曹梟漢,孫國靜,蔣燕迪,彭翠娜,張 范,楊 成
(1. 濟南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山東 濟南 250022;2. 濰坊弘潤新材料有限公司,山東 濰坊 261000)
苯基多元羧酸酯類化學(xué)品分子量大、熱穩(wěn)定性高,原料來源廣泛,在塑料加工中獲得廣泛應(yīng)用[1-2]。其中,鄰苯二甲酸二異辛酯(DOP)是較傳統(tǒng)的酯類增塑劑,但由于在塑料介質(zhì)中的抽出率較高,對動物具有肝臟毒性、生殖毒性和致癌致畸性[3-9],已被限制使用。目前,均苯四甲酸四異辛酯(TOPM)和偏苯三甲酸三異辛酯(TOTM)在所有芳烴類增塑劑中毒性較低,被認(rèn)為是替代DOP 的良好選擇。
隨著石油化工和煤化工技術(shù)的發(fā)展,均酐和偏酐原料來源已不受限制,規(guī)?;疶OPM 和TOTM環(huán)保增塑劑合成技術(shù)開發(fā)成為當(dāng)前的熱點之一[10]。催化酯化合成DOP 工藝路線非常成熟,但TOTM和TOPM 由于具有更多的苯環(huán)取代基團,在合成過程中存在更高的空間位阻效應(yīng),造成反應(yīng)過程耗時長、能耗大、合成效率低等問題[11-12]。
本工作采用課題組自主開發(fā)的固體酸催化劑[13],在間歇釜式反應(yīng)器中對固體酸催化的DOP,TOTM,TOPM 的合成宏觀反應(yīng)動力學(xué)進行研究,考察了反應(yīng)物分子空間結(jié)構(gòu)、反應(yīng)過程位阻及反應(yīng)速率之間的變化規(guī)律,為進一步的工業(yè)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用提供指導(dǎo)。
工業(yè)成型固體酸催化劑:濟南同譽新材料科技有限公司;均苯四甲酸二酐(簡稱均酐)、偏苯三甲酸酐(簡稱偏酐):濰坊宏潤新材料有限公司;鄰苯二甲酸酐(簡稱鄰酐):廣成化學(xué)試劑廠;異辛醇、無水乙醇、鄰苯二甲酸氫鉀:國藥化學(xué)試劑有限公司。所有試劑均為分析級。
采用 500 mL 三口燒瓶為反應(yīng)器,配磁力攪拌器、冷凝器、溫度計和取樣器,反應(yīng)器外部采用恒溫油浴控制溫度。參考文獻[14]的方法,先將均酐/偏酐/鄰酐與一定量的異辛醇置于三口燒瓶中,當(dāng)兩種反應(yīng)物均混合均勻后,將一定量的催化劑加入到三口燒瓶中,升溫到目標(biāo)溫度,保持催化劑與反應(yīng)液充分接觸,此時作為反應(yīng)的初始時間開始計時。之后每隔一段時間從反應(yīng)器中取樣,并立即轉(zhuǎn)移到冰浴中冷卻,以防止發(fā)生進一步的反應(yīng)。
按照式(1)計算酸酐的酯化率(XA):
XA=(A2-A1)/A1×100% (1)
式中,A1,A2為反應(yīng)前后體系的酸值,mg/g。
2.1.1 催化劑用量
在進料酐醇摩爾比1∶8、反應(yīng)溫度473.15 K條件下,考察了催化劑用量對酸酐酯化率的影響,結(jié)果見圖1。固體酸催化劑的加入能顯著降低酯化反應(yīng)的活化能,大大提高反應(yīng)的初始速率[11-12]。從圖1 可看出,達到反應(yīng)平衡前,在相同的反應(yīng)時間下,酯化率隨催化劑用量的增加而增大,增大催化劑用量有助于加速反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行,使達到化學(xué)反應(yīng)平衡的時間縮短。這是因為催化劑活性與催化劑用量成正比,催化劑用量越大,活性中心越多,反應(yīng)物與催化劑活性位點接觸的幾率就越高。而當(dāng)催化劑用量達到一定時,酯化率無明顯增加,這是由于催化劑用量增加使攪拌效率降低,導(dǎo)致傳質(zhì)阻力增大。因此催化劑的最佳用量為5%(w)。
圖1 催化劑用量對酯化率的影響Fig.1 Effect of catalyst dosage on esterification rate.
2.1.2 醇羥基與苯環(huán)取代基摩爾比
酯化反應(yīng)合成TOPM 理論上需投入的異辛醇與均酐的摩爾比為4∶1,但由于酯化反應(yīng)是可逆反應(yīng),為了使反應(yīng)向生成酯的方向進行且提高反應(yīng)的酯化率,增加溶劑異辛醇的用量以提高正反應(yīng)速率。本工作旨在探究苯基多元羧酸酐酯化反應(yīng)位阻的影響,因此將醇與均酐的摩爾比換算為醇羥基與苯基多元羧酸酐上苯環(huán)取代基的摩爾比。
醇羥基與苯環(huán)取代基摩爾比對酯化率的影響見圖2。
圖2 醇羥基與苯環(huán)取代基摩爾比對酯化率的影響Fig.2 Effect of molar ratio of alcohol hydroxyl to benzene on esterification rate.
由圖2 可知,在反應(yīng)溫度473.15 K、催化劑用量5%(w)、反應(yīng)時間8 h 條件下,隨醇羥基含量的增加,反應(yīng)的酯化率呈先上升后下降的趨勢,當(dāng)醇羥基與苯環(huán)取代基摩爾比達到1.75 時,酯化率達最大值,為99.15%。但當(dāng)醇羥基與苯環(huán)取代基摩爾比增加到2.00 時,反應(yīng)的酯化率降低。這可能是由于過量的異辛醇稀釋了酸酐,不利于反應(yīng)的進行。因此在后續(xù)的工作中,選擇的醇羥基與苯環(huán)總?cè)〈哪柋葹?.75。
酯化反應(yīng)理論上都是可逆的,但當(dāng)異辛醇的量遠(yuǎn)大于均酐時,均酐基本反應(yīng)完全。此時反應(yīng)器內(nèi)僅存在少量的二酯、三酯等,因此可以假定均酐全部轉(zhuǎn)化為TOPM。若忽略傳質(zhì)和內(nèi)外擴散的影響,則可建立擬均相反應(yīng)動力學(xué)模型。
均酐酯化過程分兩步進行:1)酸酐與異辛醇作用迅速發(fā)生開環(huán)反應(yīng),生成均苯四甲酸二異辛酯,此反應(yīng)步驟較快,為不可逆反應(yīng);2)均苯四甲酸二異辛酯與兩分子異辛醇反應(yīng),最終生成TOPM,此反應(yīng)步驟較慢,為可逆反應(yīng)。因此,步驟2)為控制步驟,該反應(yīng)可表示為式(2)~(3):
式中,A,B,D,E,W 分別代表均酐、異辛醇、均苯四甲酸二異辛酯、TOPM 和水。
由于反應(yīng)步驟1)可很快達到平衡,該反應(yīng)的控制步驟為步驟2),動力方程可表示為:
因為在反應(yīng)體系中醇是大大過量的,且反應(yīng)步驟1)很快達到平衡,因此,可認(rèn)為無逆向反應(yīng)發(fā)生,此時
2.2.1 TOPM 合成反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的確定
不同溫度下均酐的f(XA)與時間的關(guān)系曲線見圖3。從圖3 可看出,溫度升高直線斜率增加,說明升高溫度可以提高反應(yīng)速率常數(shù),從而提高反應(yīng)速率及酯化率。
圖3 不同溫度下均酐的f(XA)與時間的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between f(XA) and time(t) of pyromellitic dianhydride at different temperatures.
根據(jù)Arrhenius 公式可得lnk與1/T之間的關(guān)系式,由lnk與1/T擬合做圖,結(jié)果見圖4。根據(jù)圖4 可得出活化能為 111.66 kJ/mol,指前因子為1.20×1010。該反應(yīng)的活化能較高,這表明傳質(zhì)阻力可以忽略不計,該酯化反應(yīng)是由動力學(xué)控制,且溫度升高,平衡常數(shù)增大,這說明反應(yīng)對溫度的敏感性,進一步表明酯化率是由反應(yīng)步驟控制而并非由傳質(zhì)現(xiàn)象控制。
圖4 均酐的lnk 與1/T 的Arrhenius 曲線Fig.4 Arrhenius curve of pyromellitic dianhydride lnk and 1/T.
均酐與異辛醇酯化的Arrhenius 方程為:
2.2.2 TOTM 合成反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的確定
不同溫度下偏酐的f(XA)與時間的關(guān)系曲線見圖5。從圖5 可看出,溫度升高直線斜率增大,說明升高溫度可以提高反應(yīng)速率常數(shù),從而提高反應(yīng)速率及酯化率。
圖5 不同溫度下偏酐的f(XA)與時間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between f(XA) and t of trimellitic anhydride at different temperatures.
根據(jù)Arrhenius 公式可得lnk與1/T之間的關(guān)系式,由lnk與1/T擬合做圖,結(jié)果見圖6。根據(jù)圖6 計算可得活化能為120.13 kJ/mol,指前因子為5.83×1010。偏酐與異辛醇酯化的Arrhenius 方程為:
圖6 偏酐的lnk 與1/T 的Arrhenius 曲線Fig.6 Arrhenius diagram of phthalic anhydride lnk with 1/T.
2.2.3 鄰酐酯化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的確定
不同溫度下鄰酐的f(XA)與時間的關(guān)系曲線見圖7。由圖7 可知,溫度升高反應(yīng)速率常數(shù)提高,從而提高反應(yīng)速率及酯化率。
圖7 不同溫度下鄰酐的f(XA)與時間的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between f (XA) and t of phthalic anhydride at different temperatures.
根據(jù)Arrhenius 公式可得lnk與1/T之間的關(guān)系式,由lnk與1/T擬合做圖,結(jié)果見圖8。根據(jù)圖8 計算可得活化能為96.75 kJ/mol,指前因子為2.55×108。鄰酐與異辛醇酯化的Arrhenius 方程為:
圖8 鄰酐的lnk 與1/T 的Arrhenius 曲線Fig.8 Arrhenius diagram of phthalic anhydride lnk with 1/T.
密度泛函理論計算是目前對多相催化反應(yīng)過渡態(tài)研究的主要方法,但此方法由于量子效應(yīng)的存在,有時會出現(xiàn)與實際情況不符的反?,F(xiàn)象。目前,仍缺少對反應(yīng)空間位阻直接進行定量描述的技術(shù)手段,尤其是對多相催化反應(yīng)體系中反應(yīng)過渡態(tài)的空間位阻的定量描述。本工作建立的動力學(xué)模型通過固定反應(yīng)的羧羥比,控制每個苯環(huán)取代基與1.75分子的異辛醇發(fā)生反應(yīng),從而使變量單一化,可以較為清晰地定性描述苯環(huán)上單個位點發(fā)生酯化反應(yīng)的平均難易程度。
表1 為不同苯基多元羧酸與異辛醇酯化反應(yīng)的活化能。由表1 可看出,偏酐酯化反應(yīng)的活化能最高,其次為均酐和鄰酐,因此過渡態(tài)的空間位阻大小排序為:偏酐>均酐>鄰酐。一般認(rèn)為,苯基多元羧酸酐的酯化過程為兩步,其中,第二步的開環(huán)中間產(chǎn)物(中間態(tài))的進一步酯化是決速步驟。反應(yīng)空間位阻的變化是受反應(yīng)過渡態(tài)的形態(tài)影響的,由于偏酐的反應(yīng)中間態(tài)存在對位羧基,因而更難發(fā)生酯化反應(yīng)。
表1 不同苯基多元羧酸與異辛醇酯化活化能Table 1 Esterification activation energy(E) of different phenyl polycarboxylate esters and iso-octanol
1)固體酸催化不同苯基多元酸(酐)與辛醇酯化反應(yīng),在醇羥基與苯環(huán)取代基的摩爾比為1.75、催化劑用量為5%(w)、反應(yīng)溫度473.15 K、攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min 的反應(yīng)條件下,均酐、偏酐、鄰酐的反應(yīng)活化能分別為111.66,120.13,96.75 kJ/mol。
2)通過對擬均相反應(yīng)動力學(xué)的比較發(fā)現(xiàn),苯的二元、三元、四元取代酸酐的酯化反應(yīng)位阻并不隨取代基團數(shù)目的增加而增大,這可能因為酯化反應(yīng)過渡態(tài)的空間位阻不同,過渡態(tài)的空間位阻大小排序為:偏酐>均酐>鄰酐。
3)動力學(xué)研究結(jié)果表明,均酐完全酯化的活化能低于偏酐完全酯化的活化能,TOPM 的催化酯化合成過程更適宜進行工程放大。
符 號 說 明
A1,A2反應(yīng)前后體系的酸值,mg/g
cA均酐的濃度,moL/L
cA0均酐的初始濃度,moL/L
cB異辛醇的濃度,moL/L;
cD均苯四甲酸二異辛酯的濃度,moL/L
cE均苯四甲酸四異辛酯的濃度,moL/L
cW水的濃度,moL/L
E反應(yīng)活化能,kJ/mol
K1反應(yīng)平衡常數(shù)
k總反應(yīng)速率常數(shù)
k1,k′1第一步反應(yīng)的正、逆反應(yīng)速率常數(shù)
k2,k′2第二步反應(yīng)的正、逆反應(yīng)速率常數(shù)
r1,r2第一、二步反應(yīng)的反應(yīng)速率,mol/(L·s-n)
T反應(yīng)溫度,K
t反應(yīng)時間,s
XA酯化率,%
x酐醇摩爾比