ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ АКРИЛАТОВ НА ОСНОВЕ АКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ И СПИРТА

АННОТАЦИЯ

Анализ имеющихся данных свидетельствует о том, что мировое потребление акриловой кислоты и акрилатов увеличивается с каждым годом. В работе также рассмотрены эффективные методы синтеза эфиров акриловой кислоты в присутствии акриловой кислоты и соответствующих спиртов. В частности, реакцию прямой этерификации акриловой кислоты и спиртов проводили в реакторе в среде с природным минеральным катализатором. По окончании процесса этерификации из полученного эфира отделяли катализатор и воду. Также в ходе исследования изучен механизм реакции образования эфира и ИК-спектры синтезированных акрилатов.

ABSTRACT

An analysis of the available data indicates that the global consumption of acrylic acid and acrylates is increasing every year. The paper also considers efficient methods for the synthesis of acrylic acid esters in the presence of acrylic acid and the corresponding alcohols. In particular, the reaction of direct esterification of acrylic acid and alcohols was carried out in a reactor in an environment with a natural mineral catalyst. At the end of the study, the catalyst and water were separated from the obtained ether. Also in the course of the study, the mechanism of the ether formation reaction and the IR spectroscopy parameters of the synthesized acrylates were studied.

Ключевые слова: акриловая кислота, акрилаты, реакция этерификации, метил акрилат, этил акрилат, бутил акрилат, изобутил акрилат.

Keywords: acrylic acid, acrylates, esterification reactions, methyl acrylate, ethyl acrylate, butyl acrylate, isobutyl acrylate.

Введение

В последние годы мировое производство акриловой кислоты и ее потребление увеличиваются на 5-10% в год [1,2]. В частности, в 2015 году объем производства акриловой кислоты составлял 6 млн. тонн, а к 2021 году он достиг 7,65 млн. тонн. По прогнозам отраслевых экспертов, к 2026 году производство акриловой кислоты (с учетом ежегодного увеличения потребления на 5-10%) достигнет 10 млн. тонн [3].

В настоящее время акриловая кислота, полученная промышленным путем, используется в производстве продукции на основе различных химических соединений. В частности, 50% производимой акриловой кислоты составляют акриловые эфиры (метилакрилат, этилакрилат, бутилакрилат и 2-этилгексил-акрилат), 34% акриловые высокомолекулярные соединения (эластомеры, полимеры-сорбенты, полимеры для очистки воды) и остальные 16% различные другие материалы, используемые в синтезе, используемые в различных сополимерах (клей, бумажные покрытия и т. д.) [2-3].

В данном исследовании мономеры сложных эфиров акриловой кислоты были получены реакцией этерификации спиртов акриловой кислотой в присутствии катализатора. Также в работе рассмотрены механизмы реакций этерификации акриловой кислоты соответствующими спиртами и проанализированы параметры ИК-спектроскопии полученных эфиров акриловой кислоты.

Экспериментальная часть

Для приготовления используемого в эксперименте катализатора брали кальциевый известняк, смешивали со слабым раствором серной кислоты и обезвоживали в течение 2-2,5 часов при определенной температуре. Полученный белый порошок нагревают при 600°С в течение 30 минут.

Для первого эксперимента брали трёхгорловую колбу объемом 250 мл, снабженную термометром и механической мешалкой, добавляли 1 объем акриловой кислоты. Акриловую кислоту нагревали до температуры 80-90°С и по каплям добавляли 1 объем метилового спирта. В этой реакции этерификации, проводимой в течение 6 часов, в качестве катализатора используется специально приготовленный известняковый минерал в количестве 1% от общего объема. По окончании реакции использовали метод перегонки при температуре 95-100°С для выделения метил акрилового эфира. В ходе исследования выход реакции образования эфира составил 91%.

Во втором опыте брали 1 объем акриловой кислоты при указанных выше условиях, нагревали до температуры 100-105 °С и добавляли по каплям 1 объем изобутилового спирта. В ходе этого 6-часового процесса синтеза в качестве катализатора используется специально приготовленный известняковый минерал в количестве 1% от общего объема. По окончании реакции методом перегонки при температуре 120-125°С экстрагировали изобутилакриловый эфир. Выход реакции образования сложного эфира в исследовании составил 85%.

Для третьего опыта брали 1 объем акриловой кислоты и нагревали до температуры 105-110°С, добавляли по каплям 1 объем бутилового спирта. Во втором опыте проводили реакцию в механизме, а по окончании синтеза применяли метод перегонки при температуре 135-140°С для выделения бутил акрилового эфира. В ходе исследований эффективность реакции образования эфира составила 96%.

В ходе экспериментов при использовании в качестве катализатора специально приготовленного известняка было установлено, что достигается высокий выход реакции при этерификации акриловой кислоты с соответствующими спиртовыми мономерами.

Результаты и их обсуждение

Изменения химического состава акриловых эфиров, полученных в ходе практических экспериментов, анализировали методом) ИК-спектроскопии (IRAffinity-1S (SHIMADZU) [4,5].

В показателях ИК-спектроскопии метилакрилового эфира, синтезированного в первом эксперименте, наблюдаются пики поглощения группы =C-H средней и малой интенсивности в диапазоне 3410-2999 см^-1, высоко симметричной группы СН₃ в диапазоне 2956-2887 см^-1, группа >С=О в диапазоне 1720-1633 см^-1, в диапазоне 1438-1404 см^-1 видно, что линии поглощения группы СН₂ образованы эфиром метил акрилата (рис. 1).

Рисунок 1.  ИК-спектр метил акрилата

В показателях ИК спектра изобутилакрилового эфира, синтезированного во втором эксперименте, асимметричные валентные линии поглощения функциональной группы -СН₃с высокой интенсивностью наблюдаются в диапазоне 2960-2875 см^-1, группы СН₂ в диапазоне 2829 см^-1, валентная интенсивность группы  >С=Онаблюдается в диапазоне 1820-1650 см^-1, видно, что эфир изобутилакрилата образуется с линиями поглощения -С-О-С- группы с симметричной валентной интенсивностью в диапазоне 1075-1020 см^-1 (рис. 2).

Рисунок 2. ИК-спектр изобутил акрилата

В показателях ИК спектроскопии бутил акрилового эфира синтезированного в третьем эксперименте видно, что образуется эфир бутил акрилата,асимметричные валентные линии поглощения функциональной группы -СН₃ с высокой интенсивностью наблюдаются в диапазоне 2962-2819 см^-1, группы >С=О в диапазоне 1728-2819 см^-1 и 1820-1650 см^-1 с линиями поглощения, группы >С=O с валентной интенсивностью линиями поглощения вобласти 1075-1020 см^-1, группы -С-О-С-с симметричной валентной интенсивностью в областях 1075-1020 см-1 (рис. 3).

Рисуок 3. ИК-спектр бутил акрилата

При анализе ИК-спектроскопических показателей акриловых эфиров, полученных в ходе реакции этерификации рассматриваемой акриловой кислоты соответствующими спиртами, установлено, что химические связи и функциональные группы соответствуют акриловым эфирам.

Таким образом, практически изучалось, что реакции этерификации акриловой кислоты и родственных спиртов осуществляются по одному и тому же механизму. Научно доказано, что температурный показатель, используемый при проведении реакции, зависит от температуры кипения соответствующего спирта, а выход образования сложного эфира в реакции от массового соотношения исходных мономеров. Также экспериментально было установлено, что выход реакции высок, когда в синтезе сложных эфиров акриловой кислоты используется природный минеральный известняковый катализатор.

Список литературы:

1. Шайкулов Б.К., Нуркулов Ф.Н., Джалилов А.Т. “Композицион материаллар журнали” – 2022.-№2. – С.21-23.
2. Шайкулов Б.К., Нуркулов Ф.Н., Джалилов А.Т., Журнал Универсум, 9(99) 2022, стр. 59-63.
3. Ravichandran H., Thakur K. // Designed Monomers and Polymers Volume 2018, Vol. 21, No 1, pp. 1-8.
4. Ешимбетов А.Г. ИҚ-спектроскопия усулидан амалий қўлланма. - Ташкент-2014. - С.15-17.
5. Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений. – Москва: 2012.. - С.18-42.
6. Маковецкий К.Л.,. Быков В.И, Багдасарьян А.Х., Финкельштейн Е.Ш., // Высокомолекулярные соединения. 2005. Т. 47 А. № 2. С. 197-204.
7. Платэ Н.А., Сливинский Е.В. «Основы химии и технологии мономеров» М.: Наука, 2002. 696 с.