曹鐘亞，孫偉振，許志美，趙 玲,2

（1.華東理工大學化學工程聯(lián)合國家重點實驗室, 上海 200237；2.新疆大學化工學院,烏魯木齊 830046）

三氯蔗糖（TGS）[1]是目前最具競爭力的人工甜味劑，具有高甜度（蔗糖的600～800 倍）、非營養(yǎng)性、穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能[2-4]。蔗糖上有8 個羥基，它們的氯代活性依次為6＞6’＞4＞1’＞2＞3＞3’＞4’[5]。單基團保護法[6]是目前工業(yè)上合成TGS 使用最廣泛的方法，即首先選擇性?；员Ｗo6 號位羥基生成蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A），繼而氯化取代6’、4、1’位上的羥基生成三氯蔗糖-6-乙酸酯（TGS-6-A），最后脫保護基生成TGS[2]，其中S-6-A 氯化反應制備TGS-6-A 是TGS生產工藝的關鍵步驟，該過程需選擇性地對6’、4、1’這3 個位置的羥基進行氯化取代，不充分氯代或過度氯代都會使目標產物的收率下降，產生多種氯代副產物，增加后續(xù)分離難度[7]。因此氯化試劑的選擇以及氯化反應過程的研究對合成TGS 尤為重要。

近年來，國內外對于氯化試劑的研究較多，其中最有競爭力的是Vilsmeier 試劑[8-13]。Vilsmeier 試劑可由SOCl2、PCl3、COCl2等試劑與N,N-二甲基甲酰胺（DMF）反應制得，利用其空間位阻效應可高選擇性地氯化取代S-6-A 中6’、4、1’位上的羥基，成為TGS生產工藝中首選的氯化試劑。冷一欣等[12]將SOCl2與DMF 制備的Vilsmeier 試劑滴加至S-6-A 的DMF溶液中，逐步升溫完成氯化取代。該方法選擇性高，反應過程較為穩(wěn)定，但缺點是合成的Vilsmeier試劑在工業(yè)生產過程中不易保存，遇水激烈反應。Navia等[13]在低溫下直接將COCl2滴加至S-6-A 的DMF溶液中，在生成Vilsmeier 試劑過程中同時與S-6-A反應，繼而升溫氯化取代。該方法簡化了實驗步驟，但是COCl2劇毒，不利于工業(yè)化生產。本文結合上述文獻的各自優(yōu)勢，采用“一鍋法”在低溫下將S-6-A的DMF 溶液滴加至SOCl2與溶劑的混合溶液中，隨后升溫完成氯代反應。該法避免使用劇毒試劑，使用Vilsmeier 試劑在溶液中邊合成邊反應，既簡化了合成步驟，又提高了安全性。

目前工業(yè)上生產TGS 仍以間歇工藝為主，存在操作過程復雜，產能不足，氯代過程不穩(wěn)定等一系列工程問題。穩(wěn)定的連續(xù)化生產已經成為TGS 生產工藝發(fā)展的迫切需求。熱力學分析和動力學研究是反應過程開發(fā)的重要依據[14-16]，通過熱力學分析可以判斷反應是否可以發(fā)生以及反應在理論上可進行的程度[17-19]；動力學分析研究外界條件對反應速率的影響，以獲得反應影響因素的關鍵信息，對反應器的設計、開發(fā)以及優(yōu)化有著重要的意義[20-24]。但是，關于氯化反應過程的熱力學數據以及動力學參數鮮有相關報道，連續(xù)化氯代反應器的設計缺乏重要數據。

基于此，本文采用Benson 基團貢獻法估算了S-6-A 氯化反應體系中各物質熱力學數據，計算了溫度對反應焓變、熵變、Gibbs 自由能變和平衡常數的影響，同時通過間歇實驗研究了372～389 K 范圍內氯化過程的反應動力學規(guī)律?；诜磻獧C理建立了氯化連串反應動力學模型，并通過實驗測定和數據回歸獲得了相應的動力學參數，為TGS 氯化反應器設計及連續(xù)化工藝生產提供重要的信息支持。

1 熱力學計算方法

S-6-A 的氯化總反應方程式和TGS-6-A 的水解反應方程式分別如式（1）和式（2）所示：

在氯化以及水解反應體系中，由于S-6-A、TGS-6-A、TGS 的熱力學數據尚未見公開報道，因此采用基團貢獻法對上述3 種物質的熱力學數據進行估算。SOCl2、SO2、HCl、H2O、CH3COOH 的基礎熱力學數據可以直接從物性手冊中查閱[25-27]。

1.1 理想氣體標準摩爾生成焓、標準摩爾熵和摩爾定壓熱容

其中，ni代表i基團的數目；各為相應的i基團貢獻值；σ 為總對稱數，η 為光學異構體數。通過對各物質分子結構的分析可知 S-6-A、TGS-6-A、TGS 的 σ 分別為3、3、1，η 均取1。采用Benson 法分別計算得到S-6-A、TGS-6-A、TGS中各組分的熱力學基團貢獻值，如表1 所示。通過估算得到各物質的熱力學數據，如表2 所示。

表2 各物質的熱力學數據估算結果Table 2 Estimates of thermodynamic data for each substance

1.2 汽化潛熱

式中，ΔVHb為正常沸點Tb下物質的汽化潛熱；Tc為臨界溫度，Tr=T/Tc，Tbr=Tb/Tc；n一般取 0.38[30]。ΔVHb、Tb、Tc的計算公式分別如式（7）～（9）所示，其中分別為基團i對蒸發(fā)焓的基團貢獻值，ΔTbi和 ΔTci分別表示基團i沸點和臨界溫度的基團貢獻值。各物質 ΔVHb、Tb、Tc、ΔVHT的計算結果如表3 所示。

表3 各物質的 ΔVHb ，Tb ，Tc 和 ΔVHT 值Table 3 ΔVHb , Tb , Tc and ΔVHT of each substance

通過上述方法估算水解反應體系中產物乙酸的各項熱力學數據，并與文獻值[25]進行對比，結果如表4所示?？梢钥吹?，計算值與文獻值最大相對偏差為5.15%，說明本文采用Benson 法估算的各物質熱力學數據是可靠的。

表4 乙酸熱力學數據的計算值和文獻值[25]的對比Table 4 Comparison of calculation value and literature value[25] of acetic acid

1.3 液態(tài)標準摩爾生成焓和標準摩爾熵

1.4 不同溫度下的熱力學參數

2 實驗部分

2.1 試劑

S-6-A 溶于DMF 溶液，化學純，山東康寶生化科技公司提供；TGS-6-A，分析純，山東康寶生化科技公司提供；氯化亞砜，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；1,1,2-三氯乙烷，分析純，上海泰坦科技股份有限公司；氨水，質量分數25%～28%，北京伊諾凱科技有限公司；鹽酸，質量分數8%，上海穎漢化工科技有限公司；甲醇，色譜純，上海麥克林生化科技有限公司；超純水，自制。

2.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1 所示。向四口燒瓶內加入一定量的SOCl2以及溶劑1,1,2-三氯乙烷，開啟攪拌，于低溫恒溫槽中降溫至0 ℃左右。隨后滴加溶有DMF的S-6-A 溶液，在不超過5 ℃下反應1 h。轉移至油浴鍋中并升溫至各指定溫度，采用循環(huán)水式真空泵控制反應瓶內微負壓，并連接二級尾氣吸收裝置。在達到反應溫度后每間隔一段時間取樣，并將樣品置于低溫恒溫槽中淬滅反應，經適當處理后進行液相色譜分析。

圖1 氯化反應裝置Fig.1 Experimental setup of chlorination reaction

2.3 分析方法

采用Waters 公司的高效液相色譜儀（HPLC），包括自動進樣器、兩元泵、真空脫氣機、柱溫箱以及檢測器，外標法定量分析。色譜條件：檢測器為Waters 2414示差折光檢測器；色譜柱型號為Ultimate AQ～C18；流動相為甲醇與水（體積比45∶55），流速1.0 mL/min，進樣量20 μL ；分析時間30 min；柱溫箱與檢測器溫度均為37 ℃；靈敏度設置為16。

3 結果與討論

3.1 溫度對熱力學參數的影響

根據式（12）～式（15）進行計算，可以得到不同溫度下氯化反應以及水解反應的熱力學參數，分別如表5 和表6 所示。

由表6 可以看到，在298 ～388 K 溫度范圍內，該反應的均大于零，平衡常數從2.45 增加到5.44，說明該反應為吸熱的可逆反應，升高溫度有助于平衡向正反應移動。為了驗證上述熱力學計算結果的可靠性，進行了TGS-6-A 水解反應實驗，將一定量的TGS-6-A 溶于體積比為1∶1 的甲醇和水混合溶液中，加入w=8%的鹽酸溶液作為催化劑，在封閉反應體系中分別探究溫度為308 K 以及338 K 下的平衡常數實驗值，結果表明平衡常數實驗值分別為1.63、2.25。由表6 可知，在該條件下平衡常數計算值分別為2.63、3.36?？梢钥闯?，平衡常數實驗值與計算值比較接近，表明本文采用基團貢獻法進行熱力學計算是可靠的。

3.2 動力學模型與參數擬合

根據冷一欣等[31]提出的氯化機理，每個羥基活性的不同導致取代所需的能量不同，即隨著溫度的升高，氯代反應依次發(fā)生，生成一氯、二氯、三氯代物的最適宜溫度分別約為343、363、383 K。實驗中觀察到，當溫度升至348 K 時，料液顏色從澄清淡黃色瞬間變成渾濁乳黃色，并放出大量的氣體，表明此過程發(fā)生了一氯代反應，且較短時間內即可完成反應。然而，現(xiàn)有的分析檢測手段以及后處理方式難以實現(xiàn)對一氯代反應產物及時有效的定量分析，因此，以一氯蔗糖-6-乙酸酯為初始反應物，采用面積歸一法系統(tǒng)地研究不同溫度下各氯代產物的摩爾分數隨時間的變化。

當反應溫度低于372 K 時，目標產物TGS-6-A 的生成速率較慢，收率較低。而溶劑1,1,2-三氯乙烷的沸點為387 K，當反應溫度高于389 K時溶劑揮發(fā)較快，導致料液呈現(xiàn)不均勻黏稠狀，并且溫度過高容易造成料液碳化。綜合兩方面因素，將動力學考察溫度范圍設定為372～389 K。整個氯化取代過程可簡化為一氯蔗糖-6-乙酸酯（A）依次生成二氯蔗糖-6-乙酸酯（B）、目標產物TGS-6-A（P）以及副產物四氯蔗糖-6-乙酸酯（S），基于以上分析提出了如下氯化連串反應過程，如圖2 所示。

圖2 氯化連串反應過程Fig.2 Chlorination series reaction process

根據圖2 的反應過程，假設S-6-A 氯化反應為一級連串反應，即k1、k2、k3所對應的反應級數均為1，其動力學模型如式（16）～式（19）所示：

采用均相反應模型、單因素控制變量法，僅研究溫度對反應速率常數k的影響，采用MATLAB 中的lsqnonlin 函數，以測量值與計算值的殘差平方和S（式（20））最小化為優(yōu)化目標，結合式（16）～式（19）搜索得到各條件下最優(yōu)的反應速率常數k1、k2、k3。

不同溫度下氯化反應各主要組分摩爾分數擬合圖如圖3 所示。由MATLAB 擬合得到不同溫度下的各反應速率常數k以及置信度為95%時對應的置信區(qū)間，如表7 所示，可以看到k1、k2的置信區(qū)間比相應的反應速率常數均小1 個數量級，這表明對于主反應的擬合模型參數是可靠的。k3的置信區(qū)間相對于k1、k2來說稍大，其原因可能是對氯化過程副產物的簡化處理所導致[16]。因為實際反應中，在所考察溫度范圍內副產物除了四氯酯外還有五氯酯，而且隨著反應時間的延長，反應溫度的升高均會導致少量物料發(fā)生碳化。

圖3 不同溫度下氯化反應各組分摩爾分數擬合圖（其中點表示實驗值，線為模型計算值）Fig.3 Molar fraction curves of components in chlorination reaction under different temperatures (Symbols reprent experimental data; Lines reprent calculated values by kinetic model)

表7 反應速率常數擬合值和置信度為95%時對應的置信區(qū)間Table 7 Estimated reaction rate constants and corresponding confidence intervals with the confidence level of 95%

3.3 動力學參數分析

不同溫度下各組分摩爾分數的實驗值和動力學模型計算值的比較如圖4 所示。從圖中可以看出不同溫度下氯化反應各組分實驗值和計算值的點在對角線兩側分布較為均勻，說明以上述實驗點為基礎擬合得到的反應速率常數是可靠的，可進一步利用Arrhenius 方程計算反應活化能以及指前因子。

圖4 不同溫度下氯化反應各組分摩爾分數的實驗值和計算值比較Fig.4 Comparison between experimental and calculated molar fraction of components in chlorination reaction under different temperatures

用Arrhenius 方程擬合表7 中不同溫度下的反應速率常數k，以 1/T為橫坐標，lnk為縱坐標，擬合結果如圖5 所示，相關系數r2≥ 0.980，說明假設該氯化串連過程均為擬一級反應是合理的，也進一步說明建立的動力學模型是準確的。

圖5 Arrhenius 方程擬合圖Fig.5 Fitting plot of Arrhenius equation

通過Arrhenius 方程擬合得到各反應的指前因子k0以及活化能Ea，如表8 所示?？梢钥吹皆谒芯繙囟确秶鷥纫来紊啥日崽?6-乙酸酯和TGS-6-A 的主反應活化能分別為103.87、153.87 kJ/mol；生成四氯蔗糖-6-乙酸酯副反應的活化能為87.09 kJ/mol，低于主反應活化能。說明主反應受溫度的影響更大，升高溫度并且縮短反應時間能有效提高目標產物TGS-6-A 的收率。

表8 Arrhenius 擬合所得各反應過程的指前因子和活化能Table 8 Pre-factor and activation energy for each reaction fitted by Arrhenius equation

3.4 反應時間對目標產物TGS-6-A 收率的影響

由動力學分析可知，升高溫度并縮短反應時間有利于提高目標產物的收率，但由于溶劑1,1,2-三氯乙烷在常壓下的沸點為387 K，實驗過程中因溶劑回流影響使得繼續(xù)升高溫度存在困難，因此采用單因素控制變量法，維持其他條件相同，僅研究反應溫度為389 K 時反應時間對目標產物TGS-6-A 收率的影響，實驗結果如圖6 所示。從圖中可以看到在該溫度下最佳反應時間為2.0 h，收率為64.15%，與動力學模型計算值較為接近。

圖6 反應時間對TGS-6-A 收率的影響Fig.6 Effect of reaction time on the yield of TGS-6-A

4 結 論

（1）通過基團貢獻法估算了S-6-A 氯化反應體系中各物質基礎熱力學數據，獲得了不同溫度下的和KΘ，結果表明在所研究溫度范圍內該反應為放熱且不可逆反應。采用相同的方法計算了產物TGS-6-A 水解反應體系，獲得了不同溫度下的平衡常數計算值，通過平衡常數實驗值與計算值的對比驗證了熱力學計算結果的可靠性。

（2）建立了S-6-A 制備TGS-6-A 氯化連串反應動力學模型，通過實驗測定及數據回歸獲得了372～389 K 下的各動力學參數；依次生成二氯蔗糖-6-乙酸酯和TGS-6-A 的主反應活化能分別為103.87、153.87 kJ/mol，生成四氯蔗糖-6-乙酸酯的副反應活化能為87.09 kJ/mol，表明升高溫度并且嚴格控制反應時間有助于提高目標產物TGS-6-A 的收率，但選擇高溫度的同時需要注意料液的碳化情況。

符號說明：