生物质基平台化合物制备乙酰丙酸缩酮酯的工艺

郭鹏坤,徐艳丽,李 攀,2,常 春,3,肖 泽,白 净,2,方书起,2

(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;3.浙江大学 生物质化工教育部重点实验室,浙江 杭州310027)

1 前 言

随着化石燃料的不断消耗，由此引发的温室效应、环境污染等问题已成为制约社会可持续发展的重要因素[1-2]。生物质作为一种来源广泛的可再生资源，通过不同的途径转化为多样的生物质基产品。因此，生物质被认为是不可再生化石资源的重要替代选择[3-4]。如何将生物质转化为具有高附加值的化学品，不仅有利于生物质资源的开发利用，而且有利于减少对化石资源的过度依赖[5-6]。

乙酰丙酸缩酮酯是一种应用广泛的缩酮类化合物。它可以作为油-水基配方中的优异溶剂，还可以用于聚氨酯泡沫和涂料的合成[7-8]。乙酰丙酸缩酮酯目前主要有2种制备方式：1)利用酸催化剂降解纤维素、葡萄糖制备乙酰丙酸缩酮酯，产物一般是多种缩酮酯的混合物，如Amarasekara 等[9]使用离子液体催化降解纤维素制备乙酰丙酸缩酮酯，发现产物由乙酰丙酸2-羟乙酯、乙酰丙酸2-羟乙酯乙缩酮、2,3,6,7-四氢-环戊烷[1,4]二恶英-5-酮组成，且使用不同离子液体作催化剂时产物具有相似组成。Hao等[10]在高浓度葡萄糖催化转化为乙酰丙酸酯衍生物的研究中发现，在H+作用下，葡萄糖转化为糖苷，进而转化为乙酰丙酸，最终完成酯化和缩酮化反应，得到由酸、酯、缩酮组成的产物。2)乙酰丙酸与乙二醇、丙二醇转化制备缩酮产物，催化剂的差异会导致产物组分的不同。Amarasekara 等[11]发现当使用Amberlyst-15作催化剂时，产物主要是缩酮和缩酮酯，当使用对甲苯磺酸作催化剂时产物主要是酯和缩酮酯。酯化反应的平衡性质与酮化反应的竞争性增加了反应的复杂性，虽然乙酰丙酸(LA)转化率达到99%～100%，但产物中缩酮的收率只有14%～30%[12]。

目前，用于催化缩酮化反应的酸性催化剂主要有：对甲苯磺酸、琥珀酸、磷酸铌、固体酸等[13-15]。沸石H-ZSM-5、Hβ分子筛、活性炭、强酸性阳离子交换树脂、复合催化膜、SBA-15复合催化剂也被用于缩酮类化合物的合成[16]。有研究发现乙酰丙酸乙酯在与长链1,2-十二烷基-丙二醇反应时，均相催化剂具有良好的活性和可回收性[17]。在低酸浓度条件下，乙酰丙酸乙酯与多元醇1,2-乙二醇、三羟甲基丙烷和甘油的酯化反应未发生反酯化反应[18]。

2004年美国能源部在《生物质衍生高附加值化学品》中提出300多种由生物质转化而来的化合物，通过对原料成本、生产方式、商业应用价值等方面的综合考虑，最终筛选得到12种小分子平台化合物，包括：丁二酸、天氨酸、谷氨酸、衣康酸、乙酰丙酸、2,5-呋喃二酸、葡萄糖二酸、3-羟基丙酸、3-羟基丁内酯、甘油、木糖醇、山梨糖醇。

本文尝试开发乙酰丙酸乙酯和甘油的缩酮反应工艺。其中乙酰丙酸乙酯可以由纤维素生物质经醇解转化制备获得，甘油作为生物柴油的副产物，也是一种生物质基平台化合物。本文采用无溶剂体系，以低浓度质子酸为催化剂，建立一种生物质基乙酰丙酸甘油缩酮乙酯(Ethyl levulinate glycerol ketal，ELK)的制备工艺，为生物质基ELK 的开发利用提供参考。

2 材料与方法

2.1 材料及仪器

乙酰丙酸乙酯(工业级，淄博昌麟化工有限公司)，甘油(分析纯，潍坊恒瑞通新材料有限公司)，硫酸(95%～98%，致远化工有限公司)，磷酸氢二钠(分析纯，苏州华航化工科技有限公司)，乙酸乙酯(分析纯，上海穆百化工有限公司)，碱性氧化铝(200-300目，山东嘉颖化工科技有限公司)；无水甲醇(分析纯，山东德彦化工有限公司)，石油醚(60～90℃，济南盈合化工有限公司)，乙酰丙酸丁酯(99%，武汉远城科技发展有限公司)，电子分析天平(梅特勒-托利多国际有限公司)，旋转蒸发仪(上海贤德实验仪器有限公司)，气相色谱仪(山东金普分析仪器有限公司GC-7890)，FT-IR(美国铂金埃尔默股份有限公司，Spectrum Two)，GC-MC(江苏天瑞仪器股份有限公司，LC-MS 1000)，LC-MC(上海莱睿科学仪器有限公司，Agilent5973)，NMR 共振波谱仪(赛默飞世尔科技有限公司集团，picoSpin80)。

2.2 ELK 的合成与提取

取适量乙酰丙酸乙酯(ethyl levulinate，EL)和甘油(glycerol，GLY)于三口圆底烧瓶内，瓶口分别连接分水器和冷凝管，设定反应温度与真空度，待温度达到设定值后，滴加微量低浓度硫酸，以此时为零时刻开始计时。待设定反应时间结束后，取质量分数10%的Na2HPO4加入三口圆底烧瓶内，搅拌1 h，移出反应液并滤出过量的Na2HPO4，收集到的滤液在120℃、6 kPa 条件下经蒸馏去除EL，然后在195℃、4 kPa 条件下经蒸馏后得到乙酰丙酸甘油缩酮乙酯。转化过程如图1所示。

图1 GLY 与EL 的反应路径Fig.1 The reaction path of GLY and EL

2.3 产物分析与计算

采用气相色谱仪对蒸馏后的产物进行定量分析。气相色谱条件为：载气:氮气；色谱柱：弱极性HP-5(30 m×0.250 mm×0.25μm Agilent Technologies)毛细管柱；检测器：氢火焰离子化检测器。升温程序为：柱箱初温140℃，初温维持时间2 min，终温为280℃，升温速率为20℃.min-1，终温保持时间2 min，进样量2μL。

ELK 的产率为

式中：M1为ELK 的摩尔质量，g.mol-1；m1为提纯后ELK 的质量，g；n(GLY)为初始加入的GLY 量，mol。

3 结果与讨论

表1 设计因素与水平Table1 Experimental design factors and levels

3.1 ELK 合成的响应面优化试验

3.1.1试验设计与结果

经过预实验发现，在反应时间为30 min、H2SO4添加量为2.7×10-4mol条件下，ELK 的产率较高。由于在此条件下反应时间短且催化剂用量较少，因此在后续优化试验设计中，选取此条件作为反应时间和催化剂用量，并以此设计正交优化实验，考察对ELK 收率影响较大的因素：n(EL):n(GLY)、反应温度、真空度。

采用Box-Behnken 组合方法，设计n(EL):n(GLY)(X1：4，5，6)、反应温度(X2：115，125，135℃)、真空度(X3：86，90，94 kPa)对ELK收率影响的优化试验方案，设计因素与水平如表1所示实验设计方案共计17组，其中12组为分析因点，5组为零点，使用零点试验估计误差，试验结果由响应面进行模型回归。实验设计和结果如表2所示。采用响应面分析方法对实验结果进行回归，拟合得到的ELK 产率与不同单因素编码值的回归方程为

表2 ELK 优化实验设计和结果Table2 Experimental design and resultsfor ELK optimization

式中：YELK为ELK 的摩尔产率，%；A为n(EL):n(GLY)；B为温度，℃；C为真空度，kPa；

回归模型的分析结果如表3所示。其中，模型的p＜0.000 1，说明模型的显著性较高，失拟项p＞0.050，说明不显著，进而说明了该模型的可信度较高。相关系数R2=0.990 7，进一步说明了该模型的预测结果和试验值的偏差较小。

如图2所示为反应真空度与温度对ELK 产率交互影响的三维响应曲面图。从图中可以看出，随着真空度和温度的增加，ELK 的产率均表现为先增加后降低，可能是高温和较高真空度条件下更利于副反应的发生，也有可能是真空度的增加导致EL的沸点降低，致使原料EL 流失。n(EL):n(GLY)与温度对ELK 的交互影响如图3所示，由三维响应面峰值可以看出，ELK 产率最大值出现在所选温度范围中间值附近，随着温度的变化ELK 收率有较大偏差，表明温度对ELK 收率具有显著影响，且温度过高或过低均不利于缩合反应的进行。当n(EL):n(GLY)> 5，EL的添加量远大于GLY 的添加量，ELK 的产率有所降低，说明过量的EL 会稀释体系，降低反应物分子间的碰撞，导致收率下降。如图4所示为真空度和n(EL):n(GLY)对ELK 产率的影响，从图中可以看出，当真空度在90～93 kPa、原料n(EL):n(GLY)=5～5.5时，ELK 的收率较高，且维持在较高范围内，表明真空度和n(EL):n(GLY)对ELK 产率具有显著的影响。进而得出，反应温度、体系真空度、n(EL):n(GLY)对ELK 收率的影响显著，其影响顺序由大及小依次为：温度>n(EL):n(GLY)>真空度，试验结果表明超低浓度质子酸体系有利于ELK 的生成。

表3 模型方差分析Table 3 Analysis of variance for different models

图2 真空度和温度对ELK 产率的影响Fig.2 Effects of vacuum and temperatureon ELK yields

图3 温度和摩尔比对ELK 产率的影响Fig.3 Effects of temperature and molar ratio on ELK yields

图4 真空度和摩尔比对ELK 产率的影响Fig.4 Effects of vacuum degree and molar ratio on ELK yields

通过方程(2)对结果进行优化处理，得到各因素对ELK 产率影响的最佳结果：n(EL):n(GLY)=5.12；真空度为91.47 kPa；反应温度为127.66℃；该模型预测ELK 的产率为99.1%。在最佳工艺条件下进行了3次重复实验，ELK 的平均产率为98.9%，验证了模型预测结果的可靠性。

3.2 ELK 的表征分析

3.2.1 FT-IR

如图5所示为ELK 的红外光谱图，其中1 042 cm-1处为─CH2OH 的特征吸收峰，1 731 cm-1处为─COO─的特征吸收峰。1 375、1 447、2 983 cm-1处的吸收峰表明待测化合物中有─CH2─、─CH3的存在，而1 130、1 181 cm-1两处的吸收峰则表明待测化合物中存在─O─基团。ELK 特征吸收峰反映的基团与其理论结构官能团相互对应。

3.2.2 LC-MS

由于缩酮反应的方式比较多样化，其物化性质也比较独特，因此对其结构的表征极其重要。对ELK 进行了LC-MS检测，如图6所示，电离源为ESI 源。其中，m/z为质荷比，m/z=241时离子吸收峰强度较大，为ELK 加Na+的离子吸收峰，而ELK 的理论摩尔质量为218 g.mol-1，测试结果与实际值相吻合，表明ELK 为缩酮反应的主要产物，缩酮反应与本文的预测结果相符合。

3.2.3 GC-MS

如图7所示为ELK 的GC-MS图。其中，m/z=99时ELK 失去CH3CH2OOC─、─CH2OH、─CH33个结构基团后的片段峰，m/z=187时ELK 失去·CH2OH 后的片段峰，m/z=203时ELK 失去CH3·后的片段峰等，测试结果得到的ELK 的质谱图与其结构特性相对应，进一步证明了缩酮反应符合本文的预测结果。

3.2.4 NMR

为了进一步确定产物的结构信息，对蒸馏所得产物进行NMR 检测，其NMR 氢谱如图8所示，对照ELK 氢原子信息如图9所示。乙酰丙酸乙酯与甘油有2种反应方式(如图1所示)，使得核磁氢谱有较多的多重峰[19]。对ELK 结构中氢原子信息分析可知，氢原子吸收峰最大的应为与1号碳和6号碳相连的氢原子，且其积分高度应相同。鉴此，可发现化学位移δ在1.2×10-6～1.275×10-6、1.275×10-6～1.375×10-6出现的强度较高的吸收峰刚好符合预测结果，由偶合作用可确定，化学位移δ在1.2×10-6～1.275×10-6出现的吸收峰是与1号碳原子相连的氢原子的吸收峰。与7号碳原子相连羟基上的氢原子不与其他氢原子偶合，应为孤峰，且其吸收峰强度应较低。与NMR 氢谱对照，可确定δ在2.6×10-6～2.7×10-6出现的吸收峰是与7号碳相连羟基上氢原子的吸收峰。3号碳原子和10号碳原子上无氢原子，故4号碳原子上的氢原子只能与5号碳原子上的氢偶合，进而可推测其核磁氢谱应为两对三重峰，且其峰值应低于1号碳原子上氢离子的吸收峰值，由图可知，其对应化学位移δ=1.9×10-6～2.1×10-6。

图5 ELK 的红外光谱图Fig.5 Infrared spectrum of ELK#

图6 ELK 的LC-MS图Fig.6 GC-MSspectrum of ELK

图7 ELK 的GC-MS图Fig.7 LC-MSspectrum of ELK

图8 ELK 的NMR 氢谱图Fig.8 NMR spectrum of ELK

3.3 ELK 的生成机理

ELK 与GYL 的缩酮化反应是一个可逆的脱水缩合、亲核反应。根据反应特点，本文提出以下ELK 3步合成机制。如图10所示：第1步，EL中的羰基与硫酸提供的氢离子结合，然后再与甘油的一个羟基结合形成质子化的半缩酮；第2步，质子化的半缩酮与氢离子结合，接着脱去1个水分子转化成乙酰丙酸甘油阳离子半缩酮；第3步，乙酰丙酸甘油阳离子半缩酮脱去OH-成环，进一步形成乙酰丙酸甘油缩酮。由于在第2步反应过程中，质子化的半缩酮脱水速率较低，故为反应速率的决定步骤[20]。为了提升离子化的半缩酮生成速率，进而提高总反应速率，需要保证反应系统具有一定的极性与酸度，以确保乙酰丙酸甘油阳离子半缩酮的稳定性，促使半缩酮质子化的有效进行[21]。

图9 ELK 的氢原子信息图Fig.9 Hydrogen atom information on ELK

图10 ELK 合成的反应机理Fig.10 Reaction mechanism of ELK synthesis

4 结 论

本文主要研究了EL和GLY 发生缩酮化反应生成ELK 的工艺条件及其优化，提出了反应机理，确定最终产物乙酰丙酸甘油缩酮乙酯的合成工艺与提纯方法，并对所得产物进行定性表征。结果得出：

(1)体系真空度、n(EL):n(GLY)、反应温度等因素对ELK 的产率均存在显著影响，其影响顺序由大及小为：温度>n(EL):n(GLY)>真空度。

(2)优化得到的最佳反应工艺：真空度为91 kPa、n(EL):n(GLY)=5.1、反应温度为127℃，H2SO4添加量为2.7×10-4mol，由回归模型预测的ELK 的产率为99.1%，经多次实验验证，在最佳工艺条件下ELK实际平均产率为98.9%，验证了模型的可靠性。

(3)经过提纯工艺，获得纯度95%左右的ELK，通过对产物定性表征，确定了产物的结构，且与预测结果相符，最终提出反应机理，为相关研究提供参考。