81%。

5 结语与展望

近年来，对甘油缩醛和缩酮的合成研究较多，研究者一直致力于通过尝试不同的催化剂、反应物、温度和反应器类型等寻找其合成的最佳反应条件，然而该领域还存在反应时间较长、催化剂成本高和重复利用率低、对原料纯度要求高、反应温度较高、粗甘油应用少和连续流反应模式应用不成熟等问题。因此，为了更好地开发与应用甘油缩醛和缩酮，有必要从以下几个方面进行尝试：1)研制更加廉价、高效和能重复使用的固体催化剂；2)开发更为成熟的连续流反应模式，升级性能更加优异的连续流反应器；3)探索粗甘油在连续流反应中应用更加稳定可靠的方案，直接用粗甘油作为原料有利于降低产物生产成本和促进甘油的利用效率。可以预期，随着对高附加值甘油缩醛和缩酮规模化生产的需要，未来寻找更温和的条件、更高效的催化剂和设计更高效的反应器是研究的热点和难点。