2，2—二羟甲基丁酸工艺技术的改进

姚立锋，夏红英，何海峰，申 亮

(江西科技师范大学 化学化工学院 涂料与高分子系，江西 南昌 330013)

2，2-二羟甲基丁酸(DMBA)中的羧基和羟基官能团，使得DMBA化合物具有含羟基化合物亲水性质的同时，又具有羧酸类化合物的特性，这使得DMBA具有良好的溶解性。同时DMBA是一种被广泛使用的交联剂和化工中间体[1]，因其独特的化学相容性，被广泛应用于制备水溶性环氧树脂、聚酯、聚氨酯等[2]。相关的应用报道更是逐年增加，拥有良好的市场前景[3]。

已报道的DMBA工艺均存在重结晶的环节，由于DMBA是通过2，2-二羟甲基丁醛氧化而来的，该过程副反应较多，生成的副产物可以溶解DMBA，使得DMBA难以结晶析出，造成收率和纯度均下降的结果，因此难以进行大规模工业生产，工业生产中始终存在着产率低，纯度低，生产周期长等问题，从而导致其产品价格居高不下，难以及时供货，客户使用结果不理想。这些问题限制了DMBA 的推广以及应用，因此针对DMBA现存问题进行改进是非常必要的。

目前，DMBA主要是以液体甲醛，正丁醛为原料，在碱性条件下发生羟醛缩合反应，再经H2O2氧化后得到粗产物[4]〗。由于存在：液体甲醛原料易聚合，甲醛含量低，储存运输成本高，反应废液过多，后处理困难[5]，产品难提纯、收率偏低等问题，限制了其工业化的发展[6，7]。丁成荣等人通过卡宾反应，以 2-甲基-2-丁醇，甲酸为原料制得2，2-二甲基丁酸[8]，虽然避免了三废的产生，但是其0 ℃的反应要求，使得实际工业生产难以实现，同时加大了反应的能耗。

本文在前人的研究基础上，同样采用多聚甲醛代替液体甲醛来克服甲醛聚合的问题，利用有机碱代替无机碱来克服碱回收的问题，重要的是采取碱中和的方法来避开DMBA重结晶的步骤，克服了传统工艺中低收率重结晶的问题。系统研究了正丁醛(BA)和多聚甲醛(PFA)在三乙胺(TEA)催化下的缩合反应，并进行了大量实验，主要对2，2-二羟甲基丁酸(DMBA)难以大量快速析出晶体，产品纯度差的问题进行了改善，大大提高了产品的纯度。并探讨了反应温度控制，原料配比，加料方式，反应时间和后处理方法对收率的影响，获得令人满意的结果。

合成机理是将含有 α氢的丁醛与甲醛进行羟醛缩合，得到的2，2-二羟甲基丁醛，经H2O2氧化得到粗产物。由于氧化后体系副产物较多，并且副产物能溶解DMBA，造成难以析出晶体、生产的不稳定性以及析出的晶体也会夹带杂质等问题，无法达到高收率结晶提纯的目的。因此我们对此问题进行了改良，在得到的氧化后的体系中加入K2CO3使DMBA中和成盐、有机溶剂洗去杂质、酸化、除盐，在省去精馏与重结晶的操作后，得到高纯度的2，2-二羟甲基丁酸产品。

合成路线见图1。

图1 DMBA的合成路线

1 实验部分

1.1 实验原料

多聚甲醛：分析纯(天津市光复科技发展有限公司)；正丁醛：分析纯(天津市光复科技发展有限公司)；三乙胺：分析纯(阿拉丁试剂有限公司)；30%双氧水：分析纯(天津市光复科技发展有限公司)；碳酸钾：分析纯(天津市博迪化工有限公司)；乙醇：分析纯(西陇科学股份有限公)；浓硫酸：分析纯(西陇科学股份有限公司)。

1.2 实验仪器

GC 7890A(Agilent 公司)；FL2200 HPLC UV-Detector(福立分析仪器有限公司)；核磁共振仪 Bruker AV 400(Bruker公司)；Vario EL 型元素分析仪(Elementar公司)；DW-3型数显电动搅拌器(予华仪器有限公司)；YH系列电热器(江苏近湖镇教学仪器厂)；ZNHW-Ⅱ型电子节能控温仪(上海垒固仪器有限公司)。

1.3 2，2-二羟甲基丁酸(DMBA)的制备工艺

1.3.1 羟醛缩合反应

将75 g(2.5 mol)的PFA，75 g的H2O和5 g(49.4 mmol)的TEA加入500 ml的四颈烧瓶，搅拌加热至30 ℃～35 ℃，滴加BA，72 g(1 mol)与TEA，5 g(49.4 mmol)混合溶液，控制温度在35 ℃～40 ℃之间，至混合液滴加完成，体系温度自然下降后70 ℃恒温加热1 h停止实验。

1.3.2 氧化反应

搅拌加热上述体系维持在40 ℃，后缓慢滴加30 %双氧水227 g(2 mol)，并升温到70 ℃，恒温6 h。减压蒸馏，得到粘稠状粗品。

1.3.3 碱化提纯

在上述体系中加入碳酸钾207 g(1.5 mol)。75℃～100 ℃真空除去体系中的水，加入乙醇300 ml进行搅拌，析出固体过滤烘干后得到纯净的2，2-二羟甲基丁酸钾(Ⅲ)与少量的碳酸钾混合物。

1.3.4 酸化

在2，2-二羟甲基丁酸钾盐(Ⅲ)(140 g)，中加入乙醇(300 ml)，用盐酸(浓盐酸：水=1：1)进行酸化，过滤。滤液减压蒸馏，低温静置析出少量无机盐固体，经减压蒸馏得到DMBA固体，烘干得到DMBA(110.76 g)，产率74.8 %。

2 结果与讨论

2.1 羟醛缩合反应

2.1.1 甲醛与丁醛投料比对缩合反应产率的影响

在实验中，固定反应添加剂丁醛：水：三乙胺=72 g(1 mol)：75 g(4.2 mol)：10 g(0.1 mol)，反应温度修改为35℃～40 ℃。以丁醛计，按照不同摩尔比投料，考察PFA对反应程度的影响，经过气相色谱分析见表1。

由表1可以发现，以1 mol丁醛计数，当PFA投料大于2.5 mol时导致额外副产物生成，过量的多聚甲醛和水反应形成活性中间体后，会在碱性条件下发生自歧化反应。当甲醛投料较少时，会导致丁醛双取代转化不充分，同时丁醛自身之间也会发生缩合反应[9]。另外，生成的 2-羟甲基丁醛由于甲醛的缺乏而无法及时与甲醛发生有效碰撞，从而进一步生成 2，2-二羟甲基丁醛，导致2-羟甲基丁醛分子内脱水生成副产物，从而降低了产率。适当调整甲醛的投料比能抑制上述副反应的发生，提高产率[10]。实验表明，当二者比例为1：2.5时，产率达到峰值。

2.1.2 加料方式对收率的影响

在实验中，考虑了BA滴加与BA和TEA混合滴加两种方式对产率的影响。固定投料量，多聚甲醛：丁醛：水：三乙胺=75 g(2.5 mol)：72 g(1 mol)：75 g(4.2 mol)：10 g(0.1 mol)，反应温度35℃～40℃，分别对两种滴加方式下的反应产物做气相色谱分析见表2。

表2 加料方式的筛选

由表2可以发现，BA滴加下反应程度较低，且副产物明显增加，且在实际生产中存在较低温下不反应的现象。为抑制反应过程中2-羟甲基丁醛脱水从而无法生成2，2-羟甲基丁醛。必须确保实验在较低温度下进行，催化剂直接加入体系滴加BA会使局部反应过快，造成局部温度过高，使反应中间体脱水，从而降低产率[4]。实验表明，以BA和TEA混合滴加更为合适。

2.1.3 水的含量对收率的影响

在实验中，固定投料量多聚甲醛：丁醛：三乙胺=75 g(2.5 mol)：72 g(1 mol)：10 g(0.1 mol)，反应温度35℃～40℃。控制含水量，进行反应过程监控见图2为水对反应体系温度的影响。

由图2可见，随着含水量增加，多聚甲醛溶解速度的加快，导致甲醛活性中间体浓度较高，体系升温速率加快。实验中发现，多聚甲醛溶解于水中，发生吸热反应。反应开始时时温度有所下降，与BA发生反应，反应放热，温度升高。结果表明，当含水量较少，导致多聚甲醛溶解速度过慢，反应难以进行，造成PA反应不完全，造成收率较低。 含水量较多，多聚甲醛溶解过快，导致温度升高过快，副产物增加，收率下降[11]。经过实验比较以及与气相色谱分析得到，以1 mol BA计数，加入水4 mol，即75 g水为最佳比例。

图2 水的含量对体系升温速度的影响

2.1.4 TEA对收率的影响

一般传统的合成采用如NaOH、Ca(OH)2、Na2CO3、NaHCO3等无机碱[12]，混合相转移催化剂，如HDTMAB等，反应温度为 30 ℃左右[13]。采用上述方法，生产收率低、纯度差，在提纯过程中盐无法除尽。采用TEA为催化剂，不仅能调控反应，还可抑制副反应的发生。由于TEA具有沸点低，添加量小，成本低，污染小的特点，可用精馏的方法进行产物提纯[14]。本实验选用TEA为催化剂，并研究了TEA用量对收率的影响。

在实验中，固定投料量多聚甲醛：丁醛：水=75 g(2.5 mol)：72 g(1 mol)：75 g(4.2 mol)，三乙胺与丁醛混合滴加的条件下进行催化剂量的比较，结果表明，以1 mol BA计数，当TEA的量小于5 g(0.05 mol)时不发生反应。因为TEA呈弱碱性，当TEA的量大于13 g(0.13 mol)，会产生多聚产物，用蒸馏法难以提纯。实验表明，1 mol BA中加入0.1 mol TEA产率最高，多聚物基本抑制。

2.1.5 反应结束后水浴加热温度的影响

在大量实验的基础上，我们发现在反应自发升温停止后，对反应体系进行保温处理，可以使反应程度进一步进行，我们以最佳反应条件为基础，进行探究，实验结果见表3。

表3 反应温度的筛选

由表3可以发现，加热1 h与2 h无明显差别，加热1小时反应已经完全。温度进一步升高后，反应速率增快，由于该反应为放热反应，温度升高容易引发副反应且容易产生凝胶现象[1]。所以反应降温后恒温70度1 h效果较好，可以使反应较完全，达到产率最大化。

2.2 氧化反应

2.2.1 氧化剂用量对氧化效果的影响

我们对氧化剂：双氧水的用量对氧化效果的影响做进一步探究。得出如下数据见表4。

表4 H2O2用量的筛选

由表4可以发现，当n(BA)：n(H2O2)为1：2时，氧化较为充分，可以达到88.87 %。当H2O2用量少时，醛基无法被完全氧化，并且因体系中含有少量未除去的甲醛，丁醛和2-羟甲基丁醛，这也要消耗H2O2，故H2O2要适当的过量。当n(H2O2)：n(BA)为1：2时为最佳反应条件。

2.2.2 反应温度对氧化反应产率的影响

由表5可以发现，反应温度为 70℃时产品收率高。氧化反应为放热反应 。由于反应是在开放体系中进行，反应实为不可逆过程。温度过高，一方面加快了反应的进行[15]，一方面使H2O2发生均裂，以自由基的方式进行氧化，导致一系列副反应的发生[16]。所以氧化时保温70 ℃为最佳条件。

表5 氧化反应温度的筛选

2.3 DMBA纯化技术改进

2，2-二羟甲基丁醛氧化得到2，2-二羟甲基丁酸，该过程副反应比较多，产生的副产物是粘稠物，可以溶解DMBA，造成DMBA难以从溶剂中析出，并且还要用少量的水、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、甲基异丁基酮等进行二次结晶，极大的降低了收率[17]。

本文对现有的结晶工艺进行了改进，通过碳酸钾与DMBA反应，生成2，2-二羟甲基丁酸钾，由于2，2-二羟甲基丁酸钾在乙醇中的溶解度较差，而乙醇对杂质的溶解性又较好，从而可以通过乙醇洗涤的方法除去大部分杂质，从而免去了传统工艺需要多次蒸馏除杂的步骤，并可以得到大量纯净干燥的钾盐固体，大大提高了反应产率与能耗。虽然本文通过酸碱中和产生了无机盐，造成成本的增加，但是其产率与纯度的提高带来的经济效益远大于无机盐的成本。

2.3.1 2，2-二羟甲基丁酸钾盐的制备

本文尝试了不同的碱对DMBA进行中和，由于氢氧化钠与氢氧化钾的碱性较强，其与DMBA进行中和时，造成体系发黄，因此我们选择碱性较弱的碳酸钾与碳酸钠。利用碳酸钠进行中和得到的2，2-二羟甲基丁酸钠盐容易吸潮，不容易干燥，而利用碳酸钾进行中和得到的2，2-二羟甲基丁酸钾盐比较干爽，不吸潮，因此本文选择碳酸钾进行中和。中和至体系无气泡生成，体系基本上为弱碱性，此时DMBA都已经转化成2，2-二羟甲基丁酸钾盐。减压蒸馏除去大部分水后可以得到大量钾盐与杂质形成的粘稠液体，加入适量的乙醇到体系中可以把盐析出，同时溶解杂质，随后抽滤、烘干即可得到2，2-二羟甲基丁酸钾盐和少量碳酸钾。

2.3.2 2，2-二羟甲基丁酸钾盐的酸化

由于硫酸钠在乙醇中的溶解度极低，因此我们选择硫酸进行酸化，乙醇为溶剂。硫酸酸化后产生的大部分硫酸钠会从乙醇中直接析出，而DMBA在乙醇中的溶解度比较大，不会析出。因此过滤掉硫酸钠后，我们减压蒸馏除去了一部分乙醇，并进行冷藏，使得残留的硫酸钠全部析出，再次进行过滤除去硫酸钠，减压蒸馏除去乙醇，会得到白色固体。传统的核磁共振与液相难以检测到无机盐的存在，因此本文除了用核磁共振和液相对产品表征外，还进行了酸值的滴定与元素分析，这样可以检测出其准备纯度。

2.4 表征分析

2.4.1 2，2-二羟甲基丁酸结构的高效液相表征

色谱柱：Ultimate XB-C18；流动相：乙腈：KH2PO4(0.01 mol/L)体积比1∶9；柱温：室温；流速：1.0 mL/min；进样量：20 μL；检测波长：206 nm。产品测试结果见图3。T4.609 min为2，2-二羟甲基丁酸保留时间，纯度达到99.52%以上。液相色谱证明该合成方法，合成产物纯度高。

图3 2，2-二羟甲基丁酸色谱分离图

2.4.2 2，2-二羟甲基丁酸结构的核磁表征

由图4a可以看出，在DMBA钾盐的核磁共振氢谱中，δ=0.79 ppm，δ= 1.39 ppm ～1.47 ppm，为CH3CH2-的特征峰；δ= 3.61 ppm ～3.72 ppm，为-CH2-O的特征峰。δ= 4.80 ppm，为重水的溶剂峰。图4b，δ= 6.72 ppm处新增的-OH特征峰，说明酸化反应成功。

图4 2，2-二羟甲基丁酸钾盐(a)和2，2-二羟甲基丁酸(b)核磁共振氢谱

结合元素分析，C6H12O4，实测值(计算值)%：C 48.57(48.60)；H 8. 06(8.10)，酸值测定：368 mgKOH/g，进一步表明合成的DMBA纯度较高。

3 结语

本文探索出DMBA的最佳工艺条件为：按摩尔比为PFA：BA：H2O：TEA为2.5：1：4：0.1，反应温度为35℃～40℃，后70度恒温1小时。经H2O2，70 ℃ 6小时氧化后，以K2CO3碱化成盐，得出固体后以酸化，真空浓缩，溶剂结晶工艺处理。从而得到纯净的2，2-二羟甲基丁酸(DMBA)，最高摩尔达到74.8 %以上。

该方法使用多聚甲醛，避免了液体甲醛的储存困难，运输成本高等缺点，采用的新结晶方法，避免了DMBA晶体难以析出，避免了多重结晶的步骤，避免在重结晶过程中的浪费与能耗问题。