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老司机经验分享:如何实现合成工艺的创新和优化?

发布时间:2019-10-14 来源:漫游药化 阅读:454

合成工艺的创新

合成工艺创新是有机合成中一个很重要得方面,涉及到许多方面的问题,本文只是从合成的角度来探讨一下。好的合成工艺可以使一个频临灭绝的产品死而后生,可以使一个频临倒闭的化工企业死灰复燃,可以是一个好的化工企业蒸蒸日上,锦上添花。最好的合成工艺创新,应该首先从创造性地合成路线入手,如果您研究的合成路线,在国内外没有报道,那么就是最先进的,如果成本很低,就会取得巨大的成功,相反,只是重复国内外的文献,那么,你的工艺也就跟别人没啥两样,别人可能比你做的更好。怎样进行合成路线创新?

1.进行详细的文献调研,掌握文献中各种合成路线,详细分析每条路线的优缺点,从而设想出自己的合成路线。

2.参考同系列产品的合成路线,有时,可以从同系列产品的合成路线得到借鉴

3.搜索该产品的中间体,就可知道目前国内外的合成路线。这时就可以设计自己的新的合成路线了

4.在目前的合成路线基础上,进行优化,改变价格高的原料为价格低的原料,例如,如反应中用氢化钠作为碱,则可尝试采用氢氧化钠,氢氧化钾等便宜的碱代替

5.如果有一部反应的收率很低,那么该步反应就是你的公关对象,通过优化反应条件,获得较高收率,那你就取得了成功。

合成工艺的优化

1)合成工艺的优化主要就是反应选择性研究

有机合成工艺优化是物理化学与有机化学相结合的产物,是用化学动力学的方法解决有机合成的实际问题,是将化学动力学的基本概念转化为有机合成的实用技术。

反应的目标是提高收率,但是影响收率的因素较多,使问题复杂化。化学动力学的研究目标是提高选择性,即尽量使消耗的原料转化为主产物。只有温度和浓度是影响选择性的主要因素。在一定转化率下,主副产物之和是一个常数,副产物减少必然带来主产物增加。提高转化率可以采取延长反应时间,升高温度,增加反应物的浓度,从反应体系中移出产物等措施。

温度范围的选择

在两个反应温度下做同一合成实验时,可以根据监测主副产物的相对含量来判断主副反应活化能的相对大小,由此判断是低温还是高温有利于主反应,从而缩小了温度选择的范围。实际经验中,一般采取极限温度的方式,低温和高温,再加上二者的中间温度,可判断出反应温度对反应选择性的影响趋势。

某一组分浓度的选择

在同一温度下(第一步已经选择好的温度下),将某一组分滴加(此组分为低浓度,其他组分就是高浓度)或一次性加入(此组分为高浓度,其他组分就是低浓度)进行反应,就可根据监测主副产物的相对含量来判断该组分是低浓度还是高浓度有利于主反应。确定了某一组分的浓度影响,接下来就是研究该组分的最佳配比问题。相同的条件下,再确定其他组分浓度的影响。

2)定性反应产物

动力学研究方法要求副反应最小,而其他方法要求主反应最大。因此研究反应的选择性,搞清副反应的产物结构是必要地前提。在条件允许的情况下,应尽量分析反应混合物的全部组分,包括主产物,各种副产物,分析他们在气相色谱、液相色谱或薄层色谱上的相对位置和相对大小。从而可以看出各组分的相对大小及各组分随温度和浓度条件不同的变化。对不同的副反应采取不同的抑制方法。

首先搞清反应过程中那些副产物生成;

重点找出含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;

根据主要副产物的结构,研究其生成的机理,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;

由对比选择性方程确定部分工艺条件,并据此设计获取活化能相对大小和反应级数相对高低的试验方按。

也应该找出最难除去的杂质的结构,进行(3),(4)的方法研究。

3) 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,再根据影响因素调整实验方案。

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,从一个实验中尽可能获取更多的信息,实验效率大大提高。

根据实验过程中的新现象调整和修改预定方按,使每一具体实验的目标多元化,即可使每一次实验的目的在实验中调整和增加,从而提高工作效率和研究开发进度。

将不同时刻、不同组分的相对含量,整理成表格或曲线,从数据表或曲线中观察不同组分的数量,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。这里的定量并非真正的含量,只是各组分的相对值。

4)分阶段研究反应过程和分离过程

大多数人习惯于每次实验部分都分离提纯产品并计算收率。然而,除非简单的实验外这是不科学的。

研究开发的初始阶段,分离过程是不成熟的,很难估算分离过程损失,这样,所得产品不能代表反应收率。

实验的最终结果是反应过程与分离过程的总结果,影响因素太多,考察某一影响因素太难。

一个实验真正做到完成分离提纯的程度很难,往往后处理时间多于反应时间,若每个实验都做到提纯分离,则工作效率降低。

为降低科研费用,往往进行微量制备,而微量制备的实验几乎不能完成全过程。比如精馏,没有一定数量就无法进行。

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,应用起来方便。

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。

5)程序升温法确定温度范围

程序升温法是另一种反应温度的优化方法。其是在实验的最初阶段采用的。一般采用微量制备,物料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,采取程序升温大方法,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制条件。一次程序升温过程便可基本搞清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。在低温有利于主反应的过程中,随着反应的进行,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的进行,直至转化率达到目标,这才实现最佳控制。

6)调节加料法

滴加的功能有两个,(1)对于放热反应,可减慢反应速度,使温度易于控制。(2) 控制反应的选择性,对每种原料都应采取是滴加还是一次性加入对反应选择性影响的研究。如果滴加有利于选择性,则滴加时间越慢越好。如不利于选择性的提高,则改为一次性的加入。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。因此必须具体问题具体分析,在普遍的理论原则指导下解决特殊的问题。

7)动力学方法的工艺优化次序

i.有了上面所述的方法,一般的工艺优化需要按以下的步骤进行。

反应原料的选择:反应原料的选择除了考虑廉价易得的主要因素外,另一个必须考虑的因素是副产物的形成,所用的原料应该尽可能以不过多产生副反应为准,原料的活性应该适当,活性高了相应的副反应形成的速度也就加大了,原料的反应点位应该尽可能少,以防进行主反应的同时进行副反应。

ii.溶剂的选择:主要根据反应的性质和类型来考虑:非质子极性溶剂:乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮;质子极性溶剂:水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇等;极性非常小的溶剂:石油醚、正己烷、乙酸乙酯、卤代烃类、芳香烃类等。

iii.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。

iv.根据副产物的结构改变加料方式,以确定主副反应对某一组分的反应级数的相对大小并确定原料的加料方式。此时反应选择性已达最佳。

v.选择转化率的高低。力求转化完全或回收再用。此时反应收率最佳。

vi.选择简单的分离方式并使分离过程产物损失最小。此时优化的工艺大到了。

vii. 酸碱强度的影响:强酸还是弱酸,强碱还是弱碱,有机酸还是有机碱。在质子性溶剂中一般选择无机碱,因为此时无机碱一般溶于这类溶剂中使反应均相进行,例如氢氧化钠、氢氧化钾溶于醇中,但是弱无机碱碳酸钠等不容于该类溶剂,须加入相转移催化剂;在非质子极性溶剂中一般选择有机碱,此时反应为均相反应,若选择无机碱一般不溶于该类溶剂,也需加入加入相转移催化剂。

viii.催化剂的影响:相转移催化剂,无机盐,路易斯酸,路易斯碱。



关键词:合成工艺

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