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3-丁烯腈在盐酸催化剂溶液中的水解动力学研究
3-丁烯酸,又名乙烯基乙酸,分子式C4H6O2,同时具有双键和羧基,可以作为很好的化工原料和有机中间体,被广泛用于药物、树脂原装德国进口固化剂N75、杀菌剂、表面涂料和增塑剂等方面。随着市场对3-丁烯酸的需求越来越大,3-丁烯酸的合成方法也越来越多,主要包括钯催化合成法、电合成法以及腈水解法等,但这些方法存在反应条件苛刻、产品收率低等一定的局限性。酸或碱催化腈水解是最常用的制备有机羧酸的方法,早在1944年Edward Rietz 就提出了酸催化条件下3-丁烯腈水解制备3-丁烯酸的方法,此方法反应时间较短且反应碳黑条件简单,产品收率和选择性相比其他方法也相当不错。本研究通过对盐酸催化条件3-丁烯腈水解工艺条件的分析,研究3-丁烯腈在盐酸催化条件下水解反应动力学,为3-丁烯酸的工业化生产提供参考依据。
实验部分
1.1 试验原料
浓盐酸,分析纯;3-丁烯腈(C4H5N)、3-丁烯酰胺(C4H7ON)以及3-丁烯酸,自制(质量分数≥99%);乙醚,乙醇,去离子水等。
1.2 实验装置及操作
反应装置主体为500 mL 玻璃烧瓶(包括取样口和搅拌装置等),配以玻璃球形冷凝管以及油浴等仪器。装置的使用温度在200 ℃以内,常压下进行。
实验过程如下:首先对反应仪器进行洗涤(用水和乙醇各洗涤3次)和干燥,然后按规定比例加入所需反应物质,其中V(乙醇):V(水)=1:1;冷凝管中通入冷却水,把油浴升到相应的温度并开始搅拌(转速150 r/min),随着反应的进行,每隔一段时间对反应液进行取样,处理后进行分析。反应一段时间后可能会有白色晶体析出(盐酸含量较大时),且冷凝管中出现液体回流。
3-丁烯腈水解反应式:
取样采用1.0mL的移液管。取样时先打开取样口,然后迅速移取1.0mL的液体,放入小试管中待分析。
1.3 分析方法
水解产物分析采用7890F气相色谱仪(GC),定性分析和标准样品对照定性,定量分析用外标法(即标准曲线法)。色谱柱为毛细管柱,FID检测器,分流进样器,柱温100 ℃,进样温度150 ℃、检测温度180 ℃、总体积流量3.4mL/min、进样量0.5μL。
2 结果与讨论
3-丁烯腈初始含量对水解反应的影响在温度为353.15 K、盐酸浓度为5.0mol/L的条件下,试验了3-丁烯腈初始浓度(0.2~0.6 mol/L)对水解反应的影响,结果如图1所示。
从图1可见,3-丁烯腈的初始浓度对其水解反应的转化率影响较小。因此,以后的试验中,3-丁烯腈的初始浓度选定为0.5mol/L。
从图2可见,盐酸浓度对3-丁烯酰胺的水解反应有较大的影响: 当盐酸浓度小于5.0 mol/L 时,随着盐酸浓度的增大,3-丁烯酰胺水解速率随之增加;但盐酸浓度大于5.0 mol/L 时,随着盐酸浓度的增大,3-丁烯酰胺水解速率开始降低。
比较图2和图3可知,2者相应的曲线较为吻合,说明3-丁烯酰胺水解生成3-丁烯酸具有很高的选择性,3-丁烯酰胺的水解反应中几乎没有其他副产物的产生。
温度对3-丁烯酰胺水解反应的影响在常压、3-丁烯酰胺初始浓度为0.50 mol/L、盐酸浓度5.0mol/L 条件下,试验了不同反应温度下对3-丁烯酰胺水解反应的影响,3-丁烯酰胺的转化率同样随着温度的升高而增大,温度为333.15K时,反应60min时,3-丁烯酰胺的转化率76%;而温度为373.15K时,反应在30min时3-丁烯酰胺的转化率已达盐酸浓度对3-丁烯酸收率的影响。3-丁烯酰胺的转化曲线与3-丁烯酸的收率曲线较为吻合,则说明3-丁烯酸在盐酸溶液中有很好的稳定性。但并不是温度越高越好,当温度为373.15K时,在产物中发现了2-丁烯酸等副产物的产生。
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