低共熔法分离苯羧酸混合物及分离机理的研究

摘要

苯羧酸(BCAs)是苯环上连接有不同数目羧基化合物的总称，共有12种不同结构的羧酸，其中每种羧酸化合物均具有广泛的化工用途。然而在合成苯羧酸过程中往往得到的是苯羧酸混合物，需要进一步分离才能得到产品。由于BCAs性质相似，实现该混合物的分离是个难题。目前，低共熔溶剂凭借着蒸汽压低、易回收、可生物降解的优点吸引了学者的注意力，在萃取分离领域得到人们的重视。
　　课题组前期发现在丁酮溶剂中，季铵盐可以和羧酸形成低共熔混合物，从而将羧酸从丁酮溶剂萃取出来，但丁酮对BCAs的溶剂能力较低，限制此方法的使用。本文研究发现，丙酮溶剂对羧酸溶解度较高，并且季铵盐、内盐和其他可以接受质子的氢键受体均可以将苯羧酸从丙酮溶剂中以低共熔溶剂的形式萃取出来。因此，本文的研究内容为使用不同种类的氢键受体:如季铵盐（氯化胆碱、四甲基氯化铵、四乙基氯化铵）、内盐（甜菜碱、左旋肉碱）和其他氢键受体（乌洛托品、烟酰胺、茶碱、肌酐）萃取分离单一的均苯四甲酸和偏苯三甲酸、两者的混合物以及苯三甲酸同分异构体混合物，并利用高斯09的DFT/B3LYP的方法对氢键受体及苯羧酸化合物分子的偶极矩值、静电势分布和成键轨道性质、两者之间的氢键键能进行了计算，说明了分离机理。本文得到的主要结论如下:
　　(1)通过计算发现，均苯四甲酸偶极矩值大于偏苯三甲酸，容易发生分子间作用，且均苯四甲酸与氯化胆碱、乌洛托品及左旋肉碱之间的氢键键能大于偏苯三甲酸与对应的氢键受体的氢键键能，实验过程中，均苯四甲酸先于偏苯三甲酸被萃取出来;
　　(2)氯化胆碱可实现均苯四甲酸和偏苯三甲酸混合物的分离。通过计算得到丙酮对偏苯三甲酸的溶剂化自由能大于偏苯三甲酸和氯化胆碱之间的氢键键能，实验过程中，氯化胆碱只和丙酮溶剂中的均苯四甲酸形成低共熔混合物而与偏苯三甲酸不发生作用，实现均苯四甲酸和偏苯三甲酸的高效分离。
　　(3)四乙基氯化铵可以实现苯三甲酸同分异构体混合物的分离。通过计算得到，连苯三甲酸偶极矩值最大，均苯三甲酸次之，偏苯三甲酸最小，连苯三甲酸最容易发生分子间作用;连苯三甲酸与四乙基氯化铵氢键键能最大，均苯三甲酸次之，偏苯三甲酸最小。实验过程中，苯三甲酸同分异构体被萃取的顺序为连苯三甲酸、均苯三甲酸、偏苯三甲酸。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 前言

1．2 苯羧酸概述

1．2．1 苯羧酸的种类

1．2．2 苯羧酸的用途

1．2．3 苯羧酸的合成方法

1．3 苯羧酸混合物的分离

1．3．1 溶剂重结晶法

1．3．2 溶剂洗涤法

1．3．3 升华精制法

1．3．4 柱层析分离法

1．4 低共熔溶剂及其在分离中的应用

1．4．1 低共熔溶剂的定义

1．4．2 低共熔溶剂的性质

1．4．3 低共熔溶剂在分离中的应用

1．5 量子化学及其在混合物分离机理方面的应用

1．5．1 量子化学概述

1．5．2 量子化学在探究分离机理中的应用

1．6 课题的提出

1．7 本课题的研究内容

第二章 低共熔法分离苯羧酸混合物

2．1 实验试剂及仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 实验步骤及实验内容

2．3 结果与讨论

2．3．1 有机溶剂和氢键受体的选择

2．3．2 反应时间的研究

2．3．3 氢键受体萃取单一均苯四甲酸和偏苯三甲酸

2．3．4 氢键受体分离均苯四甲酸和偏苯三甲酸混合物

2．3．5 氢键受体分离苯三甲酸同分异构体

2．3．6 氢键受体的再生

2．4 小结

第三章 氢键受体和羧酸作用机理的研究

3．1 实验表征

3．2 模拟计算

3．2．1 计算方法

3．2．2 计算过程

3．3 结果与讨论

3．3．1 低共熔混合物红外表征

3．3．2 低共熔混合物熔点测定

3．3．3 静电势及电荷分布

3．3．4 分子偶极矩

3．3．5 分子轨道及轨道能级

3．3．6 DES混合物结构优化及作用力计算

3．4 小结

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果情况

作者和导师简介