Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

МИКРОВОЛНОВАЯ АКТИВАЦИЯ В СИНТЕЗЕ ИЗОПРОВИЛОВОГО ЭФИРА УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ

Тулепова А.К. 1 Сейтова А.А. 1 Шигенова А.С. 1 Нарманова Р.А. 1 Тулегенова Г.У. 1 Аппазов Н.О. 1
1 Кызылординский государственный университет им. Коркыт Ата
В статье предлагается синтез изопропилацетата реакцией прямой этерификации уксусной кислоты изопропиловым спиртом в условиях микроволнового облучения в присутствии п-толуолсульфокислоты. 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: изопропиловый спирт 1:1, продолжительность 0,5 мин, соотношение катализатора от общей массы реагирующих веществ 1%, мощность облучения 900 Вт. Выход целевого продукта при этих условиях составляет практически 100%. Полученный продукт идентифицирован с помощью газовой хромато-масс спектрометрии и ИК-спектрометрии. Предлагаемый способ получения изопропилового эфира уксусной кислоты по сравнению с известными методами позволяет сократить продолжительность процесса в сотни раз. Результаты могут найти применение для получения сложных эфиров карбоновых кислот.
мощность облучения
сложные эфиры карбоновых кислот
ИК-спектрометрия
хромато-масс спектрометрия
п-толуолсульфокислота
микроволновая активация
изопропиловый спирт
уксусная кислота
изопропилацетат
1. 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. – Ч. 8. – С.1721-1725.
2. Аппазов Н.О., Тулепова А.К., Сейтова А.А., Нарманова Р.А., Абызбекова Г.М.. Синтез изопропилацетата в условиях сверхвысокочастотного облучения // Химический журнал Казахстана. – 2014. - №2(46). – С.237-243.
3. 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. – Ч. 5. – С. 1075-1079.
4. Бердоносов С.С. Микроволновая химия // Соровский образовательный журнал. – 2001. – Т.7. – №1. – С. 32-38.
5. Гигиенические требования по применению пищевых добавок. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПИН 2.3.2.1293-03 от 18.04.2003. Минздрав РФ.
6. Исагулянц В.И. Синтетические душистые вещества. – Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1946. – 831 с.
7. Патент РФ № 2007130614/04, 10.08.2007.
8. Перкель А.Л., Воронина С.Г. Карбоновые кислоты и их производные в органическом синтезе. – Кемерово, 2013. – 27 с.
9. Суербаев Х.А., Чепайкин Е.Г., Аппазов Н.О., Джиембаев Б.Ж. Гидроалкоксикарбонилирование изобутилена полиатомными спиртами в присутствии каталитических систем на основе соединений палладия и третичных фосфинов // Нефтехимия. – 2012. – Т. 52. - №3. – С. 215-219.
10. Суербаев Х.А., Чепайкин Е.Г., Джиембаев Б.Ж., Аппазов Н.О., Абызбекова Г.М. Каталитическое гидроалкоксикарбонилирование изобутилена моноксидом углерода и полиатомными спиртами в присутствии системы Pd(Acac)2-PPh3-TsOH // Нефтехимия. – 2007. – Т. 47. - №5. – С. 376-378.
11. Химический энциклопедический словарь. – М.: Советская энциклопедия, 1983. – C.212.
12. Чемерис М.М., Коньшин В.В., Люкшова Н.В., Мозуленко Л.М., Безушев А.А. Лабораторный практикум по органической химии: Методические указания к выполнению лабораторных работ. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004. – 132 с.
13. Эллис К. Химия углеводородов нефти. – М., 1936. – 634 с.
14. Suerbaev K.A., Zhaksylykova G.Zh., Appazov N.O. Synthesis of Biological Active Esters of the isovaleric acid by isobutylene hydroalkoxycarbonylation // J. Pet. Environ. Biotechnol. – 2014. – V.4, №6. (Электронный журнал) URL: http://omicsonline.org/synthesis-of-biological-active-esters-of-the-isovaleric-acid-by-isobutylene-hydroalkoxycarbonylation-2157-7463.1000164.php?aid=21797 (дата обращения: 06.09.2014).

Изопропиловый эфир уксусной кислоты обладает приятным эфирно-фруктовым запахом, применяется в кондитерском производстве (для получения пищевых ароматических эссенций), является идентичным натуральному пищевым ароматизатором и зарегистрирован как вкусоароматическое химическое вещество для производства пищевых ароматизаторов [5, 6]. Находит применение в качестве растворителя эфиров целлюлозы, жиров, многих синтетических полимеров, мастик, используется в производстве лакокрасочных изделий и т.д. [11, 13]. ПДК изопропилацетата 200 мг/м3 [11].

Цель исследования. Получают изопропилацетат реакцией этерификации уксусной кислоты изопропиловым спиртом в присутствии серной кислоты (~13% от общей массы реагирующих веществ) при температуре 1400С в течении 2 ч, выход продукта при этом составляет 70% [8, 12]. Имеется способ получения изопропилацетата реагированием уксусной кислоты пропеном в присутствии сульфокатионитного катализатора КУ-2ФПП при температуре 1200С и молярном соотношении уксусная кислота: пропен = 1,2:1, при этом конверсия пропена составляет 75% [7]. Недостатками перечисленных способов получения изопропилацетата являются длительность процесса, применение высокой температуры и невысокий выход продукта.

Микроволновая активация органических реакций является динамично развивающимся методом в органическом синтезе, в отличие от классического конвекционного нагревания микроволновое облучение проводится в значительно короткое время [4]. Нами ранее были опубликованы работы по синтезу сложных эфиров карбоновых кислот в условиях сверхвысокочастотного облучения [1, 3]. Также нами ранее были получены сложные эфиры реакцией карбонилирования олефинов моноксидом углерода и спиртами в присутствии фосфиновых комплексов переходных металлов [9, 10, 14].

Способ получения изопропилацетата, предлагаемый в данной работе, позволяет сократить продолжительность реакции в сотни раз, что экономит затраты на электро- или тепловую энергию и соответственно включает производство изопропилацетата в область «зеленой» химии.

Ранее нами был проведен синтез изопропилацетата в условиях микроволнового облучения в присутствии серной кислоты [2]. При тех условиях оптимальным являлся: соотношение уксусная кислота: изопропанол – 1:1, продолжительность 3 мин, соотношение катализатора (конц. серная кислота) от общей массы реагирующих веществ 1%, мощность облучения 450 Вт, при этих условиях выход целевого продукта составил 97,49 %. При применении в качестве катализатора п-толуолсульфокислоту продолжительность процесса сокращается в 6 раз по сравнению с использованием серной кислоты.

Материалы и методы исследования

Синтез изопропилацетата осуществляли прямой этерификацией уксусной кислоты изопропанолом при микроволновом облучении на бытовой СВЧ-печи. При проведении опытов в качестве катализатора использовали п-толуолсульфокислоту. В качестве исходных реагентов использовали ледяную уксусную кислоту и изопропиловый 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 1000С, сброс потока (Split) 500:1; температура термостата колонки, начало 400С (1 мин), подъем температуры 50С в минуту, конец 1000С, при этой температуре удерживается 1 мин, общее время анализа 14 мин; режим ионизации масс-детектора методом электронного удара. Капиллярная хроматографическая колонка HP-5MS, длина колонки 30 м, внутренний диаметр 0,25 мм, неподвижная фаза диметилполисилоксан.

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: изопропанол – 1:1, продолжительность 0,5 мин, соотношение катализатора от общей массы реагирующих веществ 1%, мощность облучения 900 Вт, при этих условиях выход целевого продукта составляет практически 100 % (Таблица).

Нахождение оптимальных условий проведения процесса

Молярное соотношение реагирующих веществ

Мощность облучения, Вт

Продолжительность, мин

Катализатор, % от общ. массы реагирующих веществ

Выход продукта, %

Уксусная кислота

Изопропанол

1

1

1

100

1

1

59,62

2

1

1

180

1

1

59,86

3

1

1

300

1

1

60,09

4

1

1

450

1

1

60,74

5

1

1

600

1

1

61,38

6

1

1

900

1

1

100

7

1

1

900

0,5

1            

100

8

1

1

900

0,25

1

54,29

9

1

1

900

0,5

0,5

88,49

После проведения реакции продукты анализировали с помощью хромато-масс спектрометрии, время удержания изопропилацетата составляет 3,0 мин. Хроматограмма полученного продукта приведена на рисунке 1.

Рис.1. Хроматограмма изопропилацетата, полученного микроволновым облучением в присутствии п-толуолсульфокислоты

Полученный продукт идентифицирован с помощью масс-селективного детектора, масс-спектры изопропилацетата соответствует данным библиотечной базы NIST08 (рисунок 2), в масс-спектрах присутствуют молекулярный ион и масс фрагменты полученного продукта.

Рис. 1. Масс-спектр изопропилацетата, полученного сверхвысокочастотным облучением в присутствии п-толуолсульфокислоты

В ИК-спектрах полученного продукта наблюдается характеристичная полоса поглощения карбоксильных групп при 1708 см-1, также в области 1107, 1244 см-1 проявляются интенсивные эфирные полосы, вызванная колебаниями С-О-С (рисунок 3).

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

Таким образом, нами был синтезирован изопропилацетат прямой этерификацией уксусной кислоты изопропанолом в условиях сверхвысокочастотного облучения в присутствии п-толуолсульфокислоты (1% от общей массы реагирующих веществ). Найдены оптимальные условия проведения процесса, максимальный выход продукта практически 100%. Полученный продукт был идентифицирован с помощью газового хроматографа с масс-селективным детектором и инфракрасной спектрометрии. Предлагаемый нами способ получения изопропилацетата по сравнению с известным способом позволяет сократить продолжительность процесса в 240 раз.

Рецензенты:

Матаев М.М., д.х.н., профессор, заведующий лабораторией Новых материалов и нанотехнологий Товарищества с ограниченной ответственностью «Институт высоких технологий», г. Алматы.

Бутин Б.М., д.х.н., профессор, советник ректора РГП на ПХВ «Казахский женский педагогический университет» Министерства образования и науки РК, г. Алматы.


Библиографическая ссылка

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: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=14609 (дата обращения: 15.09.2019).

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 = 1.252