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環(huán)狀碳酸酯包括五元環(huán)、六元環(huán)、七元環(huán)碳酸酯以及七元環(huán)以上的大環(huán)碳酸酯，其中以碳酸丙烯酯和碳酸乙烯酯應(yīng)用最為廣泛。碳酸乙烯酯是一種優(yōu)良的極性高沸點溶劑和表面活性劑原料，廣泛用于塑料、印染、高分子合成、氣體分離及電化學(xué)等領(lǐng)域。在韓國，碳酸乙烯酯被直接用于脫除天然氣中的酸性氣體(二氧化碳、硫化氫等)；在西歐和日本，大量的碳酸乙烯酯用來取代丙烯酰胺、尿素體系與水玻璃作為混凝土工程中無公害的土質(zhì)穩(wěn)定劑。
近年來國外開發(fā)出以碳酸乙烯酯為原料合成碳酸二甲酯、乙二醇、功能高分子等工藝，并將之用于聚合物改性中，展示了其在有機(jī)合成領(lǐng)域的廣泛用途，是一種潛在的有機(jī)化工基礎(chǔ)原料。碳酸丙烯酯是一種性能優(yōu)良的有機(jī)溶劑和精細(xì)化學(xué)品合成中間體，可用于吸收天然氣和合成氨原料氣中的二氧化碳和硫化氫氣體。
近年來，國內(nèi)很多尿素生產(chǎn)廠家采用碳酸丙烯酯作為尿素脫碳溶劑，因此碳酸丙烯酯的需求量大為增加。碳酸丙烯酯作電池電解液，可以承受惡劣條件下的光、熱及化學(xué)變化。另外，它是抽提石油組分、生漆、增塑劑等難溶物的良好溶劑，也是酯交換法生產(chǎn)碳酸二甲酯的原料。
碳酸丙烯酯是性能優(yōu)良的高沸點和高極性的有機(jī)溶劑，也是重要的有機(jī)化學(xué)品，在有機(jī)合成、氣體分離、電池電介質(zhì)以及金屬萃取等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它可用作增塑劑，紡絲溶劑、水溶性染料和顏料的分散劑、油性溶劑、烯烴和芳香烴的萃取劑，氮肥生產(chǎn)中用作脫碳溶劑，用在第二代鋰離子電池中作電解液以保護(hù)石墨陽極，如有研究開發(fā)了一種以碳酸丙烯酯為主溶劑的電解液，以碳酸丙烯酯為主溶劑的電解液，涉及鋰離子電池電解液。
含有鋰鹽、有機(jī)溶劑和添加劑；有機(jī)溶劑包括碳酸丙烯酯和鏈狀碳酸酯；添加劑包括成膜添加劑A和抑制碳酸丙烯酯共嵌的添加劑B；按質(zhì)量百分比的組成為鋰鹽10%~18%，碳酸丙烯酯為25%~60%，鏈狀碳酸酯為15%~60%，添加劑A為0.5%~5%，添加劑B為0.1%~10%。使用亞硫酸酯作為鋰離子電池電解液的添加劑，由于亞硫酸酯具有較高的還原電位，高于碳酸丙烯酯的分解電位，在首次充電過程中，亞硫酸酯先于碳酸丙烯酯分解之前在石墨表面形成一層穩(wěn)定、致密的SEI膜，有效抑制碳酸丙烯酯溶劑隨著鋰離子共同嵌入石墨層，有效提高電池的初始放電容量和循環(huán)壽命。
此外，碳酸丙烯酯還是高效脫硫脫碳(二氧化碳)溶劑，用于天然氣凈化，合成氨原料氣凈化和制氫等工業(yè)部門。它的另外一個新用途是用于木材粘合，例如它與異氰酸酯按一定比例混合用作木材黏合劑。近年來，利用碳酸丙烯酯和甲醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)合成碳酸二甲酯的反應(yīng)，可以由碳酸丙烯酯制備碳酸二甲酯，由于碳酸二甲酯的用途很廣，需求量很大，這樣也間接地拓寬了碳酸丙烯酯的用途。
由于1，2-丙二醇的合成技術(shù)相對比較成熟，產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量相對比較穩(wěn)定，因此，利用丙二醇為主要原材料合成碳酸丙烯酯的報道比較多。
1）丙二醇-光氣法：最早工業(yè)化制備碳酸丙烯酯是用1，2-丙二醇和光氣進(jìn)行合成反應(yīng)，
由于光氣是劇毒物質(zhì)，對人和環(huán)境造成嚴(yán)重危害；另外，伴隨有副產(chǎn)物鹽酸生成，不但使過程的原子經(jīng)濟(jì)性降低，而且由于鹽酸對設(shè)備的腐蝕，提高了工藝投資成本。因此，目前該法已經(jīng)被禁止使用。
2）丙二醇-尿素法
尿素與1，2-丙二醇反應(yīng)合成碳酸丙烯酯的路線在國內(nèi)研究得比較多。丙二醇與尿素反應(yīng)合成碳酸丙烯酯時，第一步生成氨基碳酸酯，第二步氨基碳酸酯脫氨環(huán)化，生成目的產(chǎn)物碳酸丙烯酯，并伴隨有副產(chǎn)物氨生成。早期報道的用尿素與丙二醇制備碳酸丙烯酯的專利中介紹的反應(yīng)條件溫和，目標(biāo)產(chǎn)物的收率比較高。所介紹的催化劑是有機(jī)錫類，它具有一定的毒性。
改用固體堿催化劑可減少工藝過程的毒性。在固體堿，例如氧化鋅存在下，反應(yīng)溫度為100~200 ℃，通入氮氣，經(jīng)過一定時間反應(yīng)，以尿素計算的碳酸丙烯酯的收率可以達(dá)到99 %。當(dāng)用復(fù)合型氧化鈣催化劑時，在減壓條件下，溫度為150~160 ℃，尿素的轉(zhuǎn)化率為95 %～98 %，碳酸丙烯酯的選擇性為90 %～98 %，催化劑可以循環(huán)使用。
用堿式碳酸鎂煅燒而成的MgO 作催化劑由尿素和丙二醇合成碳酸丙烯酯，在反應(yīng)溫度170 ℃，經(jīng)過3 h 反應(yīng)，PC 收率大于90 %。用無機(jī)鉛、鋅化合物作多相催化劑，在反應(yīng)溫度為160 ℃，反應(yīng)時間為6 h，碳酸丙烯酯的收率以尿素計為98 %；反應(yīng)產(chǎn)物與催化劑容易分離。用鐵鋅氧化物做催化劑，在反應(yīng)溫度170 ℃，反應(yīng)2 h 后，碳酸丙烯酯的收率為78 %。其催化劑的主要活性組分為ZnO，由ZnO 和ZnFe2O4 共同作用促進(jìn)催化活性的提高。丙二醇-尿素法合成的碳酸丙烯酯成本比較低，有一定的工藝原材料優(yōu)勢。
3）丙二醇-二氧化碳法
該反應(yīng)過程用到二氧化碳。二氧化碳是溫室氣體，由于人類的活動地球表面的二氧化碳濃度已經(jīng)增加，利用二氧化碳作原料，將其固定到化學(xué)品中，是一種綠色化的合成思路，并已見到實踐報道。目前多數(shù)研究使用的二氧化碳雖然不是直接來自排放物，但是其思路也被認(rèn)為是綠色化的。該法所用催化劑為堿金屬鹽或堿土金屬鹽，其中碳酸鉀的催化活性高，在均相催化系統(tǒng)中，碳酸丙烯酯的收率可以達(dá)到12 .6 %。
為了克服均相催化反應(yīng)帶來的產(chǎn)物分離、催化劑回收利用等困難，將碳酸鉀負(fù)載在活性炭上，進(jìn)行多相催化反應(yīng)，其結(jié)果表明，產(chǎn)物的選擇性得到提高。該法合成過程中使用了溶劑乙腈，降低了其工藝的綠色化程度。錫的有機(jī)化合物，如Bu2SnO 或Bu2 Sn(OMe)2，在超臨界條件下也可以催化1，2-丙二醇和二氧化碳的反應(yīng)，生成碳酸丙烯酯。
共溶劑的加入或者脫水劑的存在都有利于產(chǎn)物的生成和產(chǎn)率的提高。1，2-丙二醇和二氧化碳反應(yīng)過程中有水生成，這一方面降低了反應(yīng)過程的原子利用率，同時產(chǎn)物會水解，因而產(chǎn)物的收率會受到水的抑制。這是該工藝實現(xiàn)工業(yè)化過程中要解決的大問題。
4）丙二醇與酯的交換法
用1，2-丙二醇和碳酸二乙酯或碳酸二甲酯進(jìn)行酯交換反應(yīng)可以完成碳酸丙烯酯的制備。
用堿金屬或堿土金屬作催化劑，在144 ℃，常壓下反應(yīng)12 h，碳酸丙烯酯的收率為88 %。若用二丁基二月桂酸錫和微量強(qiáng)堿作酯交換反應(yīng)的催化劑，用二甲苯回流控制反應(yīng)溫度，并不斷分餾出副產(chǎn)物乙醇，可使操作步驟減少。但是由于該法所使用的原料價格都比較昂貴，而且催化劑有機(jī)錫的毒性比較大，因此，不是理想的綠色化工藝。
環(huán)氧丙烷與二氧化碳的加成環(huán)合生成碳酸丙烯酯的反應(yīng)是放熱、體積縮小的反應(yīng)，因此，低溫、高壓條件有利于反應(yīng)進(jìn)行。由于是加成反應(yīng)，其過程的原子經(jīng)濟(jì)性理論上可以達(dá)到100，但是實際情況與采用的催化體系有關(guān)。
催化體系主要有均相催化體系和多相催化體系。在均相催化體系中，配合物催化劑能夠催化環(huán)氧丙烷與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸丙烯酯，其缺點是使用的催化劑濃度比較高，反應(yīng)收率比較低。季銨鹽、季膦鹽和堿金屬鹽催化劑對環(huán)氧丙烷與二氧化碳的加成反應(yīng)有高的催化活性，轉(zhuǎn)化率比較高。
一類均相金屬離子配合物催化劑，代號為MC-3，在反應(yīng)溫度135 ℃，壓力3 MPa 條件下，催化環(huán)氧丙烷與二氧化碳反應(yīng)，碳酸丙烯酯的產(chǎn)率大于94 %。另外，堿金屬鹽催化劑還可以在大環(huán)冠醚等的助催化下催化碳酸丙烯酯的合成反應(yīng)。由于大環(huán)冠醚的毒性比較強(qiáng)，降低了這種合成方法的實用價值。
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[3] CN201410239376.8一種以碳酸丙烯酯為主溶劑的電解液