Jan. 2011 现代化工 第 31卷第 1期
Modern Chem ical Industry 2011年 1月
离子液体催化酯化反应的研究进展
陶端健, 周 � 政,吕学铭,胡兴邦, 吴有庭
( 1.南京大学分离工程研究中心,江苏 南京 210093; 2.介观化学教育部重点实验室,
江苏 南京 210093; 3.南京大学化学化工学院,江苏 南京 210093)
摘要:综述了近年来离子液体作为一种绿色催化剂在酯化反应中的应用研究进展,指出了目前离子液体催化酯化中存在的
问题,并给出了解决这些问题的方法和建议。
关键词:离子液体;酯化反应;催化剂
中图分类号: TQ225�24; O621�256�4� 文献标识码: A � 文章编号: 0253- 4320( 2011 ) 01- 0020- 04
Research progress of esterification reaction catalyzed by ionic liquids
TAO Duan�jian, ZHOU Zheng, LV Xue�m ing, H U X ing �bang, WU You�ting
( 1. Separa tion Eng ineering Resea rch Center, Nan jing Un iversity, Nanjing 210093, China;
2. K ey Labo ra tory o fM esoscop ic Chem istry o fMOE, Nanjing 210093, China;
3. Schoo l of Chem istry and Chem ica l Eng ineer ing, Nanjing Un iversity, N an jing 210093, China)
Abstrac t: The applica tion and resea rch progress in the ester ification reac tions are rev iew ed using ionic liqu ids as
g reen ca talysts. The problem s ex isting in the cata lys is o f ion ic liqu ids are a lso d iscussed, and som e suggestions on the
so lution of these issues are pu t forwa rd.
K ey words: ion ic liqu ids; esterification; cata lyst
� 收稿日期: 2010- 10- 18
� 基金项目:江苏省自然科学基金 ( BK2009242)
� 作者简介:陶端健 ( 1984- ) ,男,博士生,主要从事酸性离子液体催化研究;吴有庭 ( 1968- ) ,男,教授,博士生导师,主要研究方向为化工分离与
过程集成,绿色化工过程技术等,通讯联系人, 025- 83593772, ytwu@ n ju. edu. cn。
� � 离子液体,是全部由有机阳离子和有机或无机
阴离子组成,在室温或者室温附近温度下呈液体状
态的一类有机盐 [ 1]。由于离子液体具有不挥发性,
可设计性,易循环使用等特点 [ 2- 3] ,被认为是理想的
绿色反应介质,已被广泛应用于化学合成、分离工程
和纳米材料制备等领域。
酯类化合物是一类重要的精细化工产品, 广泛
应用于香料、增塑剂、溶剂等化工行业 [ 4 ]。合成羧
酸酯的传统方法是由羧酸与醇在浓硫酸催化作用下
直接酯化制得,该工艺容易对设备产生强烈腐蚀,并
且后续产物的提取分离工艺冗杂, 形成大量的 �三
废 , 污染环境。近年来随着对酯化催化剂的深入
研究,研究发现采用固体超强酸 [ 5 - 6]、杂多酸 [ 7- 8]、
强酸性阳离子交换树脂 [ 9- 11 ]作为酯化催化剂代替
浓硫酸,可以解决对设备腐蚀和环境污染等问题,但
是这些催化剂的制备过程较复杂, 液-固反应扩散
阻碍大,催化剂不易再生, 成本也较高。因此, 开发
环境友好的新型酯化催化剂, 是当前相关研究的重
点与热点。近年来开发出的离子液体酸催化剂既具
有催化活性高,又有易于与产物分离、可重复利用等
优点,因而被认为是一种具有替代传统无机酸和固
体酸催化剂的环境友好的液体酸催化剂。鉴于目前
离子液体在酯化反应中的应用已取得重要进展, 笔
者拟对近年来各类离子液体在酯化反应中的应用予
以介绍,指出了目前离子液体催化过程中存在的问
题,并给出了解决这些问题的方法和建议。
1� 在酯化反应中的应用进展
1�1� 氯铝酸系离子液体
Deng等 [ 12]首先报道了使用吡啶氯铝酸类离子
液体作为催化剂催化乙酸和不同醇的酯化反应。该
工作详细研究了乙酸与苯甲醇、异丙醇、丁醇、异戊
醇以及甘油醇等的酯化反应, 实验发现当所用离子
液体中三氯化铝与吡啶盐的摩尔比小于 1时, 构成
一种有效的醇酸酯化催化剂, 离子液体催化酯化反
应温度较低,乙酸转化率和选择性都优于浓硫酸催
化的结果,又因产物酯与离子液体不相混溶, 形成液
-液两相,因而目标产品较易分离,离子液体也易回
收循环利用。该研究还
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
明, 反应过程中酸和醇的
加入次序对催化剂体系有着显著影响。若先加入
酸,离子液体很快会被破坏, 而先加入醇则可以保持
催化体系的稳定性。陈治明等 [ 13]研究了以氯铝超
酸型离子液体催化合成乙酸乙酯的酯化反应。结果
表明, 该类型离子液体具有良好的催化活性, 乙酸
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2011年 1月 陶端健等:离子液体催化酯化反应的研究进展
转化率在 10m in内能达到 95%,生成的酯与离子液
体分层两相,催化剂可重复使用。马卫华等 [ 14]合成
了 [ BuPy] [ C l-A lC l3 ]、[ EM Im ] [ BF4 ]等离子液体,
并应用于催化合成反丁烯二酸二乙酯。实验发现,
当氯化 1-丁基吡啶与氯化铝的摩尔比为 1∀1�5时,
离子液体 [ BuPy ] [ C l-A lC l3 ]呈酸性, 催化性能较
好,其催化的酯化率可达 66%。由以上研究结果可
见, 三氯化铝体系离子液体具较强的酸性,在各种酯
化反应中具有良好的催化活性。但是由于其对水和
空气不稳定,而酯化过程又有水产生,氯化铝类离子
液体难免会有一定程度的破坏,重复使用次数有限,
因此其应用受到了限制。
1�2� 耐水系离子液体
W ilkes等 [ 15]合成了第 1个对水和空气都稳定
的离子液体 [ em im ] [ BF4 ] ,此后大量由咪唑阳离子
和 [ BF4 ]和 [ PF6 ]阴离子组成的新一代离子液体相
继被合成出来,极大地扩展了离子液体在反应、分离
和材料合成等各方面的应用, 带来了离子液体作为
酯化催化剂的高速发展时期。
Zhu等 [ 16] 考察了 B r�nsted 酸性 离子液体
[Hm im ] [ BF4 ]催化乙酸和丁醇、辛醇等酯化反应。
结果表明, 乙酸转化率均大于 95% , 且选择性为
100% ;该离子液体具有合成方法简易, 回收重复利
用简单等特点。Fraga-Dubreu il等 [ 17]研究了离子液
体 [ bm im ] [ HSO 4 ]、[ hm im ] [ HSO 4 ]、[ bm im ]
[H 2PO 4 ]、[ heem im ] [H SO4 ]在乙酸与戊醇, 己醇和
庚醇酯化反应中的催化活性,实验发现,离子液体的
酸性是影响其在酯化反应中的催化性能的重要参
数, 离子液体酸性越强, 则产物酯的收率和选择性也
越高。A rfan等 [ 18]进一步研究发现离子液体与产物
酯的互溶性对其催化性能同样有着重要影响, 通过
设计离子液体的不同阳离子结构, 从而调控离子液
体的亲水性,使得其具有不同的催化活性。例如,相
比于离子液体 [ C4m im ] [ HSO4 ], 离子液体 [ C4 py ]
[HSO4 ]与乙酸丁酯有着更好的不互溶性, 推动反应
平衡向生成产物方向移动, 有利于乙酸转化率的提
高。同样, P ralhad等 [ 19]研究了不同阴离子结构对
离子液体催化活性的影响, 制备了具有不同阴离子
结构的烷基胺类离子液体, 并应用于乙酸和正辛醇
的酯化反应中。结果表明, 酯化反应的转化率均能
达到 98%以上,重复回收的离子液体催化酯化率仍
达 96% ;研究还发现离子液体阴离子酸性的增加能
提高产物酯的收率,酯的产率随离子液体阳离子碳
链的增长而下降,当离子液体阴离子 /阳离子的尺寸
增大到一定程度时, 酯化反应体系不能形成液-液
相分离。黎子进等 [ 20 ]研究了以离子液体 N -甲基吡
咯烷酮硫酸氢盐 [ Hnmp] [HSO 4 ]为催化剂催化合
成乙酸正丁酯的酯化反应, 研究表明, 离子液体
[H nmp] [HSO 4 ]催化的乙酸转化率达到 90%以上,
该催化体系具有离子液体合成简单、产率高、所需时
间短、产物易于分离等优点。Wei等 [ 21]报道了多种
对水稳定的离子液体在酯化反应中用作催化剂和溶
剂,反应体系均有较好的羧酸转化率和选择性,但是
由于水的存在使得羧酸的转化率无法进一步提高。
综述所述, 耐水系离子液体对水和空气都较稳
定,具有较好的酸催化活性。但是,由于其酸性没有
氯铝酸体系离子液体酸性强, 不得不增加离子液体
的用量以达到满意的酯收率, 例如, 离子液体
[Hm im ] [ BF4 ]用量为乙酸投料量的 300%之多 [ 19] ;
或者采用复合质子酸的方法提高离子液体的酸性以
提高其催化活性,例如采用硫酸氢根 [HSO4 ]为离子
液体的阴离子。由此可见, 耐水系离子液体存在突
出问题是酸性弱,低催化用量下催化活性有限,因此
具有更强酸性的离子液体有待进一步开发。
1�3� 功能化离子液体
进入 21世纪,吡啶类、季铵盐类、双咪唑类阳离
子等相继被报道 [ 22 ] , 离子液体的研究进入了 1个
�量体裁衣设计 的新阶段。可根据特定需要, 设计
并合成出具有特定功能的离子液体即功能化离子液
体,如强酸性离子液体 [ 23]、手性离子液体 [ 24 ] , 具有
配体性质的离子液体 [ 25] , 含氨基酸和 DNA的离子
液体 [ 26] , 复合离子液体和其他功能的离子液
体 [ 27- 28]等。
2002年, Co le 等 [ 23] 首先制备出了具有强
Br�nsted酸性的磺酸基功能化的咪唑盐和季鏻盐离
子液体,并考察了其在乙酸乙酯酯化反应中的催化
活性。研究发现离子液体中水的含量影响酯化产
率,纯的无水离子液体催化酯化率反而不高,而在离
子液体重复使用第 3次时, 产率最高达到 96%。
Gui等 [ 29]合成了一系列侧链带磺酸基的强 B r�nsted
酸性咪唑盐、吡啶盐和季铵盐离子液体,并应用于乙
醇和乙酸的酯化反应中。结果表明, 强 B r�nsted酸
性离子液体与乙酸的摩尔比为 1∀5和反应温度为
80# 时,乙酸转化率为 92�6% ,选择性为 100%。离
子液体经除水后重复使用 5次,催化活性略有下降。
此后, X ing等 [ 30]以不同阴离子的磺酸基烷基吡啶盐
离子液体为催化剂,研究了苯甲酸和乙醇的酯化反
应, 实验发现阴离子的 B r�nsted酸性越强, 有利于
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现代化工 第 31卷第 1期
增加离子液体与产物酯的不互溶性, 推动反应平衡
向生成产物的方向移动,离子液体的催化性能越好。
Gu等 [ 31]研究了磺酸基功能化的咪唑盐离子液体催
化脂肪酸和烯烃直接加成生成羧酸的酯化反应。结
果表明,增长咪唑环上取代的烷基碳链长度,能有效
增加离子液体与反应物烯烃的互溶度和提高乙酸的
转化率,但降低了产物酯的选择性;产物酯与离子液
体也因两者互溶度的提高而难以形成相分离。Q iao
等 [ 32]报道了一种烯丙基咪唑盐离子液体固载在硅
胶上的新方法,并采用改性的硅胶作为催化剂催化
乙酸和乙醇、辛醇反应。研究发现,催化体系能获得
较高的乙酸转化率和选择性, 后续的产物酯分离过
程也十分简单,通过过滤能完全分离出固载的离子
液体。X ie等 [ 33]报道了带有磺酸功能基团的离子液
体用于催化合成增塑酯类的应用, 研究发现磺酸基
功能化咪唑盐离子液体比普通离子液体具有更好的
催化性能,回收 6次的催化剂催化活性基本不变, 是
一种绿色和环境友好的合成增塑酯类的方法。
以上结果表明, 通过设计离子液体的不同阴阳
离子结构,引入磺酸基团调控离子液体具有很强的
Br�nsted酸性, 使得功能化离子液体在酯化反应中
发挥溶剂 /催化剂的双重作用,促进酯化反应朝产物
方向进行,使酯化反应达到高的酯收率和选择性,但
是功能化离子液体同样存在一些难以克服的缺陷。
例如,功能化离子液体的合成工艺复杂、成本高昂;
强 Br�nsted酸性离子液体引起的设备腐蚀问题同样
值得重视。
2� 作为酯化催化剂存在的问题
与传统的固体酸和液体酸催化剂相比,酸性离
子液体具有催化活性好、选择性高及易于回收等优
点, 是一种应用前景非常好的环境友好的酸性催化
剂。但是,离子液体作为一种新型反应介质,其本身
固有的缺点和其中存在的问题不容忽视。首先, 离
子液体经过回收处理虽然可以重复使用,但是催化
活性还是有一定程度地下降, 且回收离子液体过程
中难免有微量离子液体损失。其次, 限制离子液体
大规模工业化生产和广泛应用的最大阻碍在于离子
液体的高昂合成成本。再者,离子液体自身的 �绿
色化 也是一个必须重视的问题。离子液体的毒性
以及对环境的影响这类研究目前还鲜有报道, 离子
液体的生物降解性研究也较少。最后,离子液体在
酯化反应中的作用机理目前还不是十分清晰, 有待
科研工作者的进一步深入研究。
3� 展望
探索酸性离子液体对于特定反应的催化性能,
仍然是当今国内外相关研究领域的一个热点。作为
新型反应介质,酸性离子液体大规模取代传统有机
溶剂和酸催化剂尚需更多的研究工作。设计合成低
腐蚀、低催化用量和高催化活性的离子液体将是今
后研究的一个重要方向。在离子液体催化酯化的反
应机理方面,离子液体和酯化体系中各组分间的作
用力与离子液体结构之间的构效关系如何定性、定
量分析,这仍然是化学化工工作者努力的方向。其
次,合成常规离子液体的原料严重依赖于化石原料,
如何在天然产物中找到合适的原料以降低离子液体
的生产成本将是问题关键。同样, 研究离子液体的
生物降解性以及离子液体对环境和生物影响等方面
的问题也十分重要。通过向离子液体中引入可降解
基团加以结构改造,或者筛选天然化合物作为阴阳
离子,从这个思路出发或许可以解决这一问题。综
上所述,随着离子液体的蓬勃发展和深入研究,限制
离子液体大规模工业化应用的 �瓶颈 问题也必然
可以解决。
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国际化工巨头拜耳计划大幅提高在华产能
� � 国际化工巨头拜耳日前在上海宣布, 作为拜耳材料科
技有史以来最大的单项投资, 拜耳上海一体化基地将获投
资约 10亿欧元,用以大幅扩大高级别材料的在华产能。按
照拜耳的发展目标, 2015年集团在大中华区的销售额将增
至 50亿欧元。
拜耳集团董事会主席马尔金! 戴克斯 (M a rijnDekkers)
博士视这一投资为 �加强新兴经济体现有业务的重要一
步 。他说, 2009财年拜耳集团在大中华区创下了 21亿欧
元的销售额纪录,其中 12亿欧元自拜耳材料科技。
�我们希望到 2015年将集团在大中华区的销售额增至
50亿欧元,预计拜耳材料科技至少占到其中一半的份额。
戴克斯说。
作为全球最大的聚合物生产公司之一, 拜耳材料科技首
席执行官唐佩德 ( patrickThom as)表示,就销售额而言,中国是拜
耳材料科技在全球范围内的第二大重要市场。加上新宣布的扩
能计划,拜耳材料科技的在华投资总额已经超过 30亿欧元。
据了解,拜耳材料科技的扩能计划中包括了年产能达
20万 t的聚碳酸酯设施,年产能达 50万 t的二苯基甲烷二
异氰酸酯 (MDI)新工厂等 5个独立项目。
此外,拜耳还计划将旗下碳酸酯业务部总部从德国勒
沃库森移师上海。拜耳方面表示, 此举是为了 �更加贴近
拥有巨大发展潜力的亚洲市场 。 (于亚楠 )
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