Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

АКТИВАЦИЯ РЕАКЦИИ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБУТИЛАЦЕТАТА ВОЛНАМИ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Акылбеков Н.И. 1 Омаров Е.А. 1 Шигенова А.С. 1 Сейтова А.А. 1 Тулепова А.К. 1 Садуакаскызы К.С. 1 Аппазов Н.О. 1
1 Кызылординский государственный университет им. Коркыт Ата
В статье предлагается синтез изобутилацетата реакцией прямой этерификации уксусной кислоты изобутиловым спиртом в условиях микроволнового облучения в присутствии серной кислоты. Найдены оптимальные условия проведения процесса: мощность сверхвысокочастотного облучения, продолжительность процесса, соотношение катализатора от общей массы реагирующих веществ, соотношение реагирующих веществ. Найдено, что оптимальным при проведении процесса является молярное соотношение – уксусная кислота : изобутиловый спирт 1:1, продолжительность 3,0 мин, соотношение катализатора от общей массы реагирующих веществ 1 %, мощность облучения 300 Вт. Выход целевого продукта при этих условиях составляет практически 91,41 %. Полученный продукт идентифицирован с помощью газовой хромато-масс спектрометрии и ИК-спектрометрии. Предлагаемый способ получения изобутилового эфира уксусной кислоты по сравнению с известными методами позволяет сократить продолжительность процесса в несколько десяток раз. Результаты могут найти применение для получения сложных эфиров карбоновых кислот.
мощность облучения
сложные эфиры карбоновых кислот
ИК-спектрометрия
хромато-масс спектрометрия
серная кислота
микроволновая активация
изобутиловый спирт
уксусная кислота
изобутилацетат
1. Аппазов Н.О., Акылбеков Н.И. Синтез циклогексилового эфира изовалериановой кислоты в условиях сверхвысокочастотного облучения // Химический журнал Казахстана. – 2014. – № 1(45). – С.150-155.
2. Аппазов Н.О., Акылбеков Н.И. Синтез этилацетата в условиях сверхвысокочастотного облучения // Известия НАН РК. Серия химическая. – 2014. – № 2 (404). – С.57-62.
3. Аппазов Н.О., Ниязова Д.Ж., Акылбеков Н.И., Омаров Е.А., Еспенбетова Ш.О., Назаров Е.А. Синтез этилбензоата в условиях сверхвысокочастотного облучения // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–8. – С. 1721-1725.
4. Аппазов Н.О., Шигенова А.С., Акылбеков Н.И., Тулепова А.К., Сейтова А.А., Нарманова Р.А., Наренова С.М. Синтез изоамилацетата в условиях сверхвысокочастотного облучения // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8–5. – С. 1075-1079.
5. Бердоносов С.С. Микроволновая химия // Соровский образовательный журнал. – 2001. – Т.7. – № 1. – С.32-38.
6. Брюсова Л.Я. Химия и технология синтетических душистых веществ. – М.: Пищепромиздат, 1947. – 544 с.
7. Войткевич С.А. 865 душистых веществ для парфюмерии и бытовой химии. – М.: Пищевая промышленность, 1994. – 594 с.
8. Гигиенические требования по применению пищевых добавок. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПИН 2.3.2.1293-03 от 18.04.2003. Минздрав РФ.
9. Жуков В.И., Валькович Г.В., Гершберг М.И., Саушкин Ю.И., Белов Г.П., Петров Ю.М., Гермашев А.И., Волостнов С.М., Козлов Ю.П., Полоумов А.В. Способ получения сложных эфиров и/или их смесей // Патент России № 2127722.1999. Бюл. № 33.
10. Исагулянц В.И. Синтетические душистые вещества. – Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1946. – 831 с.
11. Перкель А.Л., Воронина С.Г. Карбоновые кислоты и их производные в органическом синтезе. – Кемерово, 2013. – 27 с.
12. Тулепова А.К., Сейтова А.А., Шигенова А.С., Нарманова Р.А., Тулегенова Г.У., Аппазов Н.О. Микроволновая активация в синтезе изопровилового эфира уксусной кислоты // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5; URL: www.science-education.ru/119-14609 (дата обращения: 04.02.2015).
13. Хейфиц Л.А., Дашунин В.М. Душистые вещества и другие продукты для парфюмерии: Справ. изд. – М.: Химия, 1994. – 256 с.
14. Химический энциклопедический словарь. – М.: Советская энциклопедия, 1983. – C.209.
15. Nüchter M., Ondruschka B., Bonrath W., Gum A. Microwave assisted synthesis – a critical technology overview // Green Chem. – 2004. – № 6. – P.128-141.

В последнее время сверхвысокочастотное облучение находит широкое применение при проведении химических реакций, в отличие от обычного нагрева активация реакций лучами сверхвысоких частот позволяет значительно сократить продолжительность реакций [5]. Для работы бытовых СВЧ-печей и для реакторов в синтетической химии используется частота 2,45 ГГц (длина волны 12,24 см) [15]. Нами ранее были опубликованы работы по синтезу сложных эфиров карбоновых кислот в условиях сверхвысокочастотного облучения [1–4,12].

Цель исследования. Сложные эфиры уксусной кислоты обладают приятным эфирно-фруктовым запахом, входят в состав многих эфирных масел душистых растений, находят практическое применение в парфюмерно-косметической промышленности для изготовления душистых веществ, отдушек для косметических изделий и мыла, пищевых ароматизаторов и пищевых консервантов, используются в производстве лакокрасочных изделий в качестве растворителей [6,8,10,13].

Изобутилацетат содержится во многих фруктах и ягодах, имеет приятный эфирно-фруктовый запах. Используют в отдушках для синтетических моющих средств при дозировке до 4 %, а также в пищевых ароматических эссенциях, как идентичный натуральному пищевой ароматизатор (зарегистрирован как вкусоароматическое химическое вещество для производства пищевых ароматизаторов) [7,8,14]. Является растворителем нитроцеллюлозных, перхлорвиниловых, полиакриловых лакокрасочных материалов, применяется для производства быстро сохнущих лаков [10,14].

Получают изобутилацетат реакцией этерификации уксусной кислоты изобутиловым спиртом в присутствии серной кислоты (~9 % от общей массы реагирующих веществ) при температуре 118 ºС, выход продукта при этом составляет 78,8 % [11].

Также изобутилацетат получают каталитическим способом из отходов производства винилацетата, содержащего 70 масс.% уксусной кислоты и из сивушного масла, полученного при выделении пищевого спирта, содержащего 42 масс.% изобутанола (кроме изобутанола в сивушном масле содержится 22,5 масс.% н-пропанола и 35,5 масс.%, изоамилового спирта). Процесс проводят в присутствии катализатора КУ-2-8-чС (0,8 масс.%) и серной кислоты (0,16 масс.%), при температуре 130 °С в течение 4 ч. Выход изобутилацетата в расчете на изобутанол составляет 96,4 % [9].

Недостатками перечисленных способов получения изобутилацетата являются длительность процесса, применение высокой температуры.

Материалы и методы исследования

Синтез изобутилацетата осуществляли прямой этерификацией уксусной кислоты изобутанолом при микроволновом облучении на бытовой СВЧ-печи. При проведении опытов в качестве катализатора использовали концентрированную серную кислоту. В качестве исходных реагентов использовали ледяную уксусную кислоту и изобутиловый спирт.

Продукт реакции идентифицирован на хромато-масс спектрометре Agilent 7890A/5975C (США) и ИК-спектрометре IR-Prestige 21 фирмы Shimadzu (Япония).

Условия хроматографирования: газовый хроматограф 7890А с масс-селективным детектором 5975С фирмы Agilent; подвижная фаза (газ носитель) – гелий; температура испарителя 160 ºС, сброс потока (Split) 1000:1; температура термостата колонки, начало 40 ºС (1 мин), подъем температуры 5 ºС в минуту, конец 150 ºС, при этой температуре удерживается 1 мин, общее время анализа 24 мин; режим ионизации масс-детектора методом электронного удара. Капиллярная хроматографическая колонка HP-FFAP, длина колонки 30 м, внутренний диаметр 0,25 мм, неподвижная фаза – нитротерефталевая кислота, модифицированная полиэтиленгликолем.

Результаты исследования и их обсуждение

Нами были проведены серия опытов для определения оптимальных условий проведения процесса, т.е. влияние на выход продукта мощности облучения, продолжительности процесса, соотношения катализатора от общей массы реагирующих веществ и соотношений реагирующих веществ.

Найдено, что оптимальным соотношением реагирующих веществ является молярное соотношение уксусная кислота : изобутанол – 1:1, продолжительность 3 мин, соотношение катализатора от общей массы реагирующих веществ 1 %, мощность облучения 300 Вт, при этих условиях выход целевого продукта составляет 91,41 % (таблица).

Нахождение оптимальных условий проведения процесса

Молярное соотношение реагирующих веществ

Мощность облучения, Вт

Продолжи-тельность, мин

Катализатор, % от общ. массы реагирующих веществ

Выход продукта, %

Уксусная кислота

Изобутанол

1

1

1

100

3

1

74,93

2

1

1

180

3

1

88,38

3

1

1

300

3

1

91,41

4

1

1

450

3

1

86,78

5

1

1

300

2

1

87,14

6

1

1

300

4

1

87,30

7

1

1

300

3

0,5

82,73

8

1

1

300

3

1,5

87,75

9

1

1

300

3

2

86,40

10

1

0,9

300

3

1

83,10

11

1

1,1

300

3

1

84,44

После проведения реакции продукты анализировали с помощью хромато-масс спектрометрии, время удержания изобутилацетата составляет 4,3 мин. Хроматограмма оптимального выхода изобутилацетата приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Хроматограмма изобутилацетата, полученного микроволновым облучением в присутствии серной кислоты

Полученный продукт идентифицирован с помощью масс-селективного детектора (ионизация пробы происходит за счет электронного удара), масс-спектр изобутилацетата соответствует данным библиотечной базы NIST08, в масс-спектре присутствуют молекулярный ион и масс фрагменты полученного продукта (рисунок 2).

Рис. 2. Масс-спектр изобутилацетата, полученного микроволновым облучением

В ИК-спектре полученного продукта наблюдается характеристичная полоса поглощения карбонильной группы при 1721 см-1, также в области 1234 см-1 проявляется интенсивная эфирная полоса, вызванная колебаниями С-О-С (рисунок 3).

Рис. 3. ИК-спектр изобутилацетата, полученного микроволновым облучением

Таким образом, нами был синтезирован изобутилацетат прямой этерификацией уксусной кислоты изобутанолом в условиях сверхвысокочастотного облучения в присутствии серной кислоты (1 % от общей массы реагирующих веществ). Найдены оптимальные условия проведения процесса, максимальный выход продукта составляет 91,41 %. Полученный продукт был идентифицирован с помощью газового хроматографа с масс-селективным детектором и инфракрасной спектрометрии. Предлагаемый нами способ получения изобутилацетата по сравнению с известным способом позволяет сократить продолжительность процесса в несколько десяток раз.

Работа выполнена в лаборатории инженерного профиля «Физико-химические методы анализа» Кызылординского государственного университета им. Коркыт Ата (Республика Казахстан, г. Кызылорда).

Рецензенты:

Досжанов М.Ж., д.т.н., профессор, декан факультета естествознания и аграрных технологий Кызылординского государственного университета им. Коркыт Ата Министерства образования и науки Республики Казахстан, г. Кызылорда;

Аруова Л.Б., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и рациональное использование природных ресурсов» Кызылординского государственного университета им. Коркыт Ата Министерства образования и науки Республики Казахстан, г. Кызылорда.


Библиографическая ссылка

Акылбеков Н.И., Омаров Е.А., Шигенова А.С., Сейтова А.А., Тулепова А.К., Садуакаскызы К.С., Аппазов Н.О. АКТИВАЦИЯ РЕАКЦИИ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБУТИЛАЦЕТАТА ВОЛНАМИ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=17625 (дата обращения: 28.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074