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

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.