噻吩Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)的研究

佟天下，陳志華，楊麗娟，賈鵬飛，程　婧，曾愛武*

(1.天津大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072； 2.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津市應(yīng)用催化科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072； 3.天津天大天久科技股份有限公司，天津 300072； 4.中國石油天然氣管道工程有限公司天津?yàn)I海分公司，天津 300457)

Friedel-Crafts?；磻?yīng)是制備芳酮的重要方法[1-5]，具備反應(yīng)操作簡單、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)選擇性高等優(yōu)點(diǎn)[1,3]。芳酮作為重要的醫(yī)藥中間體和精細(xì)化工產(chǎn)品，在化妝品、芳香劑、藥品、農(nóng)藥以及殺蟲劑等方面應(yīng)用廣泛[4-5]。

2-乙酰噻吩是重要的醫(yī)藥中間體[6]。傳統(tǒng)的Friedel-Crafts?；磻?yīng)所采用的催化劑為Lewis酸[7](如AlCl3和ZnCl2等)和Bronsted酸[8](如H2SO4和HF等)。L酸作催化劑時，反應(yīng)放熱量大，容易使產(chǎn)物和反應(yīng)物發(fā)生聚合等副反應(yīng)，L酸本身對設(shè)備有一定的腐蝕作用[7]；B酸作催化劑時，反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量的廢酸，污染環(huán)境[8]。文獻(xiàn)[9]報(bào)道了Mont-K10催化劑催化苯中噻吩的酰基化反應(yīng)，雖然Mont-K10原催化劑能夠循環(huán)使用且催化效果好，但是在再生后的反應(yīng)過程中，催化劑失活比較快，處理能力下降。傳統(tǒng)工業(yè)化生產(chǎn)2-乙酰噻吩的方法是用噻吩和醋酸酐為原料，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%磷酸[10]的催化作用下進(jìn)行?；磻?yīng)制得，但這一方法的投資高、催化劑不能再生，并存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問題?？傊?，在Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)過程中，高效、綠色、環(huán)保型的催化劑是亟待解決的問題。

文獻(xiàn)[1]主要研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、催化劑用量、不同的改性條件以及催化劑的再生次數(shù)對噻吩Friedel-Crafts?；磻?yīng)的影響。在本研究中，首先對HZSM-5, HY, 13X, ZnCl2, C25等5種催化劑進(jìn)行測試，得出合成的C25型沸石分子篩的催化效果較好；其次，本研究主要是以合成的C25沸石分子篩為催化劑、噻吩為原料、醋酸酐為?；噭┖铣筛吒郊又诞a(chǎn)品2-乙酰噻吩，在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上重點(diǎn)探討了高溫、原料配比、溶劑醋酸的加入量、不同濃度的硝酸改性的催化劑等因素對噻吩Friedel-Crafts?；磻?yīng)過程的影響。摸索出了最適宜的反應(yīng)條件，為后續(xù)2-乙酰噻吩的工業(yè)化生產(chǎn)提供更加重要的理論指導(dǎo)。最后，對反應(yīng)物進(jìn)行了精餾提純，得到了質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于99.90%的產(chǎn)品2-乙酰噻吩。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　主要試劑和儀器

儀器：GC-7890A氣相色譜(美國Agilent公司)；7890A/5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀(美國Agilent公司)；DF-Ⅱ集熱式磁力加速攪拌器(江蘇省金壇市宏華儀器廠)；WFSM-3060催化劑評價(jià)裝置(天津先權(quán)有限公司)。

試劑：噻吩，醋酸，醋酸酐，硝酸，硝酸鋁，ZnCl2，均為分析純，由天津市江天化工技術(shù)有限公司提供；2-乙酰噻吩，分析純，由上海阿拉丁試劑有限公司提供；HZSM-5，HY，13X等由南開大學(xué)催化劑廠提供；根據(jù)文獻(xiàn)[1]的方法制備了C25沸石分子篩。

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

間歇實(shí)驗(yàn)如圖1所示，在100 mL三口燒瓶中加入一定量的噻吩和醋酸酐，放入恒溫油浴鍋中進(jìn)行攪拌、加熱至指定溫度，溫度恒定后加入0.5 g催化劑，反應(yīng)過程中定時取樣、離心和進(jìn)氣相色譜分析，根據(jù)氣相色譜出峰面積計(jì)算噻吩的轉(zhuǎn)化率，相應(yīng)的高附加值產(chǎn)品2-乙酰噻吩通過與標(biāo)準(zhǔn)樣品(2-乙酰噻吩，分析純)的保留時間對比進(jìn)行定性分析。

圖1　間歇實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Batch experiment apparatus diagram

圖2為固定床反應(yīng)器(即：WFSM-3060催化劑評價(jià)裝置)裝置圖，主要用于氣相噻吩的連續(xù)反應(yīng)。將一定物質(zhì)的量之比的噻吩試劑和?；噭┐姿狒旌暇鶆蚝蠹尤朐掀恐?，待固定床反應(yīng)器內(nèi)溫度恒定后，經(jīng)高壓恒流泵進(jìn)料，用計(jì)算機(jī)在線控制儀控制反應(yīng)溫度使之維持恒定，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)制冷系統(tǒng)冷凝為液體產(chǎn)品，定時取樣，得到的液體產(chǎn)品用氣相色譜定量分析。

圖2　固定床反應(yīng)器裝置示意圖Fig.2　Fixed bed reactor apparatus diagram

1.3　產(chǎn)物的分析與測試

反應(yīng)產(chǎn)物的定量分析采用安捷倫科技有限公司的GC-7890A型氣相色譜分析儀，氫火焰離子檢測器(FID)，DB-17MS毛細(xì)管柱φ0.25 mm×30 m×0.25 μm，汽化室溫度280 ℃，檢測室溫度300 ℃，柱溫為程序升溫，70 ℃恒溫5 min，升溫速度50 ℃/min升至200 ℃，保持10 min。噻吩的量采用歸一化法計(jì)算。

2　結(jié)果與討論

2.1　催化劑的篩選

在常壓、80 ℃條件下，以噻吩和醋酸酐為原料，n(噻吩)∶n(醋酸酐)為1∶2，催化劑的用量為0.5 g時，對以下5種(HZSM-5, HY, 13X, ZnCl2, C25)催化劑進(jìn)行測試，從中篩選出了1種催化活性高的催化劑進(jìn)行了液相噻吩Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)的研究，反應(yīng)方程式如下：

結(jié)果如表1所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：C25型沸石分子篩催化劑在反應(yīng)進(jìn)行5 h后，液相噻吩的轉(zhuǎn)化率高達(dá)97.23%；ZnCl2粉末催化使得噻吩反應(yīng)5 h后的轉(zhuǎn)化率高達(dá)99.61%，但是由于ZnCl2是Lewis酸，對設(shè)備具有腐蝕性[7]，催化劑不能再生，反應(yīng)后得到大量的廢酸等缺陷，違背了綠色化工的宗旨。因此，選擇高效、環(huán)保、可再生的C25型沸石分子篩作為噻吩Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)的催化劑。

表1　催化劑種類對反應(yīng)的影響Table 1　Effect of the catalyst types on acylation reaction

2.2　溫度對?；磻?yīng)的影響

在文獻(xiàn)[1]中研究了溫度對液相噻吩酰基化反應(yīng)的影響，綜合考慮，選取液相噻吩?；磻?yīng)的最適宜溫度為80 ℃。為了進(jìn)一步研究高溫條件下氣相噻吩的酰化反應(yīng)，采用如圖2所示的固定床反應(yīng)器考察了反應(yīng)溫度對噻吩酰基化反應(yīng)的影響。

在無溶劑、C25催化劑催化條件下，固定n(噻吩)∶n(醋酸酐)為1∶2，控制原料流速為0.002 mL/min，C25催化劑用量為2.8 g時，分別研究了92、102、112、122和132 ℃等不同的反應(yīng)溫度對氣相噻吩Friedel-Crafts?；磻?yīng)的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3　反應(yīng)溫度對?；磻?yīng)的影響Fig.3　Effect of reaction temperature on acylation reaction

由圖3可知，隨著反應(yīng)時間的延長，噻吩的轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)反應(yīng)溫度從92 ℃升高到102 ℃時，催化劑的催化活性變化不顯著：92 ℃時，反應(yīng)3 h，噻吩的轉(zhuǎn)化率升高至90.00%以上，噻吩的轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)99.44%，反應(yīng)38 h后，噻吩的轉(zhuǎn)化率下降到90.14%，噻吩的轉(zhuǎn)化率維持在90.00%以上，所持續(xù)的時間是38.5 h；反應(yīng)溫度為102 ℃時，反應(yīng)開始5 h后，噻吩的轉(zhuǎn)化率升高至90.00%以上，噻吩的轉(zhuǎn)化率最高達(dá)99.53%，反應(yīng)39 h后噻吩轉(zhuǎn)化率降低到相同值，噻吩的轉(zhuǎn)化率維持在90.00%以上所持續(xù)的時間是34 h。

當(dāng)反應(yīng)溫度從112 ℃升高到132 ℃的過程中，催化劑的壽命發(fā)生了顯著的變化：當(dāng)反應(yīng)溫度為112 ℃時，反應(yīng)6 h后，噻吩的轉(zhuǎn)化率升高至90.00%以上，當(dāng)反應(yīng)持續(xù)32.3 h時，噻吩的轉(zhuǎn)化率下降到90.13%，噻吩的轉(zhuǎn)化率維持在90.00%以上所持續(xù)的時間是26.3 h；當(dāng)反應(yīng)溫度升高到122和132 ℃時，噻吩的轉(zhuǎn)化率下降迅速。

因此，通過氣相噻吩的酰基化反應(yīng)可以得出，在92～102 ℃的溫度范圍內(nèi)，催化劑的活性比較好；當(dāng)溫度高于102 ℃時，隨著反應(yīng)溫度的升高，催化劑的催化活性呈現(xiàn)下降趨勢，尤其是反應(yīng)溫度高于122 ℃時。所以，在氣相噻吩的?；磻?yīng)中，綜合考慮能耗與成本等問題，優(yōu)選反應(yīng)溫度是92 ℃。

2.3　原料配比對反應(yīng)的影響

在無溶劑、80 ℃、0.5 g C25沸石分子篩催化劑催化條件下，考察了原料配比對液相噻吩Friedel-Crafts?；磻?yīng)的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4　原料配比對反應(yīng)的影響Fig.4　Effect of molar ratio on acylation reaction

通過圖4很明顯可以看出，噻吩的轉(zhuǎn)化率隨著n(噻吩)∶n(醋酸酐)增加而呈現(xiàn)增加趨勢，當(dāng)n(噻吩)∶n(醋酸酐)為1∶4時，噻吩的轉(zhuǎn)化率卻有下降趨勢，可能是由于醋酸酐過量太多引起了分子篩催化劑的失活，使得催化劑的催化活性降低[11]。

所以，從分子篩的催化活性、催化劑失活速率、節(jié)約原料以及后處理等綜合考慮，選擇n(噻吩)∶n(醋酸酐)以1∶2為最適宜。

2.4　醋酸的加入量對?；磻?yīng)的影響

為了研究液相噻吩發(fā)生?；磻?yīng)時生成的產(chǎn)物醋酸對反應(yīng)的影響，在80 ℃條件下，催化劑用量0.5 g，反應(yīng)時間5 h，n(噻吩)∶n(醋酸酐)為1∶2時，考察了反應(yīng)副產(chǎn)物醋酸的加入對噻吩酰基化反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5　醋酸的加入量對?；磻?yīng)的影響Fig.5　Effects of the addition amount of acetic acid on acylation reaction

通過圖5可以得出：在無醋酸溶劑時，噻吩與醋酸酐反應(yīng)，噻吩的起始轉(zhuǎn)化率僅有79.80%，反應(yīng)5 h后，轉(zhuǎn)化率達(dá)97.23%；當(dāng)加入醋酸溶劑時，噻吩的起始轉(zhuǎn)化率明顯下降，雖然醋酸的加入對噻吩的酰基化反應(yīng)有一定的抑制作用，但是，加入適量的醋酸溶劑有助于噻吩轉(zhuǎn)化率的提高。

從圖5中不難看出，當(dāng)醋酸量占原料總質(zhì)量的8.72%時，反應(yīng)進(jìn)行5 h，噻吩的轉(zhuǎn)化率達(dá)98.53%；無溶劑醋酸時，反應(yīng)5 h，噻吩的轉(zhuǎn)化率為97.23%。對比無溶劑時，噻吩的轉(zhuǎn)化率提高約1.3%，原因可能是：一方面，根據(jù)反應(yīng)平衡理論，醋酸的加入，抑制了反應(yīng)向正方向進(jìn)行；另一方面，加入醋酸，有助于反應(yīng)產(chǎn)物2-乙酰噻吩從分子篩孔道中擴(kuò)散出來，抑制了反應(yīng)產(chǎn)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(jìn)而增強(qiáng)催化劑的催化活性。因此，加入適量的醋酸溶劑，有助于提高?；磻?yīng)中噻吩的轉(zhuǎn)化率。

2.5　不同濃度硝酸的改性對催化效果的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證文獻(xiàn)[1]中經(jīng)濃度為1.0 mol/L的硝酸處理的催化劑活性下降的原因，在相同的操作條件下，我們研究了經(jīng)一系列不同濃度的硝酸溶液處理的催化劑的催化效果，如圖6所示。

圖6　經(jīng)不同濃度硝酸改性的催化劑對?；磻?yīng)的影響Fig.6　Effects of catalysts modified by various concentrations of nitric acids on acylation reaction

如圖6所示的經(jīng)不同濃度的硝酸改性的催化劑對?；磻?yīng)的影響中能夠看出：硝酸溶液的濃度在0.1～0.5 mol/L之間變化時，隨著硝酸溶液濃度的增加，在相同的反應(yīng)時間內(nèi)，噻吩的轉(zhuǎn)化率依次增加，即：催化劑的催化活性依次呈增強(qiáng)趨勢；當(dāng)硝酸溶液的濃度在0.5～1.0 mol/L之間變化時，隨著硝酸溶液濃度的增加，在相同的反應(yīng)時間內(nèi)，噻吩的轉(zhuǎn)化率依次降低，即催化劑的催化活性依次呈降低趨勢。

由此可以得出，在文獻(xiàn)[1]的報(bào)道中，經(jīng)濃度為1.0 mol/L的硝酸處理的催化劑的催化活性有所下降，原因是硝酸溶液濃度過高，使得催化劑表面的活性中心部分中毒，導(dǎo)致催化劑的催化活性有減弱的趨勢；而用濃度為0.5 mol/L的硝酸改性C25沸石分子篩時，催化劑的催化效果達(dá)到最好，這也說明，C25沸石分子篩催化劑的催化活性并不是隨著硝酸溶液的濃度增加而增加，而是中間存在最適宜的硝酸溶液濃度值。

3　2-乙酰噻吩的精制

針對噻吩Friedel-Crafts?；磻?yīng)所得的產(chǎn)液進(jìn)行分離提純，并精制2-乙酰噻吩，經(jīng)間歇減壓蒸餾，使得反應(yīng)產(chǎn)物得到了分離，分離出的產(chǎn)物主要有醋酸、噻吩、醋酸酐和目標(biāo)產(chǎn)物2-乙酰噻吩，其中噻吩的含量為微量。

如圖7所示的間歇減壓精餾裝置進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)液2-乙酰噻吩的精制，塔高120 cm，裝填θ環(huán)填料。

圖7　間歇精餾實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.7　Batch distillation experiment apparatus diagram

精制過程中，操作條件、參數(shù)以及得到的結(jié)果如表2所示。

表2　操作條件和結(jié)果對比表Table 2　Comparisons of operating conditions and results

實(shí)驗(yàn)表明，通過減壓精餾的方式能夠有效的分離和提純目標(biāo)產(chǎn)物2-乙酰噻吩，同時回收?；噭┐姿狒透碑a(chǎn)物醋酸。

4　結(jié)論

1) 經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)，篩選出了一種高催化活性、綠色環(huán)保、可再生的C25沸石分子篩作為噻吩Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)的催化劑。

2) 通過實(shí)驗(yàn)研究，摸索出一條最適宜的反應(yīng)工藝：液相噻吩發(fā)生?；磻?yīng)時的最適宜反應(yīng)溫度為80 ℃，n(噻吩)∶n(醋酸酐)為1∶2，醋酸溶劑的加入，使得噻吩的轉(zhuǎn)化率明顯升高，醋酸量占原料總質(zhì)量的8.72%時，反應(yīng)5 h，噻吩的轉(zhuǎn)化率提高1.3%。

3) 在氣相噻吩的?；磻?yīng)過程中，固定n(噻吩)∶n(醋酸酐)為1∶2，控制原料流速為0.002 mL/min，C25催化劑用量為2.8 g時，綜合考慮，優(yōu)選反應(yīng)溫度是92 ℃。

4) 經(jīng)不同濃度的硝酸溶液改性的C25沸石分子篩的催化活性存在差異：硝酸溶液的濃度在0.1～0.5 mol/L之間變化時，催化劑的催化活性依次呈增強(qiáng)趨勢；當(dāng)硝酸溶液的濃度在0.5～1.0 mol/L之間變化時，催化劑的催化活性依次呈降低趨勢。因此，濃度為0.5 mol/L的硝酸改性C25沸石分子篩時催化劑的催化效果最佳。

5) 通過減壓精餾操作，能夠得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)99.90%以上的無色透明產(chǎn)品2-乙酰噻吩，同時，也能夠?qū)崿F(xiàn)噻吩、醋酸酐以及醋酸的有效分離。

參考文獻(xiàn)：

[1]佟天下,曾愛武. C25沸石分子篩催化液相噻吩Friedel-Crafts?；磻?yīng)的研究[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào), 2012, 26(6): 989-993

Tong Tianxia, Zeng Aiwu. Friedel-Crafts acylation reaction of liquid thiophene catalyzed by C25[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2012, 26(6): 989-993(in Chinese)

[2]袁冰，喬衛(wèi)宏，李宗石，等. 沸石分子篩在Friedel-Crafts酰基化反應(yīng)中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)進(jìn)展, 2005,17(4): 686-691

Yuan Bing, Qiao Weihong, Li Zongshi,etal. Application of zeolite molecular sieves in Friedel-Crafts acylation reactions[J]. Progress in Chemistry, 2005, 17(4): 686-691 (in Chinese)

[3]胡拖平, 秦張峰, 王建國. Hβ分子篩催化的甲苯與乙酸酐(AA)?；磻?yīng)研究[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 31(6): 624-627

Hu Tuoping, Qin Zhangfeng, Wang Jianguo. Acylation of toluene with acetic anhydride over Hβ zeolite[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2003, 31(6): 624-627 (in Chinese)

[4]劉玉芝, 王桂榮, 趙新強(qiáng),等.固體酸催化劑在Friedel-Crafts反應(yīng)中的應(yīng)用[J].精細(xì)石油化工, 2011, 28(4): 16-21

Liu Yuzhi, Wang Guirong, Zhao Xinqiang,etal. Progress in application of solid acids for Friedel-Crafts reactions[J]. Specialty Petrochemicals, 2011, 28(4): 16-21(in Chinese)

[5]李公春, 張龍曉, 李雪峰. 2-乙酰噻吩的合成[J]. 河北化工, 2011, 34(6): 35-37

Li Gongchun, Zhang Longxiao, Li Xuefeng. Synthesis of 2-acetyl thiophene[J]. Hebei Huagong, 2011, 34(6): 35-37 (in Chinese)

[6]徐新, 羅國華, 李鑫. 固體酸催化合成2-乙酰噻吩[J]. 精細(xì)石油化工, 2006, 23(5): 42-45

Xu Xin, Luo Guohua, Li Xin. Catalytic synthesis of 2-acetylthiophene over solid-acid catalysts[J]. Specialty Petrochemicals, 2006, 23(5): 42-45(in Chinese)

[7]Sartori G, Maggi R. Update 1 of: Use of solid catalysts in Friedel Crafts acylation reactions[J]. Chemical Reviews, 2011, 111(5):181-214

[8]Zhao D, Wang J, Zhan J. Effects of modified Beta zeolites with acid on anisole acetylation in a fixed bed reactor[J]. Catalysis Lettler, 2008, 126(1/2): 188-192

[9]牛叢叢, 曹學(xué)普, 陳莉君, 等.固體酸催化F-C酰基化反應(yīng)脫除焦化苯中的噻吩[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程, 2012, 29(3): 11-16

Niu Congcong, Cao Xuepu, Chen Lijun,etal. Separating thiophene from coking benzene by Friedel-Crafts acylation reaction over solid acids[J]. Chemical Industry and Engineering, 2012, 29(3): 11-16(in Chinese)

[10]侯啟軍, 喬衛(wèi)宏, 袁冰, 等. 分子篩催化甲苯?；磻?yīng)研究[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 50(3): 334-339

Hou Qijun, Qiao Weihong, Yuan Bing,etal. Study of acylation of toluene over molecular sieves catalysts[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2010, 50(3): 334-339 (in Chinese)

[11]Cerveny L, Mikulcova K, Cejka J. Shape-Selective synthesis of 2-acetylnaphthalene via naphthalene acylation with acetic anhydride over large pore zeolites[J]. Applied Catalysis A: General, 2002, 223(1/2): 65-72