高 波

(盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程分院，遼寧 盤錦 124000)

1-環(huán)己基乙胺(C8H17N)是一種重要的有機(jī)合成原料和中間體，廣泛用于醫(yī)藥生產(chǎn)和化工生產(chǎn)。在醫(yī)藥行業(yè)，常用做合成治療心血管疾病的藥品中間體。隨著精細(xì)化工新產(chǎn)品的不斷開發(fā)，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，需求量逐年增加，對它的質(zhì)量也有更高要求，但國內(nèi)目前所用工藝產(chǎn)率低，三廢多，生產(chǎn)路線不太合理，因此該產(chǎn)品的合成研究具有一定的工業(yè)化價值。

為深入了解本反應(yīng)過程，進(jìn)而指導(dǎo)有關(guān)研究和生產(chǎn)過程，以一種很好的手性助劑及合成原料[1]，且是重要精細(xì)化學(xué)品中間體的α-苯乙胺為原料，Pd/C為催化劑[2]，通過催化加氫制備1-環(huán)己基乙胺，在合成過程中，通過正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計及驗(yàn)證[3]，得出了催化加氫的最佳條件，得到較好的反應(yīng)效果，提高了產(chǎn)率。

1 實(shí)驗(yàn)原理

α-苯乙胺于高壓釜中以乙醇為溶劑，Pd/C為催化劑，用氫氣、氮?dú)夥謩e置換三次除去空氣，生成1-環(huán)己基乙胺。

2 儀器及試劑

2.1 儀器

主要儀器設(shè)備及參數(shù)見表1及表2。

表1 主要儀器設(shè)備

表2 磁力驅(qū)動高壓釜參數(shù)

2.2 試劑

本實(shí)驗(yàn)中用到的主要試劑及產(chǎn)物有 α-苯乙胺、乙醇、1-環(huán)己基乙胺等，具體見表3。

表3 試劑相關(guān)信息

3 實(shí)驗(yàn)計劃

3.1 預(yù)實(shí)驗(yàn)

取6 ml α-苯乙胺溶于150 ml乙醇中，取3%的Pd/C催化劑加入高壓釜，設(shè)定反應(yīng)溫度為110 ℃，反應(yīng)壓力為4.0 MPa，攪拌速度為600 r/min，反應(yīng)4 h，做兩組預(yù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。

表4 預(yù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在所選取的預(yù)實(shí)驗(yàn)條件下，能夠得到一定的產(chǎn)量，但產(chǎn)率不高，需進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以便得到最佳反應(yīng)條件。

3.2 正交實(shí)驗(yàn)安排

本實(shí)驗(yàn)采用溫度A、壓力B、攪拌速度C、催化劑的量D等四因素三水平正交試驗(yàn)，正交因素水平的安排見表5。

表5 因素水平表

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

按上述正交試驗(yàn)安排進(jìn)行催化加氫實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 正交試驗(yàn)表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表6的數(shù)據(jù)對實(shí)驗(yàn)影響因素進(jìn)行如下討論：

4.1 溫度對產(chǎn)率的影響

將正交表中的溫度與產(chǎn)率作圖(如圖1)，結(jié)果表明，在120 ℃時，產(chǎn)率最高，是較適宜的條件；溫度太低，不利于反應(yīng)進(jìn)行，而較高的反應(yīng)溫度會發(fā)生副反應(yīng)，影響收率。

圖1 溫度與產(chǎn)率關(guān)系圖

將正交表中的壓力因素與產(chǎn)率作圖(如圖2)，結(jié)果表明，較低的壓力下產(chǎn)率相對較低，隨著壓力增大，產(chǎn)率有一定程度的上升，但在壓力為5-7MPa范圍內(nèi)產(chǎn)率都較高且極差不大。

圖2 壓力與產(chǎn)率關(guān)系圖

壓力對加氫反應(yīng)的產(chǎn)率有影響，壓力太低會導(dǎo)致氫氣與催化劑接觸不良，從而影響產(chǎn)率，適當(dāng)?shù)脑龃髩毫τ欣诩託浞磻?yīng)的進(jìn)行；然而壓力太大會影響反應(yīng)釜的使用壽命。因而選擇6.0 MPa為本實(shí)驗(yàn)的最佳壓力條件。

4.3 轉(zhuǎn)速對產(chǎn)率的影響

將正交表中的轉(zhuǎn)速與產(chǎn)率作圖(如圖3)，結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速600 r/min下加氫產(chǎn)率最高，此外由圖可以看出在(400-800)r/min轉(zhuǎn)速內(nèi)產(chǎn)率極差很小，可以認(rèn)為在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)加氫反應(yīng)效果相近。

圖3 轉(zhuǎn)速與產(chǎn)率關(guān)系圖

不同的轉(zhuǎn)速會對加氫反應(yīng)的產(chǎn)率有不同的影響，轉(zhuǎn)速過高過低會導(dǎo)致催化劑與氫氣接觸不完全，從而使加氫反應(yīng)進(jìn)行不完全，導(dǎo)致產(chǎn)率過低；另外過高的轉(zhuǎn)速也會影響反應(yīng)釜的使用壽命，因此合適的轉(zhuǎn)速為600 r/min。

4.4 催化劑的量對產(chǎn)率的影響

將正交表中催化劑的量與產(chǎn)率關(guān)系作圖(如圖4)，結(jié)果表明，催化劑的量為5%時產(chǎn)率最高，因此催化劑的量為5%為最佳條件。

圖4 催化劑的量與產(chǎn)率關(guān)系圖

催化劑的量對加氫反應(yīng)的產(chǎn)率有很大程度的影響，催化劑含量低會導(dǎo)致反應(yīng)不完全，產(chǎn)率偏低；催化劑用量太多會造成浪費(fèi)。本實(shí)驗(yàn)以Pd/C為催化劑，Pd/C是貴金屬催化劑[4]，為在節(jié)約成本的前提下得到較好的收率，必須確定催化劑的合理用量。

4.5 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)

由圖4可以看出5%催化劑條件下加氫反應(yīng)產(chǎn)率最高，3%催化劑的產(chǎn)率也較高，考慮到催化劑成本問題，進(jìn)行一組補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，討論在催化劑的量為3%的條件下延長反應(yīng)時間，觀察加氫反應(yīng)的產(chǎn)率是否可達(dá)到催化劑的量為5%的效果，采用最佳反應(yīng)條件，即溫度120 ℃，壓力6.0 MPa，轉(zhuǎn)速600 r/min，催化劑的量為5%時，反應(yīng)時間4 h，加氫反應(yīng)的產(chǎn)率為90.37%，將催化劑的量為3%時的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表7。

表7 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，延長反應(yīng)時間可以使催化劑的量為3%的加氫產(chǎn)率基本達(dá)到催化劑的量5%時的效果，且反應(yīng)6 h與反應(yīng)7 h產(chǎn)率近似，因此可用3%的催化劑反應(yīng)6 h作為最佳催化劑條件。

4.6 最佳試驗(yàn)條件驗(yàn)證

在正交實(shí)驗(yàn)所得的最佳條件下，進(jìn)行3次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，最佳實(shí)驗(yàn)條件是溫度120 ℃，壓力6.0 MPa，攪拌速度600 r/min，催化劑的量為3%，反應(yīng)6 h，平均收率為91.24%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果見表8：

表8 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明重復(fù)性較好，最佳條件合適。

5 結(jié)論

以α-苯乙胺為原料，乙醇為溶劑進(jìn)行反應(yīng)時，得到以下條件：

1.反應(yīng)溫度為120 ℃時，產(chǎn)率最高，高溫會導(dǎo)致副反應(yīng)影響產(chǎn)率，即溫度為120 ℃是反應(yīng)的最佳溫度條件。

2.壓力為7.0 MPa時反應(yīng)進(jìn)行較快，加氫充分，產(chǎn)率最高，但壓力太大反應(yīng)會影響高壓釜使用壽命，而壓力為6.0 MPa時催化劑產(chǎn)率也比較高，因此認(rèn)為壓力為6.0 MPa時是反應(yīng)的最佳壓力條件。

3.攪拌速度對加氫反應(yīng)進(jìn)程有一定影響，轉(zhuǎn)速在(400-800)r/min內(nèi)，適當(dāng)增大轉(zhuǎn)速利于反應(yīng)進(jìn)行，若攪拌速度太快或太慢，催化劑與氫氣接觸不完全，從而導(dǎo)致反應(yīng)進(jìn)行緩慢甚至不進(jìn)行，由反應(yīng)結(jié)果得知轉(zhuǎn)速為600 r/min時，催化加氫產(chǎn)率最高，所以600 r/min是反應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速。

4.催化劑的量對加氫反應(yīng)的進(jìn)行有較大影響，催化劑的量越大加氫反應(yīng)越完全，產(chǎn)率越高。因此5%催化劑是最佳條件，但是考慮到催化劑成本，進(jìn)行了幾組補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，得出數(shù)據(jù)證明催化劑的量為3%時，反應(yīng)時間延長至6 h的催化產(chǎn)率與5%的催化劑效果相近，因此可將3%的催化劑的量作為最佳反應(yīng)條件。

5.在相對弱的條件下進(jìn)行加氫反應(yīng)需要更長的時間，若延長反應(yīng)時間，較弱的反應(yīng)條件也能得到相對可觀的收率。