概况 1968年Monsanto公司的F .E.Paurik和J.F.Roth报道了新的可溶的羰基化合成醋酸催化剂体系,即羰基铑-碘催化剂,该催化剂具有高催化活性和高选择性,且反应条件温和,在180℃、3MPa时,以甲醇计的收率为99%,CO计为90%,因此被冠以“低压法”的美名。
1970年该公司在Texas 建成135kt/a的生产装置,1975年提高到180kt/a,其后又提高到272kt/a。
低压羰基化法具有显著的经济优势。据Monsanto公司称其投资为乙醛氧化法的3/4,高压羰基化法的2/3,生产成本也低很多。由于经济上的压倒优势,很快成为醋酸生产的主流技术。目前甲醇低压羰基合成醋酸已占全球醋酸生产量的65%以上,随着时间的推移,所占比重还会增大。
工艺原理 低压法和高压法的工艺原理相似,也都包含催化剂的循环和助催化剂的循环。催化剂体系分为铑-碘和铱-碘两种,其原理分别如图2-16和图2-17所示。
① 铑-碘催化的甲醇羰基化反应机理
催化剂是三碘化铑,助催化剂是碘甲烷,由铑、一氧化碳、碘共同构成催化剂活性中间体二碘二羰基铑。由于铑基催化剂更容易与碘甲烷反应,且由此生成的[CH3Rh(CO)2I3]-比CH3Co(CO)4更活泼,更容易发生一氧化碳插入反应,而且乙酰碘更容易从[CH3CORh(CO)2I3]-中消去,因此铑基催化剂比钴基催化剂活性高。这就决定了铑-碘催化体系的羰基化法要比高压法生产工艺条件温和,反应效率更高,反应的副产物也主要是二氧化碳、氢气等,产品纯度更大。
② 铱-碘催化的甲醇羰基化反应机理
除铑以外,第Ⅷ族过渡金属铱对甲醇羰基化制醋酸也有很好的效果。铱-碘催化剂的反应机理如图2-17所示:
铱-碘催化剂体系的催化机理要比铑-碘催化剂复杂得多。催化剂存在着两个循环,一个是中性的铱络合物Ir(CO)3I,另一个是铱络合物阴离子。催化剂活性物种是随反应条件变化而变化的,反应可分为三个反应区域:
区域Ⅰ:在反应介质中水和碘甲烷含量低时,碘甲烷与铱的比值较低,铱活性物种是Ir(CO)3I,随着CO分压的提高,羰基化反应受抑制。Ir(CO)3I与碘甲烷的反应具有特殊意义,因为其产物是CH3Ir(CO)2I2而不是CH3Ir(CO)3I2,显然Ir(CO)3I的亲核能力较差,除非它失去一个CO,否则不会发生反应。Ir(CO)3I与碘甲烷的反应是控制步骤,因此CO分压的提高会导致反应速率的降低。
在低CO分压和无水条件下研究发现碘甲烷与Ir(CO)3I反应生成了乙酰碘。
区域Ⅱ:当体系中碘离子的浓度增加,铱配合物的活性物种变为[CH3Ir(CO)2I3]-,羰基化反应速率随CO分压的增加而加快,但随碘离子的增加而减慢。这是由于铱配合物CH3Ir(CO)3I2的形成是控制步骤所决定的。
区域Ⅲ:在高水和高甲醇的条件下,[HIr(CO)2I3]-成为活性催化配合物,反应速率与CO分压无关,表观反应速率为甲醇的一级反应。