- 化工產(chǎn)品合成
- 沈發(fā)治 高慶主編
- 10853字
- 2020-09-11 13:04:43
1.2 任務(wù)解析
1.2.1 苯甲酸產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)書
汪工拿出了一份公司苯甲酸的產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)書，見表1-1。
汪工：企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)任務(wù)書是新產(chǎn)品研究開發(fā)必要的文件依據(jù)，有時也會以產(chǎn)品供貨合同來作為產(chǎn)品開發(fā)的依據(jù)。有關(guān)產(chǎn)品研發(fā)的項目必須經(jīng)過主管部門批準(zhǔn)后方可以進行試驗。一般都需要下發(fā)正式的文件或任務(wù)書。在任務(wù)書中必須明確項目的內(nèi)容、要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)接科研院所的項目也可以自行開發(fā)。
表1-1 產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)書
注：一式三聯(lián)。一聯(lián)技術(shù)總監(jiān)留存，一聯(lián)交技術(shù)部經(jīng)理，一聯(lián)交項目負責(zé)人。
【表中相關(guān)內(nèi)容的解釋】
（1）CAS號：（CAS Registry Number或稱CAS Number，CAS Rn，CAS #），又稱CAS登錄號，是某種物質(zhì)[化合物、高分子材料、生物序列（Biological sequences）、混合物或合金]的唯一的數(shù)字識別號碼。美國化學(xué)會的下設(shè)組織化學(xué)文摘服務(wù)社（Chemical Abstracts Service，CAS）負責(zé)為每一種出現(xiàn)在文獻中的物質(zhì)分配一個CAS號，其目的是為了避免化學(xué)物質(zhì)有多種名稱的麻煩，使數(shù)據(jù)庫的檢索更為方便。如今幾乎所有的化學(xué)數(shù)據(jù)庫都允許用CAS號檢索。苯甲酸的CAS號為65-85-0。
（2）有關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：我國標(biāo)準(zhǔn)分為國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)四類。食品防腐劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)參見GB 1902—2005。
1.2.2 苯甲酸的合成路線設(shè)計
（1）苯甲酸分子結(jié)構(gòu)的分析 在有機合成中，要合成某一化合物顯然是不可能通過原子直接組合而來，只能利用一些已知的化合物分子，讓它們之間發(fā)生適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，通過一定的反應(yīng)路線，經(jīng)過一定的分離方法得到。因有機物分子中，具有反應(yīng)活性的部位大多集中在官能團上，因此，我們必須搞清楚其分子結(jié)構(gòu)式、分子的基本骨架結(jié)構(gòu)、相關(guān)官能團組成以及連接的方式等。
苯甲酸分子式：C6H5COOH。
苯甲酸分子結(jié)構(gòu)式：
目標(biāo)化合物基本結(jié)構(gòu)為苯的結(jié)構(gòu)，在苯環(huán)上接有一個羧基。
（2）苯甲酸的合成路線分析 對于分子結(jié)構(gòu)簡單的有機分子，往往可以利用掌握的有機反應(yīng)直接寫出其合成的反應(yīng)。例如在有機化學(xué)里學(xué)習(xí)過甲苯可被高錳酸鉀氧化為苯甲酸（苯環(huán)側(cè)鏈基團被氧化的性質(zhì)）。
于是即可利用這個反應(yīng)來合成苯甲酸。甲苯、乙苯、異丙苯都能發(fā)生這個反應(yīng)。對于不同原料，就對應(yīng)不同的合成路線。這里可以把這個合成的問題歸納為苯環(huán)上的烷基轉(zhuǎn)化為羧基：
但有機合成的問題絕不都是如此簡單。事實上，在設(shè)計合成路線時經(jīng)常遇到比較復(fù)雜的設(shè)計問題，此時必須廣泛參考文獻資料。對于苯甲酸的合成，文獻報道的合成路線還有很多，這里僅簡單討論。
文獻路線1：甲苯液相空氣催化氧化法
在Co（Ac）2催化劑存在下，向液體甲苯中通入空氣進行氧化：
此法為工業(yè)上生產(chǎn)苯甲酸的常用方法，該反應(yīng)中甲苯為液相，空氣為氣相，采用空氣作氧化劑。
文獻路線2：苯甲醛歧化法
利用苯甲醛在堿性條件下發(fā)生氧化還原歧化反應(yīng)（康尼查羅反應(yīng)），一分子還原為苯甲醇，一分子氧化為苯甲酸（生成鈉鹽），酸化后即可得到苯甲酸沉淀。
苯甲醇又稱芐醇，也是很有用的有機原料。
文獻路線3：格氏試劑法
鹵代烷在無水醚中可以與金屬鎂反應(yīng)生成有機鎂化合物RMgX，生成的這種有機鎂化合物稱為格氏試劑（格氏試劑可溶于醚類），該反應(yīng)稱為格氏反應(yīng)。向制得的格氏試劑中通入CO2氣體并酸性水解，可制得比鹵代烷多一個碳原子的羧酸。
利用格氏試劑法制備苯甲酸時可采用溴苯作原料，反應(yīng)式如下。
水分子是含活潑氫的化合物，格氏試劑化學(xué)性質(zhì)活潑，能被水分解生成烷烴和Mg（OH）X，因此格氏反應(yīng)為一忌水反應(yīng)，空氣中的水蒸氣會對其產(chǎn)生影響。
還有其他一些合成方法，比如苯腈水解法、同碳三鹵代物水解法、鄰苯二甲酸脫羧法等。
汪工：一種化合物的制備路線可能有多種，但并非所有的路線都能適用于實驗室合成或工業(yè)化生產(chǎn)，選擇正確的制備路線是極為重要的。比較理想的制備路線幾乎應(yīng)同時具備下列條件：
①原料資源豐富，價廉易得，生產(chǎn)成本低；
②副反應(yīng)少，產(chǎn)物容易分離、提純，總收率高；
③反應(yīng)步驟少，時間短，能耗低，條件溫和，設(shè)備簡單，操作安全方便；
④產(chǎn)生的“三廢”能得到有效控制，不污染環(huán)境；
⑤副產(chǎn)品可綜合利用。
甲苯液相空氣氧化法合成路線較短，操作簡單，產(chǎn)率較高，但制備時間較長。與化學(xué)氧化（如KMnO4氧化）法相比，甲苯液相空氣氧化法不消耗價格較貴的化學(xué)氧化劑，所用的氧化劑為空氣（氧氣），成本極低，“三廢”排放少，生產(chǎn)成本上極具競爭力。其他生產(chǎn)方法如苯甲醛歧化法、格氏試劑法等都存在原料成本高、合成路線較長，毒性大、操作麻煩且產(chǎn)率不高等缺點。綜合起來，我們可以選擇甲苯空氣氧化的工藝進行小試。
甲苯液相空氣氧化工藝的關(guān)鍵是甲苯的氧化，欲在合成中做好甲苯的氧化，就必須對甲苯氧化反應(yīng)過程的情況作詳細了解。
知識點撥
1.關(guān)于有機合成
所謂有機合成就是從簡單易得的原料，通過一步或多步化學(xué)反應(yīng)制備出比較復(fù)雜的目標(biāo)分子的過程。它也包括將復(fù)雜的物質(zhì)變?yōu)楹唵挝镔|(zhì)的過程。
有機合成有兩個基本的目的：一是為了合成一些特殊的、新的有機化合物，探索一些新的合成路線或研究其他理論問題，即實驗室合成。二是為了工業(yè)上大量生產(chǎn)，即工業(yè)合成。實驗室合成是有機合成的基礎(chǔ)，它是根據(jù)一般碳架和官能團的變化規(guī)律所研究得出的結(jié)論，大多數(shù)具有普遍的意義。但并非所有實驗室合成都適合于工業(yè)生產(chǎn)，能適合于工業(yè)生產(chǎn)的，只是其中的一部分。
工業(yè)合成又可分為基本有機合成和精細有機合成。基本有機合成是利用化學(xué)方法將簡單的、廉價易得的天然資源如煤、石油、天然氣及其初加工產(chǎn)品和副產(chǎn)品（電石、煤焦油等）合成為最基本的有機化工原料“三烯一炔”（乙烯、丙烯、丁烯和乙炔）、“三苯一萘”（苯、甲苯、二甲苯和萘），然后再進一步合成其他重要的有機化工原料如乙醇、甲醛、乙酸等。
精細有機合成工業(yè)則是主要合成染料、藥物、農(nóng)藥、香料及各種試劑、溶劑、添加劑等。其特點是產(chǎn)量小、品種多、質(zhì)量要求高，而且一般多為間歇生產(chǎn)，操作比較復(fù)雜細致。
工業(yè)合成與實驗室合成雖然在反應(yīng)原理和單元操作上大致相同，但兩者在實現(xiàn)形式上具有很多的差別。實驗室合成所需要的物質(zhì)用量較少，但純度要求較高，其成本在一定范圍內(nèi)不是主要問題，而工業(yè)合成的成本問題是非常重要的，即使收率上的極小變化或工藝路線上和設(shè)備的微小改進都會對成本發(fā)生很大的影響。此外，工業(yè)合成中還要考慮大生產(chǎn)的要求，如設(shè)備、操作、產(chǎn)物的綜合利用，物料、能量的平衡，生產(chǎn)的連續(xù)性，以及“三廢”的處理和環(huán)境的保護等。正因為如此，從實驗室合成到工業(yè)合成一般要經(jīng)過小試、中試放大再到工業(yè)大生產(chǎn)的逐級放大的論證過程。只有經(jīng)過充分的論證，實驗室的合成才能最終在生產(chǎn)中實現(xiàn)。
知識點撥
2.有機合成單元反應(yīng)
精細化學(xué)品及其中間體雖然品種繁多，但是從分子結(jié)構(gòu)來看，它們大多數(shù)是在脂鏈、脂環(huán)、芳環(huán)或雜環(huán)上含有一個或幾個取代基的衍生物。其中最主要的取代基有：①—X（鹵素基）；②—SO3H、—SO2Cl、—SO2NH2、—SO2NHR或—SO2NHAr等（R表示烷基，Ar表示芳基）；③—NO2、—NO；④—NH2、—NHR、—NHAr、—NHAc、—NHOH等（Ac表示乙酰基）；⑤—
Cl-、—HS
、—N
NAr、—NHNH2等；⑥—OH、—OR、—OAr、—OAc等；⑦—CH3、—C2H5、—CH（CH3）2等；⑧—CHO、—COR、—COAr、—COOH、—COOR、—COOAr、—COCl、—CONH2及—CN等。
為了在有機分子中引入或形成上述取代基，以及為了形成雜環(huán)和新的碳環(huán)，于是把化學(xué)反應(yīng)按其共同特點可分為硝化、胺化、鹵化、磺化等若干類別，這種類別的化學(xué)反應(yīng)叫做單元反應(yīng)或單元作業(yè)。最重要的單元反應(yīng)有，①鹵化；②磺化和硫酸酯化；③硝化和亞硝化；④還原和加氫；⑤重氮化和重氮基的轉(zhuǎn)化；⑥氨解和胺化；⑦烷基化（也稱烴化）；⑧酰化；⑨氧化；⑩羥基化；
酯化與水解；
縮合；
環(huán)合；
聚合等。
上述單元反應(yīng)可歸納為三種類型：第一類是有機分子中碳原子上的氫被各種取代基所取代的反應(yīng)，如鹵化、磺化、硝化、亞硝化、C-酰化、C-烷基化等；第二類是碳原子上取代基轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N取代基的反應(yīng)，例如，甲苯上的甲基被氧化為羧基等；第三類是在有機分子中形成雜環(huán)或新的碳環(huán)的反應(yīng)，即環(huán)合反應(yīng)。
知識點撥
3.關(guān)于氧化反應(yīng)
廣義上，凡使有機物分子中碳原子總的氧化態(tài)增高的反應(yīng)均稱為氧化反應(yīng)。狹義上，氧化反應(yīng)主要是指在氧化劑存在下，有機物分子中增加氧或減少氫的反應(yīng)。氧化反應(yīng)過程中，由于氧化劑的種類很多，其作用特點各異，因此一種氧化劑可以對多種不同的基團發(fā)生氧化反應(yīng)，另一方面，同一種基團也可以因所用氧化劑和反應(yīng)條件的不同，給出不同的氧化產(chǎn)物。利用氧化反應(yīng)除了可以制得醇、醛、酮、羧酸、醌、酚、環(huán)氧化合物和過氧化物等在分子增加氧的化合物以外，還可用來制備某些在分子中只減少氫而不增加氧的產(chǎn)物。
由于氧化劑和氧化反應(yīng)的多樣性，氧化反應(yīng)很難用一個通式來表示。有機物的氧化涉及一系列的平行反應(yīng)和連串反應(yīng)（包括過度氧化以及完全燃燒成二氧化碳和水），對于精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)來說，要求氧化反應(yīng)按一定的方向進行并且只氧化到一定的深度，使目的產(chǎn)物具有良好的選擇性、收率和質(zhì)量，另外，還要求成本低、工藝盡可能簡單。這就要求選擇合適的氧化劑、氧化方法和最佳反應(yīng)條件，使氧化反應(yīng)具有良好的選擇性。
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4.關(guān)于氧化方法及其特點
根據(jù)氧化劑和氧化工藝的區(qū)別，可以把氧化反應(yīng)分為在催化劑存在下用空氣進行的催化氧化、化學(xué)氧化及電解氧化三種類型。
工業(yè)上最價廉易得且應(yīng)用最廣的氧化劑是空氣。用空氣做氧化劑時，反應(yīng)可以在液相進行，也可以在氣相進行，但必須在催化劑或引發(fā)劑存在下反應(yīng)，此類反應(yīng)稱為空氣催化氧化。在液相中進行的空氣催化氧化的適用范圍很廣，通過空氣液相氧化可直接制得有機過氧化物、醇、酮、羧酸等。將有機物的蒸氣與空氣的混合氣體在高溫（300～500℃）下通過固體催化劑，使有機物適度氧化，生成目的產(chǎn)物的反應(yīng)叫做空氣的“氣-固相接觸催化氧化”。氣-固相接觸催化氧化法都是連續(xù)化生產(chǎn)，在工業(yè)上主要用于制備某些醛類、羧酸、酸酐、醌類和腈類等產(chǎn)品。
也用到許多無機的和有機的含氧化合物作為氧化劑，常稱為“化學(xué)氧化劑”。此類氧化一般稱為化學(xué)氧化。此外，有時還用到電解氧化法（盡管電解氧化不使用化學(xué)氧化劑，可以最大限度地減少“三廢”污染，屬于綠色化工，但現(xiàn)在工業(yè)化應(yīng)用還不廣泛）。
在各種類型的氧化反應(yīng)中存在一些共同的特點：
①氧化劑在進行氧化反應(yīng)時，氧化劑的形態(tài)有兩種。一種是氣態(tài)氧，如空氣或純氧。其特點是來源豐富、價格便宜、無腐蝕性，但是氧化能力較弱，此類反應(yīng)通常需要使用催化劑，有時還需要采用高溫。以空氣為氧化劑動力消耗較大，廢棄排放量大，設(shè)備體積大。純氧氧化劑需要采用空分裝置進行氧分離。另一種是化學(xué)氧化劑（無機的或有機的含氧化合物），其特點是氧化能力強，反應(yīng)條件溫和且不需要催化劑，但其價格比較昂貴，制備也比較困難，一般只用來生產(chǎn)一些小批量、附加值高的精細化工產(chǎn)品。
②強放熱反應(yīng)。所有的氧化反應(yīng)均是放熱反應(yīng)，特別是完全氧化反應(yīng)放熱更為劇烈。因此反應(yīng)過程中要及時移走反應(yīng)熱，使反應(yīng)平穩(wěn)進行，防止生產(chǎn)事故的發(fā)生。
③熱力學(xué)上，氧化反應(yīng)熱有利于氧化反應(yīng)的進行，故氧化反應(yīng)均可看作不可逆反應(yīng)，特別是完全氧化反應(yīng)。
④氧化反應(yīng)的途徑一般不止一種，其副反應(yīng)多，因此要選擇合適的反應(yīng)條件，才能得到目的產(chǎn)物。
知識點撥
5.液相空氣氧化的催化劑
在烴類自動氧化生成醇、醛、酮或羧酸等產(chǎn)物時，最常用的自動氧化催化劑是可變價金屬的鹽類，有時還加入其他輔助引發(fā)劑。最常用的可變價金屬是Co，有時也用到Mn、Cu和V等。最常用的鈷鹽是水溶性的乙酸鈷，油溶性的丁酸鈷和環(huán)烷酸鈷。其用量一般是被氧化物質(zhì)量的百分之幾到萬分之幾。
可變價金屬的鹽類作催化劑的優(yōu)點是，在反應(yīng)中生成的低價金屬離子可以被空氣中的氧再氧化成高價離子，它本身并不消耗，能保持持續(xù)的催化作用。
RH + Mn+ 
R· + H+ + M（n-1）+
M（n-1）+-e Mn+
還應(yīng)注意到，可變價金屬離子會促進有機過氧化氫物的分解。因此，如果目的在于制備有機過氧化氫物或過氧化羧酸，則不宜使用可變價金屬鹽作催化劑。在連續(xù)生產(chǎn)時可利用有機過氧化氫物自身的緩慢熱分解產(chǎn)生自由基以引發(fā)自動氧化反應(yīng)。
R—O—O—H R—O· + HO·
因此，在以有機過氧化氫物作為產(chǎn)物時，只能采用引發(fā)劑加速反應(yīng)，由于引發(fā)劑不能再生，故其用量應(yīng)參與反應(yīng)的計量。
甲苯液相空氣氧化中常用的催化劑為乙酸、環(huán)烷酸、硬脂酸、苯甲酸的鈷鹽或錳鹽以及溴化物，其中以鈷鹽的催化性能最好。溴化物為助催化劑，有助于提高反應(yīng)的選擇性和收率。也可添加氯化物，這主要是因為Cl與Co（Ⅲ）形成絡(luò)合物，提高了氧化電位，加速了Co（Ⅲ）還原為Co（Ⅱ）。由于溴化物對設(shè)備有嚴(yán)重的腐蝕作用，因而在現(xiàn)有的工業(yè)化生產(chǎn)中，不添加溴化物也較為常見。
1.2.3 苯甲酸合成單元過程分析
汪工：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)還必須制訂詳細的反應(yīng)方案。這在工藝上就是明確相應(yīng)的工藝控制點，顯然這對于生產(chǎn)是非常關(guān)鍵的。而反應(yīng)方案的制訂就必須從反應(yīng)的機理和反應(yīng)影響因素等方面入手才能把握其要點。
甲苯的氧化反應(yīng)式如下。
書寫反應(yīng)式時，一般還需將主產(chǎn)物及主要副產(chǎn)物一并寫出來，這樣在后處理時可以很清晰地了解到反應(yīng)物的組成。
在此反應(yīng)中，甲苯可稱為合成苯甲酸的反應(yīng)底物（也叫基質(zhì)），相應(yīng)空氣（氧氣）則稱為反應(yīng)試劑。一般地，在有機合成反應(yīng)中，有機化學(xué)反應(yīng)通常是在反應(yīng)試劑的作用下，有機物分子發(fā)生共價鍵斷裂，然后與試劑生成鍵，提供碳的物質(zhì)叫“基質(zhì)”，從基質(zhì)上分裂下來的部分叫離去基團。促使有機物共價鍵斷裂的物質(zhì)叫進攻試劑，也稱為反應(yīng)試劑。反應(yīng)試劑可分為極性試劑和自由基試劑兩種。
極性試劑是指那些能夠供給或接受一對電子以形成共價鍵的試劑。極性試劑又分為親電試劑和親核試劑。
親電試劑是從基質(zhì)上取定一對電子形成共價鍵的試劑。這種試劑電子云密度較低，在反應(yīng)中進攻其他分子的高電子云密度中心，具有親電性能，包括：①陽離子，如
、NO+、R+、R—C+ 
O、Ar
、R4N+等；②含有可極化和已經(jīng)極化共價鍵的分子，如Cl2、Br2、HF、HCl、SO3、RCOCl、CO2等；③含有可接受共用電子對的分子（未飽和價電子層原子的分子），如AlCl3、FeCl3、BF3等；④羰基的雙鍵；⑤氧化劑，如Fe3+、O3、H2O2等；⑥酸類；⑦鹵代烷中的烷基（R—X）。由該類試劑進攻引起的離子反應(yīng)叫親電反應(yīng)。例如親電取代、親電加成。
把一對電子提供給基質(zhì)以形成共價鍵的試劑稱親核試劑。這種試劑具有較高的電子云密度，與其他分子作用時，將進攻該分子的低電子云密度中心，具有親核性能，包括：①陰離子，如OH—、RO—、ArO—、NaS
、NaS—、CN—等；②極性分子中偶極的負端，如NH3、RNH2、RNHR'、ArNH2和NH2OH等；③烯烴雙鍵和芳環(huán)，如CH2 CH2、C6H6等；④還原劑，如Fe2+、金屬等；⑤堿類；⑥有機金屬化合物中的烷基，如RMgX、RC≡CM等。由該類試劑進攻引起的離子反應(yīng)叫親核反應(yīng)。例如，親核取代、親核置換、親核加成等。
含有未成對單電子的自由基或是在一定條件下可產(chǎn)生自由基的化合物稱自由基試劑。例如，氯分子（C12）可產(chǎn)生氯自由基（Cl·）。
（1）甲苯液相空氣氧化反應(yīng)的機理 空氣液相氧化的實質(zhì)是空氣中的氧氣由氣相溶解進入液相，在催化劑（或引發(fā)劑）的作用下與液相中的有機物進行反應(yīng)。甲苯氧化是一個串聯(lián)反應(yīng)，甲苯首先氧化生成苯甲醇，再進一步氧化生成苯甲醛，最后氧化生成苯甲酸。
一般來說，有機物在室溫下在空氣中會發(fā)生緩慢的氧化。在不加入引發(fā)劑或催化劑的情況下，有機物的自動氧化在反應(yīng)初期進行得很慢，通常需經(jīng)過很長時間才能積累一定濃度的自由基，使有機物的氧化反應(yīng)能以較快的速度進行下去，這段積累自由基的時間稱做有機反應(yīng)的“誘導(dǎo)期”。在實際生產(chǎn)中，為了提高自動氧化的速度，需要提高反應(yīng)溫度并加入引發(fā)劑或催化劑。
自動氧化是自由基連鎖反應(yīng)，其反應(yīng)歷程包括鏈的引發(fā)、鏈的傳遞和鏈的終止三個步驟，其中決定性步驟是鏈的引發(fā)。
①鏈的引發(fā) 這是指被氧化物R—H在能量（熱能、光輻射和放射線輻射）、可變價金屬鹽或自由基X·的作用下，發(fā)生C—H鍵的均裂而生成自由基R·的過程。例如：
R· + H·
R· + H+ + Co（Ⅱ）
R· + HX
式中，R可以是各種類型的烴基，R·的生成給自動氧化反應(yīng)提供了鏈傳遞物。甲苯生成自由基時發(fā)生在側(cè)鏈甲基上。
一般地，在烴分子中C-H 鍵均裂成自由基R·和H·的難易程度與烴分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。叔C-H 鍵（即R3C—H）最易均裂，其次是仲 C-H 鍵（即R2CH—H），最難的是伯C-H 鍵（即RH2C—H）。例如：異丙苯在自動氧化時主要生成叔碳過氧化氫物，而乙苯主要生成仲碳過氧化氫物。
叔碳過氧化氫物和仲碳過氧化氫物在一定條件下比較穩(wěn)定，可以作為在自動氧化過程的最終產(chǎn)物（不加可變價金屬鹽催化劑）。因此反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生在叔碳（或仲碳）原子上。乙苯在自動氧化時，如果加入鈷鹽作催化劑，則主要產(chǎn)物是苯乙酮。
必須注意的是，被氧化的原料中不應(yīng)含有阻化劑。所謂阻化劑是能與自由基結(jié)合成穩(wěn)定化合物的物質(zhì)。少量阻化劑就能使自由基銷毀，造成鏈終止，減緩自由基反應(yīng)的速率。最強的阻化劑是酚類、胺類、醌類和烯烴等，另外原料中的水亦具有阻化作用。如：
例如，在異丙苯的自動氧化制備異丙苯過氧化氫物時，回收套用的異丙苯中不應(yīng)含有苯酚（來自異丙苯過氧化氫物的酸性分解）和α-苯乙烯（來自異丙苯過氧化氫物的熱分解）。而在甲苯的自動氧化制備苯甲酸時，原料甲苯中不應(yīng)含有烯烴，否則都會延長誘導(dǎo)期。
另外，在反應(yīng)系統(tǒng)中，有時反應(yīng)產(chǎn)物或副產(chǎn)物本身就有阻化作用，此類現(xiàn)象稱為自阻現(xiàn)象。只有當(dāng)阻化劑都轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定化合物后，鏈反應(yīng)才能正常傳遞。
阻化劑的作用應(yīng)從兩個方面進行評價：若原料中含有阻化劑時，它會顯著降低液相催化氧化反應(yīng)速率，甚至使反應(yīng)無法正常進行，因此反應(yīng)的原料中不能含有阻化劑。而在液相催化氧化反應(yīng)緊急情況下，如超溫超壓，可加入阻化劑終止自由基反應(yīng)，以保證安全生產(chǎn)，此時阻化劑亦稱為終止劑。
②鏈的傳遞 這是指自由基R·與空氣中的氧相作用生成有機過氧化氫物的過程。反應(yīng)為：
通過上面兩反應(yīng)式又可以使R—H持續(xù)地生成自由基R·，并被氧化成有機過氧化氫物。它是自動氧化的最初產(chǎn)物。
對于甲苯：
上述反應(yīng)中苯甲醇氧化生成苯甲醛的速率最快，而苯甲醛氧化生成苯甲酸的速率較甲苯氧化生成苯甲醇的速率稍慢。故產(chǎn)物中苯甲酸的含量最高，苯甲醛的含量其次，苯甲醇的含量最低。相對甲苯，苯甲醛更容易被空氣氧化。
③鏈的終止 自由基R·和R—O—O·在一定條件下會結(jié)合成穩(wěn)定的化合物，使自由基猝滅。例如：
顯然，有一個自由基猝滅，就有一個鏈反應(yīng)終止，使自動氧化的速度減慢。
甲苯的氧化為放熱反應(yīng)。一般來說，羧酸類物質(zhì)由于氧化態(tài)較高，相對較為穩(wěn)定，故甲苯的催化氧化將停留在苯甲酸階段。由于氧化歷程復(fù)雜，故反應(yīng)的副產(chǎn)物往往較多。
（2）空氣液相氧化的影響因素
①甲苯的反應(yīng)性質(zhì) 甲苯有類似苯的芳香氣味，沸點（常壓）110.63℃，熔點-94.99℃。甲苯不溶于水，溶于乙醇、乙醚和丙酮等有機溶劑中。由于甲苯比苯多了一個甲基，甲基是供電子基，它的存在會使苯環(huán)電子云密度增加，有利于親電試劑對苯環(huán)的進攻，因而甲苯比苯容易進行苯環(huán)上的親電取代反應(yīng)；甲苯在一般條件下性質(zhì)十分穩(wěn)定，但同酸或氧化劑卻能激烈反應(yīng)。它的化學(xué)性質(zhì)類似于苯酚和苯，反應(yīng)活性則介于兩者之間。甲苯主要能進行自由基取代、親電取代和自由基加成反應(yīng)，親核反應(yīng)則較少發(fā)生。
在受熱或光照條件下，甲苯可以和某些反應(yīng)物（如溴）在甲基上進行自由基取代反應(yīng)。由于甲苯苯環(huán)側(cè)鏈甲基上的C—H鍵鍵能較大，約為355.64kJ/mol，反應(yīng)的引發(fā)比較困難，通常需要高溫高壓。即使在有催化劑的情況，反應(yīng)的條件仍然比較苛刻。
甲苯蒸氣和空氣可形成爆炸性混合物，爆炸極限1.2%～7.0%（體積分?jǐn)?shù)），在反應(yīng)中需要注意。
②反應(yīng)的介質(zhì)與傳質(zhì)的影響 甲苯的液相空氣氧化可以在溶劑體系下反應(yīng)，也可以在無溶劑體系下反應(yīng)。可作為反應(yīng)溶劑的有：乙酸、乙腈、二氯甲烷等。研究表明，酸性介質(zhì)可以大大提高催化劑的活性，這可能是因為酸性介質(zhì)中可避免鈷原子的二聚緣故。也有用無機鹽溶液作為反應(yīng)介質(zhì)的報道。
甲苯液相空氣氧化反應(yīng)屬于氣液反應(yīng)，是典型的擴散-反應(yīng)過程，反應(yīng)除了受動力學(xué)因素控制外，還受擴散因素的影響。因此在通過改變反應(yīng)溫度和催化劑用量來達到較高的化學(xué)反應(yīng)速率的前提下，還需要建立足夠大的相接觸面積，或者通過強烈的攪拌來提高擴散速率。
空氣流速對苯甲酸的收率有較大影響，甲苯轉(zhuǎn)化率隨空氣流速的增加而升高。空氣流速較小時，有利于苯甲醛的形成，但苯甲酸的收率卻降低；過高的空氣流速可能帶出更多的甲苯，對生產(chǎn)不利。空氣的流速一般控制在240L/（h·kg甲苯）左右。
③氧化深度 對于大多數(shù)自動氧化反應(yīng)，特別是在制備不太穩(wěn)定的過氧化氫物或醛、酮時，隨著被氧化物轉(zhuǎn)化率的提高，副反應(yīng)生成的阻化物（包括焦油物）會逐漸積累起來，使反應(yīng)速率逐漸變慢。另外，隨著轉(zhuǎn)化率的提高，還會增加目的產(chǎn)物的分解和過度氧化等副反應(yīng)。因此，為了保持較高的反應(yīng)速率和產(chǎn)率，常常需要在只有一小部分原料被氧化成目的產(chǎn)物時就停止下來，即將氧化深度保持在一個較低的水平。這樣，雖然原料的單程轉(zhuǎn)化率比較低，但是未反應(yīng)的原料可以回收循環(huán)套用。按消耗的原料計算，總收率還是比較高的。
對于產(chǎn)物穩(wěn)定的氧化反應(yīng)，如羧酸，由于其產(chǎn)物進一步分解或氧化的可能性很小，連串副反應(yīng)也不易發(fā)生，所以可采用較高的轉(zhuǎn)化率進行深度氧化，從而大大減少物料的循環(huán)量，簡化了后處理操作過程，降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)能耗。
④溫度與壓力 在催化條件下，甲苯液相空氣氧化的反應(yīng)溫度一般為140～175℃，壓力為0.4～0.8MPa。不同催化劑相應(yīng)的溫度壓力有所差異。
因反應(yīng)放熱，反應(yīng)控制在較低的溫度對反應(yīng)有利。由于苯甲酸常溫下的熔點是122℃，加壓條件下熔點也會相應(yīng)升高。反應(yīng)溫度應(yīng)控制在其熔點之上，這樣可以保證反應(yīng)為氣液反應(yīng)。溫度過高，會引起副反應(yīng)，影響苯甲酸的收率；而溫度過低，氧化速率減慢，甲苯的轉(zhuǎn)化率降低。
空氣壓力越高，氧氣的濃度越大，對反應(yīng)有利。另外，提高空氣率壓力，可以顯著提高甲苯的爆炸極限，這對反應(yīng)的安全是必要的。
⑤添加劑的影響 在甲苯的液相空氣氧化體系中添加少量苯甲醛對反應(yīng)是有利的。苯甲醛的作用可能是引發(fā)更多的自由基參與反應(yīng)。苯甲醛添加量通常在1%左右。
⑥含水量的影響 由于氧化過程中生成水，體系中水分的積累對氧化反應(yīng)不利。一般地，隨著反應(yīng)體系中水量增多，甲苯的轉(zhuǎn)化速度減慢，甲苯的總的轉(zhuǎn)化率也將下降，因此必須將反應(yīng)體系中的水盡可能不斷地除去。
⑦副反應(yīng) 由于氧化反應(yīng)歷程復(fù)雜，甲苯氧化后的副反應(yīng)很多。其中以中間產(chǎn)物苯甲醇或苯基芐基醇與反應(yīng)生成的羧酸進行酯化生成的酯，如苯甲酸芐酯、甲苯甲酸芐酯等為主。
苯甲酸芐酯含量較高，回收后經(jīng)水解及后處理可重新得到苯甲醇與苯甲酸。其他副產(chǎn)物主要有水、苯甲醇、苯甲醛、苯、聯(lián)苯、苯甲酸芐酯、鄰甲基聯(lián)苯、二甲基聯(lián)苯、對甲基聯(lián)苯及酯類等，均可回收利用。
1.2.4 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，才能完成合成的任務(wù)。由于反應(yīng)物體系的構(gòu)成千差萬別，要進行分離時采用的策略是不盡相同的。
1.2.4.1 氧化反應(yīng)物料的后處理
（1）體系的組成及其狀態(tài) 反應(yīng)后的物料通常是由目標(biāo)產(chǎn)物、多余的原料、溶劑、催化劑及副產(chǎn)物組成。一般來說，只要合成反應(yīng)控制得好，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率往往是很高的，因此，產(chǎn)物中除了多余的原料、溶劑外，目標(biāo)化合物往往是主要成分。
對于不加溶劑的甲苯液相空氣氧化反應(yīng)體系，反應(yīng)結(jié)束后體系的主要組成為：剩余甲苯、苯甲酸、少量水、催化劑及副產(chǎn)物等，體系基本上呈均相混合溶液狀態(tài)。
（2）產(chǎn)物的分離策略 對反應(yīng)物料進行處理分離出目標(biāo)產(chǎn)物是化工生產(chǎn)的重要內(nèi)容，在制訂反應(yīng)物料分離方案時，有一些原則值得參考。
①原子經(jīng)濟原則 降低成本的是任何生產(chǎn)活動必須遵守原則，因此分離的總原則是以盡可能低的成本獲得盡可能多的效益，即在工藝上不僅要分離出目標(biāo)產(chǎn)物，還須盡可能多地回收多余的原料（包括溶劑、剩余原料、催化劑等）和有價值的組分。
②催化劑優(yōu)先處理原則 催化劑往往是有機合成中的關(guān)鍵，盡管用量較少，但往往價格不菲，故在分離處理前要首先考慮回收催化劑，以便于下次生產(chǎn)時重復(fù)使用。而對于酸或堿的催化劑，如果不能分離，則往往需要進行中和處理。
③保護目標(biāo)產(chǎn)物原則 即任何后處理過程原則上都不能以犧牲目標(biāo)產(chǎn)物為代價，因為犧牲了目標(biāo)產(chǎn)物的處理不僅造成目標(biāo)產(chǎn)物的浪費，還帶來了新的雜質(zhì)，增加了后處理的難度。因此對于處理過程中有可能對目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)生危害的組分必須進行消除（猝滅）處理。
④圍繞目標(biāo)產(chǎn)物分離原則 對于某一反應(yīng)體系的分離，整個分離方案必須圍繞目標(biāo)產(chǎn)物進行，即針對目標(biāo)產(chǎn)物的性質(zhì)，比較它與體系中其他組分物理性質(zhì)上的差異（溶解度、熔沸點、極性、揮發(fā)度等），設(shè)計分離方案。這是因為說到底分離是利用各組成物質(zhì)的特定的聚集形式的差異來分離的，一方面可以很方便地回收原料、溶劑以及得到副產(chǎn)物，另一方面也可以避免其他化學(xué)物質(zhì)的消耗，降低生產(chǎn)成本。如果不能利用物理性質(zhì)進行分離，則需要利用化學(xué)性質(zhì)，有針對性地設(shè)計化學(xué)反應(yīng)路線，將各組分轉(zhuǎn)化為易于分離的物質(zhì)再進行分離。分離后往往還需要進一步轉(zhuǎn)化。
⑤簡單有效原則 即從多種分離方法中選擇一種簡單有效的分離方法進行分離。后處理分離過程每多一步，則意味著產(chǎn)物多一步分離的損耗，同時處理工作量也相應(yīng)地增大。而生產(chǎn)上的物料量較大，這樣的損耗的積累將意味著成本的極大提升。
對于組分構(gòu)成相對簡單的液體反應(yīng)物體系，如果目標(biāo)產(chǎn)物為較高熔點固體，策略上可以考慮濃縮（除溶劑）或者設(shè)法使得目標(biāo)產(chǎn)物的溶解度降低而析出；如果目標(biāo)產(chǎn)物是液體（或低熔點固體），策略上考慮采用蒸餾的方法，收集不同沸點下的組分（如果沸點過高可以在減壓條件下進行）；如果組分的沸點較為接近，可以采用精餾的方法。值得注意的是，由于精餾分離能一次性獲得多組分產(chǎn)物，在分離過程中應(yīng)優(yōu)先考慮使用。
但實際的反應(yīng)物料組分比較復(fù)雜，各組分性質(zhì)差異不盡相同，這時往往需要將反應(yīng)物進行粗分離處理。一般說來，粗分離處理主要有三種形式：a.液-液兩相處理。即向體系中加入反極性的液相（萃取），如果反應(yīng)物體系是極性的，則加入非極性的液體；反之，加入極性的液體。b.氣-液兩相處理。即向體系中通入某種氣體，比如水蒸氣，將易揮發(fā)的組分帶出體系；c.液-固兩相處理，比如加入活性炭或離子交換樹脂吸附某種組分等。經(jīng)過粗分離處理后，可將目標(biāo)產(chǎn)物集中的部分分離出來進一步處理分離。
必須注意的是，分離時如果沒有一步就能將全部組分分離的方法，那么在設(shè)計分離路線時應(yīng)考慮將各組分一步一步地進行分離，直至目標(biāo)化合物被分離出來為止。
對于甲苯液相空氣氧化的反應(yīng)物，在反應(yīng)時甲苯、苯甲酸的狀態(tài)都是液態(tài)，故可以考慮采用蒸餾（或精餾）的方法進行分離。
1.2.4.2 關(guān)于產(chǎn)物的精制
從反應(yīng)中分離出粗產(chǎn)物后，目標(biāo)產(chǎn)物的含量已經(jīng)相當(dāng)高，但仍需要進行提純處理。一般來說，對于固體產(chǎn)品的精制，可采用重結(jié)晶或升華、凝華的方法；對于液體產(chǎn)品的精制，可采用蒸餾（或精餾）的方法（如沸點過高，可采用減壓下操作）。對于氣體產(chǎn)品的精制，往往冷卻為液體精餾提純。實驗室制備由于量少也可以考慮用柱色譜的方法進行純化精制。
由于苯甲酸在常溫下是固體，可以考慮用重結(jié)晶的方法純化。另外，苯甲酸具有在100℃左右開始升華的特點，故除了重結(jié)晶方法外，也可用升華的方法精制苯甲酸。由于重結(jié)晶法比較易于操作，建議采用重結(jié)晶法進行純化。
汪工講解完，要小周等考慮如何制苯甲酸的小試合成方案，在車間小試實驗室實習(xí)時討論。