C25沸石分子篩催化合成2-乙酰噻吩連續(xù)反應

酆月飛，曾愛武

（天津大學化工學院化學工程聯(lián)合國家重點實驗室，天津 300072）

2-乙酰噻吩是一種噻吩衍生物，是重要的醫(yī)藥中間體，用于制造鹽酸度洛西汀、茚地普隆和噻洛芬酸等藥物[1]。并且是合成 2-噻吩乙酸必不可少的原料，由于2-噻吩乙酸的廣泛應用，使得2-乙酰噻吩具有很大的市場需求量[2]。

目前，關于2-乙酰噻吩的合成已有較多的研究報道，由傳統(tǒng)型催化劑磷酸[3]、四氯化錫[4]到新型環(huán)境友好型固體酸催化劑磷鎢酸[5]、HZSM-5[6]、Sc(OTf )3[7]、C25[8]，已逐步克服了設備腐蝕、環(huán)境污染、催化劑用量大等缺點。但現(xiàn)有的噻吩酰化研究均采用間歇式催化反應體系，如能實現(xiàn)在固定床上的連續(xù)流動反應，則可以實現(xiàn)連續(xù)化生產，進一步提高生產效率及經濟效益，因此，噻吩酰化連續(xù)反應的研究具有重要的理論意義和應用價值。

本實驗以新型 C25沸石分子篩為催化劑[8]，噻吩和乙酸酐為原料在滴流床反應器中合成2-乙酰噻吩，通過連續(xù)實驗考察了不同反應溫度、原料配比、進料流量以及乙酸作為溶劑時的加入量對液相噻吩酰基化反應的影響，探究反應的最佳條件，為連續(xù)工業(yè)化生產2-乙酰噻吩提供了指導。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

實驗所用原料有噻吩、乙酸酐、乙酸等，均為分析純，由天津市江天化工技術有限公司提供；自制C25催化劑。

1.2 催化劑制備與活化

稱取10g自制C25催化劑[8]和3g黏合劑 Al2O3，于燒杯中混合均勻，加入4g質量分數(shù)為10%的硝酸水溶液，再加入4g去離子水，并攪拌均勻，用自制擠條機將分子篩擠壓成直徑為 3mm的圓柱形分子篩，放入馬弗爐中，以10℃/min升溫至120℃，維持2h，再以相同速率升至450℃，焙燒5h，自由降至100℃以下時，移入干燥器中冷卻至室溫。

1.3 催化劑的表征

13C NMR和27Al NMR通過Varian Infinity plus 300MHz型超導傅里葉變換固體核磁共振波譜儀測得，掃描頻率75.4MHz，脈沖延遲5.0s，轉速4.0kHz，接觸時間1.0ms，接收時間15.0ms。

TG/DTG采用 Perkin Elmer公司的 Diamond TG/DTA熱重分析儀測定，氮氣為載氣，流速30mL/min，升溫至600℃，升溫速率20℃/min。

1.4 Friedel-Crafts酰基化反應過程

液相噻吩Friedel-Crafts酰基化反應過程如下：在高200mm、內徑9mm的滴流床反應器中分別裝填5.0g活化后的C25沸石分子篩催化劑，催化劑床層高度均為190mm，采用超級恒溫水浴控制滴流床反應器溫度。根據反應條件，將一定摩爾比的噻吩試劑與酰化試劑乙酸酐混合均勻后加入 500mL原料瓶中，待溫度達到設定值并維持恒定后，通過高壓恒流泵按一定流量連續(xù)進料，從出料開始每隔2h定時取樣，用氣相色譜進行分析。本實驗規(guī)定當噻吩轉化率降到90%即為催化劑失活，實驗停止。化學反應方程式如式（1）所示。

1.5 分析與測試

反應產物的定量分析采用安捷倫科技有限公司的GC-7890型氣相色譜分析儀，氫火焰離子檢測器（FID），DB-FFAP 毛細管柱φ0.250mm×30m×0.25μm，汽化室溫度 280℃，檢測室溫度 300℃，柱溫為程序升溫，70℃恒溫3min，升溫速度5℃/min升至85℃，保持2min，然后30℃/min升至200℃，保持2min，噻吩的量采用歸一法計算。

2 結果與討論

2.1 正交試驗設計與結果

在大量單因素實驗的基礎上，選擇不同水平的溫度、原料配比和進料流量為影響因素，進行3因素4水平的正交試驗，不考慮因素間的交互作用，選擇L16(4)3正交表進行優(yōu)化實驗，確定噻吩乙酰化的最佳條件。各因素水平表見表1。其中進料流量轉換為體積空時分別為5.75h、4.03h、2.88h、2.01h。

本實驗在反應過程中定時取樣分析，計算噻吩轉化率及2-乙酰噻吩收率，由于副產物3-乙酰噻吩含量極少，可忽略不計，即噻吩轉化率與2-乙酰噻吩收率值基本相等，因此只需考察噻吩轉化率的變化。采用多指標平衡法，取單位催化劑產品量、催化劑壽命、初始轉化率為評價指標進行綜合分析。單位催化劑產品量是指單位質量催化劑反應到噻吩轉化率為90%時2-乙酰噻吩的產量，考察指標越大越好，涉及催化劑的用量、反應成本的問題，是所有指標中最重要的評價指標。催化劑壽命是指反應由開始到結束的時長，使用壽命越長，反應周期越長，可減少催化劑裝卸所耗費的時間，增加產量。反應初始轉化率是反應開始約 2h趨于穩(wěn)定時的轉化率，由于反應轉化率是隨催化劑逐漸失活而不斷減小，因此初始轉化率即為反應最高轉化率，初始轉化率越高，反應越完全，產品收率越高。正交試驗結果見表2。

表1 正交試驗設計

2.2 正交實驗結果分析

2.2.1 溫度的影響

表3給出了正交試驗的極差分析，從表3中可以看出，溫度對這3個指標的極差都不是最大的，即溫度不是最大影響因素。由圖1給出的直觀分析圖可以明顯看出，在不考慮原料配比與進料流量因素影響時，單位催化劑產品量和催化劑壽命隨溫度的變化趨勢完全相同，先升高到70℃后又降低，由于溫度升高，催化劑活性升高，促進反應持續(xù)進行，但溫度過高會使結焦速率相應加快，催化劑失活加快，而50℃相比于60℃稍有增加的趨勢可以理解為催化劑活性雖然降低，但結焦速率降低更加明顯，故催化劑壽命略有增加，盡管如此，但與最優(yōu)值70℃仍相差很大。初始轉化率也隨催化劑活性升高而增大，表現(xiàn)在圖1中的變化趨勢是隨溫度的增大而增大，到80℃時略有減少，但溫度對其影響不是很大，此時初始轉化率的值均在97%以上。綜上，對單位催化劑產品量、催化劑壽命、初始轉化率來講，都在 70℃時取得最優(yōu)值，因此選取 70℃為最佳溫度。

表2 正交試驗結果

表3 正交試驗極差分析

2.2.2 原料配比的影響

通過表3可知，原料配比對單位催化劑產品量和反應初始轉化率的極差都是最大的，也就是說原料配比是影響最大的因素。由圖2可以看出，3個指標對原料配比的變化趨勢都是隨著乙酸酐摩爾比的增大先增大后減小。適當增大乙酸酐摩爾比會使噻吩反應完全，有利于提高催化劑壽命和初始轉化率，原料摩爾比為1∶3時最好，繼續(xù)增大乙酸酐摩爾比，催化劑壽命和初始轉化率不再升高且稍稍下降，說明過多的乙酸酐已經沒有必要，甚至會因為酸酐含量過多發(fā)生多酰基化等副反應，促使催化劑加快失活。而對單位催化劑產品量來講，1∶2的原料配比最優(yōu)，且與其他配比相差較大，若持續(xù)增大乙酸酐摩爾比，原料中關鍵組分噻吩含量減少，即單位時間內產物2-乙酰噻吩含量減少，雖然催化劑壽命有所增加，但產品總量仍然較之前配比有所減少。鑒于原料配比是影響實驗效果的主要因素，3個指標綜合對比考慮，可選取1∶2與1∶3的原料配比進行試驗，比較驗證后再做選擇。

2.2.3 進料流量的影響

表3結果顯示，對于催化劑使用壽命來講極差最大，可見進料流量是催化劑使用壽命的最大影響因素。由圖3可知，催化劑使用壽命隨進料量的減少而延長，0.035mL/min時最長，顯然，進料流量越小，單位時間內處理量越小，催化劑結焦速率相應減緩。而單位催化劑產品量與初始轉化率的變化趨勢均是先增大后減小，進料流量太小，反應容易產生結焦物質并且不易移除，流量太大，原料在床層內停留時間短，反應不夠徹底，單位催化劑產品量與初始轉化率均在0.050mL/min時取得最優(yōu)值。鑒于單位催化劑產品量為最重要指標，且流量太小，單位時間處理量太小，不適合工業(yè)化生產，綜合考慮下取0.050mL/min為最佳進料流量。

綜上所述，確定了噻吩酰化的最佳條件為溫度為70℃，進料流量為0.050mL/min，原料配比選定1∶2與1∶3進行試驗比較。

2.3 驗證試驗

表4給出了在溫度與進料流量相同的情況下，原料噻吩與乙酸酐的摩爾比為1∶3和1∶2時的實驗結果。摩爾比 1∶3的配比時單位質量催化劑 2-乙酰噻吩產量為8.73g，催化劑壽命是2630min，初始轉化率高達99.99%；摩爾比1∶2的原料配比時單位催化劑產品量較 1∶3時增加 22.60%，為10.70g，催化劑壽命較之減少9.32%，為2385min，初始轉化率高達99.95%，接近100%。由于初始轉化率基本相同，催化劑壽命相差不大，單位催化劑產品量差別較大，且為重要評價指標，因此綜合考慮下1∶2摩爾比時條件最佳，并且適當降低乙酸酐摩爾比，也為后續(xù)2-乙酰噻吩精制分離降低能耗、節(jié)約成本。

確定噻吩酰化最佳條件后，進行重復試驗，結果見表5，3個評價指標數(shù)值相近，證明實驗穩(wěn)定性好。

表4 驗證試驗結果

表5 重復試驗結果

2.4 產物乙酸的影響

在 C25催化條件下，固定噻吩與乙酸酐摩爾比為 1∶2，反應溫度為 70℃，進料流量為0.050mL/min，考察乙酸加入量對酰化反應的影響。分別設定噻吩∶乙酸酐∶乙酸的摩爾比為 1∶2∶0.5、1∶2∶1、1∶2∶1.5、1∶2∶2，結果見表6，噻吩轉化率與時間的關系見圖4。不同乙酸量的酰化反應結果見表6。

表6 不同乙酸量的酰化反應結果

由表6及圖4可以明顯看出，在維持最低轉化率為90%情況下，乙酸的加入有利于反應的進行，摩爾比為 1∶2∶1時單位催化劑產品量最大，達15.10g；隨著乙酸摩爾配比 1∶2∶（0.5～2）的逐漸增加，催化劑活性逐漸升高，使用壽命逐漸增長；摩爾比為1∶2∶1與1∶2∶1.5時，催化劑使用壽命相近，但單位催化劑產品量在1∶2∶1時達最大，且過多的乙酸加入量會加大后續(xù)分離工作的難度，因此噻吩∶乙酸酐∶乙酸的最佳摩爾比為 1∶2∶1。

乙酸的加入，有助于反應產物2-乙酰噻吩從分子篩孔道中擴散出來，抑制了反應產物堵塞分子篩孔道和覆蓋分子篩的催化活性中心，使得起主要催化作用的活性中心暴露出來，進而增強催化劑的催化活性。然而，過多地加入乙酸，抑制了反應向正方向進行，不利于酰化反應的進行。顯然，噻吩與乙酸酐和乙酸的最佳摩爾比為1∶2∶1。

3 催化劑失活機理的初步探究

3.1 傅里葉變換固體核磁共振儀表征

3.1.1 催化劑的13C譜表征

趙地順[9]報道了用13C MAS NMR 區(qū)分的積炭類型主要為：脂肪碳、烯烴碳、芳香碳以及聚芳香碳等。其中分布較寬的是脂肪碳，化學位移范圍是10～40；芳香族化合物的是125～145；直鏈以及支鏈烯烴為150；當化學位移范圍在130～200時，表明存在聚合芳烴。圖5是失活前后分子篩的碳譜譜圖，從圖5可以得出，與新鮮分子篩相比，失活的分子篩表面覆蓋有大量脂肪碳、芳香碳，且有可能以聚合物的形式存在，積炭堵塞了分子篩的微孔孔道，覆蓋了活性中心，導致催化劑活性有降低的趨勢，是分子篩失活的主要方式。

3.1.2 催化劑的27Al譜表征

積炭會對分子篩骨架產生影響，當積炭堵塞分子篩孔道時，將會影響27Al核周圍環(huán)境，使鋁譜發(fā)生變化。在鋁譜譜圖中，50～80代表B酸所對應的特征峰，?10～20和 30～40均為 L酸所對應的特征峰。

圖6是失活前后的分子篩鋁譜譜圖，從圖6中可以看出，L酸酸量在分子篩失活后略有減少，基本維持不變，而B酸酸量變化卻非常顯著；分子篩失活后，B酸酸量顯著降低，充分說明在噻吩酰化反應過程中，B酸起到催化的主導作用。

3.2 熱重分析表征

圖7顯示對失活后的C25分子篩催化劑進行了熱重分析，并對 TGA數(shù)據進行一階微分處理得到TG/DTG曲線。

從圖7中可以清晰地看出，失活催化劑在50～150℃存在一個失重峰，該峰主要是C25分子篩從空氣中吸附的水，反應過程中吸附的一些低沸點有機物以及自身的結合水等三方面造成的失重；在200～300℃和 350～400℃時均出現(xiàn)了失重峰，在200～300℃時，表示高沸點物系如2-乙酰噻吩等的失重，而在350～400℃時，則對應如噻吩以及乙酰噻吩等可能出現(xiàn)的大分子齊聚物的失重。因此，在噻吩酰基化反應過程中，C25分子篩的積炭失活主要集中在200～300℃的吸附失活。

4 結 論

（1）通過正交試驗確定了噻吩酰化連續(xù)反應的最佳條件：溫度70℃、噻吩與乙酸酐的摩爾配比為1∶2、進料流量0.05mL/min，在此條件下單位質量催化劑的2-乙酰噻吩產量為10.70g，催化劑壽命是2385min，噻吩初始轉化率高達99.95%。

（2）適當?shù)囊宜峒尤胗欣卩绶怎；磻倪M行，當乙酸的加入量與噻吩和乙酸酐的摩爾比為1∶2∶1時，能達到最佳效果：單位質量催化劑的2-乙酰噻吩產量為15.10g，催化劑壽命是4215min，噻吩初始轉化率高達99.98%。

（3）通過固體核磁共振碳譜分析：分子篩主要為積炭失活，積炭形式有脂肪烴、芳香烴和大分子聚合物三種；鋁譜分析得知催化活性主要在B酸位。

（4）通過熱重分析得出，失活催化劑出現(xiàn)兩個失重峰，主要為分子篩吸附的高沸點物質和可能出現(xiàn)的大分子聚合物。

（5）對于導致催化劑失活的主要物質及其在B酸位上生成機理、采取何種措施來減緩催化劑失活、提高催化劑壽命有待進一步研究。

[1]陳慶.乙酰噻吩的合成方法和應用研究進展[J].才智，2008，14：162-163.

[2]陸詠，袁少波.噻吩及其衍生物[J].精細與專用化學品，2002，22：5-8.

[3]趙雁來，何森泉，徐長德.雜環(huán)化學導論[M].北京：高等教育出版社，1992：139-156.

[4]段行信.實用精細有機合成手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001：475-476.

[5]劉榮杏，佘紅梅，張洪林.固體酸催化劑合成 2-乙酰噻吩[J].當代化工，2005，34（5）：321-322.

[6]劉榮杏，佘紅梅，張洪林.HZSM-5型分子篩催化合成2-乙酰噻吩[J].化工科技，2006，14（1）：35-38.

[7]Perrier A，Keller M，Caminade A M，et al.Efficient and recyclable rare earth-based catalysts for Friedel-Crafts acylations under microwave heating：Dendrimers show the way[J].Green Chemistry，2013（15）：2075-2080.

[8]佟天下，曾愛武.C25沸石分子篩催化液相噻吩Friedel-Crafts酰基化反應的研究[J].高校化學工程學報，2012，26（2）：989-993.

[9]趙地順.催化劑評價與表征[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011：183-218.