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
2. Henan Outstanding Foreign Scientists'Workroom, Zhengzhou 450001, China;
3. Key Laboratory of Biomass Chemical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
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。
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图 1 GLY与EL的反应路径 Fig.1 The reaction path of GLY and EL |
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×0.25 μm 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2 μL。
ELK的产率为
| ${Y_{{\rm{ELK}}}} = \frac{{{m_{\rm{1}}}}}{{{M_1} \times n({\rm{GLY}})}} \times {\rm{100}}\% $ | (1) |
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 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
| $ Y_{\mathrm{ELK}}=98.95+0.31 A+0.23 B+0.50 C-0.16 A B-0.20 A C-0.083 B C-0.65 A^{2}-0.56 B^{2}-0.67 C^{2} $ | (2) |
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表 1 设计因素与水平 Table 1 Experimental design factors and levels |
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表 2 ELK优化实验设计和结果 Table 2 Experimental design and results for 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。
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表 3 模型方差分析 Table 3 Analysis of variance for different models |
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。
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图 2 真空度和温度对ELK产率的影响 Fig.2 Effects of vacuum and temperature on ELK yields |
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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 |
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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。
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图 5 ELK的红外光谱图 Fig.5 Infrared spectrum of ELK# |
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。
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图 6 ELK的LC-MS图 Fig.6 GC-MS spectrum of ELK |
如图 7所示为ELK的GC-MS图。其中，m/z=99时ELK失去CH3CH2OOC─、─CH2OH、─CH3 3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。
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图 7 ELK的GC-MS图 Fig.7 LC-MS spectrum of ELK |
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。
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图 8 ELK的NMR氢谱图 Fig.8 NMR spectrum of ELK |
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图 9 ELK的氢原子信息图 Fig.9 Hydrogen atom information on ELK Ethyl levulinate glycerol ketal |
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]。
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图 10 ELK合成的反应机理 Fig.10 Reaction mechanism of ELK synthesis |
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。
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