戊二醛制備工藝的關(guān)鍵技術(shù)研究

（中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540）

戊二醛（GA）是一種極為重要的化工原料，因其具有優(yōu)良的固化、膠聯(lián)蛋白質(zhì)的功能，被譽(yù)為第三代化學(xué)滅菌劑，同時(shí)它還是優(yōu)良的鞣革劑，組織固化劑、蛋白質(zhì)膠聯(lián)劑和高效殺菌消毒劑[1-3]。目前廣泛應(yīng)用于石油開采、醫(yī)療衛(wèi)生、生物化學(xué)、蛋白質(zhì)交聯(lián)劑、皮革柔軟劑、生物酶和細(xì)胞的固化、食品和化妝品的防腐、微膠囊固化、電子顯象管的堅(jiān)膜劑以及有機(jī)合成等方面。其中，作為殺菌劑和皮革柔軟劑的用量最大，國內(nèi)市場基本依賴進(jìn)口。

戊二醛合成方法主要有吡喃法（丙烯醛法）、吡啶法、多元醇氧化法、戊二酸法、環(huán)戊烯法等[4-8]，其中吡啶法因其原料消耗大、成本高、污染大、產(chǎn)品質(zhì)量差而被淘汰；戊二醇氧化法雖然反應(yīng)路線短，但其氧化深度不易控制、收率低、原料短缺且生產(chǎn)成本高，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的可能性也并不大；吡喃法[9-11]所用原料丙烯醛價(jià)格昂貴，而且丙烯醛和乙烯基乙醚沸點(diǎn)低，運(yùn)輸不便。因此以環(huán)戊烯為原料，通過選擇性氧化制備戊二醛受到青睞，該法具有原料豐富，反應(yīng)條件易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

環(huán)戊烯氧化制備戊二醛的催化過程主要包括均相和非均相催化。從已報(bào)道[12-14]的催化反應(yīng)體系結(jié)果來看，以鎢基非均相（多相）催化劑效果最佳（戊二醛收率往往超過50%）。而對于以鎢酸為催化劑的制備工藝，雖然具有反應(yīng)溫度低，常壓操作，轉(zhuǎn)化率高和收率高的特點(diǎn)，但是均相催化反應(yīng)結(jié)束后催化劑不易回收，因此最新的研究較多采用多相催化氧化，催化劑通常為含鎢元素的固相催化劑，使用這些催化劑可使環(huán)戊烯獲得一個(gè)較為理想的轉(zhuǎn)化率，缺陷是目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性比較低，戊二醛平均收率一般都在70%以下，且主要副產(chǎn)物1，2-環(huán)戊二醇、環(huán)戊烯環(huán)氧化合物和戊二酸等的沸點(diǎn)要高于戊二醛，加之戊二醛化學(xué)性質(zhì)活潑、易聚合，在分離過程中易發(fā)生反應(yīng)，難以制備出適于醫(yī)用的戊二醛產(chǎn)品。

針對上述缺陷，本文進(jìn)行了高性能負(fù)載型催化劑的制備和篩選，并通過反應(yīng)進(jìn)程的控制以及工藝條件的優(yōu)化，提高反應(yīng)的選擇性，便于分離得到合格的產(chǎn)品。最終獲得環(huán)境友好的綠色工藝路線。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 工藝流程

1.1.1 單釜工藝流程

單釜流程圖見圖1。在裝有回流冷凝管的三口燒瓶中，按一定比例分別加入催化劑、溶劑叔丁醇（TBA）和30%的過氧化氫水溶液，加熱至30℃時(shí)開始滴加環(huán)戊烯，然后保持反應(yīng)溫度至設(shè)定值，在不同時(shí)間取樣分析戊二醛濃度。

1.1.2 多釜工藝流程

多釜工藝流程簡圖見圖2，每釜的操作方法與單釜基本相同，按一定比例加入原料環(huán)戊烯、溶劑和催化劑，采用分段實(shí)驗(yàn)，雙氧水（總加入量不變）分段加入第一氧化反應(yīng)器、第二氧化反應(yīng)器和第三氧化反應(yīng)器，通過調(diào)整雙氧水的加入量和過氧化氫在催化劑表面的濃度，以及反應(yīng)時(shí)間從而控制反應(yīng)的進(jìn)程。

圖1 單釜氧化工藝流程圖Fig.1 Flow chart of single kettle oxidation process

圖2 多釜氧化工藝流程圖Fig.2 Flow chart of multi-tank oxidation process

1.2 反應(yīng)機(jī)理和主要方程式

根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]報(bào)道，在鎢酸催化劑-有機(jī)溶劑（叔丁醇等醇類）體系中，環(huán)戊烯在催化劑的作用下，首先被過氧化氫氧化生成環(huán)戊烯氧化物（CPO），然后再轉(zhuǎn)化成中間產(chǎn)物β-羥基環(huán)戊基過氧化氫，最后中間產(chǎn)物受WOOH 活性基團(tuán)的催化，轉(zhuǎn)化為戊二醛。主要副產(chǎn)物是1，2-環(huán)戊二醇和2-叔丁氧基-1-環(huán)戊醇，它們是環(huán)戊烯氧化物由水和醇通過親核進(jìn)攻生成，如圖3所示。

如反應(yīng)溫度偏高或反應(yīng)時(shí)間過長時(shí)，1，2-環(huán)戊二醇和戊二醛繼續(xù)與過氧化氫反應(yīng)生成戊二酸[17]，反應(yīng)方程式如下：

圖3 環(huán)戊烯合成戊二醛反應(yīng)歷程Fig.3 Reaction process of cyclopentene synthesizing glutaraldehyde

1.3 分析方法

本課題實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要涉及環(huán)戊烯氧化反應(yīng)、戊二醛的分離以及催化劑等，分析方法見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)涉及分析方法Tab.1 Analytical methods involved in the experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

對于環(huán)戊烯的氧化反應(yīng)，催化劑的性能、溶劑的選擇、工藝條件的優(yōu)化及反應(yīng)過程的控制是關(guān)鍵步驟，本次試驗(yàn)針對這四個(gè)方面展開研究。

2.1 催化劑的性能評價(jià)

制備了不同種類的負(fù)載型催化劑，并綜合各因素的影響，在催化劑∶叔丁醇∶過氧化氫∶環(huán)戊烯（質(zhì)量比）=0.2∶6∶3∶1，溫度35 ℃，時(shí)間24 h 的條件下進(jìn)行了試驗(yàn)和比較，其結(jié)果如表2所示。

從表2 可以看出，原位合成的一系列含鎢介孔催化劑具有好于均相及傳統(tǒng)浸漬方法制備的催化劑的催化性能，如采用催化劑W-SBA-15，環(huán)戊烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%，戊二醛的收率大于75%，可作為環(huán)戊烯氧化工藝考察的催化劑。

2.2 溶劑的選擇

從工業(yè)化角度來看，所用溶劑必須符合以下要求：（1）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在反應(yīng)體系中不易發(fā)生副反應(yīng)；（2）對原料環(huán)戊烯和氧化劑均有一定的溶解性，使反應(yīng)呈均相；（3）后處理簡單方便、易于回收利用；（4）毒性較小、安全性好。

在鎢基催化劑-有機(jī)溶劑體系中，環(huán)戊烯不能直接與過氧化氫相溶，有機(jī)溶劑的作用使環(huán)戊烯和過氧化氫形成均相而進(jìn)行氧化反應(yīng)。為了提高反應(yīng)速率，有效改善質(zhì)量傳遞過程，本次試驗(yàn)根據(jù)使用原則選擇了常用的醇類和醚類作溶劑，首先通過試驗(yàn)確定了各溶劑適宜的配比和反應(yīng)時(shí)間，并在常壓、反應(yīng)溫度為35～37 ℃的條件下考察了溶劑對氧化反應(yīng)的影響，其結(jié)果如表3所示。

從表3 可以看出：有機(jī)溶劑的種類和比例對于整個(gè)反應(yīng)過程的影響十分顯著，從分析結(jié)果上看，選用叔丁醇作溶劑時(shí)戊二醛的收率最高，在適宜的工藝條件下其選擇性也較為理想。雖然異丙醇作溶劑時(shí)反應(yīng)速度最快，但其選擇性低，考慮副產(chǎn)物在后續(xù)處理中很難分離，因此，環(huán)戊烯氧化反應(yīng)的工藝條件考察中，優(yōu)先選用叔丁醇作溶劑。

表2 不同催化劑的催化性能Tab.2 Catalytic performance of different catalysts

2.3 環(huán)戊烯氧化過程的分析

在反應(yīng)器中，分別加入催化劑、叔丁醇、30%（wt）過氧化氫和環(huán)戊烯。催化劑∶叔丁醇∶過氧化氫∶環(huán)戊烯（質(zhì)量比）=0.2∶6∶3∶1，在反應(yīng)過程中，不斷取樣進(jìn)行色譜和質(zhì)譜分析。

由圖4 可以看出，在未發(fā)生氧化反應(yīng)前，反應(yīng)體系內(nèi)主要是溶劑叔丁醇和反應(yīng)物環(huán)戊烯，由于我們是使用氫焰檢測器進(jìn)行色譜分析，水并不出峰。加入負(fù)載型鎢酸催化劑W-SBA-15，反應(yīng)溫度35～37 ℃，并進(jìn)行攪拌，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，通過質(zhì)譜分析可以清晰地看出，環(huán)戊烯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成環(huán)戊烯環(huán)氧化物，質(zhì)譜譜圖見圖5。

表3 不同溶劑對氧化反應(yīng)的影響Tab.3 Effect of different solvents on oxidation reaction

圖4 反應(yīng)前色譜分析圖Fig.4 Chromatographic analysis before reaction

圖5 環(huán)戊烯環(huán)氧化物質(zhì)譜譜圖Fig.5 Mass spectrum of cyclopentene epoxide

在反應(yīng)條件下，在7 h 至9 h，環(huán)戊烯環(huán)氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率接近100%，并開始有少量戊二醛生成。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，反應(yīng)液中戊二醛含量不斷增加。反應(yīng)24 h 左右，環(huán)氧環(huán)戊烷基本轉(zhuǎn)化完全，通過色譜圖（由于是采用內(nèi)標(biāo)法分析戊二醛的含量，引進(jìn)了環(huán)己酮作為內(nèi)標(biāo)物），如圖6所示。質(zhì)譜圖如圖7所示，紅外譜圖如圖8所示，反應(yīng)主產(chǎn)物為戊二醛，主要副產(chǎn)物為1，2-環(huán)戊二醇，同時(shí)還含有少量的2-叔丁氧基-1-環(huán)戊醇，質(zhì)譜圖如圖9所示。

圖6 反應(yīng)后色譜分析圖Fig.6 Chromatographic analysis after reaction

表4 色譜分析出峰時(shí)間表Tab.4 Peak time table of chromatographic analysis

2.4 單釜氧化工藝考察

對于環(huán)戊烯選擇氧化制備環(huán)戊烯的過程，溶劑的用量、原料的配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間是影響該過程的主要因素。因此，需要對這些因素進(jìn)行選擇比較，才能獲得最佳工藝條件。

圖7 戊二醛質(zhì)譜譜圖Fig.7 Mass spectrogram of glutaraldehyde

2.4.1 溶劑加入量對反應(yīng)的影響

在W（過氧化氫）∶W（環(huán)戊烯）=3、反應(yīng)溫度為36 ℃、反應(yīng)時(shí)間為24 h 條件下考察溶劑用量對反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

由圖10 可以看出，溶劑量的增加會(huì)提高選擇性，降低副產(chǎn)物的生成，使戊二醛收率隨溶劑用量的增加而增加，但當(dāng)溶劑比大于6 后，再增加叔丁醇的用量，戊二醛收率增加有限。綜合生產(chǎn)成本，故合適的溶劑比為6 左右。

2.4.2 物料配比對反應(yīng)的影響

在W（叔丁醇）∶W（環(huán)戊烯）=6、反應(yīng)溫度為36 ℃ 反應(yīng)時(shí)間為24 h 條件下考察過氧化氫用量對反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

由圖11 可以看出，物料配比對反應(yīng)有顯著的影響，戊二醛收率隨過氧化氫用量的增加呈先升高再下降的趨勢，這是由于雙氧水加入量較低時(shí)氧化反應(yīng)不充分；雙氧水加入量較高時(shí)副反應(yīng)增加，都會(huì)導(dǎo)致戊二醛收率偏低；當(dāng)過氧化氫與環(huán)戊烯質(zhì)量比為3 時(shí)，戊二醛收率最高，已達(dá)75.2%，故過氧化氫與環(huán)戊烯質(zhì)量之比為3 左右時(shí)較為適宜。

圖8 戊二醛紅外譜圖Fig.8 Infrared spectrum of glutaraldehyde

圖9 Tran-1，2-環(huán)戊二醇質(zhì)譜圖Fig.9 Mass spectrum of tran-1，2-cyclopentanediol

圖10 溶劑加入量的影響Fig.10 Effect of solvent addition

圖11 物料配比對反應(yīng)的影響Fig.11 Effect of material ratio on reaction

2.4.3 氧化溫度對反應(yīng)的影響

在W（叔丁醇）∶W（環(huán)戊烯）=6、W（過氧化氫）∶W（環(huán)戊烯）=3、反應(yīng)時(shí)間為24 h 條件下考察氧化溫度對反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 氧化溫度對反應(yīng)的影響Fig.12 Effect of oxidation temperature on reaction

由圖12 可以看出，溫度對反應(yīng)有顯著的影響，溫度低時(shí)反應(yīng)速度慢，在設(shè)定的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，環(huán)氧化物還沒有完全轉(zhuǎn)化為戊二醛，而當(dāng)溫度過高則副反應(yīng)明顯增加，導(dǎo)致戊二醛收率降低；綜合能耗、反應(yīng)效率和收率，合適的反應(yīng)溫度應(yīng)控制在35～37 ℃。

2.4.4 時(shí)間對反應(yīng)的影響

在W（叔丁醇）∶W（環(huán)戊烯）=6、W（過氧化氫）∶W（環(huán)戊烯）=3、反應(yīng)溫度為36 ℃條件下，分別在反應(yīng)進(jìn)行到一定時(shí)間后進(jìn)行取樣分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 時(shí)間對反應(yīng)的影響Fig.13 Effect of time on reaction

從圖13 可以看出：隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，環(huán)戊烯（CPE）的轉(zhuǎn)化率先上升，8h 后達(dá)到100%，此時(shí)環(huán)戊烯基本轉(zhuǎn)化為環(huán)氧環(huán)戊烷；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，環(huán)氧環(huán)戊烷開始氧化生成戊二醛（GA），GA 的收率先上升后呈緩慢下降的趨勢。值得關(guān)注的是反應(yīng)24 h后，環(huán)氧環(huán)戊烷基本轉(zhuǎn)化，會(huì)發(fā)生戊二醛進(jìn)一步氧化成戊二酸的副反應(yīng)，GA 的選擇性和收率同時(shí)降低，考慮到戊二酸很難從產(chǎn)物中分離出來，適宜的反應(yīng)時(shí)間控制在24 h 左右。

2.4.5 氧化條件的優(yōu)化

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考察了以叔丁醇為溶劑，各種因素對環(huán)戊烯氧化反應(yīng)效果的影響規(guī)律，初步確定了適宜的環(huán)戊烯氧化實(shí)驗(yàn)條件，為排除各因素的交互影響，優(yōu)化操作條件，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表L9（34）尋找優(yōu)化條件，每個(gè)影響因素考慮三個(gè)水平，正交設(shè)計(jì)方案見表5，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 正交設(shè)計(jì)方案Tab.5 Orthogonal design scheme

表6 氧化正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.6 Statistics of oxidation orthogonal experiment results

從表6 可以看出：

（1）在所選定的條件范圍內(nèi)，各因素對氧化反應(yīng)的影響次序?yàn)镃 ＞D ＞A ＞B，其中，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間是主要影響因素，溫度低、時(shí)間短，反應(yīng)轉(zhuǎn)化不充分；溫度高、反應(yīng)時(shí)間長則副產(chǎn)物增加。因此必須將反應(yīng)溫度和時(shí)間控制在在一定的范圍內(nèi)，兼顧氧化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和戊二醛的選擇性，確保目標(biāo)產(chǎn)物獲得理想的收率。

（2）溶劑比和原料配比相對反應(yīng)溫度和時(shí)間來說影響較小，是次要影響因素，在所選的范圍內(nèi)戊二醛收率變化較小，因此需要綜合考慮生產(chǎn)成本和選擇性（副產(chǎn)物少，對分離有利）來確定優(yōu)化條件。

從優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，優(yōu)選方案為A2B2C2D2，再結(jié)合操作成本和后續(xù)分離（難分離的副產(chǎn)物少）兩方面綜合考慮，可以確定最佳的氧化工藝條件為：W（叔丁醇）∶W（環(huán)戊烯）=6、W（過氧化氫）∶W（環(huán)戊烯）=3、反應(yīng)溫度為35～37℃、反應(yīng)時(shí)間24 h，在此條件下，戊二醛的收率在75%左右。

2.5 多釜串聯(lián)氧化工藝考察

在環(huán)戊烯的氧化反應(yīng)過程中，氧化反應(yīng)受過氧鎢酸與環(huán)戊烯的相互作用，以及串聯(lián)反應(yīng)中間過程的影響。因此實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整，以負(fù)載型雜多酸為催化劑，采用分段氧化工藝（即雙氧水多次加入）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其溶劑比、雙氧水總加入量、溫度和反應(yīng)總時(shí)間與單釜優(yōu)化條件相同，單段雙氧水加入量和氧化時(shí)間按次數(shù)平均分配，并與單釜實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，結(jié)果見圖14。

圖14 雙氧水加入次數(shù)對反應(yīng)的影響Fig.14 Effect of adding times of hydrogen peroxide on reaction

從圖14 可以看出：

（1）采用分段實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)整雙氧水的加入量和過氧化氫在催化劑表面的濃度，可以控制反應(yīng)的進(jìn)程，在保證良好轉(zhuǎn)化率的前提下，明顯提高了反應(yīng)的選擇性，即多釜串聯(lián)工藝戊二醛的收率均高于單釜工 藝。

（2）過氧化氫在催化劑表面的濃度對反應(yīng)進(jìn)程及戊二醛收率有非常顯著的影響，當(dāng)雙氧水分三次加入其在催化劑表面的濃度最有利于主反應(yīng)的進(jìn)行，戊二醛的收率超過85%。

3 結(jié)論

（1）制備了多種環(huán)戊烯氧化催化劑，并對其氧化性能進(jìn)行了考察，篩選出一種活性高、選擇性好的催化劑，為工業(yè)化放大提供參考。

（2）通過對單釜環(huán)戊烯選擇氧化制戊二醛的主要影響因素的考察以及工藝條件的優(yōu)化，取得了比較適宜的氧化工藝條件：W（叔丁醇）∶W（環(huán)戊烯）=6、W（過氧化氫）∶W（環(huán)戊烯）=3、反應(yīng)溫度為35～37℃、反應(yīng)時(shí)間24 h 左右。

（3）通過對反應(yīng)過程的分析和多釜實(shí)驗(yàn)的研究，確定了理想的綠色工藝路線，在適宜的條件下采用三段氧化法可使環(huán)戊烯的轉(zhuǎn)化率為100%，戊二醛的收率在85%以上。