蔗糖-6-乙酸酯氯化過程熱力學(xué)及動力學(xué)研究

曹鐘亞，孫偉振，許志美，趙 玲,2

（1.華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室, 上海 200237；2.新疆大學(xué)化工學(xué)院,烏魯木齊 830046）

三氯蔗糖（TGS）[1]是目前最具競爭力的人工甜味劑，具有高甜度（蔗糖的600～800 倍）、非營養(yǎng)性、穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能[2-4]。蔗糖上有8 個羥基，它們的氯代活性依次為6＞6’＞4＞1’＞2＞3＞3’＞4’[5]。單基團保護法[6]是目前工業(yè)上合成TGS 使用最廣泛的方法，即首先選擇性?；员Ｗo6 號位羥基生成蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A），繼而氯化取代6’、4、1’位上的羥基生成三氯蔗糖-6-乙酸酯（TGS-6-A），最后脫保護基生成TGS[2]，其中S-6-A 氯化反應(yīng)制備TGS-6-A 是TGS生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵步驟，該過程需選擇性地對6’、4、1’這3 個位置的羥基進行氯化取代，不充分氯代或過度氯代都會使目標產(chǎn)物的收率下降，產(chǎn)生多種氯代副產(chǎn)物，增加后續(xù)分離難度[7]。因此氯化試劑的選擇以及氯化反應(yīng)過程的研究對合成TGS 尤為重要。

近年來，國內(nèi)外對于氯化試劑的研究較多，其中最有競爭力的是Vilsmeier 試劑[8-13]。Vilsmeier 試劑可由SOCl2、PCl3、COCl2等試劑與N,N-二甲基甲酰胺（DMF）反應(yīng)制得，利用其空間位阻效應(yīng)可高選擇性地氯化取代S-6-A 中6’、4、1’位上的羥基，成為TGS生產(chǎn)工藝中首選的氯化試劑。冷一欣等[12]將SOCl2與DMF 制備的Vilsmeier 試劑滴加至S-6-A 的DMF溶液中，逐步升溫完成氯化取代。該方法選擇性高，反應(yīng)過程較為穩(wěn)定，但缺點是合成的Vilsmeier試劑在工業(yè)生產(chǎn)過程中不易保存，遇水激烈反應(yīng)。Navia等[13]在低溫下直接將COCl2滴加至S-6-A 的DMF溶液中，在生成Vilsmeier 試劑過程中同時與S-6-A反應(yīng)，繼而升溫氯化取代。該方法簡化了實驗步驟，但是COCl2劇毒，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。本文結(jié)合上述文獻的各自優(yōu)勢，采用“一鍋法”在低溫下將S-6-A的DMF 溶液滴加至SOCl2與溶劑的混合溶液中，隨后升溫完成氯代反應(yīng)。該法避免使用劇毒試劑，使用Vilsmeier 試劑在溶液中邊合成邊反應(yīng)，既簡化了合成步驟，又提高了安全性。

目前工業(yè)上生產(chǎn)TGS 仍以間歇工藝為主，存在操作過程復(fù)雜，產(chǎn)能不足，氯代過程不穩(wěn)定等一系列工程問題。穩(wěn)定的連續(xù)化生產(chǎn)已經(jīng)成為TGS 生產(chǎn)工藝發(fā)展的迫切需求。熱力學(xué)分析和動力學(xué)研究是反應(yīng)過程開發(fā)的重要依據(jù)[14-16]，通過熱力學(xué)分析可以判斷反應(yīng)是否可以發(fā)生以及反應(yīng)在理論上可進行的程度[17-19]；動力學(xué)分析研究外界條件對反應(yīng)速率的影響，以獲得反應(yīng)影響因素的關(guān)鍵信息，對反應(yīng)器的設(shè)計、開發(fā)以及優(yōu)化有著重要的意義[20-24]。但是，關(guān)于氯化反應(yīng)過程的熱力學(xué)數(shù)據(jù)以及動力學(xué)參數(shù)鮮有相關(guān)報道，連續(xù)化氯代反應(yīng)器的設(shè)計缺乏重要數(shù)據(jù)。

基于此，本文采用Benson 基團貢獻法估算了S-6-A 氯化反應(yīng)體系中各物質(zhì)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，計算了溫度對反應(yīng)焓變、熵變、Gibbs 自由能變和平衡常數(shù)的影響，同時通過間歇實驗研究了372～389 K 范圍內(nèi)氯化過程的反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律?；诜磻?yīng)機理建立了氯化連串反應(yīng)動力學(xué)模型，并通過實驗測定和數(shù)據(jù)回歸獲得了相應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)，為TGS 氯化反應(yīng)器設(shè)計及連續(xù)化工藝生產(chǎn)提供重要的信息支持。

1 熱力學(xué)計算方法

S-6-A 的氯化總反應(yīng)方程式和TGS-6-A 的水解反應(yīng)方程式分別如式（1）和式（2）所示：

在氯化以及水解反應(yīng)體系中，由于S-6-A、TGS-6-A、TGS 的熱力學(xué)數(shù)據(jù)尚未見公開報道，因此采用基團貢獻法對上述3 種物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)進行估算。SOCl2、SO2、HCl、H2O、CH3COOH 的基礎(chǔ)熱力學(xué)數(shù)據(jù)可以直接從物性手冊中查閱[25-27]。

1.1 理想氣體標準摩爾生成焓、標準摩爾熵和摩爾定壓熱容

其中，ni代表i基團的數(shù)目；各為相應(yīng)的i基團貢獻值；σ 為總對稱數(shù)，η 為光學(xué)異構(gòu)體數(shù)。通過對各物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的分析可知 S-6-A、TGS-6-A、TGS 的 σ 分別為3、3、1，η 均取1。采用Benson 法分別計算得到S-6-A、TGS-6-A、TGS中各組分的熱力學(xué)基團貢獻值，如表1 所示。通過估算得到各物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 各物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)估算結(jié)果Table 2 Estimates of thermodynamic data for each substance

1.2 汽化潛熱

式中，ΔVHb為正常沸點Tb下物質(zhì)的汽化潛熱；Tc為臨界溫度，Tr=T/Tc，Tbr=Tb/Tc；n一般取 0.38[30]。ΔVHb、Tb、Tc的計算公式分別如式（7）～（9）所示，其中分別為基團i對蒸發(fā)焓的基團貢獻值，ΔTbi和 ΔTci分別表示基團i沸點和臨界溫度的基團貢獻值。各物質(zhì) ΔVHb、Tb、Tc、ΔVHT的計算結(jié)果如表3 所示。

表3 各物質(zhì)的 ΔVHb ，Tb ，Tc 和 ΔVHT 值Table 3 ΔVHb , Tb , Tc and ΔVHT of each substance

通過上述方法估算水解反應(yīng)體系中產(chǎn)物乙酸的各項熱力學(xué)數(shù)據(jù)，并與文獻值[25]進行對比，結(jié)果如表4所示?？梢钥吹?，計算值與文獻值最大相對偏差為5.15%，說明本文采用Benson 法估算的各物質(zhì)熱力學(xué)數(shù)據(jù)是可靠的。

表4 乙酸熱力學(xué)數(shù)據(jù)的計算值和文獻值[25]的對比Table 4 Comparison of calculation value and literature value[25] of acetic acid

1.3 液態(tài)標準摩爾生成焓和標準摩爾熵

1.4 不同溫度下的熱力學(xué)參數(shù)

2 實驗部分

2.1 試劑

S-6-A 溶于DMF 溶液，化學(xué)純，山東康寶生化科技公司提供；TGS-6-A，分析純，山東康寶生化科技公司提供；氯化亞砜，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；1,1,2-三氯乙烷，分析純，上海泰坦科技股份有限公司；氨水，質(zhì)量分數(shù)25%～28%，北京伊諾凱科技有限公司；鹽酸，質(zhì)量分數(shù)8%，上海穎漢化工科技有限公司；甲醇，色譜純，上海麥克林生化科技有限公司；超純水，自制。

2.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1 所示。向四口燒瓶內(nèi)加入一定量的SOCl2以及溶劑1,1,2-三氯乙烷，開啟攪拌，于低溫恒溫槽中降溫至0 ℃左右。隨后滴加溶有DMF的S-6-A 溶液，在不超過5 ℃下反應(yīng)1 h。轉(zhuǎn)移至油浴鍋中并升溫至各指定溫度，采用循環(huán)水式真空泵控制反應(yīng)瓶內(nèi)微負壓，并連接二級尾氣吸收裝置。在達到反應(yīng)溫度后每間隔一段時間取樣，并將樣品置于低溫恒溫槽中淬滅反應(yīng)，經(jīng)適當處理后進行液相色譜分析。

圖1 氯化反應(yīng)裝置Fig.1 Experimental setup of chlorination reaction

2.3 分析方法

采用Waters 公司的高效液相色譜儀（HPLC），包括自動進樣器、兩元泵、真空脫氣機、柱溫箱以及檢測器，外標法定量分析。色譜條件：檢測器為Waters 2414示差折光檢測器；色譜柱型號為Ultimate AQ～C18；流動相為甲醇與水（體積比45∶55），流速1.0 mL/min，進樣量20 μL ；分析時間30 min；柱溫箱與檢測器溫度均為37 ℃；靈敏度設(shè)置為16。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度對熱力學(xué)參數(shù)的影響

根據(jù)式（12）～式（15）進行計算，可以得到不同溫度下氯化反應(yīng)以及水解反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)，分別如表5 和表6 所示。

由表6 可以看到，在298 ～388 K 溫度范圍內(nèi)，該反應(yīng)的均大于零，平衡常數(shù)從2.45 增加到5.44，說明該反應(yīng)為吸熱的可逆反應(yīng)，升高溫度有助于平衡向正反應(yīng)移動。為了驗證上述熱力學(xué)計算結(jié)果的可靠性，進行了TGS-6-A 水解反應(yīng)實驗，將一定量的TGS-6-A 溶于體積比為1∶1 的甲醇和水混合溶液中，加入w=8%的鹽酸溶液作為催化劑，在封閉反應(yīng)體系中分別探究溫度為308 K 以及338 K 下的平衡常數(shù)實驗值，結(jié)果表明平衡常數(shù)實驗值分別為1.63、2.25。由表6 可知，在該條件下平衡常數(shù)計算值分別為2.63、3.36?？梢钥闯?，平衡常數(shù)實驗值與計算值比較接近，表明本文采用基團貢獻法進行熱力學(xué)計算是可靠的。

3.2 動力學(xué)模型與參數(shù)擬合

根據(jù)冷一欣等[31]提出的氯化機理，每個羥基活性的不同導(dǎo)致取代所需的能量不同，即隨著溫度的升高，氯代反應(yīng)依次發(fā)生，生成一氯、二氯、三氯代物的最適宜溫度分別約為343、363、383 K。實驗中觀察到，當溫度升至348 K 時，料液顏色從澄清淡黃色瞬間變成渾濁乳黃色，并放出大量的氣體，表明此過程發(fā)生了一氯代反應(yīng)，且較短時間內(nèi)即可完成反應(yīng)。然而，現(xiàn)有的分析檢測手段以及后處理方式難以實現(xiàn)對一氯代反應(yīng)產(chǎn)物及時有效的定量分析，因此，以一氯蔗糖-6-乙酸酯為初始反應(yīng)物，采用面積歸一法系統(tǒng)地研究不同溫度下各氯代產(chǎn)物的摩爾分數(shù)隨時間的變化。

當反應(yīng)溫度低于372 K 時，目標產(chǎn)物TGS-6-A 的生成速率較慢，收率較低。而溶劑1,1,2-三氯乙烷的沸點為387 K，當反應(yīng)溫度高于389 K時溶劑揮發(fā)較快，導(dǎo)致料液呈現(xiàn)不均勻黏稠狀，并且溫度過高容易造成料液碳化。綜合兩方面因素，將動力學(xué)考察溫度范圍設(shè)定為372～389 K。整個氯化取代過程可簡化為一氯蔗糖-6-乙酸酯（A）依次生成二氯蔗糖-6-乙酸酯（B）、目標產(chǎn)物TGS-6-A（P）以及副產(chǎn)物四氯蔗糖-6-乙酸酯（S），基于以上分析提出了如下氯化連串反應(yīng)過程，如圖2 所示。

圖2 氯化連串反應(yīng)過程Fig.2 Chlorination series reaction process

根據(jù)圖2 的反應(yīng)過程，假設(shè)S-6-A 氯化反應(yīng)為一級連串反應(yīng)，即k1、k2、k3所對應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)均為1，其動力學(xué)模型如式（16）～式（19）所示：

采用均相反應(yīng)模型、單因素控制變量法，僅研究溫度對反應(yīng)速率常數(shù)k的影響，采用MATLAB 中的lsqnonlin 函數(shù)，以測量值與計算值的殘差平方和S（式（20））最小化為優(yōu)化目標，結(jié)合式（16）～式（19）搜索得到各條件下最優(yōu)的反應(yīng)速率常數(shù)k1、k2、k3。

不同溫度下氯化反應(yīng)各主要組分摩爾分數(shù)擬合圖如圖3 所示。由MATLAB 擬合得到不同溫度下的各反應(yīng)速率常數(shù)k以及置信度為95%時對應(yīng)的置信區(qū)間，如表7 所示，可以看到k1、k2的置信區(qū)間比相應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)均小1 個數(shù)量級，這表明對于主反應(yīng)的擬合模型參數(shù)是可靠的。k3的置信區(qū)間相對于k1、k2來說稍大，其原因可能是對氯化過程副產(chǎn)物的簡化處理所導(dǎo)致[16]。因為實際反應(yīng)中，在所考察溫度范圍內(nèi)副產(chǎn)物除了四氯酯外還有五氯酯，而且隨著反應(yīng)時間的延長，反應(yīng)溫度的升高均會導(dǎo)致少量物料發(fā)生碳化。

圖3 不同溫度下氯化反應(yīng)各組分摩爾分數(shù)擬合圖（其中點表示實驗值，線為模型計算值）Fig.3 Molar fraction curves of components in chlorination reaction under different temperatures (Symbols reprent experimental data; Lines reprent calculated values by kinetic model)

表7 反應(yīng)速率常數(shù)擬合值和置信度為95%時對應(yīng)的置信區(qū)間Table 7 Estimated reaction rate constants and corresponding confidence intervals with the confidence level of 95%

3.3 動力學(xué)參數(shù)分析

不同溫度下各組分摩爾分數(shù)的實驗值和動力學(xué)模型計算值的比較如圖4 所示。從圖中可以看出不同溫度下氯化反應(yīng)各組分實驗值和計算值的點在對角線兩側(cè)分布較為均勻，說明以上述實驗點為基礎(chǔ)擬合得到的反應(yīng)速率常數(shù)是可靠的，可進一步利用Arrhenius 方程計算反應(yīng)活化能以及指前因子。

圖4 不同溫度下氯化反應(yīng)各組分摩爾分數(shù)的實驗值和計算值比較Fig.4 Comparison between experimental and calculated molar fraction of components in chlorination reaction under different temperatures

用Arrhenius 方程擬合表7 中不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)k，以 1/T為橫坐標，lnk為縱坐標，擬合結(jié)果如圖5 所示，相關(guān)系數(shù)r2≥ 0.980，說明假設(shè)該氯化串連過程均為擬一級反應(yīng)是合理的，也進一步說明建立的動力學(xué)模型是準確的。

圖5 Arrhenius 方程擬合圖Fig.5 Fitting plot of Arrhenius equation

通過Arrhenius 方程擬合得到各反應(yīng)的指前因子k0以及活化能Ea，如表8 所示?？梢钥吹皆谒芯繙囟确秶鷥?nèi)依次生成二氯蔗糖-6-乙酸酯和TGS-6-A 的主反應(yīng)活化能分別為103.87、153.87 kJ/mol；生成四氯蔗糖-6-乙酸酯副反應(yīng)的活化能為87.09 kJ/mol，低于主反應(yīng)活化能。說明主反應(yīng)受溫度的影響更大，升高溫度并且縮短反應(yīng)時間能有效提高目標產(chǎn)物TGS-6-A 的收率。

表8 Arrhenius 擬合所得各反應(yīng)過程的指前因子和活化能Table 8 Pre-factor and activation energy for each reaction fitted by Arrhenius equation

3.4 反應(yīng)時間對目標產(chǎn)物TGS-6-A 收率的影響

由動力學(xué)分析可知，升高溫度并縮短反應(yīng)時間有利于提高目標產(chǎn)物的收率，但由于溶劑1,1,2-三氯乙烷在常壓下的沸點為387 K，實驗過程中因溶劑回流影響使得繼續(xù)升高溫度存在困難，因此采用單因素控制變量法，維持其他條件相同，僅研究反應(yīng)溫度為389 K 時反應(yīng)時間對目標產(chǎn)物TGS-6-A 收率的影響，實驗結(jié)果如圖6 所示。從圖中可以看到在該溫度下最佳反應(yīng)時間為2.0 h，收率為64.15%，與動力學(xué)模型計算值較為接近。

圖6 反應(yīng)時間對TGS-6-A 收率的影響Fig.6 Effect of reaction time on the yield of TGS-6-A

4 結(jié) 論

（1）通過基團貢獻法估算了S-6-A 氯化反應(yīng)體系中各物質(zhì)基礎(chǔ)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，獲得了不同溫度下的和KΘ，結(jié)果表明在所研究溫度范圍內(nèi)該反應(yīng)為放熱且不可逆反應(yīng)。采用相同的方法計算了產(chǎn)物TGS-6-A 水解反應(yīng)體系，獲得了不同溫度下的平衡常數(shù)計算值，通過平衡常數(shù)實驗值與計算值的對比驗證了熱力學(xué)計算結(jié)果的可靠性。

（2）建立了S-6-A 制備TGS-6-A 氯化連串反應(yīng)動力學(xué)模型，通過實驗測定及數(shù)據(jù)回歸獲得了372～389 K 下的各動力學(xué)參數(shù)；依次生成二氯蔗糖-6-乙酸酯和TGS-6-A 的主反應(yīng)活化能分別為103.87、153.87 kJ/mol，生成四氯蔗糖-6-乙酸酯的副反應(yīng)活化能為87.09 kJ/mol，表明升高溫度并且嚴格控制反應(yīng)時間有助于提高目標產(chǎn)物TGS-6-A 的收率，但選擇高溫度的同時需要注意料液的碳化情況。

符號說明：