微反應(yīng)器中三羥甲基丙烷的制備

王克軍，周 峰，劉宏臣，溫正慧，陳光文

1.中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧 大連 116023；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

三羥甲基丙烷（TMP）是一種含有α-甲基的新戊基結(jié)構(gòu)的多元醇，目前的工業(yè)生產(chǎn)方法主要分為兩種：Cannizzaro歧化法[1]和加氫還原法[2,3]。加氫還原法是在甲醛與正丁醛經(jīng)縮合反應(yīng)后，采用負(fù)載型催化劑（Pd/C、Pd/Al2O3等），對中間體進(jìn)行加氫還原合成 TMP；加氫還原法可獲得較高的 TMP收率，但需要在高溫高壓條件下操作，對加氫設(shè)備和催化劑要求較高。Cannizzaro歧化法以甲醛、正丁醛為原料，無機(jī)堿或有機(jī)堿為催化劑，經(jīng)過堿催化的縮合反應(yīng)和歧化反應(yīng)制得 TMP。傳統(tǒng)的Cannizzaro歧化法由于具有工藝成熟、容易操作、設(shè)備要求低等顯著優(yōu)勢，在TMP工業(yè)生產(chǎn)中仍居重要地位[4,5]。

TMP合成過程是一個(gè)放熱的復(fù)雜反應(yīng)過程，為抑制副反應(yīng)發(fā)生，需要在相對較低且恒定的反應(yīng)溫度下操作。傳統(tǒng)的Cannizzaro歧化法的反應(yīng)過程大多采用間歇攪拌釜式滴加操作，以利于散熱并有效調(diào)控反應(yīng)溫度，進(jìn)而提高TMP收率，但滴加過程耗時(shí)長（3～6 h）、操作繁瑣，收率通常為60%～84%[4,5]。微反應(yīng)器作為一門新興的過程強(qiáng)化技術(shù)為TMP的生產(chǎn)提供了新的工藝途徑，由于微反應(yīng)器內(nèi)較小的通道尺寸使其傳熱傳質(zhì)能力較傳統(tǒng)反應(yīng)器相比增加1～2個(gè)數(shù)量級，反應(yīng)過程溫度、濃度分布更加均勻，反應(yīng)停留時(shí)間更易調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作，并可通過并行放大實(shí)現(xiàn)過程放大，大幅度縮短研發(fā)周期、提高過程效率[6-9]。本研究將采用Cannizzaro歧化法開發(fā)微反應(yīng)器合成TMP的新型工藝。采用無水乙醇為溶劑，使整個(gè)反應(yīng)體系在均相條件下進(jìn)行，通過考察反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、原料配比、正丁醛濃度對TMP收率的影響，以期獲得優(yōu)化的工藝路線。

1 Cannizzaro歧化法合成TMP的反應(yīng)過程

Cannizzaro歧化法制備TMP過程中所涉及的主副反應(yīng)路徑。反應(yīng)路徑（1）為TMP制備過程的

后析出的白色晶體再加入無水乙醇使其完全溶解，采用安捷倫科技有限公司GC 7890A氣相色譜儀外標(biāo)曲線法定量分析溶液中TMP含量，TMP的收率（Y）定義為反應(yīng)液中TMP物質(zhì)的量與正丁醛初始物質(zhì)的量之比。

氣相色譜條件：氮?dú)鉃檩d氣，色譜柱為 HP-INNOWAX（30 m×0.32 mm×0.25 μm），氫火焰檢測器。檢測器溫度305 ℃，進(jìn)樣量0.2 μL，分流比為25:1；進(jìn)樣口溫度290 ℃，程序升溫：50 ℃保持4 min，然后以25 ℃/min升溫速率升至150 ℃，再15 ℃/min升溫至230 ℃保持10 min。

甲醛標(biāo)定：甲醛與過量的中性亞硫酸鈉溶液反應(yīng)，生成氫氧化鈉，以百里香酚酞作指示劑，用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。配制126 g/L亞硫酸鈉溶液，0.5 mol/L硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，于100 mL錐形瓶中加入20 mL亞硫酸鈉溶液及3滴百里香酚酞指示液，用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至藍(lán)色剛剛消失。稱取0.40 g待分析樣品，放入上述錐形瓶中，搖勻，用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，藍(lán)色剛剛消失即為終點(diǎn)。

正丁醛的衍生：在酸催化作用下，正丁醛與衍生劑2,4-二硝基苯肼反應(yīng)生成2,4-二硝基苯腙，然后通過安捷倫科技有限公司HP 1260高效液相色譜儀間接測定正丁醛的含量。稱取2 g的2,4-二硝基苯肼固體，用乙腈溶液溶解稀釋，配制100 mL 2,4-二硝基苯肼/乙腈溶液；精確稱取0.26 g氫氧化鈉固體，以適量水溶解，加入0.57 mL冰醋酸，再以水稀釋至100 mL，即配制成緩沖溶液。反應(yīng)后的樣品經(jīng)甲酸中和至中性后，加水配制成100 mL溶液，再取定量的樣品溶液于事先已加入適量2,4-二硝基苯肼/乙腈溶液和緩沖液的錐形瓶中，振搖，放置在50 ℃烘箱中進(jìn)行1.5 h衍生化反應(yīng)。最后，取適量衍生化后的溶液于樣品瓶中，利用液相色譜進(jìn)行檢測分析，獲得正丁醛的轉(zhuǎn)化率。

液相色譜條件：色譜柱Extend-C18（4.6×150 mm，5 μm），柱溫為30 ℃，進(jìn)樣量10 μL，流動相為乙腈-水（70:30），流速為1.0 mL/min，紫外檢測器，工作波長為365 nm。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同停留時(shí)間下的正丁醛轉(zhuǎn)化率

圖3所示為不同停留時(shí)間（t）下的正丁醛轉(zhuǎn)化率（X）結(jié)果。結(jié)果表明：35 ℃下停留時(shí)間為5 s時(shí)正丁醛的轉(zhuǎn)化率已達(dá)85%；而反應(yīng)溫度為55 ℃，反應(yīng)5 s時(shí)正丁醛已接近完全轉(zhuǎn)化。相同條件下TMP的收率如圖4所示，可見，不同溫度下的TMP收率均隨停留時(shí)間的增加而增大。根據(jù)圖3和圖4的轉(zhuǎn)化率和收率的變化趨勢可知第一步甲醛和正丁醛的Aldol縮合反應(yīng)速率相對較快，而生成TMP的Cannizzaro歧化反應(yīng)速率較慢，是該串聯(lián)反應(yīng)中的速率控制步驟[4]。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中采用的停留時(shí)間遠(yuǎn)大于10 s，因此正丁醛可近似認(rèn)為轉(zhuǎn)化完全。

圖3 不同停留時(shí)間下正丁醛轉(zhuǎn)化率Fig.3 Conversion of n-butanal under different residence times

圖4 不同停留時(shí)間下TMP收率Fig.4 Yield of TMP under different residence times

3.2 反應(yīng)溫度的影響

由于Cannizzaro歧化反應(yīng)為速率控制步驟[4]，溫度升高有利于加快縮合和歧化等主反應(yīng)速率，但溫度過高也會加劇副反應(yīng)，因此存在一個(gè)合適的反應(yīng)溫度。圖5表明了反應(yīng)溫度對TMP收率的影響規(guī)律。由圖5可見，在實(shí)驗(yàn)的停留時(shí)間下，反應(yīng)溫度從35 ℃升高至55 ℃，TMP收率顯著增高，因?yàn)闇囟壬吣艽龠M(jìn)中間體2,2-二羥甲基丁醛的快速生成，加快Cannizzaro歧化反應(yīng)速率，TMP收率增加。然而，溫度從55 ℃升高至75 ℃，TMP收率呈下降趨勢，因?yàn)闇囟冗^高會促進(jìn)脫水反應(yīng)和自縮合反應(yīng)等副反應(yīng)的進(jìn)行，生成大量的副產(chǎn)物，導(dǎo)致TMP收率降低。

圖5 反應(yīng)溫度對TMP收率的影響Fig.5 Effect of reaction temperature on the yield of TMP

圖6 不同溫度和停留時(shí)間下TMP收率Fig.6 Yield of TMP under different temperatures and residence times

3.3 最佳停留時(shí)間

圖6為不同溫度下TMP收率隨反應(yīng)時(shí)間變化的規(guī)律。根據(jù)Arrehnius定律，溫度升高，反應(yīng)速率加快，但對活化能大的反應(yīng)影響更大。由圖6可見，溫度由35 ℃增加至65 ℃，TMP最大收率值變化不大，但TMP收率達(dá)到最大值所需的停留時(shí)間大大縮短。

3.4 原料配比的影響

3.4.1 氫氧化鈉與正丁醛配比的影響

圖7 氫氧化鈉/正丁醛比對TMP收率的影響Fig.7 Effect of molar ratio of sodium hydroxide to n-butanal on the yield of TMP

原料配比也是影響 TMP收率的重要因素，該反應(yīng)體系中氫氧化鈉不僅作為Aldol縮合反應(yīng)的催化劑，還作為反應(yīng)物參與Cannizzaro歧化反應(yīng)，理論化學(xué)計(jì)量比為1:1。圖7為氫氧化鈉與正丁醛物質(zhì)的量比對TMP收率的影響。當(dāng)氫氧化鈉與正丁醛比從1.0增至2.5時(shí)，TMP收率降低。雖然氫氧化鈉濃度增大會加快Cannizzaro歧化反應(yīng)速率，增大TMP收率；但由反應(yīng)機(jī)理可知，氫氧化鈉催化正丁醛形成碳負(fù)離子活性中間體，其濃度增大，促使活性中間體濃度增大，從而加劇正丁醛自縮合等副反應(yīng)的發(fā)生[4]，降低了中間體2,2-二羥甲基丁醛的收率，進(jìn)而降低了TMP收率。當(dāng)氫氧化鈉與正丁醛比為1.0～1.5時(shí)，副反應(yīng)速率略大于歧化反應(yīng)，TMP收率下降較慢；隨氫氧化鈉與正丁醛比的進(jìn)一步增大，副反應(yīng)速率相對于Cannizzaro歧化反應(yīng)顯著加快，此時(shí)TMP收率下降趨勢較快。高溫下（65 ℃）中間體脫水和自縮合副反應(yīng)的影響更為明顯，TMP收率顯著下降。

3.4.2 甲醛與正丁醛配比的影響

圖8表明了甲醛與正丁醛的物質(zhì)的量比對TMP收率的影響。不同溫度下，隨著甲醛與正丁醛比的增大，TMP收率均呈先升后降趨勢。當(dāng)甲醛與正丁醛比小于5時(shí)，TMP收率隨甲醛量增大而增大。甲醛量增大，提高了與正丁醛反應(yīng)的機(jī)會，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，中間體2,2-二羥甲基丁醛逐漸增多，產(chǎn)物TMP收率增大。當(dāng)甲醛與正丁醛比大于5時(shí)，加劇了甲醛與體系中α-羥甲基丁醛和2,2-二羥甲基丁醛之間的副反應(yīng)，導(dǎo)致TMP收率降低。隨溫度升高，TMP收率也呈先升后降趨勢，這是因?yàn)闇囟冗^高時(shí)（65 ℃），加劇了TMP合成過程的副反應(yīng)，從而降低了TMP收率。

圖8 甲醛與正丁醛配比對TMP收率的影響Fig.8 Effect of molar ratio of formaldehyde to n-butanal on the yield of TMP

圖9 正丁醛濃度對TMP收率的影響Fig.9 Effect of n-butanal concentration on the yield of TMP

3.4.3 正丁醛濃度的影響

原料濃度的增加有利于獲得更高的TMP空時(shí)收率，圖9反映了微反應(yīng)器中正丁醛濃度對TMP收率的影響。隨著正丁醛濃度增加，TMP合成過程中各步反應(yīng)速率迅速加快，從而在相同的停留時(shí)間內(nèi)可獲得更高的TMP收率。由此可見，原料濃度增加有利于加快過程反應(yīng)速率以及提高TMP的空時(shí)收率。由于反應(yīng)原料相互間溶解度的限制，正丁醛濃度的進(jìn)一步增加會導(dǎo)致混合溶液在配制過程中發(fā)生分相現(xiàn)象，因此正丁醛濃度宜控制在2 mol/L以內(nèi)。

通過對TMP合成過程工藝參數(shù)的考察和討論，獲得以下反應(yīng)優(yōu)化條件：以氫氧化鈉為催化劑，反應(yīng)溫度為55 ℃，甲醛與正丁醛物質(zhì)的量比為5.0，氫氧化鈉與正丁醛物質(zhì)的量比為1.0，正丁醛濃度為2.0 mol/L，停留時(shí)間為500 s的條件下，TMP收率可達(dá)85.9%。相比于文獻(xiàn)中報(bào)道的傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器工藝過程而言（表1），本工藝不僅可獲得較高的TMP收率，同時(shí)也大幅縮短了反應(yīng)時(shí)間。

表1 本工藝與文獻(xiàn)中TMP收率比較Table 1 Comparison of the yield with the literatures

4 結(jié) 論

在微管式反應(yīng)器中，以氫氧化鈉為催化劑、反應(yīng)溫度為55 ℃、甲醛與正丁醛物質(zhì)的量比為5.0、氫氧化鈉與正丁醛物質(zhì)的量比為1.0、正丁醛濃度為2.0 mol/L及停留時(shí)間為500 s的條件下，可得到85.9%收率的三羥甲基丙烷，優(yōu)于文獻(xiàn)值。同時(shí)，開發(fā)的新型工藝過程可以大幅縮短TMP合成時(shí)間，提高過程效率和安全性，實(shí)現(xiàn)了過程的連續(xù)化操作，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。

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