探析化学计量学与在线红外技术对环己酮氨肟化反应过程的研究

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1、学校代码10530学号B200699070054分类号TQ032.4密级博士学位论文化学计量学与在线红外技术对环己酮氨肟化反应过程的研究学位申请人刘华杰指导教师罗和安教授刘平乐教授学院名称化工学院学科专业化学工程研究方向化学反应工程二零一零年四月StudiesontheLiquid-phaseAmmoximationofCyclohexanoneusingon-lineATR-FTIRSpectroscopyandChemometricsCandidateLiuHuajieSupervisorProf.LuoHe’an,Prof.LiuPingleCollegeChemicalEngi

2、neeringSpecializationChemicalEngineeringProgramChemicalReactionEngineeringDegreeDoctorUniversityXiangtanUniversityDateApril,2010学位论文原创性声明与版权使用授权书湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者

3、签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要在线红外是用于化学反应研究的一个强有力的工具。它能够在反应条件下，原位、实时、在线地收集反应过程的中红外光谱，提供大量有关于化学反应情况的信息，这些信息能够用于化学反应机理、动力学研究以及过程控制，但是由于反应体系

4、光谱的重叠、未知组分的干扰、反应光谱矩阵的共线性等因素存在影响了光谱的解析。化学计量学是一门新兴发展的交叉学科，它运用数学、统计学和计算机等知识设计最优化量测方法，通过对化学数据的分析处理，最大限度地获取化学及相关信息。本文利用化学计量学的方法，结合在线红外反应分析技术，对TS-1分子筛作用下的环己酮液相氨肟化反应过程进行了较为深入的定性、定量研究。本文的主要研究内容有：基于化学计量学的化学反应在线红外谱图解析，研究一种新的多组分灰色分析体系定量分析技术——超平面截取法，使用在线红外对TS-1分子筛作用下的环己酮液相氨肟化反应机理研究，TS-1分子筛作用下的环己酮液相氨肟化反应动力学研

5、究。由于分子间作用力对组分光谱产生影响，使得组分在溶剂中的光谱与纯组分的光谱不一致，本文采用主成份回归法求取组分在溶剂中实际表现的光谱。采用目标因子分析法检验所求的光谱向量是否是环己酮氨肟化反应光谱中的真实因子。在线红外反应光谱由于受到反应方程式的制约，使得光谱矩阵共线性，同时正是由于这种共线性包含了丰富化学信息。本文研究了红外反应光谱矩阵的秩与化学反应独立数以及组分数的关系，通过主成份分析法求得环己酮液相氨肟化中有3个独立反应，存在7个组分，得知该环己酮液相氨肟化反应的主反应包含两个独立的反应，同时反应过程中存在一可以用在线红外监控到的中间产物。提出了一种新的灰色分析体系矢量型数据的

6、定量分析方法，该方法能够在不需要获得干扰物信息的情况下，定量分析所关注的组分的浓度，适合多个干扰物存在甚至是干扰物浓度变化的情况。这个方法首先使用目标因子分析法求出待测组分在反应中受到干扰较小的波数范围，通过这个波数范围使用超平面截取法可以获得待测物的浓度。将该方法应用于环己酮液相氨肟化反应的在线红外光谱数据，结果表明该方法是准确、简单、可靠的。I采用在线红外反应分析系统研究了环己酮液相氨肟化反应机理，通过在线红外的帮助观察到了中间产物的生成和消失。通过实验设计验证了中间产物是由双氧水在TS-1分子筛的作用下氧化环己酮所得。结合前人对过氧化氢和酮的氧化反应的研究以及本文对中间产物的红外

7、光谱的分析，推断出在反应过程中监测到的中间产物是环己基过氧化酮，并在此基础上提出环己基过氧化酮的反应机理。在环己酮液相氨肟化反应动力学研究中，使用超平面截取法从在线红外光谱图中解析出各组分的浓度时间曲线。结合反应的动力学特征以及相关文献报道提出了TS-1分子筛作用下的环己基过氧化酮和双氧水引发的自由基链反应动力学模型，并进行了模型参数估值。统计检验表明动力学模型能够很好地反映环己酮液相氨肟化反应过程。与现有动力学模型进行了对比并且考察各种因素对