研究背景
碳酸甘油酯(2,4 -羥甲基-2-氧-1,3-二氧戊環(huán))是一種可生物降解、無毒、不易燃、低蒸汽壓的水溶性液體。它具有廣泛的應用,包括作為制備商業(yè)化學品和聚合物的分子砌塊、作為有機溶劑、作為電池中電解質(zhì)的載體以及化妝品、個人護理和保健品中的添加劑和保濕劑。從環(huán)境和經(jīng)濟角度來看,碳酸甘油酯是甘油生物煉制中非常具有吸引力的目標產(chǎn)品之一。
制備過程
從甘油直接制備碳酸甘油酯的方式,包括光氣化、CO/O2氧化羰基化、CO2羧化、尿素甘油裂解以及與二烷基或烯化碳酸酯的酯交換(圖1)。甘油(1)和有機碳酸酯之間的酯交換反應,如碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯或碳酸二甲酯受到了極大的關注。
圖1. 甘油轉(zhuǎn)化為甘油碳酸酯的合成方法
康寧歐洲認證實驗室、列日大學綜合技術與有機合成中心(CiTOS)J.-C. M. Monbaliu教授利用微通道反應器,開發(fā)了將甘油轉(zhuǎn)化為碳酸甘油酯的無溶劑和無金屬并且可擴大的連續(xù)流綠色生產(chǎn)工藝。
工藝研究
1. 新工藝初步探索
J.-C. M. Monbaliu教授利用T型混合器和PFA線圈及背壓閥制成的模塊化連續(xù)流動組件進行初步工藝探索。
圖2. 甘油碳酸酯化均相體系的連續(xù)流工藝流程圖
研究結(jié)果顯示:
選擇已知的甘油碳酸酯化有機堿DBU作為基準催化劑,反應主要產(chǎn)物為碳酸甘油酯(2),副產(chǎn)為碳酸甲酯((2-氧代-1,3-二氧戊環(huán)-4-基)甲基)(3);
DMC/甘油摩爾比為3:1,催化劑為1mol %,反應時間為2min,碳酸甘油酯(2) 具有較高的轉(zhuǎn)化率(89%)和選擇性(79%);
DBU的催化負載評估發(fā)現(xiàn),催化劑用量對轉(zhuǎn)化率和選擇性都有重要影響,從0.1mol%增加到1mol%,轉(zhuǎn)化率從43%增加到89%,但選擇性在79-87%范圍內(nèi)下降;
在連續(xù)流工藝(135°C, 2 min, 3eq. DMC) 條件下,對有機超堿催化劑庫(圖3,表1) 進行篩選。1mol%的催化劑用量對反應轉(zhuǎn)化率/選擇性具有最佳的平衡;
巴頓堿(Entry 5)和磷腈類堿(Entry9-13)獲得了很好的結(jié)果,使甘油轉(zhuǎn)化率在93-97%范圍,碳酸甘油酯(2)的選擇性在80-87%范圍。巴頓堿是非常有效的有機催化劑,碳酸甘油酯的產(chǎn)率最高(87%)。
圖3. 用于篩選甘油碳酸酯化的有機堿的結(jié)構
表1. 有機堿作為催化劑的實驗結(jié)果
2. 康寧雜化反應器連續(xù)流工藝驗證
康寧不同規(guī)格的微通道反應器可以混合使用,快速進行工藝研究及放大。作者利用康寧實驗室規(guī)模G1反應器和康寧低流量(LF)反應器(持液體積為13.5 mL)進行連續(xù)流工藝驗證:
預熱至50℃的甘油以流速為1.45mL/min(1eq.)輸送進入康寧G1 反應模塊;
0.041M DBU/DMC溶液以流速為5.05 mL/min(1mol% DBU, 3 eq. DMC);
兩種流體都在康寧反應器的第一個流體模塊內(nèi)混合,后續(xù)4個串聯(lián)的玻璃模塊用于延長反應停留時間,反應溫度設定為135°C;
反應器的出口裝有Zaiput BPR-10背壓調(diào)節(jié)器,設置為7bar;
反應穩(wěn)定后收集的反應液用飽和NH4Cl水溶液淬滅,樣品用乙醇稀釋,并用GC/FID分析。原料轉(zhuǎn)化率為93%,碳酸甘油酯收率為74%,選擇性為79%。
圖4. 康寧G1-LF反應器合成碳酸甘油酯
3. 放大驗證
利用康寧中試規(guī)模G1-5FM反應器(持液體積為41 mL)進行產(chǎn)能放大驗證:
采用上述相同的工藝參數(shù)(135°C, 7 bar, 2 min, 1 mol% DBU, 3eq. DMC),收集穩(wěn)定工藝樣品經(jīng)處理后進行GC/FID分析,此時轉(zhuǎn)化率98%,碳酸甘油酯選擇性為80%,碳酸甘油產(chǎn)量為68.3摩爾/天(約8公斤/天);
結(jié)果一致,無需重新優(yōu)化。
4. 底物范圍擴展
作者將該連續(xù)工藝擴展到其它液態(tài)的1,2-二醇(4a-h,Table 2)。其中二醇4a, b, d和f具有與甘油1相似的空間和電子特征,在條件A下與DMC進行酯交換,轉(zhuǎn)化率在82-96%范圍內(nèi),對相應的碳酸酯5a, b, d和f的選擇性在79-85%范圍內(nèi)(Table 2, Entry 2,3,5和7)。
表2. 條件A: 135°C,停留時間2分鐘,1 mol%催化劑,7 bar;條件B: 160°C,停留時間4分鐘,2 mol%催化劑,7 bar;條件C: 180°C,停留時間8分鐘,2 mol%催化劑,11 bar;a轉(zhuǎn)化率和收率由GC/FID測定。b收率,以均三甲苯為內(nèi)標,用高場1H-NMR測定。c轉(zhuǎn)化用GC/FID測定,收率以均三甲苯為內(nèi)標,用高場1H-NMR測定。
圖5. 在線核磁共振光譜儀進行在線實時監(jiān)測
圖5顯示了在線核磁共振優(yōu)化的一個實例,2,3-丁二醇(4c)到5c碳酸酯化過程的代表性核磁譜圖,通過比較4c (0.6 ppm,淺灰色)和5c (1ppm,深灰色)的特征信號的相對強度來對反應進行定性評估。
研究還發(fā)現(xiàn):
對于一些空間位阻較大的或特定結(jié)構特征的二元醇,在條件A下的轉(zhuǎn)化率較低,需要重新優(yōu)化;
一些底物如二醇4e, g和h需要160°C和更長的停留時間(4分鐘),使用2mol%的催化劑才能使相對應的碳酸酯5e, g和h獲得63-96%的轉(zhuǎn)化率和87-91%選擇性范圍;
而底物4c的要求更高,需要在180°C和2 mol%巴頓堿的條件下停留時間8min才能獲得72%的收率;
作者利用Magritek®的43MHz 在線核磁共振光譜儀進行在線實時監(jiān)測,快速提升重新優(yōu)化效率。
研究小結(jié)
作者成功開發(fā)了一種用于碳酸二甲酯與1,2-二醇的酯交換的無溶劑有機催化連續(xù)流工藝;
2-叔丁基-1,1,3,3-四甲基胍(巴頓堿)被認為是非常有效的有機催化劑,在最佳條件下可以獲得94%甘油轉(zhuǎn)化率和碳酸甘油酯87%選擇性;
康寧不同規(guī)格的微通道反應器可以混合使用,快速進行了工藝放大可行性驗證;
在G1反應器中可以實現(xiàn)產(chǎn)能為68.3mol/d(約8kg/d),從工業(yè)角度來看是非常具有價值的工藝;
在線NMR有效地提升了優(yōu)化分析效率。
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