（化学工艺专业论文）过氧化氢氧化β甲基萘制取β甲基萘醌的工艺研究.pdf

鞍山科技大学硕士论文 摘 要 摘要 2 甲基一l ，4 萘醌( 简称b 一甲基萘醌，又称维生素k 3 ) 是合成k 系维生素的 重要中间体，被广泛的用作饲料添加剂。传统的生产工艺是用铬化物氧化6 - 甲基 萘制备b 甲基萘醌，此工艺在生产过程中会产生大量的含铬废水，处理繁杂困难， 对环境污染十分严重，并且原料消耗大，成本高，反应过程中的副产物6 甲基1 ， 4 一萘醌未能加以彻底分离和利用。 本课题研究了一种新颖且环境友好的1 3 甲基萘醌的合成方法。在不添加任何 催化剂的条件下，以冰醋酸为溶剂，用过氧化氢氧化p 一甲基萘制取p 甲基萘醌。 探讨了该工艺的可行性，分别考察了反应温度、反应时间、冰醋酸用量、过氧化 氢用量以及无水硫酸镁用量对实验结果的影响。在单因素研究的基础上，用二次 回归正交优化设计考察了反应温度、反应时间及过氧化氢用量三个因素对实验结 果的影响，获得了较佳的合成条件和二次回归模型。通过检验，确定了模型的可 靠性和应用的有效性。 该工艺具有无环境污染、技术简单、操作条件温和、原料易得等特点。该工 艺为1 3 甲基萘醌的生产开辟了一条绿色的合成路线。 关键词：2 甲基萘，2 一甲基1 ，4 萘醌，过氧化氢，回归正交设计 鞍山科技大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 2 - m e t h y l 一1 ，4 - n a p h t h o q u i n o n e ( f o rs h o r t ， 3 - m e t h y l n a p h t h o q u i n o n e ，a s w e l la s b e i n gc a l l e dv i t a m i nk 3 1i sa ni m p o r t a n ti n t e r m e d i a t ei nt h es y n t h e s i so fv i t a m i nk i t h a sb e e nl a r g e l yu s e da sf e e da d d i t i v e i nt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s ， 3 - m e t h y l n a p h t h a l e n ei s o x i d i z e dw i t hs o l u t i o no fc h r o m i ca c i dt og i v e1 3 - m e t h y l n a p h t h o q u i n o n e h o w e v e r ，a g r e a td e a lo fw a s t ew a t e rw i t hc h r o m i u mw i l lb ep r o d u c e di nt h ep r o c e s s ，w h i c hi sv e r y s e r i o u st oe n v i r o n m e n t a tt h es a m et i m e ，t h er a wm a t e r i a lc o n s u m p t i o ni sg r e a t ，w h i c h l e a dt ot h e h i g h p r o d u c t i o nc o s t f u r t h e r m o r e ，b y - p r o d u c t6 - m e t h y l 一1 ， 4 - n a p h t h o q u i n o n ew i l lb ep r o d u c e d ，w h i c hi sd i f f i c u l tt ob es e p a r a t e dc o m p l e t e l ya n db e u t i l i z e ds o l e l y w e s t u d y an o v e la n d e n v i r o n m e n t a l l yb e n i g ns y n t h e t i c r o u t ef o r p - m e t h y l n a p h t h o q u i n o n e s y n t h e s i so f1 3 - m e t h y l n a p h t h o q u i n o n ew i t h o u ta n yc a t a l y s ti n t h ec h 3 c o o h h 2 0 2s y s t e mb yo x i d a t i o no f1 3 - m e t h y l n a p h t h a l e n ei sr e s e a r c h e d w e h a v ed i s c u s s e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h et e c h n o l o g y t h ee f f e c t so fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ， r e a c t i o nt i m e ，t h eq u a n t i t yo fg l a c i a la c e t i ca c i d ，t h eq u a n t i t yo f h y d r o g e np e r o x i d ea n d t h eq u a n t i t yo fm a g n e s i u ms u l f a t e a n h y d r o u so nt h e r e s u l t so fe x p e r i m e n ta r e i n v e s t i g a t e d o nb a s i so fs i n g l ef a c t o r s ，aq u a d r a t i co r t h o g o n a lr e g r e s s i o nd e s i g ni s a r r a n g e dt os t u d yt h ee f f e c to ft h et h r e ef a c t o r ss u c ha sr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o n t i m e ，a n dt h eq u a n t i t yo fh y d r o g e np e r o x i d eo nt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t o p t i m a lt e s t s y n t h e t i cc o n d i t i o n sa n daq u a d r a t i cr e g r e s s i o nm o d e lw e r eo b t a i n e d t h i sm o d e li s t e s t e dr e l i a b l ea n de f f e c t i v e t h e r ea r es o m ea d v a n t a g e si nt h ep r o c e s ss u c ha sn oe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n n e a r l y , s i m p l et e c h n o l o g y , m o d e r a t eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，r a wm a t e r i a le a s yt og a i n ，e t c i tw i l lb eag r e e ns y n t h e t i cr o u t ef o rs y n t h e s i so fb m e t h y l n a p h t h o q u i n o n e k e y w o r d s ：2 - m e t h y l n p h t h a l e n e ， h y d r o g e np e r o x i d e ， 2 - m e t h y l i ，4 一n a p h t h o q u i n o n e ， o r t h o g o n a lr e g r e s s i o nd e s i g n i i 一i - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 获得鞍山科技大学或其它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己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：墨煮日期：趔丛兰旦! 蛰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：踢导师签名：圭纽 日期力幺墨翊，；目 鞍山科技大学硕士论文引言 引言 一个世纪以来，为了适应人类社会和工业生产的需要，化学与相关技术都得 到了很大的发展，并为人类文明做出了重要贡献。在各种化学品的生产和使用过 程中，向环境排放了大量的污染物，给整个生态环境造成了非常严重的破坏。近 年来，随着人类工业化进程不断向前迈进，人们已经越来越关注自身的生存环境。 据统计，化学工业对生态环境造成的污染占全部污染的6 0 以上。因此，作为污 染来源的主要行业化学工业已经把注意力集中到从本源上杜绝或减少废液、 废气、废渣的排放，以保护人类赖以生存的生态环境。 众所周知，有机合成在整个化学工业中占有很大比重，但有机合成反应往往 是副反应众多的化学反应，工艺流程复杂，环境污染大。因此，近年来绿色工艺， 洁净技术，环境友好工艺成为化学工业发展的前沿【1 】。 p - 甲基萘醌是一种人工合成的抗出血性药物( 维生素k 3 ) ，临床上用于防治出 血、解痉、镇痛。在药物合成中，1 3 甲基萘醌也是合成其他维生素k 类药物的原 料和重要中间体，此外，它还被广泛的用作饲料添加剂。在目前的工业生产中， 制取1 3 - 甲基萘醌的方法是用铬酐在醋酸或硫酸溶液中氧化1 3 - 甲基萘。全世界9 0 以上的6 一甲基萘醌都采用此方法生产。这种工艺的主要缺点是要产生大量的含铬 废水，处理繁杂困难，对环境污染十分严重，原料消耗大，生产成本高。 因此，开发污染少，技术先进的8 一甲基萘醌合成工艺具有十分重要的经济意 义和现实意义。 鞍山科技大学硕士论文 文献综述 1 12 - 甲基萘的简介 1 1 12 - 甲基萘的物化性质 1 文献综述 别名b 一甲基萘 英文名：2 - m e t h y l n a p h t h a l e n e ；d - m e t h y l n a p h t h a l e n e 结构式： 分子式c l l h l o ，分子量1 4 2 2 0 。 它是白色或浅黄色单斜晶体或熔融状晶体。相对密度( d ，2 0 ) 1 0 0 5 8 。沸点2 4 1 ， 凝固点3 4 5 。折射率( 著) 1 6 0 1 9 。不溶于水，易溶于乙醇和乙醚等有机溶剂，易 燃【2 】。 1 1 22 - 甲基萘的用途 在医药上制取维生素i ( 3 ，氧化制3 - 萘酚，作长效或短效口服避孕药。农业上 合成植物生长抑制剂，d d t 乳化剂；经磺化后能作去垢剂，还可作纤维助染剂和 润湿剂原料【2 】0 1 1 32 - 甲基萘毒性及防护 毒性比萘小。工作场所空气中最大容许浓度为2 0 m g m 3 。操作人员应穿戴防护 用具。 1 1 42 - 甲基萘的来源【3 】 2 - 甲基萘主要来自煤焦油、石油催化重整油及其他的甲基萘馏分。2 - 甲基萘在 煤焦油的萘油馏分中占6 l o ，在催化重整油中占3 - 6 。 ( 1 ) 从煤焦油馏分中提纯 首先用普通精馏将煤焦油馏分中的萘、二甲基萘分出，然后添加恒沸剂单乙 醇胺，用量为精馏原料中2 - 甲基萘重量的4 倍，切取的单乙醇胺与2 - 甲基萘混合 物馏分经冷却结晶、离心分离得高含量2 - 甲基萘产品，滤液单乙醇胺可循环使用。 如原料甲基萘的组成为2 - 甲基萘7 2 8 1 、1 - 甲基萘2 2 1 9 、甲基硫杂茚2 7 3 、 2 鞍山科技大学硕士论文 文献综述 其他2 2 7 ，精馏塔为5 0 块理论塔板的螺旋形填料塔，回流比2 0 ，塔顶温度 c 1 0 4 n 0 3 r c 0 2 c i b r i p d s 0 4 和p d ( c 1 0 4 ) 2 作催化剂时b 一甲基萘氧化生成p 甲基萘醌的速度是p d l 2 的 5 “倍。当氧化反应的温度低于4 0 时，反应速度极慢；温度高于6 0 时，反应 速度大大提高，但副反应严重，目标产物收率和选择性下降。该方法使用过氧化 氢作氧化剂，醋酸作反应介质，均相条件下氧化生成b 甲基萘醌，尽管解决了传 统工艺的铬污染问题，但产物分离过程十分复杂，催化剂未能回收以循环利用， 生产成本也较高。 1 9 8 7 年，e n o m o t os 等人在其专利中报道了以负载型钯盐催化剂催化过氧化 氢氧化3 - 甲基萘合成b 一甲基萘醌的方法【2 3 1 。他们使用苯乙烯磺酸树脂作载体，用 醋酸钯作催化剂活性组分，通过离子交换法制备p d + 取代阳离子交换剂，并以此作 为催化剂，用6 0 的高浓度过氧化氢在6 0 c 下处理原料8 h ，得到b 甲基萘醌产物， 收率为5 7 1 ，原料转化率为9 1 7 ，选择性为6 2 3 。由于将原来均相催化剂改 成固体的负载型催化剂，不仅使得催化剂与反应混合物的分离大大简化，而且催 化剂可以循环使用。 1 9 8 6 年，中国科学院感光化学研究所的陈文祥以三氯甲烷为溶剂，在温度 4 0 6 0 。c ，并以有机金属钼作为均相催化剂，用叔丁基过氧化氢将2 甲基萘氧化为 b 甲基萘醌，产率可达6 1 ，选择性为7 0 8 5 f 2 4 1 。在此方法中，溶剂的极性效 应有很大作用。事实上，苯、氯苯和氯仿等溶剂都不与钼催化剂匹配，但由于氯 仿的极性比苯和氯苯的大，故其产率也较高。反应温度也影响到产物的收率，在 高温下由于均裂而引起副反应，因此在氯仿溶液中，6 0 下产率比4 0 c 时的要低。 在此反应中，催化剂的影响是最主要的，具有相同配位体的有机金属催化剂中， 其电负性越大，原子半径越小的过渡金属就越容易使叔丁基过氧化氢中的氧呈正 电性，这样，可将催化剂看作l e w i s 酸，而过渡金属氧化物的l e w i s 酸的强弱顺序 是：m 0 0 3 ”w 0 3 t i 0 2 ，v 2 0 5 ，所以钼催化剂的性能更好些。此方法的缺点是催化 剂的成本太高，且未能回收并加以循环利用，同时回收和循环利用也较困难。 鞍山科技大学硕士论文文献综述 1 9 9 9 年o s c a r a a n u n z i a t a 等人报道了以含铁和钛的化合物为活性成分，具有 选择性氧化作用的沸石作为载体，丙酮作为溶剂介质，过氧化氢为氧化剂进行催 化氧化合成b 甲基萘醌的方法，其产物的选择性可达8 3 ，原料的转化率为4 5 ， 但产物的产率还有待进一步提高，而且由于反应中大量使用丙酮作为溶剂，故工 业化程度难以提高【2 ”。2 0 0 4 年o s c a ra a n u n z i a t a 等人又报道了采用t i m c m - 4 1 型沸石为载体，在极性溶剂乙腈中用过氧化氢氧化p 甲基萘制取p 甲基萘醌。原 料的最高转化率可达9 0 ，产率最高可达6 0 f 2 6 1 。此方法3 - 甲基萘醌产率虽比前 者有所提高，但采用乙腈作溶剂，仍难以工业化。 2 0 0 1 年诸爱士等人【2 7 ，2 8 l 采用乙酸与过氧化氢在硫酸催化作用下得到过氧乙 酸，然后再以b 甲基萘为起始原料，有机过氧化物( 如过氧乙酸) 为氧化剂，冰 乙酸为反应介质，在7 0 。c 反应1 5 h ，得到质量分数为9 8 的b 一甲基萘醌产物，熔 点1 0 2 1 0 4 ，由于某些有机过氧化物较昂贵，因此本方法的生产成本较高。 c 铈盐氧化法 大多用硫酸铈，也有用硝酸铈，日本公开昭5 9 2 1 6 6 2 8 中介绍说，用混合的 三价、四价铈盐按l ：2 的比例，在叔丁基苯或四氢萘介质中，于5 5 6 0 下反应， b 甲基萘醌收率为9 6 。 水溶液中b 甲基萘氧化反应，有硝酸存在可加速反应，而添加醋酸离子则抑 制反应，活化作用是和阳离子的生成物【c e ( n 0 3 ) 3 2 ”紧密相关的。设想1 3 - 甲基萘的 氧化：四价铈离子经由环状过渡状态向二聚化合物形式进行，可是这种构造的化 合物在文献中没有归纳。 惰性溶剂中如p 一甲基萘在乙烷中，氧化在含6 7 的c e ( s 0 4 ) 2 ，8 的硫酸，温 度为5 l 时，经过2 5 h ，收率为2 0 。氧化物有两种d 甲基萘醌和6 甲基1 ，4 萘醌，大部分是前者，异构体通过亚硫酸氢盐衍生物分离。 在四价铈氧化工艺中，生成几乎不溶于水的三价铈盐。为把析出的盐变为活 性态，提出了许多方法。如用过硫酸铵在硝酸银存在下氧化析出的三价铈盐。也 可用过氧化氢，可在这种场合需要扩大反应体积。最好是采用电解方式从三价铈 盐中再生四价铈【。 专利u s 4 6 3 2 7 8 2 中，用混合的硫酸三价、四价铈盐氧化萘生成醌，靠一定的 促进作用，提供最大限度的c e ( s 0 4 ) 3 溶液，靠浓缩四价盐近似饱和，必须防止三 价铈在浓缩反应中沉淀。氧化反应后，含铈盐的溶液用电解氧化再生氧化剂并往 复使用。 1 9 9 4 年日本学者s u g i s h i m an 在他的专利中介绍了一种化学氧化和电解氧化 相结合的新工艺，对用铈盐作氧化剂的前述工艺进行了较大的改进，并通过与二 鞍山科技大学硕士论文 文献综述 烯烃进行加成缩合，使b 甲基萘醌和6 一甲基1 ，4 萘醌分离，6 甲基一1 ，4 一萘醌与 二烯烃的缩合物经氧化成6 甲基蒽醌而回收利用【3 。6 - 甲基蒽醌可作为高档造纸 助剂和染料中间体。分离出来的b 一甲萘醌用甲醇重结晶纯化。 铈盐是一种具有良好选择性的氧化剂，在氧化同分异构的甲基萘混合物时， 不损坏甲基组分而只在芳核上氧化，就可得到较纯的甲基萘醌。但因为铈盐很贵 且氧化时的动力消耗太大，经济成本太高，广泛使用起来有较大的困难。 d 硫酸铈铵氧化法 1 9 8 4 年波兰学者s k a r z e w s k ij 报道了用硫酸铈铵( c a s ) 作氧化剂的新工艺川。 为了克服纯粹用c a s 氧化，其消耗量大的特点，他用环己烷作介质，阴离子表面 活性剂十二烷基硫酸钠( s d s ) 作乳化剂，a r 离子作催化剂，过硫酸铵作辅助氧化 剂，于5 0 乳液氧化5 h 合成d 甲基萘醌，其目标产物收率为6 0 ，底物转化率近 1 0 0 ，其化学反应过程可表示如下： b - m n s d s ( s a 4 ) 2 5 2 0 8 + n h d h s 0 4 1 3 - m n q 6 - m n q 6 0 2 0 总醌收率达到8 0 ，在反应中高价c e 4 + 首先将p 一甲基萘氧化成p 一甲基萘醌和 6 - 甲基1 ，4 萘醌，自身被还原成低价c e 3 + ；一价银离子a 矿由于受过硫酸铵作用 变成高度氧化活性的a 9 2 + ；二价银离子a g ”将处于还原态的低价铈离子c e 3 + 氧化 成高价铈离子c e 4 + ，从而在体系中完成催化氧化还原循环。氧化反应结束后，进 行油水相分离，油相蒸出溶剂得1 3 - 甲基萘醌粗品，用甲醇进行重结晶后，b 甲基 萘醌产品纯度可达9 0 以上，熔点1 0 5 1 0 6 。c 。与铬系氧化剂体系、过氧化氢氧化 剂体系相比，该方法使反应在液液两相中进行，即消除了原来生产中醋酸的腐蚀 性问题，也消除了含铬废水污染问题，产物分离简单，在技术上是一种进步和创 新。但是该工艺方法明显不足的是溶剂消耗大，副产物6 甲基一1 ，4 萘醌不能回收 利用，使用银盐作催化剂也较昂贵。 e 锰化合物氧化法 硫酸三价锰能够氧化b 一甲基萘生成p 一甲基萘醌，这种试剂性能接近于铬酸，可 在极性溶液中体现出来。如在2 5 c ，4 小时，在乙腈与稀硫酸混合物中可获得6 5 o 鞍山科技大学硕士论文文献综述 的甲基萘醌同分异构体混合物，其中5 5 是1 3 一甲基萘醌，6 甲基1 ，4 一萘醌为1 0 t 2 9 1 。 在这种方法中，硫酸三价锰制各很容易，可直接将少量冷高锰酸钾溶液加到含有 6 m 硫酸的硫酸锰中制得。方法未能推广是因为使用了大量的乙腈，蒸馏时容易产 生共沸，而且可能会皂化。 ( 4 ) 电解氧化法 电解氧化法是在电流的作用下使有机物氧化，具有专一的选择性、收率高、 几乎无三废排出的特点，日益受到人们的重视，并得以较迅速地发展。电解氧化 法可分为直接电解氧化法和间接电解氧化法【5 】。 直接电解氧化是在电解质的存在下，化学反应直接在电解槽内的阳极上发生， 得到氧化产物。 间接电解氧化是利用适宜的可变价金属离子作为传递电子的媒介。高价离子 作为氧化剂，在化学氧化过程中，将有机化合物氧化。同时生成的低价离子在电 解槽的阳极上，重新被氧化成高价离子，再一次用于化学氧化过程。由于有机物 的化学氧化过程和可变价离子的电解氧化过程在不同的设备中进行，从而避免了 直接电解氧化中的某些弊病。 近年来，国内外对电化学再生铬酸进行研究，已取得了一系列成果。如鞍山 热能院经过研究发明了采用间歇氧化法制取1 3 甲基萘醌。首先将电解再生后的氧化 液加入氧化釜内，然后边搅拌边加入b 甲基萘及催化剂。反应结束后冷却过滤，滤 液经电解再生循环使用，滤饼即为b 甲基萘醌。在此过程中用相转移催化氧化法， 以铬酸酐和硫酸为氧化剂，烷基苯基聚乙基醚( o p 系列乳化剂) 为相转移催化剂 来制取1 3 甲基萘醌。它的创新点在于无废液废水排出，利于环保，而且氧化的温度 低，时间短。反应过程如下： q y k 川邺。一 o c r 2 ( s 0 4 ) 3 + 5 h 2 0 2 0 0 2 年徐海升等人采用自行设计的电解装置和间接电解氧化工艺把1 3 甲基 萘、铬酐和硫酸按比例投入氧化釜，反应结束后，经固液分离得1 3 甲基萘醌，把氧 化废铬液经处理，送电解工序，把c r ( i i i ) 电解氧化为c r ( v i ) 再循环回氧化工序使用。 经长期运行证明，该工艺不仅显著降低了1 3 一甲基萘醌的生产成本，而且也解决了传 统化学氧化法工艺中的含铬废液对环境的严重污染问题【3 2 t 。 1 9 9 9 年，波兰学者k o w a s k ij 等报道了在以冰醋酸为介质对1 3 甲基萘进行电化 鞍山科技大学硕士论文 文献综述 学氧化时，产率可达9 9 。但此方法中，采用了有机酸作为反应介质，它对设备 具有一定的腐蚀性，且经济核算表明：电解氧化工艺比较适合小吨位的生产p 3 1 。 1 2 4 2 以其他物质为原料合成b 一甲基萘醌 在b 甲基萘醌合成技术的研究中，另一个不能忽视的研究动向是从其他原料 出发合成b 甲基萘醌。 ( 1 ) 以丁二稀与2 甲苯醌为原料制备b 一甲基萘醌。 1 9 8 2 年t o ms 报道了b 甲基萘醌的电化学合成法【6 】。他们先在酸催化作用下 由丁二稀与2 甲苯醌合成2 一甲基5 ，8 - 二氢1 ，4 一萘二酚，再在m e c n t - b u o h ( 9 1 ) l i c l 0 4 p t 体系中进行电化学反应制造d 一甲基萘醌，产品收率可达9 0 以上，其化 学作用过程如下： o 此外，1 9 9 8 年，j o oy j 等人【3 4 】也在其专利中报道了以2 - 甲苯醌同1 ，3 一丁二 烯为原料反应制备1 3 - 甲基萘醌的合成方法。首先，原料之间进行环化加成反应， 然后在l e w i s 酸( s n c l 4 5 h 2 0 ) 存在下，在1 6 0 c 下加热得到目的产物，产率为 1 0 0 。 ( 2 ) 以2 甲基1 一萘酚为原料制备b 一甲基萘醌。 1 9 8 5 年，g a u d e m e r a 等人报道了在甲苯溶剂中以有机钴作催化剂，通入氧气 氧化b 甲萘酚，氧化时间为o 5 小时，生成的p 一甲基萘醌收率为1 0 0 u ”。 o 鞍山科技大学硕士论文文献综述 1 9 8 9 年，h i r o s e n 等人【3 6 1 用c u c l 2 - l i c i 作催化剂，以2 一甲基1 萘酚为原料氧 化催化合成6 一甲基萘醌，产率可达9 4 2 。n a k a o 等人1 3 刀也用类似的方法获得了目 标产物，收率达到9 6 ，但反应体系复杂且腐蚀性很大，催化剂和溶剂较昂贵， 生产成本较高。 ( 3 ) 以邻苯甲胺为原料制各b 一甲基萘醌。 1 9 9 6 年，h a y a s h it 等人( 3 8 l 以邻苯甲胺为原料制备b 一甲基萘醌。其合成路线及 反应条件如下： h 3 坚! 旦! ! 望! ! 垒 h 2 o c h 3 l i c i ，c u c l 2 【o h 3 c h 2 = c h c h 。c h 2 鞍山科技大学硕士论文文献综述 1 3 维生素k 3 的市场概况及前景 目前世界维生素k 3 总产量约3 0 0 0t 年。2 0 世纪9 0 年代以前我国维生素蹈 总产量不足2 0t 年。2 0 世纪9 0 年代以后，我国维生素k 3 产量大幅增长。目前全 国维生素k 3 总需求量约3 0 0 3 5 0t 年，总产量约5 0 0t 年。维生素k 3 国内市场 已经形成供大于求的局面。 我国加入w t o 后，畜牧业将成为国际农产品竞争中的优势产业，饲料工业要 达到世界平均水平还有7 0 0 0 8 0 0 0 万t 的增长空间4 “。就现在饲料产量的增长情况 分析，每年增长2 0 0 - 3 0 0 万t ，这样每年维生素k 3 的需求量可增加1 0 t 左右。总之， 维生素k 3 的市场前景是非常广阔的。 综上所述，为了我国在维生素k 3 领域的发展，我们必须立足现在，展望未来， 努力开发，使我国的维生素k 3 技术尽快赶上和超过世界先进水平。 1 4 小结 综合考察国内外研究开发现状，可以得出以下结论： ( 1 ) 在b 甲基萘醌的合成技术中，催化剂的研究是一个极具挑战性的课题。 应该重视反应体系和氧化剂催化剂体系的综合和系统研究以便能够得到最佳的 合成技术和工艺。 ( 2 ) 在目前较为成熟的合成技术中，铬氧化体系是比较可行的，但是存在环 境污染和设备腐蚀性的问题。 ( 3 ) 在合成原料方面，以1 3 - 甲基萘为原料的合成路线具有原料来源方便，合 成路线短，理论较为全面的优点。以其他物质为原料的合成路线有待进一步探索。 ( 4 ) 在氧化剂的选择方面，应尽量避免使用价格过于昂贵或环境污染较大的 氧化剂，可首选还原产物对环境无害的过氧化氢和氧气作为氧化剂。 针对以上的特点，本研究围绕以下三个方面开展工作： ( 1 ) 以b 甲基萘为原料，过氧化氢为氧化剂，冰醋酸为溶剂，在不加任何催 化剂的条件下进行氧化制备6 一甲基萘醌，探讨该工艺的可行性； ( 2 ) 单因素考察各工艺条件对实验结果的影响； ( 3 ) 采用二次回归正交优化设计，优化实验条件。 1 4 鞍山科技大学硕士论文 实验部分 鞍山科技大学硕士论文 实验部分 2 2 实验仪器 表2 2 实验仪器 t a b l e2 2e q u i p m e n t so f e x p e r i m e m 仪器名称 生产厂家 恒温加热磁力搅拌器 有机合成标准磨口仪器 真空干燥箱 循环水式真空泵 电子天平 红外线快速干燥器 日立2 7 0 3 0 光栅红外吸收光谱仪 高效液相色谱仪 巩义市英峪予华仪器厂 天津玻璃仪器厂 上海精宏实验设备有限公司 巩义市英峪予华仪器厂 上海精密科学仪器公司 山东龙口市先科仪器公司 天津光学仪器厂 美国安捷伦公司 2 3 实验装置图 图2 1 实验装置 f i g 2 1d v i c eo f e x p e r i m e n t 6 鞍山科技大学硕士论文 实验部分 2 4p - 甲基萘的氧化反应 b 一甲基萘的氧化既能发生在芳环上也能发生在侧链甲基上。 ( 1 ) 芳环上的氧化反应： 6 - m n q 顺丁烯二酸酐c 0 2 + h 2 0 邻苯二甲酸酐 ( 2 ) 侧链甲基的氧化反应： 舻h ? h 叫c h 0 0 0 h ； 1 3 - 甲基萘的氧化产物随着氧化体系以及氧化程度的不同而不同，本实验的目标 产物为b 一甲基萘醌。 2 5 实验步骤 在装有搅拌转予、冷凝管、恒压滴液漏斗、温度计的三口烧瓶中加入一定量 的冰醋酸、1 3 - 甲基萘和无水硫酸镁，水浴加热并搅拌，待达到所需温度后，缓慢滴 入3 0 的过氧化氢，+ 加完后，恒温一定时间。待反应结束后，将试样冷却至室温， 减压抽滤出硫酸镁，滤液用c h 2 c 1 2 萃取，萃取液用饱和的n a h c 0 3 水溶液洗至接 近中性，常压蒸出c h 2 c 1 2 ，所得产品在2 0 - - - 4 0 c 下真空干燥。最后用高效液相色 谱仪( a g i l e n t1 1 0 0h p l c ) 进行检测，固定相为a g i l e n te x t e n dc l s ，流动相为 m e o h h 2 0 ( 8 0 ：2 0 ) 。氧化反应方程式如下所示： 鞍山科技大学硕士论文 实验部分 2 6 产物的定性分析 2 6 1 薄层色谱法1 4 2 1 2 6 1 1 硅胶板的制备 h a ：。：旦产 o ( 1 ) 底板的选备 用来制备薄层色谱板的材料比较多，一般选择表面平滑、耐侵蚀( 尤其对有 机溶剂) 、透明材质为好，本实验选用7 6 x 2 6 m m 的玻璃板作为底板。底板用1 0 的碳酸钠水溶液浸泡至无油污后，先用清水冲洗，再用蒸馏水洗涤晾干后，经易 挥发溶剂擦拭干后备用。 ( 2 ) 硅胶板的制备 用天平称取一定量的硅胶g f 2 5 4 ，投入干燥的烧杯中，慢慢倾入已配制好的 l 的羧甲基纤维素钠水溶液，用玻璃棒搅拌均匀，使之成为稀浆糊状。采用手工 涂布法，在不断搅拌条件下，将糊状硅胶倾倒在上述备好的玻璃板上，用玻璃棒 刮匀后，轻轻震荡玻璃板，使浆液在玻璃板上均匀展开，放在水平处室温下晾干 后，放入烘箱内于1 2 0 下活化3 0 m i n ，活化后的硅胶板放在干燥器中备用。 2 6 1 2 展开剂的选取 展开剂的选取主要是根据待分析样品的极性、溶解度和吸附剂的活性等而定。 溶剂的极性越大，则对化合物的解吸能力越强，也就是说r f 值也越大。由于本实 验所采用的原料和产物的极性并不太大，但也有一定的极性，所以采用极性可调 节的复配展开剂：乙酸乙酯和石油醚的混合物。 2 6 1 3 产物的定性 取少量标样和样品用丙酮进行释溶后，用毛细管分别吸取少量标样和样品液 点滴在上述制备好的硅胶薄层板距边缘约l c m 处的底线上，等到点样处挥发干后， 把薄层板放入盛有约0 5 c m 深的展开剂的容器内进行层析。层析结束后，把上述 鞍山科技大学硕士论文实验部分 展开的色谱板拿出，在展开前沿画上标记，放在通风橱内晾干后，在紫外灯下观 察薄层板上的荧光斑点，并用铅笔作上标记，算出标样和样品的r f 值以之定性。 2 6 2i t p l c 法【4 3 】 h p l c 法是利用高效液相色谱仪进行分析的一种快速、简便、准确的现代仪器 分析方法。它的分析原理和薄层色谱相似，利用有机物在分离柱内不同的吸附作 用，考察标样和样品的r f 值以对化合物进行初步的定性。本试验采用的色谱条件 如下： d e v i c e a g i l e n t1 10 0h p l c f l o wa ( c h 3 0 h ) 8 0 f l o w b ( h 2 0 ) 2 0 t o t a lf l o w1 0 0 0 m l m i n c o l u m n a g i l e n te x t e n dc i s t e m p 2 5 0 v w d s i g n a l 2 8 0 0 n m s t o pt i m e 15 0 0 m i n h p l c 定性分析可分为保留时间法和谱峰增高法，本实验采用前者。把样品和 标样在同一色谱条件下进行色谱分析，用两者色谱图峰位的保留时间来进行初步 定性。 2 6 3 红外光谱法 红外光谱是有机物的成键原予振动引起光波被吸收的光谱，不同的化合物有 不同的谱图。通过产物( 9 0 ) 的红外谱图和2 一甲基一1 ，4 一萘醌的红外标准谱图的 对比分析来对样品定性说明。 2 7 产物的定量分析 4 4 1 本实验采用h p l c 法对产品进行分析，但采用h p l c 法不能直接给出含量信 息，因为h p l c 仪一般采用紫外吸收检测器，所以谱图峰面积( 峰高) 比不仅和 样品中各组分的摩尔量的比有关，还和组分吸收光的强度有关，因此面积归一法 不能准确给出样品中组分的含量。但对于同一组分来说，它的谱图峰面积( 峰高) 比和它的含量成正比，所以通过和己知浓度的标样进行对比，根据峰面积( 峰高) 比可以给出未知样中该组分含量。h p l c 法含量分析可分为内标法和外标法两种， 9 鞍山科技大学硕士论文 实验部分 本实验采用外标法。 2 7 1 工作曲线的制定 称取已知含量的1 3 - 甲基萘醌标样0 0 2 8 1 9 ，用色谱纯的甲醇配成2 5 m l 的标准 溶液，分别取上述配制好的溶液2 m l 、4 m l 、6 m l ，用甲醇稀释并定容为1 0 m l ，分 别取上述配制好的一系列溶液进行色谱分析。标样溶液浓度和峰面积如表2 3 所 示。 表2 3 溶液浓度与峰面积 t a b l e2 3s o l u t i o ns t r e n g t ha n dp e a ka r e a 对标样浓度和峰面积进行线形回归，得回归方程和标准工作曲线( 图2 2 ) 。 回归方程：s = 5 5 3 4 1 5 1 4 2 x c 镕# - 7 6 0 2 9 6 3 9 式中：s 一峰面积 c 镕i 葶一标样溶液浓度( 1 0 4 ) g m l 相关系数r 2 = o 9 9 8 6 0 喜 a m o u n t 【g m l 】 图2 2 标准工作曲线 f i g 2 2s t a n d a r do p e r a t i n gc u r v e 2 0 鞍山科技大学硕士论文实验部分 2 7 2 产物含量的分析 称取一定量产物配成1 0 m l 标准溶液( 要求溶液浓度在工作曲线的浓度范围 内) ，对其进行色谱分析，把谱图的峰面积代入回归方程得出未知样的浓度，按下 式计算出b 一甲基萘醌的含量： w = ( c # 日1 0 ) g 1 0 0 式中：w _ _ 6 一甲基萘醌的质量百分含量 c * s 一根据回归方程计算得出的产物溶液的浓度g m l g 一称取产物的质量g 鞍山科技太学硕士论文结果与讨论 3 结果与讨论 3 1 产物的定性结果 经薄层色谱分析，在紫外灯下观察到薄层板上的荧光斑点，如图3 1 1 。 图3 1 1 争甲基萘醌的标样和样品薄层色谱图 f i g 3 1 - 1t h i nl a y e rc h r o m a t o g r a mo f s t a n d a r ds a m p l ef o r1 3 - m e t h y l n a p h t h o q u i n o n ea n dp r o d u c t 上述谱图为产物与标样( 含3 - 甲基萘醌接近1 0 0 ) 的对比图，产物谱图与标 样谱图中相应的r f 处均有斑点出现，初步说明产物中有b 一甲基萘醌生成。实验进 一步对产物进行h p l c 分析，如图3 1 2 。 鞍山科技大学硕士论文结果与讨论 图3 1 21 3 - 甲基萘醌的标样( a ) 和产物0 3 ) 的液相色谱图 f i g 3 1 - 2l i q u i dc h r o m a t o g r a mo f s t a n d a r ds a m p l ef o r1 3 - m e t h y l n a p h t h o q u i n o n e ( a ) a n dp r o d u c t ( b ) 通过对产物h p l c 谱图与标样h p l c 谱图的对比，产物谱图中主峰的保留时 间和标样谱图峰的保留时间基本一致，初步定性产物中有b 一甲基萘醌生成。 为了确切说明有目标产物b 一甲基萘醌的生成，最后对样品进行红外光谱分析， 并把其与b 甲基萘醌红外标准谱图进行对比分析( 见图3 1 3 ) 。通过下面两谱图匹 配发现，产物谱图和标准谱图的匹配率在8 0 以上，并且通过谱图分析，1 6 6 4 c m l 处有c = o 的伸缩振动吸收峰，吸收频率低说明此c = o 与苯环处于共轭位置； 1 5 9 2 c m l 处有芳烃c = c 的伸缩振动吸收峰；2 8 6 5 c m 1 处有c h 的伸缩振动吸收 峰；1 3 8 0c m 1 处有c h 3 的弯曲振动吸收峰，这些均与标准谱图相吻合，可以确 定所生成的物质为b 一甲基萘醌。 鞍山科技大学硕士论文 结果与讨论 w a 、，n 1 m 四班“c r 1 ) 图3 1 31 3 - 甲基萘醌的红外标准谱图( a ) 和产物( b ) 的红外光谱图 f i g 3 1 3i n f r a r e ds t a n d a r ds p e c t r ao f p m e t h y l n a p h t h o q u i n o n e ( a ) a n di n f r a r e ds p e c t r a o f p r o d u c t0 3 ) 3 2 反应温度对转化率和选择性的影响 本组实验研究在其他实验条件不变的情况下，改变反应温度，从而讨论反应 温度对转化率和选择性的影响，确定是否将其作为正交优化实验所要考察的因素。 ( 1 ) 实验条件 表3 2 一l 对反应温度研究的实验条件 t a b l e3 2 一lr e a c t i o nc o n d i t i o n so f s t u d y i n gr e a c t i o nt e m p e r a t u r e b 一甲基萘反应时间h 2 0 2 c h 3 c o o h 无水硫酸镁 l g 4 h6 m l 2 0 m l 8 9 ( 2 ) 实验结果 表3 2 2 对反应温度研究的实验数据 t a b l e3 2 2e x p e r i m e n td a t ao f s t u d y i n gr e a c t i o nt e m p e r a t u r e 反应温度( ) 6 57 08 09 0 1 0 0 转化率( ) 5 1 6 2 选择性( ) 2 5 5 8 7 5 9 6 9 8 1 49 8 2 61 0 0 3 i 2 9 4 1 8 93 6 1 9 2 4 0 5 2 4 鞍山科技大学硕士论文 结果与讨论 鋈 舍 ：三 右 立 譬 i 9 i 2 墨 8 o 6 06 57 07 58 08 59 09 51 0 0 r e a c t i o nt e m p e r a t u r e c 圈3 2 转化率和选择性随反应温度的变化曲线 f i g 3 2c u r v eo f c h a n g ef o rc o n v e r s i o na n ds e l e c t i v i t yw i t hr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ( 3 ) 实验结果的讨论 由图3 2 可以看出反应温度对转化率和选择性有较明显的影响，随着反应温度 的升高，1 3 - 甲基萘的转化率逐渐增加，3 - 甲基萘醌的选择性先增大后减小，并且在 温度达到8 0 左右时选择性达到较大值。这是因为反应温度过低时，部分反应物 分子没能达到反应所需要的活化能，无法参与反应，从而使得b 一甲基萘的转化率 较小，3 - 甲基萘醌的选择性也相应较小。反应温度过高时，虽然原料3 - 甲基萘的 转化率有所增加，但反应产物中的部分组分被过度氧化，从而使得副产物增加， 导致3 - 甲基萘醌的选择性降低。在8 0 。c 时反应条件比较温和，生成的3 - 甲基萘醌 不至于被进一步氧化，所以反应产物中的b 一甲基萘醌的含量相对较高，选择性也 较高。因此，较适宜的温度为8 0 左右。 因为反应温度对转化率和选择性有较明显的影响，所以将其选定为一个因素， 和其它因素一起进行工艺条件的二次回归正交优化实验研究。 3 3 反应时间对转化率和选择性的影响 本组实验研究在其他实验条件不变的情况下，改变反应时间，从而讨论反应 时间对转化率和选择性的影响，确定是否将其作为正交优化实验所要考察的因素。 加 鞍山科技大学硕士论文 结果与讨论 ( 1 ) 实验条件 表3 3 1 对反应时间研究的实验条件 t a b l e3 3 一lr e a c t i o nc o n d i t i o n so f s t u a y i n gr e a c t knt i m e b 一甲基萘反应温度 h 2 0 2c h 3 c