Способ получения цинковой соли адипиновой кислоты
METHOD FOR OBTAINING HEXANEDIOIC ACID ZINC SALT

Изобретение относится к области органической химии, а именно к способу получения цинковой соли адипиновой кислоты - адипината цинка, которая может быть использована в качестве катализатора для реакций полимеризации и поликонденсации, реакций хлорирования, как компонент химических композиций, в том числе как наполнитель полимерных материалов, а также в качестве реагента для получения оксида цинка с высокой величиной удельной площади поверхности.
Известен способ получения катализатора цинковой соли адипиновой кислоты путем взаимодействия адипиновой кислоты с оксидом цинка в апротонном растворителе (патент US № 5026676 от 25.06.1991г.). К недостаткам известного способа следует отнести трудоемкость и высокие затраты при получении катализатора цинковой соли адипиновой кислоты вследствие использования безводного оксида цинка квалификации по методу Фишера, а также необходимость проведения предварительного перемешивания при нагревании, что требует применения дополнительного оборудования, необходимость сушки при уменьшенном давлении с нагреванием в течение продолжительного времени, а также неопределенный выход продукта.
Известен способ получения цинковой соли адипиновой кислоты (опубликован Journal of Applied Polymer Science, V. 99 (2006), стр.200-206) , взятый в качестве наиболее близкого аналога - а именно - растворения адипиновой кислоты в толуоле при мольном соотношении адипиновая кислота : толуол 1 : 74, добавления оксида цинка при мольном соотношении адипиновая кислота : оксид цинка 1 : 1,04 и нагревания при перемешивании 8 ч при 80°С с последующим фильтрованием, многократным промыванием ацетоном и сушкой в вакууме при 100°С в течение 5 суток. Выход адипината цинка составил 99,23%.
К недостаткам способа следует отнести высокие затраты вследствие необходимости использования избыточного количества оксида цинка, продолжительное время синтеза при перемешивании и нагревании, что требует применения дополнительного оборудования, необходимость многократного промывания продукта при выделении ацетоном, что увеличивает количество используемых органических растворителей и получаемых отходов, а также необходимость сушки при уменьшенном давлении и нагревании в течение продолжительного времени.
Задача изобретения заключается в повышении технологичности за счет упрощения процесса получения цинковой соли адипиновой кислоты.
Технический результат достигается путем разработки, создания оптимально эффективных условий и реагентов.
Поставленная задача решается тем, что цинковую соль адипиновой кислоты получают путем обработки адипиновой кислотой оксида цинка в присутствии мета-ксилола при мольном соотношении - оксид цинка: адипиновая кислота: мета-ксилол 1 : (1 – 1,2) : (53 – 62) в течение не менее 2  часов при кипячении с последующим фильтрованием при атмосферном давлении и сушкой  при давлении 1-5 мм рт.ст.  при комнатной температуре в течение от 3 до 5 часов. Проведение реакции осуществляют в приборе с обратным холодильником, содержащим водоотстойник для легких жидкостей при атмосферном давлении. Фильтрование осадка проводят с использованием фильтровальной бумаги при атмосферном давлении.
Предлагаемые условия получения цинковой соли адипиновой кислоты исследованы и установлены эмпирическим путем, благодаря проведению большого количества экспериментов, а также определены изложенными ниже представлениями о процессе.
Для получения цинковой соли адипиновой кислоты используют коммерчески доступные адипиновую кислоту, оксид цинка и мета-ксилол.
Установлено, что использование мольного соотношения оксид цинка: адипиновая кислота: мета-ксилол выше 1 : 1,2 : 62 приводит к излишнему и неэффективному расходу реагентов. Установлено также, что применение мольного соотношения оксид цинка: адипиновая кислота: мета-ксилол ниже 1 : 1 : 53  является неэффективным, из-за низкой конверсии реагентов. Установлено, что проведение реакции без мета-ксилола не обеспечивает конверсию оксида цинка в цинковую соль адипиновой кислоты. Также было установлено, что принудительное перемешивание смеси в данном случае не требуется, поскольку смесь кипит равномерно и обеспечивает эффективное взаимодействие адипиновой кислоты и оксида цинка. Проведение процедуры фильтрования осадка осуществляли при атмосферном давлении, и это не приводит к уплотнению цинковой соли адипиновой кислоты, а также не требует нагревания в процессе сушки при уменьшенном давлении. На основании выявленных особенностей и за счет анализа полученных данных определили наиболее эффективные условия прохождения реакции, а также эффективно подобранные соотношения веществ.
Анализ состава и строения цинковой соли адипиновой кислоты осуществляли с использованием элементного анализа (элементный анализатор «PE 2400», Perkin Elmer), инфракрасной Фурье-спектроскопии (спектрометр «Nicolet 6700», Thermo scientific) и термогравиметрии (дериватограф TGA/DSC, Mettler Toledo).
Получение цинковой соли адипиновой кислоты иллюстрируется следующими примерами:
Для сравнения приводим первоначально пример, который выполнили согласно методике, описанной в описании как ближайший аналог
Сравнительный пример
:
Первоначально было взято 2,80 г (19,2 ммоль) адипиновой кислоты, которую растворили в 150 мл толуола, затем внесли 1,63 г (20 ммоль) оксида цинка, и далее осуществляют операцию нагрева при 80°С с обратным холодильником, насадкой Дина-Старка и защитой от влаги воздуха при интенсивном перемешивании в течение 8 часов. Затем реакционную массу охлаждают до комнатной температуры, осадок отфильтровывают, несколько раз промывают ацетоном и проводят операцию сушки при давлении 5 мм рт.ст. при 100°С в течении двое суток.
Выход цинковой соли адипиновой кислоты составил 4,1 г (99,7%), чистота 99,9%.
Найдено, масс. %: С 34.36; Н 3.84; Zn 31.25.
Для формулы C6H8O4Zn вычислено, масс. %: С 34.39; Н 3.84; Zn 31.29. Спектр ИК, см–1: 2951, 2875 (С–Н), 1531 (С=О), 1160 (С–О), 740 (Zn–О). Потеря массы составила в интервале 350 – 450°С 60,5%.
Далее продемонстрируем осуществление способа получения цинковой соли адипиновой кислоты на конкретных примерах, исходя из которых заявляемый способ выявлен как наиболее эффективно оптимальный, а именно:
Пример 1.
Первоначально взяли смесь 8,14 г (0,1 моль) оксида цинка, 14,61 г (0,1 моль) адипиновой кислоты и 562 г (5,3 моль) мета-ксилола, далее осуществляют кипячение с обратным холодильником, содержащим водоотстойник для легких жидкостей в течение 3 часов. Затем смесь охлаждают, осадок отфильтровывают и сушат при давлении 1-5 мм рт.ст. при 20-25°С в течении 5 часов.
Выход цинковой соли адипиновой кислоты составил: 20,9 г (99,8%), чистота - 99,9%.
Таким образом найдено в масс %: С 34.35; Н 3.84; Zn 31.26.
Для формулы C6H8O4Zn вычислено, масс %: С 34.39; Н 3.84; Zn 31.29.
Спектр ИК, см–1: 2951, 2875 (С–Н), 1531 (С=О), 1160 (С–О), 740 (Zn–О).
Потеря массы в интервале (350 – 450)°С  составила   60,5%.
Пример 2.
Взяли смесь 12,21 г (0,15 моль) оксида цинка, 21,55 г (0,168 моль) адипиновой кислоты и 844 г (7,95 моль) мета-ксилола, осуществили кипячение с обратным холодильником, содержащим водоотстойник для легких жидкостей в течение 2 часов. Затем смесь охладили, осадок отфильтровывали и сушили при давлении 1-5 мм рт.ст. при 20-25°С в течении 3 часов.
Выход цинковой соли адипиновой кислоты составил 31,38 г (99,9%), чистота - 99,9%.
Таким образом найдено в масс %:  С 34.38; Н 3.84; Zn 31.28.
Для формулы C6H8O4Zn вычислено, %: С 34.39; Н 3.84; Zn 31.29.
Спектр ИК, см–1: 2951, 2875 (С–Н), 1531 (С=О), 1160 (С–О), 740 (Zn–О).
Потеря массы в интервале (350–450) °С составила 60,5%.
Пример 3.
Взяли смесь 12,21 г (0,12 моль) оксида цинка, 21,04 г (0,144 моль) адипиновой кислоты и 790 г (7,44 моль) мета-ксилола, произвели кипячение с обратным холодильником, содержащим водоотстойник для легких жидкостей в течение 2 часов. Затем смесь была охлаждена, осадок отфильтровывали и сушили при давлении 1-5 мм рт.ст. при 20-25°С в течении 3 час.
Выход цинковой соли адипиновой кислоты составил 25,10 г (99,9%), чистота - 99,9%.
Найдено, в масс %: С 34.37; Н 3.84; Zn 31.27.
Для формулы C6H8O4Zn вычислено в масс %: С 34.39; Н 3.84; Zn 31.29.
Спектр ИК, см–1: 2951, 2875 (С–Н), 1531 (С=О), 1160 (С–О), 740 (Zn–О).
Потеря массы в интервале (350–450)°С составила 60,5%.
Таким образом, заявляемый способ получения цинковой соли адипиновой кислоты является простым в использовании, однако при этом обеспечивает получение целевого продукта за короткий промежуток времени с выходом близким к количественному и чистотой 99,9%.
Существенными преимуществами заявленного способа получения цинковой соли адипиновой кислоты также заключаются в сокращении времени получения, упрощение его реализации за счет того, что не требуется принудительное перемешивание, а также многократное промывание ацетоном при фильтрации и длительная сушка в вакууме при повышенной температуре. Таким образом, с учетом меньшего времени кипячения реагентов сокращается общее время получения продукта на 48-49 часов.