孔令启,郭德来,郑世清,李玉刚,曹传波

(1.青岛科技大学 计算机与化工研究所,山东 青岛 266042;2.青岛银科恒远化工过程信息技术有限公司,山东 青岛 266042)

2-氯丙酰氯是一种合成医药、染料、农药等精细化学品的重要中间体。其工业合成方法主要有2-氯丙酸酰氯化法[1]和丙酰氯氯化法[2]。酰氯化法以2-氯丙酸为原料,在光气、氯化亚砜、三氯化磷等酰氯化试剂的作用下合成2-氯丙酰氯;由于光气为剧毒气体和行业准入门槛高,而氯化亚砜和三氯化磷酰氯化法又会产生二氧化硫和含磷废水,带来了环境污染和设备腐蚀问题。相比于酰氯化法,丙酰氯氯化法具有反应简单、产品质量稳定等特点而备受关注[3]。

在早期KORHONEN[4]采用氯气鼓泡装置对丙酰氯氯化过程进行了研究,结果表明在常温下氯气即可和丙酰氯进行自由基反应,但反应时间较长,仅一氯代反应即需要15 h以上;同时氯优先取代β位上的氢,2-氯丙酰氯的选择性较低。为了提高氯化反应的选择性,多数学者进行了相关研究。OGATA等[5-10]以H2SO4、亚硫酰氯和氯磺酸为催化剂促进了离子型反应,酸强度越高离子型反应速度就越快。王泽云等[11]和OGATA等[12]以氧气和间二硝基苯为自由基捕获剂也一定程度上抑制了副反应的发生,从而提高了α位取代物的选择性。王丽曼等[2]采用梯度提高反应温度的方法,兼顾反应的速度和选择性,使反应时间由96 h缩短到72 h左右,反应的选择性在93%左右。

本研究针对丙酰氯氯化存在的反应时间长、副产物产生多等问题。在自制的反应器中采用砂芯增强气液传质[13],来提高反应速率;用氯磺酸作为催化剂,用氧气作为自由基捕获剂,用于强化主反应和抑制副反应,从而提高了反应的选择性。并基于此对丙酰氯和催化剂质量比、反应温度、氯气流量和氯气与氧气比例的工艺参数进行优化,从而提高2-氯丙酰氯的反应速度和收率,为2-氯丙酰氯的工业化生产提供技术支持。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

丙酰氯(98.0%),中国医药集团上海试剂公司;氯磺酸(99%),上海东帆化工科技有限公司;浓硫酸(95%～98.0%),中国医药集团上海试剂公司;氯气(99.8%),山东大地盐化集团;氧气(99.999%),济宁协力特种气体有限公司。

1.2 实验方法与反应装置

反应装置见图1,由进料系统、反应器、控温装置、冷凝装置和尾气系统组成,反应器是自制带夹套的0.5 L的玻璃容器,下部配有G3砂芯。按照一定的计量比向反应器中加入丙酰氯和氯磺酸,加热至反应温度后,以一定流量通入氯气和氧气。反应每隔30 min,停止氯气通入,取样进行分析,直到原料丙酰氯含量＜1%,反应完成,将进行数据分析。

图1 氯化反应装置示意图Fig.1 Schematic diagram of chlorination reaction device

1.3 分析方法

气相色谱对2-氯丙酰氯进行含量分析(校正面积归一化法)。气相色谱仪型号为安捷伦7890A,色谱柱为赛默飞TG-1MS(30 m×0.25 mm×0.25 mm)。分析条件:进样量0.5μL,进样器温度200℃,分流比50∶1,流量为1 m L·min－1,载气为氮气,柱温:80℃保留5 min,10℃每分钟升至150℃保留10 min,检测器温度均为200℃,FID检测器。

2 结果与讨论

2.1 2-氯丙酰氯合成反应特点及规律分析

通过增加砂芯用于增强气液传质从而克服反应速度慢的问题。在所研究的条件范围内,使反应可在2～4 h之间完成。在同等实验条件下采用氯气鼓泡和强力搅拌的常规反应装置对比实验,在不考虑反应选择性的情况下反应时间则需要10～16 h;而反应时间在3 h时转化率不到40%,如图2所示。而工业生产上采用氯气鼓泡和常规搅拌,兼顾反应的选择性,反应时间一般需要72 h[2]。实验结果表明采用砂芯降低了氯气气泡尺寸、增大了汽液相接触面积,有效地增强了汽液传质的速率和反应速率,从而大幅度地缩短了反应时间。

图2 无砂芯反应时间-转化率-选择性曲线Fig.2 Reaction time-conversion-selectivity curve without sand core

但是伴随着反应速度的增快,副产物也随之增多,由于副反应都是自由基反应[14-15],为了抑制副产物的产生,本工作加入了氧气作为自由基捕获剂,减少了副产物。然后,从反应温度、丙酰氯和催化剂质量比、氯气流量、氯气与氧气物质的量比4个因素,对于整个反应进行了综合评价。

表1为不同条件下不同氯化产品随时间的变化。可以看到,加入催化剂氯磺酸后,2-氯丙酰氯的收率由57.02%增加到90.2%,2-氯丙酰氯的收率明显增高,这是因为加入催化剂后,促进的了离子型反应。加入氧气后,3-氯丙酰氯由2.51%减少到0.05%,2,2-二氯丙酰氯由3.08%减少到0.27%,副产物,明显减少,这是因为副反应都是自由基反应,加入氧气后,抑制了副反应的发生。

表1 不同条件下不同氯化产品随时间的变化Table 1 Changes of different chlorine products over time under different conditions

图3为本实验的某一确定条件下的反应时间-转化率-选择性的典型曲线(反应完成时间为3 h),可见反应时间－转化率曲线的斜率逐渐减小,由开始的近乎线性增加到后来的趋于水平,反应的选择性由反应开始的99.4%到反应终点89.7%逐渐降低;说明反应开始时丙酰氯浓度最大,反应速度主要由氯气进料控制,转化率曲线近乎线性,此时的反应选择性最高,丙酰氯主要和氯气反应生成目标产品;而随着反应时间的延长,原料的转化率逐渐增大,产品浓度逐渐升高,反应速度逐渐降低,同时反应的选择性逐渐降低,说明此时活性极高的氯气的存在加剧了二氯代和多氯代产物的生成[11,16];到反应后期,丙酰氯近乎反应完全,此时丙酰氯浓度极低,反应速度极慢,而通入的氯气对主反应的贡献较小,反而加剧了副反应,所以降低了反应的选择性。这也与现工业批次生产中到反应后期采用降低氯气流量来防止副反应加剧的操作手段相一致的[2]。

图3 有砂芯反应时间-转化率-选择性曲线Fig.3 Reaction time-conversion-selectivity curve with sand core

2.2 正交试验设计与分析

主要考察的指标为氯丙酰氯的收率,通过前期的实验初步确定影响氯丙酰氯收率的指标的主要因素有:反应温度、丙酰氯和催化剂质量比、氯气流量、氯气与氧气比例。因此,设计了4因素3水平的正交实验,根据收率筛选出最佳的工艺。

通过L9(34)正交设计,以氯丙酰氯的收率为评价指标,对反应温度(A)、丙酰氯和催化剂质量比(B)、氯气流量(C)和氧气与氯气物质的量比(D)进行正交筛选,见表2、表3。

表2 正交试验直观分析表Table 2 Visual analysis table of orthogonal experiment

表3 正交试验极差分析表Table 3 Range analysis table of orthogonal experiment

表3结果显示,极差RB＞RC＞RD＞RA,即在影响2-氯丙酰氯收率的4个因素中,丙酰氯和催化剂质量比影响最大,反应温度影响最小。由正交实验分析可得,在反应温度40℃、氯气流量60 L·h－1、丙酰氯和催化剂质量比100∶6、n(氯气)∶n(氧气)为100∶6收率最高。

2.3 单因素实验分析

单因素实验是在正交实验的基础上,对影响收率的各因素进行单独考察,对实验进行进一步优化。

2.3.1 反应温度的影响

在正交试验最佳工艺条件的基础上,研究了反应温度分别为40.0、42.5、45.0、47.5、50.0℃对氯化反应的影响,实验结果如表4所示,随着反应温度的升高,2-氯丙酰氯的收率下降,在反应温度为40℃时,收率最高,这是由于高温虽然有利于加快主反应的反应速度,但是高温也会促进副反应的发生,从而降低了反应的选择性,使2-氯丙酰氯的收率下降[11]。由于本反应为放热反应,虽然更低的反应温度,产品的收率可能更高,但是从工程角度来看,在温度过低条件下,移除反应热会增加冷媒成本,因此选择40℃为最优反应温度。

表4 反应温度对氯化反应的影响Table 4 Effect of reaction temperature on chlorination reaction

2.3.2 丙酰氯和催化剂氯磺酸质量比的影响

在正交试验的基础上,研究了不同氯磺酸与丙酰氯质量比对氯化反应的影响,结果见图4。在氯磺酸与丙酰氯质量比为6∶100时,2-氯丙酰氯的收率最高。这是因为,催化剂氯磺酸作为一种强质子酸,可以为丙酰氯的烯醇化提供质子,氯磺酸的浓度越高,离子型反应越快[17],但是氯磺酸具有强氧化性,过量的氯磺酸会和反应物反应分解成二氧化硫和硫酸[18],所以选择合适的丙酰氯和催化剂质量比对于2-氯丙酰氯收率和合成成本具有重要的意义。因此选用氯磺酸与丙酰氯比例为6∶100为最优条件。

图4 不同氯磺酸和丙酰氯质量比下的2-氯丙酰氯收率Fig.4 Effect of mass ratios of chlorosulfonic acid and propionyl chloride on the yield of 2-chloropropionyl chloride

2.3.3 氯气流量的影响

在正交试验的基础上,研究了氯气流量分别为55.33、55.67、60、60.33、66.67 L·h－1对氯化反应的影响,实验结果见图5。2-氯丙酰氯的收率在氯气流量为60 L·h－1时最高。这是因为,增大氯气流量可以提高溶液中的氯气浓度,增强了气液传质,进而提高了2-氯丙酰氯的收率[19],当反应溶液中的氯气达到一定量后,进一步增加氯气流量,促进了副反应的发生,增加副产物的生成。因此选择氯气流量60 L·h－1为最优条件。

图5 不同氯气流量下的2-氯丙酰氯收率Fig.5 Yield of 2-chloropropionyl chloride under different chlorine flow rates

2.3.4 氯气与氧气物质的量的比的影响

在正交试验的基础上,研究了氯气与氧气物质的量的比对氯化反应的影响,结果见图6。2-氯丙酰氯的收率的变化趋势随着氧气所占比例的升高出现先升高再平稳的现象,综合考虑选择氧气与氯气物质的量的比为5.5∶100制备2-氯丙酰氯。这是因为,副产物2,2-二氯丙酰氯和3-氯丙酰氯是由自由基反应生成的[14-15],用氧气作为自由基捕获剂[20],可以抑制自由基反应的进行,但是过量的氧气会导致物料的损失,氧气作为惰性气体,降低了物料平衡分压,物料更容易挥发,此外,由于气量和气速的增加,使物料夹带量增大[11]。

图6 不同n(氧气)∶n(氯气)比例对2-氯丙酰氯收率的影响Fig.6 Effect of ratios of oxygen to chlorine on the yield of 2-chloropropionyl chloride

2.4 最佳工艺条件验证

经过3次实验进行验证(见表5),2-氯丙酰氯的收率由93%提高到97.18%,因此可以选择反应温度40℃、氯气流量60 L·h－1、催化剂氯磺酸与丙酰氯质量比为6∶100、氯气与氧气物质的量的比为5.5∶100为制备2-氯丙酰氯的最佳制备工艺。

表5 最佳制备工艺的验证实验Table 5 Verification experiment of the best preparation process

3 结 论

1)在实验装置上增加砂芯,可有效地增强气液传质,极大的提高了反应速度,反应时间由原来的72 h缩短到3 h。

2)通过正交试验表明,丙酰氯催化剂氯磺酸质量比、氯气与氧气物质的量的比、氯气流量、反应温度对于2-氯丙酰氯的收率均具有显著的影响,且影响规律为丙酰氯和催化剂氯磺酸质量比＞氯气与氧气物质的量的比＞氯气流量＞反应温度。

3)通过单因素实验结果表明,最佳反应条件为反应温度40℃、氯气流量60 L·h－1、催化剂氯磺酸与丙酰氯质量比6∶100、氧气与氯气物质的量的比5.5∶100。在此条件下,2-氯丙酰氯的反应时间由72 h缩短到3 h,收率也得到了提高。