王國慶,呂惠生,閆 莉,孫艷朋
(天津大學石油化工技術(shù)開發(fā)中心,天津300072)
維生素E(VE)是人們最早發(fā)現(xiàn)的維生素之一,自1922年美國的Evans等人首次發(fā)現(xiàn)以來,其生產(chǎn)與應用一直是維生素領域的研究熱點。VE是一種人體必需的脂溶性維生素,人體不能自行合成,必須從外界攝取[1]。VE是國際市場上產(chǎn)銷量極大的藥品兼營養(yǎng)保健品,與維生素C(VC)和維生素A(VA)一起并稱為維生素系列的三大支柱產(chǎn)品[2]。此外,VE作為一種高效的抗氧化劑,在食品、化妝品、飼料等領域有著廣泛的用途。維生素E分為天然VE和合成VE兩種。天然 VE包括四種生育酚(α,β,γ,δ)和四種生育三烯酚(α,β,γ,δ)共8種類似物;合成 VE指的是α-生育酚,存在8種旋光異構(gòu)體,每種異構(gòu)體占12.5%[3-4]。天然VE來源于植物,生物活性較高,但產(chǎn)量低,價格高,遠不能滿足市場需求。而合成VE可大批量進行生產(chǎn),產(chǎn)品結(jié)構(gòu)易于調(diào)控,價格低。目前人們獲得VE的80%來自于合成產(chǎn)品,天然VE只占20%左右[5]。鑒于VE產(chǎn)品廣泛的應用價值和廣闊的市場前景,而合成VE又是人們獲得VE產(chǎn)品的主要來源,因此,對合成VE傳統(tǒng)工藝進行改進研究具有重要意義。本文對近年來合成VE的研究成果進行了歸納總結(jié),首先簡要闡述了合成VE兩種原料三甲基氫醌(TMHQ)及異植物醇(IP)的制備方法,之后著重介紹了合成VE的催化體系與溶劑體系,并對存在的問題及發(fā)展前景進行了評述,以期為合成VE的進一步研究提供思路。
傳統(tǒng)工業(yè)上合成VE均采用TMHQ與IP為原料,通過烷基化-縮合反應得到。合成VE的生產(chǎn)很大程度上依賴TMHQ與IP的生產(chǎn),這兩種原料的制備技術(shù)和生產(chǎn)成本直接影響著VE產(chǎn)品的質(zhì)量和成本。合成 VE的主要工藝路線圖如圖1所示[6,12]。
圖1 合成VE的主要工藝路線圖Fig.1 Technical process for the synthesis of vitamin E
TMHQ是一種白色針狀結(jié)晶,難溶于水,易溶于醇酮等有機溶劑。根據(jù)原料的不同,工業(yè)上生產(chǎn)TMHQ的工藝主要有偏三甲苯法、2,3,6-三甲基苯酚(TMP)法等[6]。
偏三甲苯法發(fā)展較早,偏三甲苯主要經(jīng)磺化、硝化、加氫、水解氧化轉(zhuǎn)化為 2,3,5-三甲基苯醌(TMBQ),之后再加氫還原轉(zhuǎn)化為TMHQ,雖然此工藝原料價格較低,但反應過程步驟多,中間體很難分離,產(chǎn)物收率相對較低,生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量含酚廢水,目前該工藝已很少被企業(yè)采用。近年來,偏三甲苯直接氧化制備TMHQ的方法研究較多,偏三甲苯在氧化劑H2O2或過氧乙酸以及催化劑的作用下被氧化TMBQ,再經(jīng)加氫還原轉(zhuǎn)化為TMHQ。直接氧化法工藝路線短,設備簡單,環(huán)境污染小,符合綠色化工要求。Carril[7-8]等以 CH3ReO3為催化劑,以 H2O2為氧化劑,在幾種不同的兩親性溶劑中直接氧化偏三甲苯制備TMBQ,選擇性最高達80%。
以TMP為原料,氧化得到TMBQ,再經(jīng)還原制得TMHQ,此工藝技術(shù)含量高,污染小,副反應少,易于工業(yè)化,是目前工業(yè)上廣泛采用的生產(chǎn)工藝。我國合成VE技術(shù)水平最高的企業(yè)浙江新昌制藥廠和浙江新和成化工有限公司均采用的是該生產(chǎn)工藝。多年來,該工藝得到了廣泛的研究,工藝中氧化過程為反應的關鍵步驟,研究重點集中在了反應溶劑和催化劑的改進上。傳統(tǒng)溶劑多為甲苯和醚等揮發(fā)性有機溶劑,Guan等[9]采用離子液體新型溶劑有效解決了傳統(tǒng)溶劑易燃和易揮發(fā)等問題。傳統(tǒng)催化劑為CuCl2為主的催化體系,雖然反應活性好,選擇性高,但催化劑用量大,分離回收困難,產(chǎn)生大量含銅廢水,嚴重污染環(huán)境,對此,M?ller等[10]以價廉易得的FeCl3·6H2O、吡啶-2,6-二甲酸、芐胺衍生物為催化體系,在溫和反應條件下(室溫、乙醇作溶劑)采用H2O2氧化TMP,轉(zhuǎn)化率達99%以上,產(chǎn)物收率和選擇性分別達79%、79%;此外,Zhou等[11]還采用沸石類介孔分子篩催化TMP氧化反應,他們用水熱結(jié)晶法制備了新型復合介孔分子篩催化劑e-Ti-TUD-1,TMP轉(zhuǎn)化率在99%以上。
IP是一種無色油狀液體,不溶于水,易溶于醇酮等有機溶劑,它是合成VE的側(cè)鏈,根據(jù)制備過程中重要中間體的不同,工業(yè)上生產(chǎn)IP的工藝可分為假紫羅蘭酮工藝和芳樟醇工藝。假紫羅蘭酮工藝可采用山蒼子油為原料,是制備IP較經(jīng)典的方法,但由于受天然原料山蒼子油資源的限制,生產(chǎn)規(guī)模較小,不能滿足市場需求,近年來該方法已很少被企業(yè)采用。芳樟醇工藝是目前世界上絕大多數(shù)IP生產(chǎn)裝置采用的工藝,該工藝根據(jù)原料的不同又可分為羅氏法、異丁烯-甲醛法、異戊二烯-格氏試劑法、松節(jié)油法等[12]。羅氏法以乙炔、丙酮為原料,異丁烯-甲醛法以甲醛、異丁烯、丙酮為原料,異戊二烯-格氏試劑法以異戊二烯為原料,松節(jié)油法以天然松節(jié)油為原料,分別經(jīng)過一定的反應步驟合成關鍵中間體芳樟醇,再由芳樟醇合成IP。目前我國浙江新昌制藥廠從石油產(chǎn)品生產(chǎn)芳樟醇,再采用羅氏法生產(chǎn)IP,浙江新和成化工有限公司采用丙酮、乙炔為起始原料生產(chǎn)芳樟醇,然后采用羅氏法生產(chǎn)IP。
我國IP研究與生產(chǎn)近年來取得了較大突破。上海三維制藥廠取得了以天然芳樟醇合成IP的科技成果,他們開發(fā)的合成工藝,產(chǎn)品總收率達57%左右,IP含量超過93%。IP合成的芳樟醇工藝路線與假紫羅蘭酮路線相比,具有成本低、質(zhì)量好等優(yōu)點[13]。
尋找清潔高效的催化體系是合成VE研究的重要任務。以TMHQ和IP為原料合成VE是酸催化的烷基化-縮合反應,近年來,人們研究了各種催化劑對合成VE反應的催化效果,取得了令人滿意的研究成果。在此,將合成VE反應的催化劑大體分為金屬氯化物(氟化物)催化劑、氟磺酸類催化劑、陽離子交換樹脂催化劑和離子液體催化劑。
合成 VE傳統(tǒng)的催化劑為 ZnCl2/HCl,AlCl3,F(xiàn)eCl2/Fe/HCl等金屬氯化物催化劑,這些催化劑也是工業(yè)生產(chǎn)中采用的催化劑。傳統(tǒng)金屬氯化物催化劑價廉易得,反應條件溫和,但同時存在著催化劑用量高且難于回收、產(chǎn)品產(chǎn)率和選擇性低、產(chǎn)物分離純化困難、容易腐蝕設備、產(chǎn)生的廢液嚴重污染環(huán)境等問題,不符合當今綠色化學的發(fā)展方向,應用前景非常有限,急需研究人員尋找清潔高效的催化劑來替代這些傳統(tǒng)催化劑。
針對ZnCl2/HCl液體酸催化劑腐蝕設備、污染環(huán)境等缺點,G?m?ry 等[14]將 ZnCl2浸漬在硅鋁酸鹽白土(Rudex)和蒙脫土(KSF)上,制成了負載型固體酸催化劑,應用于VE合成反應,并與ZnCl2液體酸單獨催化時進行比較,發(fā)現(xiàn)采用ZnCl2浸漬的固體酸作催化劑時,VE收率與ZnCl2催化時相當,Rudex/ZnCl2、KSF/ZnCl2、ZnCl2催化反應時 VE收率分別達到了85%、83.9%和83.8%,因此可采用ZnCl2浸漬的硅鋁酸鹽白土或蒙脫土催化合成VE,以減少ZnCl2的用量,降低對環(huán)境的污染,同時催化劑能夠重復回收利用。
納米催化劑由于比表面積大,反應物能與活性中心充分接觸而具有良好的催化性能。Coman等[15-16]制備了一種部分羥甲基化的納米金屬氟化物催化劑AlF3,并且證明了其能夠成功催化VE合成過程。用50%的HF溶液處理制備的AlF3-50催化效果最好,VE收率 >99.9%。Candu等[17]也采用同樣的方法制備了部分羥甲基化的MgF2和AlF3催化劑并應用于合成VE中,AlF3的催化性能優(yōu)于MgF2,反應完成后催化劑經(jīng)過濾回收重復使用3次活性沒有損失,并且在使用過程中不會水解,催化性能穩(wěn)定。從目前來看,部分羥甲基化的納米金屬氟化物催化劑制備成本較高,但其在合成VE反應中能表現(xiàn)出非常突出的催化性能,因此,將這種催化劑應用于合成VE過程是非常有潛力的。
氟磺酸類催化劑是一類含有全氟烷基磺?;蛉交酋;乃岽呋瘎?,能高效催化碳碳鍵生成反應,反應條件溫和,催化劑用量少,可重復使用。Ishihara 等[18-19]將氟磺酸類催化劑 C6F5CHTf2、CF3(CF2)8CH2OC6F4CHTf2、CF3(CF2)12CH2OC6F4CHTf2應用于合成 VE過程中,發(fā)現(xiàn) VE選擇性非常好。Hasegawa 等[20]以 CF3(CF2)12CH2OC6F4CHTf2為催化劑,VE選擇性達到98.2%。此外,他們還以聚苯乙烯鍵合的C6F5CHTf2為催化劑,VE收率和選擇性分別為82%和96.5%,使用后的催化劑經(jīng)過濾干燥再次循環(huán)使用,收率和選擇性仍能分別達到83%和96.0%,催化劑活性沒有下降。
Bonrath等[21]將氟磺酸亞胺(如 HNTf2)催化劑成功應用于VE合成過程中,催化效果最好的催化劑使VE收率達到了94.5%。Hasegawa等[20]對比了一系列氟磺酸類 B 酸(C6F5CHTf2、HNTf2、HOTf)及氟磺酸類 L 酸(Me3Si[C6F5CTf2]、Me3SiNTf2、Me3SiOTf)催化VE合成反應的效果,收率依次為95%、95%、92%、97%、94%、79%,選擇性依次為 90.0%、90.8%、89%、99.2%、92.5%、85.9%,由上述結(jié)果可以看出,氟磺酸類L酸催化劑的催化性能優(yōu)于B酸,L酸的陰離子為 C6F5C-Tf2、-CTf3時比陰離子為-NTf2、-OTf時的催化性能好,氟磺酸類L酸催化劑是性能優(yōu)異的合成VE催化劑。
金屬元素氟磺酸鹽化合物同樣能催化VE合成過程,Bonrath等[22]制備了不同稀土金屬元素氟磺酸化合物 Bi(OTf)3,Ga(OTf)3,Tm(OTf)3和 Hf(OTf)4,催化合成VE的收率在91%~94%之間,選擇性在96%~98%之間,反應選擇性高,副產(chǎn)物含量低。Coman等[23]制備了分子篩負載的氟磺酸鹽固體酸催化劑SnTf-MCM-41和SnTf-UVM-7,催化合成VE的轉(zhuǎn)化率和選擇性分別為98%和94%,反應后催化劑過濾分離,循環(huán)使用4次,催化活性仍然較高,轉(zhuǎn)化率和選擇性仍可達80%和86%。在合成VE反應中,雖然氟磺酸類催化劑催化反應的收率和選擇性都很高,但目前還沒有應用于工業(yè)合成VE過程中,隨著研究的進一步深入及催化劑價格的下降,氟磺酸類催化劑的應用前景還是非常廣闊的。
強酸性陽離子交換樹脂在水解、酯化、醚化、縮合及芳烴烷基化等反應中具有優(yōu)異的催化性能。應用最為廣泛的是聚苯乙烯型樹脂Amberlyst 15及全氟磺酸樹脂 Nafion。Schager等[24]分別將 Amberlyst 15、Nafion NR50用于合成VE中,在極性非質(zhì)子溶劑碳酸丙烯酯中得到了最高收率,分別為90%和92.3%,該過程對環(huán)境無污染、反應條件溫和、VE收率及選擇性高、催化劑易于回收利用。Nafion NR50催化合成 VE的性能優(yōu)于 Amberlyst 15,但 Nafion NR50比表面積非常低(0.02m2/g),大部分酸性活性基團不能充分與反應物接觸,因此不能充分發(fā)揮催化活性。Harmer等[25]發(fā)現(xiàn)將Nafion樹脂納米顆粒復合在多孔的SiO2網(wǎng)格中,制備成Nafion/SiO2納米復合材料,能夠顯著增加強酸活性位的暴露程度,提高Nafion樹脂的催化性能。Wang等[26]在 Nafion溶液中采用四乙氧基硅烷原位水解的方法制備了不同Nafion含量的Nafion/SiO2納米復合催化劑,當Nafion含量為5%時,催化劑比表面積達到415m2/g,其催化合成VE時,轉(zhuǎn)換頻率是Nafion NR50的10倍左右,收率達98.4%。
隨著人們研究的深入,離子液體催化劑也被引入到VE合成反應中。Cole等[27]首次合成了陽離子為烷基磺酸基功能化的離子液體催化劑。此后,Xing等[28]制備了陽離子為 N-丙烷基磺酸基吡啶([PSPy]+)而陰離子分別為[HSO4]-、[H2PO4]-、[p-CH3(C6H4)SO3]-、[BF4]-的離子液體催化劑,催化合成VE反應,結(jié)果表明,四種催化劑中[PSPy][BF4]催化效果最好,在碳酸丙烯酯/庚烷溶劑中VE最高收率達到94.3%。由此可見,磺酸基功能化離子液體是一種適用于VE合成反應的催化劑,其在反應中不易揮發(fā)、對反應容器無腐蝕、反應過程中不易流失、對許多無機和有機物具有較好的溶解能力且具有反應介質(zhì)和催化劑的雙重功能。但離子液體作為一種新興的催化劑,合成步驟復雜,價格昂貴。因此,尋找簡易廉價的離子液體催化劑將是合成VE研究的又一個重要的方向。
化學工業(yè)中許多反應是在有機溶劑中進行的,有機溶劑存在毒性大、易揮發(fā)、難回收、污染環(huán)境等缺點。在環(huán)保意識日益增強的今天,迫切需要人們尋找環(huán)境友好的反應介質(zhì)。近年來,有研究者嘗試將超臨界CO2及離子液體溶劑體系應用于合成VE中,為反應工藝的改進提供了有益的研究思路。
超臨界CO2具有不易燃、價格低廉、無毒無害、溶解性好、傳質(zhì)速率高、物性易于調(diào)變、易與反應體系分離等優(yōu)點,在替代傳統(tǒng)有機溶劑方面引起了研究者的廣泛關注。
Wang等[29]在超臨界CO2中進行了合成VE的間歇反應,反應速率快,VE收率高,且反應結(jié)束后CO2易與反應體系分離。Kokubo等[30]也采用超臨界CO2為溶劑,對比了合成VE的間歇過程和連續(xù)過程,間歇反應中,VE選擇性可達97%,但收率不理想;連續(xù)反應中,在獲得高選擇性的同時,VE收率得到了改善,優(yōu)化工藝條件下,選擇性為96%,收率達80%。在超臨界CO2溶劑中合成VE,通過改變超臨界CO2的壓力,從而影響反應混合物的相行為和極性,能夠?qū)崿F(xiàn)對反應選擇性和反應過程的有效調(diào)控。但由于超臨界CO2對TMHQ溶解性不高以及超臨界反應需要高壓條件,其應用前景受到了限制。
離子液體與CO2的極性和揮發(fā)性是兩個極端,二者相互補充,能形成一個功能獨特的體系。Blanchard等[31]報道了超臨界 CO2在一些離子液體中溶解性好,溶解的超臨界CO2仍以獨立相存在,而離子液體卻不溶于超臨界CO2。將超臨界CO2/離子液體兩相體系引入到催化反應中,超臨界CO2能將產(chǎn)物從離子液體中萃取出來,同時二者不發(fā)生相互污染。
Xing等[32]在超臨界CO2中以磺酸功能化的離子液體[PSPy][BF4]為催化劑,連續(xù)催化TMHQ與IP合成VE,在100℃,CO2壓力20MPa時,獲得了高達90.4%的VE產(chǎn)率,并采用超臨界CO2萃取的方法成功實現(xiàn)了產(chǎn)物與離子液體的分離。利用超臨界CO2/離子液體兩相體系連續(xù)合成VE是一條新穎的研究路線,值得進一步探討。
近年來,國際國內(nèi)市場對VE產(chǎn)品的需求迅速增長,合成VE占市場總量的80%,大力發(fā)展合成VE對滿足日益增長的VE需求具有重要意義。研究人員通過對合成VE催化體系和溶劑體系進行改進,提高了產(chǎn)品純度,使其能應用于保健品、化妝品及藥品等高附加值產(chǎn)品中。但是,納米金屬氟化物催化劑、氟磺酸類催化劑、Nafion樹脂、離子液體催化劑高昂的價格以及超臨界CO2所需要的高壓反應條件,限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應用。隨著催化劑制備技術(shù)及高壓設備制造技術(shù)的進步和突破,新型催化體系及溶劑體系在合成VE中的綜合優(yōu)勢會不斷凸顯出來,未來將會在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。
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