（应用化学专业论文）烟酸的合成和应用.pdf

哈尔滨：l ：程大学硕士学位论文 摘要 烟酸是尼古丁氧化后的产物，烟酸属于维生素b 族，是具有生物化学活 性的全部吡啶一3 一羟酸及其衍生物的总称。烟酸广泛应用于食品、饲料、医疗 等领域。烟草中含有一定量的尼古丁，烟酸最初就是通过氧化尼古丁得到的。 但是在工业上，多以烷基毗啶，如3 甲基吡啶、2 一甲基一5 一乙基吡啶以及喹啉 等为原料制备烟酸。从合成方法看，一般分为试剂氧化法、氨氧化法、气相 氧化法、电解氧化法、生物氧化法和吡啶羟基化法等。 本课题阐述了烟酸合成工艺、工业生产条件及在各个领域的应用。同时， 也讨论了相关的反应机理。 在本论文中，研究了采用空气氧化3 一甲基吡啶的方法合成烟酸。通过 实验，考察了各种因素对烟酸收率的影响。着重讨论了催化剂、反应条件对 反应的影响，并用相关机理进行解释。最后，在实验中筛选了不同类型的催 化剂，确定了4 3 4 催化剂，在温度3 3 0 3 5 0 ，空速3 5 0 0 5 0 0 0 h ，水与3 一甲基吡啶比例为4 0 9 0 倍时，粗烟酸收率可达8 0 一8 7 ，并为工业生产 提供了有益的参考。 关键词：烟酸；合成工艺：应用 哈尔滨一：程大学硕：l 学位论文 a b s t r a c t n i c o t i n et h a ts m o k et h es o u ri sat h i n gt oo x i d i z et h ee m p r e s s ， s m o k es o u rb e l o n gt ot h ev i t a m i nb ，a n di sa 1 1 b e n i g n i t yt o h a v e b i o c h e m i s t r ya c t i v i t i e sb a n d a g i n gi ss o u ra n di t s1 i r e s p a na r et o t a l t oc a l ls o u ra n de x t e n sj v ea p p l i c a t i o no fs m o k ei si nf o o d ，a n i m a lf e e d ， m e d i c a lt r e a t m e n t e t c r e a l m n i c o t i n e s m o k et h a tt o b a c c oi n s i d e i m p l yt h ef i x e da m o u n ti ss o u ra t t h eb e g i n n i n gi st op a s st oo x i d i z e w h a tn i c o t i n eg e t b u to nt h ei n d u s t r y ，m a n yw i t ht h ea l k y lb a n d a g i n g ， s u c ha sb a n d a g i n g ，e r g a d e b i d i n ga n dk u r e l i n g se t c h a v et h es m o k ef o r r a wm a t e r i a ls y s t e ms o u r f r o ms y n t h e s i z et h em e t h o dt o s e e ，a n d g e n e r a l l yi sd i v i d e di nt ot r yt oo x i d i z et h em e t h o d ，a m m o n i at oo x i d i z e t h em e t h o d ，s p i r i tt oo x i d i z et h em e t h o d ，e l e c t r o l y s i st oo x i d i z et h e m e t h o d ，l i v i n gc r e a t u r e t oo x i d i z et h em e t h o dw i t ht h e b a n d a g i n g h y d r o x y l e t c t h i se x p o u d i n gt h es m o k ei ss o u rt os y n t h e s i z et h ec r a f t ，i n d u s t r y t op r o d u c et h et e r ma n di nt h ea p p l i c a t i o no ft h ee a c hr e a l m a tt h e s a n l et i m e ，a l s od i s c u s s e dt h er e l a t e dr e a c t i o nm a c h i n et h em e t h o d i n t h i st h e s i s ，s t u d i e dt h em e t h o dt h a ta d o p t i o na i ro x i d i z eb a n d a g i n g s y n t h e s i z et h es m o k es o u r p a s st h ee x p e r i m e n t ，a n di n v e s t i g a t et h e e v e r yk i n do ff a c t o rt oi n f l u e n c es m o k es o u r - l ya c c e p tr a t e p u tg r e a t e m p h a s i so n e dt od i s c u s st h ec a t a l y s t ，r e s p o n dt h et e r mt oi n f l u e n c e r e a c t i o n ，c o u n t e r a c t t h er e l a t e dm a c h i n et o p r o c e e d s t o e x p l a i n f i n a l l y ，i nt h ee x p e r i m e n tw ec h o s et h ec a t a l y s to ft h ed i f f e r e n tt y p e ， a n dm a k es u r e4 3 # c a t a l y s t ，i nt h et e m p e r a t u r e3 3 0 s3 5 0 ，a i ra r e s o o n3 5 0 0 s5 0 0 0h s1 w a t e rw i t hb a n d a g i n gc o m p a r i s o ni s4 0 s9 0t i m e s ，t h et h i c ks m o k ei ss o u rt oa c c e p tt h er a t ec a na m o u n tt o 8 0 8 7 ，a n dp r o d u c e dt op r o v i d et h eb e n e f i c i a l t ot e s tf o ri n d u s t r y k e yw o r d s ：t h es m o k e i ss o u r ：s y n t h e s i z et h ec r a f t ：a p p l i e d 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 。1 概述 第1 章绪论 烟酸，即吡啶一3 一甲酸，分子式为c 。h 。n o ：，结构式为 分子量1 2 3 1 l ，俗称尼古丁酸( n i c o t i n i ca c i d ) ，外观白色或微黄色结晶粉 末，无臭或微臭，味微酸，密度1 4 7 3 8 9 c n 3 熔点2 3 6 2 3 7 ，溶于水、 沸乙醇中，不溶于乙醚。烟酸是尼古丁氧化后的产物，烟酸属于维生素b 族， 是具有生物化学活性的全部毗啶一3 一羟酸及其衍生物的总称。烟酰胺是它在动 物体内的重要存在形式。烟酸和烟酰胺在体内与蛋白质结合而形成辅酶，参 与机体氧化还原。烟酸是所有维生素中结构最得意、理化性质较稳定的一种 维生素，不容易被酸、碱、水分、金属离子、热、光、氧化剂及加工贮存等 因素破坏。j “ 烟酸、烟酰胺具有相同的维生素活性。是人类抗粉皮病因子，故缺乏烟 酸时，易患糙皮病。在医疗上，烟酸可用于糙皮病、舌炎、口炎及其他皮肤 病的防治。烟酸又是优良的防治心血管疾病的药物，促进细胞的新陈代谢， 可降低血浆甘油三酯，抑制胆固醇的形成，其许多酰类又具有降血脂的作用， 在国外早已受到重视。近年来，烟酸作为营养药物、食品及饲料添加剂中的 主要成分而得到更大的发展。烟酸在动物体内主要以辅酶i ( n a d ) 和辅酶i i ( n a d p ) 的形式参与机体代谢，在动物的能量利用及脂肪、蛋白质和碳水化合 物合成与分解方面都起着重要的作用。一般情况下饲料中的烟酸不能满足动 物需求，所以烟酸常用作营养型饲科添加剂，可有效地促进动物生长。”l 我国只有药厂自行配套，少量生产作医药中间体，年产量不超过2 0 0 吨。 江苏、山东正准备从国外引进千吨级装置，吉化公司也正积极着手同l o n z a 公司合资建设年产3 0 0 0 吨生产装置。这些装置的建成投产不仅可满足国内市 场，而且可参与国际竞争。 美国是烟酸、烟酰胺的最大消费国，占世界消费量的5 0 ，其中8 0 用 心 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作饲料添加剂，2 0 用于医药和食品添加剂。”由于美国烟酸、烟酰胺装置 能力有限，每年进口量约占消费量的6 5 7 0 。 西欧也是烟酸、烟酰胺的主要消费地区，每年消费7 0 0 0 吨左右，8 0 用 作饲科添加剂。口本国内消费量不大，产品主要供出口。 由于西欧、北美的饲料添加剂工业已经发展到相当高的水平，对烟酸、 烟酰胺的需求已趋于饱和，今后几年不会有明显的增长。“l 但是随着第三世 界国家食品结构的改变和饲料工业的发展，在今后一段时期内烟酸、烟酰胺 的市场需求仍会逐年提高。”1 掘美国b b t m a n 公司预测，近几年来以3 7 的 速度增长。”j 1 2 烟酸的性质简介 1 2 1 烟酸的物理性质 表1 1 烟酸的物理性质嘲 熔点( )2 3 6 2 3 7 升华温度( )1 5 0 结晶物密度( g c m 3 ) 1 4 7 3 水中离解常数k a 1 5 0 1 0 咄 ( 2 5 ) k b 1 0 4 1 0 一” 水中等电点p h 值 3 4 2 标准水溶液p h 值 2 7 o 8 6 水3 8 2 4 7 1 0 0 9 7 6 溶解度 o 5 7 乙醇 7 8 7 6 o 0 6 3 0 甲醇 6 2 3 4 5 0 2 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 1 2 2 烟酸的技术水平 表1 2 烟酸的技术水平。 外观白色结晶或结晶性粉末 溶解度在水中略溶，l ：1 0 0 水 熔点2 3 4 2 3 7 氯化物 o o l 重金属 o 0 1 硫酸盐o 0 1 干燥失重 0 5 灼烧残渣 o 1 含量9 9 5 1 0 0 5 氰化物不得检出 1 3 国内外烟酸合成的方法浅析 烟草中含有一定量的尼古丁，烟酸最初就是通过氧化尼古丁得到的。但 是在工业上，多以烷基吡啶，如3 甲基吡啶、2 甲基5 乙基吡啶以及喹啉等 为原料制备烟酸。“”从合成方法看，一般分为试剂氧化法、氨氧化法、气相 氧化法、电解氧化法、生物氧化法和吡啶羟基化法等。“o 1 3 1 试剂氧化法 试剂氧化法是发展最早的制备烟酸的方法之一，使用的氧化剂有k m n 0 4 、 h n 0 3 或n 0 2 、浓h 2 s 0 4 ，或s 0 3 、0 3 或h 2 0 2 等，其中以h n 0 3 做氧化剂最为 普通。3 甲基吡啶、2 一甲基一5 一乙基吡啶、喹啉以及6 ，羟基喹啉均可在上述氧 化剂作用下生成烟酸。“2 1 哈尔滨上秽火学硕士学位论文 厂、r m 型坠璺些土 、嗽 率b 2 争f ( 1 ! ! 墅婪型2 1 = 墨鲤9 毛 啦率7 6 7 7 蹦，纯度9 9 棚 ! ! 墅墨翌2 1 一皇墨= 苎墨 空气1 6 0 1 8 0 n 2 c 0 3 收率6 7 蹦，钝度9 9 州“) r r h 试剂氧化法具有操作灵活、一次性投资少、氧化剂来源多样的优点，但 是这一方法一般需较高的温度、反应选择性差、收率低、三废污染严重、纯 度和色泽欠佳，西欧和北美、日本等工业发达国家已经淘汰。3 1 3 2 氨氧化法 氨氧化法主要是以3 一甲基吡啶或2 一甲基5 乙基吡啶为原料，在催化剂作 用下，与氨和空气的混合物进行高温氧化，生成吡啶脂，然后在碱性条件下 水解得烟酸。 了m 一中。一c 广 蠢q 该法所用的催化剂多为钒的氧化物。例如：采用4 0 的v 2 0 5 做催化剂 的活性组分，以s i 0 2 一a 1 2 0 3 ( 8 7 ：1 3 ) 做载体制得的催化剂粒径为6 0 d ： l 隙 率为o 7 5 c m 3 g ，比表面积为2 0 0 0 m 2 g ，在4 4 0 下氨氧化2 一甲基一5 一乙基 吡啶，取得了较好的收率。另据报道，以钒和钛氧化物为催化剂活性组分在 3 0 0 4 c 下通入1 0 0 0 l 空气、2 5 0 l ( 氨气) l ( 催化剂) h ，l o o g 的口甲基 吡啶得到9 5 的口腈基吡啶。也有报道，以氧化锡、氧化钨做v 2 0 5 的助催 4 寸了 亡m 嗡尔滨：【：程大学硕士学位论文 纯秀 j 取褥了较好的收率。“3 得到的化合物一般在n h 3 水溶液或n a o h 水溶液中于定的压力下进 行水解。亦或在a c o h 或e t c 0 2 h 中承解。其中德国人m u e l l e ra 1 e x a n d e r 的方法最为可敬。n ” 照! 竺璺：竺! = ! 曼! 蔓 o 1 4 7 01 9 蝣，沮l 1 c o t ) h 氨氧化法原料价廉易得，可连续他大规模生产。“”谯常压戏低压下反应， 产率高，纯度离生产安全可靠，楚工业一l $ 1 备烟酸广泛采用的工艺方法。 其明显缺点是从娠料烷基娥犍裁零产品 i l 要至少两步独立的纯学复成，加大 了设备投资。 1 3 3 气相氧化法 气秘氧纯法鼹特点是戳空气或鬻氧空气敲氧毽裁，在僮诧囊鼍搀翅下。氧 化3 一甲基吡啶制得烟酸。“”该法初期是把空气通入装有催化剂的烷基吡嚏 溶液中，近年 戴是匏3 一译基醺淀气鞠亿与空气一怒运天装有催能翔的薷 式固定床反应器中，通过气固反应进行氧化。 气稠氧化法所采用的催化剂多为钒的氧化物( v 2 0 5 ) 与铬、锰等过渡金属 化合耪熬组台物。以8 l0 霹熬s i c 擞载髂。以锻、铬、锡和镑豹氧化物徽壤 化剂的活性组分( v ：c r ：s n ：p h = 1 0 0 ：7 5 ：4 ；l m o l ，在3 9 0 和空气2 0 0 l 静条律下。氧傀3 一甲基躐啶褥弱潮酸牧率8 6 。8 。缝度9 8 。利用v 2 0 5 与t i 0 2 和a 1 2 0 3 、n i o 做催化剂，其中v ：t i = 1 0 7 ：l ( m 0 1 ) 。在3 3 5 * ( 2 下。 用4 0 e m 3 上述催亿剂处理3 甲基吡啶的水溶液。空气通入黛7 0 5 l h ， 反应l h ，烟酸收率8 1 2 ，转化率9 6 。1 。另据报道，以v 2 0 5 鞠b 2 0 3 做活性组分，以t i 0 2 做载体，用5 0 0 m l 此种催化剂装入管式反应器中，通 空气8 0 0 l h ，趱2 一帮基一5 一乙綦蘧乏蓰傲添辩，逶遂浓痉为3 0 6 9 m 3 空气， 再通以3 5 9 蒸汽g 原料，在2 8 6 。c 下反应，烟酸收率为6 6 。武汉化工研 究所甭v 和m n 等辙催纯帮j 的活幢维分，反应条件为3 3 0 、3 0 0 0 屈一、3 甲基毗啶浓度为0 。0 1 6 3 9 l ，收率6 1 ，精制簌烟酸纯度9 9 。 i 喻尔滨r 程人学硕士学位论文 虽然气稆鬣纯法鹣专零l 报道眈较活跃。迄今为丘尚朱有任嚣实麓鼢报_ i 鬟。 尽管如此，气相氧化法仍不失为一种具有潜在发展前途的方法。由于采用空 气做氧化剂，催化剂可长期循环使用，且一步氧化到位，比氨氧化法污染更 小。是一黜低成本、麓效率、可与氨氧化法竞争的有光明前景的工蕊。 1 3 ，4 电解氧化法 电解氧化法是化工生产中应用比较多盼工艺，氧化剂相对便宜，反应条 件湿窝，毒牲污染小；瘸子铡备烟骏是一耱毒裁途懿方法。在3 蛰年代就受到 人们的重视。e j 本的y o k o y a m a 和前苏联的s s kr u g l i k o v 等人做丁大量 的基础性研究，然而早期豹麓究成果不足以使这一方法工业化，这是因为当 h e 的技术都存薇电解横工作效率低、收率低f 仲一c + 伯一c + c h 3 + 因而发生异裂由易到难的顺序是 叔c c l 仲c c l 伯c c l c h 3 一c l 所以，叔丁基氯的水解要比氯甲烷容易得多。 当正离子相同时，阴离子离去基团稳定性的高低，将是判断键的异裂难 易的重要依据。例如，以下含叔丁基的化合物发生异裂的难易顺序是 ( c h 3 ) 3 卜c l ( c h 3 ) 3 c _ 0 a c ( c h 3 ) 3 c _ o h 这一顺序恰好与酸的强弱顺序是一致的。 2 1 2 键的形成 键的形成一般有三种情况。 2 1 2 1 两个游离基结合成键 两个游离基结合成键可看做是均裂的逆反应，如两个氯原子可重新结合 成氯分子 2 c l 一c 1 2 这一反应的活化能很低，通常均可快速进行。然而对于一个游离基反应来说， 1 3 哈尔滨。l 删人学硕士学位论文 由于中性分子的浓度远远大于游离基，因而链的传递反应将优先于链的终止 反应。 需要指出的是，并非所有的游离基质点都非常活泼，事实上也有一些游 离基是比较稳定的。例如，由氯原子与氧分子所构成的质点便是不活泼的， 这也f 是在进行甲苯侧链氯化时不宜采用含氧氯气作氯化剂的原因。 c l + 0 2 一c 1 锡 21 2 2 两个带相反电荷的质点结合成键 两个带相反电荷的质点结合成键可看做是异裂的逆反应。例如 ( c h 3 ) 3 c + + c 1 一一( c h 3 ) 3 c _ c l 山于正负电荷相互吸引，这一成键反应很容易进行。但是对于价键已经饱和 的f 离子，如季铵离子【( c h 3 ) n 则不能再与负离子结合生成共价键。季 铵离子在溶液中是稳定的离子，因为季氮原子不再具有能够接受两个电子的 空轨道。 2 1 2 3 一个离子与一个中性分子成键 当中性分子的某一原子上包含有一对共用电子对，它能与正离子成键； 当中性分子中具有可接受电子对的空轨道时，它能与负离子成键。例如 ( c h 3 ) 3 c + + h 2 0 一( c h 3 ) 3 c o h 2 c 1 一+ a i c l 3 ，a l c l 4 一 能够从其他化合物中接受一对电子成键且带有正离子或缺少电子的分子 称做亲电试剂；能够供给一对电子给其他化合物成键且带有负离子或末共用 电子对的分子称做亲核试剂。例如，在下面的反应中，醋酸根离子便是亲核 试剂。 ( c h 3 ) 3 c + o a c 一一( c h 3 ) 3 c o a c 2 1 3 断键与成键同步发生 1 4 哈尔滨上程入学硕士学位论文 按照过渡态理论，在完成某一化学反应时，常常首先是一个或多个键发 生部分断裂，与此同时，一个或多个键将部分形成。断键所需要的能量可部 分由成键时所释放的能量提供。断键与成键同步发生的反应可以有以下两种 情况。 2 1 3 1 断裂一个单键，形成一个单键 c n 一+ c h 3 i 一 c n c h 3 i 一c h 3 c n + i 一 过渡态 当c n 一向c h 3 i 靠近时，c i 键减弱，与此同时，新的c c 键部分形成， 即形成过渡态结构，进一步作用后得到碘离子。反应是通过c n 一向碳原子 发生亲核攻击，在形成一个新键的同时，使另一个键发生异裂。 2 1 3 2 一个双键转化成单键( 或三键转化成双键) a + c h 2 一c h 2 + h c i 一 c h 2 一c 2 h c l a 一 一 + c h 2 一c h 3 + c l 一一c 2 h 5 c l 与此同时，形成一个单键 2 1 4 分子内重排 分子内熏排是指在分子内产生的基团重排，专常是通过基团的迁移，使 得该分子从热力学不稳定状态转化为热力学稳定状态。这种迁移有以下三种 情况。 2 1 4 1 基团带着一对电子迁移 例如 h ：一c h 3 亡一2 = c h 2 h 3 原因是叔碳正离子比伯碳正离子稳定。据此可解释3 ，3 一二甲基一2 一 丁醇的脱水反应生成的主产物是2 ，3 一二甲基2 一丁烯。 + c 心 一 巩 c j c f c b l c 哈尔滨l 程人学硕士学位论文 ( )3cghch3二竺笔(ch3ch3c h 3 ) 2 年一己h c h 3 ( ) 3 c 一午h c h 3 = 面一( ) 2 午一ch c h 3 一 o h c h 3 符h 2 ( c h 3 ) 2 c c ( c h 3 ) 2 + c h 3 一c c h ( c h 3 ) 2 ( 大量)( 小量) 2 1 42 基团带着原来键中的一个电子迁移 例如 ( 孓h 5c 6 h 5 c 6 h 5 一譬一c h 2 一c 6 h 5 一e 一亡坞 c 6 h s 己h 5 原因是右式中的游离基可以离域到两个相邻苯环，从而增加了它的稳定性。 21 4 3 基团迁移时不带原来的键合电子 例如 一f h 3下h 3 c 6 h 5 一c h o c 6 n 5c h o 一 原因是氧负离子要比碳负离子稳定，因而从热力学不稳定状态重排到热力学 较稳定的状态。 2 1 5 电子传递 一个有强烈趋势释放出一个电子的质点能够通过电子转移与一个具有强 烈趋势接受电子的质点发生反应。例如，下式中的r 0 o h 是电子接受者， 而二价铁离子则作为电子供给者，二者可进行氧化一还原反应。 f e 2 + + r o o h - f e 3 + + r o - + o h 一 又如，三价铁离子遇苯酚则进行以下反应 f e 3 + + p h o h 一f e 2 + 4 - p h o + h + 丙酮从镁原子接受一个电子，生成负离子游离基，通过二聚、酸化，即得到 产物。 哈尔滨j ：程人学硕士学位论文 2 ( c h 3 ) 2 c o 旦2 ( c h 3 ) 2 ：- - o 一一( c h ，) 2 c 。- - o 一、 旦 1 m 矿+ ( c h 3 ) 2 c o 一 。 车 b $ h j li c 坞一c _ 一年一c h 3 l1 o ho h 2 2 有机合成反应的分类 有机反应的分类有几种不同的方法，最常见的是按反应的类型分；还有 的按产物的结构分；也有的按有机化合物的转化状况分。 2 2 1 加成 加成反应可分为两种：一种是亲电加成：另一种是亲核加成。 2 。2 1 。1 亲电加成 最常见的例子是烯烃的加成。这个反应分为两个阶段，首先是生成碳正 离子中间产物它是速率控制步骤。 r c 降c h 2 + h c l 卫r 古h _ c h 3 + c i 一然后是 r 己h c 耳+ c l 一ir g h c h 3 占l 如果烯烃双键的碳原子上含有烷基，则在受到亲电试剂攻击时，连有更 多烷基取代基的位置将优先生成碳正离子。这是由于供电子的烷基可使碳正 离子稳定化。 ( c h 3 ) 2 c c h c h 3 + h c l ( c h 3 ) 2o c h 2 c h 3 + c 1 一( c h 3 ) 2 c - - c h 2 c h 3 i c l 反之，吸电子基团能降低直接与之相连的碳正离子的稳定性。例如 0 2 n c b c h 2 + h c l 一0 2 n c h 2 一己h 2 + c i 一一0 2 n - - c h 2 c h 2 c 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当烯烃受到亲电试剂攻击生成中间产物碳正离子以后，存在着质子消除 和亲核试剂加成两个竞争反应。在加成反应受到空间位阻时，将有利于发生 质子消除反应。例如 ( c 6 h ，) 3 c c c h 2 ! i i c t l 3 ( c 6 h 5 ) 3 c 一宅一c h 2 b r 生 c h 3 棚执c 一霄c h 2 肼+ c 6 m 5 ) 3 c 一午一c h b r c h = c h 3 含有两个或更多共扼双键的化合物在进行加成反应时，由于中间产物碳 正离子的电荷可离域到两个或更多个碳原子上，得到的产物常常是混合物。 例如 c h 2 一c h c h c h 2 土：+ c h 2 一c h 一乏h - - c lh 2 一己h 2 c h c h g h 2 由r 占， n ， 。 c 如一a 一f 卜f h 2 + f h 2 一c 一c 卜宁啦 b rb rb r b r 2 2 1 2 亲核加成 醛和酮常常能与亲核试剂发生亲核加成反应，其中亲核试剂的加成是速 率控制步骤。其反应通式为 r 2 c 一。+ c n 一卫心r 。一啬r z f 一。h + 。h c nc n 在碳基邻位有大的基团存在时，将阻碍加成反应进行。芳醛、芳溺的反应比 脂肪族同系物要慢，这是由于在形成过渡态时，破坏了碳基的双键与芳环之 间共扼的稳定性。芳环上带有吸电子基团，可使加成反应容易发生，而带有 供电子基团，则对反应起阻碍作用。 存在于酸、酰卤、酸酐、配和酰胺分子中的碳基也可接受亲核试剂的攻 击，但得到的产物不是添加了质子，而是脱去了电负性基团，因此，这个反 应也可看成是取代反应。例如，酰氯的裂解就是通过脱去氯离子而得到羧酸 的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r c o 十o h 一一r ! = b 一二! l r - - c 0 2h 兰兰r - - c o _ ； 占夯 2 2 2 消除 消除反应可分为两种，即b 一消除和a 一消除。 卢一消除 a 一 肖除 一c c li ab l 一( 二一a b 2 2 2 ，1 b 一消除 b 一消除反应历程有双分子历程( e 2 ) 和单分子历程( e 1 ) 两种双分子b 一消除反应： ( i i c ll c ：h 5 。、h h 一l 一c 一+ c = h s o h 一- -l f h s r 一- 一_ 随着催化剂碱性的增强，反应速度加快；带着一对电子离开的第二个消除基 团的能力增大，也使反应速度加快。参加e 2 反应的卤烷，其反应由易到难 的顾序是一i 一b r 一c i f 。这是由于键的强度顺序是c i c b r 伯。例如 ( c h 3 ) 3 c b 。 ( c h 3 ) 2 c h b r c h 3 c ：h 2 b w ( c h 3 ) 2 c t c = h 2 c 】 i 3 c 蕾一c h 2 c h 2 一c h 2 当新生成的双键与已存在的不饱和键处于共扼体系时，则消除反应更容易发 生。例如 h c h 3 仲 伯，离 去基团的性质对反应速度的影响与e 2 相同。 当同一个化合物存在两种消除途径时，其中共扼性较强的烯烃将是主要 产物。例如 宁h 3 c h 3 一r a c h 3 卜c h 3 + c l 一 c h 2 c h 3c h 2 c n 3 ( c h 3 ) 2 c c h 卜c h 3 + c h 2 = c c h j l c h 2 c h 3 4： 1 与e 2 反应一样，反应之间也存在着相互竞争。除此以外，也有可能发 生碳正离子的分子内重排。 2 2 2 1q 消除 a 一消除反应相对要少得多。氯仿在碱催化下可发生n 一消除反应，反 应分成两步，其中第二步是速率控制步骤。 c h c l _ t + o h ；一c c l 3 - - + h 2 0 c c l 3 一堡一= c c l 2 = 氯破烯 二氯碳烯是活泼质点，但不能分离得到，在碱性介质中它将水解成酸 2 0 x+ 一 + c hfl 昱 x lclhii 一 生 u ihil 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h o 一+ ：c c h + h o 一c l 塑h c 0 2 h 旦二h c 叼 2 2 3 取代 连接在碳上的一个基团被另一个基团取代的反应有三种不同的途径，四 步取代、先消除再加成和先加成再消除。 2 2 3 1 同步取代 参加同步取代反应的试剂可以是亲核的或亲电的，而原子与游离基则不 能直接在碳上发生取代反应。 s m 2 反应的通式是 n u ：奔互一n u - - + l e 式中：n u 亲核试剂； l r 离去基团。 2 2 3 2 先消除再加成 当碳原子与一个容易带着一对键合电子脱落的基团相连接时，可发生单 分子溶剂分解反应。例如 ( c h a ) 3 c c l 一( c h 3 ) 3 c + + c i 一 ( c h 3 ) 3 c + + h 2 0 ( c h 3 ) 3 c 一6 h 2 二氅( c h 3 ) 3 c o h 分子上若带有能够使碳正离子稳定化的取代基，则反应容易进行。对于卤烷 而言，其活泼性顺序是叔 仲 伯。 s n i 溶剂分解反应与e 1 消除反应也是相互竞争的，e 1 s n l 之比与离去 基团的性质无关，因为二者之间的竞争发生在形成碳正离子以后。例如 ( c h 3 ) 3 c c l 峨o c 2 地o h ( c h 3 ) 3 c o h + 8 3 ( c h 3 ) 2 c c h 2 1 7 2 2 3 3 先加成再消除 当不饱和化合物发生取代反应时，一般要经过先加成再消除两个阶段， 比较重要的反应有碳基上的亲核取代和在芳香碳原子上的亲核、亲电与游离 2 基取代。 2233 1 碳基上的亲核取代 羧酸衍生物中的碳基与吸电子基团相连接时，容易按加成一消除历程进 行取代反应。 9试o r 一些一c - + 。h 一。r 一士b - r 一兽一一r c 。； 酰基衍生物的活泼顺序是酰氯 酸酐 酯 酰胺。 强酸对羧酸的酯化具有催化作用，其原因在于可增加羰基碳原子的正电 性。 r l 。h 当卜l 6 碣型卜e 6 飓；坠：坠卜l 。r 22 3 3 2 芳香碳上的亲核取代 卤苯本身发生亲核取代要求十分激烈的条件，在其邻、对位带有吸电予 取代基时，反应容易得多。 2 23 3 3 芳香碳上的亲电取代 芳环与亲电试剂的反应按加成一消除历程进行。大多数情况下第一步是 速率控制步骤，如苯的硝化反应；也有一些反应第二步脱质子是速率控制步 骤，如苯的磺化反应。 与烯烃的亲电加成反应相比较，一个重要的区别是由烯烃与亲电试剂作 用所生成的碳正离子，正常情况下将继续与亲核试剂进行加成，而由芳香化 合物得到的芳基正离子，则接下来是发生消除反应。其原因在于脱质子可恢 复环的芳香性。另一个重要区别是亲电试剂与芳烃的反应比烯烃要慢，如苯 与溴不容易反应，而烯烃与溴立即反应，这是因为向苯环上加成，要伴随着 失去芳香稳定化能，尽管在某种程度上可通过正离子的离域而得到部分稳定 化能的补偿。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 3 3 4 芳香碳上的游离基取代 与亲核试剂和亲电试剂一样，游离基或原子与芳香化合物之间的反应也 是通过加成消除历程进行的。 2 2 4 重排 重排反应可分为分子内重排与分子问重排两类。 2 24 1 分子内重排 例如 f h 3c i h 3 c h 3 c h 3 一一c 地一b r c h 3 - - c - - c + h 2 c m c + - - c lh 2 旦蝶 c h 3c h 3 亡h ， ( c h z ) 2 c c h c h 3 + ( c h 3 ) 2 c - - c h 2 c h 3 i o e t 反应的主要特征是： 发生迁移的推动力在于叔碳正离子的稳定性大于伯碳正离子。 其他能够产生碳正离子的反应，当通过重排可得到更稳定的离子时 也将发生重排反应。例如 c h 3 一g c h c h 3 _ o( c h 3 ) 2e c h ( c n 3 ) 2 ii c h 3 i 位于b 碳原子上的不同基团在发生迁移时。其中最能提供电子的基团 将优先迁移到碳正离子上。如苯基较甲基容易迁移。 位于b 位上的芳基不仅比烷基容易迁移，而且能使反应加速，因为迁 移是速率控制步骤。 2 2 4 2 分子间重排 严格来讲，分子间重排并不代表一种新的历程类型，而是上述过程的组 一 心 c 一 + c 贮 一 心 c 也 c 一 如 c c 如 一 坞 c i c i c b旺 啥尔滨工程大学硕士学位论文 i i 合。铡如，在麓酸催化下氯乙溉苯胺的重排反应，首先是通过置换生成氯， 而后氯与乙酰苯胺发生亲电取代。 2 3 本章小结 本章蘑述了濯酸合成反疲类型夔选撵，键熬錾裂、键豹形残、甄键与城键 同步发生、分子内重摊、电子传递等基元反应过程；并对反应机理进行了一一 分析。讨论了有机反殿的类型及机理。 哈尔滨t 程火学硕士学位论文 第3 章实验方法 3 1 主要技术指标及检测方法 3 1 1 方法提要 经过氧化生成烟酸及非酸性杂质，所生成的烟酸可用酚酞作指示剂，氢 氧化钠作标准溶液，滴定测其含量。 3 1 1 1 试剂 表3 1 原料与试剂 试剂浓度规格 氢氧化钠 o 1 n分析纯 酚酞 l 3 1 1 2 仪器 表3 2 仪器 仪器规格 天平万分之一 三角烧瓶2 5 0 毫升 碱式流定管5 0 毫升 称量瓶1 0 2 0 毫升 3 1 2 称量步骤 用差减法称量样品0 3 克左右( 称准至o 0 0 0 2 克) ，加5 0 毫升不含二氧化 碳蒸馏水，加热溶解，取下冷却，加3 滴酚酞，用标准的氢氧化钠滴至粉红 色，3 0 秒不退色为终点。 3 1 3 实验注意事项 l 、设备保温、电加热 将所有设备按要求进行保温，及电加热的安装，使温控系统运转正常、 2 5 哈尔滨工秽大学硕士学位论文 安全。 2 、咀水代料对料罐，水罐及进料系统进行校正和气密性检验。 3 、开蒸汽对系统用蒸汽的设备管路在压力下进行气密性试验。 4 、检查气路 ( 1 ) 检查空压机的运转情况 ( 2 ) 检查空气自空压机到转子流量计至尾气吸收管出口间管路及设备密 封情况。 5 、熔盐升温 熔盐循环管及氧化反应器采用温控及调压器由上至下慢慢加热升温，将 温度升至2 0 0 。 6 、开熔盐泵 检查熔盐泵与电机联结部是否牢固； 检查轴冷却水是否畅通； 盘车轻且无响动，确认无间隙时开动熔盐泵。 7 活化催化剂 当熔盐温度升至4 5 0 。c 时，由反应器通入3m h 的空气在此条件下维持 8 小时，后降温至3 4 0 。 3 2 正交实验法 3 2 1 基本概念 正交试验法也叫正交试验设计法，它是用“正交表”来安排和分析多因 素试验的一种数理统计方法。这种方法的优点是试验次数少、效果好、方法 简单、使用方便、效率高。 在比较复杂的问题中，往往都包含着多种影响因素。我们把准备考察的 有关影响试验指标的条件称为因素，例如，有机合成中的原料配比、温度、 时间等。把在试验中准备考察的各种因素的不同状态称为水平，例如，试验 中某组分的不同含量( 或比例) 、不同温度等。为了寻求最优化的合成条件， 就需要对各种因素以及各种因素的不同水平进行试验。 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 能否在- - + 部分试验的基础上，通过分析就获得问题的圆满解决昵? 正交 试验法可以帮助我们。正交试验法就是告诉我们怎样合理安排试验和科学分 析试验，从而可以减少试验次数，缩短周期，并且得到理想的结果。 3 2 2 正交表 3 2 2 1 定义 最简单的证交表是l 4 ( 2 3 ) ，含意为：“l ”代表正交表；l 下角的数字4 表示有4 横行，简称行，即要做4 次试验；括号内的指数“3 ”表示有3 纵列， 简称列，即最多允许安排的因素是3 个；括号内的数“2 ”表示表的主要部分 只有两种数字，即因素有两种水平1 与2 。 表3 3l 。( 3 1 ) 实验号 1234 l111l 21222 3133 3 42l23 5223l 623l2 73132 83213 9 3321 3 2 2 2 正交表的选择 选择正交表的原则，应当是被选用的正交表的因素数与水平数等于或大 于要进行试验因素与水平数，并且使试验次数最少。 例如，对于一个有机合成实验，其影响因素有a 反应温度、b 反应时问、 c 原料配比、d 催化剂用量，如果需要在4 个不同水平进行试验，如表3 4 所示，则需要进行大量的交叉试验，但要设计成正交试验，则只需进行1 6 个试验就能说明问题了。 哈尔滨丁挫大学硕十学位论文 表3 4 温度时问正交实验 水平a ( 温度) b ( 时间) hc 原料比d ( 催化剂用量) 15 01 5l ：1 2 3 o 26 02 0l ：1 5 4 o 37 02 5 l ：1 85 0 48 03 0l ：2 06 0 3 2 3 试验计划的制订 具体的试验方案是在正交表头的l 、2 、3 列上分别写上因素a 、b 、c ， 再加上一个空在表的各因素列中，分别将水平数字l 、2 、3 表示该因素的l 水平、2 水平和3 水平，等。这样就得到一张试验计划表，如上述试验见 表3 5 。在按表做完1 6 次试验之后，i 可以把每次试验结果分别填入表最后 一列( 空列) 中。 直观分析法又名极差分析法，它是对试验结果( 数据) 进行处理分析的基 本方法，主要包括以下三个步骤： 确定同一因素的不同水平对试验指标的影响。首先计算4 因素4 l 水 平在试验方案中的指标( 如收率) ，再取平均值；同时求出了巳、日； 并分别确定各因素的最好水平。 级差分析，确定各因素对试验指标的影响。最好水平与最差水平之差 称为级差用r 表示。对a 因素来说，极差r l = 口最厂小o 最优工艺方案的确定。根据每个因素的各水平之问的极差值大小，确 定哪个因素为主要的。r 大时，它便是主要因素，r 小时，它便是次 要因素，然后再根据所得出的各因素的最好水平最后得出最优工艺 条件。 如上例，由表3 4 可知，影响收率的最大因素是反应温度，其次是反应 时间，而配料牛甲催化剂用量对产品收串的影响较小。最佳反应条件为7 0 。c ， 2 5 h ，配料比为1 ：1 5 ，催化剂用量为4 ，在此条件下进行试验，最高收率 可达5 6 2 。 3 3 催化剂的制备工艺 哈尔滨工程人学硕士学位论文 3 3 1v c r s n s b 系列催化剂制备 33 1 1 催化剂溶液的制备 将烧杯中装入l o o m l 蒸馏水，加热到4 0 6 0 。c ，放入适量草酸，待完全 溶解后，慢慢加入偏钒酸铵，全部溶解后，把重铬酸三氧化二锡加入盐酸溶 液，同时将四氯化锡加入，搅拌后，形成透明深蓝色溶液。 3 3 12 催化剂的喷涂 取碳化硅球5 0 9 ，放入加入转鼓中，待温度上升到2 4 0 。c 时开始喷涂，直 到喷完。喷完后，把催化剂在炉上放嚣干燥后，称量，使增重达到7 左右。 3 3 1 3 催化剂的焙烧 将喷好的催化剂放置到马福炉中，在7 0 0 c 下焙烧4 小时。 3 3 2v c r s m - s b 组分催化剂 3 3 2 1 催化剂溶液的制备 将烧杯中装入l o o m l 蒸馏水，加热到4 0 6 0 。c ，放入适量草酸，待完全 溶解后，慢慢加入偏钒酸铵，全部溶解后，把重铬酸三氧化二锡以盐酸溶液 及四氯化锡加入，搅拌后，形成透明深蓝色溶液。 3 3 2 2 催化剂的赜涂 取碳化硅球5 0 9 ，放入加入转鼓中，待温度上升到2 4 0 。c 时开始喷涂，直 到喷完。喷完后，把催化剂在炉上放置干燥后，称量，使增重达到7 左右。 3 3 2 3 催化剂的焙烧 将喷好的催化剂放嚣到马福炉中，在5 0 0 6 5 0 。c 下焙烧5 小时。 3 3 3v o r s m - p b 催化剂的制备 将体系溶液配制之后，碳化硅球5 0 9 浸在溶液中，在坩锅中慢慢加热， 并不停搅拌，直到水份蒸干为止。称重后，在7 2 0 。c 下焙烧6 小时。 3 3 4 纯钒催化剂的制备 3 ，3 4 1 催化剂溶液的制备 将烧杯中装入1 0 0 蒸馏水，加热到4 0 6 0 c ，放入适量草酸，待完全溶 哈尔滨l 程大学硕士学位论文 解后，慢慢加入偏钒酸铵，全部溶解后，把重铬酸三氧化二锡以盐酸溶液及 四氯化锡加入，搅拌后，形成透明深蓝色溶液。 3 3 4 2 催化剂的喷涂 取碳化硅球5 0 ，放入加入转鼓中，待温度上升到2 4 0 时开始喷涂，宜 到喷完。喷完后，把催化剂在炉上放置干燥后，称量，使增重达到7 左右。 33 4 3 催化剂的焙烧 将喷好的催化剂放置到马福炉中，在7