CC BY
20
УДК 547.422:542.943.7
О. В. Соловьева, Н. М. Нуруллина, Х. Э. Харлампиди
ЭПОКСИДИРОВАНИЕ ОКТЕНА ГИДРОПЕРОКСИДОМ КУМОЛА В ПРИСУТСТВИИ ИЗОПРОПИЛОВОГО СПИРТА
Ключевые слова: эпоксидирование, гидропероксид кумола, олефин, изопропиловый спирт, комплексный молибденовый
катализатор.
Изучено влияние концентрации изопропилового спира на реакцию эпоксидирования октена-1 гидропероксидом кумола. Найдено, что с увеличением содержания спирта зависимости конверсии гидропероксида кумола и выхода оксида октена проходят через максимум.
Keywords: epoxidation, cumene hydroperoxide, olephine, isopropyl alcohol, complex molybdenum catalyst.
The effect concentration of isopropyl alcohol in the epoxidation of 1-octene of cumene hydroperoxide was studied. It is found that with increase in the content of alcohol dependence conversion of cumene hydroperoxide and exit octene oxide pass through a maximum.
Гидропероксидное окисление непредельных углеводородов является одним из наиболее перспективных методов одновременного получения эпоксидных соединений и спиртов. Реакция эпоксидирования протекает с высокой скоростью и селективностью только в присутствии комплексов переходных металлов, в основном, молибдена, вольфрама, ванадия и титана [1].
Кинетика реакции эпоксидирования довольно чувствительна к изменению состава перок-сидного раствора, катализаторной шихты, кроме того, продукты реакции оказывают существенное влияние на процесс. Анализ литературных данных показывает, что существует ряд вопросов и проблем промышленной реализации данного процесса, которые не нашли однозначного решения. Так при исследовании влияния среды и отдельных добавок (спиртов) авторами [1-3] установлено, что в зависимости от природы спирта и соотношения Спирт : Углеводород значительно изменяются скорость и селективность процесса эпоксидирования а-олефинов, существенно улучшаются показатели эффективности реакции. Увеличение селективности процесса авторы связывают с подавлением спиртами побочной реакции каталитического распада гид-ропероксида. Однако вопрос о механизме ускорения реакции в присутствии спиртов остается открытым.
Для определения роли добавок спирта в реакциях эпоксидирования олефинов необходимы более глубокие исследования с использованием различных реагентов, катализаторов и добавок. Исходя из этого, представляло интерес исследовать эпокси-дирование октена-1 гидропероксидом кумола (ГПК) в присутствии комплексного молибденового катализатора (КМК).
Эпоксидирование октена-1 проводили в стеклянном реакторе с мешалкой при температуре 80°С. В качестве объекта исследования нами был выбран изопропиловый спирт (ИПС), как наиболее активный среди изученных спиртов [4, 5]. Концентрация ИПС варьировалась в интервале концентраций 0^2.62 моль/л.
На рис. 1 приведены типичные кинетические кривые накопления оксида октена. Из рис. 1 видно, что изопропиловый спирт оказывает значи-
тельное влияние на скорость реакции только на начальной стадии процесса (до 10-15 мин). Далее происходит дезактивация катализатора: в интервале времени реакции ~ 15 ^ 60 мин роста концентрации эпоксида практически нет. Затем происходит восстановление каталитической активности КМК: в интервале времени реакции ~ 60 ^ 90 мин наблюдается тенденция увеличения выхода целевого продукта.
10,0 г
0 15 30 45 60 75 90 105
Рис. 1 - Влияние изопропилового спирта на кинетику накопления оксида октена-1 (олефин : гидропероксид = 7 : 1 мол., Т = 80°С, [Мо] = 5 х 10 -4 моль/л, время реакции 90 мин). [ИПС], моль/л: 1 - без добавки спирта, 2 - 0.41, 3 - 1.31, 4 - 2.62
Изменение активности катализатора многие исследователи связывают со структурными изменениями каталитического комплекса по ходу процесса. Действительно, в ходе эксперимента наблюдается изменение окраски растворов, выпадение катализатора в осадок. Вероятно, это происходит как за счет структурных изменений катализатора, так и за счет изменения степени окисления молибдена.
Экспериментальные данные адекватно описываются уравнением Михаэлиса - Ментен [6]. Формально-кинетическую схему процесса можно представить в следующем виде:
Ах + Л2■ А! + ка!
ка!
Р
АК
АК + А
к.
к2
Р + ка!
2-
где Ах и А2 - реагенты, Р - продукт реакции, АК -активный каталитический комплекс.
Для приведенной схемы скорость реакции определяется уравнением:
й[ Д]_ к2[каг ]0[ А][ А]
где Км _
йг
к_ + к2[ А2] к+
Км + [ А,]
(1)
После интегрирования уравнения (1), получаем выражение (2):
1п([А,]о/[А,]) _ к
г
_-^[каг ]о[ А2]о -— Км К
[А,]о - [А,] (2)
г
из которого можно определить значения констант к2 и Км.
Кинетические кривые расходования гидро-пероксида кумола достаточно хорошо спрямляются в координатах Генри 1п([А,]0/[А1])/1 от ([А,]0-[А1])/1 (рис.2). Из тангенса угла наклона получаемых прямых, определяются кинетические параметры процесса.
Как видно из рис. 3, зависимость значений к2 от концентрации спирта проходит через максимум, который соответствует его концентрации ~ 1.5 моль/л, а зависимость Км - [ИПС] представляет собой прямую.
Изменение к2 и Км в зависимости от концентрации спирта свидетельствует о том, что ИПС участвует в активации катализатора, смещая химическое равновесие в сторону образования активного каталитического комплекса АК (увеличивается значения к+).
В таблице 1 представлены данные по накоплению оксида октена и расходованию гидроперок-сида кумола.
Как видно из табл. максимальная конверсия ГПК (67.74 %) и максимальный выход оксида окте-на (0.65 моль/л) наблюдаются при [ИПС] = 1.31 моль/л. Дальнейшее увеличение концентрации изопропилового спирта приводит к снижению скорости и селективности процесса.
Таким образом, введение добавки изопро-пилового спирта в значительной степени увеличивает скорость образования оксида октена на начальной стадии процесса. Изопропиловый спирт в интервале концентраций [ИПС] = 0.01^1.31 моль/л интенсифицирует процесс образования эпоксида. Далее с ростом концентрации ИПС (до 2.62 моль/л) происходит снижение показателей эффективности процесса.
0,05
0,04
<0,03 ■ с]
<^0,02 0,01 0,00
([^ -[A1])Уt
0
0,01
0,02
0,03
0,04
Рис. 2 - График Генри для определения кинетических параметров реакции
1,4 -
1,2 " 1,0 -0,8 -0,6 -0,4 0,2 0,0
[ИПС], моль/л
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Рис. 3 - Влияние концентрации ИПС на кинетические параметры процесса эпоксидирования октена-1 гидропероксидом кумола
Таблица 1 - Влияние изопропилового спирта на процесс эпоксидирования октена-1 гидроперок-сидом кумола в присутствии КМК (олефин : гидр опероксид = 7 : 1 мол., Т = 80°С, [Мо] = 5 х 10 моль/л, время реакции 90 мин)
[ИПС], моль/л Конверсия ГПК, % [Оксид], моль/л
0 18.07 0.31
0.41 49.76 0.53
0.79 57.57 0.60
1.31 67.74 0.65
1.57 62.97 0.54
1.96 65.40 0.53
2.28 50.15 0.41
2.62 50.78 0.49
Исследовательская работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части (ПНИЛ 02.14).
Литература
1. Толстиков Г. А. Реакции гидроперекисного окисления. Москва, 1976. 199с.
к
2. Стожкова Г.А. Изучение реакции эпоксидирования пропилена органическимигидроперекисями: // Автореф. канд. дис., Ярославль, 1971. 57с.
3. Субботина И.В., Бобылев Б.Н., Стожкова Г.А., Леонов В.Н. Эпоксидирование а-олефинов органическими гид-ропероксидами в присутствии спиртов. // Межвузовкий сборник научных трудов.-Ярославль, 1986. Вып.22. С. 3.
4. Дахнави Э.М., Соловьева О.В., Харлампиди Х.Э. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2009. № 6. С. 422.
5. Дахнави Э.М., Соловьева О.В., Разяпов И.Г., Харлампиди Х.Э. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2010. № 1. С. 250.
6. Шмид Р., Сапунов В.Н. Неформальная кинетика. В поисках путей химических реакций: пер. с англ. М.: Мир, 1985. 264 с.
© О. В Соловьева - студент каф. общей химической технологии КНИТУ, [email protected]; Н. М. Нуруллина - к.х.н., доцент той же кафедры, [email protected]; Х. Э. Харлампиди - д.х.н., профессор той же кафедры, [email protected].
© O. V. Solovyva - student, Department of General Chemical Technology Kazan National Research Technological University, [email protected], N. M. Nyryllina - Ph.D., associate professor, Kazan National Research Technological University, Department of General Chemical Technology, [email protected]; КЬ. Е. КИаНатркП - Professor, Chief Scientific Officer, Kazan National Research Technological University, Department of General Chemical Technology, [email protected].
