Лабораторна робота № 8.

1. ТЕМА: Одержання олефінів каталітичною дегідратацією спиртів.

2. МЕТА: Провести в лабораторних умовах процесу каталітичної дегідратації ізопропілового спирту, вивчити вплив температури на ступінь дегідратації спирту і визначити вихід ізобутену.

Найбільш розповсюдженим способом одержання олефінів в лабораторних умовах є дегідратація (відщеплення води) спиртів:

Подібні реакції відщеплення позначаються символами Е1 і Е2 (реакції елімінування першого або другого порядку.

В якості каталізаторів дегідратації використовуються різні кислоти (сірчана і фосфорна), кислі солі (КHSO4), ангідриди кислот (Р2О5), оксид алюмінію, солі алюмінію і ін.

Дегідратація спиртів може протікати внугрішньомолекулярно з утворенням олефіну і міжмолекулярно з утворенням простого ефіру

Напрям реакції залежить від будови спирту і температури процесу. Вторинні і третинні спирти дегідратуються тільки в олефіни. Первинні спирти зі збільшенням молекулярної маси і температури процесу також переважно утворюють олефіни. По легкості до гідратації одноатомні спирти можна розкласти в ряд:

Порядок відщеплення води у більшості випадків визначається правилом Зайцева: при утворенні води найбільш легко відщеплюється водень від сусіднього найменш гідрогенізованого атома вуглецю. Цей водень найбільш рухливий

В процесі дегідратації часто відбувається переміщення подвійного зв’язку і будова одержаного вуглеводню не відповідає будові вихідного спирту. Так наприклад при дегідратації ізоамілового спирту, як правило, одержуються три вуглеводні:

В присутності каталізатора, наприклад Н2SО4 реакція протікає через проміжну стадію утворення алкілсірчаної кислоти, наприклад

При подальшому нагріванні етилсірчана кислота розкладається на алкен і сірчану кислоту:

Сірчана кислота грає каталітичну роль, однак дегідратуюча дія її зменшується при розбавленні водою, що виділяється в процесі реакції.

В промисловості процес дегідратації здійснюють як в рідкій так і у газовій фазі. Дегідратацію в рідкій фазі проводять в тих випадках, коли вихідні або кінцеві продукти при високих температурах є нестабільними (наприклад, при одержанні діоксану, морфоліну, кротонового альдегіду і ін.). Процес здійснюють в інтервалі температур 100-120 °С у присутності найчастіше сірчаної або фосфорної кислоти і фосфатів.

Технологія газофазної дегідратації спиртів більш проста, але вона використовується тільки тоді, коли вихідні і кінцеві продукти стабільні за підвищених температур (наприклад, при одержанні бутадієну-1,3, стиролу, диетилового ефіру і ін.). Процес ведуть в інтервалі температур 225-450 °С у присутності фосфорної кислоти на носіях; оксиду алюмінію і фосфатів.

3. РЕАКТИВИ І ОБЛАДНАННЯ

3.1. Ізопропіловий спирт, активований оксид алюмінію.

3.2. Установка для дегідратації спиртів (рис. 1), хроматограф з детектором по теплопровідності, ділильна лійка ємністю 20 см3, газова піпетка, колби.

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ

Дегідратацію проводять, над активованим оксидом алюмінію

Ізобутиловий спирт дегідратують на установці, схема якої представлена на рис. 1. Вона складається із крапельної лійки 1, перехідника 3, реактора 5, електропечі 6, термопари 10, мілівольтметра 12 з температурною шкалою, манометра 13, трьохходового крану 14, зворотного холодильника 15, прямого холодильника 16, автотрансформатора 17, льодової бані 18, приймача 19 і градуйованого газометра 21. Перед початком досліду перевіряють правильність зборки і герметичність всіх з'єднань установки. Градуюють крапельну лійку, готують льодову баню, заповнюють газометр водою і встановлюють ємність під злив газометра (кран 22).

Рис. 1 Установка для дегідратації спиртів:

1 - крапельна воронка, 2,4,20,22 - крани, 3 - перехідник, 6 - електропіч, 7 – інертна насадка, 8 - каталізатор, 9 - чохол для термопари, 10 - термопара, 11 - виступи, 12 - мілівольтметр, 13 - водяний манометр, 14 - трьохходовий кран, 15 – зворотній холодильник, 16 - холодильник, 17 - автотрансформатор, 18 - льодова баня, 19 - приймач, 21 - газометр.

Реактор виготовлений із стальної трубки діаметром 20 мм і довжиною 600 мм. Він обладнаний чохлом 9 для термопари, виступами 11 для утримання каталізатора 8 та інертної насадки 7.

Проводять 4 досліди при температурах 250, 300, 340 і 380 °С і об'ємною подачею спирту 1-1,5 год.-1 (тобто 1-1,5 л рідкого ізопропілового на 1 л каталізатора в годину, що при об'ємі каталізатора 100 см3 відповідає пропусканню 100-150 см3 спирту в год — 15-20 крапель у хв.). В кожному досліді розхід спирту на реакцію однаковий - 0,25 моль.

Порядок проведення досліду наступний. Подають воду в холодильники, трьохходовий кран з'єднують з лінією скиду газів, включають обігрів реактора і піднімають температуру в шарі каталізатора до 350 °С. При цій температурі в установку через кран 4 подають повітря зі швидкістю 100-120 мл/хв до припинення виділення води із реактора. Після цього в реакторі при допомозі автотрансформатора встановлюють одну із заданих температур, подачу повітря припиняють, кран 4 закривають і приступають до подачі спирту із крапельної лійки.

Через 5 хв. після подачі спирту виливають конденсат із приймача і швидко переключають трьохходовий кран на відбір газу в газометр. Відбір газу в газометр регулюють краном 22 таким чином, щоб в установці підтримувалося невелике розрідження (50-100 Па або 5-10 мм вод. ст.). Момент переключення крана 14 приймають за початок досліду.

По закінченню подачі в реактор заданої кількості спирту, крани 2, 22 і 20 закривають у вказаному порядку і трьохходовий кран знову переключають на лінію скиду газів. Конденсат із приймача 19, якщо він складається із двох шарів, зливають в ділильну лійку ємністю 20 см3 і відділяють органічний шар від водного. Обидва шари зливають в окремі (попередньо зважені на технічних вагах) колби і визначають їх масу. Органічний шар аналізують на хроматографі з детектором по теплопровідності. Для розшифровки хроматограм використовують метод нормування з поправочними коефіцієнтами.

Фіксують об'єм газів у газометрі при даній температурі і даному атмосферному тиску і приводять його