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维生素 E 毕业论文 摘要 本文研究了以偏三甲苯（TMB）为初始原料，在绿色无污染的氧化剂双氧 水的氧化作用下，采用简单工艺，一步合成维生素 E的重要中间体 235-三 甲基苯醌（TMBQ）的工艺过程。考察了多种固体催化剂对氧化反应的催化性 能，结果表明:活性 Al2O3 对氧化反应具有较好的催化性能。 通过均匀设计法探索了以活性 Al2O3 为催化剂氧化 TMB 合成 TMBQ的工艺 条件，在最优条件：催化剂活性 Al2O3 与 TMB 的质量比 0.67：1，醋酸与 TMB 的体积比 8： 1， 1，双氧水与 TMB 的质量比 3： 电热套加热至 TMBQ 选择性回流温度，连续 搅拌反应 3h 后所得 TMB 的转化率为 69.4， TMBQ 产率 为 34.9。分别考察了反应温度、催化剂用量、为 50.3，溶剂用量、反应时间、氧化 剂用量、催化剂粒度及搅拌转速等因素对氧化反应的影响。 采用正交设计法探索了以树脂为催化剂氧化 TMB 合成 TMBQ 的工艺条件， 在较优工艺条件：树脂与TMB的质量比0.1： 醋酸与 TMB 的体积 1，比6.67： 1，双氧水与 TMB 的体积比4.17：1，双氧水滴加并在搅拌状态下反应 4h， 可得到TMBQ 收率为33.1。通过吡啶-TPD 和比表面的测定，考察了固体催化剂的物化性质，并结合 TMB-TPD 及实验数据对氧化反应的机理进行了研究。结果表明，催化剂的 孔结构及其对TMB 的吸附作用是影响反应的关键关键词：偏三甲苯；三甲基苯醌；活性Al2O3；双氧水；氧化因素，另外催化剂表面的 酸量对反应也有一定的影响。 关键词：偏三甲苯；三甲基苯醌；活性Al2O3；双氧水；氧化 前言 2，3.5-三甲基苯醌（TMBQ）又名 2，5环己二烯2，3，5三甲基1， 。 4二酮， 其可被还原为 2，3，5三甲基氢醌（TMHQ）TMHQ 和异植物醇反应可得到维生素 E。由 于维生素 E 在医疗、食品、饲料领域中的广泛应用，使世界范围内的维生素 E 产品持续走 俏，特别是欧美市场上更是供不应求、价格坚挺。用于生产维生素 E 的 TMHQ 需求量也将随之增加。 国内工业合成 2，3，5-三甲基氢醌主要采用两种工艺，一种是采用偏三甲苯路线，由 偏三甲苯经磺化硝化还原氧化，再次还原制得TMHQ；另一种则以间甲酚为原料，在催化 剂作用下和甲醇反应生成 2，3，6三甲基苯酚，进而氧化生成 2，3，5-三甲基苯醌，最 后还原而得到 TMHQ。前者，工艺路线复杂，环境污染严重；后者工艺流程相对较短，污 染较小，但原料价格较昂贵，大部分依靠进口。 先用氧化体系将 直接氧化法合成 TMHQ 的工艺通常分为两个步骤，TMB 直接氧化为三甲 基苯醌TMBQ，再经加氢还原得到 TMHQ。该工艺步骤少，反应条件简单，且因为第二步 加氢还原反应已经成熟，若氧化反应能实现，则能进一步提高工艺水平，并有较好的经济 效益。陈红等在这方面进行过探试，用醋酸-过氧化氢-硫酸的氧化体系由 TMB 一步氧化法 制 TMBQ 的新工艺进行了探索，在最优条件下得到 TMB 转化率为47.3，TMBQ 相对于已转 化的 TMB 的产率 为 （即选择性） 53.0。由于硫酸具有较强的腐蚀性，应用有一定的困难。 本文以绿色工艺为着眼点， 探索以固体酸等为催化剂的 TMB 一步氧化法制取 TMBQ 的 工艺过程和工艺条件，为该工艺进一步研究提供借鉴多优点，如沸点高、热稳定好，因此特别适应于需要加热保存的食品如方便面、 人造奶油、奶粉等。尤其是 VE 与卵磷酯配制成的抗氧剂，不仅具有良好的抗氧 化作用，而且对人体安全性高、无毒副作用。可用于取代 2，目前广泛使用的有毒副 作用的叔丁基对羟基茴香醚BHA、 6-二叔丁基对甲酚BHT、没食子酸酯PG 等化学抗氧剂趋。VE 更适合生产各 因种功能保健强化食品，特别是用作婴幼儿、 孕妇食品营养强化剂，为它能补充脱脂奶粉及谷类食品加工中损失的 VE 成份。 饲料工业 VE 作为饲料添加剂，既是一种抗氧化剂，又是畜禽生长必需的生物催化剂， 在畜禽免疫、疾病防治、改善肉质、增加畜禽的繁殖或产蛋率 目前 VE 是配合饲料中不可缺少的维生素之一，等方面起到重要的 作用。自 80 年代以来动物饲料添 加剂是合成 VE 的主要用途之一，其用量占合成 VE 的产量的 50左右。 其它方面 VE VE 可作为食品工业用塑料薄膜制品的抗氧化剂。 添加到感光材料中，能提 高材料的应用性能。将 VE 作为橡胶助剂加入橡胶中，能减少橡胶加工中产生的 致癌亚硝胺，而且对胶料的硫化特性无不良影响。另外 VE 还有许多新用途正在 开发之中。 目录1.1 维生素E简介 . 51.2 维生素E的市场前景 . 51.3 维生素E的应用 . 5 1.3.1 医药工业 . 5 1.3.2 食品工业 . 5 1.3.3 饲料工业 . 6 1.3.4 化妆品 . 6 1.3.5 其它方面 . 6 14 VE的生产现状 . 7异植物醇生产现状. 7三甲基氢醌及合成现状. 7均三甲酚法 . 10均三甲酚法 . 1016TMB的利用 . 13偏三甲苯氧化可制得偏酐 . 14偏三甲苯的氧化反应研究进展. 16偏三甲苯氧化可制得偏酐 . 20结论 . 29致谢 . 1 1.1 维生素 E 简介 维生素 E（简称 VE）是一种常用的药品兼营养保健品，在其他领域也有着重 要的用途。商品 VE 可分为天然 VE 和合成 VE 两类，目前合成 VE占全球总商品量 的 80以上。VE 已成为国际市场上用途广泛、产销 、量极大的主要维生素品种， 同维生素 C（VC） 维生素 A（VA）一起成为维生素系列的三大支柱产品。 1.2 维生素 E 的市场前景 VE 自 1922 年被发现以来，一直是西方国家研究的热点，新的应用领域不断 被发现。因其具有耐热性，在较高的温度下仍有较好的抗氧化效果，而且耐紫外 线、耐放射性较强，用途十分广阔。 1.3 维生素 E 的应用 1.3.1 医药工业 VE 近年来人们对 VE 的医用功能和作用研究进展非常迅速， 作为细胞内抗氧 剂，能抑制在各种细胞和器官内进行的氧化还原反应，特别 使能够保护细胞膜， 之免受不饱和酯类化合物过氧化产生的自由基的侵袭。研究表明，人体缺乏 VE 会直接影响生殖、肌肉、循环、骨骼 VE和神经等系统的正常功能。 能够减轻各 种毒素对人体的侵害，可以治疗动脉硬化、冠心病、血栓、习惯性流产、不孕症、 内分泌机能衰退、肌肉萎缩、贫血、肝病、癌症等许多疾病7-13。医药对 VE 需求 量近年来增长较快。 1.3.2 食品工业 VE 添加到食品中可以起到防腐保鲜的作用，作为食品抗氧化 剂，VE 具有很 多优点，如沸点高、热稳定好，因此特别适应于需要加热保存的食品如方便面、 人造奶油、奶粉等。尤其是 VE 与卵磷酯配制成的抗氧剂，不仅具有良好的抗氧 化作用，而且对人体安全性高、无毒副作用。可用于取代 2，目前广泛使用的有毒副 作用的叔丁基对羟基茴香醚BHA、 6-二叔丁基对甲酚BHT、没食子酸酯PG 等化学抗氧剂趋。VE 更适合生产各 因种功能保健强化食品，特别是用作婴幼儿、 孕妇食品营养强化剂，为它能补充脱脂奶粉及谷类食品加工中损失的 VE 成份。 1.3.3 饲料工业 VE 作为饲料添加剂，既是一种抗氧化剂，又是畜禽生长必需的生物催化剂， 在畜禽免疫、疾病防治、改善肉质、增加畜禽的繁殖或产蛋率 目前 VE 是配合饲料中不可缺少的维生素之一，等方面起到重要的 作用。自 80 年代以来动物饲料添 加剂是合成 VE 的主要用途之一，其用量占合成 VE 的产量的 50左右。 1.3.4 化妆品 环境污染及紫外线照射会产生自由基，造成皮肤、细胞及组织的损伤，加速 老化过程。研究证实 VE 对皮肤免受自由基损害有决定性作用，同时 VE 作抗氧剂 可以延长化妆品使用时间。近年来越来越多的防晒品、护肤品、唇膏等美容用品 的配方中均加入一定量的 VE，能促进皮肤的新陈代谢和防止色素沉积，改善皮 肤弹性，具有美容、护肤、防衰老等性能，已成为目前国际市场营养性系列化妆 品的主流。 1.3.5 其它方面 VE VE 可作为食品工业用塑料薄膜制品的抗氧化剂。 添加到感光材料中，能提 高材料的应用性能。将 VE 作为橡胶助剂加入橡胶中，能减少橡胶加工中产生的 致癌亚硝胺，而且对胶料的硫化特性无不良影响。另外 VE 还有许多新用途正在 开发之中。 14 VE 的生产现状 世界合成 VE 的生产主要集中在西欧和日本。长期以来，世界 VE 市场基本被 德国巴斯夫公司、瑞士的罗氏公司、法国罗纳普朗克公司和日本高砂香料公司 所垄断。 由于合成 VE 的中间体很长一段时期国内没有生产技术，因而不 能生产，主 要依赖进口，产品成本高，VE 产量较低，限制了 VE 的应用，因此合成 VE 中间 。 体的生产成为制约我国 VE 发展的“瓶颈”近年来我国合成 VE 的两个关键性原 料三甲基氢醌和异植物醇的生产技术取得了一定的突破，合成 VE 得以迅速发展。 由于合成 VE 具有良好的市场前景，目前三甲基氢醌和异植物醇在技术、产量和 规模上均远远不能满足日益发展的VE 生产的需求。 异植物醇生产现状 80 年代世界 VE 需求快速增长导致异植物醇短缺，刺激了异植物醇的发展， 国外在此时相继新建和扩建了许多装置。目前国外主要生产厂家有:瑞士罗氏公 司、法国罗纳-普朗克公司、德国巴斯夫公司、德国赫司特公司、美国路迪亚公 司、日本高砂香料公司等，总生产能力约为 2.5 万 ta， 现 产量约为 1.9 万 ta。 多采用或改用罗氏法生产。 国内异植物醇研究开发与生产起步较晚，目前正处于发展阶段，近年来研究 与生产取得一定的突破，主要生产厂家有:浙江新昌化工厂，重庆西南合成制药 厂，上海第二制药厂等。总生产能力约为1500t，而国内 1999 年异植物醇消耗 量约为 4000t，产不足需，据悉近年来河南一乡镇企业新建数千 t 级生产装置， 一定程度上缓解了供需矛盾，促进了我国 VE 的生产与发展。 三甲基氢醌及合成现状 三甲基氢醌即 2，3，5-三甲基氢醌，又名 2，3，5 三甲基对苯二酚。三甲 基氢醌为白色针状结晶，纯品熔点 170172，难溶于水，可溶于醇酮等有机 溶剂。 三甲基氢醌研究的主要合成路线 三甲基氢醌作为 VE 重要中间体，对其的合成有较多的研究，主要有 以 下 几 种 方 法 。 A 偏三甲苯法 偏三 甲苯法其主要过程为： 偏三甲苯1，2，4-三甲苯经磺化、硝化、加氢还原得 2，4， 5-三甲基-3， 6-二氨基苯磺酸，水解脱磺酸基后，再经氧化，加氢得到 TMHQ。以偏三甲苯计， TMHQ 的总收率为 59.2，该工艺具有原料价廉易得，来源丰富，生产成本较低的 优点。缺点是工艺流程长、工序多、收率相对较低，生产过程中有大量含酚废水 和废物，污染严重，目前此法已基本淘汰。 B 偏三甲苯电解法 偏三甲苯电解法是对偏三甲苯法的改进，其流程如下： 偏三甲苯经磺化、硝化、电解还原后，再经水解氧化、加氢还 原得到 TMHQ。 以偏三甲苯为原料电解合成 TMHQ 的新工艺步骤依然较多，其仅将 各种酸仍然是反应的重要偏三甲苯法中 的还原方法改为电解还原法， 环境问题仍然较严 重，部分， 但其提高了产率，整个过程总产率达 75，具有一定的实用价值。 偏三甲苯直接氧化法 偏三甲苯直接氧化法主要反应过程为： 用过氧乙酸或过氧化氢将偏三甲苯直接氧化为 TMBQ，再经加氢还原得到 TMHQ。该法工艺简单，设备投资少，但原料的转化率、收率都较低，转化率约为 45，相对于已转化的偏三甲苯其苯醌收率约 35，但该工艺采用 具有绿色的反应工艺，氧化剂为过氧 化氢或过氧乙酸， 而且具有流程短、原料来源丰富等优点， 是一个非常有前途的工艺，有待进一步开发利用。 均三甲酚法 均三甲酚制取 TMHQ 其主要反应为：用过氧乙酸或过氧化氢将偏三甲苯直接氧化为 TMBQ，再经加氢还原得到 TMHQ。该法工艺简单，设备投资少，但原料的转化率、收率都较低，转化率约为 45，相对于已转化的偏三甲苯其苯醌收率约 35，但该工艺采用 具有绿色的反应工艺，氧化剂为过氧 化氢或过氧乙酸， 而且具有流程短、原料来源丰富等优点， 是一个非常有前途的工艺，有待进一步开发利用。 均三甲酚法 均 三 甲 酚 制 取 TMHQ 其 主 要 反 应 为 ： 均三甲酚经氧化，还原并转位制得 TMHQ。 第 该法第一步氧化收率约在 70， 二步还原收率可达 90，工艺流程短，收率相对较高，缺点是原料均三甲酚价格 较高，生产成本高。而如果采用均三甲苯磺化，碱熔来合成均三甲酚，但由于目 前均三甲苯价格也较昂贵，所以仍然不能降低生产成本。 偏三甲酚法 其反应方程式为： 偏三甲酚经空气氧化，在 Pd/C 催化剂存在下，加氢还原得到 TMHQ。该法具 有设备简单，投资小，步骤少，反应过程易于控制，收率高总收率可达 86， 无腐蚀，无三废等优点，有着良好的开发前景，但由于偏三甲酚为固体，且气味 较大，给操作人员带来不便，而且偏三甲酚原料不易得到，给工业化带来不便。 F 苯酚法23-26 反应方程式为：苯酚经甲基化得 2，4，6-三甲酚，再氧化，还原并转位制得 TMHQ。以苯酚 计，TMHQ 的总收率为 60，该法实际是将生产 2，6-二甲基苯酚工艺的副产物均 三甲酚合理地加以回收利用来制备 TMHQ。 G 间甲酚甲基化法 间甲酚法主要方程式： 3，间甲酚经甲基化后得 2， 6-三甲基苯酚，经氧化，加氢还原得到 TMHQ。以间甲酚计，间甲酚的转化率接近 100，TMHQ 的总收率为 75，该法具有流程 简单，副反应少，污染小，收率高等优点，是目前国内外普遍采用的方法。但间 甲酚在国内原料紧缺，大部分依靠进口，成本较高。 H 5- 异 丙 基 偏 三 甲 苯 法 反 应 过 程 为5-异丙基偏三甲苯经磺化，碱熔再脱去异丙基可得到 TMHQ。以 5-异丙基偏 三甲苯计，TMHQ 的总收率为 6368。该工艺相对简单，无需压力，但目前 5- 异丙基偏三甲苯原料的纯度较低，只有 70，原料中含有约 17的 6-异丙基偏三 甲苯而不易分离，使该法的利用受到限制。二乙基酮与 1-氨基-2-乙烯基甲基酮法 反应方程式为： 3， 二乙基酮与 1-氨基-2-乙烯基甲基酮反应得到 2， 5-三甲基苯酚， 在再经氧 化得到 TMBQ， Pd/C 催化剂存在下，加氢还原得到 TMHQ。该法乙烯基甲基酮的 转化率为 89，具有投资少，成本低等优点，但收率较低。 综上所述：偏三甲酚法制取 TMHQ，具有工艺流程短，设备节省，操作简单， 收率高，成本低，无腐蚀，不造成污染等优点，但偏三甲酚原料不易得到；间甲 酚法生产 TMHQ，具有工艺流程短，转化率较高等优点，是国内外目前采用的一 种主流方法，但在国内其间甲酚来源较短缺，大部分依靠进口，其生产受到一定 的限制；偏三甲苯直接氧化法工艺简单，流程短，但由于产率低等原因目前仍处 于实验研究阶段。 三甲基氢醌的工业生产现状 世界三甲基氢醌主要生产公司有德 国巴斯夫公司、瑞士的罗氏公司、日本 ChuoKaseihin 公司等，总生产能力约为 1.8 万 t/a。德国巴斯夫和瑞士罗氏的产品除满足本公司应用外还有一定量的商品供应市场， 目前世界市场上的三甲基氢 醌主要是上述两个公司产品。 近年来，国内的西北化工研究院、华东理工大学、湖南化工研究院、浙江化工研 究院等相继成功开发了 已经实现工业化生产， 动了我国三甲间甲酚法合成三甲基氢醌技术， 推基氢醌生产。主要生产厂家浙江新昌化工厂、 成 山西芮城化工厂、 都六菱化工厂、台州市精细化工有限公司等。生产能力约为 3500 吨年， 2002 年产量约 3600 吨，2000 年产量约 2000 吨， 而国内需求量约为 3800吨，基本与国内 VE 的生产能力相匹配。 3， 我国现有氢醌即主环 2， 5一三甲基对苯氢醌生产厂 9 家，从生产的地域分布看，浙江有 5 家，江苏、四川、安徽、辽宁各 1 家，从生产 能力看，最大的 2200ta，最小的 80ta，从所需原料来源渠道看，只有两家浙 江新昌合成化工厂 其余 7 家均从 国外进和浙江新昌制药股份有限公司所需原料为国产， 可见，口。 改变工艺路线使原料国产化是降低三甲基氢醌生产成本的关键。 16TMB 的利用 偏三甲苯广泛应用于制漆、涂料、合成树脂、树脂加工、医药以及