标题：羟醛缩合
简介
  羟醛缩合具有α-H的醛，在碱催化下生成碳负离子，然后碳负离子作为亲核试剂对醛酮进行亲核加成，生成β-羟基醛，β-羟基醛受热脱水成不饱和醛。
在稀碱或稀酸的作用下，两分子的醛或酮可以互相作用，其中一个醛（或酮）分子中的α-氢加到另一个醛（或酮）分子的羰基氧原子上，其余部分加到羰基碳原子上，生成一分子β-羟基醛或一分子β-羟基酮。这个反应叫做羟醛缩合或醇醛缩合（aldol condensation）。通过醇醛缩合，可以在分子中形成新的碳碳键，并增长碳链。[1]
反应历程
羟醛缩合反应历程，以乙醛为例说明如下：
第一步，碱与乙醛中的α-氢结合，形成一个烯醇负离子或负碳离子：
第二步是这个负离子作为亲核试剂，立即进攻另一个乙醛分子中的羰基碳原子，发生加成反应后生成一个中间负离子（烷氧负离子）。
第三步，烷氧负离子与水作用得到羟醛和OH。　
稀酸也能使醛生成羟醛，但反应历程不同。酸催化时，首先因质子的作用增强了碳氧双键的极化，使它变成烯醇式，随后发生加成反应得到羟醛。
生成物分子中的α-氢原子同时被羰基和β-碳上羟基所活化，因此只需稍微受热或酸的作用即发生分子内脱水而生成，α，β-不饱和醛。
凡是α-碳上有氢原子的β-羟基醛、酮都容易失去一分子水。这是因为α-氢比较活泼，并且失水后的生成物具有共轭双键，因此比较稳定。
除乙醛外，由其他醛所得到的羟醛缩合产物，都是在α-碳原子上带有支链的羟醛或烯醛。羟醛缩合反应在有机合成上有重要的用途，它可以用来增长碳链，并能产生支链。[1]　
其他反应
具有α-氢的酮在稀碱作用下，虽然也能起这类缩合反应，但由于电子效应、空间效应的影响，反应难以进行，如用普通方法操作，基本上得不到产物。一般需要在比较特殊的条件下进行反应。例如：丙酮在碱的存在下，可以先生成二丙酮醇，但在平衡体系中，产率很低。如果能使产物在生成后，立即脱离碱催化剂，也就是使产物脱离平衡体系，最后就可使更多的丙酮转化为二丙酮醇，产率可达70%～80%。二丙酮醇在碘的催化作用下，受热失水后可生成α，β-不饱和酮。
交叉羟醛缩合：在不同的醛、酮分子间进行的缩合反应称为交叉羟醛缩合。如果所用的醛、酮都具有α-氢原子，则反应后可生成四种产物，实际得到的总是复杂的混合物，没有实用价值。一些不带α-氢原子的醛、酮不发生羟醛缩合反应（如HCHO、RCCHO、ArCHO、RCCOCR、ArCOAr、ArCOCR等），可它们能够同带有α-氢原子的醛、酮发生交叉羟醛缩合，其中主要是苯甲醛和甲醛的反应。并且产物种类减少，可以主要得到一种缩合产物，产率也较高。反应完成之后的产物中，必然是原来带有α-氢原子的醛基被保留。在反应时始终保持不含α-氢原子的甲醛过量，便能得单一产物。
克莱森-斯密特缩合：（Claisen-Schmidt） 　芳香醛与含有α-氢原子的醛、酮在碱催化下所发生的羟醛缩合反应，脱水得到产率很高的α，β-不饱和醛、酮，这一类型的反应，叫做克莱森-斯密特（Claisen-Schmidt）缩合反应。在碱催化下，苯甲醛也可以和含有α-氢原子的脂肪酮或芳香酮发生缩合。另外，还有些含活泼亚甲基的化合物，例如丙二酸、丙二酸二甲酯、α-硝基乙酸乙酯等，都能与醛、酮发生类似于羟醛缩合的反应。主要原因均是强吸电子集团对于α-H的活化，使之易成为氢离子而脱离，乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯在有机合成上的应用也与之有关。[1]
反应机理
羟醛缩合从机理上讲,是碳负离子对羰基碳的亲核加成。醛或酮分子中的羰基结构使α 碳原子上的氢原子具有较大的活性,在酸性催化剂作用下,羰基氧原子质子化,增强了羰基的诱导作用促进α 氢解离生成烯醇。在碱性催化剂作用下α 碳原子失去氢原子形成碳负离子共振杂化物,达到平衡后生成烯醇盐。烯醇盐,紧接着与另一分子醛或酮的羰基进行亲核加成,形成新的碳 碳单键,得到β 羟基醛或酮。由于α 氢原子比较活泼,含有α 氢原子的β 羟基醛或酮容易失去一分子水形成具有更加稳定共轭双键结构的α,β 不饱和醛或酮。[2]
反应催化剂
对于两种不同醛或酮间的交叉缩合,由于非催化过程副反应多,导致选择性不高。需通过催化过程使得目的产物的选择性达到工业应用的要求。对于反应所使用的催化剂,根据其所具有的酸碱活性中心,可分为酸性催化剂、碱性催化剂、酸碱催化剂。
1、酸性催化剂
常用的酸性催化剂有(VO)2P207、α VOHPO4、铌酸和MFI沸石等。在酸性催化剂的阳离子活性中心(Brnsted中心或Lewis中心),醛羰基活化形成烯醇正碳离子从而发生缩合反应。酸催化的烯醇 酮平衡可表示为已有的研究发现,催化剂表面酸性活性中心的种类、数目和分布都会影响其催化性能,适宜的酸强度能有效促进气相羟醛缩合反应过程中正碳离子的形成,提高反应活性。
Tanner等使用(VO)2P2P7和α VOHPO4的磷酸钒氧化物作催化剂,对丙酮的自缩合、丙酮与甲醛的交叉缩合进行了研究,表明对于该反应磷酸钒催化剂的酸性活性中心具有较好的催化能力,羰基结构基团在其表面迅速完成了质子化和亲核加成的反应过程。
Paulis等[4]使用铌酸(Nb2o5·nH2O)作为催化剂,进行丙酮气相羟醛缩合反应,发现反应产物种类与催化剂酸性中心的的酸强度和酸度密切相关。研究表明,铌酸催化剂表面的bR nsted酸性中心酸强度较强,在催化缩醛和缩酮的反应中,具有很好的催化活性,选择性和稳定性。
Dumitriu等将具有不同酸性的MFI沸石用于低碳醛的气相羟醛缩合反应,通过改变催化剂中Si Fe3+的比例,调节Br nsted酸性中心的酸强度和酸度,结果发现表面酸强度的增强,可以促进低碳醛气相羟醛缩合反应的进行,提高反应转化率。
2、碱性催化剂
羟醛缩合反应中经常采用的碱性催化剂,其包括碱性化合物(碱金属或碱土金属的氧化物、氢氧化物、碳酸氢盐、碳酸盐和羧酸盐)、有机胺类化合物以及阴离子交换树脂等。实际工业应用中,羟醛缩合反应所选用的碱性催化剂,可以是弱碱(如碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸钠),也可以是强碱(如氢氧化钠、氢氧化钙、氢化钠、醇钠等)。前者一般用于活性较大的醛之间的缩合,产物多为β 羟基化合物;后者则用于活性较小、空间位阻大的醛或酮之间的缩合,且反应多在非质子极性溶剂中进行。
碱金属化合物催化剂常用于羟醛缩合制备羟基醛的反应中,得到的产物经过加氢纯化可以得到二元醇乃至多元醇,例如乙醛自缩合得到的3 羟基丁醛的反应,选择苛性钠水溶液作为催化剂,粗产品催化加氢可得到1,3 丁二醇。同样的,甲醛和丁醛交叉缩合生成2,2 二羟甲基丁醛,选择碳酸钠和氢氧化钠混合溶液作为催化剂可以减少副反应,提高反应选择性。
Lopez等分别采用NaBEA、KF/矾土和La2O3固体催化剂,对苯甲醛和苯乙酮的羟醛缩合反应中催化剂失活机理进行了研究。试验表明,反应过程中产生的苯甲酸会大大降低反应过程中质子氢的转移速率,而胺的加入对其速率影响较小,因此认为催化剂的碱性活性中心能够有效催化反应,而催化剂的失活也与碱性活性中心的损耗相关。有机胺类化合物是羟醛缩合反应中广泛应用的另一类碱性催化剂。例如甲醛和异丁醛缩合生成羟基新戊醛的反应,多使用三乙胺作为缩合催化剂,缩合产物经氢化得到新戊二醇。甲醛和正丁醛在三乙胺催化作用下缩合然后氢化,则生成高纯度的羟甲基丙烷。专利[9]报导了一种有机胺盐类缩合催化剂,用于羟醛缩合制1,3 丙二醇的过程。
阴离子交换树脂是新兴的碱性催化剂。传统的碱金属氢氧化物溶液(如nAOH、KOH)作为催化剂,存在催化剂难于回收,容易腐蚀设备,生成液需要中和分离,反应工艺复杂、生产周期长等缺点,而阴离子交换树脂在保持催化活性的基础上克服了上述缺点,得到越来越多研究人员的关注。
工业上2,2 二羟甲基丙酸的生产主要以甲醛、丙醛为原料,在无机碱或有机碱催化作用下,经羟醛缩合反应生成2,2 二羟甲基丙醛,再用H2O2氧化得到。最新研究表明,在固定床反应器中,选用硅烷化碱性阴离子交换树脂催化剂,反应效果的好坏取决于球状催化剂比表面的大小、活性基团的多少、吸附脱附速度的快慢等[。催化剂以固体形式存在,避免了用碱液作催化剂的一系列问题,同时也保证了反应转化率和选择性。 　　工业上合成2 甲基 2 戊烯醛也普遍使用NaOH水溶液作催化剂,产率在80%左右,但是NaOH水溶液会腐蚀实验设备且产物不易分离。唐斯萍等研究了以阴离子交换树脂作催化剂,丙醛双分子缩合制备2 甲基 2 戊烯醛的新工艺,目标产物2 甲基 2 戊烯醛的产率可以达到93 54%。
国内也有不少关于阴离子交换树脂应用于羟醛缩合反应的报道。欧植泽等通过试验筛选出三丁胺胺化强碱性阴离子交换树脂作为相转移催化剂,催化合成苄叉丙酮,在优化反应条件下,苄叉丙酮的收率可达98%,且催化剂可重复使用。胡微等选择强碱性苯乙烯系季铵型离子交换树脂作为催化剂,用丙酮与甲醛缩合制得乙酰乙醇,再在草酸存在下脱水得到甲基乙烯酮。石秀敏等[14]研制筛选出适合于催化蒸馏法制二丙酮醇的新型阴离子催化剂,即大孔型强碱性苯乙烯阴离子树脂,催化活性和选择性都很高。[2]
羟醛缩合反应
羟醛缩合反应是指在稀碱或稀酸催化下，两个含α-H的醛酮分子发生缩合反应，结果生成β-羟基醛酮，该反应即由此得名。含α-H的醛，在稀碱条件下，能起羟醛缩合反应，缩合产物受热后脱水生成烯醛，烯醛可进一步发生聚合生成有颜色的树脂状物。该反应的一些细节可以参阅大学有机化学课本。[3]
有机化学反应
羟醛缩合反应是一个重要的有机化学反应，它在有机合成中有着广泛的应用。羟醛缩合反应是指含有活性α氢原子的化合物如醛、酮、羧酸和酯等，在催化剂的作用下与羰基化合物发生亲核加成，得到α-羟基醛酮或酸，或进一步脱水得到α，β-不饱和醛酮或酸酯的反应。① 分子间的羟醛缩合经常被用来合成一些β-羟基化合物，如1，3-丙二醇、l，3-丁二醇和新戊二醇等。其可作为进一步生产香料、药物等多聚物或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)等高聚物的单体；缩合脱水产物α，β-不饱和醛氧化得到相应的可广泛用作精细化工生产原料的羧酸，如2，2-二羟甲基丙酸可用作水性氨脂扩链剂以及制备聚酯、光敏树脂和液晶，2-甲基-2-戊烯酸是具有水果香味的食用香料，可广泛用于食品加工业和其它日化香精产业；此外，α，β-不饱和醛完全氢化时得到饱和伯醛，可用作溶剂或制造洗涤剂、增塑剂。[4]