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        KOH/4?分子篩的制備及其對碳酸二甲酯與月桂醇酯交換反應(yīng)的催化活性*

        2011-11-07 06:08:38范燕平王慶印楊先貴王公應(yīng)
        合成化學(xué) 2011年2期
        關(guān)鍵詞:酯交換負載量碳酸

        范燕平,胡 育,王慶印,楊先貴,王公應(yīng)

        (1.河南理工大學(xué)物理化學(xué)學(xué)院,河南焦作 454000;2.樂山師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院,四川樂山 614000;3.中國科學(xué)院成都有機化學(xué)研究所,四川 成都 610041)

        KOH/4?分子篩的制備及其對碳酸二甲酯與月桂醇酯交換反應(yīng)的催化活性*

        范燕平1,胡 育2,王慶印3,楊先貴3,王公應(yīng)3

        (1.河南理工大學(xué)物理化學(xué)學(xué)院,河南焦作 454000;2.樂山師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院,四川樂山 614000;3.中國科學(xué)院成都有機化學(xué)研究所,四川 成都 610041)

        以4?分子篩為載體,制備了一系列KOH/4?分子篩催化劑(Cat-n,n=10,15,20,25,30,35),其結(jié)構(gòu)經(jīng)IR和XRD表征??疾炝薑OH負載量及焙燒溫度對其催化性能的影響。結(jié)果表明,Cat-30(負載量30%,焙燒溫度500℃)的催化活性最佳。Cat-30催化碳酸二甲酯(DMC)與月桂醇酯的交換反應(yīng)合成碳酸二月桂酯的最佳反應(yīng)條件為:月桂醇0.6 mol,n(月桂醇) ∶n(DMC)=4 ∶1,w(Cat-30)=1.0%,回流反應(yīng) 4 h,轉(zhuǎn)化率,收率和選擇性分別為86.4%,85.8%和99.3%。

        碳酸二甲酯;酯交換;KOH;負載型催化劑;制備

        近年來長鏈碳酸酯在潤滑油,化妝品,增塑劑,燃油添加劑等方面的應(yīng)用備受關(guān)注[1~4]。碳酸二烷基酯的傳統(tǒng)工業(yè)化合成法——光氣法[5],因其原料光氣是一種劇毒物質(zhì),且生產(chǎn)的副產(chǎn)物HCl對設(shè)備具有嚴重的腐蝕性,已經(jīng)逐漸被淘汰;非光氣法——氧化羰化法[6],需要貴金屬催化劑提高了生產(chǎn)成本,且安全性差,不利于工業(yè)化生產(chǎn);尿素醇解法[7,8],產(chǎn)率較低,且高溫尿素易分解;酯交換法[9,10]因采用無毒、無污染的碳酸二甲酯(DMC)與脂肪族醇合成碳酸烷基酯從源頭上消除了污染,是一種綠色合成法,是制備長鏈碳酸酯最有發(fā)展前景的合成方法。

        在酯交換法合成長鏈烷基碳酸酯中所用的催化劑多為均相催化劑,如 Bu2SnO[10],鈦酸酯類,甲醇鈉[11]及 K2CO3[12,13]。但均相催化劑存在產(chǎn)品分離困難,不能重復(fù)利用等缺點。開發(fā)高效的多相催化劑具有實際意義。我們[14]曾以KNO3/HMS為催化劑催化合成碳酸二月桂酯(DDC),獲得了較好的收率和選擇性,但KNO3/HMS重復(fù)使用性能較差,重復(fù)使用4次后產(chǎn)物收率降了40%,且催化劑載體HMS的制備成本高而復(fù)雜。

        本文以廉價易得的4?分子篩做載體,制備了一系列KOH/4?分子篩催化劑(Cat-n,n=10,15,20,25,30,35),其結(jié)構(gòu)經(jīng)IR和XRD表征??疾炝薑OH負載量及焙燒溫度對其催化性能的影響。結(jié)果表明,Cat-30(負載量30%,焙燒溫度500℃)的催化活性最佳。DMC與月桂醇酯交換反應(yīng)合成DDC(Scheme 1)的最佳反應(yīng)條件為:月桂醇600 mmol,n(月桂醇) ∶n(DMC)=4 ∶1,w(Cat-30)=1.0%,回流反應(yīng) 4 h,DMC 的轉(zhuǎn)化率,DDC的收率和選擇性分別為86.4%,85.8%和99.3%。

        Scheme 1

        1 實驗部分

        1.1 儀器與試劑

        Magna-IR 560型傅立葉變換紅外光譜儀;X'Pert Pro MPD型X-射線衍射儀(管電壓40 kV,管電流40 mA,石墨單色濾光片,掃描范圍1°~70°,掃描步長 0.02°,掃描速度 0.2°·S-1,Cu-Kα 輻射,λ =0.154 18 nm)。

        所用試劑均為分析純。

        1.2 Cat-n 的制備

        將粉碎過的4?分子篩9 g加入10%KOH溶液(10 mL)中,攪拌5 h~6 h后靜置過夜。于80℃蒸除水份后放入烘箱中,于100℃烘干后研成粉末,在馬弗爐中于一定溫度下焙燒5 h制得淡黃色固體Cat-10,置干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

        分別以15%,20%,25%,30%和35%的KOH溶液代替10%KOH溶液,用類似的方法制備 Cat-15,Cat-20,Cat-25,Cat-30 和 Cat-35。

        1.3 催化劑的活性評價

        將三頸圓底燒瓶固定在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器上,用氮氣導(dǎo)管置換反應(yīng)裝置中的空氣。氮氣保護下加入月桂醇134.7 mL(0.6 mol)和w(Catn)=m(Cat-n)/m(月桂醇) ×100%=0.75%,攪拌下于140 ℃滴加 DMC 12.6 mL(0.15 mol),滴畢,于130℃ ~150℃反應(yīng)4 h,同時搜集蒸出的甲醇和DMC所形成的共沸物。反應(yīng)液冷卻至室溫,用氣相色譜對產(chǎn)物和餾分進行定量分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 催化劑的制備條件對催化活性的影響

        (1)KOH負載量

        焙燒溫度 600 ℃,w(Cat-n)=0.75%,其余反應(yīng)條件同1.3,考察KOH負載量對催化劑活性的影響,結(jié)果見表1。從表1可以看出,KOH的負載量對其催化活性有顯著的影響。負載量由10%提高至35%時,收率和選擇性出現(xiàn)先升高后降低的趨勢;載量為30%時,轉(zhuǎn)化率基本保持不變,而選擇性達到最大(98.9%);繼續(xù)增加負載量,選擇性卻急劇下降。較佳的KOH負載量為30%,即Cat-30催化劑的催化活性最佳。

        (2)焙燒溫度

        以Cat-30為催化劑,其余反應(yīng)條件同 1.3,考察焙燒溫度對 Cat-30 催化活性的影響,結(jié)果見表2。由表2可見,隨焙燒溫度的升高,轉(zhuǎn)化率和選擇性均出現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在焙燒溫度為500℃時,轉(zhuǎn)化率和選擇性達到最佳值,分別為85.9%和99.3%。由此可見,最佳焙燒溫度為773 K。

        表1 KOH負載量對Cat-n催化活性的影響*Table 1 Effect of KOH loading amount on the catalytic activity of Cat-n

        表2 焙燒溫度對Cat-30催化活性的影響*Table 2 Effect of calcined temperature on the catalytic activity of Cat-30

        2.2 Cat-n 的表征

        (1)XRD

        4?分子篩和Cat-n的XRD譜見圖1。從圖1可見,當(dāng)負載量低于20%時,催化劑仍保持4?分子篩的特征衍射峰,且隨著負載量的增加,4?分子篩的特征衍射峰的強度逐漸降低;進一步增加負載量,4?分子篩的特征衍射峰峰逐漸消失,出現(xiàn)了新晶相的KAlSiO4的特征衍射峰;將負載量提高至35%(Cat-35)時,KAlSiO4的特征衍射峰減弱,并有 K1.25Al1.25Si0.75O4的峰出現(xiàn);負載量為20%~30%時表現(xiàn)出較佳的催化活性,這可能與生成的新相KAlSiO4有關(guān)。

        Cat-30在不同焙燒溫度下的XRD譜圖見圖2。由圖2可知,經(jīng)過不同溫度焙燒之后載體4?分子篩的XRD特征衍射峰已基本消失,這可能由于Cat-30的強堿性,使得4?分子篩的骨架結(jié)構(gòu)坍塌。焙燒溫度從200℃升高到600℃時,隨著焙燒溫度的升高,催化劑中出現(xiàn)新的晶相KAlSiO4的特征衍射峰,且KAlSiO4的特征衍射峰隨焙燒溫度的升高而逐漸增強。這進一步表明催化劑的活性與4?分子篩本身骨架結(jié)構(gòu)無關(guān),而與制備過程中生成的新相KAlSiO4相關(guān),具體的反應(yīng)機理仍在進一步的研究中。

        (2)FT-IR

        圖1 4?分子篩和Cat-n的XRD譜圖Figure 1 XRD patterns of 4? molecular sieve and Cat-n

        圖2 Cat-30在不同焙燒溫度的XRD譜圖Figure 2 XRD patterns of Cat-30 at different calcined temperature

        Cat-n 和 Cat-30 在不同焙燒溫度下的 FT-IR譜圖分別見圖3和圖4。由圖3和圖4可見,負載量高于25%及焙燒溫度大于500℃歸屬與4?分子篩內(nèi)部雙環(huán)結(jié)構(gòu)的振動吸收峰消失,表明較高的負載量和高于500℃的焙燒溫度對載體的結(jié)構(gòu)造成破壞。IR分析結(jié)果與XRD測試結(jié)果一致。

        圖 3 Cat-n 的 FT-IR 譜圖Figure 3 FT-IR spectra of Cat-n

        圖4 Cat-30在不同焙燒溫度的FT-IR譜圖Figure 4 FT-IR spectra of Cat-30 at different calcined temperature

        2.2 酯交換條件優(yōu)化

        (1)原料比[r=n(月桂醇)∶n(DMC)]

        表3 r對酯交換反應(yīng)的影響*Table 3 Effect of r on transesterification

        以Cat-30[w=0.75%]為催化劑,其余反應(yīng)條件同1.3,考察r對酯交換反應(yīng)的影響,結(jié)果見表3。由表3可見,增加r有利于DDC的生成,在r=2∶1~4∶1內(nèi)趨勢明顯,轉(zhuǎn)化率和收率分別從76.2%和68.5%增加至86.4%和85.8%。當(dāng) r=5∶1時,轉(zhuǎn)化率和收率僅增加1%左右。綜合考慮,較佳的r=4∶1。

        (2)w(Cat-30)

        r=4 ∶1,其余反應(yīng)條件同1.3,考察 Cat-30 用量[w(Cat-30)]對酯交換反應(yīng)的影響,結(jié)果見表4。由圖 4 可見,w(Cat-30)從 0.25%增加至1.0%時,轉(zhuǎn)化率和收率均隨著催化劑用量的增加而增加;當(dāng) w(Cat-30)=1.0% 時,Cat-30 的催化性能最佳,轉(zhuǎn)化率 86.4%,收率 85.8%。w(Cat-30)最佳用量為1.0%。

        表4 Cat-30用量對酯交換反應(yīng)的影響*Table 4 Effect of Cat-30 amount on transesterification

        (3)反應(yīng)時間

        r=4 ∶1,w(Cat-30)=1.0%,其余反應(yīng)條件同1.3,考察反應(yīng)時間對酯交換反應(yīng)的影響,結(jié)果見表5。由圖5可見,隨著時間的延長,轉(zhuǎn)化率和選擇性逐漸增加。時間從2 h增至4 h,轉(zhuǎn)化率提高了6.0%左右,收率提高了近20.0%。進一步延長反應(yīng)時間,轉(zhuǎn)化率和收率變化不大。時間超過4 h,收率和選擇性變化不大,表明反應(yīng)4 h后酯交換反應(yīng)已經(jīng)達到平衡。最佳反應(yīng)時間為4 h。

        表5 反應(yīng)時間對酯交換反應(yīng)的影響*Table 5 Effect of reaction time on transesterification

        綜上所述,酯交換反應(yīng)的最佳反應(yīng)條件為:以Cat-30(w=1.0%,焙燒溫度 500 ℃)為催化劑,月桂醇600 mmol,n(月桂醇) ∶n(DMC)=4 ∶1,回流反應(yīng)4 h。

        2.3 催化劑的穩(wěn)定性

        在最佳反應(yīng)條件下,Cat-30(焙燒溫度 600℃)為催化劑,進一步考察催化劑的穩(wěn)定性。每次實驗前將反應(yīng)后的混合液離心分離回收催化劑,回收的固體物用DMC充分洗滌,并在110℃干燥,待用。穩(wěn)定性考察結(jié)果見表6。由表6以看出,催化劑經(jīng)四次重復(fù)使用后,轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性僅下降低了3%左右,明顯優(yōu)于 KNO3/HMS[14],表明 KOH/4? 分子篩催化劑可重復(fù)回收利用,具有潛在的工業(yè)應(yīng)用前景。

        表6 催化劑的重復(fù)使用性能*Table 6 Effect of r on transesterification

        *w[Cat-30(焙燒溫度 600 ℃)]=1.0%,n(月桂醇) ∶n(DMC)=4 ∶1,回流反應(yīng)4 h

        3 結(jié)論

        KOH/4?分子篩對DMC與月桂醇酯交換反應(yīng)有較高的催化活性,實驗結(jié)果表明,在最佳的反應(yīng)條件下,DMC的轉(zhuǎn)化率和DDC的選擇性可高達86.4%和99.3%。并且該催化劑具有多次重復(fù)使用性,為其工業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)。

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        Preparation of KOH/4? Molecular Sieve Catalyst and Their Catalytic Activity on Transesterification of Dimethyl Carbonate with Dodecanol

        FAN Yan-ping1, HU Yu2, WANG Qing-yin3,YANG Xian-gui3, WANG Gong-ying3
        (1.College of Physics and Chemistry,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China,2.Department of Chemistry,Leshan Normal University,Leshan 614000,China;3.Chengdu Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610041,China)

        A series of KOH/4? molecular sieve catalysts(Cat-n,n=10,15,20,25,30,35)were prepared using 4? molecular sieve as the carrier.The structures were characterized by IR and XRD.Effect of KOH loading amount and calcined temperature on the catalytic activities of Cat-n were investigated.The result showed that catalytic activity of Cat-30(loading amount and calcined temperature were 30%and 500℃,respectively)exhibited best catalytic activity.The optimal condition of transesterification reaction were as followed:lauryl alcohol was 0.6 mol,n(lauryl alcohol) ∶n(DMC)was 4 ∶1,w(Cat-30)was 1.0% ,reflux reaction time was 4 h.Under the optimal reaction conditions,the conversion,yield and selectivity were 86.4%,85.8%and 99.3%,respectively.

        dimethyl carbonate;transesterification;KOH;supported catalyst;preparation

        O643.36;O614.113

        A

        1005-1511(2011)02-0184-05

        2010-08-25

        范燕平(1979-),女,漢族,河北邯鄲人,博士,講師,主要從事催化及清潔生產(chǎn)工藝的研究。E-mail:fanyanping@hpu.edu.cn

        王公應(yīng),研究員,博士生導(dǎo)師,Tel.028-85215405,E-mail:gywang@cioc.ac.cn

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