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苯为原料电化学合成对苯醌和对苯二酚的研究

来源:好走旅游网
第27卷第4期 延安大学学报(自然科学版) oumal of YaJ1an Universitv f Natuml Science Edition Vo1.27 No.4 Dec.2008 2008年12月 苯为原料电化学合成对苯醌和对苯二酚的研究 郑可利 ,李西安 ,戈 芳 ,郑玉娇 (1.三明学院化学与生物工程系,福建三明365004;2.延安大学化学与化工学院,陕西延安7160o0) 摘 要:研究在相转移催化剂四丁基溴化铵作用下,在H型电解槽中,以0.5 m0l/,L硫酸为支持电 解质,以铅基二氧化铅为阳极,将苯氧化为对苯醌。以碳棒为阴极,将对苯醌还原为对苯二酚的最 佳工艺条件。通过正交实验,研究了反应温度、电流密度、苯与硫酸的体积比、对苯醌浓度对电流效 率的影响。结果表明,最佳工艺条件:温度为4O℃、电流密度为5 A・dm~,苯与硫酸的体积比为1 :2,对苯醌浓度为0.4%时,电流效率达42.46%,对苯二酚的产率达49.75%。 关键词:电化学合成;相转移催化法;对苯醌;对苯二酚 中图分类号:0621.25 9.2 文献标识码:A 文章编号:l004—602x(2oo8)04-()068-()3 KQ一3200型超声波清洗器(江苏省昆山市变山湖 镇仪器厂制造);电子天平(上海精密科学仪器有限 公司)。 苯、对苯醌、四丁基溴化铵(Bu NBr)、硫酸和硫 酸钠均为分析纯,溶液均以去离子水配制。 1.2实验装置 对苯醌和对苯二酚是重要的化工原料。采用传 统的化学方法合成生产,合成路线繁琐复杂,“三 废”污染严重,成本高,产率低。近年来,国外已开 展了由苯电氧化合成苯酚、对苯醌、对苯二酚的研 究¨ J。国内也有关于苯的电氧化报道¨6 J。电化 学合成生产具有原料价廉、产品质量好、工艺流程 短、可在常温常压下操作、三废污染少等优点,近年 来发展迅速。本文在以铅基二氧化铅为阳极,电化 学氧化合成对苯醌 的研究的基础上,进一步研究 以四丁基溴化铵为相转移催化剂,以碳棒为阴极,通 过正交实验,研究了反应温度、电流密度、苯与硫酸 的体积比、对苯醌浓度对电化学合成对苯二酚电流 效率及产率的影响。 l 实验部分 1.1仪器和试剂 wS—YL型数字稳压稳流电源(南京桑力电子 设备厂);H型隔膜电解槽(自制);SH一3型双显控 温磁力搅拌器(北京金紫光科技发展有限公司);Rz 一图1 H型隔膜电解槽 1.阴极、碳棒;2.阴极电解液;3.素烧瓷板;4.搅拌磁子; 5.水浴;6.温度计;7.阳极、铅基二氧化铅;8.阳极电解液 52旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂制造);SHB 3型循环水多用真空泵(郑州杜甫仪器厂制造); 收稿日期:2008-09-23 一基金项目:三明学院科研基金资助项目(B0203),三明学院学生创新项目(zLCx06O8) 作者简介:郑可利(1957一),男,福建永泰人,三明学院教授。 第4期 苯为原料电化学合成对苯醌和对苯二酚的研究 69 : H20 。 l l: 俐H2  2e一 枷H一一 1.4实验方法 阳极电解液的配制参照文献 J。阴极电解液 的的配制:配制90 mL含相转移催化剂四丁基溴化 铵O.1%、对苯醌、苯与硫酸体积比如表1所示。 电解使用ws—YL型数字稳压稳流电源、自制 的H型隔膜的电解槽和磁搅拌器等组成(图1)。 磁力搅拌下,在H型隔膜的电解槽中,以铅基二氧化 铅为阳极,碳棒作阴极,厚0.6 cm的素烧瓷板(电阻 率为1_76 n・m)为隔膜,电解液超声波乳化40 min, 用ws—YL型数字稳压稳流电源控制稳定电流进 行电解。 铅基二氧化铅电极的制备:取 10×100 mm底 部用铅板焊接密封的铅管为基体作阳极,以20% H S0 作电解液, 7 x 50 mm碳棒为阴极,在50℃ 温度下,用空气流搅拌,控制电流密度5一l0 A・ dm~,电解2 h,制备形成Pb—Pb0,。 1.5电解液处理分析 电解苯转化成对苯醌的最佳电解条件参照文 献 。电解产物对苯醌的含量和产率,参照文献 J 的方法进行测定和计算。分析方法为:电解液先转 入250 mL分液漏斗中,再用60 mL无水乙醚分两次 萃取,乙醚层用旋转蒸发仪除去乙醚,用无水乙醇将 瓶内物质转入50 mL容量瓶中,用无水乙醇定容,取 l0 mL待测液,依次加l5 mL无水乙醇、50 mL水、 20 mL10%碘化钾及5 mL盐酸,静置10 min,以淀粉 为指示剂,用0.05 mol//L硫代硫酸钠标准液滴定至 无色变为蓝色为终点 !。 对苯二酚的含量和产率,按文献[10]的方法进 行测定和计算。分析方法为:电解液先转入旋转蒸 发仪的蒸馏烧瓶,然后将苯馏出,使未反应完的对苯 醌结晶析出,再取出混合液过滤,将滤液转入100 mL容量瓶,用硫酸定容(维持溶液酸度为0.5 mol/, L左右),取20 mL待测液于锥形瓶中,然后冷却至 l5℃以下,加l滴1%二苯胺溶液为指示剂,用0.05 mol//L硫酸铈铵标准溶液滴定至蓝色变为紫色为终 点 m 。电流效率的计算方法按文献[11]的方法进 行测定和计算。 2结果与讨论 2.1 电解工艺条件的选择 影响电解的电流效率的因素有反应温度、电流 密度、对苯醌的浓度等诸因素,以苯为原料,H s0 , Na:SO 为支持电解质,在铅基二氧化铅阳极上电化 学氧化合成对苯醌的合适工艺条件,郑可利等_8 已 进行了研究。为了确定由对苯醌还原合成对苯二酚 的合适工艺条件,采用正交实验方法进行选择。所 得的实验结果如表1所示。其中A为反应温度,B 为电流密度,C为对苯醌浓度,D为苯与硫酸体积 比。 从正交实验的结果,我们可以看出,A因子中, k 为25.57为最大,说明A因子中A3其电流效率 较高。同样,B因子、c因子和D因子中,B.水平、 C,水平和D 电流效率较高。可见,A。为40℃,B。 为5A・dm~,C 为O.4%和D 为1:2进行电解时 为最佳工艺条件。由表中极差R值大小看出,对电 流效率影响的因子主次为B因子最大,c因子次之, D因子较小,A因子最小。 表1 k(3 )正交实验及结果 序号 A/℃ B//℃ A:. C C/% /% D/D/mL mL 电流效率对苯二酚 ……一 ~ … l:2 33.0o 38.68 10 1:4 23.8O 27.89 15 1:6 18.06 21.17 5 1:6 28.14 32.98 1O l:2 32.12 37.64 l5 1:4 13.05 15.29 、 1:4 42.07 49.30 lO 1:6 l9.85 23.26 15 l:2 l4.78 l7.32 34.40 26.63 因子主次B>C>D>A 25.26 26.3l 较饨水平A3 Bl C3 D l5.3O 22.02 l9.10 4.6l 2.2正交实验的验证 根据正交实验结果,选取因子中A3、B1、C3、D1 为工艺条件,进行三次重复实验,实验结果见表2。 l 2 加加2 370 由表2看出,在阴极电解液,苯与硫酸体积比为 1:2,加入相转移催化剂四丁基溴化铵时,反应温度 为40℃,对苯醌浓度为O.4%,电流密度为5 A・ dm 时,电流效率平均值高达42.46%,对苯二酚的 产率为49.75%。实验结果高于正交表中的电流效 率和对苯二酚的产率,这说明我们得出的选取的实 验条件是最佳的。 表2正交实验的验证 2.3相转移催化剂四丁基溴化铵浓度对电流效率、 产率的影响 为了研究相转移催化剂四丁基溴化铵浓度对电 流效率、产率的关系,配制90 mL含对苯醌浓度 0.4%、苯与硫酸体积比为1:2的电解液,导人阴极 电解槽中,控制温度为4O℃,电流密度为5 A・dm 条件下,改变四丁基溴化铵浓度,电解时间为3 h到 实验结果如表3所示。 表3 相转移催化剂四丁基溴化铵浓度 对电流效率、产率的影响 Bu NBr浓度(%) O O.025 0.5 O.1 0.2 0.4 电流效率/% 2O.13 35.1O 38.3O 42.4O 38.6o 37.00 对苯二酚的产率/% 23.57 41.13 44.89 49.69 45.24 43.37 由表3可以看出,用Bu NBr作为相转移催化剂 能使电流效率和产率明显提高。当浓度为0.1% 时,对苯二酚的产率达到最大值,随着Bu NBr浓度 继续增加,电流效率和产率有所下降。因此,本实验 选择相转移催化剂四丁基溴化铵浓度为0.1%。 3 结论 研究结果表明,通过加入相转移催化剂后,结合 超声波乳化作用,最佳工艺条件为:电解反应温度为 4O℃、电流密度为5 A・dm。。,阴极的对苯醌浓度 0.4%,苯与硫酸体积比为l:2,电流效率平均值高 达42.46%,对苯二酚的产率为49.75%。对苯二酚 的产率高于文献报道[12]采用电化学方法由苯合 成对苯二酚,对苯二酚收率为35%一42%的报道 值。本工艺特点:在相转移催化剂催化作用下,通过 超声波乳化,阳极苯可以氧化得到对苯醌,对苯醌在 阴极还原为对苯二酚,开辟了一条生产对苯二酚原 料易得、成本低、产物比较纯净、易于提纯、不需要加 入氧化剂、生产效率高、可以减少三废污染的新途 径。 参考文献: [1]I【0 S,1wata M,Kunai A,et aI_Aerial oxidation ofp—ben— zene mediatedwith Cu(I)/Cu(Ⅱ) couple in aqueous chl0ride solution[J].Denki Kagaku,1994,62(12):l221 —1222. 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The woody plant resources c0uld meet basic demands f0r teaching and reseaI℃hing.LaI number of wo0dy species was gr0wing wel1. But paIts 0f them weI.e in po0r sltua— ti0ns because of human destruction,bad climatic adaptati0n,plant diseases and insect pest.The suggesti0ns 0f plant s management were put f0n ard. Key wOrds:Yanan University;Campus;Wo0dy species 1 1 1 (上接第70页) Electr0chemical Synthesis 0f 1,4一Benz0quin0ne and HVdr0quin0ne fr0m Benzene ZHENG Ke.1i ,U Xi—an2,GE FANG ,ZNENG Yu-jiao (1.Department 0f Chemistry and Bi01ogy Engineering,Sanming University,Sanming 365()04,China; 2.Depanment of Chemistr and Chemica1 En nee ng,Yanan UniveIsity,Yanan 7 l 6000,China) Abstract:Under the innuence of tetrabuty1 ammonium as phase transfer cata1yst,the optimum c0nditi0ns that ben‘ zene was oxjdated to l,4一benzoquinone,l,4一benzoquin0ne would be dexjdized to hydmquinone,was studjed by 0.5 moL/L sulfuric acid as supporting electI・olyte and PbO2 as an0de in the H electric tank. rhrough the orth0gonal expe ment,【he innuences of reactjon temperature,cun℃nt density,the vo1ume ratio of benzene and sulfIlric acid,the c0ncentmtion 0f l,4一benzoquinone had been studied.The results showed that the production rate 0f hydroquinone reached to 49.75%under the optimum conditjons,the temperature is 40℃,the current densjty is 5 A・dm- ,the v0lume ratio 0f benzene and su1furic acid is 1:2,the concentration 0f 1,4一benzoquinone is O.4%,the cuHent em— cjency reached to 42.46%。 Key words:e1ectr0chemica1 synthesis;phase transfer catalysis;1,4一benzoquinone;hydr0quin0ne 

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