单腈在近临界水中的水解反应研究

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近临界水(Near-critical water,NCW)通常是指温度在170℃-350℃之间的液态压缩水,其性质与常态水有较大改变。NCW具有电离常数大和介电常数小的特点,因而具有酸碱催化功能以及对有机物和无机物较强的溶解性能,加之物化特性可调控的特点。这些优异的特性使它既可以作为催化剂又可以作为反应物和溶剂。NCW的酸碱催化性能可以减少甚至消除无机酸、碱的使用,其优良的溶解性可以替代大量的有机毒性溶剂,从而使反应过程绿色化。因此近临界水在反应、分离以及废弃物的处理等领域具有广阔的应用前景。腈类化合物是一种含有氰基(-CN)特征官能团的重要化学化工物质,其水解反应广泛应用于氨基酸、酰胺、羧酸及其衍生物的合成方面,在有机合成中占有十分重要的地位。到目前为止,关于近临界水中腈类化合物水解反应特别是对多官能团或者含杂原子腈类物质的水解反应研究比较少,同时缺乏规律性的探索和总结。本论文选取烟腈和氰乙酸乙酯作为研究对象,采用间歇式高温高压反应釜,研究其在近临界水中各反应因素对水解产物产率的影响规律,并初步考察了其反应动力学特征。烟腈是含吡啶环腈类化合物的代表,其水解产物为烟酰胺和烟酸。本论文在近临界水中研究了温度、时间、反应物和水质量之比(称为:物料比,R/W)及压力对烟腈水解及水解产物产率的影响,并系统测定了烟腈及其水解中间产物烟酰胺的水解反应动力学数据。结果表明,温度对烟腈的水解反应有很大的影响,在不同的实验条件下,可以高选择性地得到烟酰胺和烟酸。以一级连串反应对实验数据拟合得到了烟腈和烟酰胺水解的活化能分别为55.1±1.7 kJ/mol和86.5±1.9 kJ/mol。结果表明在低温时有利于烟酰胺的生成,而高温时主要产物则为烟酸。在对氰乙酸乙酯在近临界水中的水解研究中发现,酯基的水解速率远远大于氰基的水解速率,其最终产物为乙醇、乙酰胺和乙酸,并提出了氰乙酸乙酯在近临界水中的可能反应机理。在实验温度条件下,氰乙酸乙酯水解生成的氰乙酸很快全部脱羧生成乙腈和二氧化碳,同时考察了反应温度、反应时间、物料水比及压力对氰乙酸乙酯水解产物产率的影响。实验表明在320℃、60min、物料比1:500及15MPa下,水解产物中无乙腈存在,而且此时乙酸产率最大为85.5%。近临界水作为催化剂和溶剂有效地实现了烟腈和氰乙酸乙酯的水解,从而避免了传统水解加入强酸或强碱所带来的环境污染以及复杂的分离程序,同时为研究腈类化合物在近临界水中的水解反应规律提供了重要的基础数据。近临界水在含杂原子腈类水解上的成功案例,有望拓展近临界水在同类化合物以及其他类型化合物水解上的应用,并最终推动该领域的研究发展。
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