СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БУТИЛЦЕЛЛОЗОЛЬВА ИЗ ОКИСИ ЭТИЛЕНА И БУТАНОЛА
METHOD FOR OBTAINING BUTYL CELLOSOLVE FROM ETHYLENE OXIDE AND BUTANOL

Изобретение относится к органической химии, а именно, к промышленному способу получения бутилцеллозольва используемому, например, в качестве компонента при производстве растворителей, лаков и красок; азеотропной добавки в авиационном и автомобильном топливе; антифриза; субстрата в тонком органическом синтезе.
Традиционные способы алкоксилирования, к которому относится способ получения бутилцеллозольва, характеризуются реакцией конденсации в присутствии гомогенного или гетерогенного катализатора по меньшей мере одного алкиленоксида с по меньшей мере одним органическим соединением, содержащим по меньшей мере один активный водород.
Например, описан способ оксоэтилирования органических гидроксилсодержащих соединений конденсацией с окисью этилена с гидроксилсодержащим соединениями в присутствии триэтиламина при атмосферном давлении и температуре 30-80°С (Патент RU 2063955, МПК C07C 41/02, C07C 43/02, 1993.09.02). Известен также способ получения бутиловых эфиров этиленгликолей оксиэтилированием смеси бутилового спирта, монобутилового эфира моно- и диэтиленгликолей. Процесс проводят при температуре 70-100°C в присутствии триэтиламина или других щелочных катализаторов (Патент Польши № 171189, МПК C07C 41/03, C07C 43/10, 28.03.97 г.). Описан также способ получения высококипящих монобутиловых эфиров гликолей-монобутилового эфира триэтиленгликоля или смеси эфиров на его основе оксиэтилированием н-бутанола в присутствии монобутиловых эфиров этиленгликолей в условиях основного катализа с последующим разделением продуктов реакции путем ректификации (Патент РФ № 98105487, МПК C07C 41/03, C07C 43/10, опубл. 20.12.1999).
Наиболее близким аналогом данного способа является способ получения моноалкиловых эфиров алкиленгликолей путем взаимодействия оксидов этилена и пропилена со спиртами при повышенных температуре и давлении в условиях катализа органическими соединениями ванадия, молибдена и вольфрама (Патент РФ 2149865, МПК C07C 41/03, C07C 43/10, опубл. 1999.12.20).
Анализ вышеуказанных способов алкоксилирования указывает на то, что они характеризуются тем, что для увеличения сродства реагентов и, тем самым, скорости их взаимодействия, синтез осуществляются в присутствии тех или иных катализаторов. Наличие катализатора в реакционной массе обуславливает проблему протекания ряда параллельных реакций, приводящих к образованию побочных продуктов; использование в качестве катализаторов, например, щелочи, приводят к коррозии промышленного оборудования; необходимости отделения целевого продукта от катализатора, образованию в технологических процессах значительного количества сточных вод. Способы характеризуются невысоким выходом целевого продукта (не более 60%), что обуславливает необходимость использования стадии ректификации и тем самым увеличения энергетических затрат. Многостадийность перечисленных способов и использование дополнительных реагентов усложняют технологию синтеза, ухудшают их экологические показатели и повышают себестоимость конечного продукта.
В условиях постоянного роста цен на ресурсы, и повышения требований к экологическим показателям производств возникает необходимость в поиске и разработке новых решений данной проблемы.
Техническая задача, решение которой предлагается в настоящем изобретении, заключается в разработке более экологичного способа получения бутилцеллозольва, отличающегося увеличенным выходом целевого продукта без использования при его синтезе катализаторов.
Указанная задача решается тем, что предлагается способ получения бутилцеллозольва конденсацией окиси этилена с бутанолом-1 в субкритических и сверхкритических условиях в отсутствии катализатора.
Известно, что субкритическим называют состояние вещества при температуре выше температуры его кипения и до его критической температуры (Борисова Д.Р., Статкус М.А., Цизин Г.И., Золотов Ю.А. Вода в субкритическом состоянии: применение в химическом анализе//Журнал аналитической химии 2017. Т. 72. №8. С. 699-713), а сверхкритическим - состояние вещества, в котором его температура и давление превышают критические параметры и исчезает различие между жидкой и газовой фазой.
Основными преимуществами использования веществ в субкритических и сверхкритических условиях является: низкая вязкость, высокий коэффициент диффузии, высокая растворяющая способность; быстрый массоперенос, простота разделения продуктов при сбросе давления. В сверхкритических средах возможно растворение молекул с различными размерами, молекулярной массой и полярностью (Залепугин Д.Ю., Тилькунова Н.А., Чернышова И.В., Поляков В.С. Развитие технологий, основанных на использовании сверхкритических флюидов //Сверхкритические флюиды: теория и практика» 2006. T. 1, № 1. C 27-51).
кр
кр
Критические параметры давления (Р) и температуры (Т) реагентов для получения бутилцеллозольва следующие:
кр
кр
окись этилена: Р = 71 атм, Т = 196°C;
кр
кр
бутанол-1: Р = 48 атм, Т = 287°C.
Для решения технической задачи предлагается проведение процесса получения бутилцеллозольва в субкритических и сверхкритических условиях, что улучшает взаимную растворимость реагентов при конденсации окиси этилена с бутанолом-1, не требует использования катализаторов, способствует увеличению выхода бутилцеллозольва и снижению образования побочных продуктов.
Технический результат - увеличение выхода бутилцеллозольва без использования при его синтезе гомогенных или гетерогенных катализаторов.
Синтез бутилцеллозольва осуществляют следующим образом. В реактор в пределах температур 200-240°С и давлений 40-100 атм помещают расчетные количества окиси этилена и бутанола-1. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом.
Исходные реагенты для получения бутилцеллозольва должны соответствовать следующим требованиям
окись этилена - ГОСТу 7568-88 (СТ СЭВ2334-80) «Этилена окись. Технические условия»;
бутанол-1 - ГОСТу 5208-81 «Спирт бутиловый нормальный технический. Технические условия».
Осуществление предлагаемого способа получения бутилцеллозольва иллюстрируют приведенные ниже примеры.
Пример 1. В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 250 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси -1 : 2). В реакторе выдерживают температуру 240°С, давление 100 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 85 % масс.
Пример 2.
В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 250 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси -1 : 2). В реакторе выдерживают температуру 240°С, давление 90 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 83 % масс.
Пример 3.
В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 336 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси -1 : 4). В реакторе выдерживают температуру 245°С, давление 130 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 63 % масс.
Пример 4. В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 211 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси -1:2,5). В реакторе выдерживают температуру 210°С, давление 90 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 78 % масс.
Пример 5. В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 253 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси -1:3). В реакторе выдерживают температуру 230°С, давление 90 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 79 % масс.
Пример 6. В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 253 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси -1:3). В реакторе выдерживают температуру 220°С, давление 100 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 80 % масс.
Пример 7. В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 336 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси -1:4). В реакторе выдерживают температуру 200°С, давление 40 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 75 % масс.
Пример 8. В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 253 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси - 1:3). В реакторе выдерживают температуру 200°С, давление 43 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 77 % масс.
Пример 9. В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 253 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси -1:3). В реакторе выдерживают температуру 220°С, давление 48 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 78 % масс.
Пример 10. В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 250 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси -1 : 2). В реакторе выдерживают температуру 240°С, давление 55 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 80 % масс.
Пример 11. В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 253 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси -1:3). В реакторе выдерживают температуру 220°С, давление 35 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 61 % масс.
Пример 12. В реактор помещают 50 мл окиси этилена и 250 мл бутанола-1 (мольное соотношение компонентов окиси этилена и бутанола-1 в смеси -1 : 2). В реакторе выдерживают температуру 170°С, давление 55 атм. По окончании опыта реакционную смесь охлаждают, выгружают из реактора. Затем содержание бутилцеллозольва определяют хроматографическим методом. Выход бутилцеллозольва - 55 % масс.
Опытным путем установлено, что оптимальными условиями процесса синтезабутилцеллозольва в результате конденсации окиси этилена и бутанола-1 в субкритических и сверхкритических условиях без использования катализатора являются интервал температур 200-240°С и давлений 40-100 атм. Результаты синтеза бутилцеллозольва в субкритических и сверхкритических условиях приведены в таблице 1.
Таблица 1.
№ опыта
Мольное соотношениеОкись этилена/ Бутанол-1
Температура в реакционной массе, °С
Давление в реакторе, атм
Выход бутилцеллозольва, в %
1
1 : 2
240
100
85
2
1 : 2
240
90
83
3
1 : 4
300
100
63
4
1 : 2,5
210
90
78
5
1 : 3
230
90
79
6
1 : 3
220
100
80
7
1 : 4
200
40
75
8
1 : 3
200
43
77
9
1 : 3
220
48
78
10
1 : 2
240
55
80
11
1 : 3
220
35
61
12
1:2
170
55
45
Условия синтеза бутилцеллозольва: мольное соотношение окиси этилена и бутанола-1 в смеси равно 1 : (2-4), интервал температур 200-240°С, интервал давлений 40-100 атм.
Применение для процесса температуры выше 240° и ниже 200°С, давлений ниже 40 атм и выше 100 атм приводит к снижению выхода бутилцеллозольва.
Из приведенных примеров видно, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить выход бутилцеллозольва без использования катализатора за счет уменьшения количества образующихся побочных продуктов.
Предлагаемый способ позволяет осуществлять технологический процесс таким образом, чтобы используемые в нем компоненты максимально переводить в конечный продукт, не используя дополнительные гомогенные или гетерогенные катализаторы, усложняющие и удорожающие технологический процесс и оказывающие дополнительное негативное влияние на окружающую среду.