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【康寧歐洲AQL案例】無溶劑、無縫放大連續(xù)流綠色工藝

更新時間：2023-04-20      點擊次數(shù)：1188


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(yīng)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(yīng)，如碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯或碳酸二甲酯受到了極大的關(guān)注。

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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(shù)與有機合成中心（CiTOS）J.-C. M. Monbaliu教授利用微通道反應(yīng)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。


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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(yīng)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(yīng)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(yīng)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%)。

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圖3. 用于篩選甘油碳酸酯化的有機堿的結(jié)構(gòu)

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表1. 有機堿作為催化劑的實驗結(jié)果




2. 康寧雜化反應(yīng)器連續(xù)流工藝驗證


康寧不同規(guī)格的微通道反應(yīng)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(yīng)器和康寧低流量（LF）反應(yīng)器（持液體積為13.5 mL）進行連續(xù)流工藝驗證：


  • 預(yù)熱至50℃的甘油以流速為1.45mL/min(1eq.)輸送進入康寧G1 反應(yīng)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(yīng)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(yīng)停留時間，反應(yīng)溫度設(shè)定為135°C;

  • 反應(yīng)器的出口裝有Zaiput BPR-10背壓調(diào)節(jié)器，設(shè)置為7bar;

  • 反應(yīng)穩(wěn)定后收集的反應(yīng)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%。


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圖4. 康寧G1-LF反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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)。


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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。

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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(yīng)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(gòu)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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。