超临界状态二氧化碳与乙二胺反应制取2-咪唑烷酮及机理的研究

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2-咪唑烷酮(2-imidazolidone)是一种非常重要的化工原料,在医药、农药和生物工程等方面均有着广泛的应用。生产2-咪唑烷酮的工艺有很多种,从最开始的光气法到尿素法及二氧化碳法等。本文是对二氧化碳法制取2-咪唑烷酮的工艺及过程机理进行了研究。  工艺方面,以二氧化碳和乙二胺为原料在甲醇溶剂中进行反应。通过单因素实验和正交实验,确定二氧化碳法合成工艺的各项影响因子(温度、压力和反应时间)对于反应产物2-咪唑烷酮产率的影响,并且得到了最佳工艺条件:该反应的最佳温度应为200℃,最佳反应压力为10MPa,而最佳反应时间为6hr,此时2-咪唑烷酮的产率为98.54%,达到相同条件下的最高值。作为溶剂的甲醇,能够促进反应物两相的有效接触,并有效地防止反应物因为温度过高而出现烧结现象,提高2-咪唑烷酮的产率。通过正交实验,可以推知,各项影响因子对2-咪唑烷酮产率的影响大小顺序为:反应温度>反应压力>反应时间。  对乙二胺与CO2为原料合成2-咪唑烷酮的反应路径进行了研究。研究表明,先由乙二胺与CO2较为温和的反应条件下(45℃~80℃)直接接合形成2-氨乙基氨基甲酸的链式产物,再在一定条件下环合形成2-咪唑烷酮。  对主反应的动力学(10MPa)进行了研究。研究表明,环合反应的反应级数为1.5级,不同温度下的反应动力学方程为:-r=-dcEDA/dt=8.4×109exp(-109.356/R·T)c1.5 EDA mol·L-1·min-1,反应的活化能为109.356KJ·mol-1。  研究了主副反应的反应热力学。对反应的实际情况进行验证,结果表明:主副反应在研究温度范围内(423K~523K)均为放热反应,主副反应在该温度范围内能够自发进行,温度的升高不利于反应的正向进行。综上情况,需要控制温度,以保证反应的正向移动以及较高的反应速率,并且能够保证主反应进行的同时抑制副反应的发生。
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