В последние годы во многих развитых странах мира применяют методы воздействия акустических, электрических, магнитных полей на физико-химические процессы в органической химии. В последние 15–20 лет к числу новых перспективных направлений современной химии присоединилась и микроволновая химия.
Микроволновая химия возникла на стыке физики и химии. Она включает химические превращения с участием твёрдых диэлектриков и жидкостей, связанные с использованием энергии микроволнового поля или, как принято было говорить ранее, сверхвысокочастотного поля, то есть СВЧ-излучения [1].
Нами ранее было исследовано влияние микроволнового облучения на прямую этерификацию бутановой кислоты этанолом в условиях сверхвысокочастотного облучения в присутствии серной кислоты и установлено, что активация микроволнами позволяет в десятки раз сократить продолжительность реакции, а также повысить выход продукта [8, 9].
По сравнению с традиционными способами нагрева при использовании микроволнового облучения значительно уменьшается продолжительность процесса, увеличивается скорость реакции, при этом чистота целевого продукта выше и без побочных продуктов [2].
Сложные эфиры входят в состав эфирных масел, обусловливая их приятный запах, применяются в пищевой и парфюмерной промышленности. К сложным эфирам относятся многие биологически важные вещества – жиры, фосфатиды, а также лекарственные препараты – уретан, эфир салициловой и пара-аминобензойной кислот (анестезин, новокаин) и др. [4].
н-Пентилбутаноат имеет запах груш, а также служит растворителем в лаках для ногтей, так же как и другие сложные эфиры низших и средних карбоновых кислот, является составной частью эфирных масел многих растений, содержится в плодах пастернака [3, 6, 7].
Физико-химические свойства н-пентилбутаноата: плотность – 0,8713 г/см3 при 15 °С; температура кипения 186,4 °С; теплота образования – 617,9 кДж/моль; теплота сгорания – 5099 кДж/моль; нерастворим в воде [5].
Цель исследования – найти оптимальные условия получения н-пентилбутаноата применением бытовой СВЧ-печи для синтеза и сравнить результаты с известными методами получения целевого продукта.
Материалы и методы исследования
Для проведения эксперимента использовали бутановую кислоту, амиловый спирт и серную кислоту (в качестве катализатора). Эксперименты проводили на бытовой СВЧ-печи SAMSUNG Smart Oven (модель MC32F604TCT).
Выход продукта определяли хроматографированием на хромато-масс-спектрометре Agilent 7890А/5975C (США).
Условия хроматографирования: подвижная фаза (газ-носитель) – гелий; температура испарителя 200 °С, сброс потока (Split) 500:1; температура термостата колонки, начало 40 °С (1 мин), подъем температуры 5 °С в минуту, конец 210 °С, при этой температуре удерживается 1 мин, общее время анализа 34 мин; режим ионизации масс-детектора методом электронного удара. Капиллярная хроматографическая колонка HP-FFAP, длина колонки 30 м, внутренний диаметр 0,25 мм, неподвижная фаза – нитротерефталевая кислота, модифицированная полиэтиленгликолем. Время удержания н-пентилбутаноата составляет 9,95 мин (рис. 1).
Результаты исследования и их обсуждение
Для получения и определения оптимальных условий синтеза н-пентилбутаноата была проведена серия экспериментов, т.е. влияние на выход продукта продолжительности процесса, воздействия мощности облучения на выход продукта, соотношения реагирующих веществ и катализатора от общей массы реагирующих веществ.
Рис. 1. Хроматограмма н-пентилбутаноата, полученного сверхвысокочастотным облучением
Рис. 2. Влияние мощности МВ-облучения на выход целевого продукта ([бутановая кислота]:[амиловый спирт] = 1:1, t = 4 мин)
В целях нахождения оптимального условия в стеклянную емкость в молярном соотношении 1:0,8–1,2 помещали бутановую кислоту и амиловый спирт соответственно, с добавлением концентрированной серной кислоты соотношением от общей массы реагирующих веществ 1 %. Реакционную смесь облучали микроволнами мощностью 100–900 Вт в течение времени 1–7 мин.
Из сравнения экспериментов видно (рис. 2), что при мощности 450 Вт выход целевого продукта является высоким.
Дальнейшие эксперименты проводились в оптимальном значении мощности использованной нами СВЧ-печи (450 Вт) на влияние продолжительности реакции на выход целевого продукта.
Если сравнить результаты экспериментов, видно (рис. 3), что при продолжительности 5 мин выход целевого продукта выше, чем в остальных.
Чтобы определить влияние мольного соотношения исходных реагентов на выход целевого продукта в следующих экспериментах изменяли соотношение исходных реагентов ([бутановая кислота]:[амиловый спирт].
Согласно представленным данным (рис. 4), при увеличении мольного соотношения амилового спирта к бутановой кислоте можно увидеть, что выход целевого продукта достигает практически 100 %.
Чтобы найти эффективное условие получения н-пентилбутаноата, дальнейшие эксперименты поводили на влияние соотношения катализатора на выход целевого продукта.
Рис. 3. Влияние продолжительности реакции на выход целевого продукта ([бутановая кислота]:[амиловый спирт] = 1:1, мощность облучения = 450 Вт)
Рис. 4. Влияние мольного соотношения исходных реагентов на выход целевого продукта (мощность облучения = 600 Вт, t = 4 мин, катализатор=1 % от общей массы реагирующих веществ)
Рис. 5. Влияние соотношения катализатора на выход н-пентилбутаноата (мощность облучения = 600 Вт, t = 4 мин, [бутановая кислота]:[амиловый спирт] = 1:1,1)
Из экспериментов (рис. 5), видно что при мольном соотношении катализатора 0,25 % и 0,5 % от общей массы реагирующих веществ выход целевого продукта значительно уменьшается.
Заключение
Таким образом, нами был проведен синтез н-пентилбутаноата на бытовой СВЧ-печи прямой этерификацией бутановой кислоты амиловым спиртом в условиях сверхвысокочастотного облучения в присутствии серной кислоты. Полученный продукт идентифицирован с помощью газового хроматографа с масс-селективным детектором. Оптимальным условием проведения процесса являются: молярное соотношение реагирующих веществ [бутановая кислота]:[амиловый спирт] = 1:1,1, катализатор от общего соотношения реагирующих веществ 1 %, мощность микроволнового облучения 450 Вт, продолжительность 5 мин. При этом максимальный выход продукта составляет практически 100 %.
Предлагаемый нами способ получения н-пентилбутаноата по сравнению с известными способами позволяет существенно сократить продолжительность процесса.