- 化工產(chǎn)品合成
- 沈發(fā)治 高慶主編
- 9152字
- 2020-09-11 13:04:45
2.2 任務(wù)解析
徐工檢查了小李等資料檢索情況。
小李：鄰苯二甲酸二辛酯為無(wú)色或淡黃色油狀透明液體，具有特殊氣味。
小周：DOP可用于涂料及塑料等行業(yè)中，作為增塑劑使用。
小趙：鄰苯二甲酸二辛酯的合成主要通過(guò)鄰苯二甲酸酐和辛醇的酯化反應(yīng)而得到。
徐工：生產(chǎn)的問(wèn)題首先是合成路線的問(wèn)題，然后是工藝的問(wèn)題。合成路線解決的是生產(chǎn)的可能性，工藝則是合成路線的實(shí)現(xiàn)形式。而一個(gè)成熟產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，除非已經(jīng)成熟的項(xiàng)目，在大生產(chǎn)前必須經(jīng)過(guò)產(chǎn)品的小試、中試和大生產(chǎn)的逐級(jí)放大的過(guò)程，以找出大生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。我們可以從小試開(kāi)始了解鄰苯二甲酸二辛酯產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程。
2.2.1 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)任務(wù)書(shū)
徐工拿出了一份公司鄰苯二甲酸二辛酯的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)任務(wù)書(shū)，如表2-1。
徐工：在企業(yè)里，有關(guān)產(chǎn)品研發(fā)的項(xiàng)目必須經(jīng)過(guò)主管部門批準(zhǔn)后方可以進(jìn)行試驗(yàn)。一般都需要下發(fā)正式的文件或任務(wù)書(shū)。在任務(wù)書(shū)中必須明確項(xiàng)目的內(nèi)容、要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。可以轉(zhuǎn)接科研院所的項(xiàng)目也可以自行開(kāi)發(fā)。
表2-1 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)任務(wù)書(shū)
注：一式三聯(lián)。一聯(lián)交技術(shù)總監(jiān)留存，一聯(lián)交技術(shù)部經(jīng)理，一聯(lián)交項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。
2.2.2 鄰苯二甲酸二辛酯的合成路線設(shè)計(jì)
（1）鄰苯二甲酸二辛酯的分子結(jié)構(gòu)分析
首先根據(jù)有機(jī)化合物的CAS號(hào)查閱鄰苯二甲酸二辛酯的分子結(jié)構(gòu)式。
由分子結(jié)構(gòu)可看出，在苯環(huán)的鄰位有二酯的結(jié)構(gòu)。
（2）鄰苯二甲酸二辛酯合成路線分析 在有機(jī)化學(xué)里，酯類化合物通常可以由羧酸和相應(yīng)的醇合成，因此正向設(shè)計(jì)合成路線如下。
在有機(jī)化合物的路線分析中，特別是針對(duì)一些分子結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的化合物，常常采用逆向合成的方法進(jìn)行合成路線設(shè)計(jì)。
所謂逆向合成法，是從需要合成的目標(biāo)分子（target molecule，TM）出發(fā)，按一定的邏輯指導(dǎo)原則，推出目標(biāo)分子的前體，連續(xù)逆推下去，直至推導(dǎo)出簡(jiǎn)單的起始原料。這一過(guò)程正好與合成過(guò)程相反，因此叫做逆向合成（retrosynthesis）。
在倒推過(guò)程中，通過(guò)對(duì)目標(biāo)分子的結(jié)構(gòu)分析，將其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)逐漸簡(jiǎn)單化，只要每步逆推合理，就可以得到一條合適的合成路線。這種思維過(guò)程可表示為：
目標(biāo)分子?前體 ?…前體?起始原料
目標(biāo)分子即打算設(shè)計(jì)的分子。“?”雙箭頭符號(hào)表示前者源于后者，這與反應(yīng)中使用的“
”單箭頭表示的意義正好相反。前體又稱中間體，它是從起始原料到目標(biāo)分子所經(jīng)歷的所有中間化合物。前體與起始原料在商業(yè)上的區(qū)別在于前者買不到或價(jià)格過(guò)高，而后者往往是價(jià)廉易得的化合物。一般來(lái)講，五個(gè)碳以下的單官能團(tuán)化合物及單取代的芳烴，常用“三烯一炔”（乙烯、丙烯、丁烯及乙炔），“三苯一萘”（苯、甲苯、二甲苯及萘）及小于4個(gè)C的醇類和甲醛、乙醛、草酸、鹵苯、環(huán)己烷、丙二酸二乙酯等都可以作為有機(jī)合成的起始原料。
于是，鄰苯二甲酸二辛酯逆向合成路線分析如下：
在進(jìn)行逆向合成分析時(shí)經(jīng)常要對(duì)分子結(jié)構(gòu)中的某一化學(xué)鍵進(jìn)行逆向切斷。所謂逆向切斷（antithetical disconnection）并不是真正的切斷，而是指用切斷化學(xué)鍵的方法把目標(biāo)分子骨架剖析成不同性質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元，在被切斷的位置上常畫(huà)一條曲線來(lái)表示。
例如，對(duì)于本情境項(xiàng)目鄰苯二甲酸二辛酯逆向切斷如下：
從a、b處切斷后，鄰苯二甲酸二辛酯分子分解為兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，即含有二個(gè)羰基的苯環(huán)部分和3號(hào)碳接有氧原子的辛烷部分。如果將目標(biāo)分子切斷后得到的不同的結(jié)構(gòu)單元稱為合成子，那么切斷的部分可分別稱為合成子1和合成子2。
實(shí)際上合成子1和合成子2不能單獨(dú)存在，合成時(shí)都是采用包含合成子的試劑進(jìn)行合成，將相應(yīng)的起合成子作用的試劑稱為合成等效試劑，于是，
切斷不同的鍵將得到不同的合成子部分，顯然，不是所有的切斷方式都能找到對(duì)應(yīng)的合成子等效試劑。對(duì)于本項(xiàng)目怎樣尋找合適的切斷位置？這里給出幾個(gè)原則性的建議。
①“能合才能切”的原則。這就是說(shuō)切斷哪個(gè)鍵不能臆想，必須要找到切斷這個(gè)化學(xué)鍵的反應(yīng)才能將它切斷，這是逆向合成切斷的最基本的原則。
②涉及官能團(tuán)時(shí)，往往可以在官能團(tuán)附近切斷。這里涉及的官能團(tuán)是“酯鍵”，因而考慮將此鍵切斷。
③有碳-雜鍵時(shí)，一般在碳-雜鍵處切斷。這里氧原子相對(duì)于碳原子來(lái)說(shuō)屬于雜原子，故優(yōu)先考慮切斷C—O鍵。
因此，在學(xué)習(xí)了羧酸和醇的酯化反應(yīng)后，可以毫不猶豫地將鄰苯二甲酸二辛酯的酯鍵中C—O鍵（即羰基C和相連的O原子單鍵）切開(kāi)。
上述切斷的C—O鍵中，C帶有明顯的正電性，O帶有明顯的負(fù)電性。把這種切斷稱為離子型切斷。事實(shí)上，有機(jī)合成中大多數(shù)的切斷都具有離子型的特征，因此在合成中，形式上作為碳正離子使用的結(jié)構(gòu)單元稱為電子給予體合成子，簡(jiǎn)稱a-合成子；形式上作為氧負(fù)離子使用的結(jié)構(gòu)單元稱為電子供給體合成子，簡(jiǎn)稱d-合成子。于是，對(duì)鄰苯二甲酸二辛酯的切斷可以寫(xiě)成：
再如化合物2-羥基-2-苯基丁烷，其逆向合成切斷如下。
從目標(biāo)分子到起始原料，經(jīng)過(guò)的途徑主要有兩條；一是涉及碳架的變化（分子結(jié)構(gòu)的碳數(shù)增加、減少或改變碳架），即碳碳鍵的切斷或形成；二是官能團(tuán)的轉(zhuǎn)換。顯然，從目標(biāo)分子出發(fā)，運(yùn)用逆向合成法通常可以得到數(shù)條合理的合成路線，其最佳路線的確定往往需要設(shè)計(jì)者依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)。這就需要設(shè)計(jì)者的綜合能力，其中包括熟練掌握有機(jī)化學(xué)的基本反應(yīng)、對(duì)反應(yīng)的運(yùn)用及組合能力，以及對(duì)化學(xué)品市場(chǎng)的了解程度等。
在上面的分析中，由于鄰苯二甲酸二辛酯a-合成子的等效試劑鄰苯二甲酸活性不夠高，在生產(chǎn)中更多地使用鄰苯二甲酸酐來(lái)代替，故鄰苯二甲酸二辛酯的逆向合成路線設(shè)計(jì)如下。
相應(yīng)合成路線設(shè)計(jì)為：
徐工：鄰苯二甲酸二辛酯的合成路線比較簡(jiǎn)單，涉及一個(gè)單元反應(yīng)：酯化反應(yīng)。小試（或大生產(chǎn)）工藝的實(shí)質(zhì)就是以鄰苯二甲酸酐和辛醇為原料經(jīng)酯化反應(yīng)獲得目標(biāo)化合物。欲在合成中做好酯化反應(yīng)，就必須對(duì)其反應(yīng)過(guò)程的情況作詳細(xì)了解。
知識(shí)點(diǎn)撥
1.酯化反應(yīng)
酯化反應(yīng)通常是指醇（或酚）與含氧的酸（包括有機(jī)和無(wú)機(jī)酸）作用生產(chǎn)酯和水的反應(yīng)。由于它是在醇（或酚羥基）的氧原子上引入酰基的過(guò)程，故又稱為O-酰化反應(yīng)。其通式為
R'OH+RCOZ
RCOOR+HZ
式中，R'可以是脂肪族或芳香烴基。RCOZ為酰化劑，其中的Z可以代表OH，X，OR″，OCOR″，NHR″等，生成羧酸酯分子中的R'及R″可以是相同的或者不同的烴基。
酯化反應(yīng)分為羧酸與醇反應(yīng)、無(wú)機(jī)含氧酸與醇反應(yīng)、無(wú)機(jī)強(qiáng)酸與醇的反應(yīng)三類。羧酸與醇的酯化反應(yīng)是可逆的，并且一般反應(yīng)極緩慢，故常用濃硫酸作催化劑。多元羧酸與醇反應(yīng)，則可生成多種酯。無(wú)機(jī)強(qiáng)酸與醇的反應(yīng)，其速率一般較快。
知識(shí)點(diǎn)撥
2.酯化反應(yīng)的催化劑
工業(yè)上酯化反應(yīng)采用的催化劑主要有六類：無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸及其鹽，雜多酸及固載雜多酸，強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，固體超強(qiáng)酸，分子篩，非酸性催化劑。不同的酯化反應(yīng)應(yīng)選用不同的催化劑，在選擇催化劑時(shí)應(yīng)考慮到醇和酸的種類和結(jié)構(gòu)、酯化溫度、設(shè)備腐蝕情況、成本、催化劑來(lái)源及是否易于分離等。
（1）無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸或酸式鹽 常用的有硫酸、鹽酸、磷酸、對(duì)甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、錫磷酸、亞錫磷酸、苯磺酸和氨基磺酸等。此外，硫酸氫鈉等酸式鹽，硫酸鋁、硫酸鐵等強(qiáng)酸弱堿鹽，以及對(duì)苯磺酸氯等，也屬于酸催化劑范疇。
在無(wú)機(jī)酸中硫酸的活性最強(qiáng)，價(jià)格便宜，也是應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)酯化催化劑，用量一般不超過(guò)體系總質(zhì)量的3%。鹽酸則容易發(fā)生氯置換醇中的羥基而生成氯烷。磷酸的反應(yīng)速率較慢。以硫酸作催化劑的優(yōu)點(diǎn)是硫酸可溶于反應(yīng)體系中，使酯化在均相條件下進(jìn)行，反應(yīng)條件較緩和，催化效果好，性質(zhì)穩(wěn)定，吸水性強(qiáng)及價(jià)格低廉等，但缺點(diǎn)是具有氧化性，脫水溫度不宜超過(guò)160℃，否則由于醇受質(zhì)子催化，會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)，易使反應(yīng)物發(fā)生磺化、炭化、聚合、脫水生成烯烴或醚以及異構(gòu)化等副反應(yīng)，對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，后處理麻煩，產(chǎn)品色澤較深等。因此一些大噸位產(chǎn)品如鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）的工藝中，已逐步為其他催化劑替代。此外，不飽和酸、羥基酸、甲酸、草酸和丙酮酸等的酯化，不宜用硫酸催化，因?yàn)樗芤鸺映伞⒚撍蛎擊鹊雀狈磻?yīng)；碳鏈較長(zhǎng)、分子量較大的羧酸和醇的酯化，因?yàn)榉磻?yīng)溫度較高也不宜用硫酸作催化劑。
硫酸鹽也可作為酯化催化劑。如用硫酸鋯為催化劑合成丁酸乙酯。硫酸氫鹽與硫酸鹽有相似的催化性能，但能使產(chǎn)品的色澤變淺。
FeCl3為路易斯酸，也可做酯化反應(yīng)的催化劑。由于本身是固體，反應(yīng)后易于從體系中回收分離。但由于傳質(zhì)的原因及本身酸性較弱，催化效率較硫酸等低。反應(yīng)所需的時(shí)間較長(zhǎng)。氯化鐵用量一般為3%左右。
常用的有機(jī)酸催化劑有：甲磺酸、苯磺酸、對(duì)甲苯磺酸和氨基磺酸等。它們較硫酸的活性低，但無(wú)氧化性，其中對(duì)甲苯磺酸最為常用。對(duì)甲苯磺酸是一種強(qiáng)的固體有機(jī)酸，具有濃硫酸的一切優(yōu)點(diǎn)，而且無(wú)氧化性，碳化作用較弱，其對(duì)設(shè)備的腐蝕性和三廢污染比硫酸小，同時(shí)不易引起副反應(yīng)，易于保管、運(yùn)輸和使用，催化劑用量小，是一種適合于工業(yè)生產(chǎn)的方法。常用于反應(yīng)溫度較高及濃硫酸不能使用的場(chǎng)合，如長(zhǎng)碳鏈脂肪酸和芳香酸的酯化，所生成酯的色澤較用硫酸時(shí)淺。但是由于對(duì)甲苯磺酸價(jià)格較貴，只用于少數(shù)工業(yè)酯化過(guò)程，用量一般為3%～5%左右。苯磺酸、硫酸氫乙酯和乙基磺酸的催化作用都相當(dāng)好，而且不像硫酸那樣會(huì)引起脫水和磺化等副反應(yīng)。
在硫酸和磺酸類催化劑中，催化活性按下列順序排列：
硫酸>對(duì)甲苯磺酸>苯磺酸>2-萘磺酸>氨基磺酸
（2）強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂 這類離子交換樹(shù)脂均含有可被陽(yáng)離子交換的氫離子，屬?gòu)?qiáng)酸性。用離子交換樹(shù)脂作酯化催化劑的主要優(yōu)點(diǎn)有：反應(yīng)條件溫和，選擇性好、無(wú)炭化現(xiàn)象；產(chǎn)物后處理簡(jiǎn)單，無(wú)需中和及水洗；樹(shù)脂可循環(huán)使用，并可進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)；對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕以及減少?gòu)U水排放量。但離子交換樹(shù)脂的價(jià)格遠(yuǎn)較硫酸為高。強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂已廣泛用于酯化反應(yīng)，其中最常用的有酚磺酸樹(shù)脂及磺化苯乙烯樹(shù)脂。離子交換樹(shù)脂目前已商品化，可由商品牌號(hào)查得該樹(shù)脂的性質(zhì)及組成。
（3）雜多酸及固載雜多酸 雜多酸（HPA）是一類具有確定組成的含氧橋多核配合物，具有酸性和氧化還原性。雜多酸的種類繁多，如磷鎢酸H3PW12O40·28H2O（簡(jiǎn)稱PW12）、硅鎢酸H4SiW12O40·24H2O（簡(jiǎn)稱SiW12）、磷鉬酸H3PMo12O40·19H2O（簡(jiǎn)稱PMo12）和硅鉬酸H4SiMo12O40·23H2O（簡(jiǎn)稱SiMo12），其中以PW12最為常用。研究表明，PW12具有較高的催化活性。PW12的用量約為反應(yīng)混合液的1%～2%，反應(yīng)溫度略低于硫酸催化。采用PW12或SiW12進(jìn)行對(duì)羥基苯甲酸的酯化，效果良好。
雜多酸作為酯化催化劑存在回收較困難的問(wèn)題。其改進(jìn)方案是將雜多酸負(fù)載在載體上，形成固載雜多酸，在完成酯化反應(yīng)后，可通過(guò)過(guò)濾直接回收套用。
可用作雜多酸的載體很多，如活性炭、Al2O3、SiO2、HZSM-5分子篩、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、膨潤(rùn)土等。當(dāng)載體上吸附了雜多酸，其固體表面有一定的酸度，可在酯化中起酸催化的作用。
（4）非酸性催化劑 為了克服酸性催化劑容易引起副反應(yīng)的缺點(diǎn)，并力求工藝過(guò)程簡(jiǎn)化，國(guó)外自20世紀(jì)60年代研究和開(kāi)發(fā)了一系列非酸性催化劑，這類催化劑為近年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新方向。非酸性催化劑的應(yīng)用對(duì)酸性工藝來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重大的技術(shù)進(jìn)步，使用非酸性催化劑可縮短酯化時(shí)間，產(chǎn)品色澤優(yōu)良，回收醇只需簡(jiǎn)單處理，即可循環(huán)使用。主要不足是酯化溫度較高，一般為190～230℃，否則活性較低。
非酸性催化劑主要有：①鋁的化合物，如氧化鋁、鋁酸鈉、含水Al2O3+NaOH等；②ⅣB族元素的化合物，如氧化鈦、鈦酸四丁酯、氧化鋯、氧化亞錫和硅的化合物等；③堿土金屬氧化物，如氧化鋅、氧化鎂等；④ⅤA族元素化合物，如氧化銻、羧酸鉍等。其中最重要的是鈦、鋁和鉬的化合物，常見(jiàn)的使用形式分別為鈦酸四丁酯、氫氧化鋁復(fù)合物、氧化亞錫和草酸亞錫。現(xiàn)在非酸性催化劑不僅已在我國(guó)大型增塑劑生產(chǎn)裝置中成功應(yīng)用，而且正在越來(lái)越多地在中小型生產(chǎn)裝置中推廣，這類催化劑的主要優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有腐蝕性，產(chǎn)品的質(zhì)量好，色澤淺，副反應(yīng)少。目前酯化催化劑的應(yīng)用方面，我國(guó)已與國(guó)外水平相當(dāng)。
知識(shí)點(diǎn)撥
3.工業(yè)上制造羧酸酯的方法
（1）直接酯化法 即羧酸與醇反應(yīng)直接合成酯，又稱羧酸法。由于所用的原料醇與羧酸均容易獲得，所以是合成酯類最重要的方法。羧酸法中最簡(jiǎn)單的反應(yīng)是一元酸與一元醇在酸催化下的酯化，得到羧酸酯和水，這是一個(gè)可逆反應(yīng)。
RCOOH + R'OH
RCOOR' + H2O
一般常用的酯化催化劑為：硫酸、鹽酸、芳磺酸等。采用催化劑后，反應(yīng)溫度在70～150℃左右即可順利發(fā)生酯化。也可采用非均相酸性催化劑，例如活性氧化鋁、固體酸等，一般都在氣相下進(jìn)行酯化。
酯化反應(yīng)也可不用催化劑，但為了加速反應(yīng)的進(jìn)行，必須采用200～300℃的高溫。若工藝過(guò)程對(duì)產(chǎn)品純度要求極高，而采用催化劑時(shí)又分離不凈，則宜采用高溫?zé)o催化劑酯化工藝。
（2）酸酐酯化法 羧酸酐是比羧酸強(qiáng)的酰化劑，適用于較難反應(yīng)的酚類化合物及空間阻礙較大的叔羥基衍生物的直接酯化，此法也是酯類的重要合成方法之一，其反應(yīng)過(guò)程為：
（RCO）2O + R'OHRCOOR' + RCOOH
反應(yīng)中生成的羧酸不會(huì)使酯發(fā)生水解，所以這種酯化反應(yīng)可以進(jìn)行完全。羧酸酐可與叔醇、酚類、多元醇、糖類、纖維素及長(zhǎng)碳鏈不飽和醇（沉香醇、香葉草醇）等進(jìn)行酯化反應(yīng)，例如乙酸纖維素酯及乙酰水楊酸（阿司匹林）就是用乙酸酐進(jìn)行酯化大量生產(chǎn)的。
常用的酸酐有乙酸酐、丙酸酐、鄰苯二甲酸酐、順丁烯二酸酐等。用酸酐酯化時(shí)可用酸性或堿性催化劑加速反應(yīng)。如硫酸、高氯酸、氯化鋅、三氯化鐵、吡啶、無(wú)水乙酸鈉、對(duì)甲苯磺酸或叔胺等。酸性催化劑的作用比堿性催化劑強(qiáng)。目前工業(yè)上使用最多的是濃硫酸。
（3）酰氯酯化法 酰氯和醇（或酚）反應(yīng)生成酯的反應(yīng)為：
RCOCl + R'OH
RCOOR' + HCl
酰氯與醇（或酚）的酯化具有如下特點(diǎn)：①酰氯的反應(yīng)活性比相應(yīng)的酸酐強(qiáng)，遠(yuǎn)高于相應(yīng)的羧酸，可以用來(lái)制備某些羧酸或酸酐難以生成的酯，特別是與一些空間位阻較大的叔醇進(jìn)行酯化。②酰氯與醇（或酚）的酯化是不可逆反應(yīng)，一般不需要加催化劑，反應(yīng)可在十分緩和的條件下進(jìn)行，酯化產(chǎn)物的分離也比較簡(jiǎn)便。③反應(yīng)中通常需使用縛酸劑以中和酯化反應(yīng)所生成的氯化氫。因?yàn)槁然瘹洳粌H對(duì)設(shè)備有腐蝕，而且還可能與活潑性醇（如叔醇）發(fā)生諸如取代、脫水和異構(gòu)化等副反應(yīng)。
常用于酯化的酰氯有有機(jī)酰氯和無(wú)機(jī)酰氯兩類。常用的有機(jī)酰氯有長(zhǎng)碳脂肪酰氯、芳羧酰氯、芳磺酰氯、光氣、氨基甲酰氯和三聚氯氰等，常用的無(wú)機(jī)酰氯主要為磷酰氯（POCl3），還有PSCl3、PCl3、PCl5等。
酰氯的酯化須在縛酸劑存在下進(jìn)行。常用的縛酸劑有碳酸鈉、乙酸鈉、吡啶、三乙胺或N，N-二甲基苯胺等。為避免酰氯在堿存在下分解，縛酸劑通常采用分批加入或低溫反應(yīng)的方法，脂肪族酰氯活潑性較強(qiáng)，容易發(fā)生水解。因此，當(dāng)酯化反應(yīng)需要溶劑時(shí)，應(yīng)采用苯、二氯甲烷等非水溶劑。
用各種磷酰氯制備酚酯時(shí)，可不加縛酸劑，允許氯化氫存在，而制取烷基酯時(shí)就需要加入縛酸劑，防止氯代烷的生成，加快反應(yīng)速率。
由于酰氯的成本遠(yuǎn)高于羧酸，通常只有在特殊需要的情況下，才用羧酰氯合成酯。
（4）酯交換法 酯交換法是將一種容易制得的酯與醇、酸或另一種酯反應(yīng)以制取所需要的酯。當(dāng)用直接酯化不易取得良好效果時(shí)，常常要用酯交換法。
①醇解法也稱作酯醇交換法。一般此法總是將酯分子中的伯醇基由另一較高沸點(diǎn)的伯醇基或仲醇基所替代。反應(yīng)用酸作催化劑。
RCOOR'+ R″OH
RCOOR″ + R'OH
例如，間苯二甲酸二甲酯和苯酚按1∶2.37的摩爾比，在鈦酸四丁酯催化劑的存在下，在220℃反應(yīng)3h，同時(shí)蒸出甲醇，經(jīng)后處理即得到間苯二甲酸二苯酯。
+ 2C6H5OH
+ 2CH3OH
另外，將油脂（三脂肪酸甘油酯）與甲醇在甲醇鈉的催化作用下，在80℃反應(yīng)，可制得脂肪酸甲酯和甘油。
+ 3 CH3OH 
3
+
②酸解法也稱作酯酸交換法。
RCOOR' + R″COOH
R″COOR' + RCOOH
酯-酸交換反應(yīng)是可逆反應(yīng)，一般常使某一原料過(guò)量，或使生成物不斷地蒸出，以提高反應(yīng)的收率。各種有機(jī)羧酸的反應(yīng)活性相差并不大。酯酸交換時(shí)一般采用酸催化。此法常用于合成二元羧酸單酯和羧酸乙烯酯等。
例如，在濃鹽酸催化下，己二酸二乙酯與己二酸在二丁醚中加熱回流生成己二酸單乙酯。
H5C2OOC（CH2）4COOC2H5 + HOOC（CH2）4COOH2 HOOC（CH2）4COOC2H5
③互換法也稱為酯酯交換法。此法要求所生成的新酯與舊酯的沸點(diǎn)差足夠大，以便于采用蒸餾的方法分離。
由于反應(yīng)處于可逆平衡中，必須不斷將產(chǎn)物中的某一組分從反應(yīng)區(qū)除去，使反應(yīng)趨于完全。例如，對(duì)于用其他方法不易制備的叔醇的酯，可以先制成甲酸的叔醇酯，再和指定羧酸的甲酯進(jìn)行醇酸互換。
HCOOCR3 + R″COOCH3 
HCOOCH3 + R″COOCR3
因?yàn)樯傻膬煞N酯的沸點(diǎn)相差較大，且沸點(diǎn)很低（31.8℃）的甲酸甲酯很容易從反應(yīng)產(chǎn)物中不斷蒸出，這樣就能使酯互換反應(yīng)進(jìn)行完全。
這三種類型的酯交換都是利用反應(yīng)的可逆性實(shí)現(xiàn)的。最常用的酯交換法是酯-醇交換法，其次是酯-酸交換法。
本情境可采用鄰苯二甲酸酐與異辛醇進(jìn)行酯化。
2.2.3 酯化反應(yīng)過(guò)程分析
徐工：在確定反應(yīng)路線，選擇相應(yīng)的原料和試劑后，要完成反應(yīng)還必須制訂詳細(xì)的反應(yīng)方案。這在工藝上就是明確相應(yīng)的工藝控制點(diǎn)，顯然這對(duì)于生產(chǎn)是非常關(guān)鍵的。而反應(yīng)方案的制訂就必須從反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)影響因素等方面入手才能把握其要點(diǎn)。
（1）酯化反應(yīng)機(jī)理 鄰苯二甲酸酐與2-乙基己醇（辛醇）的酯化反應(yīng)分兩步。
第一步：是苯酐與醇生成單酯酸的反應(yīng)，此步反應(yīng)進(jìn)行很快，不需催化劑，是放熱反應(yīng)，在130℃就可進(jìn)行。
機(jī)理如下。
這是典型的加成-消除反應(yīng)。
第二步：鄰苯二甲酸酐的單酯酸與醇繼續(xù)反應(yīng)生成雙酯，此步反應(yīng)慢，需要催化劑。
機(jī)理如下。
R=—CH2CH（C2H5）C4H9
這也是典型的加成-消除反應(yīng)。反應(yīng)為平衡反應(yīng)，反應(yīng)吸熱。反應(yīng)的平衡常數(shù)為：
K=K1 K2=6.95（BASF測(cè)出值），總反應(yīng)式如下。
對(duì)于平衡反應(yīng)，欲使反應(yīng)向正方向移動(dòng)，通常有兩種做法：第一是提高某一反應(yīng)物濃度，第二是移走某一生成物。在酯化反應(yīng)中，由于大多數(shù)脂肪醇常溫下為液體，極性較酸低，相對(duì)于酸易于分離，故通常都是采用醇過(guò)量的方法使得反應(yīng)向正方向移動(dòng)。過(guò)量的醇還可以用作反應(yīng)的溶劑。大多數(shù)酯化產(chǎn)物的水溶性都不好，分子量較大的酯沸點(diǎn)都比水高，故常將反應(yīng)生成的水從體系中移走。為達(dá)到這一目的通常也有兩種做法：其一將水從體系中蒸出進(jìn)而分離出來(lái)，其二是通過(guò)帶水劑將水帶出來(lái)。
帶水劑是一類能和水形成沸點(diǎn)較低的共沸物，且在水中溶解度很小的物質(zhì)。帶水劑可以是反應(yīng)物或者產(chǎn)物，也可以是外加的第三組分。反應(yīng)時(shí)將共沸物從體系中引出，分離出水，帶水劑再回流到反應(yīng)體系中，這樣就可以源源不斷地將反應(yīng)生成的水帶出，從而讓酯化反應(yīng)達(dá)到非常高的產(chǎn)率。這里辛醇恰好符合帶水劑的要求，因此可以不必外加第三組分帶水劑。
外加的第三組分必須是對(duì)反應(yīng)物和產(chǎn)物不起反應(yīng)的物質(zhì)，工業(yè)上通常加入的第三組分有苯、甲苯、環(huán)己烷、氯仿、四氯化碳等。帶水劑與醇的體積比通常為1∶1。由于反應(yīng)過(guò)程中醇的消耗，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，帶水劑的比例相應(yīng)逐漸提高，相應(yīng)帶水能力也提高。
（2）影響酯化反應(yīng)的因素
①反應(yīng)物料的性質(zhì)
a.鄰苯二甲酸酐的反應(yīng)性質(zhì) 鄰苯二甲酸酐，簡(jiǎn)稱苯酐，是鄰苯二甲酸分子內(nèi)脫水形成的環(huán)狀酸酐。苯酐為白色固體，密度1.53g/cm3，熔點(diǎn)130.8℃，沸點(diǎn)284℃，閃點(diǎn)152℃。難溶于冷水，易溶于熱水、乙醇、乙醚、苯等多數(shù)有機(jī)溶劑。
鄰苯二甲酸酐可發(fā)生水解、醇解和氨解等反應(yīng)。由于其分子結(jié)構(gòu)中羰基上C=O雙鍵能與苯環(huán)大π鍵形成共軛，從而使C原子上正電性部分分散到苯環(huán)上，因此與一般脂肪酸酐相比，其酯化反應(yīng)活性下降。
b.異辛醇的反應(yīng)性質(zhì) 異辛醇（2-乙基己醇、2-乙基-1-己醇）英文簡(jiǎn)寫(xiě)為2-EH。無(wú)色有特殊氣味的可燃性液體。相對(duì)密度0.831，熔點(diǎn)-70℃，沸點(diǎn)183.5℃，閃點(diǎn)81.1℃。不溶于水，與多數(shù)有機(jī)溶劑互溶。
異辛醇分子結(jié)構(gòu)中含有羥基，具有醇的通性。反應(yīng)活性低于小分子醇，較大分子醇為高。
②催化劑的性質(zhì)及用量 目前工業(yè)上應(yīng)用較多的酯化催化劑由50%的鈦酸異丙酯和50%的辛醇組成，具有較高的反應(yīng)選擇性。
鈦是一種典型的過(guò)渡金屬元素，由于具有空的d軌道，可接受電子或者電子對(duì)，形成配合物，同時(shí)d軌道上的電子也容易失去，即配體也容易脫去，當(dāng)有新的配體進(jìn)攻金屬原子時(shí)，原來(lái)飽和的結(jié)構(gòu)容易解離出一個(gè)配位體生成一個(gè)具有配位空缺的不飽和配合物，然后再與新的配體結(jié)合，這樣一直持續(xù)下去，直至完成整個(gè)反應(yīng)。因此其催化作用的實(shí)質(zhì)就是借助配體與受體的配位作用而形成活性中間體，降低反應(yīng)活化能，從而達(dá)到加快反應(yīng)速率的目的。但鈦酯催化劑極易水解，即使空氣中的微量水也能使其水解而失去活性。
nTi（OR）4+4H2OnTiO2·H2O+4nROH
故使用時(shí)要注意：a.儲(chǔ)存要密封好，避免暴露在空氣中。b.從密封容器中取出時(shí)，要盡量快取快封。c.要避開(kāi)火或冒火花的機(jī)器存放。
使用時(shí)用量一般為苯酐量的0.05%～0.1%。
③反應(yīng)物料配比 從酯化反應(yīng)的機(jī)理看，異辛醇的用量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)過(guò)量。生產(chǎn)上摩爾比通常要達(dá)到1∶（3～5）左右。過(guò)量的異辛醇可以作溶劑，使體系為均相體系。
④反應(yīng)溫度與壓力 鄰苯二甲酸酐與醇反應(yīng)溫度因醇的不同而異，這是因?yàn)椴煌拇季哂胁煌幕钚浴４嫉幕钚皂樞颍盒链?gt;壬醇>異癸醇
C8H17OH > C9H19OH > C10H21OH
反應(yīng)溫度/℃：200/230 210/240 225/240
雖然鄰苯二甲酸酐第一步單酯化反應(yīng)可以不用催化劑，但采用催化劑后，反應(yīng)速率將會(huì)大幅提高，反應(yīng)溫度將有較大幅度的下降。第二步雙酯化反應(yīng)必須加催化劑，因反應(yīng)吸熱，反應(yīng)溫度也相應(yīng)較高。
一般來(lái)說(shuō)，酯化反應(yīng)的溫度可以控制在共沸物沸點(diǎn)以上，保證共沸物能順利從體系蒸出即可。共沸物的沸點(diǎn)往往低于純組分的沸點(diǎn)。異辛醇與水形成的共沸物組成中水分占20%，但沸點(diǎn)約為99℃。理論上反應(yīng)溫度控制在100℃以上即可，但由于雙酯化反應(yīng)初期生成的水較少，共沸物形成也不多，故不能形成有效的回流量，水分也不容易帶出，所以為了提高反應(yīng)液的回流量，反應(yīng)溫度需要提升至有足夠回流的溫度。
由于反應(yīng)體系中無(wú)氣態(tài)物質(zhì)參與，壓力對(duì)反應(yīng)體系幾乎沒(méi)有影響。反應(yīng)可以在常壓下進(jìn)行。
⑤傳質(zhì)的因素 雖然攪拌對(duì)均相體系的影響不大，但由于帶水劑共沸物的蒸發(fā)受傳質(zhì)影響較大，故良好的攪拌有利于水分的帶出。
⑥副反應(yīng)因素 這里，副反應(yīng)主要為表現(xiàn)為：a.醇分子內(nèi)脫水生成烯烴，C8H17OH醇分子內(nèi)脫水生成烯烴C8H16；b.醇分子間脫水生成醚，C8H17OH醇分子間脫水生成醚C8H17OC8H17；c.生成縮醛；d.生成異丙醇（來(lái)自催化劑本身）從而生成相應(yīng)的酯；e.生成正丁醇（來(lái)自催化劑本身）從而生成相應(yīng)的酯。
上述副反應(yīng)，由于使用選擇性很高的催化劑，副反應(yīng)很少，約占總質(zhì)量的1%左右。數(shù)量很少，沸點(diǎn)較低，在酯化過(guò)程中，作為低沸物排出系統(tǒng)。
2.2.4 單元反應(yīng)后處理策略分析
單元反應(yīng)完成后，要將反應(yīng)物中目標(biāo)產(chǎn)物分離出來(lái)，才能完成合成的任務(wù)。由于反應(yīng)物體系的構(gòu)成千差萬(wàn)別，要進(jìn)行分離時(shí)采用的策略是不盡相同的。
（1）體系的組成及其狀態(tài) 鄰苯二甲酸酐雙酯化反應(yīng)結(jié)束后，體系的主要組成為：DOP、剩余的異辛醇、催化劑及少量副產(chǎn)物等，體系為均相溶液體系。
（2）產(chǎn)物的分離策略 由于反應(yīng)物體系所有組分中均為液體，且目標(biāo)產(chǎn)物DOP為高沸點(diǎn)液體，故總體上可以根據(jù)各組分沸點(diǎn)的不同，通過(guò)減壓蒸餾的方法將產(chǎn)物從體系中依次蒸餾出來(lái)。
因?yàn)镈OP的沸點(diǎn)386℃，即便減壓，也必須在高真空條件下進(jìn)行，這對(duì)生產(chǎn)上不是太有利。因此考慮將體系中其他組分盡可能分離出來(lái)，也可以得到純度較高的DOP產(chǎn)品。
催化劑鈦酸酯可以通過(guò)水解除去，考慮到酯的水解，水洗時(shí)應(yīng)在低溫下進(jìn)行。鈦酸酯水解后生成沉淀，水洗可除去。
體系異辛醇的沸點(diǎn)較高，可以考慮通過(guò)減壓蒸餾蒸出。考慮到高溫時(shí)水會(huì)將產(chǎn)物水解，因此必須在蒸餾前除去。小試時(shí)可通過(guò)干燥劑干燥脫除，生產(chǎn)時(shí)可通過(guò)汽提塔脫除。
因反應(yīng)選擇性較好，因此副產(chǎn)物相對(duì)較少。催化劑用量也小，水解產(chǎn)生的異丙醇也能在蒸餾時(shí)優(yōu)先被蒸出，故殘留的DOP可以達(dá)到相當(dāng)高的純度。