超临界CO中水杨酸(钠)的制备研究

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超临界CO2作为替代溶剂和反应介质已在萃取分离和化学反应中得到了成功的应用。另外,作为主要的温室气体之一,CO2的固定与资源化利用已得到国内外的广泛重视。研究超临界CO2参与的有机合成反应(CO2既作为反应溶剂,又作为反应物),既可拓展CO2资源化利用的可行途径,又是绿色合成的发展方向。
   本文综述了CO2的综合利用情况和水杨酸的生产现状,重点阐述国内外基于超临界流体反应的CO2资源化利用进展,并在此基础上开展了超临界CO2中的羧基化反应--水杨酸(钠)的制备研究。
   实验以自制的酚钠为原料,在超临界CO2中合成水杨酸钠。考察了酚钠的不同制备条件对水杨酸钠收率的影响;并在反应温度105℃~180℃、反应时间0.5 h~4 h、反应压力2 MPa~13 MPa的条件下,对酚钠在超临界CO2中的羧基化反应进行了研究。结果表明:酚钠制备的理想摩尔配比(苯酚/氢氧化钠)和温度分别为1.05、75~85℃;羧基化产物主要为水杨酸钠,选择性较高;产物水杨酸钠的收率随反应温度、压力的升高先升高后下降,随反应时间的延长先升高后趋于平衡,最后略有下降。在反应温度150℃、反应时间2 h、反应压力8 MPa的条件下,水杨酸钠收率最高可达54.6%。通过分析羧基化产物,提出了可能的反应机理。对反应动力学的研究最终得出该反应的活化能为:34.8 kJ·mol-1。
   实验筛选确定以K2CO3为催化剂,苯酚为原料,将超临界CO2改进传统的两步合成方法(Kolbe-Schmitt法)为一步,直接合成水杨酸。在反应温度160℃~220℃、反应压力4 MPa~12 MPa、催化剂相对投加量nK2CO3/nphenol=0.25~1.5、反应时间1 h~10 h的条件下对苯酚在超临界CO2中的羧基化反应进行了研究。结果表明:羧基化产物主要为水杨酸,选择性较高,副产物有极少量对羟基苯甲酸;主产物水杨酸的收率随反应温度、压力的升高先升高后下降,随催化剂投加量、反应时间的延长先升高后趋于平衡。较为理想的反应条件为:反应温度190℃,反应压力8 MPa,反应时间3~5 h,催化剂用量5 mmol(nK2CO3/nphenol=1/2),此时收率为46.6~51.2%。通过对羧基化产物的分析,提出了可能的反应机理。反应动力学的研究最终得出该反应的活化能为:24.8 kJ·mol-1。
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