【《苯酚氧化反应连续流工艺分析案例》8000字】

苯酚氧化反应连续流工艺分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u3960苯酚氧化反应连续流工艺分析案例 1187751.1实验方法 146741.1.1药品及仪器 1256301.1.2实验流程 3307541.2间歇工艺条件优化 3125411.1.1路线筛选 3129701.1.2工艺条件参数优化 4184571.1.3后处理过程优化 1068751.3连续流工艺条件优化 115371.3.1连续流反应装置构建 1191531.3.2工艺条件参数优化 1258441.4反应机理与实验讨论 14232751.4.1反应机理 1416361.4.2实验讨论 16280751.5产物的表征与分析 17184171.6小结 201.1实验方法1.1.1药品及仪器苯酚氧化实验所用的药品、溶剂及相应的纯度级别和生产厂家如下表2-1所示：表2-1实验试剂Table2-1Experimentalreagent实验药品名称生产厂家级别苯酚上海国药集团分析纯二水合氯化铜上海国药集团分析纯氯化亚铜上海国药集团化学纯无水硫酸铜上海国药集团化学纯碘化亚铜上海国药集团分析纯无水三氯化铁武汉格奥分析纯四水合氯化亚铁上海国药集团分析纯三水合硝酸铜上海国药集团分析纯乙腈上海国药集团分析纯甲醇武汉格奥化学纯乙醇上海国药集团分析纯丙酮上海国药集团分析纯二氯甲烷武汉格奥化学纯正己烷武汉格奥化学纯氧气武汉市翔云工贸工业级蒸馏水自制－实验所用主要仪器如下表2-2所示：表2-2实验仪器Table2-2laboratoryapparatus实验仪器名称及型号生产厂家DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器河南巩义予华仪器公司ZF-5型手提式紫外分析仪上海嘉鹏仪器有限公司YP1002N型电子天平上海舜宇恒平仪器有限公司SHB-Ⅲ型循环水式真空泵河南巩义予华公司DZF-6020型真空干燥箱上海仁灏仪器设备有限公司KQ-300DA型数控超声波清洗器RE-52A型旋转蒸发仪昆山舒美超声仪器有限公司上海亚荣生化仪器厂TGYF-C0.5L磁力搅拌高压反应釜河南巩义予华公司MP1002C恒压输液泵上海三为科学仪器有限公司GDXH-50高低温循环泵武汉广颜仪器设备有限公司D07-7K气体质量流量控制器北京七星华创流量计有限公司微型鼓泡塔反应器武汉盛世精细化学品有限公司RBG背压阀上海析钛流体科技有限公司Tube管及双卡套接头等附件上海析钛流体科技有限公司1.1.2实验流程本章节的实验包括间歇工艺条件优化和连续流工艺条件优化两个部分。先在间歇反应条件优化好后，根据反应现象和优化结果，选择微型鼓泡塔反应器作为连续流反应方式，并对连续流反应工艺参数进行考察。苯酚氧化选择氧气作为氧化剂，用高压反应釜作为反应装置，筛选了催化剂、溶剂、氧气压力、温度等参数。反应步骤如下：取15.00g苯酚、4.89g二水合氯化铜、150mL乙腈于反应釜中，抽真空，通入氧气置换三次，加热搅拌至50℃，再通入氧气使反应釜压力升到1.0MPa，反应通过TLC点板监测（TLC展开剂极性：石油醚:乙酸乙酯=10:1）。后处理：先过滤出不溶性固体杂质，旋干溶剂，加20mL二氯甲烷搅拌溶解，加60mL正己烷搅拌析出过滤。连续流工艺条件主要优化了反应液流量、氧气流量、压力、温度等参数，实验步骤如下：组装好连续流反应装置，按间歇反应优化好的物料配比配制溶有苯酚和催化剂的乙腈溶液。设置好高压恒流输液泵的流量和气体流量控制器的流量，待反应液通过泵输入到鼓泡反应器时，打开氧气表阀和气体流量控制器，缓慢调节氧气表阀和背压阀的压力使其达到指定的压力，并维持氧气表阀和背压阀的压力差在0.3MPa左右。反应通过TLC点板监测。（TLC展开剂极性：石油醚：乙酸乙酯=10:1）。调整各个参数收集实验数据。实验方法采用单因素实验，通过定性定量的分析比较，找到合适的一组实验条件。1.2间歇工艺条件优化1.1.1路线筛选通过前期文献查阅，苯酚作为原料氧化成对苯醌是一条比较经济的路线。绿色氧化剂有氧气和双氧水，它们均能氧化苯酚合成对苯醌。通过实验路线筛选发现，30%浓度的双氧水氧化效率低，更高浓度的双氧水虽然氧化效果好，但高浓度双氧水不易获得，操作危险性大，还需要特制催化剂进行氧化催化。因此，以氧气为氧化剂，铜盐为催化剂是一条相对安全经济的路线，合成路线如下：图2-1氧气氧化苯酚Fig.2-1OxygenOxidationofPhenol1.1.2工艺条件参数优化表2-3各化合物投料比例Table2-3Feedingratioofeachcompound化合物名称分子量投料量当量/eq苯酚94.1115.00g1.0二水合氯化铜170.504.89g0.18乙腈41.05150mL－初始实验条件：取苯酚（15.00g，0.1594mol）、二水合氯化铜（4.89g，0.0287mol）、150mL乙腈于反应釜中，抽真空，通入氧气置换三次，加热搅拌至50℃，再通入氧气使反应釜压力升到1.0MPa，反应通过TLC点板监测（TLC展开剂极性：石油醚:乙酸乙酯=10:1）。首先筛选了离散型变量，包括溶剂种类和催化剂种类，其次是氧气压力、温度等渐变型变量。溶剂筛选苯酚熔点43℃，常温下为白色结晶，若在无溶剂状态下在高压釜里加热到反应温度，由于催化剂颗粒较大且不溶，基本无反应。其它条件不变，改变溶剂种类，反应时间5h，实验结果如下表：表2-4溶剂筛选Table2-4Solventscreening溶剂沸点/℃极性收率/%乙腈81.66.245.34甲醇64.76.634.59乙醇78.34.323.19丙酮56.55.431.80蒸馏水10010.211.47从上表可知筛选的溶剂都是极性溶剂，在氧气氧化苯酚实验中溶剂极性过大或过小收率都较低。虽然催化剂二水合氯化铜在以上溶剂中都能很好溶清，但催化剂只有在乙腈中表现出较好的催化性能。甲醇、乙醇虽然低毒易得，但是收率低，丙酮不易获得且收率也低，因此，选择乙腈作为溶剂。催化剂筛选催化氧化反应中，过度金属离子作为催化剂能有效催化氧化有机物。如芬顿氧化反应中亚铁离子参与的自由基反应，能高效催化氧化羧酸、醇、酯类，使其氧化为无机态。本章实验比较了几种铜盐和铁盐的催化效果。实验步骤：取苯酚（15.00g，0.1594mol）、一定量催化剂（0.0287mol）、150mL乙腈于反应釜中，抽真空，通入氧气置换三次，加热搅拌至50℃，再通入氧气使反应釜压力升到1.0MPa，反应时间5h。每次实验改变不同的催化剂，实验结果如下表：表2-5催化剂筛选Table2-5Catalystscreening催化剂分子量摩尔量/mol对苯醌收率/%对苯醌颜色二水合氯化铜170.500.028750.35黄色氯化亚铜98.990.028748.23黄色无水硫酸铜159.610.02878.48棕色碘化亚铜190.450.028721.76棕色三水合硝酸铜241.600.028717.56棕色无水三氯化铁161.200.028714.59棕黑色四水合氯化亚铁198.810.028724.71棕黑色二水合氯化铜+四水合氯化亚铁－0.0287+0.014353.37棕黑色通过实验可知,二水合氯化铜和氯化亚铜有较好的催化效果，无水硫酸铜难溶于乙腈溶剂中，产物收率极低。对比氯化亚铜和碘化亚铜以及三水合硝酸铜可知，氯离子在催化氧化过程中发挥了重要作用。无水三氯化铁和四水合氯化亚铁都有一定催化效果，在四水合氯化亚铁添加二水合氯化铜组成复合型催化剂，收率有所提高，但是产物性状较差，主要是铁离子包含在产物中需要进一步分离提纯。选择二水合氯化铜作为单一催化剂进行后续优化。氧气压力的影响氧气是绿色清洁的氧化剂，根据化学反应速率方程，氧气分压力高，单位体积内的氧分子浓度大，越有利于推动反应正向进行。过高的压力对设备以及安全性要求也高。实验步骤：取苯酚（15.00g，0.1594mol）、二水合氯化铜（4.89g，0.0287mol）、150mL乙腈于反应釜中，抽真空，通入氧气置换三次，加热搅拌至50℃，再通入氧气使反应釜压力升到设定值，反应时间5h。分别实验氧气压力为1.0MPa、1.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、3.0MPa、3.5MPa、4.0MPa，实验结果如下表：表2-6氧气压力对收率影响Table2-6Theinfluenceofoxygenpressureonyield氧气压力/MPa对苯醌收率/%对苯醌颜色1.035.23黄色1.547.35黄色1.050.73黄色1.553.76黄色3.053.92棕色3.554.59棕红色4.055.01棕红色根据实验结果可知，随着压力升高，产物收率有明显上升，压力在1.0~1.5MPa时收率可达53.76%，压力继续升高，收率趋于稳定，产物颜色较深。考虑到工艺设备要求和安全性，选择1.0MPa作为氧气压力参数比较合适。反应温度的影响苯酚氧化反应是一个放热反应，反应过程中釜内温度与反应釜设定温度最高可相差20℃。选择合适的反应温度有利于加快反应并减少副反应发生。实验步骤：取苯酚（15.00g，0.1594mol）、二水合氯化铜（4.89g，0.0287mol）、150mL乙腈于反应釜中，抽真空，通入氧气置换三次，加热搅拌至设定温度，再通入氧气使反应釜压力升到1.0MPa，反应时间5h。分别实验温度条件为30℃、50℃、70℃、90℃、110℃。实验结果如下表：表2-7反应温度对收率影响Table2-7Effectofreactiontemperatureonyield温度/℃苯酚转化率/%对苯醌收率/%对苯醌颜色3065.7825.25黄色5095.8944.79黄色7099.7053.38黄色9099.7341.09棕黑色11099.8938.50棕黑色从上表可以看出,温度对原料苯酚的转化率影响较大，温度70℃以上时，苯酚基本可以完全转化，温度达到90℃以上时，副反应增多，所得产物颜色偏黑，焦化现象严重。因此，在70℃的条件下，原料既能转化完全，杂质也相对较少。催化剂用量的影响考察了催化剂加入量对苯酚选择性以及收率的影响。实验步骤：取苯酚（15.00g，0.1594mol）、一定量二水合氯化铜、150mL乙腈于反应釜中，抽真空，通入氧气置换三次，加热搅拌至设定温度70℃，再通入氧气使反应釜压力升到设定值1.0MPa，反应时间5h。分别实验催化剂用量为0.0049mol、0.0096mol、0.0191mol、0.0287mol。实验结果如下表：表2-8催化剂用量的影响Table2-8Theinfluenceofcatalystdosage二水合氯化铜用量/mol当量/eq对苯醌收率/%反应情况0.00490.0354.21原料反应不完，固体杂质1.62g0.00960.0657.59原料未反应完，固体杂质3.12g.0.01910.1261.69原料反应完，固体杂质5.82g0.02870.1851.17原料反应完，固体杂质7.31g从表中实验结果可以看出在氧气压力一定的情况下，催化剂用量越大，偶联聚合固体杂质越多，当催化剂当量为0.12时，对苯醌收率最高可达61.69%，说明催化剂浓度越大，偶联聚合副反应越容易发生，催化剂用量小，原料反应不完，收率相对较低。选择催化剂当量0.12较为合适。溶剂用量的影响溶剂用量大小直接影响底物浓度和反应快慢。为了节约生产成本，溶剂用量应在一个合理数值。本文研究了乙腈作为溶剂在苯酚氧化实验中用量。实验步骤：取苯酚（15.00g，0.1594mol）、二水合氯化铜（3.25g，0.0191mol）、一定量乙腈于反应釜中，抽真空，通入氧气置换三次，加热搅拌至设定温度70℃，再通入氧气使反应釜压力升到设定值1.0MPa，反应时间5h。分别实验乙腈用量为75mL、100mL、125mL、150mL、175mL、200mL。实验结果如表2-9：表2-9溶剂用量的影响Table2-9Effectofsolventusage乙腈用量/mL对苯醌收率/%反应情况7538.60原料大量剩余10040.35原料较多12547.78原料剩余少15058.74原料反应完17561.43原料反应完20060.35原料反应完由上表实验结果可知乙腈用量少，原料转化不完全，收率低，增大溶剂用量收率有明显提高，这可能是因为溶剂用量增大所溶解的氧分子多，与苯酚可以充分接触发生反应的概率增大。当溶剂用量为150mL时，收率已经接近60%，继续增大溶剂用量收率没有明显变化，在收率可以接受的水平下考虑到溶剂成本，选择150mL溶剂量比较合适。反应时间的影响考察了反应时间对苯酚转化率以及收率的影响。实验步骤：取苯酚（15.00g，0.1594mol）、二水合氯化铜（3.25g，0.0191mol）、一定量乙腈于反应釜中，抽真空，通入氧气置换三次，加热搅拌至设定温度70℃，再通入氧气使反应釜压力升到设定值1.0MPa，反应通过TLC点板监测（TLC展开剂极性：石油醚:乙酸乙酯=10:1），取样做液相。分别对不同反应时间的反应液做后处理计算收率。由表2-10可知反应3h原料基本反应完全，继续延长反应时间，收率并没有明显下降，说明产物对苯醌在反应过程中性质较为稳定。表2-10反应时间的影响Table2-10Theeffectofreactiontime反应时间/h苯酚转化率/%对苯醌收率/%170.4831.94290.3545.53399.4561.34499.5661.95599.7460.081299.8961.861.1.3后处理过程优化反应结束后，反应液里析出较多的偶联副产物，可以直接过滤掉这部分杂质。滤液为含对苯醌以及其它可溶性杂质的乙腈溶液。减压蒸去乙腈后，得到对苯醌粗品。对苯酚的沸点为239℃，由于对苯醌易升华工业上采用水蒸气蒸馏法。水蒸气蒸馏法存在蒸馏效率低，能耗高，蒸馏时间长的问题，而且由于要在100℃的高温下蒸馏，苯醌易发生分解结焦。经过实验发现，二氯甲烷可以较好溶解对苯醌，加入正己烷后可使对苯醌析出，得到的产物性状较好，因此采用重结晶的方法纯化对苯醌粗品。取10g蒸去乙腈的对苯醌粗品，加入一定量的二氯甲烷，过滤掉不溶的催化剂，冰浴下滴加正己烷，产物缓慢析出。研究了二氯甲烷和正己烷加入量对产品回收率的影响。实验结果如表2-11所示：表2-11重结晶溶剂用量的影响Table2-11Theinfluenceoftheamountofrecrystallizationsolvent二氯甲烷用量/mL正己烷用量/mL对苯醌回收率/%对苯醌颜色204067.89黄色206075.43黄色208085.49黄色2010087.21橙黄色2012089.93橙红色随着不良溶剂正己烷用量加大，对苯醌的回收率也升高，当二氯甲烷用量20mL，正己烷用量80mL时，对苯醌回收率达到了85.49%，此时产品性状仍较好，继续增大正己烷用量，虽然回收率有提高，但析出杂质也较多，产品颜色较差。因此，选择二氯甲烷和正己烷用量体积比为1:4较为合适。二氯甲烷和正己烷的混合溶剂可以通过蒸馏回收。1.3连续流工艺条件优化1.3.1连续流反应装置构建间歇条件工艺优化后的方案为：实验步骤：取苯酚（15.00g，0.1594mol）、二水合氯化铜（3.25g，0.0191mol）、150mL乙腈于反应釜中，抽真空，通入氧气置换三次，加热搅拌至设定温度70℃，再通入氧气使反应釜压力升到设定值1.0MPa，反应时间3h。后处理：先过滤出不溶性固体杂质，旋干溶剂，加20mL二氯甲烷搅拌溶解过滤出催化剂，冰浴下滴加80mL正己烷搅拌析出黄色固体，过滤得到产品对苯醌。根据苯酚在间歇条件工艺里反应情况，结合一般连续流工艺设备的特点构建合适的连续流反应装置。苯酚氧化反应为气液非均相反应，且在反应过程中产生较多的偶联固体杂质，反应主要受气液两相接触影响，因此采用鼓泡反应器的流动反应器较为合适。如图2-2所示，与氧气瓶连接的是气体流量计，控制氧气每分钟的流量，用锥形瓶配制好含有苯酚和催化剂的乙腈溶液，通过高压恒流输液泵输送，经过一个T型交叉混合器与氧气混合后，从底部进入鼓泡反应器，鼓泡反应器内有多层微孔挡板，增加气液两相的混合接触面积，导热油经过微孔挡板的大孔在鼓泡塔内部进行换热，反应完后的反应液从鼓泡反应器顶部流出经过背压阀流出至接收瓶内降温冷却，背压阀可调节鼓泡塔内部氧气压力。图2-2鼓泡反应器系统流程示意图Fig.2-2Schematicdiagramofbubblereactorsystemflow1.3.2工艺条件参数优化实验步骤：组装好连续流反应装置，按间歇反应优化好的物料配比配制溶有苯酚和催化剂的乙腈溶液。设置好高压恒流输液泵的流量和气体流量控制器的流量，待反应液通过泵输入到鼓泡反应器时，打开氧气表阀和气体流量控制器，缓慢调节氧气表阀和背压阀的压力使其达到指定的压力，并维持氧气表阀和背压阀的压力差在0.3MPa左右。反应通过TLC点板监测（TLC展开剂极性：石油醚：乙酸乙酯=10:1）。调整各个参数收集实验数据。鼓泡反应器有效容积为100mL，液体流量设定为5mL/min，氧气流量设定为500sccm，反应停留时间20min，由于实验条件限制，高压恒流输液泵的能承受的最大压力为2MPa，因此，实际反应中背压阀最大压力调至1.8MPa，反应压力在1.5~1.8MPa范围内波动。气液比的改变对收率的影响如表2-12所示：表2-12气液比对收率的影响Table2-12Theinfluenceofgas-liquidratioonyield氧气流量/sccm液体流量/mL/min气液比对苯醌收率/%250550:134.675005100:146.787505150:146.9010005200:147.73气液比从50:1增加到100:1收率有比较明显的上升，继续增加时收率没有变化，说明受限于其它因素影响，氧化速率已经达到饱和。按气液比100:1条件对催化剂用量进行研究，实验结果如表2-13：表2-13催化剂用量的影响Table2-13Theinfluenceofcatalystdosage二水合氯化铜用量/mol当量/eq对苯醌收率/%0.00490.0325.670.00960.0637.010.01910.1245.560.02870.1844.79由实验结果可知，苯酚：二水合氯化铜当量为0.12时收率达到最高，增大用量时有部分催化剂不溶，收率没有明显增加。按照此当量研究反应停留时间对苯酚转化率的影响。实验结果如表2-14：表2-14反应停留时间的影响Table2-14Effectofreactionresidencetime循环次数反应停留时间/min对苯醌收率/%12043.8924045.2436049.5648051.09510053.94从鼓泡反应器里反应流出来的反应液计为一次循环，再将反应液重新输入鼓泡塔反应器再次氧化反应为2次循环，以此类推，根据不同批次的循环次数分别后处理计算反应收率，随着反应停留时间的延长，苯酚收率一直在上升，当循环3次，反应停留时间60min时，收率趋于稳定，增加反应停留时间收率有小幅提高，但仍有少量原料不能继续反应完。由于设备原因压力无法达到间歇反应条件甚至使用更高的压力条件缩短反应时间，在现有条件下反应停留时间60min是合适的。因为单个鼓泡反应器有效容积为100mL，液体流量5mL/min，单次循环反应停留时间20min，所以需要3个相同容积鼓泡反应器串联或者使用一个3倍容积鼓泡反应器才能使反应液不经过循环达到相同反应效果。1.4反应机理与实验讨论1.4.1反应机理酚羟基的氧原子处于sp2杂化状态，氧原子上有两对孤对电子，一对占据sp2杂化轨道，另一对占据未参与杂化的p轨道，p电子云与苯环的大π键电子云形成p-π共轭体系。氧原子的p电子云向苯环转移，这使得氧原子上的电子云密度降低，减弱了O-H键，从而使氢能以H+的形式离解而显酸性。苯酚氧化属于自由基反应。首先是苯酚脱除氢质子生成苯氧阴离子，然后苯氧阴离子与铜离子配位，通过单电子转移生成苯氧自由基[53]，苯氧自由基再进行氧化生成产物以及发生氧化偶联生成副产物。苯氧自由基与氧气结合形成超氧中间体，在一分子二价铜络合作用下，脱去羟基最终形成产物对苯醌。与二价铜络合的氢氧根与氢离子结合形成水。反应机理如图2-3所示：图2-3苯酚氧化反应机理Fig.2-3Phenoloxidationreactionmechanism苯氧自由基可以发生共振，共振的活性位点在邻位时，在氧气和催化剂进一步氧化催化作用下生成邻苯醌。苯氧自由基之间偶联会产生二聚体以及聚苯醚，如图2-4所示：图2-4苯酚氧化副反应Fig.2-4Phenoloxidationsidereaction1.4.2实验讨论从反应机理以及实验结果来看，反应体系中铜离子的浓度决定了产生苯氧自由基的快慢。当铜离子浓度较大时，苯酚转化成苯氧自由基速率加快。苯氧自由基之间越容易发生偶联聚合，产生大量的聚苯醚沉淀物。为降低副反应发生，催化剂浓度应在一个合理范围。乙腈能与铜离子形成弱配位键的配合物，起到稳定铜离子的作用。从实验结果来看，乙腈作为溶剂时收率最高。苯氧自由基转化为对苯醌的过程中，氧气浓度也至关重要，氧气浓度越高，与自由基偶联聚合形成竞争性反应。当然，反应中氧气浓度越高对设备条件要求也越高。在间歇反应工艺条件中，影响苯酚氧化收率的主要因素是温度，催化剂浓度以及氧气压力。而在连续流工艺中，反应收率比间歇条件收率低的原因主要是反应停留时间短。从微观角度来讲是催化剂在参与氧化循环的过程中利用率低。反应停留时间短，同时由于催化剂浓度的限制，铜离子催化循环次数少，导致原料转化不完全。在间歇反应中，催化剂一直参与氧化循环，直到原料消耗完，收率较高。1.5产物的表征与分析图2-5对苯醌的结构式Fig.2-5Structuralformulaofp-benzoquinone核磁氢谱检测仪：600MHz核磁仪。溶剂为氘代甲醇，溶剂峰化学位移为3.31ppm。对苯醌的核磁共振氢谱如图2-6所示，以及氢归属如表2-15所示：图2-6对苯醌的核磁共振氢谱Fig.2-61H-NMRofp-benzoquinone表2-15对苯醌的(1H-NMR)归属峰Table2-15Attributionpeakofp-benzoquinone化学位移δ/ppm氢归属6.80（s，4H）C-1,C-2,C-4,C