基本介紹
- 中文名：羥醛縮合
- 外文名：Aldol Reaction
- 別稱：縮合反應
- 套用學科：有機化學
- 適用領域範圍：化學反應
- 反應催化劑：酸/鹼性催化劑等
簡介,反應歷程,反應機理,反應催化劑,有機化學中的套用,其他反應,
簡介
羥醛縮合在稀鹼或稀酸的作用下，兩分子的醛或酮可以互相作用，其中一個醛（或酮）分子中的α-氫加到另一個醛（或酮）分子的羰基氧原子上，其餘部分加到羰基碳原子上，生成一分子β-羥基醛或一分子β-羥基酮。這個反應叫做羥醛縮合或醇醛縮合（aldol condensation）。通過醇醛縮合，可以在分子中形成新的碳碳鍵，並增長碳鏈。
反應歷程
羥醛縮合反應歷程，以乙醛為例說明如下：
第一步，鹼與乙醛中的α-氫結合，形成一個烯醇負離子或負碳離子：
第二步是這個負離子作為親核試劑，立即進攻另一個乙醛分子中的羰基碳原子，發生加成反應後生成一個中間負離子（烷氧負離子）。
第三步，烷氧負離子與水作用得到羥醛和OH。
凡是α-碳上有氫原子的β-羥基醛、酮都容易失去一分子水。這是因為α-氫比較活潑，並且失水後的生成物具有共軛雙鍵，因此比較穩定。
反應機理
羥醛縮合從機理上講,是碳負離子對羰基碳的親核加成。醛或酮分子中的羰基結構使α 碳原子上的氫原子具有較大的活性,在酸性催化劑作用下,羰基氧原子質子化,增強了羰基的誘導作用促進α 氫解離生成烯醇。
酸催化的反應機理：
在鹼性催化劑作用下α 碳原子失去氫原子形成碳負離子共振雜化物,達到平衡後生成烯醇鹽。
鹼催化的反應機理：
烯醇鹽緊接著與另一分子醛或酮的羰基進行親核加成,形成新的碳 碳單鍵,得到β 羥基醛或酮。由於α 氫原子比較活潑,含有α 氫原子的β 羥基醛或酮容易失去一分子水形成具有更加穩定共軛雙鍵結構的α,β 不飽和醛或酮。
酸催化的脫水機理：
鹼催化的脫水機理：
反應催化劑
對於兩種不同醛或酮間的交叉縮合,由於非催化過程副反應多,導致選擇性不高。需通過催化過程使得目的產物的選擇性達到工業套用的要求。對於反應所使用的催化劑,根據其所具有的酸鹼活性中心,可分為酸性催化劑、鹼性催化劑、酸鹼催化劑。
1、酸性催化劑
常用的酸性催化劑有(VO)2P207、鈮酸和MFI沸石等。在酸性催化劑的陽離子活性中心(Brnsted中心或Lewis中心),醛羰基活化形成烯醇正碳離子從而發生縮合反應。酸催化的烯醇 酮平衡可表示為已有的研究發現,催化劑表面酸性活性中心的種類、數目和分布都會影響其催化性能,適宜的酸強度能有效促進氣相羥醛縮合反應過程中正碳離子的形成,提高反應活性。
Tanner等使用(VO)2P2P7和α VOHPO4的磷酸釩氧化物作催化劑,對丙酮的自縮合、丙酮與甲醛的交叉縮合進行了研究,表明對於該反應磷酸釩催化劑的酸性活性中心具有較好的催化能力,羰基結構基團在其表面迅速完成了質子化和親核加成的反應過程。
Paulis等使用鈮酸(Nb2o5·nH2O)作為催化劑,進行丙酮氣相羥醛縮合反應,發現反應產物種類與催化劑酸性中心的的酸強度和酸度密切相關。研究表明,鈮酸催化劑表面的bRnsted酸性中心酸強度較強,在催化縮醛和縮酮的反應中,具有很好的催化活性,選擇性和穩定性。
Dumitriu等將具有不同酸性的MFI沸石用於低碳醛的氣相羥醛縮合反應,通過改變催化劑中Si與Fe3+的比例,調節Brnsted酸性中心的酸強度和酸度,結果發現表面酸強度的增強,可以促進低碳醛氣相羥醛縮合反應的進行,提高反應轉化率。
2、鹼性催化劑
羥醛縮合反應中經常採用的鹼性催化劑,其包括鹼性化合物(鹼金屬或鹼土金屬的氧化物、氫氧化物、碳酸氫鹽、碳酸鹽和羧酸鹽)、有機胺類化合物以及陰離子交換樹脂等。實際工業套用中,羥醛縮合反應所選用的鹼性催化劑,可以是弱鹼(如碳酸鈉、碳酸氫鈉、醋酸鈉),也可以是強鹼(如氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫化鈉、醇鈉等)。前者一般用於活性較大的醛之間的縮合,產物多為β-羥基化合物;後者則用於活性較小、空間位阻大的醛或酮之間的縮合,且反應多在非質子極性溶劑中進行。
鹼金屬化合物催化劑常用於羥醛縮合製備羥基醛的反應中,得到的產物經過加氫純化可以得到二元醇乃至多元醇,例如乙醛自縮合得到的3-羥基丁醛的反應,選擇苛性鈉水溶液作為催化劑,粗產品催化加氫可得到1,3-丁二醇。同樣的,甲醛和丁醛交叉縮合生成2,2-二羥甲基丁醛,選擇碳酸鈉和氫氧化鈉混合溶液作為催化劑可以減少副反應,提高反應選擇性。
Lopez等分別採用NaBEA、KF/礬土和La2O3固體催化劑,對苯甲醛和苯乙酮的羥醛縮合反應中催化劑失活機理進行了研究。試驗表明,反應過程中產生的苯甲酸會大大降低反應過程中質子氫的轉移速率,而胺的加入對其速率影響較小,因此認為催化劑的鹼性活性中心能夠有效催化反應,而催化劑的失活也與鹼性活性中心的損耗相關。有機胺類化合物是羥醛縮合反應中廣泛套用的另一類鹼性催化劑。例如甲醛和異丁醛縮合生成羥基新戊醛的反應,多使用三乙胺作為縮合催化劑,縮合產物經氫化得到新戊二醇。甲醛和正丁醛在三乙胺催化作用下縮合然後氫化,則生成高純度的羥甲基丙烷。專利報導了一種有機胺鹽類縮合催化劑,用於羥醛縮合制1,3-丙二醇的過程。
陰離子交換樹脂是新興的鹼性催化劑。傳統的鹼金屬氫氧化物溶液(如nAOH、KOH)作為催化劑,存在催化劑難於回收,容易腐蝕設備,生成液需要中和分離,反應工藝複雜、生產周期長等缺點,而陰離子交換樹脂在保持催化活性的基礎上克服了上述缺點,得到越來越多研究人員的關注。
工業上2,2 二羥甲基丙酸的生產主要以甲醛、丙醛為原料,在無機鹼或有機鹼催化作用下,經羥醛縮合反應生成2,2 二羥甲基丙醛,再用過氧化氫氧化得到。最新研究表明,在固定床反應器中,選用矽烷化鹼性陰離子交換樹脂催化劑,反應效果的好壞取決於球狀催化劑比表面的大小、活性基團的多少、吸附脫附速度的快慢等。催化劑以固體形式存在,避免了用鹼液作催化劑的一系列問題,同時也保證了反應轉化率和選擇性。
工業上合成2-甲基-2-戊烯醛也普遍使用NaOH水溶液作催化劑,產率在80%左右,但是NaOH水溶液會腐蝕實驗設備且產物不易分離。唐斯萍等研究了以陰離子交換樹脂作催化劑,丙醛雙分子縮合製備2-甲基-2-戊烯醛的新工藝,目標產物2-甲基-2-戊烯醛的產率可以達到93.54%。
工業上合成2-甲基-2-戊烯醛也普遍使用NaOH水溶液作催化劑,產率在80%左右,但是NaOH水溶液會腐蝕實驗設備且產物不易分離。唐斯萍等研究了以陰離子交換樹脂作催化劑,丙醛雙分子縮合製備2-甲基-2-戊烯醛的新工藝,目標產物2-甲基-2-戊烯醛的產率可以達到93.54%。
國內也有不少關於陰離子交換樹脂套用於羥醛縮合反應的報導。歐植澤等通過試驗篩選出三丁胺胺化強鹼性陰離子交換樹脂作為相轉移催化劑,催化合成苄叉丙酮,在最佳化反應條件下,苄叉丙酮的收率可達98%,且催化劑可重複使用。胡微等選擇強鹼性苯乙烯系季銨型離子交換樹脂作為催化劑,用丙酮與甲醛縮合製得乙醯乙醇,再在草酸存在下脫水得到甲基乙烯酮。石秀敏等研製篩選出適合於催化蒸餾法制二丙酮醇的新型陰離子催化劑,即大孔型強鹼性苯乙烯陰離子樹脂,催化活性和選擇性都很高。
有機化學中的套用
羥醛縮合反應是一個重要的有機化學反應，它在有機合成中有著廣泛的套用。羥醛縮合反應是指含有活性α氫原子的化合物如醛、酮、羧酸和酯等，在催化劑的作用下與羰基化合物發生親核加成，得到α-羥基醛酮或酸，或進一步脫水得到α，β-不飽和醛酮或酸酯的反應。① 分子間的羥醛縮合經常被用來合成一些β-羥基化合物，如1，3-丙二醇、1，3-丁二醇和新戊二醇等。其可作為進一步生產香料、藥物等多聚物或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)等高聚物的單體；縮合脫水產物α，β-不飽和醛氧化得到相應的可廣泛用作精細化工生產原料的羧酸，如2，2-二羥甲基丙酸可用作水性氨脂擴鏈劑以及製備聚酯、光敏樹脂和液晶，2-甲基-2-戊烯酸是具有水果香味的食用香料，可廣泛用於食品加工業和其它日化香精產業；此外，α，β-不飽和醛完全氫化時得到飽和伯醛，可用作溶劑或製造洗滌劑、增塑劑。
