近红外光谱分析技术在2,3,5-三甲基氢醌生产工艺中的应用研究

摘要

2，3，5-三甲基氢醌（2，3，5-trimethyl hydroquinone，TMHQ）是合成维生素E的重要中间体，随着近年来维生素E的广泛应用，TMHQ市场需求量逐年增大。合成TMHQ有诸多方法，其中2，3，6-三甲基苯酚(2，3，6-trimethylphenol，TMP)氧化还原法是合成TMHQ较为先进的方法，其反应步骤少，条件温和，是目前工艺研究的热点。TMHQ完整的生产过程包括氧化、萃取、中和、洗涤、浓缩、还原、离心过滤、真空干燥等一系列操作。生产过程中有较多的工艺参数，都影响最终的产品产量与质量，然而实际生产中部分参数的控制仅由经验较丰富的工人手工完成，即使使用传统的检测手段例如高效液相色谱等，需要对样品进行繁琐的前处理，且检测结果严重滞后于生产过程，不能及时发现问题。传统的生产方式暴露出诸多弊端。生产过程工艺参数的不稳定将会导致产品质量不稳定、批间差异大等问题。因此，研究发展快速有效的用于监控工艺参数的过程分析方法具有很大应用价值。
　　近红外光谱分析技术(NIRS)是一种过程分析工具，它具有快速无损等优点，在制药、化工等领域已有广泛应用。
　　本课题以TMHQ生产工艺中萃取、氢化还原反应和真空干燥过程为研究点，采用近红外光谱分析技术结合化学计量学方法，建立此三个关键工艺环节的过程分析模型。
　　具体研究内容如下:
　　1、优化了TMBQ(2，3，5-trimethylbenzoquinone，TMBQ)粗品的提纯方法，对水蒸气蒸馏装置做了改进。考察连二亚硫酸钠、钯碳氢气、水合肼、硼氢化钠四种还原剂还原TMBQ的效果，最终选择钯碳氢气还原法，并优化了工艺参数。
　　2、以萃取过程为研究对象，收集66个样品，采用偏最小二乘法(PLS)建立萃取过程中TMBQ的定量分析模型。通过间隔偏最小二乘法(iPLS)，相关系数法，连续投影算法(SPA)进行光谱区间的优化。最终采用iPLS选出的4385.33cm-1-5152.86 cm-1，5928.11 cm-1-6309.94 cm-1波段作为最终建模区间，验证集预测均方根误差RMSEP=0.1350，验证集相关系数R。=0.996所建模型预测快速准确，可以用于TMBQ萃取过程的快速检测。
　　3、首先使用高效液相色谱(HPLC)建立TMBQ与TMHQ的检测方法，通过该方法获取一级数据，再使用近红外光谱仪采集氢化还原反应中的反应液光谱，使用PLS算法关联光谱数据与一级数据，分别建立反应物与产物的定量分析模型，采用人工波段选择、CARS-PLS算法等优化波段选择，实现氢化还原反应的快速过程监测，并可以判断反应中的异常状况。
　　4、人工配制具有一定湿度梯度的TMHQ固体样品，采用光纤漫反射的方式采集光谱，应用PLS算法建立水分含量的近红外分析模型，考察多种预处理方法与波段选择方法，对模型进行优化。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 前言

1 TMP法研究进展

1．1 氧化反应研究进展

1．2 还原反应研究进展

1．3 TMP直接合成TMHQ研究进展

2 近红外光谱分析技术

2．1 近红外光谱分析技术的原理及特点

2．2 近红外光谱分析流程

2．3 近红外光谱定性、定量分析方法

2．4 定量分析模型评价指标

2．5 近红外光谱分析技术常用预处理方法

2．6 近红外光谱分析技术变量选择方法

2．7 近红外光谱在化工中的应用

3 本课题研究的主要内容

第二章 2，3，5-三甲基氢醌生产工艺优化研究

1 实验仪器与试剂

1．1 仪器

1．2 试剂

2 方法

2．1 氧化反应步骤

2．2 TMBQ粗品提纯步骤

2．3 使用连二亚硫酸钠、硼氢化钠、水合肼还原步骤

2．4 使用钯碳氢气还原步骤

3 结果

3．1 TMBQ粗品提纯条件优化

3．2 还原反应条件优化

3．3 钯碳催化还原机理推断

4 结论

第三章 三甲基苯醌粗品萃取过程定量模型优化研究

1 实验仪器与试剂

1．1 仪器

1．2 试剂

2 方法

2．1 样品制备和处理

2．2 光谱采集

2．3 样品集划分

2．4 模型建立与优化

2．5 重复性考察

2．6 气相色谱检测

3 结果

3．1 校正集与验证计划分

3．2 预处理方法的选择

3．2 异常样本的剔除

3．3 波段选择结果

3．4 小结

3．5 重复性试验考察

3．6 NIR预测考察

4 讨论

第四章 还原反应近红外光谱建模研究

1 实验仪器与试剂

1．1 仪器和软件

1．2 试剂

2 方法

2．1 还原反应条件

2．2 样品采集

2．3 HPLC方法

2．4 近红外光谱分析方法

3 结果

3．1 HLPC方法学考察

3．2 近红外光谱分析

3．3 反应过程监测

4 讨论

第五章 TMHQ干燥失重的建模研究

1 实验仪器与试剂

1．1 仪器

1．2 试剂

2 方法

2．1 TMHQ样品的制备

2．2 TMHQ干燥失重的测定

2．3 TMHQ近红外光谱的采集

2．4 样品集划分

2．5 异常样本的剔除

2．6 预处理方法选择

2．7 特征波段选择

2．8 重复性考察

3 结果

3．1 样品集划分

3．2 异常样品的判别

3．3 预处理方法考察

3．4 特征波段的选择

3．5 最终模型

3．6 重复性考察

3．7 模型预测

4 讨论

论文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢