響應面法優(yōu)化二氯二苯胺合成工藝

劉艷杰，王犇，張昆，姜洋洋，劉瓊，潘高峰

(吉林化工學院 吉林省化工分離技術(shù)與節(jié)能工程實驗室，吉林 吉林 132022)

二氯二苯胺是制備雙氯芬酸鹽的重要中間物質(zhì)，其純度對合成雙氯芬酸鹽的質(zhì)量和收率有直接影響，因此，制備高純度的二氯二苯胺是實驗研究人員一直追求的目標。筆者在文獻[1-6]基礎上經(jīng)進一步改進，成功合成二氯二苯胺，合成過程為：

其中B→C的合成條件最為復雜和關(guān)鍵。因此，本文重點對B→C反應條件進行優(yōu)化分析。響應曲面法是研究響應值與因素之間關(guān)系的統(tǒng)計分析方法[7-11]，通過構(gòu)建數(shù)學模型、擬合回歸和方差分析來評價各因素對響應值的影響，確定最優(yōu)工藝參數(shù)并預測響應值，特別適合于多變量復雜體系的優(yōu)化分析[12]。

本文采用響應面法Box-Behnken中心組合原理設計實驗方案，分析因素及因素相互作用對響應值的影響，確定二氯二苯胺的最優(yōu)合成條件。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

苯胺、二甲苯、氯乙酰氯、2,6-二氯苯酚、無水碳酸鈉(粉)、氫氧化鈉、氫氧化鉀均為分析純;催化劑,自制。

Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀；QP2010型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 合成過程 將一定量的苯胺和混合二甲苯投入裝有冷凝器和用于吸收反應所產(chǎn)生的尾氣的吸收瓶的反應器中，在攪拌、冷浴條件下，控制反應溫度，慢慢滴加酰化劑，并緩慢升溫至回流，在回流狀態(tài)下保溫一定時間后冷卻。按確定的比例投入二氯苯酚、催化劑和無水Na2CO3，緩慢加熱至回流，在回流狀態(tài)下保溫，待保溫結(jié)束后，降溫、水洗、靜止、分層。將油層物料倒入另一燒瓶中，并加入適量堿，攪拌、緩慢升溫至回流，在回流狀態(tài)下保溫，待保溫結(jié)束后，降溫。洗去鹽分后，置于分液漏斗分層，取其上層進行常壓蒸餾，再減壓蒸餾，收集160～200 ℃的餾分，將其冷凝冷卻，即獲得目標產(chǎn)物二氯二苯胺。

1.2.2 產(chǎn)品分析 采用紅外光譜儀對合成產(chǎn)物作定性分析，在此基礎上用氣相色譜法作定量分析。

色譜分析條件：色譜柱RTX-5MS(30 m×0.32 mm×0.25 μm)；汽化室溫度260 ℃；柱溫170 ℃；檢測器(FID)溫度250 ℃ ；載氣(N2)流量 5 mL/min。

產(chǎn)品產(chǎn)率(%)計算公式為：

式中M——產(chǎn)品二氯二苯胺實際質(zhì)量，g；

m——產(chǎn)品理論質(zhì)量，g；

φ——產(chǎn)品純度，%。

1.3 實驗設計

1.3.1 單因素實驗設計 以目標產(chǎn)物二氯二苯胺產(chǎn)率為實驗考察指標，對催化劑用量(催化劑與苯胺質(zhì)量比)、反應時間、原料配比(二氯苯酚與苯胺摩爾比)3個主要因素進行實驗考察。在反應時間為24 h和原料配比為1.10的條件下，取催化劑用量分別為0.12，0.14，0.16，0.18，0.20，考察其對考察指標的影響；在催化劑用量為0.16和原料配比為1.10條件下，取反應時間分別為10，16，20，24，30 h，考察其對考察指標的影響；在反應時間為24 h和催化劑用量為0.16的條件下，取原料配比為1.00，1.05，1.10，1.15，1.20，考察其對考察指標的影響。

1.3.2 響應面實驗設計 根據(jù)單因素實驗結(jié)果，以目標產(chǎn)物二氯二苯胺產(chǎn)率為響應值，以催化劑用量(A)、反應時間(B)、原料配比(C)為自變量，采用響應面法Box-Behnken 中心組合設計原理，設計3因素3水平實驗方案，共有17個實驗點，其中，析因?qū)嶒烖c有12個，零點實驗點有5個。實驗因素與水平安排見表1。

表1 因素與水平Table 1 Factors and levels

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 催化劑用量 實驗條件同1.3.1節(jié)，催化劑用量對目標產(chǎn)物產(chǎn)率的影響見圖1。

圖1 催化劑量對產(chǎn)率的影響Fig.1 Effect of catalyst dosage on yield

由圖1可知，隨著催化劑用量增加，目標產(chǎn)物的產(chǎn)率先增加后降低，當催化劑用量為0.18時，產(chǎn)率最大，達到83.51%。這是因為反應開始時，增加催化劑用量可加快反應的進行，從而提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)率；但當繼續(xù)增加催化劑用量時，反而抑制了溶劑與堿溶液的接觸，造成產(chǎn)物產(chǎn)率開始降低。因此，最佳催化劑用量取為0.18。

2.1.2 反應時間 實驗條件同1.3.1節(jié)，反應時間對目標產(chǎn)物產(chǎn)率的影響見圖2。

由圖2可知，隨著反應時間增加，目標產(chǎn)物的產(chǎn)率是上升的，但在10～16 h內(nèi)，反應進行的速度是較緩慢的，但隨著反應時間的繼續(xù)增加，產(chǎn)率上升較快，并在24 h 時產(chǎn)率達到85.78%。再繼續(xù)增加反應時間，產(chǎn)率增大程度不大，說明反應已經(jīng)基本處于平衡狀態(tài)，且副反應沒有明顯的發(fā)生。因此，最佳反應時間取為24 h。

圖2 反應時間對產(chǎn)率的影響Fig.2 Effect of reaction time on yield

2.1.3 原料配比 實驗條件同1.3.1節(jié)，原料配比對目標產(chǎn)物產(chǎn)率的影響見圖3。

圖3 原料配比對產(chǎn)率的影響Fig.3 Effect of raw material ratio on yield

由圖3可知，隨原料配比的增加，目標產(chǎn)物的產(chǎn)率先是較快增加，而后是緩慢增加的，當原料配比為1.20時，產(chǎn)率最大，達到90.83%。導致這一結(jié)果的原因是反應物用量增加能夠加快反應的進行。因此，最佳原料配比取為1.20。

2.2 響應面實驗

響應面實驗設計及結(jié)果見表2，方差分析及顯著性檢驗結(jié)果見表3。

表2 響應面實驗設計及結(jié)果Table 2 Response surface test design and results

由Design-ExpertV8.0軟件對17個實驗點的響應值進行回歸分析，得到二次多項回歸方程：

產(chǎn)率/%=212.648 3-248.381 25A-

0.214 45B-232.772 5C-0.393 75AB+

241.25AC+0.527 5BC+78.437 5A2+

0.006 78B2+92.05C2

由表3的回歸方程方差分析結(jié)果可知，回歸模型極顯著(P<0.000 1)，且復相關(guān)系數(shù)(R2)為0.977，校正系數(shù)(Adj.R2)為0.948，預測系數(shù)(Pred.R2)為0.939，這一結(jié)果說明,在實驗條件下，模型對響應值的擬合效果良好，且預測結(jié)果可信度高。失擬項(P>0.05)不顯著，說明模型受其他因素影響較小，可用該回歸模型描述產(chǎn)率與因素間的關(guān)系。

表3 模型方差分析與顯著性檢驗結(jié)果 Table 3 Results of model analysis of variance and significance test

由表3可知，變量一次項(P<0.01)均具極顯著性，而二次項和變量的交互項作用不顯著，這表明各自變量對產(chǎn)率的影響是簡單的線性關(guān)系；由回歸模型的顯著性檢驗結(jié)果表明，因素對響應值影響程度由大到小分別為反應時間、原料配比、催化劑用量。

2.3 驗證實驗

通過模型優(yōu)化分析得到最佳合成工藝條件為反應時間為29.62 h,催化劑用量為0.193 2,原料配比為1.182 3，在此條件下模型預測產(chǎn)率為93.53%?？紤]參數(shù)的實際物理意義，將最佳合成工藝條件修正為反應時間為29.6 h,催化劑用量為0.19,原料配比為1.18，在此修正條件下進行驗證實驗，3次實驗平均產(chǎn)率為90.16%，與預測值絕對偏差為3.37%，進一步證明采用響應面優(yōu)化二氯二苯胺合成產(chǎn)率回歸模型是可靠的。

3 結(jié)論

針對二氯二苯胺合成工藝，在單因素實驗基礎上，以二氯二苯胺產(chǎn)率為響應值，以催化劑用量、原料配比和反應時間為自變量，采用響應面法對合成工藝條件進行優(yōu)化，并獲得自變量與響應值的回歸模型及影響響應值的因素主次順序為反應時間、原料配比、催化劑用量。最佳合成工藝條件為：反應時間29.6 h，催化劑用量0.19，原料配比1.18，在此工藝條件下，目標產(chǎn)物產(chǎn)率為90.16%，模型預測產(chǎn)率為93.53%，絕對偏差為3.37%，表明響應面模型是可靠、有效的。研究結(jié)果可為二氯二苯胺工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。