制季戊四醇的方法

1.4 季戊四醇的制备

美国人于20世纪30年代发现，甲醛与乙醛在碱性催化剂氢氧化钠作用下，可以发生缩合反应，偶然间发现了制备出季戊四醇的方法，从此季戊四醇的工业化生产便在美国实现了。季戊四醇的应用范围及市场需求不断扩大，导致国内及国外都加大了对季戊四醇生产技术的研究，季戊四醇的开发研究进入了火热的时期。

季戊四醇的制备根据催化剂的不同，总体来说分为两种途径，一种途径是选用强碱性催化剂，例如氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化钙，然而这个过程最大的缺点是形成大量副产物甲酸盐，甲酸盐没有合适的销路；另一种途径是选择碱性较弱的胺类作为反应的催化剂，尤其是三乙胺，非常适合作为此反应的催化剂，在三乙胺的催化作用下，甲醛与乙醛发生反应，三羟甲基乙醛是羟醛缩合反应的主要产物，然后通过加氢反应，制得最终产物季戊四醇[30]。

1.4.1 Cannizzaro 缩合法

甲醛、乙醛会发生反应生成三羟甲基乙醛，该制备过程选择的催化剂大多为碱性较强的催化剂，生产的中间产物再经过Cannizzaro 反应生成季戊四醇，整个反应过程的机理研究已相当成熟，Cannizzaro 缩合法制备季戊四醇的过程分为两个阶段，Cannizzaro 缩合法的第一步反应是过量甲醛与乙醛混合发生羟醛缩合反应，生成三羟甲基乙醛[31]。Cannizzaro 缩合法的第一步反应是可逆反应，具体的反应过程如下所示：

CH 3CHO +HCHO CH 2OHCH 2CHO

CH 2OHCH 2CHO HCHO

+OH -

OH -2OH)2CHCHO (CH 2OH)2CHCHO

+2OH)3CCHO

经过羟醛缩合反应制得中间产物三羟甲基乙醛，再与甲醛进一步发生Cannizzaro 反应，最终制得产物季戊四醇，并且有相应的副产物甲酸盐生成，第二步反应的具体机理如下：

(CH 2OH)3CCHO HCHO ++-(CH 2OH)4C +HCOO -

Cannizzaro反应的反应速度较慢，是不可逆反应，通常是在30℃以上、pH<9的碱性条件下完成的。Cannizzaro反应结束时，需要及时进行pH调节，通过pH 的调节来平衡反应体系[32]。近些年Cannizzaro反应方法主要有以下几种：

1)钙法

钙法就是指多元醇制备过程中选择氢氧化钙作为催化剂。选择氢氧化钙作为季戊四醇制备过程的催化剂，虽然成本价格合适，但涉及到的后处理步骤麻烦，季戊四醇溶液中会含有钙离子，钙离子的存在会影响季戊四醇纯度，此外产品中残余的钙灰不利于季戊四醇的存在，钙离子必须除去，因此后处理过程中就需要增加沉淀和过滤的步骤[33]。此外一些科研人员声明，甲醛能在此碱性条件下发生缩合反应，严重干扰季戊四醇的纯度及产率[34]。

2)钠法

钠法是指多元醇制备过程中选择氢氧化钠作为催化剂。钠法的出现促使制备季戊四醇的工艺路线发生了转变，季戊四醇的生产水平得到了进一步的提高。这虽然增加了季戊四醇的生产成本，但是钠法生成的副产品溶于水，减轻了后处理任务，而且该反应体系中季戊四醇也可以稳定存在[35]。

季戊四醇制备过程中，无论选择氢氧化钠还是氢氧化钙均存在缺陷：(1)季戊四醇的制备过程涉及两个反应机理：羟醛缩合反应和Cannizzaro反应。前者属于吸热反应，而后者属于放热反应，而且缩合过程需要严格控制升温速率，否则很容易引发副反应[36]。反应过程中如果温度超过20℃，就会引发反应速度加剧，该过程产生的反应热不能及时处理，进一步诱发了副反应，极为严重的破坏了季戊四醇的纯度及收率[37]。(2)反应过程中每得到1mol的季戊四醇，便会有1mol 的副产物甲酸盐随之出现，目前难以实现两者分离，而且副产物还没有找到合适的销售途径，影响季戊四醇的质量及数量。(3)常用的结晶方法不能使产品充分结晶分离，就随母液被排放了，不仅资源得不到合理利用，造成浪费，还造成了环境的污染。(4)而选用强碱性的催化剂，该催化剂会腐蚀设备，影响设备使用。

“钠法”工业化生产季戊四醇的过程中，存在多种工艺控制条件，工艺种类繁多，原料配比和温度是季戊四醇合成过程主要的影响因素，基于原料配比的大小以及反应温度的高低，将季戊四醇的生产工艺归纳为以下几类[38]：

a)低配比高温工艺

本工艺要求原料甲醛、乙醛的物质的量比例小于5比1，初始反应温度为20-30℃，最终反应为30-50℃。碱性条件下甲醛在升温的过程中会遭到破坏，生成的糖类、甲酸盐、甲醇等，会随着蒸发脱水和分离的过程而去除。国内通常采用此法生产季戊四醇，该方法生产工艺简单，而且基本上不消耗冷冻液。

b)高配比低温工艺

本工艺要求原料甲醛、乙醛的物质的量比例大于5比1，初始反应温度为15℃，最终反应大于30℃。该反应工艺整个反应体系温度较低，目的是碱性条件下使其尽量少的发生歧化反应，如果反应原料中甲醛的量远大于需要的量，就会增大甲醛与乙醛相互碰撞发生反应的几率，使发生副反应的的几率降低，产品的产率及纯度均有所提高，目前国内甚至是国外的一些厂家都引用了此套季戊四醇的生产技术。

c)高配比高温工艺

低温高配比生产工艺利用釜式间歇反应装置，虽然可以使甲醛、乙醛、三羟甲基乙醛发生自聚反应的几率减小，并使原料及催化剂的消耗减少，但是低温反应在能耗方面的问题相当严重，不利于控制成本。将常压间歇釜式反应装置改装为加压管式连续反应器，使用0.4MPa的压力，反应的初始温度从14-16℃提高到25-30℃，最终反应温度从28-30℃提至30-50℃，反应温度的升高对加快反应速率有着积极的意义。能耗随之极大的降低，并且可以用循环水代替冷冻盐水，产品的市场竞争力得到极大的提高。

3)离子交换催化法

近年来，一些研究表明，可以用强碱性离子交换树脂作为季戊四醇制备过程中的催化剂，替代传统工艺中的氢氧化钠、氢氧化钙等催化剂，而且该过程所使用的离子交换树脂是可以回收利用的，减低了成本，避免了对环境的破坏。本生产工艺使用固定床间歇式反应装置，通过蒸馏的方法分离出甲醛溶液，浓缩母液的方法分离出产物季戊四醇和相同物质的量的副产品甲酸盐[39]。再生离子交换树脂时需要使用稀的强碱溶液浸泡，然后再使用回收的甲醛溶液洗涤。使用离子交换树脂的最大优势在于，避免了甲醛发生自身的缩合反应，然而该工艺相对会加重整个过程的工作量，离子交换树脂需要再生、洗涤，加大了生产过程的工作量，而且该过程不可避免的产生副产物甲酸盐，该工艺尚未成熟，同样制约着产