涂料助剂季戊四醇的合成(羟醛缩合、还原反应)

关于缩合 缩合(condensation)是精细有机合成地位非常重 要的一类单元反应。 一般来说，缩合是指两个或两个以上分子通过 生成新的碳—碳、碳-杂原子或杂原子-杂原子键，从 而形成较大的单一分子的反应。缩合反应往往伴随着 脱去某一简单分子，如H2O、HCl、ROH等。按照这 一定义，缩合反应可具有以下特征： ①在分子内或分子间彼此不相连的两个原子间形成 新的化学键； ②反应过程中伴随有失去简单的无机物或有机物； ③缩合反应的产物往往具有较原始反应物更为复杂 的分子结构。
HOCH2 O HOCH2 C C H
HOCH2
将β-取代乙醛的羟甲基切断，则对应的前 体物为甲醛和乙醛。
相应的合成路线如下：
CH3CHO + HCHO HOCH2CH2CHO
(HOCH2)2CHCHO
[H]
(HOCH2)3CCHO C(CH2OH)4
季戊四醇合成路线的文献资料 从文献资料上可以查出，目前季戊四醇的生 产路线与上面设计路线相同，主要是用过量的甲 醛与乙醛在氢氧化钠或氢氧化钙为催化剂的条件 下进行缩合。
季戊四醇的主要用途：
• 季戊四醇主要用在涂料工业中，是醇酸树脂涂料 的原料，能使涂料膜的硬度、光泽和耐久性得以 改善。它又用作生产清漆、色漆和印刷油墨等所 需松香脂的原料，并可制阻燃性涂料、干性油和 航空润滑油等。季戊四醇的四硝酸酯是一种烈性 炸药(即太安)。其脂肪酸酯是高效润滑剂和聚氯 乙烯增塑剂；其环氧衍生物则是生产非离子表面 活性剂的原料。季戊四醇易与金属形成络合物， 在洗涤剂配方中也作为硬水软化剂使用。此外，
（2）Cannizzaro反应机理 一般认为Cannizzaro反应机理包括OHˉ与醛羰基的 亲核加成和质子的转移两部分。目前有两种看法:
另一种历程则认为醛在碱作用下，生成氧负离子后， 在强碱中可再失去一个质子生成双氧负离子。
（ⅰ）
（ⅱ）
由于双氧负离子的强排斥电子性能，非常有利于碳上 的氢带着它的电子以氢负离子转移出去。
④反应温度的影响 由于反应是放热反应，适当降低温度对反应有 利。但温度过低，反应速度降低，反应时间延长， 转化效率降低。如果温度过高，副反应也会增加， 会使产率下降。反应温度平稳对反应有利。 ⑤传质的影响 传质效果好能促进反应热量散发，对保持反应 温度平稳有利。 ⑥物料配比 从反应系数看，甲醛与三羟甲基乙醛的量之比 应该在1:1左右。但要使三羟甲基乙醛全部还原，甲 醛的量应当稍过量。
市场服务对象 进度要求 项目 负责人
XXX化工公司 1～2周 （学生小组成员1） （学生小组组长） 开发人员 （学生小组成员2） （学生小组成员3）
下达任务人
（教师）（技术部经理） （课程开发组）（技术总监）
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季戊四醇的主要用途 季戊四醇主要用在涂料工业中，是醇酸树 脂涂料的原料，能使涂料膜的硬度、光泽和耐 久性得以改善。它又用作生产清漆、色漆和印 刷油墨等所需松香脂的原料，并可制阻燃性涂 料、干性油和航空润滑油等。季戊四醇的四硝 酸酯是一种烈性炸药(即太安)。此外，季戊四醇 还应于医药、农药等生产。
季戊四醇分子结构的分析 （1）季戊四醇的分子式：C5H12O4 （2）季戊四醇的分子结构式：
目标化合物基本结构为含季碳原子的多元醇， 具有一定的对称性。
季戊四醇可能的合成路线分析 对于季戊四醇而言，由于羟基是活泼性较 强的基团，因此首先将其中一个羟基转换为羰 基，则目标化合物转化为β-取代乙醛的结构：
季戊四醇还应于医药、农药等生产中。我 国季戊四醇主要应用于醇酸树脂、润滑油、 松香/妥尔油酯及其它领域。
季戊四醇开发项目任务书
技术要求 项目名称 开发季戊 四醇产品 内容 开发季戊四醇实验 室规模下合成方案 ，包括合成路线、 原料的选择、工艺 路线的设计及选择 、产品的精制、检 测、三废处理等 专业指标 中文名称：季戊四醇 英文名称： Pentaerythritol 别名：四羟甲基烷 CAS号：115-77-5 分子式：C5H12O4 分子量：136.15 理化指标 外观：该产品为白色粉末状结晶 熔点：261-262℃； 沸点：276℃（4.0kPa） 相对密度：1.399（25/4℃） 折射率：1.548 燃点：＜370℃ 溶解性：15℃时1g溶于18ml水 ，在100g97℃的热水中可溶解该 品77.2g。 执行标准 GB/T 78152008
（3）还原反应的控制 ①反应体系的构建 由于热效应影响较大，故反应体系要控温平稳， 需要水浴装置和搅拌装置；为防溶剂挥发，需配有冷 凝回流装置。 ②反应的控制策略 由于参与氧化还原的两种醛均不含α-氢，故反应 温度可以适当提高，实际控制在不影响转化率条件下 的较高温度为宜。反应后期，由于三羟甲基乙醛基本 还原完毕，增加温度可以促进甲醛的歧化反应。反应 过程中要控制好反应液pH值。 ③反应终点的控制 可通过快速测定反应液中季戊四醇的含量来判断。
③催化剂的影响 α-氢的解离要在强碱条件下才能进行，碱性越强， 催化能力越强。常用的碱为NaOH、CH3ONa等。也有 在反应中使用Ca(OH)2、NaCO3等。 本项目可以Ca(OH)2或NaOH作为催化剂。 ④反应温度 提高反应温度可以提高反应速度，但羟醛缩合时， 如果醛分子中含有两个以上的活泼α-氢，且反应温度 较高和催化剂的碱性较强，则β-羟基丙醛可以进一步 发生消去反应，脱去一分子水生成副产物α,β-不饱和 醛。
（2）影响甲醛乙醛羟醛缩合反应的因素 ①甲醛的反应性质 甲醛是结构最简单的醛类，羰基的空间位阻很小， 故羰基碳原子的亲电性非常强，性质非常活泼。 ②乙醛的反应性质 乙醛由于羰基碳原子上接有供电子基团甲基，羰 基碳的亲电性有所减弱，活性不及甲醛。 缩合后，由于羟甲基羟基氧的吸电子能力强，羟 甲基的碳原子呈一定的正电性，对α-氢的解离有利， 因此缩合产物的反应能力有所提高。
但是，在实际过程中，消除脱水反应是另外在酸催化 剂(如硫酸、草酸等)存在下完成的。
在酸催化下的缩合反应首先是醛、酮分子中的羰基质 子化成为正碳离子，然后与另一分子发生亲电加成。 丙酮以酸催化的缩合反应历程为：
③同分子醛、酮自身缩合 羟醛自身缩合在有机合成上的特点是可使产物的碳链 长度增加一，工业上可利用这种缩合反应来制备高 级醛。这类反应的重要实例是乙醛的自缩脱水得α,β-丁 烯醛，然后催化加氢得正丁醛或正丁醇。
三羟甲基乙醛的还原反应及其监控 这里利用还原剂将三羟甲基乙醛还原成三羟甲基乙醇 （季戊四醇）。 （1）还原剂的选择 醛基的还原有多种方法，比如催化加氢还原、金属 氢化物还原、金属还原以及Meerwein-Ponndorf还原等。 我们选择甲醛作为还原剂。这是因为甲醛不含α-氢， 当它与三羟甲基乙醛（也不含α-氢）一起存在时，可 以发生异分子间的Cannizzaro反应，即甲醛将三羟甲 基乙醛还原为季戊四醇，而本身被氧化为甲酸。
缩合反应为是简单有机物合成复杂有机物的富有 重大价值的合成手段。 缩合反应的类型很多，有下列分类方法： ①依参与缩合反应的分子的异同； ②依缩合反应发生于分子内或分子间； ③依缩合反应产物是否成环； ④依缩合反应的历程； ⑤依缩合反应中脱去的小分子。 许多缩合反应需在缩合剂或催化剂如酸、碱、盐、 金属、醇钠等存在下才能顺利进行，缩合剂的选择与 缩合反应中脱去的小分子有密切关系。
CH3CHO + HCHO HOCH2CH2CHO + HCHO OHOHHOCH2CH2CHO (HOCH2)2CHCHO
(HOCH2)2CHCHO + HCHO
OH-
(HOCH2)3CCHO
(HOCH 2 ) 3 CHO+HCHO+NaOH C(CH 2 OH) 4 +HCOONa
该工艺目前在工业上取得了较大的进展，但仍存在三 个主要问题： ①产生与季戊四醇等物质的量的副产物甲酸钠，该副 产物市场需求极为有限，价值也低，成为季戊四醇扩 产的制约因素； ②传统的催化剂腐蚀性强，腐蚀设备又影响产品质量； ③生产过程中有机废水排放量大，污染环境。
（ⅱ）
(由溶剂得到质子)
两种历程中，氢负离子的迁移都是关键步骤。显 然给出氢负离子的能力( ii)比(i)要强得多。反应为放热 反应。 三羟甲基乙醛、甲醛均不含α-氢，符合 Cannizzaro反应的条件。氧化还原反应不可逆。
（3）影响还原反应的因素 ①甲醛的反应性质 由于甲醛空间位阻小，优先与碱反应，在甲醛参 与的异分子Cannizzaro反应中甲醛总是被氧化成甲酸。 ②三羟甲基乙醛的反应性质 由于空间位阻较大，与碱反应性很低，故在反应 中被还原为季戊四醇。 ③碱的影响 Cannizzaro反应机理说明，在碱浓度相对低时， 反应按(i)进行；碱浓度较高时，作用物通过（ii)进行。 适当提高碱的浓度可使反应通过（ii）进行，有利于加 快反应速度。
涂料助剂季戊四醇的合成 （羟醛缩合、还原反应）
学习目的与要求 ●了解：醛醛缩合反应分类、特点，资料检索 方法，安全环保的知识，有机合成中的新技术 简介。 ●理解：季戊四醇的合成路线，醛醛缩合反应、 甲醛还原反应的基本规律和影响因素； ●掌握（或应用）：能进行醛醛缩合反应、甲 醛还原反应小试装置的搭建，反应操作、控制 以及产品分离、鉴定。
②反应历程 典型的羧醛缩合反应为乙醛在碱催化下的缩合：
其反应历程可表示如下： 含α-氢的醛、酮首先在碱催化下生成负碳离子；
生成的负碳离子很快与另一分子醛、酮中的碳基发生亲 核加成而得到产物β-羟基丁醛。 如果醛分子中含有两个以上的活泼α-氢，而且反应温度 较高、催化剂的碱性较强，则β-羟基丁醛可以进一步发 生消去反应，脱去一分子水而生成α，β-不饱和醛。例 如：
季戊四醇单元反应过程及其控制分析
甲醛乙醛羟醛缩合反应及其控制 （1）甲醛乙醛羟醛缩合反应的机理 在反应中，乙醛含有α-氢，首先在强碱催化下生成负 碳离子；
生成的负碳离子很快与甲醛的碳基发生亲核加成而得 到产物β-羟甲基乙醛。
β-羟基丙醛也含有α-氢，在碱的作用下继续生成负碳离 子；
继续与甲醛的碳基发生亲核加成而得到产物二羟甲基 乙醛。
⑤配料比 按照缩合反应计量系数看，甲醛：乙醛的摩尔比 应该在3：1左右。 ⑥加料方式 因为乙醛在碱的作用下能引起自身缩合，故碱宜 加在甲醛中。为了保证反应时有足够的负碳离子浓度， 体系中碱的浓度要高，故适宜的加料方式是将乙醛加 入甲醛的碱溶液中。 ⑦传质的影响 虽然反应体系为均相体系，但为防止加料时体系 中局部浓度的差异，反应时必须搅拌。 ⑧反应介质 以水作为反应介质，反应体系为均相体系。
二羟甲基乙醛仍含有α-氢，在碱的作用下继续生成负 碳离子；
继续与甲醛的碳基发生亲核加成而得到产物三羟甲基乙醛。
各步反应都是平衡反应。决定反应速率的是α-氢的解离 步骤。最终反应产物由各平衡反应的平衡常数决定。 在强碱条件下主要的副反应如下：
季戊四醇甲醇醚
此外，还有季戊四醇缩醚类、双季戊四醇或多季戊四醇 的生成。
（3）反应的监控 ①体系构建 将甲醛的碱溶液加在反应瓶中，乙醛用加样器加 入；反应控制低温，要配有低温水浴装置；甲醛、乙 醛易挥发，体系要配有回流装置。 ②反应控制策略 控制投料速度不宜太快，过快则导致副反应增加， 过慢影响反应速度。反应时甲醛的浓度要控制适宜， 甲醛浓度过高副反应增加，甲醛浓度过低，反应液体 积增加，产率下降。反应时应注意温度的控制。 ③反应终点的控制 加料完毕后反应一段时间，可以通过测定乙醛的 含量来判定反应终点。
醛酮缩合反应 （1）羟醛缩合 含有α-氢的醛或酮，在酸或碱的催化下生成β-羧基醛 或酮类化合物的反应称为羟醛或醇醛(Aldol)缩合反应。 β-羟基醛或酮经脱水消除便成α，β-不饱和醛或酮。羟 醛缩合反应可分为同分子醛、酮自身缩合和异分子醛、 酮交叉缩合两大类，它们在工业上都有重要用途。 ①催化剂 这类缩合反应常需有碱(如苛性钠、醇钠、叔丁醇 铝等)催化，有时也可用酸(如盐酸、硫酸、阳离子交换 树脂等)催化。
接着正丁醛自缩、脱水、加氢可制得2—乙基己醇(异辛 醇)，它在工业上大量用于合成邻苯二甲酸二异辛酯， 作为聚氯乙烯的增塑剂。