有機化學反應過程的動力學研究方法

1、幻燈片1有機化學反應的動力學研究方法幻燈片2有機化學反應過程研究方法一一動力學方法l 既理論化又簡單化的方法才具有實用性。l 在有機反應的過程中運用宏觀動力學概念，研究反應過程的影響因素，使工藝優(yōu)化過程理論化。l 在應用動力學概念優(yōu)化工藝時不需要求取動力學數據，使反應過程研究簡單?；脽羝?l 動力學方法的基本概念、基本理論l 動力學方法及其基本特征l 動力學研究方法舉例l 分離過程優(yōu)劣的檢驗標準l 多步反應過程的分離方法簡化原則幻燈片4動力學方法的基本概念、基本理論l 轉化率、選擇性和收率l 選擇性l 收率l 平行副反應與連串副反應、活化能與反應級數l 主副反應的速度比-對比選擇性l 溫度效應

2、l 濃度效應幻燈片5轉化率l 轉化率的定義為：反應物A所反應掉的分數。其數學方程式為：l 轉化率=反應消耗原料A的物質的量/應加入原料A的物質的量幻燈片6選擇性l 選擇性定義：反應掉的原料中，生成目的產物所占的分數。其數學方程式為：l 選擇性=反應生成主產物所消耗原料A的物質的量/反應消耗原料A的物質的量l 幻燈片7收率l 收率概念定義為：加入的反應原料中，生成目的產物所占的比例。l 其數學方程式為：l l 收率=反應生成主產物所消耗原料A的物質的量/反應加入原料A的物質的量l 幻燈片8l 收率為轉化率與選擇性的乘積，收率為轉化率與選擇性的綜合函數。l 反應的目標是提高反應的收率，之所以引進轉

3、化率和選擇性的概念，是因為收率更抽象，而轉化率和選擇性更具體。l 研究的對象越抽象，則影響因素越多，因果關系越復雜，分析起來越難；而研究的對象越具體 ，影響因素越少，越容易找到解決問題的手段。用具體的概念代替抽象的概念，才能使復雜的問題簡單化?；脽羝?l 對于有機合成工藝的優(yōu)化 , 往往以提高目的產物的收率為目標 , 由于影響因素較多 , 問題復雜。l 動力學研究方法的目標是提高選擇性 , 這就剔除了轉化率的影響 , 使目標更具體了 , 此時只有溫度和濃度才是選擇性的主要影響因素 , 技術關鍵找到了。因在一定轉化率下 , 主副產物之和是一個常數 , 副反應產物減少必然帶來主反應產物增加。幻燈片

4、10l 轉化率X與選擇性S各自的函數關系為 : X=f ( C i · T · t） S=f ( C i · T)l 未提及壓力是因為它不是一個獨立的變量 , 而只是溫度或濃度的 函數。l 表面上看 , 轉化率較復雜 , 但要提高轉化率實際上卻非常簡單 , 要么延 長時間 , 要么升高溫度 , 要么增加反應物的濃度或移出產物 , 而再無別的辦法。l 選擇性雖只是溫度和濃度的函數 , 卻遠比轉化率關系復雜。l 研究較復雜的收率問題 , 可以將其分解成選擇性和轉化率問題 , 分階段研 究 , 逐項解決 , 以簡化研究過程?；脽羝?1平行副反應與連串副反應、活化能與反應

5、級數l 提高主反應的選擇性就應抑制副反應。l 副反應種類繁多，歸納起來只有兩種: l 平行副反應l 連串副反應幻燈片12平行副反應l 為方便討論 ，可設定 A, B, C 為反應物，p 為目的產物，S 為副產物 ，設在同一反應過程中 , 同時發(fā)生如下兩種反應類型 ：l A+BP (1)l A+CS (2)l 式(1)和式 (2) 是平行進行的 ,式 (2)就是式(1)的 平行副反應。l 幻燈片13l RP=KPe-Ep/RTCAaCBbl RS=KSe-Es/RTCAaCCcl 在溫度、濃度一定的條件下 , 反應速度取 決于反應的活化能和各反應組分的反應級數?；脽羝?4連串副反應l 在一定條件

6、下 , 反應目的產物可與某一組分繼續(xù)反應生成副產物。l A B P C Sl 該反應可拆分成 :l A+BP (3)l P+CS (4)l 則式 (4) 就是式(3) 的連串副反應?；脽羝?5l 用與平行副反應同樣的方法 , 可以得出具有連串副反應的主副反應的速度方程分別為 :l l RP=KPe-EpP/RTCAaCBbl RS=KSe-Es/RTCPpCCc幻燈片16主副反應的速度比 -對比選擇性l 平行主副反應及連串主副反應的競爭將是討論的重點。然而，活化能和反應級數等動力學數據不容易得到，有諸多未知數的反應速度方程沒有實用價值。l 主副反應的競爭歸根結底是主副反應速度的競爭。l 引進對

7、比選擇性-相對反應速 度的概念（一個主反應 與某一副反應速度比)，便可將主副反應競爭的影響因素 具體化了。幻燈片17l 設定 S 為對比選擇性 ,得到帶有平行副反應的 對比選擇性的函數式為 :l S=KP/KS e-(Es-Ep) / RT C A (a-a) C Bb CC-cl 顯而易見 , S的取值范圍為 0+。l 這里KP/KS是常數項 , e-(Es-Ep)是溫度的單元函數 , 可稱為溫度效應 ; C A (a-a) C Bb CC-c僅與各組分的濃度有關 , 可稱為濃度效應。l 除特殊的反應抑制劑可減緩反應速度外 , 反應級數, b, c, a' 等一般為正值 ?；脽羝?8

8、l 上式中未知活化能、反應級數的具體數值 。l 重要的是要知道主副反應之間活化能的相對大小和主副反應對某一組分 反應級數的相對大小。 幻燈片19溫度效應l S=KP/KS e-(Es-Ep)/RT C A (a-a) C Bb CC-cl 當各組分濃度一定時 , 對比選擇性是溫度的單元函數 :l S=K e-(Es-Ep)/ RT (K=KP/KS C A (a-a) C Bb CC-c )l l 若EsEp,Es-Ep 0，則：l T (Es-Ep)/ RT e-(Es-Ep) Sl T (Es-Ep)/ RT e-(Es-Ep) S幻燈片20l 若 Es < Ep, 則:l T Sl

9、 T Sl 結論 :l 升高溫度有利于活化能高的反應 , 降低溫度有利于活化能低的反應。l 逆定理亦成立 ：升高溫度有利的反應 , 其活 化能較高 , 降低溫度有利的反應 , 其反應的活化能較低。溫度變化對對比選 擇性影響的趨勢與主副反應活化能的大小一一對應?；脽羝?1l Es-Ep 0l Es-Ep < 0l 這里 , 我們只關心 Ep 、 Es 的相對大小 , 而不關心 Ep 、 Es 的具體 數值。指導我們選擇反應溫度條件的理論依據 , 是 Es 與 Ep 的相對大小 , 而不是它們的具體數值?；脽羝?2S - T曲線幻燈片23l 當在兩個不同的溫度下做同一合成實驗時 , 一般情況

10、下 , 能得到兩個不 同的選擇性 , 據此可以判斷主副反應活化能的相對大小 , 并由此推斷是低溫 還是高溫對主反應有利?；脽羝?4l 例如：在一個反應過程中 , 依次取 T1 、 T2 兩個溫度 點實驗 (T1 < T2) , 若兩個溫度所對應的選擇性S1 >S2, 則提供了如下信息 : l 主反應活化能較低 , 低溫有利于抑制副反應 ; l 大于T1 的所有溫度點 , 其選擇性均小于 T1 對應的選擇性 S1 ;l 溫度的選擇實驗只能在小于 T1 的范圍內進行。這大大地縮小了溫度選擇的范圍 , 簡單而高效。 幻燈片25l S是主反應速度與某一特定的副反應 ( 而不是所有副反應 )

11、 速度的比值。而往往在不同的溫度范圍內有不同的 副反應 , 這就要求我們對復雜問題分段討論。l S 與 S, 需要嚴格區(qū)別。 幻燈片26濃度效應 l S=KP/KS e-(Es-Ep)/RT C A (a-a) C Bb CC-cl 當溫度一定的條件下 , 對比選擇性僅與各組分的濃度有關 :l S=K C A (a-a) CBb CC-c (K=KP/KS e-(Es-Ep)/ RT)l l 在一般情況下,各組分均不是反應抑制劑 , a, a, b, c 均為正值 l CB CBb S (B 組分高濃度有利 , 應一次性加入 )l Cc CC-c S (C 組分低濃度有利 , 除盡更好 )幻燈

12、片27A 組分濃度對選擇性的影響l A 組分濃度對選擇性的影響 , 涉及到主副反應對 A 組分的反應級數。 然而我們也只關心反應級數 a與 a的相對大小l 換句話說 , C A (a-a)對S的影響 , 只存在三種情況 :l 當a-a >0 時 , CA C A (a-a) S l 當a-a <0 時 , CA C A (a-a) Sl 當a-a =0 時 , C A (a-a) =1, S不隨 CA 而變l 因而只要知道a與a 的相對大小 , 就足以清楚 A 組分濃度對選擇性的影響了?；脽羝?8如何求取 , a-a的正負值l 為了求取 , a-a的正負值 , 可在同一溫度下作兩個

13、實驗 : 試驗一是將 A 組分一次性加入 ( 若溫度無法控制的話 , 將 B 組分改為滴加 );試驗二是將 A 組分慢慢滴加 , 則試驗一即為高濃度的 A 組分 , 試驗二為低濃度的 A 組 分。比較兩實驗的選擇性。幻燈片29l 若 A 組分一次性加料 , 對比選擇性提高 , 即 CA S , 說明a-a >0 a >a,A 組分一次性加料可提高其濃度 , 對反應選擇性有利。l 若 A 組分一次性加料 , 選擇性降低 , 即 CAS, 說明a-a <0 a<a,此時 A 組分應選擇滴加。 幻燈片30l 上述推論的逆定理存在 , 主副反應級數差的正負值定了 , 加料方式變

14、化引起選擇性的變化趨勢也就定了。兩者一一對應 , 互為因果關系 .l 就S=K C A (a-a) 而言,l K=KP/KS e-(Es-Ep)/ RT) CBb CC-c 幻燈片31l 由S=K C A (a-a),可得 S-CA 曲線 :l (c) a-a >0 幻燈片32動力學研究方法舉例 l 溫度效應、濃度效應對反應選擇性的影響是個普遍存在的一般規(guī)律，但在不同的具體實例中往往體現出特殊性，有時某一種效應更重要，而另一種效應不顯著。l 我們必須具體問題具體分析，在普遍性的理論原則指導下解決特殊的問題?；脽羝?3這是一個既有平行副反應 ，又有連串反應的典型例子。 幻燈片34平行副反應

15、 幻燈片35實驗得出：對P與Sl說來，加料方式對S基本沒有影響 。T=80時，CP/CS1 =2 ( 色譜峰面積比)溫度效應T=10時 , CP/CS1 = 5l 實驗得出：l T=80時，CP/CS1 =2 ( 色譜峰面積比)l T=10時 , CP/CS1 = 5l 由此推論：l 由于 T S , 故 Evp<Evsl 在 10以上已無實驗的必要 , 反應溫度應控制在10以下?；脽羝?6濃度效應l 對P與Sl說來，濃度效應不明顯l 可以認為a-a0， b-b 0 ?；脽羝?7連串副反應 實驗得出：T=80時，CP/CS2 =1 ( 色譜峰面積比)T=10時 , CP/CS2 = 10

16、當 CB 時 ( 滴加鹵素時 ) CP/CS2 =15 當 CB 時 ( 一次性加入時 ) CP/CS2 =1幻燈片38溫度效應l 實驗得出：l T=80時，CP/CS1 =1 ( 色譜峰面積比)l T=10時 , CP/CS1 = 10l 由此推論：l 由于 T S , 故 Evp<Evsl 在 10以上已無實驗的必要 , 反應溫度應控制在10以下。幻燈片39濃度效應l 由動力學方程式 可推論 :l CA S2, A 組分高濃度有利于主反應 , 應一次加入。l Cp S2 , P 組分低濃度有利于主反應 , 在反應生成后盡可能移走。l B 組分的濃度效應不能直接看出, 由實驗結果 :l

17、 當 CB 時 ( 滴加鹵素時 ) CP/CS2 =15 l 當 CB 時 ( 一次性加入時 ) CP/CS2 =1l 可以推論：l b<b, bb <0, CB CB （ bb' ） S2 ,B 組分低濃度對主反應有利 , 應滴加?；脽羝?0結論l 綜合Sl與S2 , 設 S=f( S1 , S2)l 可得出結論 :l T S ( 溫度效應 )l CA S ( 濃度效應 , 一次性加入 )l CB S ( 濃度效應 , 滴加有利 )l CP S ( 濃度效應 , 反應后盡可能移走 ) 幻燈片41動力學方法及其基本特征 l 首先定性反應產物l 跟蹤定量反應產物l 分階段研究

18、反應過程和分離過程l 程序升溫法l 調節(jié)加料法幻燈片42首先定性反應產物l 動力學研究的目標是研究反應的選擇性。提高主產物的生成與降低副產物的生成是一個問題的兩個方面 , 因為兩者的和是常數 , 此消彼長。l 既然把抑制副產物的生成作為主要目標 , 就應找出主要副產物是什么 , 研究主副反應在活化能、反應級數上的差異 , 進而研究主副反應競爭的影 響因素 , 這樣才能找出有利于主反應而不利于副反應的溫度、濃度條件。l 所有這一切 , 搞清副反應產物結構是必要前提 , 這就要求首先定性反應產物。幻燈片43l 要定性的反應產物是分析反應混合物的全部 組分。包括主產物 , 各副產物 , 各原料的物質

19、結構 , 它們在氣相色譜、液相 色譜譜圖上的相對位置和相對大小。這比分析純品更有意義 , 原因是從混合 物的定性定量譜圖中可以看出其中各組分的相對大小和各組分隨溫度和濃度 條件不同的變化。l 動力學研究方法要求副反應最小 , 而其他研究方法往往要求主反應最大 , 兩 者比較雖然動機一致 , 方法與效果卻差異很大。前者是在定性、定量分析的 基礎上 , 對于不同的副反應采取不同的抑制方法 , 針對性強 , 對條件的分析 把握也最準確。后者的影響因素太多 , 難以理清思路。l 先定性方法非常重要 , 它是動力學方法的前提條件?；脽羝?4定性的方法l 核磁共振、質譜、紅外光譜、氣相、液相色譜均可推測各

20、副產物 可能的結構。還可輔之以化學分析手段估計各組分的可能結構?；脽羝?5定性反應產物的作用a. 首先搞清楚反應過程中有哪些副產物生成 ; b. 當有多個副產物時 , 重點找出最主要副產 物也就是生成量較多的副產物的結構 , 因為只有抑制了主要副反應 , 才能顯 著提高主反應的選擇性 ; c. 根據主要副產物的結構 , 研究其生成的化學反 應方程、速度方程和對比選擇性方程 , 并據此進行溫度效應、濃度效應分 析 ; d. 由對比選擇性方程即可確定部分工藝條件 , 并據此編制獲取活化能 相對大小和反應級數相對高低的試驗方案。幻燈片46跟蹤定量反應產物 在定性分析的基礎上 , 對同一實驗不同時刻各

21、組分的含量進行跟蹤測 試 , 根據跟蹤測試結果認識影響因素 , 再根據影響因素來調整實驗方案?；脽羝?7優(yōu)點l 可在同一實驗中考察原料、中間體、產物 , 各副產物在不同條件下的變化趨勢 , 從一個實驗中獲取更多的信息 。l 可根據實驗過程中的新現象調整和修改預定方案 , 使每一具體實驗的目標多元化l 可以將不同時刻、不同組分的相對含量 , 整理成表格或曲線 , 從中不僅可以觀察到不同組分的數量 , 還可以觀察到各組分在不同階段依不同條件的變化趨勢和變化率 , 從而找出宏觀動力學影響因素 , 并根據這些因素去調整溫度、濃度因素 , 以提高選擇性?；脽羝?8l 應該指出 , 這里所說的 “ 定量

22、” 并非真正意義上的定量 , 它僅僅需要測定反應物系內各組分在不同工藝條件下氣相色譜或液相色譜峰面積的相對 值。l 它不能代表各組分的實際含量 , 但它卻能表示出各組分含量的相對 大小和各組分依不同條件的變化趨勢 , 對于工藝條件的研究來說 , 這個程度 的信息已經足夠 , 它相當于一個簡化了的半定量方法?；脽羝?9分階段研究反應過程和分離過程l 人們往往習慣于每次實驗都分離提純出產品并計算收率。然而除特別簡單的實驗外這是不科學的。l A 研究開發(fā)的初始階段，分離過程是不成熟也不可能成熟的，因此很難估算分離過程損失，這樣所得產品的多少并不代表反應過程收率?；脽羝?0 B 實驗的最終結果是反應過

23、程與分離過程的總結果,影響因素太多，考查某一影響因素較難。 C 一個實驗真正做到完成分離提純的程度很難，往往后處理時間大大 多于反應時間，若每個實驗都做到分離提純，則單位時間內完成的實驗次數勢必大幅減少，工作效率降低。 D 為降低科研費用，往往進行微量制備，而很多微量制備的實驗幾乎不能完成全過程。比如說精餾，沒有一定數量就無法進行?；脽羝?1l E 在反應過程中直接取反應液進行中控分析最接近于反應過程的在線測試，最能反映出反應過程的實際狀態(tài)，對于某一因素的變化的影響也最敏感,應用起來也最簡便。l F 做好反應過程是分離過程研究的基礎。副產物越少則分離過程越簡單，因此在研究開發(fā)初始階段進行分離過

24、程研究也不科學。l 總之，在研究開發(fā)的最初階段，應先回避分離過程而僅研究反應過程?；脽羝?2程序升溫法l 通過比較兩個不同反應溫度條件下的反應結果 , 可以比較主副反應活化 能的相對大小 , 從而確定反應溫度的選擇范圍。l 程序升溫法一一一種反應溫度的優(yōu)化方法。l 程序升溫法是在實驗的最初階段采用的。一般采取微量制備 , 物料量以 滿足分析測試即可。為使放熱反應的溫度可控制 , 反應物料也不必成比例 ( 一般使某一種原料微量 ) 。在跟蹤測試的基礎上 , 采取程序升溫的辦法 , 往往一次實驗即可測得反 應所適合的溫度范圍 , 并可得到主反應與某一特定副反應活化能的相對大小 和確認反應溫度最佳控

25、制條件。 幻燈片53程序升溫跟蹤測試示意圖 幻燈片54l 在 T1 溫度下反應一段時間,取樣 a 分析 ; 若未發(fā)生化學反應,則升溫至 T2 后反應一段時間后取樣 b 分析 ; 若發(fā)現反應已經發(fā)生,但不完全,則此時應鑒別發(fā)生的是否是主反應;若在 T2 溫度下先發(fā)生的是主反應,則繼續(xù)反應一段時間后取樣C分析;若反應仍不完全,升溫至 T3 后反應一段時間取樣 d 分析;若仍不完全則升溫至T4, 取e. ·· .直至反應結束?；脽羝?5l 若樣品 d 中無副產物 . e 中有副產物 , 說明 Ep<Es. 反應的優(yōu)化溫 度為 T4 以下 , 再在 T3 上下選擇溫控范圍。若

26、樣品 b 中發(fā)生的是副反應 , 則應立即升溫 , 并適時補加原料 , 邊升溫 邊取樣 f 、 g 、 h 等 , 直至主反應發(fā)生。l 若主反應在較高溫度時發(fā)生了 , 說明 Ep>Es. 反應應避開較低溫度段。 Ep>Es 時程序升溫過程應在缺少易發(fā)生副反應的那種主原料的情況下進行 , 即先預熱反應底物至一定溫度 , 再滴加未加入的原料 , 后滴加的原料用溶劑稀釋效果更佳。l 由此可見 , 一次程序升溫過程便可基本搞清楚主副反應活化能的相對大小和反應溫度控制的大致范圍 , 取得了事半功倍的效果。l幻燈片56優(yōu)化的溫度控制不是常量l 當 Ep<Es 時低溫反應選擇性高 , 但隨著

27、反應的進行 , 反應物的濃度逐漸降低 , 反應速度逐漸減慢 , 為保持一定的反應速度和轉化率以保證生產能力 , 就必須逐漸緩慢升溫以加速化學反應 , 直至轉化率達到目標 , 這才實現最佳控制。 l 優(yōu)化的溫度控制不一定也不應該是常量 , 對于主反應活化能 較低的反應過程 , 溫度應是隨轉化率變化的變量。幻燈片57不同溫度下轉化率、選擇性與收率關系幻燈片58(a) 為高溫反應 , 轉化率雖然高 , 但選擇性低 ,收率較低。 (b) 為低溫反應 , 選擇性雖然高 , 但轉化率低 , 單程收率仍然 較低。 當然 , 若容易回收未反應的原料 , 也是一種選擇。 (c) 先低溫反應 , 后緩慢升至高溫反

28、應 , 顯然單程收率最高 , 這就是程序升溫過程的優(yōu)勢?；脽羝?9調節(jié)加料法l S=KP/KS e-(Es-Ep)/RT C A (a-a) C Bb CC-cl 由于 a, a, b, c 均為正值 , B 組分一次性加入以實現 B 組 分的高濃度 , 對主反應有利 ;c 組分濃度越高對主反應越不利 , 應盡可能除 去。l A 組分濃度對對比選擇性的影響還不能從理論上確定 , 則應通過實驗比較加料順序對選擇性的影響。若 A 組分滴加有利于選擇性 的增加 , 則說明a-a <0 a<a,若 A 組分一次性加入有利于選擇性的提 高 , 則說明a-a >0 a >a。l 一

29、般地 , 對任意一組分 I 對S的影響 , 均可 比較 I 組分一次加入和滴加對反應選擇性的影響 , 并相應得到 I 組分濃度對主副反應級數的相對大小 ?；脽羝?0l 滴加時間對 S 的影響沒有必要討論 , 因為需要滴加來提高選擇性的組分 , 其濃度越低越好 , 滴加速度慢相當于降低了滴加組分在反應物系的濃度。l 濃度效應如此簡單 , 僅僅通過改變加料次序即可知道某一組分對主副反應級數的相對大小。 幻燈片61新的化學反應過程研究 l 以 A+B P 為目標的化學反應 l 取 A 、 B 兩組分和適量溶劑于 室溫下加入反應器中 ( 其中 A 組分為微量 ) , 混合后取樣分析討論幻燈片62反應結果的溫度效應分析 幻燈片63幻燈片64副產物 S 結構與濃度效應的關系 l 一般情況下 , 將可發(fā)生副反應的組分的濃度降低 , 則可減少該副反應。因此往往可以根據副產物的結構確定加料方式的調整方向。幻燈片65幻燈片66l 按照以上討論結果安排試驗和調整工藝條件，便可清楚地認識某一組分對主副反應級數的相對高低 ，并依此原理確定該組分的加料方式，以滿足濃度效應的要求。 幻燈片67按動力學方法的工藝優(yōu)化次序重復文獻條件，對反應產物定性分析。變化反應溫度確認主副反應活化能的相對大小并確定溫度控制曲線。根