一种基于响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的方法技术

一种基于响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的方法，该方法是应用浸渍法制备的KF/γ

【技术实现步骤摘要】
一种基于响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的方法


[0001]本专利技术属于碳酸酯制备
，涉及一种基于响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的方法。

技术介绍

[0002]碳酸二甲酯，化学式为C3H6O3，是一种低毒、环保性能优异、用途广泛的化工原料，是一种重要的有机合成中间体，分子结构中含有羰基、甲基和甲氧基等官能团，具有多种反应性能，在生产中具有使用安全、方便、污染少、容易运输等特点。目前，碳酸二甲酯是国际上备受关注的绿色化学品，一方面碳酸二甲酯有望在诸多领域全面取代光气、硫酸二甲酯、氯甲烷及氯甲酸甲酯等剧毒或致癌物进行羰基化、甲基化、甲酯化及酯互换等反应；另一方面，以碳酸二甲酯为原料可以开发、制备多种高附加值的精细化学品，在医药、农药、染料、润滑油添加剂、食品增香剂、电子化学品等领域得到普及应用；其三，作为链状碳酸酯，其具有相对介电常数低、黏度低、熔点低等特点，为锂离子电池电解质的重要组成部分，随着我国大力发展新能源市场需求与日俱增，在当前锂电行业发挥着无可替代的作用。所以，碳酸二甲酯被誉为21世纪有机合成的一个“新基块”，大力推动了我国的绿色化工产业的发展。
[0003]现阶段工业上用于合成碳酸二甲酯的方法主要有光气法、酯交换法、氧化羰基化法、尿素醇解法等，相比而言，酯交换合成方法具有产率高、无毒无腐蚀、反应过程温和等特点，同时，通过酯交换法联产二醇可大幅度提升该反应的工业经济效益，实现碳资源的有效利用，是一种极具价值的合成方法。
[0004]专利CN 109232250A公开了一种在维持碳酸二甲酯高选择性的前提下提高生产效率的方法；专利CN 110818565A公开了一种制备碳酸二甲酯的新型工艺技术，实现了该工艺的高效节能与连续稳定；专利CN 111848400A公开了一种反应精馏耦合萃取精馏制取碳酸二甲酯的工艺，减少了工艺中大量蒸汽和冷量的消耗；但是以上对于制备碳酸二甲酯的大型工艺研究过程中，往往需要通过多次全流程反应来确定最佳反应条件，而一次全流程反应只研究一个影响因素的研究方法极其低效，为进一步完善高效的碳酸二甲酯制备工艺、掌握该反应影响参数间的交互作用并通过有限次试验来评估反应情况的理论计算工作尤为重要。响应面设计是一种有效的统计和优化方法，与传统的均匀设计与正交设计相比，响应面法具有试验精度高、试验次数少、数学模型预测性好等优点，且能反映各因素与响应值之间的关系，为后续的研究工作提供理论依据。

技术实现思路

[0005]本专利技术涉及一种基于响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的方法和应用，该方法是应用浸渍法制备的KF/γ
‑
Al2O3高碱性负载催化剂在圆底烧瓶中催化碳酸乙烯酯与甲醇的酯交换反应，通过气相色谱
‑
质谱联用仪对反应产物进行定性、定量分析，应用外标曲线法计算出碳酸二甲酯的收率，在单因素试验基础上采用响应面法进行优
化。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种基于响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的方法和应用，该方法是应用浸渍法制备的KF/γ
‑
Al2O3高碱性负载催化剂在圆底烧瓶中催化碳酸乙烯酯与甲醇的酯交换反应，通过气相色谱
‑
质谱联用仪对反应产物进行定性、定量分析，应用外标曲线法计算出碳酸二甲酯的收率，在单因素试验基础上采用响应面法进行优化，具体操作按下列步骤进行：
[0008]a.KF/γ
‑
Al2O3负载型催化剂的制备：采用等体积浸渍法，取KF
·
2H2O固体粉末溶解于去离子水中，剧烈搅拌充分溶解，配制出一定浓度的氟化钾溶液，在持续搅拌的状态下加入固体γ
‑
Al2O3载体，将混合液于室温老化10～20h，置于烘箱中在100～120℃下干燥后在500～600℃下焙烧3～6h，其中KF
·
2H2O固体粉末与固体γ
‑
Al2O3载体的质量比为0.1～0.3；
[0009]b.将甲醇与碳酸乙烯酯、KF/γ
‑
Al2O3负载型催化剂按照规定的摩尔比加入至具有水冷式冷凝器反应容器中，开启磁力搅拌并保证反应全程在同一温度下进行；
[0010]c.到达规定的反应时间时立刻停止反应，将得到的反应液在5000～6000r/min下离心2～5分钟，收取上层清液用于后续测试；
[0011]d.将定量的反应液与溶剂乙腈均匀配制成标样用于气相色谱
‑
质谱联用仪检测，分析产物情况，通过外标曲线计算出碳酸二甲酯收率；
[0012]e.运用Design
‑
Expert 12.0软件进行Box
‑
Behnken响应面优化设计，以碳酸二甲酯的收率为响应值，采用三因素三水平的响应面分析法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的反应，所述的三因素包括反应温度、醇酯比和KF/γ
‑
Al2O3负载型催化剂占甲醇质量的百分数。
[0013]进一步地，基于响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的数学模型为：碳酸二甲酯收率Y与反应温度A、醇酯比B、KF/γ
‑
Al2O3负载型催化剂占甲醇质量的百分数C之间的关系为：
[0014]Y＝71.44+2.58A+10.19B+4.36C－10AB－1.35AC+4.18BC－3.88A2－15.46B2－1.61C2。
[0015]进一步地，所述步骤b的反应温度为50～100℃。
[0016]进一步地，所述醇酯摩尔比为2～10。
[0017]进一步地，所述KF/γ
‑
Al2O3负载型催化剂占甲醇质量的百分数为1～5
‰
。
[0018]进一步地，一种通过响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯后的反应条件：反应温度为55.5℃，醇酯比为9.4，催化剂含量为5
‰
。
[0019]本专利技术所述的一种基于响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的方法和应用
[0020]以单因素试验为基础，利用Design
‑
expert 12.0软件的Box
‑
Behnken方法进行试验设计，以碳酸二甲酯的收率为响应值，得到最佳提取条件。
[0021]单因素试验：
[0022]选取三个主要影响碳酸二甲酯收率的因素，即反应温度、醇酯比、催化剂浓度及反应时间进行单因素试验；选取反应温度50℃、60℃、70℃、80℃、90℃与100℃、醇酯比选取2、
4、6、8、10，催化剂浓度选取1
‰
、2
‰
、3
‰
、4
‰
、5
‰
，分别考察各因素对碳酸二甲酯收率的影响。
[0023]响应面优化试验：
[0024]在上述单因素试验的基础上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的方法，其特征在于，具体步骤如下：a.KF/γ
‑
Al2O3负载型催化剂的制备：采用等体积浸渍法，取KF
·
2H2O固体粉末溶解于去离子水中，剧烈搅拌充分溶解，配制出一定浓度的氟化钾溶液，在持续搅拌的状态下加入固体γ
‑
Al2O3载体，将混合液于室温老化10～20h，置于烘箱中在100～120℃下干燥后在500～600℃下焙烧3～6h，其中KF
·
2H2O固体粉末与固体γ
‑
Al2O3载体的质量比为0.1～0.3；b.将甲醇与碳酸乙烯酯、KF/γ
‑
Al2O3负载型催化剂按照规定的摩尔比加入至具有水冷式冷凝器反应容器中，开启磁力搅拌并保证反应全程在同一温度下进行；c.到达规定的反应时间时立刻停止反应，将得到的反应液在5000～6000r/min下离心2～5分钟，收取上层清液用于后续测试；d.将定量的反应液与溶剂乙腈均匀配制成标样用于气相色谱
‑
质谱联用仪检测，分析产物情况，通过外标曲线计算出碳酸二甲酯收率；e.运用Design
‑
Expert 12.0软件进行Box
‑
Behnken响应面优化设计，以碳酸二甲酯的收率为响应值，采用三因素三水平的响应面分析法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的反应，所述的三因素包括反应温度、醇酯比和KF/γ
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Al2O3负载型催化剂占甲醇质量的百分数。2.如权利要求1所述的一种基于响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的方法，其特征在于，基于响应面法优化碳酸乙烯酯与甲醇高收率制备碳酸二甲酯的数学模型为：碳酸二甲酯收率Y与反应温度A、醇酯比B、KF/γ
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Al2O3负载型催化剂占甲醇质量的百分数C之间的关系为：Y＝7...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文府，李明燃，任伟民，吕小兵，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：