（化学工艺专业论文）二氯代甲氧基苯的合成与动力学研究.pdf

i i i f 1 ! r l r l l ir ! m 1 lr l lr l l f l iflli y 1 5 3 1 3 6 1 二氯代甲氧基苯的合成与动力学研究 s t u d y o n s y n t h e s i sa n dk i n e t i c so f d i c h l o r o m e t h o x y b e n z e n e 学科专业：化学工艺 研究生：刘冕 指导教师：汪宝和副研究员 天津大学化工学院 二零零八年五月 摘要 主要对二氯代甲氧基苯的合成工艺与合成动力学进行了研究。确定了以1 ，2 ， 4 三氯苯和甲醇钠为原料制备二氯代甲氧基苯的工艺路线，系统地研究了原料配 比、反应温度、反应时间、溶剂用量等因素对反应的影响，通过l 9 ( 3 4 ) 安排试验， 得到了l ，4 二氯2 甲氧基苯优化工艺条件：n ( 1 ，2 ，4 三氯苯) ：n ( 甲醇钠) = 1 ：1 3 ， 反应温度9 0 c ，反应时间1 2 0 m i n ，溶剂质量百分比含量为1 4 0 。在优化的条件 下，产物收率达到7 4 以上。 在相同物料配比、相同的溶剂用量、不同的反应温度条件下，测定不同反应 时间时l ，4 二氯2 甲氧基苯( u ) 、l ，2 二氯4 甲氧基苯( v ) 、2 ，4 二氯1 甲氧基苯( w ) 的产率和l ，2 ，4 三氯苯的含量，以此确定动力学方程中的待定 参数。通过分析反应温度为3 5 3 1 5 k 、3 5 8 1 5 k 、3 6 8 1 5 k 、3 7 3 1 5 k 、3 7 8 1 5 k 、 3 8 3 1 5 k 时的产物含量，确定该反应为一级反应。得到的动力学方程为： c u = ( 蜀c k ) ( 1 8 加) c r = ( k 2 c k ) ( 1 一e 一盯) 勺= ( k ，c 以k ) o e 埘) 其中， k 。= e x p1 9 9 8 3 7 5 一8 4 5 8 事5 9 5 8 ) ，k ：= e x p2 0 6 6 9 8 1 一罕) k 3 = e x p ( 2 0 4 7 7 2 4 一半) ，k = e x p 2 0 8 9 0 6 一一8 6 8 0 8 7 0 8 5 ) 得到主反应活化能为7 0 3 2 9 1 0 m o l 。实验数据验证表明：动力学方程能较 好与实验数据相吻合，实验值和计算值的平均相对误差约为2 0 8 ，该动力学方程 比较准确描述在优化工艺条件下的反应过程。 采用气相色谱对1 ，2 ，4 三氯苯和甲醇钠的反应产物进行了定量分析，通过 红外光谱、质谱和核磁共振波谱对1 ，4 二氯2 甲氧基苯的结构进行了表征，对 合成l ，4 二氯2 甲氧基苯的反应机理进行了探讨，认为1 ，2 ，4 。三氯苯和甲醇 钠的反应机理属于s n 2 亲核取代反应。 关键词：1 ，2 ，4 三氯苯1 ，4 二氯2 甲氧基苯合成动力学s n 2 亲核取代 a b s t r a c t t h es y n t h e s i sa n dk i n e t i c so fd i c h l o r o m e t h o x y b e n z e n ew e r es t u d i e di nt h i sp a p e r d i c h l o r o m e t h o x y b e n z e n ew a ss y n t h e s i z e dw i t h1 ，2 ，4 - t r i c h l o r o b e n z ea n ds o d i u m m e t h o x i d ea sr a wm a t e r i a l s f a c t o r st h a th a de f f e c to nt h ep r o d u c t sy i e l d ，s u c ha s m a t e r i a l sr a t i o ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，t i m ea n ds o l v e n tw e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d b yl 9 ( 3 4 ) a r r a n g e m e n t st e s t ，t h eo p t i m a lp r o c e s sc o n d i t i o n so f1 ，4 - d i c h l o r o - 2 - m e t h o x y b e n z e n ew e r eo b t a i n e d ，w h i c hw e r ea tan ( n a o c h 3 ) n ( 1 ，2 ，4 - t c b ) r a t i oo f 1 3 ，ar e a c t i o nt e m p e r a t u r eo f9 0 * ( 2 ，ar e a c t i o nt i m eo f1 2 0 m i na n ds o l v e n tp e r c e n t a g e o fq u a l i t y14 0 a tt h em o s to p t i m a lc o n d i t i o n s ，t h ep r o d u c ty i e l dw a so v e r7 4 t h e1 ，4 - d i c h l o r o - 2 - m e t h o x y b e n z e n e s ( u ) ，1 ，2 - d i c h l o r o - 4 m e t h o x y b e n z e n e s ( v ) ， 2 ，4 一d i c h l o r o 一1 - m e t h o x y b e n z e n e s ( w ) y i e l da n dt h ec o n t e n to f1 ，2 ，4 - t r i c h l o r o b e n z e w e r ed e t e r m i n e da tt h es a m er a wm a t e r i a l s r a t i oa n ds o l v e n tb u td i f f e r e n tr e a c t i o n t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s s ot h a tt h ek i n e t i c sp a r a m e t e r sc o u l db ed e t e r m i n e d t h e r e a c t i o ns e r i e sa td i f f e r e n tr e a c t i o n t e m p e r a t u r e s ( 3 5 3 1 5 k 、3 5 8 1 5 k 、3 6 8 1 5 k 、 3 7 3 1 5 k 、3 7 8 1 5 k 、3 8 3 1 5 k ) a r e1 ，s oi tc a nb ed e t e r m i n e da st h ef i r s t ，a n dt h ek i n e t i c e q u a t i o n sa r e ， - - ( 9 1 c 心k ) ( 1 一p 砘) c r = ( k 2 c k ) ( 1 一e 岫) c = ( 墨巳k ) ( 1 一e - k t ) w h i c h ， k 。= e x p ( 1 9 9 8 3 7 5 - - 8 4 5 8 _ 乒5 9 5 8 ) ， k 3 = e x p ( 2 0 4 7 7 2 4 9 2 6 8 雩4 4 5 43 ， 9 3 5 9 2 8 2 1 3 6 8 0 8 7 0 8 5 a n dt h ev a l u eo ft h em a i na c t i v a t i o ne n e r g yo b t a i n e di s7 0 3 2 9 1 0 t o o l 一i f ss h o w e db y t h ee x p e r i m e n t sv e r i f y i n gt h a tk i n e t i ce q u a t i o n sc a nm a t c hw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a l d a t aa n dt h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ro ft h ee x p e r i m e n t a la n dc a l c u l a t e dv a l u e si sa b o u t 2 0 8 ，w h i l et h eo p t i m u mc o n d i t i o n so ft h er e a c t i o np r o c e s sc a nb ea c c u r a t e l y d e s c r i b e db yt h ek i n e t i ce q u a t i o n t h ep r o d u c t so ft h er e a c t i o nw e r ea n a l y z e db yg c t h es t r u c t u r eo f1 ， 4 - d i c h l o r o 2 m e t h o x y b e n z e n ew a si d e n t i f i e db yi r ，m sa n d1 h n m r t h ep o s s i b l e m e c h a n i s mo ft h er e a c t i o nw a sa l s od i s c u s s e d ，w h i c hi sc l a s s i f i e da ss n 2n u c l e o p h i l i c s u b s t i t u t i o nr e a c t i o n s k e yw o r d s ：1 ，2 ，4 - t r i c h l o r o b e n z e ，1 ，4 - d i c h l o r o 2 - m e t h o x y b e n z e n e ，s y n t h e s i s ， k i n e t i c s ，s n 2n u c l e o p h i l i cs u b s t i t u t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢7 涩签字嘶加妒貉g 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 槲期：，弘够年 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 二氯代甲氧基苯的理化性质 c i o m e c i c l c l c lo m ec i 1 ，4 - 二氯一2 一甲氧基苯 1 ，2 二氯4 甲氧基苯2 ，4 二氯1 甲氧基苯 1 ，4 二氯2 甲氧基苯( c a s n o 1 9 8 4 5 8 3 ) 为无色或淡黄色油状透明液体， 不溶于水，但可以与多数有机溶剂和油类互溶，如乙醚等。1 ，4 二氯2 甲氧基 苯分子量1 7 7 0 2 7 3 ，常压下的沸点为1 9 8 ，相对密度约为1 3 3 ( 2 0 ) ，折射率 ( n d 2 5 ) 1 5 6 1 5 1 5 6 3 5 ；l ，2 二氯4 甲氧基苯( c a s n o 3 6 4 0 4 3 0 5 ) 为无色透明液 体，常压下的沸点为1 9 4 。c ，折射率( n d 2 0 ) 为1 5 5 6 1 5 5 8 ；2 ，4 二氯1 甲氧基苯 ( c a s n o 5 5 3 8 2 2 ) 为无色透明液体。 1 2 卤代烷氧基苯的应用 卤代烷氧基苯作为一类十分重要的精细化工原料，广泛应用于医药、染料、 生物制剂及有机合成中。 1 2 1 在医药行业中的应用 1 ，3 二氯2 甲氧基苯作为医药中间体，用来合成利尿酸等。如曲马多，英 文名t r a m a d o l ，化学名( 土) 反1 一：间甲氧基苯基( 2 一) - - q j 基氨( 一甲基) 环己醇，c a s 登录号2 7 2 0 3 9 2 5 ，其盐酸盐的c a s 登录号2 2 2 0 4 8 8 2 ，分子式c 1 6 h 2 5 n 0 2 h c i ， 分子量2 9 9 8 4 。盐酸曲马多是美国强生公司所拥有的专利产品，专利到期日为 2 0 0 0 年3 月份，盐酸曲马多的合成如下【l - 2 】： 第一章文献综述 o m e m g t h f ；- b r m g b r 该产品为非吗啡类强效镇痛药，主要作用于中枢神经系统与疼痛相关的特异 受体，无致平滑肌痉挛和明显呼吸抑制作用，作为强效镇痛药，长期服用，易产 生药物依赖性，国内只有辽宁锦州黑龙制药厂等少数几家原料药生产厂，产量有 限。 1 2 2 在染料工业方面的应用 冰染染料发明于十九世纪八十年代，并于九十年代开始实际应用，与直接、 硫化、还原、活性等类型的染料一样广泛应用于棉纤维纺织物的染色与印花中， 至今已有百年历史。1 9 7 6 年西德赫新特公司、瑞- 士r o b n e r 公司【3 j 先后研制成液状 冰染染料，并开始在市场上销售。冰染染料，通常由色基、色酚两种成分构成。 染色时，先用色酚打底，然后加入色基的重氮液进行显色。冰染染料色泽鲜艳， 色谱齐全( 绿色不及还原染料鲜艳) ，染料坚固度优良，制备方便，价格低廉， 是一类重要的棉粘、胶纤维用染料，尤其在深度色谱方面。但其印染工艺复杂， 因此部分以为活性染料取代。各国推出的新产品虽不多，但在改进剂型，如液状 色基、色酚均以工业化，将冰染染料应由于合成纤维，各国均进行了大量的研究 工作1 4 。j ，取得了可喜成绩。冰染染料仍会有一定的发展。 冰染染料示例：冰染染料色酚a s i t e ( n a p h t o ia s i t r ) 的合成路线如下： 肿 o hlh 3 t h ， c 心 n _ ，c 第一章文献综述 c i c 甄 0 2 n h 2 n o m e o m e2 ，3 一酸 - - - 缩合 1 2 3 生物制剂方面的应用 0 2 n o h c o n o m e o m e o m e o m e 植物生长调节剂等农药在农产品中的残留问题博j ，越来越受到人们的关注。 目前美国、加拿大、瑞士、日本等国对一些常用的植物生长调节剂已制订农药残 余标准 9 】o 植物激素调控植物的生长与发育，并进而影响植物( 农作物) 的产量、品质和 抗性。一系列研究结果表明，通过调控细胞分裂素、油菜素内酯、生长素的代谢 可以显著的改良作物的株型结构和产量构成，这些结果预示着通过激素调控再次 大幅度提高作物产量和品质是完全可能的【加。到，也预示着基于激素功能的品种设 计将会成为未来农作物产量、品质和抗性改良的重要途径。 生物活性含氟化合物作为活性更强、选择性更高的药物i b 。4 】及农药1 15 】已被广 泛应用。随着生命科学的发展，生物活性含氟化合物具有更为深刻的意义，这些 化合物可以作为标记的化合物模拟体内代谢过程【l “1 8 】，为研究生命现象提供了重 要手段。人体内的酪氨酸都是以l 构型存在的，d 、l 3 f 酪氨酸在人体内不能 完全模拟l 酪氨酸的行为。为适应这一要求，现在己发展出5 种合成光学活性 l 3 f 酪氨酸的途径。以锌试剂偶联合成法合成l 3 f 酪氨酸方法中，2 氟4 碘 苯甲醚是合成l 3 f 酪氨酸的中间体。以邻氨基苯甲醚为原料，经s c h i e m a n n 反应 生成邻氟苯甲醚，然后在苯环4 位硝化后再还原成4 氨基2 氟苯甲醚，再经 s a n d m e y e r 反应碘代合成标题化合物。 第一章文献综述 1 2 4 在农药方面的应用 目前国内外三氯苯在农药方面主要用来制备2 ，4 一滴、除草醚、禾草录、麦 草畏2 ，4 ，5 一涕、皮蝇磷、g 1 1 、四氯对醌、五氯酚酮、五氯酚钡、稻丰宁、 氯化苦、五氯硝基苯、三氯杀螨砜、三氯硫酚、敌螨丹、四氯硝基苯、五氯硫酚 锌等。以l ，2 ，4 三氯苯为原料可制备除草剂麦草畏，主要用于小麦等禾本科作 物田防除一年生或多年生的阔叶杂草1 1 9 也o 】，章小波等1 2 1 1 对此作了较大量的研究工 作，其中3 ，6 二氯水杨酸是制备麦草畏的重要中间体，国外许多公司采取1 ，2 ， 4 三氯苯法生产3 ，6 二氯水杨酸 2 2 - 2 6 j ，合成路线如下： c l 水解 卜 c o h 成盐 c ic i c ic o h 壁丝， c 0 0 k c i c lc i c l o h c o o h o k 在合成2 羟基3 ，6 二氯苯甲酸时，第一步生成钾盐后一定要把水完全分离， 否则，下一步反应的副产物较多，产率大大降低。一般说来，微量水分的存在对 碳酸化反应起阻碍作用，如果在碳酸化反应中使用潮湿的2 ，5 二氯苯酚钾盐， 或者使用含水的二氧化碳气体，都会导致产品收率下降。其原因可能是由于水与 2 ，5 二氯苯酚钾盐生成螯环的倾向比二氧化碳大，因而阻止了二氧化碳与2 ，5 二氯苯酚钾盐形成螯环中间体；而且当微量水存在时，也会发生2 ，5 二氯苯酚 钾盐的水解反应，这时通人二氧化碳，立即生成了游离的酚和碳酸钾。由l ，2 ， 4 三氯苯水解为2 ，5 二氯苯酚是关键的一步，关于此反应过程已有大量的文献 报道 2 7 - 3 0 】，此过程的关键就是2 ，5 一二氯苯酚的产率及分离过程【3 1 。4 1 ，离解萃取 分离有机酸或有机碱的方法，很早就有应用，1 9 4 9 年有人正式提出用“离解萃取” ( d i s s o c i a t i o ne x t r a c t i o n ) 这个术语来描述这种过程，到1 9 7 1 年a n w a r 系统地描述了 离解萃取的理论和离解萃取的多级萃取过程，并提出了离解萃取连续分离有机碱 的流程图【j5 l ，其间涉及离解萃取分离混合氯代酚的研究也有不少。 第一章文献综述 1 2 5 在有机合成方面的应用 3 甲氧基苯硫酚的合成是以间溴苯甲醚为原料，先制得有机镁化合物，再与 固体硫进行格氏反应，最后水解制得3 甲氧基苯硫酚，3 甲氧基苯硫酚是一种药 物中间体，广泛用于合成中枢神经系统药物及激素，如雌激素类气喘治疗药雷洛 昔芬、乳腺癌治疗药物l y 1 17 0 18 ，一种雌激素受体调节剂包括a i d s 抑制剂等。 其化学反应式如下： b r 生 o m e 1 3 卤代烷氧基苯的合成方法 1 3 1 酚或酚钠生成法 s - - - - - - - o m eg r i g n a r d 反应 s h o m e 合成醚的主要方法是威廉逊合成，或者醇在酸或无机氧化物如氧化铝存在下 脱水： r o n a + r l x r o r l + n a x 2 r o h ：娄堂皇+ r o r + h ，o 加热 。 其他方法包括硫酸二烷基酯同醇钠或酚钠的反应，以及烯烃在酸催化下与醇 或酚的加成： f r o ) 2 s 0 2 + r 1 0 n a - r o r l + r o s 0 3 n a 采用硫酸二烷酯的反应不与推荐，原因在于这些试剂有致癌性。 带有吸电基的单卤代芳烃与醇钠的醚化反应远较水解反应容易，这是由于烷 氧基的亲核性远大于水的亲核性，因而醇解反应的活化能远低于水解反应活化 能。在这样的前提下，控制足够低的反应温度，完全可以使水解反应不发生，即 使烷氧基化的反应为简单反应。多卤代芳烃的单取代烷氧基化反应与单卤芳烃的 烷氧基化反应的不同之处在于可以发生多烷氧基化副反应。如2 ，3 ，4 ，5 四甲 嫩o 第一章文献综述 氧基甲苯( t m t ) 的合成，文献报道【3 6 - 3 8 】的方法如下： b r b r o h m e 0 n a o m e r r 催化剂m e o b r o h m e 2 s 0 4 - o m e o m e o m e 在近年的报道中【3 9 - - 4 | ，过量硫醇钠与卤代芳烃在以h m p a 为溶剂的反应中 得到了很好的收率，过程如下： m e s n a m e o n a c 6 h 4 c 1 2 忑m p a _ c 6 h 4 c l s m e1 鬲鬲，c 6 h 4 ( o m e ) s m eh hj r a 曹玉庆【4 2 1 等在研究现有工艺路线的情况下，提出了以硝基苯为原料，经溴化、 还原、重氮化、醚化制取间溴苯甲醚的工艺路线，其化学反应式如下： n a n 0 2 ，h 2 s 0 4 - - - - - - - - - 二 c u s 0 4 ，h 2 s 0 4 o h f e h b r - - - - b r ( 竺旦1 2 兰q ! ：堕璺q 旦， b r 无溶剂 b r b r 该工艺主要包括间溴硝基苯的制备、间溴苯胺的制备、间溴苯酚的制备及间 溴苯甲醚的制备。 1 3 2 卤代芳烃法 一 由于烷氧基是供电基团，第一个烷氧基取代卤原子后，使芳环上电子云密度 增加，对第二个烷氧基化反应起抑制作用，使之活化能增加。因此降低反应温度 可使二烷氧基化反应得到抑制，因而提高收率。卤代芳烃的醚化也是基于以上原 理，传统甲氧基化反应通常以氯化亚铜作为反应催化剂，d m f 为反应溶剂，这 是该类反应的主要特征 4 3 - 4 4 ，有关卤代芳烃的烷氧基化国内也有很多相关报道， 6 寺 第一章文献综述 冀亚飞等【4 5 】，对l ，3 ，5 三甲氧基苯的合成的工艺条件进行了优化，收率达到 9 2 3 。反应路线如下： b b r c h 3 0 n a d m f c u 2 c 1 2 b r m e oo m e 该过程简便、收率高。总之，优化卤代芳烃的烷氧基化过程就是要认清主副 反应及其抑制手段，从理论上确定一个反应过程的工艺要点，是选择性最大化。 1 3 3 芳醚法 对溴苯甲醚是重要的有机合成中间体之一，常见制备方法是溴与苯甲醚在 1 4 0 1 5 0 反应来制备，产率约为6 0 1 4 6 - 4 7 ，不仅产率和产品经济性低，而且 生成大量腐蚀性强的氢溴酸。反应的高温也会使邻位溴代产物增加，分离困难。 对于芳香化合物的溴代，近几十年来，国外在芳香化合物溴代方面的研究很多。 如钒溴过氧化物酶及生物模拟系统等 4 8 - 4 9 】，或用没有危害污染的溴盐，如溴化钠、 溴化钾为溴源，或用氧化剂如硝酸等来进行氧化溴代 5 0 - 5 1 】。这些方法在提高溴代 的收率、选择性及经济性方面都取得了很大的进展。但是，从工业化角度来看， 生物模拟酶方法溴代反应应用于大规模工业生产中还有很大距离，而使用强氧化 剂硝酸，硫酸和三氟乙酸等虽然可以高收率得到溴代物，但是反过来，这些高强 度的酸又给反应的后处理带来污染，因此开展新的溴代方法对于芳香溴代物的合 成具有重要意义。邵艳等用易得清洁的氧气为氧化剂，以溴化钠为溴源，在催化 条件下，研究了苯甲醚的催化溴代，选择性及转化率都在9 8 o 以上，是一种新 的溴代方法。化学反应如下： o m e + n a b rm 器 b r 第一章文献综述 1 3 4 间氨基苯酚法 王玉玲等旧以间氨基酚为起始原料，经乙酰化、醚化、桑徽( s a n d m e y e r ) 反应合成间溴苯甲醚，其化学反应式如下： ( c h 3 c o ) 2 0 - o h n a o h eh 2 0 1 4 合成反应动力学研究概况 s a n d m e y e r 反应 - - - - - - i - o m e b r o m e 化学动力学从动态的角度去研究化学反应。研究反应速率及其所遵循的规律 和各种因素对反应速率的影响，研究物质的结构、性质与反应性能的关系，揭示 化学反应的机理，为最优化控制反应提供理论依据。 1 4 1 动力学模型 按化学反应的不同特点和不同的应用要求，常用的动力学模型有： 基元反应模型：根据对反应体系的了解，拟定若干个基元反应，以描述一个 复杂反应( 由若干个基元反应组成的反应) 。按照拟定的机理写出反应速率方程， 然后通过实验来检验拟定的动力学模型，估计模型参数。这样得到的动力学模型 称为基元反应模型。合成氨的链反应机理动力学模型即为一例。 分子反应模型：根据有关反应系统的化学知识，假定若干分子反应，写出其 化学计量方程式。所假设的反应必须足以反映反应系统的主要特征。然后按标准 形式( 幂函数型或双曲线型) 写出每个反应的速率方程。再根据等温( 或不等温) 动力学实验的数据，估计模型参数。这种方法已被成功地用于某些比较复杂的反 应过程，例如乙烷、丙烷等烃类裂解。 经验模型：从实用角度出发，不涉及反应机理，以较简单的数学方程式对实 o s 一 ，一 h c 一 3 ( 一 心产 c o 第一章文献综述 验数据进行拟合，通常用幂函数式表示。 1 4 2 反应动力学数据测定的方法 通常反应动力学的研究是在等温条件下，测量反应体系浓度随时间的变化， 称之为等温法动力学数据测量，其特点是反应温度是恒定的或阶跃式的。采用变 温法测量动力学数据，就是让反应体系在某种状态下反应，反应体系的温度、浓 度都随时间的变化而变化，其特点是反应温度是连续变化的。 1 4 3 反应动力学模型参数估计方法 ( 1 ) 微分法求动力学模型参数 对反应物而言，反应速率的定义： 一1 如彳一如 r a 一歹苫一言 首先，测得反应速率。比较普遍的反应速率计算方法是将关键组分的浓度对 反应时问的实验数据进行曲线拟合，再将曲线方程微分，由此计算不同时刻的反 应速率。利用o r i g i n 软件对实验数据进行三次样条曲线拟合，再利用该软件的微 分工具对曲线求导，直接得到各实验点的反应速率。但是，该法要求所得的曲线 准确的通过所有实验点，使得曲线保留了原有的误差。为了克服以上缺点，通常 采用最小二乘法拟合曲线。接着，由速率方程估计动力学方程参数。只要参数数 目不超过两个，且速方程又可以直线化，都可以用图解法求待定参数值。动力学 方程参数估计方法中最常用最可靠的方法之一是依据统计学原理的最小二乘法。 该法既不受参数数目的限制，又不受动力学方程的形式及实验方法的约束，具有 普遍适用性。 ( 2 ) 积分法求动力学模型参数 积分法是将速率方程积分后，再对实验数据进行处理。原则上讲，只要参数 数目不超过两个，可以用图解法求待定参数。秦付云等t 5 3 以c o a t s 和r e d f e m 线性 化简单图解法对加入稳定剂和未加稳定剂的过碳酸钠热分解过程中的动力学特 征参数进行了计算。能用符号解的微分方程类型非常有限，往往借助于数值方法。 由于计算机应用的普及，更为通用的、不受参数数目限制的微分方程组参数估计 方法得到迅速发展 5 4 - 5 5 】。 求解微分方程的常用的数值方法主要有龙格库塔法( r a n g e k u t a ) ，吉尔法 ( g e a r ) 等。最优化方法主要有p o w e l l 最优化法，最小二乘法等，求解微分方程的 精度关系到积分法的精度，一般而言，双精度的四阶隐含式龙格库塔法有非常高 的精度。在反应动力学的微分方程参数回归研究中，根据目标函数值的测量类型 9 第一章文献综述 的不同，分为浓度目标函数法和温度目标函数法。浓度目标函数法，以浓度的测 量值与计算值的比较为目标函数的微分方程参数求解法；温度目标函数法，以温 度的测量值与计算值的比较为目标函数的微分方程参数求解法。等温法测量的动 力学数据只适用于浓度目标函数法处理：而变温法测量的动力学数据对于该两种 方法都适用，温度目标函数法在数据测量上更便捷、直观、可靠，但要求温度与 浓度的关系一一对应；浓度目标函数法则更具有一般性，不严格要求温度与浓度 的关系一一对应。 采用变温法测量动力学数据时，浓度目标函数法应首先将反应温度与反应时 间拟合，消去反应温度这个变量。而温度目标函数法则利用反应体系泡点随反应 的进程而变化，同时反应体系泡点与反应体系的组成又有一一对应的函数关系消 去反应体系各组分浓度变量。因此，温度的变化规律反映了反应动力学的规律， 采用变温法测量的动力学数据是快捷有效的方法之一。 1 5 本文研究的意义及内容 卤代烷氧基苯作为一类十分重要的精细化工原料，广泛应用于医药、染料、 生物制剂及有机合成中，对其合成工艺的研究具有重要的应用价值。目前对1 ，2 ， 4 三氯苯与甲醇钠反应合成二氯代甲氧基苯的宏观动力学研究国内外尚未见报 道，通过对该反应的宏观动力学进行了较深入地研究，所得动力学方程对工程放 大有一定的指导意义。 本文主要研究内容： ( 1 )确定二氯代甲氧基苯的合成工艺路线，考察物料配比、反应温度、 反应时间、溶剂质量百分比等因素对二氯代甲氧基苯选择性及收率 的影响。 ( 2 )通过正交实验进一步优化合成1 ，4 二氯2 甲氧基苯反应工艺条件， 同时通过重复实验验证所得反应工艺条件的稳定性。 ( 3 )对反应所得产品进行分离提纯，采用i r 、g c m s 、1 h n m r 等图谱 表征手段对高纯度产品的结构进行表征。 ( 4 )对l ，2 ，4 三氯苯与甲醇钠的反应合成1 ，4 二氯2 甲氧基苯机理 进行探讨。 ， ( 5 )研究l ，2 ，4 三氯苯与甲醇钠的反应的宏观动力学，获取反应的速 率方程及活化能。 l o 第二章实验与分析 第二章实验与分析 2 1 实验试剂、装置与操作步骤 2 1 1 实验试剂 实验试剂规格见表2 1 。 表2 1 实验试剂一览表 t a b l e2 - 1l i s to f e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l 实验试剂和产品物性见表2 2 表2 2 原料、试剂和产品物性 t a b l e2 - 2t h ep r o p e r t i e so fm a t e r i a l s ，r e a g e n t sa n dp r o d u c t s 第二章实验与分析 2 1 2 实验仪器与装置 实验中所用的实验仪器及设备见表2 3 。 表2 3 实验仪器表 仪器名称型号生产厂家 本实验包括反应装置和蒸馏装置两部分，反应装置如图2 1 ，在反应过程中 所需温度较高时采用电加热套提供热量。 第二章实验与分析 哉出舟1 ( 彩 6 弋黼 、隋1 r 1 ： c ，f l 网i 、 厂1 一 ( ) ，、fw】 5 1 电动搅拌器2 球形冷凝器 3 四口瓶4 加热套5 升降台6 温度计 7 铁架台8 试管夹 图2 1 反应装置图 f i g2 - 1t h ec h a r to fr e a c t i o ne x p e r i m e n te q u i p m e n t s 反应完毕后，采用蒸馏装置将溶剂蒸除。蒸馏装置见图2 2 。 第二章实验与分析 l 汽相温度计2 蒸馏头3 球形冷凝管4 接受管5 接收瓶6 支架台 7 三口瓶8 加热套9 升降台1 0 液相温度计1 1 铁架台 图2 - 2 蒸馏装置图 2 1 3 实验操作 f i g2 - 2t h ec h a r to f d i s t i l l a t i o ne x p e r i m e n te q u i p m e n t 6 在装有机械搅拌、球形冷凝器和温度计的5 0 0 m l 的- - - h 烧瓶中，加入一定 量的1 ，2 ，4 三氯苯，然后按比例加入溶剂，开动机械搅拌，加热达到设定温度 后，加入固体甲醇钠，然后在一定温度下反应一段时间。反应完毕后，蒸馏除去 溶剂，用气相色谱分析反应液中各组分含量。 2 2 分析方法 2 2 1 定量分析 本实验采用g c 7 8 0 0 气相色谱仪测定各组分的含量。 第二章实验与分析 g c 色谱分析条件： 色谱柱：d b 5 毛细管柱( 3 5 m 0 3 2 m m ) ； 检测器：f 1 d 检测器； 检测条件：柱箱温度1 5 0 ，进样口温度2 5 0 ，检测器温度2 5 0 ， 进样量o 2ul 上述条件下得到的组分的相对保留时间分别为： l ，4 二氯2 甲氧基苯：1 5 4 4 m i n ；副产物：1 6 2 2 m i n 气相色谱图如图2 3 所示。 车度 。 时问一一 1 1 o o1 2 o o1 3 o o1 4 0 01 5 0 01 6 o o1 7 o o 1 8 0 0 1 9 o d 图2 3 1 ，4 二氯一2 一甲氧基苯的合成气相色谱分析图 f i g 2 3t h ec h r o m a t o g r a ma n a l y s i so f t h es y n t h e s i so f b e n z e n e ，1 ，4 - d i c h l o r o 一2 - m e t h o x y - 2 - 2 2 定性分析方法 将反应液蒸馏除去溶剂后，进行i r 、g c m s 、1 h n m r 表征。 2 2 2 1 红外分析 仪器名称：美国尼高力5 6 0 e s p 付立叶变换红外光谱仪。 i r 分析条件： k b r 压片；分辨率0 0 9 c m ；扫描次数1 6 s ；光谱范围：4 0 0 0 - - 4 0 0 c m 2 2 2 2g c m s 分析 仪器名称：气相色谱质谱联用仪( h p 6 8 9 0 n h p 5 9 7 5i n e r t ) 色谱柱：k i p 5 m s 毛细色谱柱( 3 0 m x o 2 5 m m x 0 2 5 1 a m ) 1s 第二章实验与分析 柱温：初始5 0 0 c ，保持l m i n 后以5 0 c m i n 升到2 0 0 0 c ，保持l m i n ，1 0 0 c m i 升到2 5 0 0 c ，保持2 m i n 。 进样温度：2 0 0 0 c 载气：h e ，流量l m l m i n 离子源温度：2 3 0 0 c 电子能量：7 0 e v 电离方式：e i 扫描质量数范围：5 0 3 0 0a m u 2 2 2 31 h n m r 分析 仪器名称：v a r i a n 公司的i n o v a5 0 0 m h z 超导核磁共振仪 溶剂：氘代氯仿，内标t m s 磁场强度：1 1 7 5 t s l a 磁场漂移：3 h z h 灵敏度：正相探头：1 h 3 3 0 ：l 1 3 c 2 5 0 ：1 分辨率：1 h 0 4 5 h z 反相探头：1 h 9 0 0 ：1 分辨率： 1 h o 4 5 h z 1 6 第三章实验结果与讨论 第三章实验结果与讨论 3 1 二氯代甲氧基苯的合成原理 以l ，2 ，4 三氯苯和固体甲醇钠为原料制备1 ，4 二氯2 甲氧基苯( u ) 、1 ， 2 二氯4 甲氧基苯( v ) 、2 ，4 二氯1 甲氧基苯( w ) 。 反应方程式如下： c i c c i c i c i c c l c i o m e o m e c i 3 2 二氯代甲氧基苯合成工艺影响因素的考察 o m e c + n a c l + n a c l + n a c l 考察了物料配比、反应温度、反应时间以及溶剂的用量等各因素对二氯代甲 氧基苯合成工艺反应的影响。 ， 第三章实验结果与讨论 目标产物的收率= 茎堕垡塑冀墓嚣纂票产，。 3 2 1 物料配比对反应的影响 在反应温度为9 0 ，反应时间为2 小时的条件下，考察了物料配比n ( t c b ) ： n ( n a o c h 3 ) 分别为l ：l 、1 ：1 1 、1 ：1 2 、1 ：1 3 、1 ：1 4 、1 ：1 5 对转化率和 收率的影响，所得的实验结果见图3 1 。 1 0 0 9 0 0 0 7 0 芝0 0 斜 鉴 4 0 3 0 2 0 1 0 1 ：1 0 f i g 3 - 1 1 = 1 11 = 1 21 ：1 31 = 1 41 ：1 5 n ( t c b ) ：n ( na 0 c h 3 ) 图3 1 物料配比对反应的影响 e f 论c to f m o l a rr a t i oo f r a wm a t e r i a l so nt h er e a c t i o n 由图可以看出，从当物料比n ( t c b ) ：n ( n a o c h 3 ) 为1 ：1 开始，产物收率 逐渐增大，当物料比n ( t c b ) ：n ( n a o c h 3 ) 为1 ：1 3 时三种产物的收率达到最 高，此后再增加物料比各产物的收率基本保持不变，同时可以看到l ，4 二氯2 甲氧基苯的收率为7 3 左右，而1 ，2 二氯4 甲氧基苯与2 ，4 二氯1 甲氧基苯 的收率均约为1 2 ，在此条件下生成1 ，4 二氯2 甲氧基苯的反应更容易发生。 3 2 2 温度对反应的影响 在物料比为1 ：1 3 ，反应时间为2 小时的条件下，考察了反应温度分别为 8 0 c 、8 50 0 、9 0 * ( 2 、9 5 。c 、1 0 0 * c 、1i o 。c 、1 2 0 ( 2 时对转化率和收率的影响，所 第三章实验结果与讨论 得实验结果如图3 2 所示。 1 0 0 9 0 8 0 7 0 兽 、6 0 僻 娶5 0 日0 3 0 2 0 1 0 8 09 01 0 01 1 01 2 0 反应温度， 图3 2 反应温度对反应的影响 f i g 3 - 2 e f f e c to ft h et e m p e r a t u r eo nt h er e a c t i o n 由图可以看出，当反应温度为9 0 。c 时，1 ，2 ，4 三氯苯的转化率几近1 0 0 ， 1 ，4 二氯2 甲氧基苯收率最高，此后，随着温度的升高1 ，4 二氯2 甲氧基苯 的收率稍有下降，而1 ，2 二氯4 甲氧基苯与2 ，4 二氯1 甲氧基苯的收率稍有 上升，但变化不是非常明显。由此可以知道，温度相对较低时，有利于1 ，4 二 氯2 甲氧基苯的生成，温度相对较高时，有利于1 ，2 二氯4 甲氧基苯与2 ，4 二氯1 甲氧基苯的生成。 3 2 3 时间对反应的影响 在物料比为1 ：1 3 ，反应温度为9 0 。c ，考察了反应时间分别为1 小时、1 5 小时、2 小时、2 5 小时对反应转化率和收率的影响，所得实验结果见图3 3 。 第三章实验结果与讨论 1 7 0 掌 、 6 0 褂 擎 4 0 3 0 2 0 1 0 o 8 1 01 2 1 4 1 61 82 02 22 42 6 反应时间h 图3 3 反应时间对反应的影响 f i g 3 - 3 e 旋c to ft h et i m eo nt h er e a c t i o n 由图可以看出，当反应时间未达到2 小时的时候，随着反应时间的延长，三 种产物的收率均在增大，三氯苯的转化率也在增加。当反应时间2 小时后，随着 时间的延长，各产物的收率不再发生变化，通过对反应液的检测我们知道反应物 三氯苯在反应进行两小时的时候转化率已近1 0 0 ，原料只剩余过量的甲醇钠， 所以再延长反应时间，产物的收率不再增加。 3 2 4 溶剂用量对反应的影响 在物料比为l ：1 3 ，反应温度为9 0 * ( 2 ，反应时间为2 小时的条件下，考察 了溶剂用量对反应的影响，所的结果如图3 4 所示。 2 0 第三章实验结果与讨论 1 0 0 9 0 8 0 7 0 零 、 6 0 铸 塾6 0 4 0 3 0 2 0 1 0 t 0 01 2 01 4 01 8 01 8 02 0 0 溶剂质量百分比 图3 - 4 溶剂百分比对反应的影响 f i g 3 - 4 e f f e c to f t h ep e r c e n to f s o l v e n to nt h er e a c t i o n 由图可以看出，当固定其他实验条件，只改变溶剂比m ( t c b ) ：m ( s l t ) 的 情况下，当溶剂比m ( t c b ) ：m ( s l t ) 为l ：1 4 的时候三种产物的收率均达到最 高，当溶剂的量再增加时，要达到较高的目标产物的收率所需的时间明显延长， 且产物的收率不再增加。甲醇钠和1 ，2 ，4 三氯苯反应首先生成中间体，然后生 成目标产物，理论上增大溶剂的用量可以减少甲醇钠和l ，2 ，4 三