1、66 精细石油化工 SPECIALITY PETR0CHEMICALS 第25卷第6期 2008年11月 苯酚与碳酸二甲酯合成碳酸二苯酯 催化剂的研究进展 李志会 齐旭东 王延吉 (1河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401;2河北工业大学化工学院,天津300130) 摘要:介绍了苯酚与碳酸二甲酯合成碳酸二苯酯的反应原理和热力学,综述了该反应催化剂的研究进展和发 展前景,认为新型高效均相催化剂的开发、传统均相催化剂的改造(加入助剂或与其他催化剂复配)、多相催化 剂活性和稳定性的进一步提高将是今后碳酸二苯酯合成中研究的重点。 关键词:碳酸二甲酯碳酸二苯酯热力学 均相催化剂 多相催化剂 中
2、图分类号:TQ22552 文献标识码:A 碳酸二苯酯(DPC)是一种多功能化工中间 体,不仅广泛应用于塑料工业、溶剂、增塑剂、医 药、农药等领域,而且是清洁生产聚碳酸酯 (PC)口 的主要原料。DPC的合成方法主要有光 气法、酯交换法和苯酚氧化羰基化法。光气法由 于存在环境问题而逐渐被淘汰;苯酚氧化羰基化 法由于使用的催化剂昂贵且催化效率不高,尚未 见工业化报道;苯酚与碳酸二甲酯(DMC)酯交换 合成DPC具有产品质量高、技术经济性好、符合 绿色化工发展趋势等优点,因此被认为是目前合 成DPC的适宜方法。笔者对苯酚与DMC酯交 换合成DPC催化剂的研究进展进行了综述。 1合成原理 苯酚与DMC
3、酯交换合成DPC是一个两步 可逆反应,总的反应方程式见式(1),具体过程见 式(2)式(4)。苯酚先与DMC酯交换生成甲基 苯基碳酸酯(MPC),MPC进一步与苯酚酯交换 生成DPC,两步反应中都生成副产物甲醇。DPC 收稿日期:2008一O625;修改稿收到日期:20081O一21。 作者简介:李志会(1981一),女,硕士,助教,主要从事绿色 化工方面的研究。Email:lizhihui425hebuteducn。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20636030),天津市 自然科学基金资助项目(003801211)。 SYNTHESIS OF ACETYLSALICYLIC ACID
4、 CATALYZED BY Soj一SILINAITE Liu Dabo and Qiu Zumin。 (1School of Science,Nanchang University,Nanchang 330031,Jiangxi,China; 2School of Environmental Science and Engineering, Nanchang University,Nanchang 330031,Jiangxi,China) Abstract:A solid superacid catalyst,SO:Silinaite,was prepared by an impregna
5、tion methodThe optimum preparation conditions for the catalyst preparation were found as follows:025 molL of H2 SO4,impregnation time 2 h,and calcination at 450for 3 hThe optimum reaction conditions for the synthesis of acetylsalicylic acid were found as follows:molar ratio of salicylic acid to acet
6、ic an hydride 1:2,15 catalyst based on salicylic acid,reaction temperature 7 5and reaction time 1 5 minUnder these conditions,the yield of acetylsalicylic acid is 834 ,and the catalyst can be used twice Key words:salicylic acid;acetic anhydride;acetylsalicylic acid;solid super acid;silinaite 第25卷第6期
7、 李志会,等苯酚与碳酸二甲酯合成碳酸二苯酯催化剂的研究进展 67 也司由MPC自身歧化反应生成,同时副产与 DPC等物质的量的DMC。该反应进行时,体系 中还存在一个主要的副反应(5)。 0 CH。C -OCH。+2 。H一 3 3+、 OH O c +2CH3OH 0 CH。c卜L 。+ N-oH一 30一c一0CH3+ = cH。c卜 c +CH 3OH cH。c卜 + 。H一 c卜 c q-CH3OH 2CH。一- c 一 3oc() = 。-一c c + o- 。cH。 CH。(A-C“OCH。+ 。H一 3 3+ 、 一OH 一OCHs+c0z+cH。OH cs 2热力学分析 一般认
8、为,苯酚与DMC酯交换合成DPC是 受热力学限制的反应,平衡常数较小。 Mei F M_2在298523 K计算了反应(1)和 反应(5)的热力学性质,前者在453 K时平衡常数 最大为4O10一;后者在考察的温度范围内为 吸热反应,随温度升高,平衡常数不断增大,而且 比主反应的平衡常数大很多。换言之,对于苯酚 与DMC酯交换合成DPC而言,主反应在热力学 上不利,而副反应在热力学上有利。 邢爱华等口 计算了反应(1)反应(5)的反应 焓变、反应熵变、吉布斯自由能变及平衡常数。发 现苯酚与DMC酯交换合成DPC的各步反应均 为吸热反应,升高温度有利于提高DPC收率。在 100 kPa、3734
9、73 K,酯交换反应的 G_Jm为正 值,平衡常数很小;而副反应的rG 为负值,可 自发进行,且平衡常数很大。热力学分析还表明, MPC与苯酚酯交换合成DPC的 G_Jm为正值,为 非自发过程;而MPC歧化生成DPC的A G。m为 负值,为自发过程,而且歧化反应的平衡常数远大 于MPC与苯酚进一步酯交换反应的平衡常数。 潘发勇l_4 也对苯酚与DMC酯交换合成DPC 的3个主反应(2)(4)进行了系统的热力学分 析,认为在直接生成DPC的2个竞争反应中, MPC歧化反应的进行占主导优势,即DPC主要 是通过MPC歧化反应得到的。 综上可见,苯酚与DMC酯交换合成DPC在 热力学上是不利的,因此
10、,为提高DPC的收率和 选择性,应对反应的催化剂体系进行研究,筛选具 有高活性、高选择性的催化剂。 3催化剂体系 苯酚与DMC酯交换合成DPC的催化剂可 分为均相催化剂和多相催化剂两大类。均相催化 剂活性高、选择性好、原子利用率高、反应条件温 和,但催化剂与产物的分离困难;多相催化剂活性 和选择性一般不如均相催化剂,但其操作简单、接 触面积大、容易与产品分离。总体上看,两者各有 其优缺点。 31均相催化剂 311钛、锡的金属有机化合物 苯酚与DMC酯交换合成DPC的均相催化 剂最早为碱或碱金属化合物以及路易斯酸的金属 化合物,这两类催化剂活性和选择性较低,并且对 反应器具有腐蚀性,从而给工业化
11、应用带来一定 困难。目前应用较多的主要是钛、锡的金属有机 化合物, Bu2SnOE 和Ti(OC H。) E63是其中效 果较好、研究比较成熟的两种。近年来,关于钛、 锡金属有机化合物催化剂的研究动向主要集中在 两个方面:新型高效催化剂的开发;加入助剂或与 其他催化剂复配,使传统催化剂性能得以改善。 Niu H Y7 首次将二氯二茂钛(Cp TiC1 )用 于酯交换合成DPC的反应,与Ti(OC H。) 相 比,该催化剂在空气中更为稳定,从而更有利于工 业化。当n(苯酚): (DMC)=1:1,催化剂用 量为05 (与苯酚的摩尔比)时,苯酚转化率为 468 ,DPC、MPC的选择性分别为549
12、 和 344 。进一步考察了不同种类的茂钛类化合物 催化剂对该反应的影响_8,结果发现,位阻效应越 小,环戊二烯环的电子分散效应越大,与中心钛原 子相连的取代基的吸电子效应越强,越有利于反 应的进行。 Lee等 发现在磺酸的促进下,Bu SnO的催 化活性有明显提高,其中,以对甲基苯磺酸的效果 68 精细石油化工 2008年11月 最好。在12(苯酚):7“(DMC)一5:1,7z(Bu2SnO) : (p-CH。C H SO。H)一1:1,以苯为溶剂时, DMC转化率为604 ,DPC、MPC的产率分别 为2O8 96和394 。Du Z Pl10_以 一BuSn(O) OH为催化剂,Cu。
13、O、CuX(XC1、Br、I)为助剂, 酯交换反应合成DPC。结果发现,nBuSn(O) OH和CuI组成的催化系统具有最好的催化活 性,当nBuSn(O)OH和CuI摩尔比1:1,催化 剂用量0005(与DMC摩尔比),DMC和苯酚摩 尔比为2:1时,苯酚转化率为672 ,MPC和 DPC选择性分别为402 和596 。Du Z P_1 研究发现,苯酚与DMC酯交换合成DPC是一个 硬酸软碱催化的反应,硬酸有利于酯交换反应的 进行。在实验所选的几种硬酸中,Bu。SnO表现 出最好的反应活性。由硬酸Bu。SnO和软碱 Cu。O组成的酸碱复合物作催化剂时,DMC转化 率为508 ,酯交换反应选择
14、性为999 。通过 研究机理发现,酸碱复合物中碱的性能能够影响 反应活性和选择性。Cu O是弱碱,没有影响酯 交换反应选择性,并且还提高了Bu SnO的活性; 而CaO是强碱,所以酯交换选择性很低,可以通 过降低CaO和Bu。SnO的摩尔比来提高。 312衫的化合物 Mei F M1 报道了一种新型催化剂三氟 甲基磺酸衫,在n(苯酚): (DMC)一4:l, (催 化剂): (DMC)一1:70时,DMC转化率为 344 ,DPC、MPC的产率分别为311、21 。 与其他催化剂相比,该催化剂最大的优势在于对 水和空气稳定,可以循环使用而活性没有明显下 降。Niu等口 将SmI 用作酯交换合成
15、DPC的 催化剂。在 (苯酚):n(DMC)一1:1,催化剂用 量为02 (与苯酚摩尔比)的条件下,DMC转化 率为528 ,MPC和DPC的产率分别为265 和228 96。SmI 容易获得,预处理简单,是一种 很有工业前景的酯交换反应催化剂。 当前,关于均相催化剂的研究很活跃,各种新 型高效均相催化剂不断被开发出来。与多相催化 剂相比,均相催化剂虽然有更高的反应活性,然而 催化剂的分离回收和循环利用仍是限制其应用的 关键所在。 32多相催化剂 321负载型催化剂 负载型催化剂所用载体一般为微孔性的 SiO2。MoO3SiO2、TiO2sio2 E15,16和 Bu snOsiO 1 等均具
16、有较好的酯交换反应活 性。 韩华俊等口 制备的杂多酸化合物Cu。 2PMo O 。SiO 对苯酚与DMC酯交换合成 DPC也表现出较好的活性。在175、8 h时, 400焙烧的Cu。2PMo 2 O 。siO2上MPC和 DPC的总收率为25 ,选择性为992 。他们 还对磷钼酸(MPA)和各种磷钼酸盐的催化性能 进行了考察,结果发现,MPASiO 】 是一种有效 的多相催化剂,当MPA和SiO。的质量比为5:1 时,MPC和DPC的总收率和选择性分别为 247 和99 。在考察的各种磷钼酸盐中,锌盐 (ZnPMo)E203的催化活性最好,在最优条件下,苯 酚转化率为31 ,MPC和DPC的选
17、择性分别为 29 和661。李振环等 研究发现,催化剂孔 径大小对酯交换反应选择性有较大影响,介孔催 化剂有利于生成DPC,而微孔催化剂则有利于生 成MPC和苯甲醚。以V O siO 为催化剂考察 了不同因素对酯交换反应的影响,当V O 的负 载量40 (质量分数),苯酚与DMC摩尔比10:1 时,DPC的收率为257 ,选择性为606 。 322分子筛催化剂 分子筛催化剂一般具有B酸和L酸酸位,可 以根据反应需求通过多种手段调整分子筛的结 构、酸强度和酸度等;分子筛容易与体系分离,为 工业化应用带来极大的便利。 张术栋等_2 用HJ3分子筛与TiC1 进行气固 相同晶取代反应合成载钛的J3分
18、子筛,并考察了 分子筛骨架中钛的酯交换反应性能。研究表明, 在1 tool反应物中TiJ3分子筛用量为5 g, (DMC):n(苯酚)一1时,MPC和DPC的总收率 最大,为lO8 ,并确定分子筛骨架中四配位的 钛为酯交换反应的活性中心。潘发勇等2 3_分别 考察了TS一1、HZSM-5、Hl3分子筛的催化活性, 结果发现,TS-1作催化剂时,副产物苯甲醚的选 择性相对较低。NH。一TPD表征结果表明,苯甲 醚的选择性与分子筛中强酸中心有关,酸性越强, 苯甲醚选择性越高。罗淑文等 以水热合成法 制备了杂原子介孔分子筛MeHMS(Me指金属 杂原子),用于催化苯酚与DMC酯交换合成DPC 的反应
19、。小角度的X射线衍射显示,所有样品均 具有典型的HMS介孔结构。其中TiHMs显示 第25卷第6期 李志会,等苯酚与碳酸二甲酯合成碳酸二苯酯催化剂的研究进展 69 出最好的酯交换反应性能,其活性与骨架钛含量 密切相关,当溶胶中TiSi比达130时,骨架钛 趋于饱和,苯酚转化率达到最大值314 ,酯交 换选择性为999 。 323水滑石 近年来,由于水滑石在许多反应中都表现出 优良的催化性能,因而越来越受到人们的重视。 王庶等_2 考察了5种不同阳离子组合的类 水滑石的酯交换反应活性。结果发现,当苯酚与 DMC的摩尔比2:l,催化剂的质量分数为原料 总质量的1 时,MgA1水滑石具有最优的催化
20、性能,DMC转化率为518 ,MPC和DPC总选 择性为942 。MgA1水滑石重复使用5次,活 性变化不大,具有较好的稳定性。 MgAl水滑石虽然有较高的催化活性,但产 物中苯甲醚的含量较高,而且催化剂的碱性能促 进苯甲醚的生成,这是产物选择性降低的重要原 因。为了改善水滑石在酯交换反应中的选择性, 黄金明等 。 又考察了6种不同的有机酸阴离子 柱撑水滑石的酯交换反应性能,结果发现,己二酸 和苯甲酸柱撑水滑石不仅具有较高的催化活性, 而且有较好的选择性,当苯酚与DMC的摩尔比 4:1,催化剂的质量分数为原料总质量的15 时,DMC转化率分别达438 96和410 ,MPC 和DPC的总选择性
21、分别为932 和912 。 324金属氧化物催化剂 周炜清等_2 制备了新型高效PbOZnO复合 金属氧化物催化剂,通过对催化剂表面结构的表 征及催化性能的研究发现,Pb。o 是主活性物相, ZnO为助催化剂,并以非晶态或微晶态存在于催 化剂体系中。当焙烧温度500, (Pb): n(Zn)一2:1时,催化剂的活性最高,此时DPC 产率可达456 。但在对催化剂的重复使用效 果进行考察时发现,由于活性组分Pb。O 的消 失,导致该催化剂在经第一次重复使用后活性下 降了近一半,其后下降趋势变缓。可见,PbO ZnO复合金属氧化物具有很好的酯交换反应活 性,如能解决失活问题,提高其稳定性和寿命,该
22、 催化剂将有很广阔的工业化前景。 Cao M_2。研究了经氧气处理的PbOMgO 负载金属氧化物的酯交换反应活性,结果表明,以 浸渍法制备的含PbO 10 (质量分数)的氧气处 理的PbOMgO为催化剂,180反应,MPC和 DPC的收率分别为100 和266 。将重复使 用的催化剂在460通氧气处理4 h后,催化性 能基本没有下降,MPC和DPC的收率分别为 57 和271。 言浩等 制备了一系列固体催化剂用于苯 酚与DMC酯交换合成DPC的反应,其中铅镱复 合氧化物具有较好的酯交换反应活性,并且能多 次回收使用。选择铅镱物质的量比为2:1,700 下焙烧的催化剂,在n(苯酚): (DMC)
23、:2: 1,170、反应16 h时,DMC转化率569 , DPC产率171 ,MPC产率332 。该催化剂 多次回收使用后仍有较好的活性。 童东绅等 叩采用共沉淀法制备了一种用于 苯酚与DMC酯交换合成DPC的新型钒一铜复合 氧化物催化剂。在焙烧温度550, (V):n (cu)一4:1条件下制得的催化剂活性最高,该催 化剂上苯酚的转化率为370 ,MPC、DPC的总 选择性为968 。由X射线衍射表征结果可知, 该催化剂的物相组成为V。O 和CuV。O 。催化 剂使用3次后苯酚转化率从370 降至237 , 多次重复使用后的催化剂在空气气氛中焙烧即可 再生,再生催化剂的催化性能几乎和新鲜催
24、化剂 相当,其苯酚转化率达362 。 4 结 语 苯酚与DMC酯交换合成DPC,以“绿色化学 品”DMC代替剧毒光气,减少了环境污染,符合绿 色化工的发展趋势,并且操作简单易行,具有广阔 的工业化前景。当前,国内关于苯酚与DMC酯 交换合成DPC的研究很活跃,由于该反应是受热 力学限制的反应,平衡常数较小,所以,研究工作 的重点主要是开发和筛选具有工业化价值的催化 剂,大体包括以下几点: 1)新型、高效均相催化剂的开发。目前采用 的均相催化剂主要是钛、锡的金属有机化合物,但 近年来,均相催化剂种类有很大发展,不仅新型 钛、锡金属有机化合物如二氯二茂钛(Cp TiC1 )、 一BuSn(O)OH
25、等被开发出来,而且金属种类也 不再局限于钛、锡两种,三氟甲基磺酸衫、SmI 等 衫的化合物相继出现,这些催化剂不仅具有较高 的活性,而且价廉易得、有较好的稳定性。 2)对传统催化剂进行改造,通过加入助剂或 与其他催化剂复配来进一步提高其催化性能。如 Bu。SnO与对甲基苯磺酸复配; 一BuSn(O)OH为 7O 精细石油化工 2008年11月 催化剂、CuI为助剂组成复合催化剂;硬酸 Bu SnO和软碱Cu。O组成的酸碱复合物催化剂 以及钛、锡的复配等。通过复配改变催化剂的电 负性或酸碱性,发挥催化剂的协同作用,使传统催 化剂性能得以改善。 3)多相催化剂在分离、再生和循环利用方面 有很大优势
26、,制约多相催化剂发展的瓶颈主要是 活性较均相催化剂低、容易失活的问题,因此,如 何进一步提高多相催化剂的活性和稳定性将是今 后DPC合成中研究的重点之一。 参 考 文 献 1 岳晓东,何良年聚碳酸酯的绿色合成工艺研究进展J化学 研究,2005,16(3):9498 2 Mei F M,Li G XThe thermodynamic properties and homo geneous catalysts for the synthesis of diphenyl carbonate by transesterification of dimethyl carbonate with pheno
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39、eering and Technology, Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China) Abstract:The reaction principles and thermodynamics for the synthesis of diphenyl carbonate from phenol and dimethyl carbonate and the research、progresses of catalysts Were reviewedIt is suggested that the development of new
40、 types of homogeneous catalysts with high efficiency,the modification of traditional homogeneous catalysts with addition of promoters or combination with other catalysts,and improvement of the activity and stability of heterogeneous catalysts are the focus for the synthesis of diphenyl carbonate Key
41、 words:dimethyl carbonate;diphenyl carbonate;thermodynamics;homogeneous catalysts;heter ogeneous catalysts 化工设计)2009年征订启事 化工设计是国家科委批准的全国化工设计行业国家级科技刊物。由中国成达工程公司(化工部第八设计 院)、中国石油和化工勘察设计协会联合主办,34个部、省级设计单位协办 国内外公开发行,国际标准连续出版物 号:ISSN10076247;国内统一连续出版物号:CN511355TQ。本刊坚持理论与实践相结合,以实用为主的办刊 方针,特点是技术与管理并重。化工设计是发
42、布化工行业化工设计标准局部修改条文的指定刊物,也是建设部 等发布化工行业标准的刊物。本刊获全国化工优秀信息成果二等奖,已入编中国学术期刊(光盘版),万方数据 一一数字化期刊和中文科技期刊数据库,是中国科学引文数据库来源期刊,中国学术期刊综合评价数据库统计源 期刊、中国期刊全文数据库收录期刊。并参加中国化工信息中心计算机网络与四川省期刊网络而进入国际互联 网。 报道内容:国家有关基本建设和设计工作的方针政策;石油、化工、医药、橡胶等行业各设计专业的设计技术, 技术开发、科研、施工及生产中的经验、成果与国内外发展情况;工程总承包、设计体制改革与国外合作设计的经 验;加强设计管理和项目管理、提高设计
43、质量的经验,以及工矿企业生产技术改造与四新成果等。 主要栏目:综述评论、设计技术、技术开发、设计管理、计算机应用、设计体制改革、环境保护、技术经济与市场、 技术改造、国外化工、问题讨论、产品介绍、标准信息与消息报道。 订阅办法:本刊为双月刊,每本定价1O元,年定价6O元(含邮资费)。老订户由本部随刊物寄订单。新订户可 来函、来电向编辑部索取订单;也可在全国非邮发报刊联合征订服务部的联订目录订单上订阅;或直接邮汇、银 行汇款订阅。 主办:中国成达工程公司 中国石油和化工勘察设计协会 编辑出版发行:化工设计编辑部 地址:四川I省成都市天府大道中段279号成达大厦 邮政编码:610041 电话:(028)65530546 65531343 65531309 传真:(028)65530001 Email:cuiruochunchengdacorn,xizhengtaichengdacorn,lijianchunchengdaCOF1 广告经营许可证:51010334000096