二氧化硅負載硅鎢鉬酸催化合成丁醛縮乙二醇

楊水金，喻 莉，羅承源，程海濤

二氧化硅負載硅鎢鉬酸催化合成丁醛縮乙二醇

*楊水金1,2，喻 莉1，羅承源1，程海濤1

（1.湖北師范學院化學與環境工程學院，湖北，黃石 435002；污染物分析與資源化技術湖北省重點實驗室，湖北，黃石 435002)

采用溶膠-凝膠法制備了二氧化硅負載硅鎢鉬酸催化劑。以其為催化劑，丁醛和乙二醇為原料合成了丁醛縮乙二醇，探討二氧化硅負載硅鎢鉬酸對丁醛縮乙二醇合成反應的催化活性。用正交實驗法較系統研究了反應物料配比、催化劑用量、帶水劑用量、反應時間等因素對產物收率的影響。實驗表明，二氧化硅負載硅鎢鉬酸是合成丁醛縮乙二醇的良好的催化劑，固定丁醛的用量為0.20 mol，在n(丁醛): n(乙二醇) = 1:1.3，催化劑用量為反應物料總質量的1.0 %，帶水劑環己烷8 mL，反應時間60 min的優化條件下，丁醛縮乙二醇的收率可達93.0 %。

丁醛縮乙二醇; 硅鎢鉬酸；二氧化硅; 催化

縮醛的合成是有機合成中保護羰基的重要手段，該類化合物又是近十年發展起來的新型香料[1]?？s醛類香料屬于羰基化合物，是羰基化合物與二元醇在酸性條件下縮合制得?？s醛是在非酸性條件下穩定，由于縮醛具有通常具有令人愉快芳香氣味，多用于香料工業，作食品、化妝品的添加劑，也是有機合成的原料。因此，研究和開發合成縮醛的簡便方法具有一定的積極意義。

丁醛縮乙二醇具有新鮮的果香香氣，其香味優于相應的母體羰基化合物，可用于多種有機合成和日化香精配方中[2]。其傳統的合成方法是無機酸催化丁醛與乙二醇合成，副反應多，產品純度不高，設備腐蝕嚴重、后處理中有大量的酸性廢水污染環境等缺點。隨著石油化工的發展，乙二醇的開發及其應用有著廣泛的前景，因此化工學者們在不斷地探索新型的、高效的、綠色的催化劑來應用于縮醛合成反應中[3]。研究表明，雜多酸作酸性催化劑催化有機合成顯示出活性高，選擇性好，反應條件溫和，腐蝕小等優點[4]，但是由于雜多酸比表面積小，易溶于極性溶劑，回收及重復使用困難。為克服這一難題，人們采用多種方法將雜多酸固載化，試圖使其可作為多相催化劑使用[5]。通常的做法是將雜多酸負載在較大比表面積的載體如活性炭、分子篩等上。本實驗采用二氧化硅作為載體負載硅鎢鉬酸作催化劑，合成丁醛縮乙二醇，取得了比較理想的效果。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

丁醛、乙二醇、Na2WO4·2H2O、Na2MoO4·2H2O、Na2SiO3·9H2O、H2SO4、正硅酸乙酯、正丁醇、環己烷、飽和食鹽水，無水氯化鈣、實驗用水均為二次蒸餾水。

PKW-Ⅱ型電子節能控溫儀；阿貝折光計；Nicolet 5700型紅外拉曼光譜儀(美國尼高力公司產，KBr液膜法)；MERCURY-VX 300 核磁共振波譜儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標)；粉末衍射分析用德國布魯克D8 ADVANCE X-Ray衍射儀，由石墨單色器濾波，用銅靶Kα1輻射，在管電壓 40kV，管電流40mA的條件下測定，掃描范圍 2θ在5~70°。

1.2 H4SiW6Mo6O40/SiO2 催化劑的制備

參考文獻[6]方法并加以改進制備出二氧化硅負載硅鎢鉬酸催化劑，具體操作如下：將1.5 g H4SiW6Mo6O40溶解于26 mL水中，將一定量的正硅酸乙酯和正丁醇（體積比約為：2.5 : 1）的混合液緩慢逐滴加到H4SiW6Mo6O40溶液中。依次，在室溫、45℃、80℃下攪拌1 h、1 h、3 h。所得凝膠在真空下干燥45 ℃和90 ℃分別為16 h、3 h。所得干凝膠用90 ℃的熱水洗至濾液為中性。然后，在高溫箱式爐內于200 ℃溫度下活化4.5 h，即得負載量為30%的H4SiW6Mo6O40/SiO2催化劑。

催化劑中雜多酸H4SiW6Mo6O40的最適宜負載量的確定：固定催化劑焙燒時間為4.5 h，焙燒溫度為200℃，在環己酮的量為0.2 mol，酮醇摩爾比為1:1.4，催化劑的量為反應物質量的1.4%，帶水劑環己烷的量為10 mL，反應時間為50 min條件下合成環己酮縮1, 2-丙二醇。當雜多酸H4SiW6Mo6O40的負載量分別為10%，20%，30%，40%，50%時，環己酮縮1, 2-丙二醇的收率分別為80.1%，84.9%，87.1%，85.6%，81.7%。故確定雜多酸H4SiW6Mo6O40的最適宜負載量為30%。

1.3 丁醛縮乙二醇的合成方法

在150 mL三頸瓶中按一定計量比加入丁醛，一定量的帶水劑環己烷，乙二醇和催化劑，裝上溫度計、電動攪拌器、分水器（含有少量食鹽的鹽水）和回流冷凝管。打開冷凝水，加熱回流分水，稍冷，放出水層。將有機層合并后用飽和食鹽水洗滌兩次，再經無水CaCl2干燥后，進行常壓蒸餾，先收集前餾分，再在常壓下收集134~138℃沸程范圍的餾分，即得無色透明具有果香味的液體產品，測定折光率，稱量計算收率。

2 結果與討論

2.1 催化劑的表征

2.1.1 催化劑的IR光譜

H4SiW6Mo6O40和H4SiW6Mo6O40/SiO2的紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 H4SiW6Mo6O40(a)和H4SiW6Mo6O40/SiO2 (b)的紅外光譜圖

由圖1可知，H4SiW6Mo6O40的主要吸收峰在972.9 cm-1, 918.2 cm-1，774.6 cm-1和538.6 cm-1，屬于Keggin基本結構，而位于1618.3 cm-1的吸收峰為水的彎曲振動吸收，表明其含有結晶水。當H4SiW6Mo6O40負載于載體SiO2以后，其吸收峰發生了遷移，972.9 cm-1和 918.2 cm-1的吸收峰分別遷移為1078.1 cm-1和948.0 cm-1，SiO2表面OH的吸收峰1078.1 cm-1明顯的變寬了。因此，說明H4SiW6Mo6O40負載在SiO2上后仍保持了其Keggin結構[7]，且其與載體是發生了化學作用，而不是簡單的物理吸附作用。

2.1.2 催化劑的XRD光譜

圖2 H4SiW6Mo6O40 (a)和H4SiW6Mo6O40/SiO2 (b)的XRD譜

由圖2所示，純H4SiW6Mo6O40在8.0°, 10.4°, 20.7°, 25.5°, 29.2°, 34.5° 和37.80°出現較強的衍射峰，這說明H4SiW6Mo6O40具有Keggin結構特征[7]。而在H4SiW6Mo6O40/SiO2的XRD譜圖中，只有在2θ = 22.4°出現強的寬峰，而無明顯的H4SiW6Mo6O40的特征衍射峰，表明H4SiW6Mo6O40/SiO2呈典型的無定型態。由此可見，H4SiW6Mo6O40高度分散在SiO2載體上，且與載體具有強的相互作用。

2.2 正交試驗結果與分析

在固定丁醛用量為0.20 mol的情況下，該反應的影響因素主要有醛醇物質的量比A，催化劑二氧化硅負載硅鎢鉬酸用量B，帶水劑環己烷用量C和反應時間D，通過常規實驗法設定的四因素的三水平結果見表1，本研究采用四因素（A，B，C，D）三水平（1，2，3）的正交實驗法L9（34），考察了四因素對合成丁醛縮乙二醇的影響，結果見表2。

表1 正交試驗L9（34）的因素和水平

A: n(丁醛): n(乙二醇);B: m(催化劑)（%）；C: 帶水劑環己烷用量（mL）；D: 反應時間（min）

表2 正交試驗L9（34）結果與分析

A: n(丁醛): n(乙二醇);B: m(催化劑)（%）；C: 帶水劑環己烷用量（mL）；D: 反應時間（h）

由表2可知，四個因素中以反應時間對反應的影響最為明顯，其大小順序為D > C > B > A。由位級分析可知，最佳的位級組合是A1B3C1D3，亦即適宜的反應條件是固定丁醛用量為0.20 mol的情況下，n(丁醛): n(乙二醇) = 1:1.3，催化劑用量占反應物料總質量的1.0%，帶水劑環己烷的用量為8 mL，反應時間60 min。三次最優條件下的產品的平均收率為93.0%。

2.3 催化劑H4SiW6Mo6O40/ SiO2與其他催化劑催化活性的比較

表3 分別列出了三氯化鐵[8]、硫酸鐵[9]、HY型分子篩[10]以及H4SiW6Mo6O40/ SiO2催化合成丁醛縮乙二醇的實驗結果。

表3 不同催化劑催化活性比較

由表3 可知，H4SiW6Mo6O40/SiO2催化劑催化合成丁醛縮乙二醇不僅所需的反應時間短，而且其催化活性明顯高于三氯化鐵、硫酸鐵和HY型分子篩。

2.4 產品的分析鑒定

按本法制得丁醛縮乙二醇產物的主要紅外光譜數據υ/ cm-1(IR, KBr):1146，1123，1057，1023和946，與文獻[11]報道的丁醛縮乙二醇樣品的紅外光譜數據基本一致，1H NMR(CDCl3，300 MHz)d: 4.60~4.62(m,1H,CH),3.83~3.95(m,4H,OCH2CH2O), 1.63~1.88(m,2H,CH2),1.25~1.36(m,2H,CH2),0.96 (t,3H,CH3)。由IR和1H NMR數據可確認產物為丁醛縮乙二醇的結構。產物的折光率nD20為1.4160，與文獻值[12](nD20為1.4176) 基本相符，產品為無色透明液體。

3 結論

H4SiW6Mo6O40/ SiO2是合成丁醛縮乙二醇的良好催化劑。該催化劑催化合成丁醛縮乙二醇的適宜條件為：固定丁醛的用量為0.20 mol，在n(丁醛): n(乙二醇) = 1:1.3，催化劑用量占反應物料總質量的1.0%，帶水劑環己烷的用量為8 mL，反應時間60 min適宜條件下，丁醛縮乙二醇收率可達93.0%。

H4SiW6Mo6O40/ SiO2對合成丁醛縮乙二醇具有良好的催化活性，不僅反應時間短，催化劑用量少，而且產品收率較高，工藝流程簡單。因此，H4SiW6Mo6O40/ SiO2是合成該產品的優良催化劑，具有良好的應用前景。

[1] 呂寶蘭, 龔江勇, 楊水金. 磷鎢鉬雜多酸催化合成丁醛乙二醇縮醛[J].化學與生物工程, 2007, 24(7): 27-29.

[2] 白愛民, 羅玉梅, 楊水金. 合成丁醛乙二醇縮醛的催化劑研究進展 [J]. 應用化工, 2003, 32(6): 6-8.

[3] 白愛民, 王作特, 楊水金. 二氧化鈦負載磷鎢鉬雜多酸催化合成丁醛乙二醇縮醛[J]. 湖北師范學院學報:自然科學版, 2007, 27(4): 64-67.

[4] 欒艷勤, 王桂榮, 郝蘇霞, 等. 雜多酸催化劑在縮合反應中的應用[J]. 精細石油化工，2010, 27(1): 72-76.

[5] 溫朗友, 沈師孔, 閔恩澤. 二氧化硅負載磷鎢鉬雜多酸催化劑的表征及催化性質[J]. 催化學報，2000, 21(6): 524-527.

[6] Izumi Y, Hisano K, Hida T. Acid catalysis of silica-included heteropolyacid in polar reaction media [J]. Applied catalysis A: general, 1999, 181: 277-282.

[7] 王恩波，胡長文，許林.多酸化學導論[M].北京：化學工業出版社，1998.

[8] 俞善信, 彭紅陽. 三氯化鐵催化合成縮醛(酮)[J]. 現代化工, 1994(12): 29-30.

[9] 李葉芝, 黃化民, 金輝, 等. 硫酸鐵催化環己酮的縮合反應和縮醛(酮)反應[J].吉林大學學報:自然科學版, 1989 (2): 113-116.

[10] 王存德, 錢文元. 分子篩催化合成縮醛(酮)的研究[J]. 化學世界，1993 (1): 20-22.

[11] 楊水金, 杜心賢, 呂寶蘭. 活性炭負載磷鎢酸催化劑催化合成縮醛(酮)[J]. 北京化工大學學報, 2005, 32(1): 81-84.

[12] 楊水金, 夏佳, 白愛民. SO42-/TiO2-WO3催化合成丁醛乙二醇縮醛[J]. 精細石油化工進展, 2003, 4(10): 27-29.

CATALYTIC SYNTHESIS OF BUTYRALDEHYDE GLYCOL ACETAL WITH H4SiW6Mo6O40/ SiO2

*YANG Shui-jin1,2，YU Li1，LUO Cheng-yuan1，CHENG Hai-tao1

(1.College of Chemistry and Environmental Engineering, Huangshi, Hube 435002, China；2.Hubei Key Laboratory of Pollutant Analysis Reuse Technology, Hubei Normal University, Huangshi, Hube 435002, China)

A novel catalyst, H4SiW6Mo6O40/SiO2was synthesized by a sol-gel technique, and characterized by FT-IR and XRD. Butyraldehyde glycol acetal was synthesized from butyraldehyde and glycol in the presence of H4SiW6Mo6O40/SiO2as catalyst. The factors influencing the synthesis were discussed and the best reaction conditions were found out. Experimental results showed that H4SiW6Mo6O40/SiO2is an excellent catalyst. Under the exeperimental conditions of molar ratio of butyraldehyde to glycol is 1:1.3, the mass ratio of the catalyst is 1.0% of all the reactants, volume of cyclohexane is 8 mL, and the reaction time is 60 minutes, the yield of butyraldehyde glycol acetal can reach 93.0 %.

butyraldehyde glycol acetal; H4SiW6Mo6O40; SiO2; catalysis

TQ655; TQ426.91

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2012.06.007

1674-8085(2012)06-0028-04

2012-05-21；

2012-06-25

湖北省污染物分析與資源化技術重點實驗室開放基金項目(KY2010G13)

*楊水金(1964-)，男，湖北武穴人，教授，博士，主要從事鎢化學與無機功能材料的研究工作（E-mail: yangshuijin@163.com）;

喻 莉(1987-)，女，湖北黃岡人，碩士研究生，主要從事多酸化學的研究(E-mail:);

羅承源(1989-)，男，福建尤溪人，湖北師院化學與環境工程學院本科生(E-mail: 1224714594@qq.com);

程海濤(1989-)，男，湖北浠水人，湖北師院化學與環境工程學院本科生(E-mail: 15272033781@136.com).