Лабораторная работа 7 Синтез алкилтреталкилового эфира

Борьба за улучшение экологии окружающей среды привела к введению ограничений на использование высокотоксичного тетраэтилсвинца в качестве высокооктановой добавки к автомобильным бензинам. В этой связи в различных странах созданы производства высокооктановых компонентов на основе кислородсодержащих соединений - спиртов, эфиров и т.д. Основными преимуществами этих соединений является очень высокое октановое число и отсутствие образования вредных веществ при сгорании.

Наиболее эффективно повышающими октановое число неэтилированных бензинов являются алкилтреталкиловые эфиры, например метилтретбутиловый и метилтретамиловый эфир.

Алкилтреталкиловые эфиры получают по реакции алкилирования спиртов третичными олефинами в присутствии гомогенных и гетерогенных катализаторов кислотного типа.

В качестве гомогенных катализаторов используются минеральные кислоты - серная, фосфорная, соляная, а также катализаторы типа Фриделя-Крафтса, органические сульфокислоты, гетерополикислоты.

В качестве гетерогенных катализаторов предложены оксидные катализаторы, активированные угли с функциональными группами, органомолибденовые соединения, цеолиты, ионообменные смолы.

Наиболее эффективными среди них являются сульфированные ионообменные смолы.

Схема реакции может быть представлена следующим образом:

или:

Помимо основной реакции, возможно протекание побочных реакций образования димеров изоолефина, простых эфиров спирта и т.д.

Реакция является равновесной, и степень превращения растет с понижением температуры и разбавлением изоолефина спиртом. Наиболее распространенными приемами получения максимальных конверсии является снижение температуры в заключительном пространстве реакционной зоны, увеличение соотношения спирт - изоолефин, удаление продуктов из зоны реакции.

Цель работы: изучение реакции получения высокооктановой добавки для автомобильного бензина - бутилтретбутилового эфира путем взаимодействия н-бутилового спирта с изобутиленом в присутствии катионообменной смолы, выделение продукта реакции и составление материального баланса.

Реактивы:

1) н-Бутиловый спирт - Т_кип = 117,5 °С, d₄²⁰=0,8098, n_d²⁰=1,3993;

2) вторичный бутиловый спирт - Т_кип = 99,5 °С, d₄²⁰ = 0,8060, n_d²⁰ = 1,3949;

3) триметилкарбинол - Т_кип= 82,9 °С, d₄²⁰ = 0,7887, n_d²⁰=1,3954;

4) катализатор - катионообменная смола в водородной форме.

Посуда и оборудование: трехгорлая колба емкостью 200 мл, обратный холодильник; термометр, механическая мешалка с электромотором и ЛАТРом; глицериновая баня, снабженная контактным термометром и электрореле; воронка Бюхнера; колба Кляйзена; прямой холодильник; аллонж; круглодонные приемники.

Выполнение работы

Синтез бутилтретбутилового эфира на катионите проводят на установке, изображенной на рис.8.

Перед началом опыта проверяют правильность сборки, герметичность соединений установки и надежность работы механической мешалки и термостатирующей установки. Термостатирующую установку настраивают на поддержание в реакторе температуры 100 °С.

В колбу-реактор загружают н-бутиловый (или вторичный бутиловый спирт) спирт и триметилкарбинол в мольном соотношении 2:1, т.е. 74 г и 37 г, соответственно, и 6 % мас. ка-тионообмениой смолы, т.е. 6,66 г.

Рис. 8. Установка для получения алкилтреталкилового эфира

Катионит предварительно переводят в водородную форму и обезвоживают. Подают воду в обратный холодильник, включают термостатирующую установку и механическую мешалку. Процесс проводят в течение двух часов, затем реакционную массу фильтруют на воронке Бюхнера при отсасывании водоструйным насосом.

Определяют точное количество реакционной массы, взвешивая ее с точностью до 0,1 г.

Состав реакционной массы анализируют методом газожидкостной хроматографии или хроматомасс-спектроскопии.

Таким образом, определяют содержание в реакционной массе воды, н-бутилового или вторичного бутилового спирта, триметилкарбинола, бутилтретбутилового эфира и других продуктов реакции. (Либо проводят разгонку реакционной массы, предварительно отфильтрованной от катализатора, и определяют количество каждой фракции).

Затем составляют материальный баланс опыта (табл.9), определяют конверсию триметилкарбинола и выход целевого эфира на загруженный и прореагировавший спирт.

Таблица 9. Материальный баланс опыта

Конверсию К (% мас.) триметилкарбинола определяют по формуле:

К=(G₂+G₂¹)/(G₂+G₂¹+G₃),

где: G₂- количество триметилкарбинола, пошедшее на образование бутилтретбутилового эфира, (г); G₂ = М_ТМКG₁/М_эф, где: М_ТМК - ММ триметилкарбинола; G₁ и М_эф- молекулярная масса и количество образовавшегося эфира (г) соответственно; G₂¹- количество триметилкарбинола, пошедшее на образование побочных продуктов (г); G₃- количество непрореагировавшего триметилкарбинола (г).

Селективность С (% мас.) реакции по спирту вычисляют по формуле:

С=G₂/(G₂+G₂¹).

Выход В (% мас.) бутилтретбутилового эфира на пропущенный спирт определяют по формуле:

В=СК/100.

Хроматограмма реакционной массы алкилирования триметилкарбинола н-бутанолом