噻吩Friedel-Crafts酰基化反应的研究

佟天下，陈志华，杨丽娟，贾鹏飞，程　婧，曾爱武*

(1.天津大学化学工程联合国家重点实验室，天津 300072； 2.天津大学化工学院，天津市应用催化科学与工程重点实验室，天津 300072； 3.天津天大天久科技股份有限公司，天津 300072； 4.中国石油天然气管道工程有限公司天津滨海分公司，天津 300457)

Friedel-Crafts酰基化反应是制备芳酮的重要方法[1-5]，具备反应操作简单、反应条件温和、反应选择性高等优点[1,3]。芳酮作为重要的医药中间体和精细化工产品，在化妆品、芳香剂、药品、农药以及杀虫剂等方面应用广泛[4-5]。

2-乙酰噻吩是重要的医药中间体[6]。传统的Friedel-Crafts酰基化反应所采用的催化剂为Lewis酸[7](如AlCl3和ZnCl2等)和Bronsted酸[8](如H2SO4和HF等)。L酸作催化剂时，反应放热量大，容易使产物和反应物发生聚合等副反应，L酸本身对设备有一定的腐蚀作用[7]；B酸作催化剂时，反应过程中产生大量的废酸，污染环境[8]。文献[9]报道了Mont-K10催化剂催化苯中噻吩的酰基化反应，虽然Mont-K10原催化剂能够循环使用且催化效果好，但是在再生后的反应过程中，催化剂失活比较快，处理能力下降。传统工业化生产2-乙酰噻吩的方法是用噻吩和醋酸酐为原料，在质量分数为85%磷酸[10]的催化作用下进行酰基化反应制得，但这一方法的投资高、催化剂不能再生，并存在严重的环境污染问题。总之，在Friedel-Crafts酰基化反应过程中，高效、绿色、环保型的催化剂是亟待解决的问题。

文献[1]主要研究了反应温度、反应时间、催化剂用量、不同的改性条件以及催化剂的再生次数对噻吩Friedel-Crafts酰基化反应的影响。在本研究中，首先对HZSM-5, HY, 13X, ZnCl2, C25等5种催化剂进行测试，得出合成的C25型沸石分子筛的催化效果较好；其次，本研究主要是以合成的C25沸石分子筛为催化剂、噻吩为原料、醋酸酐为酰化试剂合成高附加值产品2-乙酰噻吩，在文献[1]的基础上重点探讨了高温、原料配比、溶剂醋酸的加入量、不同浓度的硝酸改性的催化剂等因素对噻吩Friedel-Crafts酰基化反应过程的影响。摸索出了最适宜的反应条件，为后续2-乙酰噻吩的工业化生产提供更加重要的理论指导。最后，对反应物进行了精馏提纯，得到了质量分数高于99.90%的产品2-乙酰噻吩。

1　实验部分

1.1　主要试剂和仪器

仪器：GC-7890A气相色谱(美国Agilent公司)；7890A/5975C气质联用仪(美国Agilent公司)；DF-Ⅱ集热式磁力加速搅拌器(江苏省金坛市宏华仪器厂)；WFSM-3060催化剂评价装置(天津先权有限公司)。

试剂：噻吩，醋酸，醋酸酐，硝酸，硝酸铝，ZnCl2，均为分析纯，由天津市江天化工技术有限公司提供；2-乙酰噻吩，分析纯，由上海阿拉丁试剂有限公司提供；HZSM-5，HY，13X等由南开大学催化剂厂提供；根据文献[1]的方法制备了C25沸石分子筛。

1.2　实验方法

间歇实验如图1所示，在100 mL三口烧瓶中加入一定量的噻吩和醋酸酐，放入恒温油浴锅中进行搅拌、加热至指定温度，温度恒定后加入0.5 g催化剂，反应过程中定时取样、离心和进气相色谱分析，根据气相色谱出峰面积计算噻吩的转化率，相应的高附加值产品2-乙酰噻吩通过与标准样品(2-乙酰噻吩，分析纯)的保留时间对比进行定性分析。

图1　间歇实验装置示意图Fig.1　Batch experiment apparatus diagram

图2为固定床反应器(即：WFSM-3060催化剂评价装置)装置图，主要用于气相噻吩的连续反应。将一定物质的量之比的噻吩试剂和酰化试剂醋酸酐混合均匀后加入原料瓶中，待固定床反应器内温度恒定后，经高压恒流泵进料，用计算机在线控制仪控制反应温度使之维持恒定，反应产物经制冷系统冷凝为液体产品，定时取样，得到的液体产品用气相色谱定量分析。

图2　固定床反应器装置示意图Fig.2　Fixed bed reactor apparatus diagram

1.3　产物的分析与测试

反应产物的定量分析采用安捷伦科技有限公司的GC-7890A型气相色谱分析仪，氢火焰离子检测器(FID)，DB-17MS毛细管柱φ0.25 mm×30 m×0.25 μm，汽化室温度280 ℃，检测室温度300 ℃，柱温为程序升温，70 ℃恒温5 min，升温速度50 ℃/min升至200 ℃，保持10 min。噻吩的量采用归一化法计算。

2　结果与讨论

2.1　催化剂的筛选

在常压、80 ℃条件下，以噻吩和醋酸酐为原料，n(噻吩)∶n(醋酸酐)为1∶2，催化剂的用量为0.5 g时，对以下5种(HZSM-5, HY, 13X, ZnCl2, C25)催化剂进行测试，从中筛选出了1种催化活性高的催化剂进行了液相噻吩Friedel-Crafts酰基化反应的研究，反应方程式如下：

结果如表1所示，经实验发现：C25型沸石分子筛催化剂在反应进行5 h后，液相噻吩的转化率高达97.23%；ZnCl2粉末催化使得噻吩反应5 h后的转化率高达99.61%，但是由于ZnCl2是Lewis酸，对设备具有腐蚀性[7]，催化剂不能再生，反应后得到大量的废酸等缺陷，违背了绿色化工的宗旨。因此，选择高效、环保、可再生的C25型沸石分子筛作为噻吩Friedel-Crafts酰基化反应的催化剂。

表1　催化剂种类对反应的影响Table 1　Effect of the catalyst types on acylation reaction

2.2　温度对酰基化反应的影响

在文献[1]中研究了温度对液相噻吩酰基化反应的影响，综合考虑，选取液相噻吩酰基化反应的最适宜温度为80 ℃。为了进一步研究高温条件下气相噻吩的酰化反应，采用如图2所示的固定床反应器考察了反应温度对噻吩酰基化反应的影响。

在无溶剂、C25催化剂催化条件下，固定n(噻吩)∶n(醋酸酐)为1∶2，控制原料流速为0.002 mL/min，C25催化剂用量为2.8 g时，分别研究了92、102、112、122和132 ℃等不同的反应温度对气相噻吩Friedel-Crafts酰基化反应的影响，结果如图3所示。

图3　反应温度对酰化反应的影响Fig.3　Effect of reaction temperature on acylation reaction

由图3可知，随着反应时间的延长，噻吩的转化率呈现先增加后降低的趋势。当反应温度从92 ℃升高到102 ℃时，催化剂的催化活性变化不显著：92 ℃时，反应3 h，噻吩的转化率升高至90.00%以上，噻吩的转化率最高可达99.44%，反应38 h后，噻吩的转化率下降到90.14%，噻吩的转化率维持在90.00%以上，所持续的时间是38.5 h；反应温度为102 ℃时，反应开始5 h后，噻吩的转化率升高至90.00%以上，噻吩的转化率最高达99.53%，反应39 h后噻吩转化率降低到相同值，噻吩的转化率维持在90.00%以上所持续的时间是34 h。

当反应温度从112 ℃升高到132 ℃的过程中，催化剂的寿命发生了显著的变化：当反应温度为112 ℃时，反应6 h后，噻吩的转化率升高至90.00%以上，当反应持续32.3 h时，噻吩的转化率下降到90.13%，噻吩的转化率维持在90.00%以上所持续的时间是26.3 h；当反应温度升高到122和132 ℃时，噻吩的转化率下降迅速。

因此，通过气相噻吩的酰基化反应可以得出，在92～102 ℃的温度范围内，催化剂的活性比较好；当温度高于102 ℃时，随着反应温度的升高，催化剂的催化活性呈现下降趋势，尤其是反应温度高于122 ℃时。所以，在气相噻吩的酰基化反应中，综合考虑能耗与成本等问题，优选反应温度是92 ℃。

2.3　原料配比对反应的影响

在无溶剂、80 ℃、0.5 g C25沸石分子筛催化剂催化条件下，考察了原料配比对液相噻吩Friedel-Crafts酰基化反应的影响，结果如图4所示。

图4　原料配比对反应的影响Fig.4　Effect of molar ratio on acylation reaction

通过图4很明显可以看出，噻吩的转化率随着n(噻吩)∶n(醋酸酐)增加而呈现增加趋势，当n(噻吩)∶n(醋酸酐)为1∶4时，噻吩的转化率却有下降趋势，可能是由于醋酸酐过量太多引起了分子筛催化剂的失活，使得催化剂的催化活性降低[11]。

所以，从分子筛的催化活性、催化剂失活速率、节约原料以及后处理等综合考虑，选择n(噻吩)∶n(醋酸酐)以1∶2为最适宜。

2.4　醋酸的加入量对酰化反应的影响

为了研究液相噻吩发生酰基化反应时生成的产物醋酸对反应的影响，在80 ℃条件下，催化剂用量0.5 g，反应时间5 h，n(噻吩)∶n(醋酸酐)为1∶2时，考察了反应副产物醋酸的加入对噻吩酰基化反应的影响，结果如图5所示。

图5　醋酸的加入量对酰化反应的影响Fig.5　Effects of the addition amount of acetic acid on acylation reaction

通过图5可以得出：在无醋酸溶剂时，噻吩与醋酸酐反应，噻吩的起始转化率仅有79.80%，反应5 h后，转化率达97.23%；当加入醋酸溶剂时，噻吩的起始转化率明显下降，虽然醋酸的加入对噻吩的酰基化反应有一定的抑制作用，但是，加入适量的醋酸溶剂有助于噻吩转化率的提高。

从图5中不难看出，当醋酸量占原料总质量的8.72%时，反应进行5 h，噻吩的转化率达98.53%；无溶剂醋酸时，反应5 h，噻吩的转化率为97.23%。对比无溶剂时，噻吩的转化率提高约1.3%，原因可能是：一方面，根据反应平衡理论，醋酸的加入，抑制了反应向正方向进行；另一方面，加入醋酸，有助于反应产物2-乙酰噻吩从分子筛孔道中扩散出来，抑制了反应产物堵塞分子筛孔道和覆盖分子筛的催化活性中心，使得起主要催化作用的活性中心暴露出来，进而增强催化剂的催化活性。因此，加入适量的醋酸溶剂，有助于提高酰基化反应中噻吩的转化率。

2.5　不同浓度硝酸的改性对催化效果的影响

为进一步验证文献[1]中经浓度为1.0 mol/L的硝酸处理的催化剂活性下降的原因，在相同的操作条件下，我们研究了经一系列不同浓度的硝酸溶液处理的催化剂的催化效果，如图6所示。

图6　经不同浓度硝酸改性的催化剂对酰化反应的影响Fig.6　Effects of catalysts modified by various concentrations of nitric acids on acylation reaction

如图6所示的经不同浓度的硝酸改性的催化剂对酰化反应的影响中能够看出：硝酸溶液的浓度在0.1～0.5 mol/L之间变化时，随着硝酸溶液浓度的增加，在相同的反应时间内，噻吩的转化率依次增加，即：催化剂的催化活性依次呈增强趋势；当硝酸溶液的浓度在0.5～1.0 mol/L之间变化时，随着硝酸溶液浓度的增加，在相同的反应时间内，噻吩的转化率依次降低，即催化剂的催化活性依次呈降低趋势。

由此可以得出，在文献[1]的报道中，经浓度为1.0 mol/L的硝酸处理的催化剂的催化活性有所下降，原因是硝酸溶液浓度过高，使得催化剂表面的活性中心部分中毒，导致催化剂的催化活性有减弱的趋势；而用浓度为0.5 mol/L的硝酸改性C25沸石分子筛时，催化剂的催化效果达到最好，这也说明，C25沸石分子筛催化剂的催化活性并不是随着硝酸溶液的浓度增加而增加，而是中间存在最适宜的硝酸溶液浓度值。

3　2-乙酰噻吩的精制

针对噻吩Friedel-Crafts酰基化反应所得的产液进行分离提纯，并精制2-乙酰噻吩，经间歇减压蒸馏，使得反应产物得到了分离，分离出的产物主要有醋酸、噻吩、醋酸酐和目标产物2-乙酰噻吩，其中噻吩的含量为微量。

如图7所示的间歇减压精馏装置进行反应产液2-乙酰噻吩的精制，塔高120 cm，装填θ环填料。

图7　间歇精馏实验装置图Fig.7　Batch distillation experiment apparatus diagram

精制过程中，操作条件、参数以及得到的结果如表2所示。

表2　操作条件和结果对比表Table 2　Comparisons of operating conditions and results

实验表明，通过减压精馏的方式能够有效的分离和提纯目标产物2-乙酰噻吩，同时回收酰化试剂醋酸酐和副产物醋酸。

4　结论

1) 经过一系列实验，筛选出了一种高催化活性、绿色环保、可再生的C25沸石分子筛作为噻吩Friedel-Crafts酰基化反应的催化剂。

2) 通过实验研究，摸索出一条最适宜的反应工艺：液相噻吩发生酰基化反应时的最适宜反应温度为80 ℃，n(噻吩)∶n(醋酸酐)为1∶2，醋酸溶剂的加入，使得噻吩的转化率明显升高，醋酸量占原料总质量的8.72%时，反应5 h，噻吩的转化率提高1.3%。

3) 在气相噻吩的酰基化反应过程中，固定n(噻吩)∶n(醋酸酐)为1∶2，控制原料流速为0.002 mL/min，C25催化剂用量为2.8 g时，综合考虑，优选反应温度是92 ℃。

4) 经不同浓度的硝酸溶液改性的C25沸石分子筛的催化活性存在差异：硝酸溶液的浓度在0.1～0.5 mol/L之间变化时，催化剂的催化活性依次呈增强趋势；当硝酸溶液的浓度在0.5～1.0 mol/L之间变化时，催化剂的催化活性依次呈降低趋势。因此，浓度为0.5 mol/L的硝酸改性C25沸石分子筛时催化剂的催化效果最佳。

5) 通过减压精馏操作，能够得到质量分数高达99.90%以上的无色透明产品2-乙酰噻吩，同时，也能够实现噻吩、醋酸酐以及醋酸的有效分离。

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