Study of the ozone reaction of benzyl acetate and its derivatives in the liquid phase

Abstract

Мета роботи – дослідження кінетичних закономірностей реакції окиснення бензилацетату та його похідних озоном у рідкій фазі для з’ясування впливу спирту на процес озонування метилбензенів за метильною групою. У скляну ємність об’ємом 20 мл, обладнану магнітним перемішувачем, завантажували послідовно розраховану кількість толуену або бензилацетату сульфатної кислоти і 10 мл оцтового ангідриду. Після розчинення реакційні компоненти завантажували в термостатовану скляну колонку. Колонку підключали до зворотного холодильника, отриманий розчин охолоджували до необхідної температури і пропускали крізь нього озоновмісний газ. Окиснення вели до заданого ступеню конверсії субстрату. Контроль процесу здійснювали методом газо-рідинної хроматографії. Концентрацію озону в газовій фазі визначали спектрофотометричним методом на спектрофотометрі СФ-46. Концентрацію толуену та його похідних у розчині визначали методом газорідинної хроматографії на хроматографі з полум'яно-іонізаційним детектором на колонці довжиною 1 м і діаметром 3,5 мм, заповненою носієм – „ІНЕРТОН-Супер” (0,16-0,2 мм), з нанесеною на нього нерухомою фазою “FFAP” у кількості 5% від маси носія за наступних умов: температура випаровувача – 503-533 К; швидкість газу-носія (азот) – 2,0 л·год-1; швидкість водню – 1,8 л·год-1; швидкість повітря – 18 л·год-1. Термостатування проводили в температурних межах 363-448 К, підйом температури здійснювався програмою – 8ºC/хв. Вивчено кінетичні параметри реакції озонування бензилацетату та його похідних у рідкій фазі. Визначено константи швидкості реакції озону з бензилацетатом за різних температур і вплив будови замісників на його реакційну здатність. Показано, що наявність електроноакцепторних замісників підвищує селективність окиснення з боковим ланцюгом до 54%, а електронодонорних – знижує до 8%. Кінетика реакції озону з бензилацетатом при температурі 293 К описується рівнянням другого порядку, що передбачає неланцюговий механізм окиснення. При підвищених температурах стає помітним ланцюгове витрачання озону за рахунок реакції з продуктами руйнування ароматичного кільця. Вперше вивчено кінетику реакції окиснення бензилацетату та його заміщених озоном в рідкій фазі, яка суттєво впливає на рівноважну концентрацію спиртів при окисненні відповідного метилбензолу. Встановлено, що залежно від будови ацильованого бензилового спирту селективність окиснення за боковим ланцюгом становить від 8 до 54%. Визначено константи швидкості реакції та запропоновано механізм озонування бензилацетату, що дозволить оптимізувати параметри при розробці технологічних основ одержання бензилового спирту та його похідних озонуванням метилбензолів у рідкій фазі. Результати роботи э основою для розробки низькотемпературного методу синтезу бензилових спиртів, які застосовується у виробництві активних фармацевтичних інгредієнтів.

Цель работы – исследование кинетических закономерностей реакции окисления бензилацетата и его производных озоном в жидкой фазе для определения влияния спирта на процесс озонирования метилбензолов по метильной группе. В стеклянную емкость объемом 20 мл, снабженнную магнитной мешалкой, загружали последовательно рассчитанное количество толуола или бензилацетата, сернной кислоты и 10 мл уксусного ангидрида. После растворения реакционные компоненты загружали в термостатированную стеклянную колонку. Колонку подключали к обратному холодильнику, полученный раствор охлаждали до необходимой температуры и пропускали через него озоносодержащий газ. Окисление вели до заданной степени конверсии субстрата. Контроль процесса осуществляли методом газо-жидкостной хроматографии. Концентрацию озона в газовой фазе определяли спектрофотометрическим методом на спектрофотометре СФ-46. Концентрацию толуола и его производных в растворе определяли методом газожидкостной хроматографии на хроматографе с пламенно-ионизационным детектором на колонке длиной 1 м и диаметром 3,5 мм, заполненной носителем – "ИНЕРТОН-Супер" (0,16-0,2 мм) , с нанесенной на него неподвижной фазой “FFAP” в количестве 5% от массы носителя при следующих условиях: температура испарителя – 503-533 К; скорость газа-носителя (азот) – 2,0 л•ч-1; скорость водорода – 1,8 л•ч-1; скорость воздуха – 18 л•ч-1. Термостатирование проводили в температурных пределах 363-448 К, подъем температуры производился программой – 8ºC/мин. Изучены кинетические параметры реакции озонирования бензилацетата и его производных в жидкой фазе. Определены константы скорости реакции озона с бензилацетатом при различных температурах и влияние строения заместителей на его реакционную способность. Показано, что наличие электроноакцепторных заместителей повышает селективность окисления по боковой цепи до 54%, а электронодонорных – снижает до 8%. Кинетика реакции озона с бензилацетатом при температуре 293 К описывается уравнением второго порядка, предполагающим нецепной механизм окисления. При повышенных температурах становится заметным цепное расходование озона за счет его реакции с продуктами разрушения ароматического кольца. Впервые изучена кинетика реакции окисления бензилацетата и его замещенного озона в жидкой фазе, что существенно влияет на равновесную концентрацию спиртов при окислении соответствующего метилбензола. Установлено, что в зависимости от строения ацилированного бензилового спирта селективность окисления по боковой цепи составляет от 8 до 54%. Определены константы скорости реакции и предложен механизм озонирования бензилацетата, что позволит оптимизировать параметры при разработке технологических основ получения бензилового спирта и его производных озонированием метилбензолов в жидкой фазе. Результаты работы являются основой для разработки низкотемпературного метода синтеза бензиловых спиртов, применяемых в производстве активных фармацевтических ингредиентов.

Investigation of the kinetic regularities of the oxidation reaction of benzyl acetate and its derivatives by ozone in the liquid phase to determine the effect of alcohol on the ozonation of methylbenzenes by the methyl group. A 20 ml glass vessel equipped with a magnetic stirrer was loaded sequentially with a calculated amount of toluene or benzyl acetate of sulfuric acid and 10 ml of acetic anhydride. After dissolution, the reaction components were loaded into a thermostatic glass column. The column was connected to a reflux condenser, the resulting solution was cooled to the required temperature and ozone-containing gas was passed through it. Oxidation was carried out to a given degree of substrate conversion. The process was controlled by gas-liquid chromatography. The ozone concentration in the gas phase was determined spectrophotometrically on an SF-46 spectrophotometer. The concentration of toluene and its derivatives in the solution was determined by gas-liquid chromatography on the chromatograph with a flame-ionization detector on the column with a length of 1 m and a diameter of 3.5 mm, filled with a carrier – INERTON-Super (0.16-0.2 mm), with a fixed phase “FFAP” applied to it in the amount of 5% of the mass of the carrier under the following conditions: evaporator temperature is between 503-533 K; carrier gas velocity (nitrogen) – 2.0 L•h-1; hydrogen velocity – 1.8 L•h-1; air velocity – 18 L•h-1. Thermostating was carried out in the temperature range of 363-448 K, the temperature rise was carried out by the program - 8ºC/min. The kinetic parameters of the ozonation reaction of benzylacetate and its derivatives in the liquid phase were studied. The rate constants of ozone reaction with benzyl acetate at different temperatures and the influence of the structure of substituents on its reactivity were determined. It is shown that the presence of electron-acceptor substituents increases the selectivity of oxidation along the side chain to 54%, and electron-donor – to a decrease of up to 8%. The kinetics of the reaction of ozone with benzyl acetate at a temperature of 293 K is described by a second-order equation that assumes a non-chain oxidation mechanism. At elevated temperatures, the chain consumption of ozone becomes noticeable due to its reaction with the products of destruction of the aromatic ring. For the first time, the kinetics of the oxidation reaction of benzyl acetate and its substituted ozone in the liquid phase, which significantly affects the equilibrium concentration of alcohols in the oxidation of the corresponding methylbenzene. It was found that depending on the structure of acylated benzyl alcohol, the oxidation selectivity along the side chain is from 8 to 54%. The reaction rate constants are determined and the mechanism of ozonation of benzyl acetate is proposed, which will allow optimizing the parameters for the development of technological bases for the production of benzyl alcohol and its derivatives by ozonation of methylbenzenes in the liquid phase. The results are the basis for the development of low-temperature method for the synthesis of benzyl alcohols used in the production of active pharmaceutical ingredients.