Применение СВЧ-излучения для синтеза золькеталя из глицерина и ацетона

В работе показана возможность синтеза золькеталя из глицерина и ацетона под воздействием СВЧ (микроволнового) излучения в присутствии монтмориллонита, модифицированного водным раствором 0,25 моль/л HCl (0,25M HCl/MM). Реакция была изучена в растворе метанола при мольном отношении ацетон/глицерин равном 2,45–7,53, концентрации катализатора 1,2–2,8 мас.% (в расчете на массу загруженного глицерина) и температуре 30–56 °С. Показано, что золькеталь является основным продуктом с селективностью 96,1–99,2 %. Максимальный выход золькеталя 91,3 % при 98,6 % селективности был получен за 15 мин реакции при мольном отношении ацетон/глицерин равном 7,53, загрузке катализатора 2,3 мас.% (в расчете на массу загруженного глицерина) и 56 °С. Проведено сравнение каталитических свойств 0,25M HCl/MM в реакции в условиях СВЧ и термического нагрева. Показано, что выход золькеталя в реакции под действием СВЧ-излучения в 2 раза выше по сравнению с процессом в условиях термического нагрева.

1. Checa M., Nogales-Delgado S., Montes V., Encinar J.M. Recent advances in glycerol catalytic valorization: A review // Catalysts. 2020. V. 10. № 1279. https://doi.org/10.3390/catal10111279

2. Bagnato G., Iulianelli A., Sanna A., Basile A. Glycerol рroduction and transformation: A critical review with particular emphasis on glycerol reforming reaction for producing hydrogen in conventional and membrane reactors // Membranes. 2017. V. 7. Art. 17. https://doi.org/10.3390/membranes7020017

3. Nanda M.R., Yuan Z., Qin W., Xu C. (Charles). Recent advancements in catalytic conversion of glycerol into propylene glycol: A review // Catalysis Reviews. 2016. V. 8. № 3. P. 309—336. https://doi.org/10.1080/01614940.2016.1166005

4. Максимов А.Л., Нехаев А.И., Рамазанов Д.Н. Простые эфиры и ацетали — перспективные продукты нефтехимии из возобновляемого сырья (обзор) // Нефтехимия. 2015. Т. 55. № 1. С. 3—24. https://doi.org/10.7868/S0028242115010104

5. Correa I., Faria R.P.V., Rodrigues A.E. Continuous valorization of glycerol into solketal: Recent advances on catalysts, processes, and industrial perspectives // Sustain. Chem. 2021. V. 2. P. 286— 324. https://doi.org/10.3390/suschem2020017

6. Mota C.J.A., Silva C.X.A., Rosenbach N.J., Costa J., Silva F. Glycerin derivatives as fuel additives: the addition of glycerol/ acetone ketal(solketal) in gasolines // Energy Fuels. 2010. V. 24. Р. 2733—2736. https://doi.org/10.1021/ef9015735

7. Патент US 20090270643 А1, опубл. 29.10.2009; US 6890364 В2, опубл. 10.05.2005.

8. Патент RU 2365617 опубл. 27.08.2009; ЕА 018090, опубл. 30.05.2013; ЕР 2298851, опубл. 08.10.2014.

9. Data Bridge Market Research https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-solketal-market

10. Amri S., Gómez J., Balea A., Merayo N., Srasra E., Besbes N., Ladero M. Green production of glycerol ketals with a clay-based heterogeneous acid // Catalyst. Appl. Sci. 2019. V. 9. Art. 4488. https://doi.org/10.3390/app9214488

11. Timofeeva M.N., Panchenko V.N., Krupskaya V.V., Gil A., Vicente M.A. Effect of nitric acid modification of montmorillonite montmorillonite clay on synthesis of solketal from glycerol and acetone // Catal. Commun. 2017. V. 90. P. 65—69. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2016.11.020

12. Коваленко О.Н., Сименцова И.И., Панченко В.Н., Тимофеева М.Н. Кислотная активация как способ регулирования каталитических свойств монтмориллонита в реакции синтеза золькеталя из глицерина и ацетона // Катализ в промышленности. 2022. T. 22. № 1. С. 57—66. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2022-1-57-66

13. Horikoshi S., Serpone N. Microwaves in catalysis: methodology and applications. John Wiley & Sons, 2015.

14. Aguado-Deblas L., Estevez R., Russo M., La Parola V., Bautista F.M., Testa M.L. Sustainable microwave-assisted solketal synthesis over sulfonic silica-based catalysts // J. Environ. Chem. Eng. 2022. V. 10. Art. 108628. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108628

15. Priya S.S., Selvakannana P.R., Chary K.V.R., Kantam M.L., Bhargava S.K. Solvent-free microwave-assisted synthesis of solketal from glycerolusing transition metal ions promoted mordenite solid acid catalysts // Mol. Catal., 2017. V. 434. P. 184—193. http://dx.doi.org/10.1016/j.mcat.2017.03.001

16. Filho E.G.R.T.,•Dall’Oglio E.L., de Sousa P.T. (Jr.), Ribeiro F., Marques M.Z., de Vasconcelos L.G., de Amorim M.P.N., Kuhnen C.A. Solketal production in microwave monomode batch reactor: the role of dielectric properties in glycerol ketalization with acetone // Braz. J. Chem. Eng. 2022. V. 39. P. 691—703. https://doi.org/10.1007/ s43153-021-00206-2

17. Ao S., Alghamdi L.A., Kress T., Selvaraj M., Halder G., Wheatley A.E.H., Rokhum S.L. Microwave-assisted valorization of glycerol to solketal using biomass-derived heterogeneous catalyst // Fuel. 2023. V. 345. Art. 128190. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.128190

18. Prasad K.S., Shamshuddin S.Z.M., Pratap S.R. Microwave synthesis of fuel additive over modified amorphous aluminophosphate // Kinetics, Chem. Data Collect. 2022. V. 38. Art. 100818. https://doi.org/10.1016/j.cdc.2021.100818

19. Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В., Иванников В.И., Икрянов И.М., Болотов В.А., Танашев Ю.Ю. Установка для проведения химических реакций со сверхвысокочастотным нагревом реагентов // Приборы и техника эксперимента. 2019. № 2. С. 136—141. https://doi.org/10.1134/S0032816219020046

20. Olphen H.V., Fripiat J.J. Data handbook for clay materials and other non-metallic // Minerals. 1999. V. 131. № 1. P. 285—337. https://doi.org/10.1346/CCMN.1980.0280215

21. Da Silva C.X.A., Mota C.J.A. The influence of impurities on the acid-catalyzed reaction of glycerol with acetone // Biomass Bioenergy. 2011. V. 35. № 8. P. 3547—3551. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2011.05.004

22. Moreira M.N., Faria R.P.V., Ribeiro A.M., Rodrigues A.E. Solketal production from glycerol ketalization with acetone: Catalyst selection and thermodynamic and kinetic reaction study // Ind. Eng. Chem. Res. 2019. V. 58. P. 17746—17759. https://doi.org/ 10.1021/acs.iecr.9b03725

23. Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат, 1980. 464 с.