羥醛縮合，也叫做醇醛縮合（aldolcondensation），是指在稀堿或稀酸的作用下，含α氫的醛（）可以發(fā)生自身加成反應(yīng)，生成β-基醛（酮）的反應(yīng)。通過(guò)羥醛縮合，分子中形成了新的碳碳鍵，延長(zhǎng)了碳鏈。
縮合反應(yīng)一般采用堿催化，如氫氧化鈉、氫氧化鉀、醇鈉、2-甲基-2-丙醇鋁等。由兩分子相同的醛縮合制備不飽和醛是最簡(jiǎn)單的羥醛縮合。
基本簡(jiǎn)介
具有α-H的醛，在稀堿催化下生成碳負(fù)離子，然后碳負(fù)離子作為親核試劑對(duì)醛酮進(jìn)行親核加成，生成β-羥基醛，β-羥基醛受熱脫水成不飽和醛。
在稀堿或稀酸的作用下，兩分子的醛或酮可以互相作用，其中一個(gè)醛（或酮）分子中的α-氫加到另一個(gè)醛（或酮）分子的基氧原子上，其余部分加到羰基碳上，生成一分子β-羥基醛或一分子β-羥基酮。這個(gè)反應(yīng)叫做羥醛縮合或醇醛縮合（aldol 縮合反應(yīng)）。通過(guò)醇醛縮合，可以在分子中形成新的碳碳鍵，并增長(zhǎng)碳鏈。
反應(yīng)歷程
羥醛縮合反應(yīng)歷程，以乙醛為例說(shuō)明如下：
第一步，堿與乙醛中的α-氫結(jié)合，形成一個(gè)烯醇陰離子或負(fù)碳離子：
第二步是這個(gè)負(fù)離子作為親核試劑，立即進(jìn)攻另一個(gè)乙醛分子中的羰基碳原子，發(fā)生加成反應(yīng)后生成一個(gè)中間負(fù)離子（烷氧負(fù)離子）。
第三步，烷氧負(fù)離子與水作用得到羥醛和OH。
稀酸也能使醛生成羥醛，但反應(yīng)歷程不同。酸催化時(shí)，首先因質(zhì)子的作用增強(qiáng)了一水碳酸鈉雙鍵的極化，使它變成烯醇式，隨后發(fā)生加成反應(yīng)得到羥醛。
生成物分子中的α-氫原子同時(shí)被羰基和β-碳上羥基所活化，因此只需稍微受熱或酸的作用即發(fā)生分子內(nèi)脫水而生成，α，β-不飽和醛。
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?yàn)棣?氫比較活潑，并且失水后的生成物具有共軛雙鍵，因此比較穩(wěn)定。
除乙醛外，由其他醛所得到的羥醛縮合產(chǎn)物，都是在α-碳上帶有支鏈的羥醛或烯醛。羥醛縮合反應(yīng)在有機(jī)合成上有重要的用途，它可以用來(lái)增長(zhǎng)碳鏈，并能產(chǎn)生支鏈。
反應(yīng)機(jī)理
羥醛縮合從機(jī)理上講，是碳負(fù)離子對(duì)羰基碳的親核加成。醛或酮分子中的羰基結(jié)構(gòu)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(zhì)子化，增強(qiáng)了羰基的誘導(dǎo)作用促進(jìn)α 氫離解生成烯醇。
酸催化的反應(yīng)機(jī)理：
在堿性催化劑作用下α 碳原子失去氫原子形成碳負(fù)離子共振雜化物，達(dá)到平衡后生成烯醇鹽。
堿催化的反應(yīng)機(jī)理：
烯醇鹽緊接著與另一分子醛或酮的羰基進(jìn)行親核加成，形成新的碳 碳單鍵，得到β 羥基醛或酮。由于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(wěn)定共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的α,β 不飽和醛或酮。
酸催化的脫水機(jī)理：
催化劑
對(duì)于兩種不同醛或酮間的交叉縮合，由于非催化過(guò)程副反應(yīng)多，導(dǎo)致選擇性不高。需通過(guò)催化過(guò)程使得目的產(chǎn)物的選擇性達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求。對(duì)于反應(yīng)所使用的催化劑，根據(jù)其所具有的酸堿活性中心，可分為酸性催化劑、堿性催化劑、酸堿催化劑。
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(yáng)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(fā)生縮合反應(yīng)。酸催化的烯醇 酮平衡可表示為已有的研究發(fā)現(xiàn)，催化劑表面酸性活性中心的種類、數(shù)目和分布都會(huì)影響其催化性能，適宜的酸強(qiáng)度能有效促進(jìn)氣相羥醛縮合反應(yīng)過(guò)程中正碳離子的形成，提高反應(yīng)活性。
Tanner等使用(VO)2P2O7和α VOHPO4的磷酸釩氧化物作催化劑，對(duì)丙酮的自縮合、丙酮與甲醛的交叉縮合進(jìn)行了研究，表明對(duì)于該反應(yīng)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(jié)構(gòu)基團(tuán)在其表面迅速完成了質(zhì)子化和親核加成的反應(yīng)過(guò)程。
Paulis等使用鈮酸(Nb2O5·nH2O)作為催化劑，進(jìn)行丙酮?dú)庀嗔u醛縮合反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物種類與催化劑酸性中心的的酸強(qiáng)度和酸度密切相關(guān)。研究表明，鈮酸催化劑表面的bRnsted酸性中心酸強(qiáng)度較強(qiáng)，在催化縮醛和縮酮的反應(yīng)中，具有很好的催化活性，選擇性和穩(wěn)定性。
Dumitriu等將具有不同酸性的MFI沸石用于低碳醛的氣相羥醛縮合反應(yīng)，通過(guò)改變催化劑中Si與Fe3+的比例，調(diào)節(jié)Brnsted酸性中心的酸強(qiáng)度和酸度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面酸強(qiáng)度的增強(qiáng)，可以促進(jìn)低碳醛氣相羥醛縮合反應(yīng)的進(jìn)行，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。
2、堿性催化劑
羥醛縮合反應(yīng)中經(jīng)常采用的堿性催化劑，其包括堿性化合物(堿金屬或堿土金屬的氧化物、氫氧化物、碳酸氫鹽、碳酸根和羧酸鹽)、有機(jī)胺類化合物以及陰離子交換樹(shù)脂等。實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，羥醛縮合反應(yīng)所選用的堿性催化劑，可以是弱堿(如碳酸鈉、碳酸氫鈉、乙酸鈉),也可以是強(qiáng)堿(如氫氧化鈉、石灰乳、氫化鈉、醇鈉等)。前者一般用于活性較大的醛之間的縮合，產(chǎn)物多為β-羥基化合物；后者則用于活性較小、空間位阻大的醛或酮之間的縮合，且反應(yīng)多在非質(zhì)子極性溶劑中進(jìn)行。
堿金屬化合物催化劑常用于羥醛縮合制備羥基醛的反應(yīng)中，得到的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)加氫純化可以得到二醇乃至多元醇，例如乙醛自縮合得到的3-羥基丁醛的反應(yīng)，選擇苛性鈉水溶液作為催化劑，粗產(chǎn)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(yīng)，提高反應(yīng)選擇性。
Lopez等分別采用NaBEA、KF/鋁礬土和La2O3固體催化劑，對(duì)苯甲醛和苯乙酮的羥醛縮合反應(yīng)中催化劑失活機(jī)理進(jìn)行了研究。試驗(yàn)表明，反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的苯甲酸會(huì)大大降低反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)子氫的轉(zhuǎn)移速率，而胺的加入對(duì)其速率影響較小，因此認(rèn)為催化劑的堿性活性中心能夠有效催化反應(yīng)，而催化劑的失活也與堿性活性中心的損耗相關(guān)。有機(jī)胺類化合物是羥醛縮合反應(yīng)中廣泛應(yīng)用的另一類堿性催化劑。例如甲醛和異丁醛縮合生成羥基新正戊醛的反應(yīng)，多使用三乙胺作為縮合催化劑，縮合產(chǎn)物經(jīng)氫化得到新戊二醇。甲醛和丁醛在三乙胺催化作用下縮合然后氫化，則生成高純度的羥2-碘-2-甲基丙烷。專利報(bào)導(dǎo)了一種有機(jī)胺鹽類縮合催化劑，用于羥醛縮合制1,3-丙二醇的過(guò)程。
陰離子交換樹(shù)脂是新興的堿性催化劑。傳統(tǒng)的堿金屬氫氧化物溶液(如氫氧化鈉、氫氧化鉀)作為催化劑，存在催化劑難于回收，容易腐蝕設(shè)備，生成液需要中和分離，反應(yīng)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，而陰離子交換樹(shù)脂在保持催化活性的基礎(chǔ)上克服了上述缺點(diǎn)，得到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。
工業(yè)上2,2 二羥甲基丙酸的生產(chǎn)主要以甲醛、丙醛為原料，在無(wú)機(jī)化合物堿或有機(jī)堿催化作用下，經(jīng)羥醛縮合反應(yīng)生成2,2 二羥甲基丙醛，再用過(guò)氧化氫氧化得到。最新研究表明，在固定床反應(yīng)器中，選用硅烷化堿性陰離子交換樹(shù)脂催化劑，反應(yīng)效果的好壞取決于球狀催化劑比表面的大小、活性基團(tuán)的多少、吸附脫附速度的快慢等。催化劑以固體形式存在，避免了用堿液作催化劑的一系列問(wèn)題，同時(shí)也保證了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性。
工業(yè)上合成2-甲基-2-戊烯醛也普遍使用氫氧化鈉水溶液作催化劑，產(chǎn)率在80%左右，但是NaOH水溶液會(huì)腐蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備且產(chǎn)物不易分離。唐斯萍等研究了以陰離子交換樹(shù)脂作催化劑，丙醛雙分子縮合制備2-甲基2-戊烯醛的新工藝，目標(biāo)產(chǎn)物2-甲基-2-戊烯醛的產(chǎn)率可以達(dá)到93.54%。
國(guó)內(nèi)也有不少關(guān)于陰離子交換樹(shù)脂應(yīng)用于羥醛縮合反應(yīng)的報(bào)道。歐植澤等通過(guò)試驗(yàn)篩選出三丁胺胺化強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂作為相轉(zhuǎn)移催化劑，催化合成芐叉丙酮，在優(yōu)化反應(yīng)條件下，芐[biàn]叉丙酮的收率可達(dá)98%,且催化劑可重復(fù)使用。胡微等選擇強(qiáng)堿性苯乙烯系季銨[ǎn]型離子交換樹(shù)脂作為催化劑，用丙酮與甲醛縮合制得乙酰[xiān]乙醇，再在草酸存在下脫水得到甲基乙烯酮。石秀敏等研制篩選出適合于催化蒸餾法制雙丙酮醇的新型陰離子催化劑，即大孔型強(qiáng)堿性苯乙烯陰離子沒(méi)藥樹(shù)，催化活性和選擇性都很高。
化學(xué)反應(yīng)
羥醛縮合反應(yīng)是一個(gè)重要的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，它在有機(jī)合成中有著廣泛的應(yīng)用。羥醛縮合反應(yīng)是指含有活性α-氫原子的化合物如醛、酮、羧酸和酯[zhǐ]等，在催化劑的作用下與羰基化合物發(fā)生親核加成，得到β-羥基醛酮或酸，或進(jìn)一步脫水得到α,β-不飽和醛酮或酸酯的反應(yīng)。① 分子間的羥醛縮合經(jīng)常被用來(lái)合成一些β-羥基化合物，如1，3-丙二醇、1，3-1,4-丁二醇和新戊二醇等。其可作為進(jìn)一步生產(chǎn)香料、藥物等多聚物或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT)等均聚物的單體；縮合脫水產(chǎn)物α，β-不飽和醛氧化得到相應(yīng)的可廣泛用作精細(xì)化工生產(chǎn)原料的羧酸，如2，2-二羥甲基丙酸可用作水性氨脂擴(kuò)鏈劑以及制備聚酯、光敏樹(shù)脂和液晶，2-甲基2-戊烯酸是具有水果香味的食用香料，可廣泛用于食品加工和其它國(guó)產(chǎn)日化品牌香精產(chǎn)業(yè)；此外，α，β-不飽和醛完全氫化時(shí)得到飽和伯醛，可用作溶劑或制造洗潔精、塑化劑。
其他反應(yīng)
具有α-氫的酮在稀堿作用下，雖然也能起這類縮合反應(yīng)，但由于電子效應(yīng)、空間效應(yīng)的影響，反應(yīng)難以進(jìn)行，如用普通方法操作，基本上得不到產(chǎn)物。一般需要在比較特殊的條件下進(jìn)行反應(yīng)。例如：丙酮在堿的存在下，可以先生成雙丙酮醇，但在平衡體系中，產(chǎn)率很低。如果能使產(chǎn)物在生成后，立即脫離堿催化劑，也就是使產(chǎn)物脫離平衡體系，最后就可使更多的丙酮轉(zhuǎn)化為二丙酮醇，產(chǎn)率可達(dá)70%～80%。二丙酮醇在碘的催化作用下，受熱失水后可生成α，β-不飽和酮。
交叉羥醛縮合：在不同的醛、酮分子間進(jìn)行的縮合反應(yīng)稱為交叉羥醛縮合。如果所用的醛、酮都具有α-氫原子，則反應(yīng)后可生成四種產(chǎn)物，實(shí)際得到的總是復(fù)雜的混合物，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。一些不帶α-氫原子的醛、酮不發(fā)生羥醛縮合反應(yīng)，可它們能夠同帶有α-氫原子的醛、酮發(fā)生交叉羥醛縮合，其中主要是苯甲醛和甲醛的反應(yīng)。并且產(chǎn)物種類減少，可以主要得到一種縮合產(chǎn)物，產(chǎn)率也較高。反應(yīng)完成之后的產(chǎn)物中，必然是原來(lái)帶有α-氫原子的醛基被保留，在反應(yīng)時(shí)始終保持不含α-氫原子的甲醛過(guò)量，便能得單一產(chǎn)物。
克萊森-斯密特縮合：（Claisen-Schmidt）芳香醛與含有α-氫原子的醛、酮在堿催化下所發(fā)生的羥醛縮合反應(yīng)，脫水得到產(chǎn)率很高的α，β-不飽和醛、酮，這一類型的反應(yīng)，叫做克萊森-斯密特（Claisen-Schmidt）縮合反應(yīng)。在堿催化下，苯甲醛也可以和含有α-氫原子的脂肪酮或芳香酮發(fā)生縮合。另外，還有些含活潑CH2的化合物，例如丙二酸、丙二酸二甲酯、α-硝基乙酸乙酯等，都能與醛、酮發(fā)生類似于羥醛縮合的反應(yīng)。主要原因均是強(qiáng)吸電子基團(tuán)對(duì)于α-H的活化。使之易成為氫離子而脫離，乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯在有機(jī)合成上的應(yīng)用也與之有關(guān)。
參考資料 >