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催化剂及其固化在酸醇酯化反应中的研究与应用*

更新时间:2009-03-28

酯化反应是一类重要的有机化学反应,合成的羧酸酯及其衍生物是重要的化工中间体,在食品、香料、涂料、橡胶、日化、医药等精细化工领域得以广泛应用。例如:氯乙酸乙酯在羧甲基纤维素的生产中是主要有机原料,丁酸戊酯在食品行业中是常用的香料。酯化反应需要酸作催化剂[1],通过酸对羟基的质子化促进酸醇分子间的脱水。在传统实验室研究及化工生产中通常选用硫酸作催化剂[2]

全国192家医疗机构26 011例创伤性颅内损伤患者的药物利用分析 …………………………………… 谭建霞等(24):3441

以硫酸作为催化剂,虽然其催化效能较高,廉价易得,但仍存在很多缺点:(1)硫酸酸性强,使用过程中安全系数低,同时含酸废液排放到环境中易导致污染;(2)浓硫酸具有强氧化性和脱水性,溶解时大量放热,会导致一系列副反应的发生,反应产物中常伴有醚、硫酸酯、羰基化合物等;(3)粗产品后处理还要经过中和、水洗等步骤分离除去,催化剂回收重复使用难,不但工艺路线长,而且易造成产品损失,影响收率;(4)硫酸属于氧化性强酸,对反应设备腐蚀严重,设备成本大幅度提高。因此,开发环保、催化活性高、易分离、能重复使用、安全的酯化反应催化剂一直是国内外学者的研究热点。

Analysis of organization modes and initiation conditions of a heavy-rain-producing mesoscale convective system

1 催化剂

1.1 有机酸催化

对甲苯磺酸属于有机强质子酸,无氧化性,无脱水性,在酯化催化反应中催化效果好,对设备无腐蚀,赵汝淇[3]将其应用到丁酸丁酯的合成过程中,在反应2.0h,醇酸摩尔比为1∶3,带水剂甲苯10mL(0.2mol酸)时,酯化率达到97.8%,在相同条件下与硫酸催化相比,酯化率提高了7.4%,选择性提高了6%,明显优于硫酸催化。

陈静等[16]将S2O82-/TiO2负载在MCM-41介孔分子筛上制备出的固体超强酸,以乙酸异戊醇的酯化为探针反应,反应1.5h,重复使用3次酯化率仍能达到98%。分析对比认为S2O82-对金属氧化物的成酸作用明显优于SO42-,因此在制备阶段需注意控温,以免S2O82-分解。

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1.2 杂多酸催化

超强酸是酸强度比100%硫酸更强的酸。SO42-/MXOY固体超强酸因其具有易得、对设备不腐蚀、不怕水、耐高温、反应活性高、选择性好、易从反应体系中分离、能够重复使用等优点,具有广泛的工业应用前景。彭静美等[11]利用TiO2-SO42-固体超强酸催化合成了氯乙酸乙酯,当0.1mol氯乙酸,20mL无水乙醇,15mL环己烷为带水剂,0.50g TiO2-SO42-固体超强酸,分水回流2.5h时,收率为87.7%。郑云天等[12]通过SO42-/ZrO2固体超强酸的制备及催化性能研究表明,在最佳条件下,酯化率达到97%。卢泽楷等[13]选择固载稀土元素制成稀土固体超强酸,通过制备稀土硫酸盐固载强酸型离子树脂,并通过与活性炭、沸石固载稀土硫酸盐的酯化效果进行对比,通过催化酯化乙酸正丁酯,反应时间为2h,产率达到97.2%。催化效果明显优于其它载体。分子筛由于其大的比表面,在催化剂领域得到极大的重视,近几年,以分子筛为载体的超强酸酯化催化也得到了广泛研究。金昌磊[14]采用共沉淀-浸渍法制备分子筛SO42--Ti02/USY,通过考察胡萝卜酸乙酯的催化性能,表明在醇酸摩尔比为3.1:1,催化剂1g,反应3h,酯化率达到92.13%,通过重复性实验5次,催化性能基本不变。

马荣萱等[20]将硫酸氢钠负载在活性炭上,以丙酸正戊酯的酯化合成为目标反应研究其催化活性,当酸醇摩尔比为1∶2,催化剂质量分数为1.2%,带水剂10mL,回流30min,酯化率达到94.87%。

符明淳等[17]考察了CaCl2作催化剂,对冰乙酸和异戊醇酯化反应的催化效果,并和浓硫酸的催化酯化率对比,当醇酸物质的量比为1∶2.8,催化剂用量3g,回流1h时,酯化率71%,与4mL浓硫酸催化酯化率接近。作者讨论了催化机理,认为是生成的Ca2+与乙酸生成配合物强酸起到了关键催化作用。

赵瑞兰等[21]通过制备不同金属阳离子型β沸石并对酯化效果进行讨论,其中以Fe-β沸石的催化活性最高,催化剂/环丙烷/戊醇/丙酸=1.2g/5mL/1.2mol/1.0mol,反应温度138℃~144℃,反应3h,但酸转化率仍不超过76%,并且浸渍法制备催化剂时间在24h左右。对比发现阳离子负载沸石作酯化反应催化剂催化活性并无显著提高,分析可能由于沸石负载金属阳离子并不能提供更多活性中心,催化活性仍由金属盐提供。但由于负载沸石上在循环使用及产品分离方面工艺过程更便捷。

1.3 固体超强酸催化

尹彦冰[5]制备出一系列磷钼钨钒四元杂多酸催化合成肉桂酸正丁酯,醇酸摩尔比1.2∶1,催化剂用量为酸质量0.5%,反应1.5h酯化收率达75.67%。其中杂多酸中钼钨原子个数比提高,钼的氧化性比钨强,杂多酸的氧化性有所提高[6],酯化率也得到提高。陶春元等[7]通过制备H6P2W18O62·13H2O,并以乙酸正丁酯的酯化合成为探针考察其催化性能,当催化剂质量为总质量0.75%,醇酸比为2∶1,反应时间为2h,温度为125℃时酯化率达96.83%。

王宇红[15]课题组用钒对SO42-/ZrO2-Al2O3固体酸改性,利用乙酸正丁醇酯化反应评价催化性能,结果表明反应2h酯化率可达99.71%。通过多种表征手段分析认为V稳定了Zr O2的四方晶相,并且通过与SO42-相互作用,增强了金属氧化物的缺电子情况,进而促进了SO42-、Zr O2、Al2O3的相互作用,有利于酯化。

对甲苯磺酸是可用于酯化反应的固体有机酸,由于可溶于反应体系,在产品的分离提纯工艺方面不具有优势,尤其是易溶于乙醇,在反应中损耗大,不利于酯化率的提高。MCM-41具有六方有序的独特孔道,较大的比表面积和孔容成为热门的催化剂载体。常玥等[4]将对甲苯磺酸负载到MCM-41上,以无毒增塑剂柠檬酸异辛酯的合成为探针反应,得出最佳合成条件:催化剂用量为酸质量的3%,160℃,酸醇摩尔比1∶5,反应2.5h,酯化率最高达到96.7%。但3次重复性实验酯化率下降约10%,固载效果有待提高。

1.4 无机盐催化

杂多酸固载在不同载体上,也可获得可用于连续催化、回收方式简单、低温高效、高选择性的催化效果,但载体不同对酸催化活性的影响较大。王新平等[8]利用不同烧制原料的活性炭负载杂多酸,负载量20%,酯化75min,酯化率最高达72.3%。考察其催化效果发现,灰分及活性炭表面的碱性含氧基团的中和作用对催化活性影响较大。崔丽等[9]选择硅胶为载体制备磷钨酸硅胶催化剂直接催化酯化合成肉桂酸甲酯。实验表明:肉桂酸0.1mol时,醇酸比8∶1,催化剂量1.6,催化剂负载率36.9%,反应温度69℃,反应时间2h,酯化收率高达94.8%。

俞善信等[18]以氯化铁催化酯化合成肉桂酸环己酯,酸醇物质的量比1∶10,催化剂用量0.185mol/mol肉桂酸,反应2h,酸转化率73.4%。丁亮中[19]课题组则探讨了聚氯乙烯三氯化铁树脂的催化活性,并考察了五个碳以内,不同含碳数及不同种碳的醇与肉桂酸的合成效果,随着含碳数增加酸醇比由1∶5升高到1∶20,酯化率达到80%左右,最高可达87.5%。

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杂多酸盐在酯化反应中的催化活性也得到了广泛研究。蒋广平等[10]设计合成了 3 种杂多酸盐,分别为 1-(3-磺酸基) 丙基-3-甲基咪唑磷钼酸盐([MIMPS]3PMo12O40) 、1-(3-磺酸基) 丙基-3-甲基咪唑磷钨酸盐([MIMPS]3PW12O40) 和 1-(3-磺酸基) 丙基-3-甲基吡啶磷钨酸盐([Py PS]3PW12O40),以它们作为催化剂,考察其对柠檬酸和正丁醇酯化制备 TBC的催化性能,筛选出催化性能最高的杂多酸盐[MIMPS]3PMo12O40,当醇酸物质的量比为 4.5∶1.0、反应温度为 130℃ 、反应时间为 3.5h、催化剂用量为柠檬酸质量的 5%时,酯化率可达 98.3%,且催化剂具有较好的重复使用性能。

离子液体由于其良好的催化酯化性能,极低的蒸气压引起人们的重视。胡晶晶[22]等为了减少离子液体用量及解决催化剂分离问题,采用键合法制备了以 SBA-15 为载体的固载化离子液体催化剂[C3SO3HCP]HSO4/SBA-15,具有较高的热稳定性和催化活性,在催化剂用量为总质量的5%、酸醇摩尔比1∶3、反应温度80℃、反应4h、带水剂用量为总质量的30%的条件下,酯收率达93.7%,且该催化剂循环使用8次后,仍具有较高的催化活性。此外,还考察了催化合成系列酯也获得了较高的酯收率。

1.5 阳离子交换树脂

阳离子交换树脂主要包括:聚苯乙烯型阳离子交换树脂和全氟磺酸树脂。由于酸性强弱差异在不同类型的反应中催化活性不同。当Sharma[23]等综述了离子交换树脂作为选择性催化剂在催化领域的应用,不断有课题组针对不同模板反应研究阳离子交换树脂的选择性和催化活性,聚苯乙烯型阳离子交换树脂表现较大优势[24]

1.7.2 样品采集 在每一标准地内按S形布设5个采样点,分不同火烧程度采集土样,相同层次等量混合,去除石砾和根系,经自然风干后过0.149 mm的土壤筛备用。

2 结论

(1)为提高酯化率,减少反应时间,有机酸、超强酸、杂多酸等质子酸催化酯化率都有相当高的催化活性,但进行固化后,载体的活性中心对催化活性影响较大。

(2)氯化物的催化普遍较低,反应时间较长,进行固化后主要优势在于制备方便、廉价。

(3)固体超强酸和固化离子液体的催化活性及稳定性在重复性实验中均表现突出,是很有潜力的工业化催化剂代用品。

参考文献

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赵宇飞,尚冀宁
《合成材料老化与应用》2018年第02期文献

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