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可控微波促进AlCl3催化下二酯类化合物的环境友好合成

更新时间:2016-07-05

1 前言

二酯类化合物是一种重要的有机合成及精细化工中间体,广泛应用于化妆品、食品、涂料、农药、医药、染料、日用化学品等领域,还可作为合成高分子材料的单体.二酯类化合物通常采用双酯化反应来合成,双酯化反应即一元羧酸与二醇[1]、二元羧酸或酸酐与醇发生的酯化反应[2],已报道的有乙二醇双酯的合成[3-6],邻苯二甲酸双酯的合成[7].传统的生产工艺是用均相无机酸作催化剂,加热直接酯化而合成,浓硫酸同时具有催化、脱水和氧化作用,导致一系列副反应的发生,使产物中含有少量的醚、硫酸酯等化合物,给产物的精制和原料的回收带来困难,从而限制了其在食品工业上的应用.

针对目前均相催化体系存在的回收难、污染大的问题,筛选出高活性的固体Lewis酸为催化剂,并运用到双酯化反应中,不仅解决催化剂的活性问题,而且降低设备腐蚀,实现催化剂的回收,提高其使用率.实验采用“一锅”法,不使用有机带水剂,以乙二醇与有机酸为原料合成了用途比较广泛、用量大的乙二醇二苯甲酸酯、乙二醇二硬脂酸酯;以邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐分别与乙醇、苯甲醇发生双酯化反应,合成了邻苯二甲酸二乙酯和富马酸二苄酯.使用聚焦单模微波合成系统在线优化反应条件,可大大加快条件优化的速度,提高合成效率.根据微波方法优化的反应条件,再进行常规放大合成实验,为工业化生产提供依据.

2 实验部分

2.1 实验原理

乙二醇和羧酸在Lewis酸催化下合成乙二醇双酯,反应式如下:

酸酐与醇在Lewis酸催化下合成二元羧酸二酯,反应式如下:

2.2 仪器与试剂

Discover聚焦单模微波合成系统(美国CEM公司,0~300 W连续可调输出功率,精度为1 W;温度控制为10~300℃,非接触式红外温控精确至±1℃;压力控制为 0~20 bar,精度为±0.1%;10 mL、80mL标准反应管,自动搅拌);DF-101B集热式恒温磁力搅拌器 (浙江省乐清市乐成电器厂);Sartorius电子天平(德国赛多利斯公司,精度为±0.1mg);ZK-82A型真空干燥箱;WRS-1A数字熔点测定仪 (上海物理光学仪器厂,rt~300℃,温度未校正);Nicolet 5700红外光谱仪(美国Thermo Nicolet公司,KBr压片).

(2)常规法合成乙二醇二硬脂酸酯 在50mL圆底烧瓶中,依次加入磁力搅拌子、10mmol硬脂酸、25mmol乙二醇及2.5mmol无水AlCl3,在集热式恒温磁力搅拌器中套上回流装置,将温度控制在120~125℃,加热回流2.5h.反应结束,将产物倒入盛有20mL冰水的烧杯中,洗涤反应容器,洗涤液一并倒入小烧杯中,结晶后再加入氢氧化钠溶液搅拌,直到溶液呈碱性,减压抽滤,干燥,称重,计算产率.

2.3 实验方法

(1)微波法合成乙二醇二苯甲酸酯 在10mL标准反应容器中,依次加入磁力搅拌子、5mmol苯甲酸、7.5mmol乙二醇、1.25mmol无水 AlCl3催化剂,混合均匀,置于微波反应器内.设置微波反应功率为10W,压强为10psi,温度为125℃,反应时间为18min,启动微波反应器.反应结束,将产物倒入盛有20mL冰水的烧杯中,洗涤反应容器,洗涤液一并倒入小烧杯中,结晶后再加入氢氧化钠溶液搅拌,直到溶液呈碱性,减压抽滤,干燥,称重,计算产率.

无水乙醇,乙二醇,苯甲醇,苯甲酸,硬脂酸,顺丁烯二酸酐,邻苯二甲酸酐,磷酸,磷钨酸(H3O40PW12),ZnCl2,FeCl3, 无水 AlCl3,SnCl4,NaOH,无水MgSO4均为国产分析纯或化学纯试剂,使用前未进一步处理.固体超强酸SO42-/TiO2/La3+按文献[8]法制备.

以乙二醇与苯甲酸双酯化反应为模板,采用微波合成系统,通过单一变量法快速优化各种反应条件.从原料比、微波辐射时间、反应温度、催化剂的种类、催化剂的用量等因素对产率的影响进行优化,实验结果见表1和表2.

实验结果表明,当苯甲酸与乙二醇、AlCl3的物质的量之比为1∶1.5∶1.25,微波加热温度为125℃,反应18min,乙二醇二苯甲酸酯的产率达到最高.无水AlCl3的催化活性最佳且产物色泽好,它不仅是一种价廉易得的Lewis酸,还有一定的吸水性,反应后溶于水可回收.

“她不是同意你换工作吗,那你就可劲儿的换,先别要小孩,等找到自己喜欢干的事儿了,照样幸福,是吧?”何北说。

产物结构表征通过熔点测定和红外光谱进行结构分析,结果见表5.

2.4 产物分析

(4)常规法合成邻苯二甲酸二乙酯 在50mL圆底烧瓶中,依次加入磁力搅拌子、20mmol邻苯二甲酸酐、60mmol无水乙醇、4mmol AlCl3催化剂,在集热式恒温磁力搅拌器中套上回流装置,加热回流8小时.反应完毕,冷却,加入少量水搅拌溶解固体酸,分离出水,再加入少量水重复洗涤三次后,分离产物并用无水MgSO4干燥,减压蒸馏,得纯产物.

3 结果与讨论

3.1 乙二醇与羧酸的双酯化反应

表1 原料比、微波辐射时间、温度对双酯化产率的影响

序号 苯甲酸∶乙二醇(mmol)产率(%)1 1∶1.5 14 125 67 2 1∶1.5 16 125 73 3 1∶1.5 18 125 84 4 1∶1.5 20 125 78 5 1∶1.5 22 125 76 6 1∶1.5 18 115 56 7 1∶1.5 18 120 62 8 1∶1.5 18 130 66 9 1∶1.5 18 135 60 10 1∶1.0 18 125 43 11 1∶1.25 18 125 61 12 1∶1.75 18 125 55时间(min)温度(℃)

表2 催化剂及用量对双酯化产率的影响

序号 催化剂(mmol) 产率(%)1 H3PO4(1.25) 67 2 AlCl3(1.25) 84 3 FeCl3(1.25) 81 4 ZnCl2(1.25) 78 5 SnCl4(1.25) 76 6 H3O40PW12(1.25) 56 7 SO4 2-/TiO2/La3+(1.25) 62 8 AlCl3(0.75) 71 9 AlCl3(1.00) 79 10 AlCl3(1.50) 81 11 AlCl3(1.75) 73

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(3)微波法合成富马酸二苄酯 在10mL标准反应容器中,依次加入磁力搅拌子、10mmol顺丁烯二酸酐、22.5mmol苯甲醇、2mmol AlCl3催化剂,混合均匀后,置于微波反应器内.调节微波反应器的功率为10W,压强为 10psi,温度为 100℃,反应时间为3min,启动微波反应器.反应结束后,将产物全部转移到烧瓶中,采用水蒸气蒸馏法除去产物中过量的苯甲醇和副产物.减压抽滤,干燥,称重,计算产率.

当学生学习了一些英语流行歌曲,初步建立起了记忆曲库之后,教师可以在适当的时候,播放一些学过的歌曲的片段,让学生猜出其歌名,说出其演唱歌手。还可以在推荐学生进行泛听的曲目里选择一些歌曲片段,采取抢答游戏的形式,让学生识别其歌名,检验其学习效果,活跃课堂气氛。

3.2 酸酐与醇的双酯化反应

以顺丁烯二酸酐与苯甲醇双酯化反应为模板,采用微波合成系统,通过单一变量法快速优化各种反应条件.从原料比、微波辐射时间、反应温度、催化剂的种类、催化剂的用量等因素对产率的影响进行优化,实验结果见表3和表4.可以看出,当顺丁烯二酸酐与苯甲醇、AlCl3的物质的量之比为1∶2.5∶0.2,微波加热温度为100℃,反应3min,富马酸二苄酯的产率达到最高.

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在微波筛选条件的基础上,采用常规放大实验,在反应温度、催化剂用量不变的情况下,仅改变反应时间、原料比对双酯化产率的影响,合成了克级二酯产物,结果如表5所示.从实验操作方式进行比较,微波反应在密闭反应器中进行,没有乙醇、乙二醇、苯甲醇挥发而造成损失,可以使醇酸比控制在最低;常规实验为非密闭反应体系,存在低沸点醇的挥发而造成损失,因此,要达到最高产率,醇酸比相对高一些.最佳实验方法见2.3.

表3 原料比、微波辐射时间、温度对双酯化产率的影响

序号 顺丁烯二酸酐∶苯甲醇(mmol)产率(%)1 1∶2.00 3 100 82 2 1∶2.25 3 100 87 3 1∶2.50 3 100 84 4 1∶3.00 3 100 81 5 1∶2.25 3 90 70 6 1∶2.25 3 95 75 7 1∶2.25 3 105 73 8 1∶2.25 3 110 70 9 1∶2.25 2 100 64 10 1∶2.25 4 100 70 11 1∶2.25 5 100 62时间(min)温度(℃)

表4 催化剂及用量对双酯化产率的影响

序号 催化剂(mmol) 产率(%)1 H3PO4(2.0) <5 2 AlCl3(2.0) 87 3 FeCl3(2.0) 72 4 ZnCl2(2.0) <5 5 SnCl4(2.0) 71 6 AlCl3(1.5) 82 7 AlCl3(2.5) 80 8 AlCl3(3.0) 72

表5 二酯类化合物的合成与结构表征

4 结束语

采用可控微波合成系统,反应时间短(一般在20min以内),产率高;采用常规合成方法时间较长,且产率略低;利用固体酸催化体系,提高了反应效率,催化剂可回收;反应中未使用附加溶剂或带水剂,采用“一锅”法,且醇酸比控制在最低,减少了操作环节,同时了降低了环境污染.利用微波合成技术优化反应条件只是工具而非目的,其最终目的是在常规条件下实现规模化生产.

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白林,刘霞,汪杰,王彦彪,王永杰
《甘肃高师学报》 2018年第02期
《甘肃高师学报》2018年第02期文献

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