2.2 任务解析
徐工检查了小李等资料检索情况。
小李:邻苯二甲酸二辛酯为无色或淡黄色油状透明液体,具有特殊气味。
小周:DOP可用于涂料及塑料等行业中,作为增塑剂使用。
小赵:邻苯二甲酸二辛酯的合成主要通过邻苯二甲酸酐和辛醇的酯化反应而得到。
徐工:生产的问题首先是合成路线的问题,然后是工艺的问题。合成路线解决的是生产的可能性,工艺则是合成路线的实现形式。而一个成熟产品的开发,除非已经成熟的项目,在大生产前必须经过产品的小试、中试和大生产的逐级放大的过程,以找出大生产中可能出现的问题。我们可以从小试开始了解邻苯二甲酸二辛酯产品开发的过程。
2.2.1 产品开发任务书
徐工拿出了一份公司邻苯二甲酸二辛酯的产品开发任务书,如表2-1。
徐工:在企业里,有关产品研发的项目必须经过主管部门批准后方可以进行试验。一般都需要下发正式的文件或任务书。在任务书中必须明确项目的内容、要求及相关标准。可以转接科研院所的项目也可以自行开发。
表2-1 产品开发任务书
注:一式三联。一联交技术总监留存,一联交技术部经理,一联交项目负责人。
2.2.2 邻苯二甲酸二辛酯的合成路线设计
(1)邻苯二甲酸二辛酯的分子结构分析
首先根据有机化合物的CAS号查阅邻苯二甲酸二辛酯的分子结构式。
由分子结构可看出,在苯环的邻位有二酯的结构。
(2)邻苯二甲酸二辛酯合成路线分析 在有机化学里,酯类化合物通常可以由羧酸和相应的醇合成,因此正向设计合成路线如下。
在有机化合物的路线分析中,特别是针对一些分子结构较复杂的化合物,常常采用逆向合成的方法进行合成路线设计。
所谓逆向合成法,是从需要合成的目标分子(target molecule,TM)出发,按一定的逻辑指导原则,推出目标分子的前体,连续逆推下去,直至推导出简单的起始原料。这一过程正好与合成过程相反,因此叫做逆向合成(retrosynthesis)。
在倒推过程中,通过对目标分子的结构分析,将其复杂的结构逐渐简单化,只要每步逆推合理,就可以得到一条合适的合成路线。这种思维过程可表示为:
目标分子⇒前体 ⇒…前体⇒起始原料
目标分子即打算设计的分子。“⇒”双箭头符号表示前者源于后者,这与反应中使用的“”单箭头表示的意义正好相反。前体又称中间体,它是从起始原料到目标分子所经历的所有中间化合物。前体与起始原料在商业上的区别在于前者买不到或价格过高,而后者往往是价廉易得的化合物。一般来讲,五个碳以下的单官能团化合物及单取代的芳烃,常用“三烯一炔”(乙烯、丙烯、丁烯及乙炔),“三苯一萘”(苯、甲苯、二甲苯及萘)及小于4个C的醇类和甲醛、乙醛、草酸、卤苯、环己烷、丙二酸二乙酯等都可以作为有机合成的起始原料。
于是,邻苯二甲酸二辛酯逆向合成路线分析如下:
在进行逆向合成分析时经常要对分子结构中的某一化学键进行逆向切断。所谓逆向切断(antithetical disconnection)并不是真正的切断,而是指用切断化学键的方法把目标分子骨架剖析成不同性质的结构单元,在被切断的位置上常画一条曲线来表示。
例如,对于本情境项目邻苯二甲酸二辛酯逆向切断如下:
从a、b处切断后,邻苯二甲酸二辛酯分子分解为两个结构单元,即含有二个羰基的苯环部分和3号碳接有氧原子的辛烷部分。如果将目标分子切断后得到的不同的结构单元称为合成子,那么切断的部分可分别称为合成子1和合成子2。
实际上合成子1和合成子2不能单独存在,合成时都是采用包含合成子的试剂进行合成,将相应的起合成子作用的试剂称为合成等效试剂,于是,
切断不同的键将得到不同的合成子部分,显然,不是所有的切断方式都能找到对应的合成子等效试剂。对于本项目怎样寻找合适的切断位置?这里给出几个原则性的建议。
①“能合才能切”的原则。这就是说切断哪个键不能臆想,必须要找到切断这个化学键的反应才能将它切断,这是逆向合成切断的最基本的原则。
②涉及官能团时,往往可以在官能团附近切断。这里涉及的官能团是“酯键”,因而考虑将此键切断。
③有碳-杂键时,一般在碳-杂键处切断。这里氧原子相对于碳原子来说属于杂原子,故优先考虑切断C—O键。
因此,在学习了羧酸和醇的酯化反应后,可以毫不犹豫地将邻苯二甲酸二辛酯的酯键中C—O键(即羰基C和相连的O原子单键)切开。
上述切断的C—O键中,C带有明显的正电性,O带有明显的负电性。把这种切断称为离子型切断。事实上,有机合成中大多数的切断都具有离子型的特征,因此在合成中,形式上作为碳正离子使用的结构单元称为电子给予体合成子,简称a-合成子;形式上作为氧负离子使用的结构单元称为电子供给体合成子,简称d-合成子。于是,对邻苯二甲酸二辛酯的切断可以写成:
再如化合物2-羟基-2-苯基丁烷,其逆向合成切断如下。
从目标分子到起始原料,经过的途径主要有两条;一是涉及碳架的变化(分子结构的碳数增加、减少或改变碳架),即碳碳键的切断或形成;二是官能团的转换。显然,从目标分子出发,运用逆向合成法通常可以得到数条合理的合成路线,其最佳路线的确定往往需要设计者依据自己的经验和实验。这就需要设计者的综合能力,其中包括熟练掌握有机化学的基本反应、对反应的运用及组合能力,以及对化学品市场的了解程度等。
在上面的分析中,由于邻苯二甲酸二辛酯a-合成子的等效试剂邻苯二甲酸活性不够高,在生产中更多地使用邻苯二甲酸酐来代替,故邻苯二甲酸二辛酯的逆向合成路线设计如下。
相应合成路线设计为:
徐工:邻苯二甲酸二辛酯的合成路线比较简单,涉及一个单元反应:酯化反应。小试(或大生产)工艺的实质就是以邻苯二甲酸酐和辛醇为原料经酯化反应获得目标化合物。欲在合成中做好酯化反应,就必须对其反应过程的情况作详细了解。
知识点拨
1.酯化反应
酯化反应通常是指醇(或酚)与含氧的酸(包括有机和无机酸)作用生产酯和水的反应。由于它是在醇(或酚羟基)的氧原子上引入酰基的过程,故又称为O-酰化反应。其通式为
R'OH+RCOZRCOOR+HZ
式中,R'可以是脂肪族或芳香烃基。RCOZ为酰化剂,其中的Z可以代表OH,X,OR″,OCOR″,NHR″等,生成羧酸酯分子中的R'及R″可以是相同的或者不同的烃基。
酯化反应分为羧酸与醇反应、无机含氧酸与醇反应、无机强酸与醇的反应三类。羧酸与醇的酯化反应是可逆的,并且一般反应极缓慢,故常用浓硫酸作催化剂。多元羧酸与醇反应,则可生成多种酯。无机强酸与醇的反应,其速率一般较快。
知识点拨
2.酯化反应的催化剂
工业上酯化反应采用的催化剂主要有六类:无机酸、有机酸及其盐,杂多酸及固载杂多酸,强酸性阳离子交换树脂,固体超强酸,分子筛,非酸性催化剂。不同的酯化反应应选用不同的催化剂,在选择催化剂时应考虑到醇和酸的种类和结构、酯化温度、设备腐蚀情况、成本、催化剂来源及是否易于分离等。
(1)无机酸、有机酸或酸式盐 常用的有硫酸、盐酸、磷酸、对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、锡磷酸、亚锡磷酸、苯磺酸和氨基磺酸等。此外,硫酸氢钠等酸式盐,硫酸铝、硫酸铁等强酸弱碱盐,以及对苯磺酸氯等,也属于酸催化剂范畴。
在无机酸中硫酸的活性最强,价格便宜,也是应用最广泛的传统酯化催化剂,用量一般不超过体系总质量的3%。盐酸则容易发生氯置换醇中的羟基而生成氯烷。磷酸的反应速率较慢。以硫酸作催化剂的优点是硫酸可溶于反应体系中,使酯化在均相条件下进行,反应条件较缓和,催化效果好,性质稳定,吸水性强及价格低廉等,但缺点是具有氧化性,脱水温度不宜超过160℃,否则由于醇受质子催化,会产生副反应,易使反应物发生磺化、炭化、聚合、脱水生成烯烃或醚以及异构化等副反应,对设备腐蚀严重,后处理麻烦,产品色泽较深等。因此一些大吨位产品如邻苯二甲酸二辛酯(DOP)的工艺中,已逐步为其他催化剂替代。此外,不饱和酸、羟基酸、甲酸、草酸和丙酮酸等的酯化,不宜用硫酸催化,因为它能引起加成、脱水或脱羧等副反应;碳链较长、分子量较大的羧酸和醇的酯化,因为反应温度较高也不宜用硫酸作催化剂。
硫酸盐也可作为酯化催化剂。如用硫酸锆为催化剂合成丁酸乙酯。硫酸氢盐与硫酸盐有相似的催化性能,但能使产品的色泽变浅。
FeCl3为路易斯酸,也可做酯化反应的催化剂。由于本身是固体,反应后易于从体系中回收分离。但由于传质的原因及本身酸性较弱,催化效率较硫酸等低。反应所需的时间较长。氯化铁用量一般为3%左右。
常用的有机酸催化剂有:甲磺酸、苯磺酸、对甲苯磺酸和氨基磺酸等。它们较硫酸的活性低,但无氧化性,其中对甲苯磺酸最为常用。对甲苯磺酸是一种强的固体有机酸,具有浓硫酸的一切优点,而且无氧化性,碳化作用较弱,其对设备的腐蚀性和三废污染比硫酸小,同时不易引起副反应,易于保管、运输和使用,催化剂用量小,是一种适合于工业生产的方法。常用于反应温度较高及浓硫酸不能使用的场合,如长碳链脂肪酸和芳香酸的酯化,所生成酯的色泽较用硫酸时浅。但是由于对甲苯磺酸价格较贵,只用于少数工业酯化过程,用量一般为3%~5%左右。苯磺酸、硫酸氢乙酯和乙基磺酸的催化作用都相当好,而且不像硫酸那样会引起脱水和磺化等副反应。
在硫酸和磺酸类催化剂中,催化活性按下列顺序排列:
硫酸>对甲苯磺酸>苯磺酸>2-萘磺酸>氨基磺酸
(2)强酸性离子交换树脂 这类离子交换树脂均含有可被阳离子交换的氢离子,属强酸性。用离子交换树脂作酯化催化剂的主要优点有:反应条件温和,选择性好、无炭化现象;产物后处理简单,无需中和及水洗;树脂可循环使用,并可进行连续化生产;对设备无腐蚀以及减少废水排放量。但离子交换树脂的价格远较硫酸为高。强酸性离子交换树脂已广泛用于酯化反应,其中最常用的有酚磺酸树脂及磺化苯乙烯树脂。离子交换树脂目前已商品化,可由商品牌号查得该树脂的性质及组成。
(3)杂多酸及固载杂多酸 杂多酸(HPA)是一类具有确定组成的含氧桥多核配合物,具有酸性和氧化还原性。杂多酸的种类繁多,如磷钨酸H3PW12O40·28H2O(简称PW12)、硅钨酸H4SiW12O40·24H2O(简称SiW12)、磷钼酸H3PMo12O40·19H2O(简称PMo12)和硅钼酸H4SiMo12O40·23H2O(简称SiMo12),其中以PW12最为常用。研究表明,PW12具有较高的催化活性。PW12的用量约为反应混合液的1%~2%,反应温度略低于硫酸催化。采用PW12或SiW12进行对羟基苯甲酸的酯化,效果良好。
杂多酸作为酯化催化剂存在回收较困难的问题。其改进方案是将杂多酸负载在载体上,形成固载杂多酸,在完成酯化反应后,可通过过滤直接回收套用。
可用作杂多酸的载体很多,如活性炭、Al2O3、SiO2、HZSM-5分子筛、阳离子交换树脂、膨润土等。当载体上吸附了杂多酸,其固体表面有一定的酸度,可在酯化中起酸催化的作用。
(4)非酸性催化剂 为了克服酸性催化剂容易引起副反应的缺点,并力求工艺过程简化,国外自20世纪60年代研究和开发了一系列非酸性催化剂,这类催化剂为近年发展起来的一个新方向。非酸性催化剂的应用对酸性工艺来说是一项重大的技术进步,使用非酸性催化剂可缩短酯化时间,产品色泽优良,回收醇只需简单处理,即可循环使用。主要不足是酯化温度较高,一般为190~230℃,否则活性较低。
非酸性催化剂主要有:①铝的化合物,如氧化铝、铝酸钠、含水Al2O3+NaOH等;②ⅣB族元素的化合物,如氧化钛、钛酸四丁酯、氧化锆、氧化亚锡和硅的化合物等;③碱土金属氧化物,如氧化锌、氧化镁等;④ⅤA族元素化合物,如氧化锑、羧酸铋等。其中最重要的是钛、铝和钼的化合物,常见的使用形式分别为钛酸四丁酯、氢氧化铝复合物、氧化亚锡和草酸亚锡。现在非酸性催化剂不仅已在我国大型增塑剂生产装置中成功应用,而且正在越来越多地在中小型生产装置中推广,这类催化剂的主要优点是没有腐蚀性,产品的质量好,色泽浅,副反应少。目前酯化催化剂的应用方面,我国已与国外水平相当。
知识点拨
3.工业上制造羧酸酯的方法
(1)直接酯化法 即羧酸与醇反应直接合成酯,又称羧酸法。由于所用的原料醇与羧酸均容易获得,所以是合成酯类最重要的方法。羧酸法中最简单的反应是一元酸与一元醇在酸催化下的酯化,得到羧酸酯和水,这是一个可逆反应。
RCOOH + R'OHRCOOR' + H2O
一般常用的酯化催化剂为:硫酸、盐酸、芳磺酸等。采用催化剂后,反应温度在70~150℃左右即可顺利发生酯化。也可采用非均相酸性催化剂,例如活性氧化铝、固体酸等,一般都在气相下进行酯化。
酯化反应也可不用催化剂,但为了加速反应的进行,必须采用200~300℃的高温。若工艺过程对产品纯度要求极高,而采用催化剂时又分离不净,则宜采用高温无催化剂酯化工艺。
(2)酸酐酯化法 羧酸酐是比羧酸强的酰化剂,适用于较难反应的酚类化合物及空间阻碍较大的叔羟基衍生物的直接酯化,此法也是酯类的重要合成方法之一,其反应过程为:
(RCO)2O + R'OHRCOOR' + RCOOH
反应中生成的羧酸不会使酯发生水解,所以这种酯化反应可以进行完全。羧酸酐可与叔醇、酚类、多元醇、糖类、纤维素及长碳链不饱和醇(沉香醇、香叶草醇)等进行酯化反应,例如乙酸纤维素酯及乙酰水杨酸(阿司匹林)就是用乙酸酐进行酯化大量生产的。
常用的酸酐有乙酸酐、丙酸酐、邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐等。用酸酐酯化时可用酸性或碱性催化剂加速反应。如硫酸、高氯酸、氯化锌、三氯化铁、吡啶、无水乙酸钠、对甲苯磺酸或叔胺等。酸性催化剂的作用比碱性催化剂强。目前工业上使用最多的是浓硫酸。
(3)酰氯酯化法 酰氯和醇(或酚)反应生成酯的反应为:
RCOCl + R'OHRCOOR' + HCl
酰氯与醇(或酚)的酯化具有如下特点:①酰氯的反应活性比相应的酸酐强,远高于相应的羧酸,可以用来制备某些羧酸或酸酐难以生成的酯,特别是与一些空间位阻较大的叔醇进行酯化。②酰氯与醇(或酚)的酯化是不可逆反应,一般不需要加催化剂,反应可在十分缓和的条件下进行,酯化产物的分离也比较简便。③反应中通常需使用缚酸剂以中和酯化反应所生成的氯化氢。因为氯化氢不仅对设备有腐蚀,而且还可能与活泼性醇(如叔醇)发生诸如取代、脱水和异构化等副反应。
常用于酯化的酰氯有有机酰氯和无机酰氯两类。常用的有机酰氯有长碳脂肪酰氯、芳羧酰氯、芳磺酰氯、光气、氨基甲酰氯和三聚氯氰等,常用的无机酰氯主要为磷酰氯(POCl3),还有PSCl3、PCl3、PCl5等。
酰氯的酯化须在缚酸剂存在下进行。常用的缚酸剂有碳酸钠、乙酸钠、吡啶、三乙胺或N,N-二甲基苯胺等。为避免酰氯在碱存在下分解,缚酸剂通常采用分批加入或低温反应的方法,脂肪族酰氯活泼性较强,容易发生水解。因此,当酯化反应需要溶剂时,应采用苯、二氯甲烷等非水溶剂。
用各种磷酰氯制备酚酯时,可不加缚酸剂,允许氯化氢存在,而制取烷基酯时就需要加入缚酸剂,防止氯代烷的生成,加快反应速率。
由于酰氯的成本远高于羧酸,通常只有在特殊需要的情况下,才用羧酰氯合成酯。
(4)酯交换法 酯交换法是将一种容易制得的酯与醇、酸或另一种酯反应以制取所需要的酯。当用直接酯化不易取得良好效果时,常常要用酯交换法。
①醇解法也称作酯醇交换法。一般此法总是将酯分子中的伯醇基由另一较高沸点的伯醇基或仲醇基所替代。反应用酸作催化剂。
RCOOR'+ R″OHRCOOR″ + R'OH
例如,间苯二甲酸二甲酯和苯酚按1∶2.37的摩尔比,在钛酸四丁酯催化剂的存在下,在220℃反应3h,同时蒸出甲醇,经后处理即得到间苯二甲酸二苯酯。
+ 2C6H5OH + 2CH3OH
另外,将油脂(三脂肪酸甘油酯)与甲醇在甲醇钠的催化作用下,在80℃反应,可制得脂肪酸甲酯和甘油。
+ 3 CH3OH 3+
②酸解法也称作酯酸交换法。
RCOOR' + R″COOHR″COOR' + RCOOH
酯-酸交换反应是可逆反应,一般常使某一原料过量,或使生成物不断地蒸出,以提高反应的收率。各种有机羧酸的反应活性相差并不大。酯酸交换时一般采用酸催化。此法常用于合成二元羧酸单酯和羧酸乙烯酯等。
例如,在浓盐酸催化下,己二酸二乙酯与己二酸在二丁醚中加热回流生成己二酸单乙酯。
H5C2OOC(CH2)4COOC2H5 + HOOC(CH2)4COOH2 HOOC(CH2)4COOC2H5
③互换法也称为酯酯交换法。此法要求所生成的新酯与旧酯的沸点差足够大,以便于采用蒸馏的方法分离。
由于反应处于可逆平衡中,必须不断将产物中的某一组分从反应区除去,使反应趋于完全。例如,对于用其他方法不易制备的叔醇的酯,可以先制成甲酸的叔醇酯,再和指定羧酸的甲酯进行醇酸互换。
HCOOCR3 + R″COOCH3 HCOOCH3 + R″COOCR3
因为生成的两种酯的沸点相差较大,且沸点很低(31.8℃)的甲酸甲酯很容易从反应产物中不断蒸出,这样就能使酯互换反应进行完全。
这三种类型的酯交换都是利用反应的可逆性实现的。最常用的酯交换法是酯-醇交换法,其次是酯-酸交换法。
本情境可采用邻苯二甲酸酐与异辛醇进行酯化。
2.2.3 酯化反应过程分析
徐工:在确定反应路线,选择相应的原料和试剂后,要完成反应还必须制订详细的反应方案。这在工艺上就是明确相应的工艺控制点,显然这对于生产是非常关键的。而反应方案的制订就必须从反应机理和反应影响因素等方面入手才能把握其要点。
(1)酯化反应机理 邻苯二甲酸酐与2-乙基己醇(辛醇)的酯化反应分两步。
第一步:是苯酐与醇生成单酯酸的反应,此步反应进行很快,不需催化剂,是放热反应,在130℃就可进行。
机理如下。
这是典型的加成-消除反应。
第二步:邻苯二甲酸酐的单酯酸与醇继续反应生成双酯,此步反应慢,需要催化剂。
机理如下。
R=—CH2CH(C2H5)C4H9
这也是典型的加成-消除反应。反应为平衡反应,反应吸热。反应的平衡常数为:
K=K1 K2=6.95(BASF测出值),总反应式如下。
对于平衡反应,欲使反应向正方向移动,通常有两种做法:第一是提高某一反应物浓度,第二是移走某一生成物。在酯化反应中,由于大多数脂肪醇常温下为液体,极性较酸低,相对于酸易于分离,故通常都是采用醇过量的方法使得反应向正方向移动。过量的醇还可以用作反应的溶剂。大多数酯化产物的水溶性都不好,分子量较大的酯沸点都比水高,故常将反应生成的水从体系中移走。为达到这一目的通常也有两种做法:其一将水从体系中蒸出进而分离出来,其二是通过带水剂将水带出来。
带水剂是一类能和水形成沸点较低的共沸物,且在水中溶解度很小的物质。带水剂可以是反应物或者产物,也可以是外加的第三组分。反应时将共沸物从体系中引出,分离出水,带水剂再回流到反应体系中,这样就可以源源不断地将反应生成的水带出,从而让酯化反应达到非常高的产率。这里辛醇恰好符合带水剂的要求,因此可以不必外加第三组分带水剂。
外加的第三组分必须是对反应物和产物不起反应的物质,工业上通常加入的第三组分有苯、甲苯、环己烷、氯仿、四氯化碳等。带水剂与醇的体积比通常为1∶1。由于反应过程中醇的消耗,随着反应的进行,带水剂的比例相应逐渐提高,相应带水能力也提高。
(2)影响酯化反应的因素
①反应物料的性质
a.邻苯二甲酸酐的反应性质 邻苯二甲酸酐,简称苯酐,是邻苯二甲酸分子内脱水形成的环状酸酐。苯酐为白色固体,密度1.53g/cm3,熔点130.8℃,沸点284℃,闪点152℃。难溶于冷水,易溶于热水、乙醇、乙醚、苯等多数有机溶剂。
邻苯二甲酸酐可发生水解、醇解和氨解等反应。由于其分子结构中羰基上C=O双键能与苯环大π键形成共轭,从而使C原子上正电性部分分散到苯环上,因此与一般脂肪酸酐相比,其酯化反应活性下降。
b.异辛醇的反应性质 异辛醇(2-乙基己醇、2-乙基-1-己醇)英文简写为2-EH。无色有特殊气味的可燃性液体。相对密度0.831,熔点-70℃,沸点183.5℃,闪点81.1℃。不溶于水,与多数有机溶剂互溶。
异辛醇分子结构中含有羟基,具有醇的通性。反应活性低于小分子醇,较大分子醇为高。
②催化剂的性质及用量 目前工业上应用较多的酯化催化剂由50%的钛酸异丙酯和50%的辛醇组成,具有较高的反应选择性。
钛是一种典型的过渡金属元素,由于具有空的d轨道,可接受电子或者电子对,形成配合物,同时d轨道上的电子也容易失去,即配体也容易脱去,当有新的配体进攻金属原子时,原来饱和的结构容易解离出一个配位体生成一个具有配位空缺的不饱和配合物,然后再与新的配体结合,这样一直持续下去,直至完成整个反应。因此其催化作用的实质就是借助配体与受体的配位作用而形成活性中间体,降低反应活化能,从而达到加快反应速率的目的。但钛酯催化剂极易水解,即使空气中的微量水也能使其水解而失去活性。
nTi(OR)4+4H2OnTiO2·H2O+4nROH
故使用时要注意:a.储存要密封好,避免暴露在空气中。b.从密封容器中取出时,要尽量快取快封。c.要避开火或冒火花的机器存放。
使用时用量一般为苯酐量的0.05%~0.1%。
③反应物料配比 从酯化反应的机理看,异辛醇的用量要远远过量。生产上摩尔比通常要达到1∶(3~5)左右。过量的异辛醇可以作溶剂,使体系为均相体系。
④反应温度与压力 邻苯二甲酸酐与醇反应温度因醇的不同而异,这是因为不同的醇具有不同的活性。醇的活性顺序:辛醇>壬醇>异癸醇
C8H17OH > C9H19OH > C10H21OH
反应温度/℃:200/230 210/240 225/240
虽然邻苯二甲酸酐第一步单酯化反应可以不用催化剂,但采用催化剂后,反应速率将会大幅提高,反应温度将有较大幅度的下降。第二步双酯化反应必须加催化剂,因反应吸热,反应温度也相应较高。
一般来说,酯化反应的温度可以控制在共沸物沸点以上,保证共沸物能顺利从体系蒸出即可。共沸物的沸点往往低于纯组分的沸点。异辛醇与水形成的共沸物组成中水分占20%,但沸点约为99℃。理论上反应温度控制在100℃以上即可,但由于双酯化反应初期生成的水较少,共沸物形成也不多,故不能形成有效的回流量,水分也不容易带出,所以为了提高反应液的回流量,反应温度需要提升至有足够回流的温度。
由于反应体系中无气态物质参与,压力对反应体系几乎没有影响。反应可以在常压下进行。
⑤传质的因素 虽然搅拌对均相体系的影响不大,但由于带水剂共沸物的蒸发受传质影响较大,故良好的搅拌有利于水分的带出。
⑥副反应因素 这里,副反应主要为表现为:a.醇分子内脱水生成烯烃,C8H17OH醇分子内脱水生成烯烃C8H16;b.醇分子间脱水生成醚,C8H17OH醇分子间脱水生成醚C8H17OC8H17;c.生成缩醛;d.生成异丙醇(来自催化剂本身)从而生成相应的酯;e.生成正丁醇(来自催化剂本身)从而生成相应的酯。
上述副反应,由于使用选择性很高的催化剂,副反应很少,约占总质量的1%左右。数量很少,沸点较低,在酯化过程中,作为低沸物排出系统。
2.2.4 单元反应后处理策略分析
单元反应完成后,要将反应物中目标产物分离出来,才能完成合成的任务。由于反应物体系的构成千差万别,要进行分离时采用的策略是不尽相同的。
(1)体系的组成及其状态 邻苯二甲酸酐双酯化反应结束后,体系的主要组成为:DOP、剩余的异辛醇、催化剂及少量副产物等,体系为均相溶液体系。
(2)产物的分离策略 由于反应物体系所有组分中均为液体,且目标产物DOP为高沸点液体,故总体上可以根据各组分沸点的不同,通过减压蒸馏的方法将产物从体系中依次蒸馏出来。
因为DOP的沸点386℃,即便减压,也必须在高真空条件下进行,这对生产上不是太有利。因此考虑将体系中其他组分尽可能分离出来,也可以得到纯度较高的DOP产品。
催化剂钛酸酯可以通过水解除去,考虑到酯的水解,水洗时应在低温下进行。钛酸酯水解后生成沉淀,水洗可除去。
体系异辛醇的沸点较高,可以考虑通过减压蒸馏蒸出。考虑到高温时水会将产物水解,因此必须在蒸馏前除去。小试时可通过干燥剂干燥脱除,生产时可通过汽提塔脱除。
因反应选择性较好,因此副产物相对较少。催化剂用量也小,水解产生的异丙醇也能在蒸馏时优先被蒸出,故残留的DOP可以达到相当高的纯度。