舒恒毅, 鄭志鋒, 李水榮, 劉守慶, 何宏舟, 黃元波,3*
(1.西南林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 云南 昆明 650224; 2.集美大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,福建 廈門(mén) 361021;3.林業(yè)生物質(zhì)資源高效利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心;西南地區(qū)林業(yè)生物質(zhì)資源高效利用國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西南林業(yè)大學(xué),云南 昆明 650224; 4.廈門(mén)市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物質(zhì)高值化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門(mén)大學(xué));福建省生物質(zhì)高值化技術(shù)工程研究中心(廈門(mén)大學(xué));廈門(mén)大學(xué) 能源學(xué)院,福建 廈門(mén) 361102)
1-癸烯是α-烯烴中重要的化工原料,可通過(guò)齊聚反應(yīng)制備性能優(yōu)異的潤(rùn)滑油,作為共聚單體可制備特殊用途的樹(shù)脂,或者加氫轉(zhuǎn)化后用作增塑劑[1]。當(dāng)前世界上生產(chǎn)1-癸烯的主要路線是以不可再生的石化資源為原料,通過(guò)蠟裂解法、乙烯齊聚法、費(fèi)托合成等方法生成1-癸烯。從人類(lèi)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展考慮,尋求以可再生資源為原料或通過(guò)綠色工藝制備1-癸烯具有重要實(shí)際意義。植物油脂是化工產(chǎn)業(yè)中最重要的可再生原料之一[2],經(jīng)酯交換后可獲得大量的不飽和脂肪酸酯。其中含量豐富的油酸甲酯可作為原料,通過(guò)烯烴交叉復(fù)分解反應(yīng)生產(chǎn)1-癸烯,因此,利用植物油脂制備α-烯烴將是油脂重要的應(yīng)用途徑之一。烯烴復(fù)分解反應(yīng)是指含碳碳雙鍵或三鍵的化合物,在金屬卡賓催化下,不飽和鍵兩側(cè)基團(tuán)相互交換,從而形成新的不飽和化合物的反應(yīng),具有原子經(jīng)濟(jì)性高,原料毒性小等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。該反應(yīng)于20世紀(jì)50年代被發(fā)現(xiàn),分為閉環(huán)、開(kāi)環(huán)、開(kāi)環(huán)聚合和交叉復(fù)分解反應(yīng)4種主要類(lèi)型,早期的催化劑如WCl6/Bu4Sn或Re2O7/Al2O3成本低廉易制備,但對(duì)水、氧及含氧官能團(tuán)敏感,限制了反應(yīng)的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代隨著研究者們對(duì)釕、鎢和鉬等金屬絡(luò)合物催化劑的開(kāi)發(fā)[5],烯烴復(fù)分解反應(yīng)在水中表現(xiàn)出一定活性,從此開(kāi)拓了該反應(yīng)在油脂領(lǐng)域的應(yīng)用。Jacobs等[6]用氯丙烯與不飽和脂肪酸酯進(jìn)行烯烴交叉復(fù)分解反應(yīng),獲得α,ω-雙功能基團(tuán)化學(xué)品和1-癸烯。Park等[7]利用乙烯與油脂進(jìn)行非均相催化反應(yīng),得到了9-癸烯酸甲酯和1-癸烯。但相關(guān)研究所制備的產(chǎn)物主要以雙功能基團(tuán)化學(xué)品為主[8-13],為獲得1-癸烯,提高產(chǎn)物中1-癸烯得率,還需進(jìn)一步探索。本研究以油酸甲酯(MO)為植物油脂模型物,通過(guò)烯烴交叉復(fù)分解反應(yīng)制備1-癸烯,篩選出合適的烯烴反應(yīng)底物和催化劑,并對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化,以期為油脂烯烴復(fù)分解反應(yīng)的利用提供參考。
油酸甲酯(MO)、二氯甲烷、烯丙基縮水甘油醚、苯乙烯、乙酸烯丙酯、丙烯腈、氯丙烯、丙烯醇、正己烷、丙烯酸甲酯、丁香酚、十四烷,純度均為99%;烯丙基三甲基硅烷,純度98%;2-甲氧基丙烯,純度95%,阿拉丁化學(xué)試劑公司。第一代Grubbs催化劑(C1)、第二代Grubbs催化劑(C2)和第一代Hoveyda-Grubbs催化劑(C3),百靈威科技有限公司。MO貯存于-18 ℃,催化劑和其他烯烴底物儲(chǔ)存于5 ℃。
ZNCL-GS智能加熱磁力攪拌器;V3491雙排管;SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵;GC7090Plus氣相色譜儀,中國(guó)浙江福立公司。
1.2.1單因素試驗(yàn) 烯烴復(fù)分解反應(yīng)通過(guò)雙排管技術(shù)在氮?dú)獗Wo(hù)下進(jìn)行,反應(yīng)溶液均在手套箱中配制,稱(chēng)取一定量催化劑至史萊克試管,隨后加入0.059 2 g(0.2 mmol)MO、一定量烯烴底物和3 mL二氯甲烷,將試管從手套箱中取出連接至雙排管攪拌60 min,考察反應(yīng)底物、催化劑類(lèi)型、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量和MO與反應(yīng)底物物質(zhì)的量之比對(duì)產(chǎn)物組分的影響。收集產(chǎn)物后使用帶有FID檢測(cè)器的氣相色譜儀(GC-FID)對(duì)其進(jìn)行分析,并計(jì)算MO轉(zhuǎn)化率和1-癸烯得率。
1.2.2正交試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選取反應(yīng)溫度(0、 20和40 ℃),反應(yīng)時(shí)間(20、 40和60 min),催化劑用量(0.5%、 1%和3%,以MO的物質(zhì)的量計(jì),下同),MO與反應(yīng)底物的物質(zhì)的量之比(1 ∶3、 1 ∶10和1 ∶20),進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)。
1.3.1GC分析 用內(nèi)標(biāo)法對(duì)產(chǎn)物及原料定量。配制1 000 mg/L的十四烷的正己烷溶液,稱(chēng)取3組不同質(zhì)量的原料MO(0.017 8、 0.033 1和0.052 7 g)和1-癸烯(0.015 2、 0.030 6和0.045 8 g),用十四烷的正己烷溶液定容至10 mL,用于氣相色譜分析繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
氣相色譜(GC)分析在配備RB-5毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)的氣相色譜儀上進(jìn)行,使用火焰電離檢測(cè)器(FID)檢測(cè)組分。進(jìn)樣口溫度250 ℃,檢測(cè)器溫度270 ℃,柱箱升溫程序:初始溫度60 ℃,保持5 min,以20 ℃/min升溫至220 ℃并保持10 min。分流比為30 ∶1,載氣為氮?dú)狻?/p>
1.3.2轉(zhuǎn)化率和得率計(jì)算 將MO烯烴復(fù)分解反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)旋蒸后,用十四烷的正己烷溶液將產(chǎn)物定容至10 mL,進(jìn)行內(nèi)標(biāo)法定量。由氣相色譜儀計(jì)算得到MO轉(zhuǎn)化率和1-癸烯得率,公式如下:
(1)
(2)
式中:η—MO的轉(zhuǎn)化率,%;y—1-癸烯的得率,%;C1—產(chǎn)物中MO質(zhì)量濃度,mg/L;V—產(chǎn)物旋蒸后定容的體積,10 mL;m—初始加入的MO質(zhì)量,mg;C2—產(chǎn)物中1-癸烯質(zhì)量濃度,mg/L;M—1-癸烯的摩爾質(zhì)量,140 g/mol;n—初始加入的MO物質(zhì)的量,mol。
2.1.1烯烴反應(yīng)底物 影響烯烴交叉復(fù)分解反應(yīng)的因素,例如空間和電子效應(yīng),非常復(fù)雜,難以分析和預(yù)測(cè)該反應(yīng)的選擇性。目前,Grubbs團(tuán)隊(duì)通過(guò)測(cè)試多種烯烴反應(yīng)底物的烯烴交叉復(fù)分解反應(yīng),按反應(yīng)發(fā)生的難易程度和路徑將一部分底物進(jìn)行分類(lèi),總結(jié)出一套預(yù)測(cè)選擇性的基礎(chǔ)模型[14]。本研究依據(jù)該模型對(duì)帶有不同鏈端基團(tuán)的烯烴進(jìn)行篩選,在反應(yīng)溫度50 ℃、反應(yīng)時(shí)間1 h、Grubbs第二代催化劑(C2)1%、MO與反應(yīng)底物物質(zhì)的量之比即n(MO) ∶n(底物)為1 ∶10條件下,選出適合與植物油脂發(fā)生烯烴復(fù)分解反應(yīng)制備1-癸烯的烯烴反應(yīng)底物,具體結(jié)果如表1所示。
表1 烯烴底物篩選結(jié)果
由表1可知,烯烴反應(yīng)底物選用丙烯酸甲酯、烯丙基三甲基硅烷和丁香酚時(shí),反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%以上,根據(jù)基礎(chǔ)模型報(bào)道,MO和烯丙基三甲基硅烷是type I類(lèi)烯烴,丙烯酸甲酯和丁香酚屬typeⅡ類(lèi)烯烴,同類(lèi)烯烴反應(yīng)的產(chǎn)物選擇性在任何反應(yīng)條件下都保持不變,而type I和typeⅡ類(lèi)烯烴反應(yīng)均可獲得某類(lèi)產(chǎn)物高選擇性,因此考慮采用typeⅡ類(lèi)烯烴與MO反應(yīng)。丁香酚來(lái)源于丁香油和木質(zhì)素,具有抗菌和降血壓的作用,也常被用于香水和食用香精,與MO類(lèi)似,是用途廣泛的生物質(zhì)資源,且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,成本低廉,兼具環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性[15-16],因此選用丁香酚作為反應(yīng)底物用于調(diào)控優(yōu)化制備1-癸烯的工藝條件。
2.1.2催化劑類(lèi)型 催化劑是烯烴復(fù)分解反應(yīng)的核心,它決定了反應(yīng)是否發(fā)生和反應(yīng)途徑,由于其配體種類(lèi)不同,在不同體系下催化效果差異較大[17],因此有必要進(jìn)行催化劑篩選,本研究選取了3種具有代表性和典型差異的商業(yè)催化劑,如圖1所示。其中,Grubbs第一代催化劑(C1)于1993年開(kāi)發(fā)并首次實(shí)現(xiàn)在有氧和水的環(huán)境中保持活性,Grubbs第二代催化劑(C2)為用活性更高的N-雜環(huán)卡賓(NHC)取代C1的三苯基膦配體制成,第一代Hoveyda-Grubbs催化劑(C3)是Hoveyda團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的氧螯合苯亞甲基催化劑。
C1:Grubbs第一代催化劑Grubbs first-generation catalyst; C2:Grubbs第二代催化劑Grubbs second-generation catalyst; C3:Hoveyda-Grubbs第一代催化劑Hoveyda-Grubb first-generations catalyst
在丁香酚為反應(yīng)底物、反應(yīng)溫度50 ℃、反應(yīng)時(shí)間1 h、催化劑用量1%、n(MO) ∶n(丁香酚)=1 ∶10條件下,考察催化劑類(lèi)型對(duì)1-癸烯合成的影響,結(jié)果顯示催化劑C1、C2和C3對(duì)應(yīng)的MO轉(zhuǎn)化率分別為13%、 94%和97%,1-癸烯得率分別為9%、 76%和17%。由此可知,在C1催化下MO轉(zhuǎn)化率和1-癸烯得率均較低,C2和C3催化下均可獲得較高的轉(zhuǎn)化率,但C2作催化劑時(shí)1-癸烯得率較高。目前獲得普遍認(rèn)同的烯烴復(fù)分解反應(yīng)機(jī)理為催化劑通過(guò)配體解離活化(k1階段),之后與反應(yīng)底物中的烯烴絡(luò)合(k2階段),由[2+2]環(huán)加成形成四元環(huán)中間體,開(kāi)環(huán)后形成新的產(chǎn)物,并不斷循環(huán)該過(guò)程[18]。根據(jù)研究報(bào)道,NHC配體較膦配體絡(luò)合烯烴速率更快,即k2階段更快,因此反應(yīng)活性更高。如圖2所示,雖然螯合的烷氧基解離需要釕卡賓雙鍵和芐基旋轉(zhuǎn)一定空間,會(huì)降低配體解離的速度,但絡(luò)合底物反應(yīng)速率快,整體反應(yīng)速率仍較快,反應(yīng)活性較高。然而根據(jù)Kingsbury等[19]報(bào)道,烷氧基配體解離后需要兩個(gè)鍵位與釕金屬重新螯合,難度更大,延緩了該配位過(guò)程的速率,從而促使反應(yīng)的催化過(guò)程朝其他方向發(fā)展,致使產(chǎn)物不利于1-癸烯的生成。文獻(xiàn)報(bào)道和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明帶有NHC配體的催化劑C2的電子效應(yīng)和空間位阻更有利于催化烯烴復(fù)分解反應(yīng),生成端烯烴的選擇性較高。
圖2 烯烴復(fù)分解反應(yīng)中催化劑C3中間體
2.1.3反應(yīng)溫度 在反應(yīng)時(shí)間1 h、催化劑C2用量1%、n(MO) ∶n(丁香酚)為1 ∶10 條件下,反應(yīng)溫度對(duì)植物油脂烯烴復(fù)分解反應(yīng)的影響結(jié)果見(jiàn)圖3(a)。由圖可知,反應(yīng)溫度低于40 ℃時(shí),MO的轉(zhuǎn)化率雖有輕微波動(dòng)但仍保持在90%以上,而1-癸烯得率在反應(yīng)溫度低于20 ℃時(shí),處于較高水平且?guī)缀醣3植蛔儯?dāng)高于20 ℃時(shí),1-癸烯的得率隨溫度上升而明顯下降。溫度是該反應(yīng)的重要影響因素,由于在當(dāng)前條件下已達(dá)到反應(yīng)平衡,溫度變化不再影響原料MO的轉(zhuǎn)化,然而不同溫度下的產(chǎn)物分布不同,低溫時(shí)因其反應(yīng)過(guò)程能壘低,活化能低,在一定低溫范圍內(nèi)反應(yīng)物能量不高,產(chǎn)物得率變化不大,溫度升高后,體系中更多分子能量升高,達(dá)到了過(guò)渡態(tài)發(fā)生副反應(yīng),所以副產(chǎn)物得率升高并且種類(lèi)增多,1-癸烯的得率不斷下降。由上述結(jié)果推測(cè)1-癸烯是動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物,隨著溫度上升,反應(yīng)傾向于產(chǎn)生熱力學(xué)產(chǎn)物,因此,為提高目標(biāo)產(chǎn)物1-癸烯得率和考慮精確控制溫度,將最佳反應(yīng)溫度確定為0 ℃。
2.1.4反應(yīng)時(shí)間 在反應(yīng)溫度0 ℃,其余條件與2.1.3節(jié)相同情況下,反應(yīng)時(shí)間對(duì)植物油脂烯烴復(fù)分解反應(yīng)的影響如圖3(b)所示。由圖可知,60 min后反應(yīng)基本達(dá)到平衡,轉(zhuǎn)化率和得率不再變化。由圖可以看到,20 min以前1-癸烯得率隨著時(shí)間延長(zhǎng)不斷上升,30 min出現(xiàn)下降,此現(xiàn)象與文獻(xiàn)[16]報(bào)道一致,這是因?yàn)槌^(guò)30 min,烯烴底物丁香酚開(kāi)始發(fā)生自復(fù)分解反應(yīng)生成乙烯和相應(yīng)自復(fù)分解產(chǎn)物,造成1-癸烯得率明顯下降。而生成的乙烯會(huì)抑制丁香酚進(jìn)一步自復(fù)分解,同時(shí),乙烯與體系中的原料發(fā)生烯烴交叉復(fù)分解反應(yīng)繼續(xù)生成1-癸烯,所以在40 min時(shí)1-癸烯得率再次上升,但是,反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng),伴隨著其他副反應(yīng)的發(fā)生,1-癸烯得率有所下降。因此,過(guò)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間不利于1-癸烯的合成。此現(xiàn)象仍說(shuō)明1-癸烯是動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物,與考察溫度時(shí)推測(cè)相同,在較低溫度即0 ℃下反應(yīng)時(shí)間40 min可獲得較佳得率。
2.1.5催化劑用量 在反應(yīng)溫度0 ℃,其余條件與2.1.3節(jié)相同情況下,催化劑用量對(duì)植物油脂烯烴復(fù)分解反應(yīng)的影響結(jié)果見(jiàn)圖3(c)。催化劑是烯烴復(fù)分解反應(yīng)的關(guān)鍵因素,如圖所示,隨著催化劑用量的增加,轉(zhuǎn)化率和得率迅速上升,在催化劑用量為1%時(shí)達(dá)到最大值,當(dāng)催化劑用量繼續(xù)增多時(shí),轉(zhuǎn)化率變化不大,而目標(biāo)產(chǎn)物1-癸烯得率明顯下降,可能的原因是:1) 催化劑用量過(guò)大令活化分子數(shù)急劇增加,使多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生,造成產(chǎn)物選擇性降低;2) 如2.1.2節(jié)所述,催化劑通過(guò)解離一個(gè)配體活化,過(guò)多的催化劑同時(shí)解離的配體過(guò)多,既會(huì)抑制催化劑繼續(xù)解離活化,又會(huì)增加催化劑失活的幾率,導(dǎo)致其他類(lèi)型的反應(yīng)發(fā)生,降低產(chǎn)物選擇性[20]。因此,最佳催化劑用量確定為1%。
2.1.6油酸甲酯和反應(yīng)底物物質(zhì)的量之比 在反應(yīng)溫度0 ℃,其余條件與2.1.3節(jié)相同情況下,MO與反應(yīng)底物丁香酚物質(zhì)的量比對(duì)植物油脂烯烴復(fù)分解反應(yīng)的影響結(jié)果見(jiàn)圖3(d)。MO和丁香酚物質(zhì)的量之比的變化對(duì)轉(zhuǎn)化率影響較小,盡管在比值為1 ∶1時(shí)就能獲得很高的轉(zhuǎn)化率,然而隨著丁香酚用量增加,目標(biāo)產(chǎn)物1-癸烯的得率明顯升高,這是因?yàn)閷?duì)于在烯烴復(fù)分解反應(yīng)中活性較低的底物需要加入更多的量來(lái)使該反應(yīng)平衡向右移動(dòng),同時(shí)更多的反應(yīng)底物可以抑制底物的自復(fù)分解反應(yīng)[11-12],從而增加目標(biāo)產(chǎn)物1-癸烯得率,但當(dāng)n(MO) ∶n(丁香酚)過(guò)高時(shí)可能引起產(chǎn)物異構(gòu)化,導(dǎo)致得率下降[21-22]。因此最佳n(MO) ∶n(丁香酚)確定為1 ∶10。
a.反應(yīng)溫度reaction temperature; b.反應(yīng)時(shí)間reaction time; c.催化劑用量amount of catalyst; d.n(丁香酚)/n(MO) n(eugenol)/n(MO)
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量、n(MO) ∶n(丁香酚)為考察因素,以MO轉(zhuǎn)化率和目標(biāo)產(chǎn)物1-癸烯得率為指標(biāo),采用四因素三水平正交試驗(yàn)L9(34)優(yōu)化植物油脂烯烴復(fù)分解反應(yīng)制備1-癸烯的工藝條件。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。
由表2極差可知,各因素影響MO轉(zhuǎn)化率的因素大小順序?yàn)閚(MO) ∶n(丁香酚)>催化劑用量=反應(yīng)時(shí)間=反應(yīng)溫度,較優(yōu)條件為A2B2C3D3,即反應(yīng)溫度20 ℃、反應(yīng)時(shí)間40 min、催化劑C2用量3%、n(MO) ∶n(丁香酚)為1 ∶20;影響1-癸烯得率的各因素大小順序?yàn)榉磻?yīng)溫度>反應(yīng)時(shí)間=n(MO) ∶n(丁香酚)>催化劑用量,較優(yōu)條件為A1B3C1D2,即反應(yīng)溫度0 ℃、反應(yīng)時(shí)間60 min、催化劑C2用量0.5%、n(MO) ∶n(丁香酚)為1 ∶10。根據(jù)上述結(jié)果,催化劑用量對(duì)結(jié)果影響最小,綜合考慮,選擇優(yōu)化的最佳工藝為反應(yīng)溫度0 ℃、反應(yīng)時(shí)間40 min、催化劑C2用量1%、n(MO) ∶n(丁香酚)1 ∶10,此條件下MO轉(zhuǎn)化率和1-癸烯得率分別為96%和78%。
表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析
按1.3.1節(jié)色譜條件,將配制的3種不同濃度的標(biāo)樣分別重復(fù)進(jìn)樣分析,確定各組分出峰時(shí)間。標(biāo)樣和產(chǎn)物GC圖如圖4所示,目標(biāo)產(chǎn)物1-癸烯、內(nèi)標(biāo)物十四烷和原料MO的出峰時(shí)間分別為9.336、 13.780、 21.813 min,產(chǎn)物出峰時(shí)間與標(biāo)樣出峰時(shí)間保持一致,證明轉(zhuǎn)化率和得率通過(guò)內(nèi)標(biāo)法定量測(cè)定可行。為驗(yàn)證所選工藝的穩(wěn)定性和重復(fù)性,按2.2節(jié)優(yōu)化條件做5組平行試驗(yàn),MO轉(zhuǎn)化率分別為96%、 96%、 96%、 97%和96%,平均值96%;1-癸烯得率分別為78%、 78%、 78%、 78%和78%,平均值78%。由此可知,驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果再現(xiàn)性及重復(fù)性較好,符合工藝要求。
a.標(biāo)樣standard; b.產(chǎn)物product
3.1依據(jù)烯烴交叉復(fù)分解反應(yīng)的選擇性預(yù)測(cè)模型和文獻(xiàn)報(bào)道,篩選了多種烯烴底物和3種典型的催化劑,確定了丁香酚和Grubbs第二代催化劑(C2)是較有利于植物油脂烯烴復(fù)分解反應(yīng)制備1-癸烯的反應(yīng)底物和催化劑。
3.2通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)得到油酸甲酯(MO)制備1-癸烯工藝優(yōu)化的最佳條件:反應(yīng)溫度0 ℃,反應(yīng)時(shí)間40 min,催化劑用量1%,MO和反應(yīng)底物丁香酚物質(zhì)的量之比即n(MO) ∶n(丁香酚)為1 ∶10。此條件下,MO轉(zhuǎn)化率和1-癸烯得率分別為96%和78%。