近临界水中腈、酰胺的水解反应研究

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1、近临界水中腈、酰胺的水解反应研究【摘要】：近临界水(near-criticalwater,NCW)指温度处在170-370℃近临界水中腈、酰胺的水解反应研究【摘要】：近临界水(near-criticalwater,NCW)指温度处在170-370℃近临界水中腈、酰胺的水解反应研究【摘要】：近临界水(near-criticalwater,NCW)指温度处在170-370℃之间的压缩液态水。近临界水与常温常压水相比具有突出的性能:电离常数大,因而自身具备酸、碱催化功能,可使某些酸、碱催化反应发生而不必外加酸、碱催化剂;可调节的介电常数,故具有能同时溶解有机物和无机物的特性;另外,还具有优良的

2、传质性能及绿色环保等优点。因此,NCW在绿色化学化工过程、有机化学反应等领域具有潜在的应用前景。论文的综述部分简要介绍了近临界水在绿色化工过程中的重要应用价值和国内外在近临界水中进行有机化学反应的研究现状,以及以近临界水作为反应溶剂或催化剂在水解反应、脱水/水合反应、烷基化、酰基化、Diels-Alder反应、重排反应、缩合、氢同位素交换反应、氧化还原反应、有机金属反应等反应类型中的应用。在充分考证近临界水中不同类型反应对反应器材质和构型设计要求不同的基础上,结合化学热力学和动力学原理以及反应过程中传质、传热和物料衡算,并根据实验的自身特点设计一种近临界水发生装置-间歇式高温高压反应釜,

3、以此来研究几类化合物的水解。腈是一类含氰基(-CN)的有机化合物,作为合成一系列胺、酸和聚合物的起始原料,其水解反应广泛应用于氨基酸、酰胺、羧酸及其衍生物的合成,在有机合成中占有极其重要的地位。酰胺广泛分布于自然界,如蛋白质是以酰胺键-CONH-(或称肽键)相连的天然高分子化合物等;酰胺同样也是腈水解反应的中间产物。普通的酰胺发生水解可生成羧酸,蛋白质里面的酰胺键亦同样可发生水解生成氨基酸。研究酰胺的水解,有利于进一步明确腈的深度水解反应机理,同时也可以间接了解蛋白质酰胺键在高温下的水解反应性。到目前为止,关于近临界水中腈类和酰胺类化合物水解反应的研究比较少,二腈、二酰胺、同时还有腈基和

4、酰胺基化合物以及N-烷基取代酰胺的研究更少,且缺乏规律性的研究与总结。本论文选取亚氨基二乙腈、己二腈、5-氰基戊酰胺、己二酰胺以及N-甲基乙酰胺为各类腈类化合物和酰胺类化合物的代表,采用自行设计的高温高压反应装置,研究这些化合物在近临界水中的水解反应性能、动力学特征及其机理,进而探索并总结NCW中腈类、酰胺类化合物的水解反应规律。具体研究内容如下:1.近临界水中亚氨基二乙腈水解反应研究首先,利用自行设计的高温高压反应装置,尝试以NCW作为亚氨基二乙腈水解反应的溶剂、反应物,并利用其自身解离提供的丰富H~+或OH~-顺利实现亚氨基二乙腈的催化水解。实验测定了亚氨基二乙腈在近临界水中(压力1

5、0MPa,温度200-260℃,反应时间10-60min)的水解反应动力学数据并考察了时间、温度、压力和初始反应物/水比对反应物转化率和产物产率的影响。在最佳反应条件下,210℃、压力10MPa、反应时间20min,反应物几乎完全转化,此时亚氨基二乙酸的产率可达到92.3mol%。根据准一级反应动力学,得到反应的表观活化能E_a和lnA(min~(-1))分别为45.77±5.26kJ/mol和8.6±0.1。最终反应产物主要包括亚氨基二乙酸和氨以及少量的副产物,反应过程中除生成的氨气外其他气体的生成可以忽略。近临界水中亚氨基二乙腈的水解反应机理和普通条件下碱催化水解反应机理相似。本研究

6、第一次实现了近临界水中亚氨基二乙酸合成的绿色化制备,并为NCW在其他二腈中的水解研究提供了基础实验数据。2.近临界水中己二腈水解反应研究研究了己二腈在近临界水中的反应性,并考察了各实验条件对产物分布的影响。采用正交试验设计(L_(25)(5~6),六因素五水平)并运用统计的方法对每种产物的产率进行优化,优化过程忽略各因素间的相互作用。六个因素包括己二腈浓度(ADNcon.wt.%),温度(Tem.℃),时间(T.h),添加物百分比(reactant/additive,wt./wt.%),添加物种类(A.),压力(P.,MPa),各实验参数对各产物产率的影响运用直观分析和方差分析两种方法进

7、行分析。结果显示,在置信度P＜0.05时,ADNcon.和Tem.对己二酰胺、5-酰胺基戊酸、己二酸的影响较大;在置信度P＜0.05,T.是影响5-氰基戊酸产率的主要因素;在置信度P＜0.1时,ADNcon.的变化对5-氰基戊酰胺的产率影响较大。最后,根据正交试验方法优化所得到的优化参数进行了5个补充实验,结果显示,5个实验中每种产物的最高产率比正交试验方法优化所得到最高产率高,从而证明了正交试验方法的可靠性。实验过程中用碳守恒去衡