超临界二氧化碳中的甲苯选择性氧化反应

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1、超临界二氧化碳中的甲苯选择性氧化反应摘要：考察了甲苯选择性氧化反应中反应物及产物在超临界二氧化碳中的溶解性质。结果表明，甲苯在超临界二氧化碳中的溶解度较大，在反应条件下能与二氧化碳形成均相；苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸在超临界二氧化碳中的溶解度随着物质极性的增强而降低。利用不同产物的溶解性差异，可实现超临界二氧化碳中甲苯的选择性氧化。同时考察了超临界二氧化碳中甲苯选择性氧化反应过程中，反应时间、反应压力、反应温度以及n(甲苯)／n(氧气)对反应选择性的影响。关键词：超临界二氧化碳；甲苯；氧化反应；苯甲醛苯甲醛是工业上应用较为广泛的芳香烃化合物，作为香料广泛应用于香水以及化妆品的制造中。通常工

2、业上采用的苯甲醛的合成方法有甲苯侧链氯化水解法和甲苯液相选择性氧化法。侧链水解法选择性好和收率高，但产品不能达到较高的纯度；液相氧化法选择性较低，无法实现大规模的生产。因此，苯甲醛高选择性的绿色合成方法成为了人们研究的热点。超临界流体是具有特殊性质的流体，不但具有与气体相似的高扩散性和低黏度，在反应过程中可以强化传递过程，同时又具有与液体相似的溶解能力与其他溶剂相比，超临界流体的溶解性质具有特殊性。该特性表现在，室温条件下，某些难溶或不溶的化合物可以溶解于超临界流体中；而对于一些在通常状态下溶解性较好的化合物，在超临界流体中的溶解度很小或不溶。这一特性也为在超临界流体中进行化学反应的研

3、究提供了可行性的依据。本研究以甲苯和氧气为原料，对超临界二氧化碳中甲苯的选择性氧化反应进行了系统研究，以实现在超临界二氧化碳中苯甲醛的选择性合成。1试验部分本研究利用高温高压可视相平衡装置，考察了反应物和产物在超临界二氧化碳中的溶解性能，并且对反应体系的相行为进行了研究。1．1反应物及产物溶解性的测定图1为可视相平衡装置流程示意图，其总容积为80mL，装置底部有磁力搅拌器，釜内为磁子搅拌。相平衡装置侧壁有温度传感器，平衡釜四周配有4个电加热棒，前后配有石英可视视窗。量取一定体积或称量一定质量的被测物加入到相平衡装置内，将相平衡装置安装完毕后，检查阀门是否关闭，检查气密性。向装置内通人少

4、量二氧化碳，吹扫装置内空气，反复多次。调节温度控制面板，设定观测温度，调节磁力搅拌器的转速。待温度升至设定温度，打开进气阀门，向装置内通入二氧化碳气；．待相平衡装置内压力与钢瓶压力平衡后，打开二氧化碳泵，继续通气，并通过连接在装置上的压力表示数调节进气速率。通气过程中，通过相平衡装置的可视视窗观察体系相变化，并选择不同的压力点进行图像的采集。1．2超临界二氧化碳甲苯氧化反应试验以甲苯作为原料，氧气作为氧化剂，在超临界二氧化碳介质中无催化剂条件下直接氧化甲苯，以苯甲醛为目标产物进行选择性氧化反应的研究。试验主要考察了反应时间、温度、压力及原料物质的量之比等条件对超临界二氧化碳介质中的甲苯

5、氧化反应的影响。试验采用美国PARR公司生产的4575A型落地式高温高压反应釜，如图2所示。用量简称取一定体积的甲苯原料，并用天平称取质量，加入到反应釜中。检验冷却水、电磁阀和热电偶连接是否正确，检查各阀门是否关闭，搅拌是否安装好，并将反应釜装好。装好电加热套，打开搅拌轴冷却水开关，并保障试验过程中冷却水常开，以保障磁力搅拌正常工作。依次将控制器总电源，显示器电源、搅拌器电源开启，设定搅拌速度，设定反应温度。待反应釜内温度达到设定温度后，开启氧气钢瓶，通入适量氧气；开启CO：钢瓶，打开进气阀门，开启二氧化碳泵，通入CO：，并通过质量流量计记录通入的CO：质量。待通气结束后’，关闭二氧化

6、碳泵，关闭进气阀门，关闭二氧化碳钢瓶。加料完毕后，待反应釜内温度达到设定温度，开始计时；在反应过程中注意观察反应釜内温度和压力的变化，并用冷凝水调节反应釜内温度，确保反应温度恒定。1．3分析方法本试验采用气相色谱对甲苯的氧化反应后的产物进行分析，并进行相应的数据处理。试验采用了气相一质谱联机对生成的氧化反应的液相产物进行分析。分析条件如下：色谱柱：HP．INNOWAX；检测器：质谱检测器；载气：氩气；进样量：1wL；进样口温度：250℃；离子源温度：230℃；四级杆温度：230℃；柱温：40℃维持2rain；10℃／rain升温至250℃；维持5min。2结果与讨论2．1反应物及产物的

7、溶解性质2．1．1甲苯在超临界二氧化碳溶解性的分析图3为液相甲苯在超临界二氧化碳中的溶解过程。通过观察发现，随着压力的升高，即二氧化碳的不断增加，液相甲苯逐渐减少，甲苯与二氧化碳的相界面不断降低，直至成为均相。表1为不同温度下，甲苯在超临界二氧化碳中的溶解度。可以看出，随着温度的升高，甲苯在超临界二氧化碳中的溶解度逐渐增大。2．1．2产物在超临界二氧化碳中的溶解性图4为苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸3种甲苯部分氧化产物在超临界二氧化碳中的溶解度的比较。