有机化学反应过程的动力学研究方法

1、幻灯片1有机化学反应的动力学研究方法幻灯片2有机化学反应过程研究方法一一动力学方法l 既理论化又简单化的方法才具有实用性。l 在有机反应的过程中运用宏观动力学概念，研究反应过程的影响因素，使工艺优化过程理论化。l 在应用动力学概念优化工艺时不需要求取动力学数据，使反应过程研究简单。幻灯片3l 动力学方法的基本概念、基本理论l 动力学方法及其基本特征l 动力学研究方法举例l 分离过程优劣的检验标准l 多步反应过程的分离方法简化原则幻灯片4动力学方法的基本概念、基本理论l 转化率、选择性和收率l 选择性l 收率l 平行副反应与连串副反应、活化能与反应级数l 主副反应的速度比-对比选择性l 温度效应

2、l 浓度效应幻灯片5转化率l 转化率的定义为：反应物A所反应掉的分数。其数学方程式为：l 转化率=反应消耗原料A的物质的量/应加入原料A的物质的量幻灯片6选择性l 选择性定义：反应掉的原料中，生成目的产物所占的分数。其数学方程式为：l 选择性=反应生成主产物所消耗原料A的物质的量/反应消耗原料A的物质的量l 幻灯片7收率l 收率概念定义为：加入的反应原料中，生成目的产物所占的比例。l 其数学方程式为：l l 收率=反应生成主产物所消耗原料A的物质的量/反应加入原料A的物质的量l 幻灯片8l 收率为转化率与选择性的乘积，收率为转化率与选择性的综合函数。l 反应的目标是提高反应的收率，之所以引进转

3、化率和选择性的概念，是因为收率更抽象，而转化率和选择性更具体。l 研究的对象越抽象，则影响因素越多，因果关系越复杂，分析起来越难；而研究的对象越具体 ，影响因素越少，越容易找到解决问题的手段。用具体的概念代替抽象的概念，才能使复杂的问题简单化。幻灯片9l 对于有机合成工艺的优化 , 往往以提高目的产物的收率为目标 , 由于影响因素较多 , 问题复杂。l 动力学研究方法的目标是提高选择性 , 这就剔除了转化率的影响 , 使目标更具体了 , 此时只有温度和浓度才是选择性的主要影响因素 , 技术关键找到了。因在一定转化率下 , 主副产物之和是一个常数 , 副反应产物减少必然带来主反应产物增加。幻灯片

4、10l 转化率X与选择性S各自的函数关系为 : X=f ( C i · T · t） S=f ( C i · T)l 未提及压力是因为它不是一个独立的变量 , 而只是温度或浓度的 函数。l 表面上看 , 转化率较复杂 , 但要提高转化率实际上却非常简单 , 要么延 长时间 , 要么升高温度 , 要么增加反应物的浓度或移出产物 , 而再无别的办法。l 选择性虽只是温度和浓度的函数 , 却远比转化率关系复杂。l 研究较复杂的收率问题 , 可以将其分解成选择性和转化率问题 , 分阶段研 究 , 逐项解决 , 以简化研究过程。幻灯片11平行副反应与连串副反应、活化能与反应

5、级数l 提高主反应的选择性就应抑制副反应。l 副反应种类繁多，归纳起来只有两种: l 平行副反应l 连串副反应幻灯片12平行副反应l 为方便讨论 ，可设定 A, B, C 为反应物，p 为目的产物，S 为副产物 ，设在同一反应过程中 , 同时发生如下两种反应类型 ：l A+BP (1)l A+CS (2)l 式(1)和式 (2) 是平行进行的 ,式 (2)就是式(1)的 平行副反应。l 幻灯片13l RP=KPe-Ep/RTCAaCBbl RS=KSe-Es/RTCAaCCcl 在温度、浓度一定的条件下 , 反应速度取 决于反应的活化能和各反应组分的反应级数。幻灯片14连串副反应l 在一定条件

6、下 , 反应目的产物可与某一组分继续反应生成副产物。l A B P C Sl 该反应可拆分成 :l A+BP (3)l P+CS (4)l 则式 (4) 就是式(3) 的连串副反应。幻灯片15l 用与平行副反应同样的方法 , 可以得出具有连串副反应的主副反应的速度方程分别为 :l l RP=KPe-EpP/RTCAaCBbl RS=KSe-Es/RTCPpCCc幻灯片16主副反应的速度比 -对比选择性l 平行主副反应及连串主副反应的竞争将是讨论的重点。然而，活化能和反应级数等动力学数据不容易得到，有诸多未知数的反应速度方程没有实用价值。l 主副反应的竞争归根结底是主副反应速度的竞争。l 引进对

7、比选择性-相对反应速 度的概念（一个主反应 与某一副反应速度比)，便可将主副反应竞争的影响因素 具体化了。幻灯片17l 设定 S 为对比选择性 ,得到带有平行副反应的 对比选择性的函数式为 :l S=KP/KS e-(Es-Ep) / RT C A (a-a) C Bb CC-cl 显而易见 , S的取值范围为 0+。l 这里KP/KS是常数项 , e-(Es-Ep)是温度的单元函数 , 可称为温度效应 ; C A (a-a) C Bb CC-c仅与各组分的浓度有关 , 可称为浓度效应。l 除特殊的反应抑制剂可减缓反应速度外 , 反应级数, b, c, a' 等一般为正值 。幻灯片18

8、l 上式中未知活化能、反应级数的具体数值 。l 重要的是要知道主副反应之间活化能的相对大小和主副反应对某一组分 反应级数的相对大小。 幻灯片19温度效应l S=KP/KS e-(Es-Ep)/RT C A (a-a) C Bb CC-cl 当各组分浓度一定时 , 对比选择性是温度的单元函数 :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，则：l T (Es-Ep)/ RT e-(Es-Ep) Sl T (Es-Ep)/ RT e-(Es-Ep) S幻灯片20l 若 Es < Ep, 则:l T Sl

9、 T Sl 结论 :l 升高温度有利于活化能高的反应 , 降低温度有利于活化能低的反应。l 逆定理亦成立 ：升高温度有利的反应 , 其活 化能较高 , 降低温度有利的反应 , 其反应的活化能较低。温度变化对对比选 择性影响的趋势与主副反应活化能的大小一一对应。幻灯片21l Es-Ep 0l Es-Ep < 0l 这里 , 我们只关心 Ep 、 Es 的相对大小 , 而不关心 Ep 、 Es 的具体 数值。指导我们选择反应温度条件的理论依据 , 是 Es 与 Ep 的相对大小 , 而不是它们的具体数值。幻灯片22S - T曲线幻灯片23l 当在两个不同的温度下做同一合成实验时 , 一般情况

10、下 , 能得到两个不 同的选择性 , 据此可以判断主副反应活化能的相对大小 , 并由此推断是低温 还是高温对主反应有利。幻灯片24l 例如：在一个反应过程中 , 依次取 T1 、 T2 两个温度 点实验 (T1 < T2) , 若两个温度所对应的选择性S1 >S2, 则提供了如下信息 : l 主反应活化能较低 , 低温有利于抑制副反应 ; l 大于T1 的所有温度点 , 其选择性均小于 T1 对应的选择性 S1 ;l 温度的选择实验只能在小于 T1 的范围内进行。这大大地缩小了温度选择的范围 , 简单而高效。 幻灯片25l S是主反应速度与某一特定的副反应 ( 而不是所有副反应 )

11、 速度的比值。而往往在不同的温度范围内有不同的 副反应 , 这就要求我们对复杂问题分段讨论。l S 与 S, 需要严格区别。 幻灯片26浓度效应 l S=KP/KS e-(Es-Ep)/RT C A (a-a) C Bb CC-cl 当温度一定的条件下 , 对比选择性仅与各组分的浓度有关 :l S=K C A (a-a) CBb CC-c (K=KP/KS e-(Es-Ep)/ RT)l l 在一般情况下,各组分均不是反应抑制剂 , a, a, b, c 均为正值 l CB CBb S (B 组分高浓度有利 , 应一次性加入 )l Cc CC-c S (C 组分低浓度有利 , 除尽更好 )幻灯

12、片27A 组分浓度对选择性的影响l A 组分浓度对选择性的影响 , 涉及到主副反应对 A 组分的反应级数。 然而我们也只关心反应级数 a与 a的相对大小l 换句话说 , C A (a-a)对S的影响 , 只存在三种情况 :l 当a-a >0 时 , CA C A (a-a) S l 当a-a <0 时 , CA C A (a-a) Sl 当a-a =0 时 , C A (a-a) =1, S不随 CA 而变l 因而只要知道a与a 的相对大小 , 就足以清楚 A 组分浓度对选择性的影响了。幻灯片28如何求取 , a-a的正负值l 为了求取 , a-a的正负值 , 可在同一温度下作两个

13、实验 : 试验一是将 A 组分一次性加入 ( 若温度无法控制的话 , 将 B 组分改为滴加 );试验二是将 A 组分慢慢滴加 , 则试验一即为高浓度的 A 组分 , 试验二为低浓度的 A 组 分。比较两实验的选择性。幻灯片29l 若 A 组分一次性加料 , 对比选择性提高 , 即 CA S , 说明a-a >0 a >a,A 组分一次性加料可提高其浓度 , 对反应选择性有利。l 若 A 组分一次性加料 , 选择性降低 , 即 CAS, 说明a-a <0 a<a,此时 A 组分应选择滴加。 幻灯片30l 上述推论的逆定理存在 , 主副反应级数差的正负值定了 , 加料方式变

14、化引起选择性的变化趋势也就定了。两者一一对应 , 互为因果关系 .l 就S=K C A (a-a) 而言,l K=KP/KS e-(Es-Ep)/ RT) CBb CC-c 幻灯片31l 由S=K C A (a-a),可得 S-CA 曲线 :l (c) a-a >0 幻灯片32动力学研究方法举例 l 温度效应、浓度效应对反应选择性的影响是个普遍存在的一般规律，但在不同的具体实例中往往体现出特殊性，有时某一种效应更重要，而另一种效应不显著。l 我们必须具体问题具体分析，在普遍性的理论原则指导下解决特殊的问题。幻灯片33这是一个既有平行副反应 ，又有连串反应的典型例子。 幻灯片34平行副反应

15、 幻灯片35实验得出：对P与Sl说来，加料方式对S基本没有影响 。T=80时，CP/CS1 =2 ( 色谱峰面积比)温度效应T=10时 , CP/CS1 = 5l 实验得出：l T=80时，CP/CS1 =2 ( 色谱峰面积比)l T=10时 , CP/CS1 = 5l 由此推论：l 由于 T S , 故 Evp<Evsl 在 10以上已无实验的必要 , 反应温度应控制在10以下。幻灯片36浓度效应l 对P与Sl说来，浓度效应不明显l 可以认为a-a0， b-b 0 。幻灯片37连串副反应 实验得出：T=80时，CP/CS2 =1 ( 色谱峰面积比)T=10时 , CP/CS2 = 10

16、当 CB 时 ( 滴加卤素时 ) CP/CS2 =15 当 CB 时 ( 一次性加入时 ) CP/CS2 =1幻灯片38温度效应l 实验得出：l T=80时，CP/CS1 =1 ( 色谱峰面积比)l T=10时 , CP/CS1 = 10l 由此推论：l 由于 T S , 故 Evp<Evsl 在 10以上已无实验的必要 , 反应温度应控制在10以下。幻灯片39浓度效应l 由动力学方程式 可推论 :l CA S2, A 组分高浓度有利于主反应 , 应一次加入。l Cp S2 , P 组分低浓度有利于主反应 , 在反应生成后尽可能移走。l B 组分的浓度效应不能直接看出, 由实验结果 :l

17、 当 CB 时 ( 滴加卤素时 ) CP/CS2 =15 l 当 CB 时 ( 一次性加入时 ) CP/CS2 =1l 可以推论：l b<b, bb <0, CB CB （ bb' ） S2 ,B 组分低浓度对主反应有利 , 应滴加。幻灯片40结论l 综合Sl与S2 , 设 S=f( S1 , S2)l 可得出结论 :l T S ( 温度效应 )l CA S ( 浓度效应 , 一次性加入 )l CB S ( 浓度效应 , 滴加有利 )l CP S ( 浓度效应 , 反应后尽可能移走 ) 幻灯片41动力学方法及其基本特征 l 首先定性反应产物l 跟踪定量反应产物l 分阶段研究

18、反应过程和分离过程l 程序升温法l 调节加料法幻灯片42首先定性反应产物l 动力学研究的目标是研究反应的选择性。提高主产物的生成与降低副产物的生成是一个问题的两个方面 , 因为两者的和是常数 , 此消彼长。l 既然把抑制副产物的生成作为主要目标 , 就应找出主要副产物是什么 , 研究主副反应在活化能、反应级数上的差异 , 进而研究主副反应竞争的影 响因素 , 这样才能找出有利于主反应而不利于副反应的温度、浓度条件。l 所有这一切 , 搞清副反应产物结构是必要前提 , 这就要求首先定性反应产物。幻灯片43l 要定性的反应产物是分析反应混合物的全部 组分。包括主产物 , 各副产物 , 各原料的物质

19、结构 , 它们在气相色谱、液相 色谱谱图上的相对位置和相对大小。这比分析纯品更有意义 , 原因是从混合 物的定性定量谱图中可以看出其中各组分的相对大小和各组分随温度和浓度 条件不同的变化。l 动力学研究方法要求副反应最小 , 而其他研究方法往往要求主反应最大 , 两 者比较虽然动机一致 , 方法与效果却差异很大。前者是在定性、定量分析的 基础上 , 对于不同的副反应采取不同的抑制方法 , 针对性强 , 对条件的分析 把握也最准确。后者的影响因素太多 , 难以理清思路。l 先定性方法非常重要 , 它是动力学方法的前提条件。幻灯片44定性的方法l 核磁共振、质谱、红外光谱、气相、液相色谱均可推测各

20、副产物 可能的结构。还可辅之以化学分析手段估计各组分的可能结构。幻灯片45定性反应产物的作用a. 首先搞清楚反应过程中有哪些副产物生成 ; b. 当有多个副产物时 , 重点找出最主要副产 物也就是生成量较多的副产物的结构 , 因为只有抑制了主要副反应 , 才能显 著提高主反应的选择性 ; c. 根据主要副产物的结构 , 研究其生成的化学反 应方程、速度方程和对比选择性方程 , 并据此进行温度效应、浓度效应分 析 ; d. 由对比选择性方程即可确定部分工艺条件 , 并据此编制获取活化能 相对大小和反应级数相对高低的试验方案。幻灯片46跟踪定量反应产物 在定性分析的基础上 , 对同一实验不同时刻各

21、组分的含量进行跟踪测 试 , 根据跟踪测试结果认识影响因素 , 再根据影响因素来调整实验方案。幻灯片47优点l 可在同一实验中考察原料、中间体、产物 , 各副产物在不同条件下的变化趋势 , 从一个实验中获取更多的信息 。l 可根据实验过程中的新现象调整和修改预定方案 , 使每一具体实验的目标多元化l 可以将不同时刻、不同组分的相对含量 , 整理成表格或曲线 , 从中不仅可以观察到不同组分的数量 , 还可以观察到各组分在不同阶段依不同条件的变化趋势和变化率 , 从而找出宏观动力学影响因素 , 并根据这些因素去调整温度、浓度因素 , 以提高选择性。幻灯片48l 应该指出 , 这里所说的 “ 定量

22、” 并非真正意义上的定量 , 它仅仅需要测定反应物系内各组分在不同工艺条件下气相色谱或液相色谱峰面积的相对 值。l 它不能代表各组分的实际含量 , 但它却能表示出各组分含量的相对 大小和各组分依不同条件的变化趋势 , 对于工艺条件的研究来说 , 这个程度 的信息已经足够 , 它相当于一个简化了的半定量方法。幻灯片49分阶段研究反应过程和分离过程l 人们往往习惯于每次实验都分离提纯出产品并计算收率。然而除特别简单的实验外这是不科学的。l A 研究开发的初始阶段，分离过程是不成熟也不可能成熟的，因此很难估算分离过程损失，这样所得产品的多少并不代表反应过程收率。幻灯片50 B 实验的最终结果是反应过

23、程与分离过程的总结果,影响因素太多，考查某一影响因素较难。 C 一个实验真正做到完成分离提纯的程度很难，往往后处理时间大大 多于反应时间，若每个实验都做到分离提纯，则单位时间内完成的实验次数势必大幅减少，工作效率降低。 D 为降低科研费用，往往进行微量制备，而很多微量制备的实验几乎不能完成全过程。比如说精馏，没有一定数量就无法进行。幻灯片51l E 在反应过程中直接取反应液进行中控分析最接近于反应过程的在线测试，最能反映出反应过程的实际状态，对于某一因素的变化的影响也最敏感,应用起来也最简便。l F 做好反应过程是分离过程研究的基础。副产物越少则分离过程越简单，因此在研究开发初始阶段进行分离过

24、程研究也不科学。l 总之，在研究开发的最初阶段，应先回避分离过程而仅研究反应过程。幻灯片52程序升温法l 通过比较两个不同反应温度条件下的反应结果 , 可以比较主副反应活化 能的相对大小 , 从而确定反应温度的选择范围。l 程序升温法一一一种反应温度的优化方法。l 程序升温法是在实验的最初阶段采用的。一般采取微量制备 , 物料量以 满足分析测试即可。为使放热反应的温度可控制 , 反应物料也不必成比例 ( 一般使某一种原料微量 ) 。在跟踪测试的基础上 , 采取程序升温的办法 , 往往一次实验即可测得反 应所适合的温度范围 , 并可得到主反应与某一特定副反应活化能的相对大小 和确认反应温度最佳控

25、制条件。 幻灯片53程序升温跟踪测试示意图 幻灯片54l 在 T1 温度下反应一段时间,取样 a 分析 ; 若未发生化学反应,则升温至 T2 后反应一段时间后取样 b 分析 ; 若发现反应已经发生,但不完全,则此时应鉴别发生的是否是主反应;若在 T2 温度下先发生的是主反应,则继续反应一段时间后取样C分析;若反应仍不完全,升温至 T3 后反应一段时间取样 d 分析;若仍不完全则升温至T4, 取e. ·· .直至反应结束。幻灯片55l 若样品 d 中无副产物 . e 中有副产物 , 说明 Ep<Es. 反应的优化温 度为 T4 以下 , 再在 T3 上下选择温控范围。若

26、样品 b 中发生的是副反应 , 则应立即升温 , 并适时补加原料 , 边升温 边取样 f 、 g 、 h 等 , 直至主反应发生。l 若主反应在较高温度时发生了 , 说明 Ep>Es. 反应应避开较低温度段。 Ep>Es 时程序升温过程应在缺少易发生副反应的那种主原料的情况下进行 , 即先预热反应底物至一定温度 , 再滴加未加入的原料 , 后滴加的原料用溶剂稀释效果更佳。l 由此可见 , 一次程序升温过程便可基本搞清楚主副反应活化能的相对大小和反应温度控制的大致范围 , 取得了事半功倍的效果。l幻灯片56优化的温度控制不是常量l 当 Ep<Es 时低温反应选择性高 , 但随着

27、反应的进行 , 反应物的浓度逐渐降低 , 反应速度逐渐减慢 , 为保持一定的反应速度和转化率以保证生产能力 , 就必须逐渐缓慢升温以加速化学反应 , 直至转化率达到目标 , 这才实现最佳控制。 l 优化的温度控制不一定也不应该是常量 , 对于主反应活化能 较低的反应过程 , 温度应是随转化率变化的变量。幻灯片57不同温度下转化率、选择性与收率关系幻灯片58(a) 为高温反应 , 转化率虽然高 , 但选择性低 ,收率较低。 (b) 为低温反应 , 选择性虽然高 , 但转化率低 , 单程收率仍然 较低。 当然 , 若容易回收未反应的原料 , 也是一种选择。 (c) 先低温反应 , 后缓慢升至高温反

28、应 , 显然单程收率最高 , 这就是程序升温过程的优势。幻灯片59调节加料法l S=KP/KS e-(Es-Ep)/RT C A (a-a) C Bb CC-cl 由于 a, a, b, c 均为正值 , B 组分一次性加入以实现 B 组 分的高浓度 , 对主反应有利 ;c 组分浓度越高对主反应越不利 , 应尽可能除 去。l A 组分浓度对对比选择性的影响还不能从理论上确定 , 则应通过实验比较加料顺序对选择性的影响。若 A 组分滴加有利于选择性 的增加 , 则说明a-a <0 a<a,若 A 组分一次性加入有利于选择性的提 高 , 则说明a-a >0 a >a。l 一

29、般地 , 对任意一组分 I 对S的影响 , 均可 比较 I 组分一次加入和滴加对反应选择性的影响 , 并相应得到 I 组分浓度对主副反应级数的相对大小 。幻灯片60l 滴加时间对 S 的影响没有必要讨论 , 因为需要滴加来提高选择性的组分 , 其浓度越低越好 , 滴加速度慢相当于降低了滴加组分在反应物系的浓度。l 浓度效应如此简单 , 仅仅通过改变加料次序即可知道某一组分对主副反应级数的相对大小。 幻灯片61新的化学反应过程研究 l 以 A+B P 为目标的化学反应 l 取 A 、 B 两组分和适量溶剂于 室温下加入反应器中 ( 其中 A 组分为微量 ) , 混合后取样分析讨论幻灯片62反应结果的温度效应分析 幻灯片63幻灯片64副产物 S 结构与浓度效应的关系 l 一般情况下 , 将可发生副反应的组分的浓度降低 , 则可减少该副反应。因此往往可以根据副产物的结构确定加料方式的调整方向。幻灯片65幻灯片66l 按照以上讨论结果安排试验和调整工艺条件，便可清楚地认识某一组分对主副反应级数的相对高低 ，并依此原理确定该组分的加料方式，以满足浓度效应的要求。 幻灯片67按动力学方法的工艺优化次序重复文献条件，对反应产物定性分析。变化反应温度确认主副反应活化能的相对大小并确定温度控制曲线。根