涂料助剂季戊四醇的合成 （羟醛缩合、还原反应）学习目的与要求 ●了解：醛醛缩合反应分类、特点，资料检索方 法，安全环保的知识，有机合成中的新技术简 介 ●理解：季戊四醇的合成路线，醛醛缩合反应、 甲醛还原反应的基本规律和影响因素； ●掌握（或应用）：能进行醛醛缩合反应、甲醛 还原反应小试装置的搭建，反应操作、控制以 及产品分离、鉴定季戊四醇的主要用途：• 季戊四醇主要用在涂料工业中，是醇酸树脂涂料 的原料，能使涂料膜的硬度、光泽和耐久性得以 改善它又用作生产清漆、色漆和印刷油墨等所 需松香脂的原料，并可制阻燃性涂料、干性油和 航空润滑油等季戊四醇的四硝酸酯是一种烈性 炸药(即太安)其脂肪酸酯是高效润滑剂和聚氯 乙烯增塑剂；其环氧衍生物则是生产非离子表面 活性剂的原料季戊四醇易与金属形成络合物， 在洗涤剂配方中也作为硬水软化剂使用此外， 季戊四醇还应于医药、农药等生产中我 国季戊四醇主要应用于醇酸树脂、润滑油 、松香/妥尔油酯及其它领域 季戊四醇开发项目任务书项项目名称内容技术术要求执执行标标准专业专业 指标标理化指标标开发发季戊 四醇产产品开发发季戊四醇实验实验 室规规模下合成方案 ，包括合成路线线、 原料的选择选择 、工艺艺 路线线的设计设计 及选择选择 、产产品的精制、检检 测测、三废处废处 理等中文名称：季戊四醇 英文名称： Pentaerythritol 别别名：四羟羟甲基烷烷 CAS号：115-77-5 分子式：C5H12O4 分子量：136.15外观观：该产该产 品为为白色粉末状结结晶 熔点：261-262℃； 沸点：276℃（4.0kPa） 相对对密度：1.399（25/4℃） 折射率：1.548 燃点：＜370℃ 溶解性：15℃时时1g溶于18ml水， 在100g97℃的热热水中可溶解该该品 77.2g。
GB/T 7815-2008市场场服务对务对 象XXX化工公司进进度要求1～2周项项目 负责负责 人（学生小组组长组组长 ）开发发人员员（学生小组组成员员1）（学生小组组成员员2）（学生小组组成员员3）下达任务务人（教师师）（技术术部经经理） /日期：（课课程开发组发组 ）（技术总监术总监 ） /日期：季戊四醇的主要用途季戊四醇主要用在涂料工业中，是醇酸树 脂涂料的原料，能使涂料膜的硬度、光泽和耐 久性得以改善它又用作生产清漆、色漆和印 刷油墨等所需松香脂的原料，并可制阻燃性涂 料、干性油和航空润滑油等季戊四醇的四硝 酸酯是一种烈性炸药(即太安)此外，季戊四醇 还应于医药、农药等生产季戊四醇分子结构的分析 （1）季戊四醇的分子式：C5H12O4 （2）季戊四醇的分子结构式： 目标化合物基本结构为含季碳原子的多元醇， 具有一定的对称性 季戊四醇可能的合成路线分析对于季戊四醇而言，由于羟基是活泼性较 强的基团，因此首先将其中一个羟基转换为羰 基，则目标化合物转化为β-取代乙醛的结构：将β-取代乙醛的羟甲基切断，则对应的前 体物为甲醛和乙醛。
相应的合成路线如下：CH3CHO + HCHO HOCH2CH2CHO (HOCH2)2CHCHO (HOCH2)3CCHO [H] C(CH2OH)4 季戊四醇合成路线的文献资料从文献资料上可以查出，目前季戊四醇的生 产路线与上面设计路线相同，主要是用过量的甲 醛与乙醛在氢氧化钠或氢氧化钙为催化剂的条件 下进行缩合该工艺目前在工业上取得了较大的进展，但仍存在三 个主要问题： ①产生与季戊四醇等物质的量的副产物甲酸钠，该副 产物市场需求极为有限，价值也低，成为季戊四醇扩 产的制约因素； ②传统的催化剂腐蚀性强，腐蚀设备又影响产品质量 ； ③生产过程中有机废水排放量大，污染环境季戊四醇单元反应过程及其控制分析甲醛乙醛羟醛缩合反应及其控制 （1）甲醛乙醛羟醛缩合反应的机理 在反应中，乙醛含有α-氢，首先在强碱催化下生成负 碳离子； 生成的负碳离子很快与甲醛的碳基发生亲核加成而得 到产物β-羟甲基乙醛β-羟基丙醛也含有α-氢，在碱的作用下继续生成负碳离 子；继续与甲醛的碳基发生亲核加成而得到产物二羟甲基 乙醛二羟甲基乙醛仍含有α-氢，在碱的作用下继续生成负碳 离子；继续与甲醛的碳基发生亲核加成而得到产物三羟甲基乙醛。
各步反应都是平衡反应决定反应速率的是α-氢的解离 步骤最终反应产物由各平衡反应的平衡常数决定 在强碱条件下主要的副反应如下： 季戊四醇甲醇醚此外，还有季戊四醇缩醚类、双季戊四醇或多季戊四醇 的生成2）影响甲醛乙醛羟醛缩合反应的因素 ①甲醛的反应性质甲醛是结构最简单的醛类，羰基的空间位阻很小 ，故羰基碳原子的亲电性非常强，性质非常活泼 ②乙醛的反应性质乙醛由于羰基碳原子上接有供电子基团甲基，羰 基碳的亲电性有所减弱，活性不及甲醛缩合后，由于羟甲基羟基氧的吸电子能力强，羟 甲基的碳原子呈一定的正电性，对α-氢的解离有利， 因此缩合产物的反应能力有所提高③催化剂的影响α-氢的解离要在强碱条件下才能进行，碱性越强 ，催化能力越强常用的碱为NaOH、CH3ONa等也 有在反应中使用Ca(OH)2、NaCO3等 本项目可以Ca(OH)2或NaOH作为催化剂 ④反应温度提高反应温度可以提高反应速度，但羟醛缩合时 ，如果醛分子中含有两个以上的活泼α-氢，且反应温 度较高和催化剂的碱性较强，则β-羟基丙醛可以进一 步发生消去反应，脱去一分子水生成副产物α,β-不饱 和醛⑤配料比按照缩合反应计量系数看，甲醛：乙醛的摩尔比 应该在3：1左右。
⑥加料方式因为乙醛在碱的作用下能引起自身缩合，故碱宜 加在甲醛中为了保证反应时有足够的负碳离子浓度 ，体系中碱的浓度要高，故适宜的加料方式是将乙醛 加入甲醛的碱溶液中 ⑦传质的影响虽然反应体系为均相体系，但为防止加料时体系 中局部浓度的差异，反应时必须搅拌 ⑧反应介质 以水作为反应介质，反应体系为均相体系3）反应的监控 ①体系构建将甲醛的碱溶液加在反应瓶中，乙醛用加样器加 入；反应控制低温，要配有低温水浴装置；甲醛、乙 醛易挥发，体系要配有回流装置 ②反应控制策略控制投料速度不宜太快，过快则导致副反应增加 ，过慢影响反应速度反应时甲醛的浓度要控制适宜 ，甲醛浓度过高副反应增加，甲醛浓度过低，反应液 体积增加，产率下降反应时应注意温度的控制 ③反应终点的控制加料完毕后反应一段时间，可以通过测定乙醛的 含量来判定反应终点三羟甲基乙醛的还原反应及其监控 这里利用还原剂将三羟甲基乙醛还原成三羟甲基乙醇 （季戊四醇） （1）还原剂的选择醛基的还原有多种方法，比如催化加氢还原、金属 氢化物还原、金属还原以及Meerwein-Ponndorf还原等 我们选择甲醛作为还原剂这是因为甲醛不含α-氢， 当它与三羟甲基乙醛（也不含α-氢）一起存在时，可以 发生异分子间的Cannizzaro反应，即甲醛将三羟甲基 乙醛还原为季戊四醇，而本身被氧化为甲酸。
2）Cannizzaro反应机理一般认为Cannizzaro反应机理包括OHˉ与醛羰基的 亲核加成和质子的转移两部分目前有两种看法:另一种历程则认为醛在碱作用下，生成氧负离子后， 在强碱中可再失去一个质子生成双氧负离子ⅰ） （ⅱ） 由于双氧负离子的强排斥电子性能，非常有利于碳上 的氢带着它的电子以氢负离子转移出去ⅱ） (由溶剂得到质子)两种历程中，氢负离子的迁移都是关键步骤显 然给出氢负离子的能力( ii)比(i)要强得多反应为放热 反应三羟甲基乙醛、甲醛均不含α-氢，符合 Cannizzaro反应的条件氧化还原反应不可逆3）影响还原反应的因素 ①甲醛的反应性质由于甲醛空间位阻小，优先与碱反应，在甲醛参 与的异分子Cannizzaro反应中甲醛总是被氧化成甲酸 ②三羟甲基乙醛的反应性质由于空间位阻较大，与碱反应性很低，故在反应 中被还原为季戊四醇 ③碱的影响Cannizzaro反应机理说明，在碱浓度相对低时， 反应按(i)进行；碱浓度较高时，作用物通过（ii)进行 适当提高碱的浓度可使反应通过（ii）进行，有利于加 快反应速度④反应温度的影响由于反应是放热反应，适当降低温度对反应有 利。
但温度过低，反应速度降低，反应时间延长， 转化效率降低如果温度过高，副反应也会增加， 会使产率下降反应温度平稳对反应有利 ⑤传质的影响传质效果好能促进反应热量散发，对保持反应 温度平稳有利 ⑥物料配比从反应系数看，甲醛与三羟甲基乙醛的量之比 应该在1:1左右但要使三羟甲基乙醛全部还原，甲 醛的量应当稍过量3）还原反应的控制 ①反应体系的构建由于热效应影响较大，故反应体系要控温平稳， 需要水浴装置和搅拌装置；为防溶剂挥发，需配有冷 凝回流装置 ②反应的控制策略由于参与氧化还原的两种醛均不含α-氢，故反应 温度可以适当提高，实际控制在不影响转化率条件下 的较高温度为宜反应后期，由于三羟甲基乙醛基本 还原完毕，增加温度可以促进甲醛的歧化反应反应 过程中要控制好反应液pH值 ③反应终点的控制可通过快速测定反应液中季戊四醇的含量来判断 关于缩合缩合(condensation)是精细有机合成地位非常重 要的一类单元反应一般来说，缩合是指两个或两个以上分子通过 生成新的碳—碳、碳-杂原子或杂原子-杂原子键，从 而形成较大的单一分子的反应缩合反应往往伴随着 脱去某一简单分子，如H2O、HCl、ROH等。
按照这 一定义，缩合反应可具有以下特征： ①在分子内或分子间彼此不相连的两个原子间形成 新的化学键； ②反应过程中伴随有失去简单的无机物或有机物； ③缩合反应的产物往往具有较原始反应物更为复杂 的分子结构 缩合反应为是简单有机物合成复杂有机物的富有 重大价值的合成手段缩合反应的类型很多，有下列分类方法： ①依参与缩合反应的分子的异同； ②依缩合反应发生于分子内或分子间； ③依缩合反应产物是否成环； ④依缩合反应的历程； ⑤依缩合反应中脱去的小分子许多缩合反应需在缩合剂或催化剂如酸、碱、盐、 金属、醇钠等存在下才能顺利进行，缩合剂的选择与 缩合反应中脱去的小分子有密切关系醛酮缩合反应 （1）羟醛缩合 含有α-氢的醛或酮，在酸或碱的催化下生成β-羧基醛 或酮类化合物的反应称为羟醛或醇醛(Aldol)缩合反应 β-羟基醛或酮经脱水消除便成α，β-不饱和醛或酮 羟醛缩合反应可分为同分子醛、酮自身缩合和异分子 醛、酮交叉缩合两大类，它们在工业上都有重要用途 ①催化剂这类缩合反应常需有碱(如苛性钠、醇钠、叔丁醇 铝等)催化，有时也可用酸(如盐酸、硫酸、阳离子交换 树脂等)催化②反应历程 典型的羧醛缩合反应为乙醛在碱催化下的缩合： 其反应历程可表示如下： 含α-氢的醛、酮首先在碱催化下生成负碳离子；生成的负碳离子很快与另一分子醛、酮中的碳基发生亲 核加成而得到产物β-羟基丁醛。
如果醛分子中含有两个以上的活泼α-氢，而且反应温度 较高、催化剂的碱性较强，则β-羟基丁醛可以进一步发 生消去反应，脱去一分子水而生成α，β-不饱和醛例 如： 但是，在实际过程中，消除脱水反应是另外在酸催化 剂(如硫酸、草酸等)存在下完成的在酸催化下的缩合反应首先是醛、酮分子中的羰基质 子化成为正碳离子，然后与另一分子发生亲电加成 丙酮以酸催化的缩合反应历程为：③同分子醛、酮自身缩合 羟醛自身缩合在有机合成上的特点是可使产物的碳链 长度增加一倍，工业上可利用这种缩合反应来制备高 级醛这类反应的重要实例是乙醛的自缩脱水得α,β-丁 烯醛，然后催化加氢得正丁醛或正丁醇接着正丁醛自缩、脱水、加氢可制得2—乙基己醇(异辛 醇)，它在工业上大量用于合成邻苯二甲酸二异辛酯， 作为聚氯乙烯的增塑剂④异分子醛、酮交叉缩合羟醛交叉缩合反应的典型代表是用一个芳香族醛 和一个脂肪族醛、酮反应，在氢氧化钠的水或乙醇。