甲基丙烯酸缩水甘油酯的合成与分离研究

摘要

甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）是精细化工领域中一种重要的环氧基类单体，GMA分子内碳碳双键和环氧基的双官能团结构使得GMA广泛地应用于医药、感光材料、有机合成和聚合物改性等领域。 为了解决GMA的传统制备工艺中所存在的反应条件苛刻、催化剂不易得、环境污染严重等问题，本文在前人对酯化闭环法制备GMA的研究的基础上，以甲基丙烯酸（MAA）和环氧氯丙烷（ECH）为原料，以四甲基胍（TMG）为开环催化剂，经由酯化闭环法合成GMA。探究了反应过程中的各项工艺条件对中间开环产物甲基丙烯酸-3-氯-2-羟基丙酯产率（Y1）及GMA产率（Y2）的影响，并对TMG催化ECH开环的机理做出了详细解释。 在单因素实验的基础上，以原料摩尔比（MAA/ECH）、反应温度和催化剂用量为自变量，根据Box-Behnken试验设计原理，利用Design Expert软件建立模型，采用三因素三水平的分析方法模拟得到二次多项式回归方程的预测模型，优化GMA的合成工艺。方差分析显示，此回归模型对试验的拟合较好，可以对Y1和Y2进行很好的分析和预测，得到了各因素对Y1和Y2的影响关系。最佳优化条件为：n(MAA)∶n(ECH)为1∶2.26，反应温度81℃，催化剂用量1.4wt%，优化后的Y1为73.25%，Y2为63.17%，实测值与预测值的相对误差分别为1.89%和0.96%，说明最佳优化工艺是合理且可靠的。 另外，针对GMA合成体系所得的粗产物，设计了连续减压精馏精制GMA的工艺流程。借助Aspen plus软件对该工艺进行了模拟分析和流程优化，得出了精馏塔的最优操作参数（塔板数、进料位置、塔顶采出率、塔顶压力等），实验验证表明该优化后的流程可以实现GMA的有效分离。与此同时，针对该分离体系所进行的小试研究的结果说明，模拟值和实验值是高度吻合的，在验证了流程模拟的可靠性的同时也对该分离体系的工业放大具有一定指导意义。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 甲基丙烯酸缩水甘油酯概述

1.1.1 甲基丙烯酸缩水甘油酯简介

1.1.2 甲基丙烯酸缩水甘油酯的用途

1.2 甲基丙烯酸缩水甘油酯的国内外研究进展

1.2.1 甲基丙烯酸缩水甘油酯的合成路线

1.2.2 甲基丙烯酸缩水甘油酯的生产工艺研究进展

1.3 环氧氯丙烷开环反应简介

1.3.1 环氧化合物开环机理

1.3.2 环氧基开环催化剂的研究进展

1.3.3 环氧氯丙烷与甲基丙烯酸的酯化闭环反应

1.4.1 响应曲面概述

1.4.2 BBD试验设计

1.5 产物的分离

1.6 课题意义和研究内容

1.6.1 课题意义

1.6.2 研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1.1 主要实验试剂

2.1.2 主要实验仪器

2.2.1 实验装置图

2.2.2 实验操作流程

2.2.3 单因素实验设计

2.2.4 RSM试验设计

2.3 精馏实验验证

2.4 产物分析与计算方法

2.4.1 产物分析方法的建立

2.4.2 甲基丙烯酸-3-氯-2-羟基丙酯和GMA的GC-MS图谱

2.4.3 产率计算方法

第3章 开环催化反应研究及响应面法优化工艺条件

3.1 开环催化剂的筛选

3.2 开环反应的单因素实验

3.2.1 反应物摩尔比对收率和转化率的影响

3.2.2 催化剂用量对收率和转化率的影响

3.2.3 反应温度对收率和转化率的影响

3.2.4 反应时间对收率和转化率的影响

3.3 响应面法优化工艺条件

3.3.1 实验因素水平设计

3.3.2 回归模型的建立及显著性分析

3.3.3 响应面分析

3.3.4 响应面优化模型诊断

3.3.5 模型求解及验证

3.4 本章小结

第4章 甲基丙烯酸缩水甘油酯合成体系中GMA的分离研究

4.1 原料液的组成

4.2 物性方法及数据估算

4.3 工艺流程模拟

4.4 精馏塔的操作条件的确定

4.4.1 精馏塔T1操作条件的确定

4.4.2 精馏塔T2操作条件的确定

4.4.3 精馏塔T3操作条件的确定

4.4.4 模拟计算结果

4.5 模拟值与实验值的比较

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢