Các chất xúc tác thường được dùng cho phản ứng este hóa là xúc tác axit.
Người ta có thể phân chia các chất xúc tác thành 2 loại chính: Xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể.
1.3.1. Xúc tác đồng thể
Xúc tác đồng thể thường là các dung dịch axit mạnh như H2SO4, HCl, H3PW12O40... Nhờ khả năng phân bố đồng đều trong môi trường phản ứng nên xúc tác đồng thể có hiệu quả tới từng phân tử xúc tác, trong nhiều trường hợp nó có độ chọn lọc rất cao, tuy nhiên cũng do đặc điểm này người ta nói xúc tác đồng thể có tính công nghệ kém, nghĩa là nó khó tách được ra khỏi sản phẩm sau phản ứng và tốn kém trong việc tinh chế sản phẩm. Do đó, mặc dù hoạt tính và độ chọn lọc vượt trội so với xúc tác dị thể nhưng quá trình dị thể hóa xúc tác ứng dụng cho phản ứng este hóa 2-KLGA đang thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên Thế giới.
1.3.2. Xúc tác dị thể
Hiện nay, xúc tác dị thể được sử dụng phổ biến trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm do những tính năng vượt trội của nó so với xúc tác đồng thể như: Xúc tác dị thể ít gây ăn mòn thiết bị, quá trình xúc tác dị thể có thể tiến hành phản ứng
liên tục nên năng suất thiết bị cao hơn dễ dàng tự động hóa, đồng thời có thể tách xúc tác ra khỏi hệ sau phản ứng tương đối dễ dàng bằng sự lắng gạn hoặc lọc. Đối với xúc tác dị thể có thể thực hiện phản ứng liên tục trong cột phản ứng đồng thời loại được các phản ứng phụ, do đó thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao hơn rất nhiều so với xúc tác đồng thể.
Cơ chế vĩ mô của xúc tác dị thể
Khi chất phản ứng tiếp xúc với xúc tác các phân tử chất phản ứng hấp phụ lên bề mặt xúc tác, quá trình này dẫn tới sự hình thành các trạng thái trung gian là các phức bề mặt và hoạt hoá chất phản ứng. Trong nhiều trường hợp nhiệt hấp phụ tỏa ra đồng thời đóng vai trò hoạt hoá chất phản ứng. Như vậy, sự xúc tác được thực hiện nhờ tạo các phức hấp phụ nghĩa là xúc tác đã lái phản ứng đi theo con đường khác có lợi hơn về khía cạnh năng lượng. Phản ứng xúc tác dị thể thường được thực hiện qua ít nhất 5 bước nối tiếp như sau:
(1) Khuếch tán các phân tử chất phản ứng từ thể tích đến bề mặt xúc tác. Đây là quá trình vận chuyển chất thuần tuý nhờ các tác nhân vật lí như dòng chảy, khuấy trộn, khuếch tán do chênh lệch nồng độ.
(2) Hấp phụ các phân tử chất phản ứng lên bề mặt xúc tác rắn. Đây là quá trình tập trung chất trên bề mặt pha rắn. Động lực của quá trình này là các lực bề mặt (lực phân tán) như lực hút tĩnh điện, lực cảm ứng, lực phân tử (van der Vaal) và cả ái lực hóa học để tạo thành liên kết hóa học. Quá trình hấp phụ dẫn tới tạo các phức bề mặt là trạng thái trung gian của phản ứng hóa học. Đây được coi là bước hoạt hóa các phân tử chất phản ứng.
(3) Phản ứng hóa học tạo sản phẩm trên bề mặt xúc tác rắn. Đây là phản ứng chuyển hoá chất phản ứng thành sản phẩm.
(4) Giải hấp phụ các phân tử sản phẩm từ bề mặt xúc tác. Đây là quá trình ngược với bước 2.
(5) Khuếch tán các phân tử sản phẩm vào thể tích. Đây là quá trình ngược với bước 1, sau bước 4 và 5 bề mặt xúc tác sẽ được giải phóng để thực hiện các chu trình phản ứng tiếp theo. Nếu chi tiết hơn mỗi bước 1 và 5 được chia thành hai
bước: khuếch tán trên bề mặt tiếp xúc khí (hoặc lỏng) với xúc tác rắn và khuếch tán vào trong hệ lỗ xốp tới các tâm hoạt động, hai kiểu chuyển khối này còn được gọi là khuếch tán ngoài (lỗ xốp) và khuếch tán trong (lỗ) tương ứng. Đây là đối tượng của động học vĩ mô, thường gặp trong kĩ thuật.
Các thông số bước (2) và (4) thường kết hợp với thông số động học để đưa vào tính toán tốc độ phản ứng. Cân bằng hấp phụ và tốc độ hấp phụ có thể được đánh giá bằng thực nghiệm. Nồng độ chất bị hấp phụ trên bề mặt rất quan trọng vì đây chính là nồng độ trạng thái chuyển tiếp sẽ tạo sản phẩm.
1.3.3. Phản ứng este hóa axit 2-keto-L-gulonic trên xúc tác dị thể
Trên thế giới đã có một số nghiên cứu về từ 2-KLGA sử dụng hệ thống phản ứng tầng di động đồng thời, trong đó 2-KLGA được este hóa với ancol dưới sự có mặt của xúc tác axit rắn. Wang [36] đã công bố rằng nhựa trao đổi cation D72 là xúc tác rất tốt cho quá trình este hóa. Một nghiên cứu khác của Alime [7] và cộng sự nghiên cứu về quá trình este hóa trong pha lỏng của axit axetic với isobutanol , xúc tác là nhựa trao đổi ion . Ngoài ra, mô ̣t số tác giả nghiên cứu quá trình este hóa 2-KLGA vớ i ancol có số phản ứng este hóa trên xúc tác axit rắn là nhựa trao đổi cation. Joachim [19] đã công bố một quá trình để sản xuất để sản xuất metyl hoặc etyl este của 2-KLGA bằng phản ứng của 2-KLGA với metanol hoặc etanol trong sự có mặt của nhựa trao đổi ion axit. Andreas [8] và cộng sự nghiên cứu về phản ứng của 2-KLGA và các ancol từ C1 đến C10 trong màng lỏng hoặc trên bề mặt nóng cùng với sự loại nước trong sự có mặt của xúc tác axit. Bhaskar [10] và cộng sự đã phát triển một quá trình mới để tổng hợp acid ascorbic nguyên tử C thấp từ C1 đến C10 trong với sự có mặt của một axit làm xúc tác và loại bỏ nước được hình thành trong quá trình este hóa khỏi hệ thống phản ứng đây là một biện pháp hữu dụng để dịch chuyển cân bằng của phản ứng este hóa theo hướng tạo ra sản phẩm este . Lươ ̣ng ancol thường dùng dư từ 3- 6 lần theo tỉ lê ̣ mol với 2-KLGA và 2-KLGA đươ ̣c dùng dưới da ̣ng tinh thể hoă ̣c dung di ̣ch đâ ̣m đ ặc. Nhiệt độ của phản ứng este hóa thông thường là 67-710C. Phản ứng được hoàn thành sau khoảng 5-6 giờ.
Trong nước đã có mô ̣t số công trình nghiên cứu sử du ̣ng xúc tác di ̣ thể trên phản ứng este hóa như etyl lactac [3]. Tuy nhiên, chưa có tác giả nào nghiên cứu một cách đầy đủ về phản ứng este hóa 2-KLGA với xúc tác axit dị thể . Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình este hóa của 2-KLGA với ancol, trên xúc tác di ̣ đa axit nhằm tìm ra điều kiện thích hợp để điều chế este của 2-KLGA đa ̣t hiê ̣u suất và kinh tế cao.