Выбор катализатора амидирования и изучение в его присутствии превращения м-толуиловой кислоты в N, N-диэтил-м-толуамид

1. Литературный обзор

1.1 Общие методы получения амидов органических кислот.

1.2 Методы получения N, N-диэтил-м-толуамида.

2. Экспериментальная часть.

3. Обсуждение результатов. Исследование гетерогенных катализаторов амидирования м-толуиловой кислоты.

3.1 Термодинамика процесса.

3.2 Испытание традиционных и модифицированных катализаторов амидирования алифатических кислот.

3.3 Механизм амидирования как метод предсказания путей интенсификации реакции.

3.4 Выбор и изучение эффективного катализатора амидирования м-толуиловой кислоты.

4. Производственная безопасность.

4.1 Токсилогические характеристики используемого сырья и конечных продуктов на человека.

4.2 Санитарно-гигиенические условия в лаборатории.

4.3 Экологическая безопасность.

4.4 Безопасность в случае чрезвычайной ситуации.

4.5 Защита объектов народного хозяйства в условиях чрезвычайных ситуации мирного и военного времени.

5. Экономическая часть.

5.1 Расчёт стоимости материалов.

5.2 Расчёт заработной платы.

5.3 Сводная смета затрат.

6. Выводы Литература.

Введение

Проблема получения репеллентов представляет большой интерес, т.к. они отличаются от других пестицидов высокой специфичностью действия, вызывая отрицательный хемотаксис одноклеточных организмов и воздействуя на дистантные или на контактные хеморецепторы животных, преимущественно — насекомых. Потребность в отпугивании москитокровососущих насекомых возрастает в России с каждым годом, а активный антифидинг должен начинаться с ранней весны и продолжаться до наступления холодов, а в странах с тропическим климатом — круглый год.

Используемый арсенал репеллентов (ДЭТА, диметил фталат, бензимин, индалон, дибутилсукцинат, Nбутилацетанилид, бензилбензоат и др.), как правило, представлен азотсодержащими соединениями, из которых высокой эффективностью и изученностью токсилогических свойств выделяется N, N-диэтил-м-толуамид (м-ДЭТА).

Первые сведения об активности этого препарата появились в 1955 году [1], поэтому отечественными учеными он был синтезирован уже в 1956 году. Препарат отличался малой токсичностью для теплокровных (ЛД₅₀ для мышей 2500 мг на 1 кг живого веса), но отпугивал клещей, комаров и москитов, причем эффективность его действия против комаров при работе, не связанной с физической нагрузкой, достигала 10ч. Продолжительность защитного действия ДЭТА в 3 раза превосходила таковую диметилфталата и в 1,6 раза — препарат ДИД (смесь, состоящая из 75% диметилфталата, 20% индалона и 5% диметилкарбата).

Впервые ДЭТА был синтезирован в 1929 году [3], и метод базировался на получении хлорангидрида м-толуиловой кислоты, что достигалось при действии на кислоту галоидирующих агентов (PCl₅, PCl₃ или SOCl₂), а реакция сопровождалась выделением агрессивных газов (HCl, SO₂). Все последующие синтезы [4−6] также включали стадию получения хлорангидридов и только, по-видимому, в 1960 г. начались первые попытки использовать метиловые эфиры толуиловой кислоты или проводит синтезы с применением традиционных для процессов амидирования алифатических кислот катализаторов (Al₂O₃, SiO₂). Однако стабильность таких катализаторов, несмотря на возможность восстановления их активности после регенерации, не превышала 10−12 ч, хотя селективность могла достигать 80−90%.

Однако, в силу указанной причины, а также трудно на сегодня устанавливаемых факторов, организация производств ДЭТА как в России, так и за рубежом была осуществлена по следующей схеме: м-ксилол — м-толуиловая кислота — хлорангидрид м-толуиловой кислоты — ДЭТА. Однако данный метод является морально устаревшим. Однако до настоящего времени не предложен удовлетворительный катализатор для промышленного синтеза ДЭТА, независимо от природы исходного сырья (м-толуилоая кислота, её сложные эфиры, нитрилы и т. д.).

Несмотря на то, что ДЭТА является ингибитором некоторых полимеризационных процессов [8], катализатором в производстве силиконового каучука [9], растворителей гербицидов [10], основное его назначение, как отмечалось выше, — это бытовая химия и эпидемиология. Сказанное диктует жесткие требования к чистоте и цветности продукта, что вынуждает проводить определенные исследования, как по материалу оборудования, так и по поиску эффективных путей отделения м-ДЭТА от параизомеров и м-толуиловой кислоты.

Решение указанной задачи в связи со всеобщим потеплением климата и активизацией, таким образом, насекомых — переносчиком трансмиссивных болезней — является своевременными и актуальными.

Цель работы: выбор катализатора амидирования и изучение в его присутствии превращения м-толуиловой кислоты в N, N-диэтил-м-толуамид.

1. Литературный обзор Амиды кислот — класс органических соединений, представляющих совершенно определенный интерес как с практической, так и с теоретической точек зрения. Практическая ценность в первую очередь определяется их биологической активностью (гормоны, нейропептиды, антибиотики, токсины, ингибиторы ферментов; вещества, вызывающие хемотаксис микроорганизмов и т. п.) и, во-вторых, наличием пептидной группировкиСО-NH-, присутствующей как в шерсти, так и в некоторых искусственных волокнах в определяющей их теплофизические свойства. Интерес к амидам для фундаментальных химических исследований связан с наличием сопряжения между неподеленной парой электронов атома азота и р-электронами карбонильной группы.

1.1 Общие методы получения амидов органических кислот Одним из наиболее доступных и в то же время промышленно значимым является метод получения амидов через аммонийные соли карбоновых кислот. Последние подвергают сухой перегонке (пиролизу), при этом выход целевого продукта достигает 87−90%.

Прямое взаимодействие кислот с аминами в силу обратимости реакции проводят в присутствии избытка одного из реагентов, причем реакция легко протекает только с алифатическими кислотами с неразветвленной цепью, но с трудом — с ароматическими и пространственно затрудненными кислотами или с менее основными аминами.

В реакции принимают участие также вторичные амины, процесс катализируется кислотами. Механизм кислотного катализа относят к типу A_AC2 и он близок к перегруппировке Бекмана.

Возможность получения замещенных амидов по Бекману в присутствии серной или полифосфорной кислот, PCl₅ или других катализаторов характерна для Е-диастереомеров. На примере кетоксимов доказано, что имеет место анти-перегруппировка: группа ОН меняется местами с остатком, находящемся в транс-положении по отношению к ней.

В том случае, когда субстратом выступают сложные эфиры, лактоны или фталиды, в качестве амидирующих агентов можно использовать аммиак или пространственно незатрудненные амины. Реакция сложных эфиров с аммиаком катализируется водой, гликолями и другими подобными соединениями [18]; аналогичная реакция с аминами промотируется солями, например, NH₄Cl.

В зависимости от типа катализатора, используемого при реакции, аминолиз протекает по механизмам A_AC2 или B_AC2.

Естественно, лактоны и фталиды аналогичным образом превращаются в имиды без раскрытия кольца.

В свою очередь действие на ангидриды карбоновых кислот амидирующих агентов (в том числе мочевины и уретанов) протекает обычно без катализаторов В случае менее реакционноспособных реагентов (например, дифенил-амина или 2,4-динитроанилина) ацетилирование уксусным ангидридом проводят в присутствии кислотного катализатора.

Однако синтезы на основе ангидридов более широко применяются для получения имидов, чем амидов, при этом циклические ангидриды могут давать только имиды, кислые имиды или диимиды в зависимости от реагента и условий эксперимента.

Упомянутая несколько выше мочевина может реагировать напрямую с карбоновыми кислотами (синтез по Шербулье [16]).

Следующий метод — один из наиболее широко применяемых способов получения амидов, по которому выходы последних обычно составляют 80−90%. Отрицательным свойством данной реакции является потеря одного эквивалента амина на связывание высвобождающегося хлористого водорода Реакция сильно экзотермична [22], поэтому зачастую ее проводят в растворителях, например, в дихлорэтане [23], четыреххлористом углероде [24], хлороформе [25], толуоле и т. п. Количественному протеканию конденсации способствует присутствие водного раствора гидроксида натрия. Механизм ацилирования, как правило, соответствует типу S_N2 [28], а реакционная способность агентов симбатна ряду кислотностей соответствующих кислот и убывает в последовательности RCOHal >(RCO)₂O? RCOOR > RCONR₂ > RCOR. Кроме того, скорость реакция увеличивается с ростом нуклеофильности амина и может осуществляться основной и даже кислотный автокатализ.

Целесообразно упомянуть и другие, представляющие синтетический интерес, ацилирующие агенты: кетены, диктены, кетонитрилы, карбамоилхлориды. В последнем случае в реакцию могут вступать арены, но в присутствии кислот Льюиса (реакция Гаттермана-Хопфа [16]).

Представляет интерес путь через нитрилы — вполне доступный класс соединений [16]:

Реакцию проводят с осторожностью, т.к. первичный амид часто подвергается дальнейшему гидролизу до соответствующей карбоновой кислоты и аммиака. Кислоты и щелочи сильно ускоряют реакцию. При кислотном катализе процесс протекает за счет атаки воды на протонированную форму нитрила, в то время как при основном катализе ион гидроксила взаимодействует со свободным нитрилом. В последнем случае в качестве реагента применяют водный раствор NaOH, содержащий 6−12% перекиси водорода, т.к. гидропероксид-анион в несколько тысяч раз активнее гидроксид-иона. Ароматические нитрилы дают почти количественные выходы, хотя для о-замещенных нитрилов необходимо применять пергидроль.

Гидролиз до амидов в безводных условиях при комнатной температуре можно проводить в присутствии метилсульфинил метида натрия с выходом 75−95%. Альтернативный вариант — это реакция Риттера [31], когда нитрил реагирует с алкенами или спиртами [32]:

Механизмы реакций превращения нитрилов в амиды достаточно подробно изучены [33], но в данном случае нет необходимости подвергать их анализу.

Таким образом, краткий обзор общих методов получения амидов позволяет сделать некоторые выводы. Все основные методы получения амидов, как правило, могут быть применимы как для алифатических, так и для ароматических членов гомологических рядов. Во всех случаях кроме тех, где реакции принципиально могут протекать чисто термически, процессы катализируют кислотные или основные катализаторы; применяемые гетерогенные контакты также содержат кислотные центры, но преимущественно Льюисовского типа.

1.2 Методы получения N, N-диэтил-м-толуамида Как указано во введении, до настоящего времени ДЭТА производят по классическому методу, который основан на окислении м-ксилола в м-то-луиловую кислоту, превращении последней в хлорангидрид и последующем ацилировании им N, N-диэтиламина.

Из методов модифицирования указанного варианта следует упомянуть работы по совместному получению бензилхлоридов и амидов ароматических кислот [34], когда обрабатывают полностью замещенные бензиламины общей формулы RR’NCH₂Ar (R, R'- алкил) хлорангидридом ароматической кислоты ArCOCl, получая при этом ArCONRR' и ArCH₂Cl с выходом 83,5 и 80% соответственно. Преимуществом данного способа является минимальное образование сточных вод и экологически опасных выбросов и получение двух целевых продуктов одновременно. Однако не устранены отрицательные факторы: многостадийность, периодичность и использование хлорпроизводных (фосгена или хлористого тионила).

К новым методам получения ДЭТА относятся следующие: амидирование эфиров м-толуиловой кислоты; совместное с гидролизом амидирование нитрила м-толуиловой кислоты; прямое амидирование м-толуиловой кислоты диэтиламином в жидкой или газообразной фазе.

Амидирование эфиров м-толуиловой кислоты подразумевает предварительную стадию получения эфиров этерификацией кислоты спиртами в присутствии серной, фосфорной или соляной кислот с одновременной отгонкой азеотропа спирт-вода. После нейтрализация кислоты и отмывки полученный катализат подвергают вакуумной ректификации. Таким образом, по сравнению с классическим методом получения ДЭТА, включающим стадию синтеза хлорангидрида м-толуиловой кислоты, синтез алкилового эфира имеет неоспоримое преимущество, но вопросы экологии и очистки сточных вод остаются. Само амидирование диэтиламином проводят в присутствии водоотнимающих катализаторов [35], а в качестве сырья используют метиловый эфир м-толуиловой кислоты в соотношении с диэтиламином 1:3−7 мольн., которые нагревают в автоклаве при температуре 270−280°С в течение 2−8 ч. Избыточное количество амина отгоняют, соль ароматической кислоты с диэтиламином разрушают 30%-ной серной кислотой и после стадии отмывки и нейтрализации извлекают целевой продукт экстракцией толуолом (выход 55%). В тех случаях, когда используют нитрил м-толуиловой кислоты. ДЭТА получают с выходом более 90%. Процесс реализуют в автоклаве при температуре 230 °C и мольном соотношении реагентов нитрил: алкиламин: вода равном 1:1−1,5:1−2, времени реакции 2−12 ч. В качестве катализаторов используют перекиси, неорганические и органические кислоты и их соли, например, ацетат свинца. В катализатах обнаружены также N-этилтолуамид и м-толуамид при конверсии нитрила 90%, однако процесс многостадиен и не обеспечен сырьевой базой. Наибольшее внимание исследователей посвящено разработке метода синтеза ДЭТА прямым амидированием м-толуиловой кислоты диэтиламином. Действительно, метод прямого амидирования привлекателен уже тем, что это одностадийный процесс, который может быть осуществлен как в периодическом, так и в непрерывном вариантах. Реакция протекает при повышенных температурах в присутствия гомогенного или гетерогенного катализаторов.

В качестве побочных процессов следует отметить переаминирование и гидролиз:

Все процессы прямого амидирования можно разделить на жидкофазные, проводимые в аппаратах периодического действия в присутствии катализаторов на основе титансодержащих соединений [37], фосфорных, полифосфорных, надфосфорных кислот и их солей, фосфорного ангидрида или галогенидов фосфора и комплексных соединений типа [PO N®R']₃ (R и R' C₁-C₄ ал-килы) [39]; и газофазные, проводимые в проточных реакторах над гетеро-генными катализаторами типа оксидов алюминия или силикагеля [35], фосфата бора и т. д.

Получение ДЭТА согласно патенту осуществляют при температурах 150−300⁰C в отгонно-реакционном режиме. В качестве катализатора используют ТiCl₄, Ti (OR)₄, в частности Ti (OBu)₄, а также катализаторы фирмы Tizor марок ТЕ, АА, OG, LA, представляющие собой внутрикомплексные соединения, например, с триэтаноламином (марка ТЕ) или аммонийную соль лактата титана (марка LA):

Катализатор вводят в бензольный раствор диэтиламмонийной соли м-толуиловой кислоты в количестве 0,001−0,2 г на 1 г кислоты при мольном соотношении реагентов 1−2:0,5−1 соответственно. Реакция протекает в отгонно-реакционном режиме при 220−240°С в течение 16−24 ч. Реакционную массу обрабатывают горячим щелочным раствором и для улучшения расслоения органического слоя вводят некоторое количество хлорида натрия. Бензольный раствор ДЭТА подвергают ректификации (выход 75%), конверсия кислоты 90−93%; продукт характеризуется чистотой в 95%.

По данным работы [41], лучшие результаты по синтезу ДЭТА достигаются не при использовании хелатных комплексов, а при введении в растворы тетрахлорида или тетрабутоксититана, при этом требуется применение повышенного давления и температуры 150−300°С.

Недостатками этих методов являются низкая конверсия м-толуиловой кислоты, что требует ее нейтрализации, применение растворителей, сложность отделения гомогенных катализаторов. Кроме того, титанаты достаточно коррозионно агрессивны и токсичны.

Применение в качестве катализаторов фосфорных кислот и хлорпроизводных фосфора позволяет достичь 98%-ного выхода ДЭТА при температуре синтеза 250 °C и давлении 1 МПа, процесс протекает в автоклаве в течении 6 ч. Катализаторы вводят в количестве 0,01 моля на 1 моль м-толуиловой кислоты, мольное отношение последней к диэтиламину 1:1,5. Применение алкиламидов фосфорной кислоты в отношении к толуиловой кислоте 1−2:3 при 180−200°С к времени реакции 2 ч позволяет достичь выхода ДЭТА в 84%. В данном процессе реакция автокаталазируется фосфорной кислотой, которая образуется в результате разложения катализатора по схеме:

После отгонки органических продуктов H₃PO₄ может быть выделена и возвращена на стадию получения алкиламидов фосфорной кислоты. Непрореагированная м-толуиловая кислота также легко выделяется кристаллизацией и может повторно использоваться. Недостатком процесса в целом является его двухстадийностъ: синтез катализатора, сопровождающийся образованием кислых сточных вод, и синтез ДЭТА. Использование PCl₃ для синтеза алкиламидов не решает указанных проблем: отходами процесса являются солянокислый диэтиламин, кислые сточные воды и моноэтиламид фосфорной кислоты. Реакция протекает при 115−120°С в течение 3−4 ч, в среде толуола. Целевой продукт выделяют из предварительно нейтрализованной реакционной массы перегонкой (выход 89%).

Представляет интерес метод поучения ДЭТА обработкой м-толуиловой кислоты диэтиламином в присутствии солей вольфрамовой кислоты, например, гидровольфрамата аммония В процессе не требуется проводить одновременную отгонку воды, т.к. разлагающаяся при температуре синтеза соль вольфрама уводит воду, превращаясь в нерастворимую H₂WO₄. При температуре 200−220⁰C за 8 ч конверсия м-толуиловой кислоты достигает 75% при селективности образования ДЭТА 96%.

Осуществление синтеза в газовой фазе над гетерогенными катализаторами позволяет перейти от периодических аппаратов смешения к непрерывно работающим установкам. В вертикальный реактор, заполненный гетерогенным катализатором, подают раствор диэтиламмонийной соли м-толуиловой кислоты. Катализат, собираемый снизу, подвергают, если необходимо, нейтрализации, далее перегоняют или ректификуют для выделения целевого продукта. В качестве катализаторов используют традиционные системы типа оксидов алюминия или силикагель В этом случае процесс проводят температуре 250−350°С, мольном соотношении м-толуиловая кислота: диэтиламин 1:2−6, времени контакта 0,4−0,8 мин; выход ДЭТА 92−97%. Побочными продуктами являются: этиламин, моноэтилтолуамид, нитрил толуиловой кислоты и другие. Катализаторы этого типа работают эффективно в течение 10−12 ч, после чего необходим отжиг при 400−450⁰С в токе воздуха. Иногда предусматривают узел испарения м-толуиловой кислоты при 285 °C для предварительной очистки кислоты от смол и изомеров, получающихся при ее синтезе. Для извлечения целевого продукта из катализата используют экстракцию и ректификацию.

Для нивелирования направлений реакции, приводящих к образованию побочных продуктов, предлагают применять катализатор под общим названием «фосфат бора» при температуре синтеза 280−290°С, времени контакта 0,5−1 мин (выход ДЭТА 83−84% при конверсии кислоты 80−82%). Способ предусматривает извлечение м-толуиловой кислоты из катализата и возврат ее в цикл.

Из нетрадиционных методов получения ДЭТА достойно упоминания электрохимическое окисление производных бензола общей формулы R¹C₆H₄R² [R¹ и R²— Me или CH (OR)₂] в присутствии спирта и триалкиламина, а в качестве электролита применяют 1−70%-ные растворы исходного производного бензола в спирте. Выделенный ректификацией эфир электрохимически амидируют. Особенностями таких процессов являются новейшее технологическое оформление химических процессов, повышенная чистота исходных продуктов, возможность создания непрерывного процесса по всей технологической нитке. Однако применение электрохимических методов требует больших энергозатрат и производственных площадей.

Методам аналитического контроля ДЭТА также посвящено несколько работ [45]; значительно больший акцент сделан на токсикологических испытаниях, из которых следует упомянуть исследования ориентированные на изучение его действия на организм человека.

2. Экспериментальная часть Спектры ЯМР регистрировали на приборе марки BS 567 А. Рабочая частота для ¹Н 100 МГц, 10%-ный раствор м-ДЭТА в CDCL₃, внутренний стандарт ГМДС, д: 1.13 (ушир. Сигнал. 6Н — 2CH₃), 2.32 (о, ЗН-CH₃-Ar), 3.23, 3.50 (у.с., 4Н — CH₂N), 7.16 (м, 4Н — аром. Н). Рабочая частота для 13C 25.142 МГц, 50%-ный раствор м-ДЭТА в CD₃CN, расчет относительно известных сигналов растворителя. Спектры снимали в условиях полного подавления спин-спинового взаимодействия [¹³С — ¹Н] и в условиях «off-резонанса», д: 13.6 (у.к. СН₃-СН₂), 20.8 (к. CH₃-Ar), 40.0, 43.3 (т, CH₂N), 123.4, 127.0, 128.5, 129.8 (д.аром. С-Н), 138.4, 139.0 (с, аром.третичн. С), 171.0 (с, С=С-N).

Продукты реакции анализировали методом ГЖХ на приборе ЛХМ-8МД-5 с пламенно-ионизационным детектором, колонка 3 м х 3 мм, заполнена 15% Апиозона L на хроматоне N-AW-DMCS. Температура хроматографирования от 80 до 240 °C с программой 8 К/мин, скорость газа-носителя (азот) 20 см³/мин. Стандартная хроматограмма приведена на рис. 2.1. Воду, содержащуюся в катализате, анализировали на приборе ЛХМ-80 с катарометром, колонка 2 м х 3 мм, заполнена 20% ПЭГ 20 М на хроматоне, импрегнированном 2,5% КОН. Температура хроматографирования 150 °C, скорость газа-носителя (гелий) 40−45 см³/мин, внутренний стандарт — диметилацетамид. Реакцию амидирования изучали в лабораторном проточном интегральном реакторе стандартной конструкции. Раствор м-толуиловой кислоты в диэтиламине (мольное соотношение 1:1−1:7) насосом-дозатором подавали в верхнюю часть реактора, послойно заполненного кварцевой насадкой и катализатором. Обогрев осуществляли электропечью, контроль температуры проводили в трех точках по высоте слоя катализатора хромелъ-копелевыми термопарами. Охлажденные продукты реакции собирались в ловушке, откуда отбирались на анализ. При обработке оксида алюминия минеральными кислотами выявлено, что катализаторы должны эксплуатироваться сразу после стадии сушки. Предварительная прокалка приводит к потере активности либо до уровня немодифицированного Al₂O₃, либо снижается в еще более значительной степени. Эксплуатация выбранного гидроксилапатита кальция не требует после стадии приготовления дополнительных активационных обработок. Физико-химические характеристики КФ-70: насыпной вес 0,60 г/см³, прочность 1,0 кг/мм, удельная поверхность 80 м²/г, объем пор 0,65 см³/г, кислотность 5 мг-экв./г; структура — широкопористая (сдвиг кривой распределения пор по эквивалентным радиусам до 150 A). Активность кальцийфосфатных катализаторов в реакциях кислотного катализа пропорциональна количеству групп HPO₄^2-, содержание которых в исследованном нами образце контакта достигало 30%, что близко к теоретически возможному (33,3%). При необходимости проверки кислотности катализаторов на основе оксидов алюминия порошок контакта суспендировали в ацетонитриле и титровали н-бутиламином, за ходом процесса следили потенциометически. Применение Н₀-индикаторов не дает лучших результатов.

Рис. 2.1. Хроматограмма основных продуктов катализата синтеза м-ДЭТА на катализаторе КФ-70.

1 — диэтиламин, 2,3,8,9,10 — неидентифицированные продукты, 4 — диэтилбензамид, 5- о-ДЭТА, 6 — м-ДЭТА, 11 — тетраэтилизофталамид.

Рис. 2.2. Хроматограмма водных погонов синтеза м-ДЭТА.

1 — диэтиламин, 2 — вода, 3 — диэтилацетат (внутренний стандарт) Рис. 2.3. Схема лабораторной установки амидирования в присутствии гетерогенных катализаторов. 1 — бюретка с насос-дозатором, 2 — реактор, 3 — электропечь, 4 — холодильник, 5 — приёмник.

3. Обсуждение результатов. Исследование гетерогенных катализаторов амидирования м-толуиловой кислоты.

3.1 Термодинамика процесса Поскольку реакция амидирования м-толуиловой кислоты (МТК) является обратимой, на первом этапе исследований были изучены термодинамические характеристики процесса. С целью определения состава равновесной смеси и условий, при которых могут быть сняты термодинамические ограничения, на первых порах был проведен расчет констант равновесия при различных температурах в диапазоне 260−320°С для реакции (табл. 3.1).

толуамид катализатор кислота токсикологический Расчет констант равновесия проводился по экспериментальным данным после достижения в статических условиях устойчивых равновесных концентраций компонент. В качестве катализатора реакции в данном случае использовали 0,5 мас.% хлорной кислоты. Достижение равновесия при любых температурах определялось только с одной стороны (опыты по гидролизу диэтилтолуамида не проводились).

где х — степень превращения МТК или ее мольная доля [52]; n и m — мольные доли исходных компонентов (для простоты принято, что n = m = 1).

Обработка полученных значений К_р по методу наименьших квадратов позволила аппроксимировать их следующим эмпирическим уравнением:

К_р = exp (8,81 — 3019,25/Т),.

которое, в частности, может быть использовано при синтезе химико-технологических систем на стадии проектирования.

Расчет термодинамически возможной степени превращения при различных температурах и мольных отношениях реагентов осуществлялся по формуле [51].

Таблица 3.1 Расчетные значения констант равновесия и термодинамически возможные степени превращения м-толуиловой кислоты при различных условиях синтеза м-ДЭТА.

Анализ данных, представленных в табл. 3.1, позволяет сделать вывод, что при соотношении МТК: диэтиламин 1:1 мольн. и при 260⁰С термодинамически возможная степень превращения составляет 0,55, а при 320 ⁰С — 0,86. При температуре 280 ⁰С и мольном соотношении реагентов 1:2 термодинамические ограничения практически снимаются.

Отметим, что небольшие значения констант равновесия свидетельствуют о том, что, несмотря на снятие термодинамических ограничений, реакция по-прежнему остается равновесной. Поэтому дальнейшее увеличение концентрации диэтиламина и повышение температуры максимально благоприятствуют процессу.

Следующей важной характеристикой процесса является тепловой эффект реакции, который из-за отсутствия в литературе термодинамических характеристик исходных и конечных компонент (кроме диэтиламина и воды) был оценен по теплотам сгорания органических соединений в газообразном состоянии, и его величина составила ДН^о₂₉₈= -20±5 кДж/моль. В свою очередь теплоты сгорания веществ, принимающих участие в реакции, рассчитаны по формуле [54]:

ДН_сгор= - (204,2n + 44,4m + Ух),.

где n — число атомов кислорода, необходимое для полного сгорания вещества; m — число молей образующейся воды; х — поправка (термическая характеристика), постоянная в пределах гомологического ряда.

Термическая характеристика (х) — это фактически инкремент численных значений группы атомов или типа связи. Так, например, для МТК х = 100,4 кДж/моль. Таким образом, выполненный термодинамический расчет показал возможность количественного превращения м-толуиловой кислоты в м-ДЭТА и позволил определить область режимов проведения реакции, соответствующих достижению поставленной цели.

3.2 Испытание традиционных и модифицированных катализаторов амидирования алифатических кислот Выявив термодинамически наиболее благоприятные условия проведениия исследуемой реакции, мы испытали некоторые традиционные (г-Al₂O₃, SiO₂) и модифицированные (Zn/SiO₂, Sn/SiO₂ — силикагель типа МСК [56]) катализаторы амидирования, используемые в промышленных процессах получения алифатических амидов.

Общая тенденция роста конверсии и уменьшения селективности процесса при увеличении температуры реакции сохраняется для всех катализаторов (рис. 3.1, 3.2). Однако при использования немодифицированного SiO₂ типа МСК скорость реакции с повышением температуры увеличивается в большей степени, чем для Al₂O₃, поэтому силикагель был выбран в качестве носителя при приготовлении систем Sn/SiO₂ и Zn/SiO₂. Тем не менее модифицированные системы не показали каких-либо аномальных свойств.

Полученные данные (табл. 3.2) свидетельствуют о том, что применение, например, г — Al₂O₃ позволяет достичь 42−59%-ной конверсии МТК при 260−320⁰С (31−34%-ный выход ДЭТА — идентифицирован методом ЯМР, см. гл. 1). Однако лучшие результаты получены на катализаторе Sn/SiO₂ (1 мас.%): в этом случае конверсия МТК в том же температурном диапазоне достигает 78−90% (выход ДЭТА 71%).

Таким образом, даже когда удается достичь высокой конверсии субстрата (90%), выход ДЭТА достаточно низкий (71%) из-за невысокой селективности процесса. Другим, безусловно более существенным отрицательным свойством указанных катализаторов является их низкая стабильность работы — 10−12 ч.

Также обращает на себя внимание факт, что активность испытанных катализаторов не связана с их удельной поверхностью, которая находятся в пределах 230−560 м²/г. Это может свидетельствовать о том, что амидирование протекает поверхностно. По-видимому, это связано с большим объемом реагирующих молекул, который либо соизмерим с объемом пор катализаторов, либо превышает его. Кроме того, следует иметь в виду, что при высоких температурах увеличивается не только колебательный размер молекул (их пульсация — критический объем), но и снижается вероятность вхождения реактантов в поры контакта.

Рис. 3.1 Зависимость конверсии МТК от температуры реакции амидирования на различных катализаторах.

1 — 1% Sn/SiO₂, 2 — SiO₂, 3 — 5% Sn/SiO₂, 4 — 5% Zn/SiO₂, 5 — 1% Zn/SiO₂, 6 — Al₂O₃.

Рис. 3.2 Зависимость селективности образования м-ДЭТА от температуры на различных катализаторах.

1 — 1% Sn/SiO₂, 2 — SiO₂, 3 — 5% Sn/SiO₂, 4 — 5% Zn/SiO₂, 5 — 1% Zn/SiO₂, 6 — Al₂O₃.

Таблица 3.2 Амидирование м-толуиловой кислоты диэтиламином (1:5 мольн.) на различных гетерогенных катализаторах при объемной нагрузке по сырью 0,2 ч^-1.

В свете изложенного в данном разделе материала дальнейшие исследования были ориентированы на поиск приемов, способствующих более быстрому протеканию основной реакции (попытка увеличить селективность процесса) с одновременным рассмотрением при необходимости вопроса о стабилизации работы контакта.

Решение такой задачи, по нашему мнению, могло быть осуществлено в ходе или после изучения механистических аспектов данной проблемы.

3.3 Механизм амидирования как метод предсказания путей интенсификации реакции Данные, представленные в разделе 3.2, свидетельствуют о том, что гетерогенные катализаторы, традиционно используемые даже в промышленных масштабах при амидировании алифатических кислот, оказались нестабильными и быстро теряли селективность при получении ароматических амидов. Причина неудовлетворительной работы оксидов алюминия и кремния в основном обусловлена быстрым закоксовыванием поверхности, что, по нашему мнению, связано с наличием на Al₂O₃ преимущественно льюисовских (слабых) кислотных центров. Повышение силы последних на фторированном оксиде алюминия больше сказывается на увеличении скорости реакции, чем на повышении стабильности катализатора, которая могла быть увеличена не более чем на 2−3 ч. Усиление каталитических свойств оксида кремния, как и незначительное, но тем не менее имевшее место пролонгирование его эффективной работы, по-видимому, обусловлено присутствием наряду с льюисовскими также и бренстедовских кислотных центров. Хорошо известно, что амидирование ускоряется в присутствии кислотных или щелочных агентов, т. е. имеет место кислотный или основной катализ. В последнем случае можно рассчитывать, что взаимодействие МТК с диэтиламином, по крайней мере в незначительной степени, должно наблюдаться in vitro. Тем не менее смесь двух реагентов не претерпевала видимых изменений даже при повышенных температурах в течение нескольких дней, т. е. не наблюдался общий основной катализ. Последнее, в частности, подтверждается тем, что порядок реакции по диэтиламину, когда его избыток не превышает 1,5 мольн. по отношению к МТК, составляет единицу. В тех случаях, когда реакция может катализироваться самим реагентом, порядок реакции по нему, как правило, равен 2, и в состав переходного состояния должна входить вторая молекула амина. Изложенное побудило нас ввести в реакцию «независимый» основной катализатор, а именно — Al₂O₃, обработанный гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов (Li, Na, K и Ba). Такой контакт безусловно катализировал реакцию, но продолжительность его активной работы определялась временем увода щелочи толуиловой кислотой (во всяком случае в катализатах присутствовали толуилаты соответствующих металлов). Любопытен факт отсутствия сравнительной активности у различных щелочных агентов, т. е. сила щелочи, нанесенной на Al₂O₃, не имела принципиального значения. Однако при использовании гидроксида бария первоначальная активность контакта (первые 2−3 часа работы) была ниже, чем наблюдалось нами для других случаев. Этот эффект, скорее всего, можно приписать тормозящему действию катиона Ba²⁺. Другим отрицательным свойством основных катализаторов являлось их более быстрое, чем в случае необработанного Al₂O₃, закоксовывание. Теперь рассмотрим вариант кислотно-катализируемого амидирования МТК. В данном случае оксид алюминия пропитывали растворами и ортофосфорной, соляной, иодноватой, борной или хлорной кислот. Обнаружено, что в общем случае, чем больше сила кислоты, тем активнее катализатор, однако для очень сильных кислот (HCl, HJO₃, HClO₄) эта разница практически отсутствует. Однако скорость реакции зависела от концентрации нанесенной на Al₂O₃ сильной кислоты, причем характер зависимости экстремальный (ранее подобное явление было отмечено для гидролиза амидов в водно-кислотных растворах). Такая картина является обычной для механизма A_AC2 в концентрированных водных растворах кислот. Этот факт, с учетом выявленной нами, зависимости скорости реакции от концентраций обеих реагирующих молекул и протона, позволяет с большей уверенностью говорить о том, что и в случае гетерогенно-катализируемой реакции общий вид механизма не может отличаться от типа, А 2. Вопрос о том, ацильный или алкильный маршрут включает данный механизм, не имеет принципиального значения для решаемой нами задачи, и в общем виде он может быть представлен следующим образом (рассмотрение стадий протонирования амина или солеобразования вносит дополнительные сложности в описание механизма реакции и их обычно опускают. В общем-то, предполагают, что активные частицы кинетически неразличимы):

К лимитирующей, по-видимому, следует отнести стадию присоеинения диэтиламина, что не противоречит мнению других исследователей, изучавших аналогичные системы. В силу того, что процесс протекает на гетерогенном катализаторе при достаточно высокой температуре, не исключено, что протонированная молекула м-толуиловой кислоты отщепляет воду с генерацией карбаниона, на который в свою очередь может осуществляться электрофильная атака протонированного амина:

Хотя такой маршрут реакции, возможно, более заманчив, для его реализации требуется участие в переходном состоянии еще одной молекулы диэтиламина, что, как было показано в начале данного раздела, маловероятно. Однако главный с практической точки зрения вывод остается прежним: процесс необходимо катализировать кислотами Бренстеда-Лоури. Во-первых, активность катализатора связана с силой и концентрацией кислоты, во-вторых, увеличение концентрации кислоты может тормозить коксообразовательные процессы и, наконец, в-третьих, имеется возможность найти оптимум между силой кислоты и полезными функциями катализатора.

Рис. 3.3. Тенденция изменения скорости реакции амидирования МКТ от концентрации минеральных кислот. 1? HClO₄, 2? HCl, 3? HIO₃.

Тогда требования к контакту можно сформулировать предельно просто — это должен быть достаточно стабильный катализатор, несущий протонсодержащую функцию. Такие катализаторы, по-видимому, следовало искать среди солеподобных контактов с двухили трехосновными кислотами.

В заключение рассмотрения теоретических вопросов следует отметить, что поскольку м-толуиловая кислота по условиям ее синтеза содержит ортои пара-изомеры, а также бензойную кислоту, для выявления реакционной способности всей гаммы продуктов были проведены оценочные опыты на фторированном г-Al₂O₃. Полученные результаты сведены в таблицу 3.3.

Таблица 3.3 Относительные скорости амидирования производных бензойной кислоты диэтиламином (мольное отношение реагентов 1:5, t° = 300°С).

Таким образом, метильная группа в орто-положении стерически препятствует подходу диэтиламина к карбоксильной группе. В свою очередь группа СН₃ в метаи пара-положении в силу эффекта гиперконъюгации тоже тормозит процесс амидирования из-за нагнетания избыточной электронной плотности на атом углерода карбоксильной группы, понижая ее реакционную способность по отношению к диэтиламину. Этот факт вполне согласуется с предложенным выше механизмом и его аутентичностью для водно-кислотных растворов в части участия в процессе карбокатиона. Однако близость относительных скоростей реакций для ми п-изомеров не исключает возможности генерации карбанионов, о чем говорилось выше.

3.4 Выбор и изучение эффективного катализатора амидирования м-толуиловой кислоты На основании полученных и представленных выше данных по исследованию катализаторов амидирования МТК, изучению механизм реакции и обнаруженной существенной роли в катализе, в первую очередь, поверхностно закрепленных протонов был проведен поиск контактов, которые в первом приближении могли способствовать решению поставленной задачи.

Поиск такого катализатора осуществлялся целенаправленным путем пропитки нейтрального оксида алюминия неорганическими двухи трехосновными кислотами с различными значениями pK_a = - lgK₂ (для H₃BO₃ — K₁, т.к. дальнейшая ионизация затруднена). Количество импрегнируемых кислот расчетно соответствовало одинаковой концентрации атомов водорода (ок. 0,1% на носитель).

Полученные таким образом катализаторы после стандартной обработки испытывали в реакции амидирования МТК при 320 °C в течение 1 ч. Обнаружено, что активность контактов связана с силой кислоты (рис. 3.4), т. е. ее способностью диссоциировать; лучшие результаты были достигнуты при использовании о-мышьяковой и о-фосфорной кислот с рК_а соответственно 6,98 и 7,21. По-видимому, именно диапазон рК_а исходных кислот 6,5−7,5 является оптимальным для решения поставленной задачи. Дополнительные расчеты показывают, что активность катализаторов напрямую не связана с процентной долей атомов водорода в самих кислотах (так, например, [Н] в H₃PO₄ — 3,1%, в H₂TeO₃ — 1,1%, в H₂SeO₃ — 1,6%, в H₃BO₃ — 4,4%).

Проведенные контрольные опыты по влиянию элементов, входящих в состав кислотных остатков (в этом случае на Al₂O₃ наносили преимущественно оксиды в количестве до 0,5 мас.% в расчете на соответствующий металл), позволили обнаружить их некоторое катализирующее (B, As, P, Te) или ингибирующее (Mo, Se) действие. Однако при переходе к димолибденовой и селенистой кислотам их каталитический эффект выражен значительно сильнее, чем у нейтрального оксида алюминия.

Рис. 3.4. Зависимость относительно скорости амидирования МКТ от величины рК_а кислот, нанесенных на нейтральный оксид алюминия (V_отн для Al₂O₃ ок. 0,45): 1? H₂B₄O₇, 2? H₂Mo₂O₇, 3? H₃AsO₄, 4? H₃PO₄, 5? H₂TeO₃, 6? H₂SeO₃, 7? H₃BO₃, 8? H2TeO₄.

На основании изложенных данных был проведен анализ ряда промышленных катализаторов, что позволило нам выбрать для испытаний системы, применяющиеся для разложения 4,4-диметил-1,3-диоксана в изопрен (производство СКИ). Наибольший интерес представляли марки катализаторов КФ-70, КФ-83 (содержит 0,3 мас.% MnO) и КБФ-76у (дополнительно содержит 0,02 мас.% о-борной кислоты). Как и следовало ожидать, несколько большую активность (на 3−4%) и особенно селективность (на 8%) проявил гидроксилапатит кальция (КФ-70) общей формулы:

Ca_10-х-уH_x+y(PO₄)₆(OH)_2-x-y(x+y? 2).

Дальнейшие испытания катализатора были проведены по обычной схеме, а часть результатов представлена в таблице 3.4. Анализ этих данных свидетельствует о том, что оптимальной температурой синтеза м-ДЭТА является 300−320°С, объемной нагрузкой по сырью — 0,2 ч^-1. В этих условиях синтеза достигается 85−86%-ный выход целевого продукта. При соотношении МТК: диэтиламин 1:5 при прочих равных условиях выход ДЭТА имеет оптимум (табл. 3.4, 3.5), а конверсия и селективность процесса превышают 90% (92,4 и 94,5, 92,8 и 91,4 соответственно при 300 и 320°С).

Для дополнительной иллюстрации изложенного материала на рис. 3.5 и 3.6 представлены зависимости степени превращения МТК и селективности образования ДЭТА от условного времени контакта при различных температурах. Независимо от температуры, степень превращения МТК достигает максимума при ф 20 г•мин/моль, однако селективность процесса по истечении этого периода начинает уменьшаться, что вызвано вторичным превращением целевого продукта, в первую очередь, увеличением скорости реакции переаминирования:

Таблица 3.4 Сводные эксперементальные результаты по синтезу м-ДЭТА (соотношение МТК-диэтилмин 1:5 мольн.).

Таблица 3.5 Влияние отношения МТК: диэтиламин на процесс амидирования на гидроксилапатите кальция (F = 0,2 ч^-1).

Обращает на себя внимание факт, что при мольном отношении 1:7 начинает уменьшаться конверсия и селективность процесса. Изменение селективности реакции связано с тем, что возрастает условное время контакта МТК (см. рис. 3.5), следовательно, появляется большая возможность для протекания побочных процессов, и в этом случае в катализате обнаружены в том числе и продукты гидролиза (см. раздел 3.2). Причина снижения конверсии МТК становится понятной после изучения реальных областей протекания реакции.

В заключение следует отметить, что производительность выбранного контакта в процессе получения м-ДЭТА составляет 0,3 г целевого продукта с 1 г катализатора в час.

Рис. 3.5. Зависимость степени превращения МТК (б) от условного времени контакта (ф) при различных температурах:

1 — 320? С, 2 — 300? С, 3 — 280? С Рис. 3.6. Зависимость селективности (S) образования м-ДЭТА от условного времени контакта при различных температурах.

4. Производственная безопасность Данная научно-исследовательская работа выполнялась в химической лаборатории при использовании веществ, имеющих класс опасности с 2-ого по 4-ый. Лаборатория относится к взрывоопасной категории «В» (соответствует ГОСТу 12.01.004−91 «Пожарная безопасность. Общие требования»).

Вещества, применяемые в синтезах и анализах: м-диэтилтолуамид, N, N-диэтиламид, м-толуиловая кислота, н-бутиламин, соляная кислота, хлорная и ортофосфорная кислота.

Все работы с химическими реактивами проводились в вытяжном шкафу с использованием средств индивидуальной защиты (резиновые перчатки, защитные очки), согласно «Правилу по охране труда при использовании химических веществ ПОТ Р М-004−97» .

4.1 Токсилогические характеристики используемого сырья и конечных продуктов на человека м-Диэтилтолуамид — CH₃C₆H₄CON (C₂H₅)₂, М=191,28, т. плавл. <25°, т. разл. 288—292°, 111° (1 мм рт. ст.), плотн. 1,0095 (20°), n_D²⁰= 1,5206. Практически не растворяется в воде, ПДК=0,005 мг/м³. Класс опасности — 4.

Применяется в качестве репеллента под названием ДЭТА.

ДЭТА — наркотик, наиболее токсично о-производное. При введении в желудок крысам м-Д. ЛД₅₀ = 2 г/кг. Смертельные дозы вызывали кратковременное возбуждение, нарушение координации движений, дрожание, судороги, боковое положение.

Действие на кожу: Однократное нанесение на кожу 5 человек 83,3—84 мг/кг м-Д. при плотности слоя 16,6—17 мг/см² не оказывало побочного действия. Первое нанесение вызвало незначительное покраснение, при последующих не было изменений на коже или общего состояния. При обследовании 85 лесозаготовителей, ежедневно применявших 40% спиртовый раствор репеллента, отмечена хорошая переносимость кожей этого препарата; лишь у 2 человек развился контактный дерматит и у одного угреподобные высыпания на лице.

Поступление в организм, распределение и выделение. Проникает через ге-мато-энцефалический и плацентарный барьеры. Распределяется во всех органах, особенно — в богатых липидами. Выделяется с мочой в течение длительного времени.

N, N-Диэтиламид — NH (C₂H₅)₂, M = 73,05, т. вспышки -25°, т. кип. 56°. Растворяется в воде, этаноле и диэтиловом эфире, плотн. 0,7056, т.плав. -50?. ПДК =30 мг/м³. Класс опасности 2.

Действие на кожу и глаза. При нанесении Д. на кожу белых мышей и кроликов вызывает воспаление. Капля Д., введенная в глаз, приводит к конъюнктивиту с помутнением роговицы.

Неотложная терапия. При попадании брызг в глаза — немедленно обильное промывание широко раскрытых глаз водой. Закапать 2% раствор новокаина или 0,5% раствор дикаина с адреналином (1: 1000), затем ввести в глаза стерильное вазелиновое или оливковое масло. Надеть защитные очки. В дальнейшем до срочной консультации окулиста — закапывать в глаза 30% раствор альбуцида. При попадании на кожу — обмывание чистой водой, примочки из 2% раствора уксусной, лимонной или борной кислоты.

Индивидуальная защита. Меры предупреждения. Фильтрующий промышленный противогаз марки А. Защита рук (перчатки) и глаз (защитные очки), Герметизация аппаратуры. Вентиляция помещений.

м-Толуиловая кислота — C₆H₅(CH₃)COOH, М=137, бесцветная жидкость, т. кип. 249,2, плотн. 0,9846.

Порог ощущения запаха для паров и смеси аэрозоля и паров 1,49 мг/м³. При вдыхание паров сильно нагретой м-толуиловой кислоты вызывает судорожный кашель, насморк, иногда тошноту и рвоту. м-Толуиловая кислота раздрожает кожу. При введении в желудок белым мышам ЛД₅₀= 1,63 г/кг. Изменение функционального состояния нервной системы у крыс, а также функции печени возникало от разовой дозы 0,244 г/кг в течение 2 месяцев.

н-Бутиламин — CH₃(CH₂)₃NH₂, М=73,14, бесцветная жидкость, d= 0,7401²⁰₄, т. кип. 77,8°, n²⁰_Д= 1,4010.

Порог восприятия запаха 0,0025 мг/л; порог раздражающего действия 0,1 мг/л. ПДК= 10 мг/м³. Превращения в организме человека — в основном метаболизируется, выделение неизменного бутиламина незначительно.

Действие на кожу и глаза. В жидком виде раздражает кожу и конъюнктиву.

Соляная кислота — HCl, M = 36,461, бц. г. с резким запахом; при -85,1° - бц. подвижная ж.; при -115° - бц. кубич крист.; ниже -174,15° - бц. ромб. крист., 0,16 391 (0); 1,1870 (-85,1); 1,469 (-166), т. плав. -114,22°, т. кип. -85,1°. Растворяется в воде и пентан = 0,47 мол.%; гексан = 1,12 мол.%; гептан = 1,47 мол.%; октан = 1,63 мол.%; хлорбутан = 0,07 моль/моль; спирты = примерно 1 моль/моль; эфиры карбоновых кислот = примерно 0,6 моль/моль; карбоновые кислоты = примерно 0,2 моль/моль; расплав хлорида калия (800°С) = 0,251 моль/моль; расплав хлорида натрия (900°С) = 0,190 моль/моль. Во влажном воздухе дымит. С водой дает азеотропную смесь (20,222% HCl, т. кип. 108,584°С, плотность = 1,0959 г/мл). Водный раствор — соляная кислота — значительно более едкое вещество, сильная кислота. Длина связи H-Cl 0,1274 нм, энергия диссоциации = 427,77 кДж/моль.