歐華強(qiáng),張光旭,胡昌林,徐文濤,胡張雁
(武漢理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)
固體酸催化合成ε-己內(nèi)酯的研究Ⅱ.合成工藝條件的研究
歐華強(qiáng),張光旭,胡昌林,徐文濤,胡張雁
(武漢理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)
采用混燒法制備了B2O3/γ-Al2O3催化劑,并將其用于以H2O2為氧化劑催化氧化環(huán)己酮兩步法合成ε-己內(nèi)酯(ε-CL)。利用單因素實驗考察了第一步反應(yīng)中反應(yīng)壓力、原料配比、催化劑用量和反應(yīng)時間對過氧丙酸收率和選擇性的影響;同時考察了第二步反應(yīng)中反應(yīng)溫度和時間對ε-CL的收率和選擇性的影響。實驗結(jié)果表明,在第一反應(yīng)中,當(dāng)反應(yīng)壓力48.13 kPa、n(丙酸)∶n(H2O2)=4∶1、B2O3/γ-Al2O3催化劑用量0.8 g、反應(yīng)時間3 h時,過氧丙酸的收率和選擇性分別可達(dá)到17.08%和27.51%;在第二步反應(yīng)中,當(dāng)環(huán)己酮用量5.40 g、常壓、反應(yīng)溫度50℃、反應(yīng)時間3 h時,ε-CL的收率和選擇性分別可達(dá)到87.72%和95.07%。
固體酸催化劑;氧化硼/氧化鋁催化劑;過氧化氫;環(huán)己酮;ε-己內(nèi)酯
ε-己內(nèi)酯(ε-CL)是一種重要的有機(jī)合成中間體,主要用于合成聚己內(nèi)酯,也可與其他酯類共聚或共混改性。共聚或共混改性得到的聚合物具有良好的熱塑性、成型加工性、生物相容性、無毒性、藥物透過性和生物降解性,在材料、環(huán)保和醫(yī)用等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[1-5],使ε-CL的合成研究愈加重要。國內(nèi)外有關(guān)ε-CL合成方法的報道很多[6-15],包括過氧酸氧化法、H2O2氧化法、O2/空氣氧化法及生物氧化法等,其中以有機(jī)酸為介質(zhì)、H2O2為氧化劑催化氧化環(huán)己酮合成ε-CL的方法最為人們所關(guān)注。但該方法存在催化劑活性低、ε-CL的收率和選擇性差、后續(xù)過程產(chǎn)品不易分離及催化劑難以回收等問題。
本工作采用混燒法制備了B2O3/γ-Al2O3固體催化劑,并將其用于以H2O2為氧化劑催化氧化環(huán)己酮兩步法合成了ε-CL??疾炝藘刹椒磻?yīng)中反應(yīng)壓力、原料配比、催化劑用量、反應(yīng)時間和溫度等對合成反應(yīng)的影響,確定了最佳的合成工藝條件。
1.1 反應(yīng)原理
ε-CL的合成包括兩步:第一步為過氧丙酸的制備,丙酸與H2O2在B2O3/γ-Al2O3催化劑作用下生成過氧丙酸和水,體系中的水與帶水劑環(huán)己烷形成共沸物,水通過油水分離器排出體系;第二步為ε-CL的合成,第一步得到的過氧丙酸與環(huán)己酮在B2O3/γ-A l2O3催化劑作用下生成丙酸和ε-CL。兩步反應(yīng)的方程式為:
1.2 催化劑的制備與表征
將球形 γ-Al2O3研磨成粉末,將硼酸和 γ-Al2O3粉末按比例混合均勻,然后在300℃下焙燒3 h即得 B2O3/γ-Al2O3催化劑。對催化劑進(jìn)行XRD、N2吸附-脫附、TEM和SEM等表征,表征結(jié)果見文獻(xiàn)[16]。
1.3 ε-CL的合成
ε-CL的合成裝置見圖1。
圖1 ε-CL的合成裝置Fig.1 Experimental apparatus for ε-caprolactone(ε-CL)synthesis.
將0.8 g催化劑、35 g環(huán)己烷、1滴二甲基吡啶和65.19 g丙酸加入三頸燒瓶中,水浴溫度保持65℃,在壓力48.13 kPa下將25.00 g H2O2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%)由恒壓加料漏斗緩慢加入,保持環(huán)己烷回流,連續(xù)脫水3 h,水由油水分離器底部排出;然后在50℃、常壓下緩慢加入5.40 g環(huán)己酮,回流反應(yīng)2 h。
1.4 分析測試
1.4.1 定性分析
用Agilent公司6890N/5973N型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對合成的ε-CL進(jìn)行定性分析。GC分析條件:He為載氣,F(xiàn)ID檢測,進(jìn)樣溫度260℃,柱溫采用程序升溫(50℃,保留2 min,以10℃/min的速率升至120℃并保留2 min,再以30℃/m in的速率升至250℃并保留2 min),采用分流進(jìn)樣,分流比為50∶1。MS分析條件:離子源溫度230℃,GC和MS接口溫度150℃,掃描m/z=19~750。在上述條件下,將試樣提取液用Scan方式進(jìn)行GC-MS分析。
1.4.2 定量分析
利用滴定分析法[17]定量分析第一步反應(yīng)液中的H2O2和過氧丙酸;利用Agilent公司6890N型氣相色譜儀通過外標(biāo)法對第二步反應(yīng)液中的環(huán)己酮和ε-CL進(jìn)行定量分析。GC分析條件:HP-5毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.32 mm×0.25μm),N2為載氣,F(xiàn)ID檢測,N2流量30 L/min,H2流量30m L/min,空氣流量300 m L/min,進(jìn)樣器溫度250℃,柱溫采用程序升溫(80℃,保留1 min,以10℃/min的速率升至120℃并保留1 min,再以30℃/min的速率升至180℃并保留2 min),采用分流進(jìn)樣,分流比為50∶1。
2.1 ε-CL的MS分析結(jié)果
合成的ε-CL和ε-CL標(biāo)準(zhǔn)試樣的MS譜圖見圖2。由圖2可知,合成的ε-CL的MS譜圖和標(biāo)準(zhǔn)試樣的MS譜圖相比,具有很高的匹配度,根據(jù)有機(jī)質(zhì)譜解析基本原理推測ε-CL可能發(fā)生以下斷裂并生成相應(yīng)離子碎片:m/z=114處的分子離子C6H10O+2首先發(fā)生α-斷裂開環(huán),然后進(jìn)行McLafferty重排,脫掉中性小分子,同時生成 C4H8CO+(m/z=84),C3H6CO+(m/z=70),C4H+7(m/z= 55),C3H+6(m/z=42)等分子離子。通過以上分析可知,合成的化合物結(jié)構(gòu)與ε-CL的結(jié)構(gòu)基本一致。
2.2 第一步合成工藝條件的考察
2.2.1 反應(yīng)壓力的影響
反應(yīng)壓力對過氧丙酸收率和選擇性的影響見圖3。由圖3可見,在第一步反應(yīng)中,隨反應(yīng)壓力的升高,過氧丙酸收率先增大后減小。當(dāng)反應(yīng)壓力較低時,雖然分水效果較好,但H2O2與過氧丙酸容易被抽出,使分水器中水相中所含的過氧丙酸含量增加,從而導(dǎo)致過氧丙酸的收率下降。當(dāng)反應(yīng)壓力較高時,一方面反應(yīng)的分水效果變差,不利于H2O2向過氧丙酸轉(zhuǎn)化;另一方面,反應(yīng)壓力較高會造成體系的共沸溫度過高,導(dǎo)致H2O2分解較多,因此過氧丙酸收率很低。隨反應(yīng)壓力的升高,過氧丙酸的選擇性逐漸降低,這是因為反應(yīng)壓力越高,體系共沸溫度越高,過氧化物分解越多。綜合考慮,選擇第一步反應(yīng)壓力為48.13 kPa較適宜。
圖2 合成的ε-CL(a)和ε-CL標(biāo)準(zhǔn)試樣(b)的MS譜圖Fig.2 MS spectra of ε-CL product(a)and standard sample(b).
圖3 反應(yīng)壓力對過氧丙酸收率和選擇性的影響Fig.3 Effects of pressure on yield and selectivity of per-propionic acid in the first step.
2.2.2 原料配比的影響
n(丙酸)∶n(H2O2)對過氧丙酸收率和選擇性的影響見圖4。由圖4可見,隨n(丙酸)∶n(H2O2)的增大,過氧丙酸收率和選擇性都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)丙酸用量較少時,H2O2反應(yīng)不充分,過氧丙酸收率很低;當(dāng)n(丙酸)∶n(H2O2)=4∶1時,過氧丙酸收率和選擇性均達(dá)到最大;當(dāng)丙酸大量過量(即n(丙酸)∶n(H2O2)=6∶1)時,過氧丙酸收率很低,這是由于丙酸溶劑大量過量使反應(yīng)體系濃度稀釋所致。因此,選擇n(丙酸)∶n(H2O2)= 4∶1較適宜。
圖4 n(丙酸)∶n(H2O2)對過氧丙酸收率和選擇性的影響Fig.4 Effects of n(propionic acid)∶n(H2 O2)on the yield and selectivity of per-propionic acid in the first step.
2.2.3 催化劑用量的影響
催化劑用量對過氧丙酸收率和選擇性的影響見圖5。由圖5可見,當(dāng)催化劑用量較少時,隨催化劑用量的增加,過氧丙酸的收率和選擇性均增大;當(dāng)催化劑用量大于0.8 g時,隨催化劑用量的增加,過氧丙酸收率增幅不大,選擇性反而有所降低。這是因為,在催化劑用量較少時,隨催化劑用量增加,催化活性中心數(shù)量增多,過氧丙酸的合成速率加快。但當(dāng)催化劑用量過多時,反應(yīng)液黏度增大,不利于催化反應(yīng)傳質(zhì),且反應(yīng)的副產(chǎn)物也增加。因此,選擇催化劑用量為0.8 g較適宜。
圖5 催化劑用量對過氧丙酸收率和選擇性的影響Fig.5 Effects of B2 O3/γ-Al2 O3 catalyst dosage on the yield and selectivity of per-propionic acid in the first step.
2.2.4 反應(yīng)時間的影響
反應(yīng)時間對過氧丙酸收率和選擇性的影響見圖6。
圖6 反應(yīng)時間對過氧丙酸收率和選擇性的影響Fig.6 Effects of reaction time on the yield and selectivity of per-propionic acid in the first step.
由圖6可見,在第一步反應(yīng)中,隨反應(yīng)時間的延長,過氧丙酸收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;在反應(yīng)進(jìn)行到3 h時,過氧丙酸收率達(dá)到最大。這是因為隨反應(yīng)時間的延長,H2O2氧化丙酸迅速轉(zhuǎn)化生成過氧丙酸,使過氧丙酸收率逐漸增大,但隨反應(yīng)時間的進(jìn)一步延長,H2O2濃度降低,生成的過氧丙酸量越來越少,另一方面反應(yīng)時間過長,過氧丙酸的分解較多,因此過氧丙酸的收率降低。隨反應(yīng)時間的延長,過氧丙酸的選擇性降低,這是由過氧丙酸持續(xù)分解所致。考慮到在保證過氧丙酸收率較高時,縮短反應(yīng)時間對生產(chǎn)有利,因此選擇第一步反應(yīng)時間為3 h較適宜,此時過氧丙酸的收率和選擇性分別達(dá)到17.08%和27.51%
2.3 第二步合成工藝條件的考察
2.3.1 反應(yīng)溫度的影響
反應(yīng)溫度對ε-CL收率和選擇性的影響見圖7。由圖7可見,在第二步反應(yīng)中,隨反應(yīng)溫度的升高,ε-CL收率先增大后減小,ε-CL選擇性呈下降趨勢。這是因為隨反應(yīng)溫度的升高,催化劑活性增強(qiáng),有利于過氧丙酸氧化環(huán)己酮合成ε-CL。但當(dāng)反應(yīng)溫度過高時副反應(yīng)速率大大加快,副產(chǎn)物相應(yīng)增多,導(dǎo)致ε-CL收率和選擇性降低。因此,選擇第二步的反應(yīng)溫度為50℃較適宜。
圖7 反應(yīng)溫度對ε-CL收率和選擇性的影響Fig.7 Effects of reaction temperature on the yield and selectivity ofε-CL in the second step.
2.3.2 反應(yīng)時間的影響
反應(yīng)時間對ε-CL收率和選擇性的影響見圖8。由圖8可見,在第二步反應(yīng)中,隨反應(yīng)時間的延長,ε-CL收率逐漸增大,反應(yīng)初期收率增幅較大,反應(yīng)超過2 h后收率增幅逐漸趨緩。隨反應(yīng)時間的延長,ε-CL選擇性逐漸降低,且降幅越來越大。這是由于反應(yīng)時間較長時,環(huán)己酮充分轉(zhuǎn)化成為ε-CL,ε-CL收率增大。同時,隨反應(yīng)時間的延長,產(chǎn)生大量副產(chǎn)物,因此ε-CL選擇性急劇下降。綜合考慮,選擇第二步反應(yīng)時間為3 h較適宜,此時ε-CL的收率和選擇性分別達(dá)到 87.72%和 95.07%。
圖8 反應(yīng)時間對ε-CL收率和選擇性的影響Fig.8 Effects of reaction time on the yield and selectivity of ε-CL in the second step.
(1)采用混燒法制備了 B2O3/γ-Al2O3催化劑,用于催化反應(yīng)兩步合成ε-CL。該催化劑具有較高的催化活性和選擇性。
(2)由單因素實驗得到兩步催化反應(yīng)合成ε-CL的優(yōu)化條件為:第一步反應(yīng)過程中,當(dāng)反應(yīng)壓力48.13 kPa、n(丙酸)∶n(H2O2)=4∶1、B2O3/γ-Al2O3催化劑用量0.8 g、反應(yīng)時間3 h時,過氧丙酸的收率和選擇性分別達(dá)到17.08%和27.51%,過氧丙酸的收率和選擇性偏低是由H2O2及過氧丙酸分解所致;第二步反應(yīng)過程中,在環(huán)己酮用量5.40 g、常壓、反應(yīng)溫度50℃、反應(yīng)時間3 h時,ε-CL的收率和選擇性分別達(dá)到87.72%和95.07%。
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Synthesis of ε-Caprolactone over Solid Acid Catalysts Ⅱ.Study on the Synthesis Conditions
Ou Huaqiang,Zhang Guangxu,Hu Changlin,Xu Wentao,Hu Zhangyan
(College of Chemical Engineering and Technology,Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei430070,China)
B2O3/γ-Al2O3catalyst was prepared by co-calcination method and used as the catalyst in a two-step synthesis of ε-caprolactone(ε-CL)from cyclohexanone and H2O2oxidant.Effects of reaction pressure,n(propionic acid)∶n(H2O2),catalyst dosage and reaction time on yield and selectivity of perpropionic acid(intermediate product)in the first step reaction,and effects of reaction temperature and reaction time on yield and selectivity of ε-CL in the second step reaction were investigated.The results indicated that,in the first step,under reaction pressure 48.13 kPa,n(propionic acid)∶n(H2O2)4∶1,catalyst dosage 0.8 g and reaction time 3 h,the yield and selectivity of perpropionic acid could be 17.08%and 27.51%respectively,and in the second step,under cyclohexanone 5.40 g,normal pressure,reaction temperature 50℃ and reaction time 3 h,the yield and selectivity ofε-CL could reach 87.72%and 95.07%respectively.
solid acid catalyst;boron oxide/alum ina catalyst;hydrogen peroxide;cyclohexanone; ε-caprolactone
1000-8144(2011)08-0835-05
TQ 032.4
A
2011-02-14;[修改稿日期]2011-04-25。
歐華強(qiáng)(1985—),男,湖北省宜昌市人,碩士生,電話18622209753,電郵 ouhuaqiang@163.com。聯(lián)系人:張光旭,電話13871467069,電郵zhanggx2002@163.com。
武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金項目(2010-ZYHG-004)。
(編輯 李明輝)
精細(xì)化工