CC BY
36Journal of Siberian Federal University. Chemistry 1 (2014 7) 31-35
УДК 661.177:62-63
Новые высокооктановые компоненты бензинов из растительного сырья
В.Е. Тарабанькоаб*, М.Ю. Черняка, А.А. Морозов3, К.Л. Кайгородова, Ю.Н. Безбородов6, Н.Ф. Орловская6, И.В. Надейкин6
аИнститут химии и химической технологии СО РАН, Россия, 660036, Красноярск, Академгородок, 50, стр. 24 бСибирский федеральный университет, Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Received 24.12.2013, received in revised form 14.01.2014, accepted 10.02.2014
Показана возможность прямого кислотно-каталитического алкилирования фурфурилового спирта бутанолом. Наработаны препаративные количества бутилового и пропилового эфиров фурфурилового спирта и измерены их октановые числа (97,4 ± 3,2 и 112,9 ± 3,5 соответственно, исследовательский метод).
Ключевые слова: биотопливо, фурфурол, фурфуриловый спирт, гемицеллюлозы, эфиры фурфурилового спирта, пропилфурфуриловый эфир, бутилфурфуриловый эфир, октановое число, бензин.
Переработка возобновляемого растительного сырья в биотоплива - интенсивно развивающаяся область химических и биотехнологических исследований, фундамент химических технологий будущего. Продукты такого типа получают либо биохимическими методами (этанол, бутанол и др.), либо химическими (продукты пиролиза, гидролиза и др.). Кислотно-каталитические процессы превращения гексозных углеводов характеризуются довольно большими скоростями по сравнению с ферментативными и узким набором продуктов (в основном 5-гидроксиметилфурфурол и левулиновая (4-кетопентановая) кислота и их эфиры [1, 2]) по сравнению с процессами пиролиза. Каталитическим гидрированием названных продуктов и их эфиров получают перспективные добавки к бензинам (2,5-ди-метилфуран, октановое число 119) [3, 4] и дизельным топливам (бутиллевулинат, бутилва-лероат).
© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: [email protected]
*
Биотоплива на основе фурфурола, весьма доступного продукта кислотно-каталитической конверсии пентозных углеводов, только начинают разрабатываться. Следует отметить, что сельхозотходы травянистых растений, из которых получение фурфурола наиболее эффективно, могут быть дешевле древесных отходов, из которых можно получать 5-гидроксиметилфурфурол [5]. Показана возможность синтеза 2-этоксиметилфурана (этилфурфуриловый эфир) прямым алкилированием фурфурилового спирта при 130 °C под действием цеолитного и сернокислотного катализаторов и определено его октановое число (ОЧ = 110) [6].
Пропил- и бутилфурфуриловый эфиры синтезируют алкилированием спиртов алкилга-логенидами и в качестве алкилгалогенидов используют как бутил- и пропилиодиды [7], так и фурфурилгалогениды [8].
Цель настоящей работы заключается в синтезе пропилового и бутилового эфиров фурфу-рилового спирта и измерении их октановых чисел.
Экспериментальная часть
В работе использовали фурфуриловый спирт (98 % основного вещества, Acros Organics), бутанол, бутил- и пропилиодиды квалификации «ЧДА».
Для определения октанового числа в качестве разбавителя брали низкооктановый бензин АИ-80-3 плотностью 0,768 г/мл с объемной долей олефиновых углеводородов - 14,8 %, ароматических - 19,8 %, без кислородсодержащих соединений, монометиламина, свинца, марганца и железа.
Пропилфурфуриловый эфир синтезировали по методике [7]. Эквимолярные количества фурфурилового спирта и пропилиодида (20 и 37 г соответственно) помещали в коническую колбу объемом 250 мл, снабженную обратным холодильником. Постепенно, при перемешивании, добавляли эквимолярное количество гидроксида калия (15-17 г). Далее смесь нагревали на водяной бане до 50 0С. После прекращения выделения газообразных побочных продуктов добавляли еще 30 г пропилиодида и продолжали нагревание в течение 1 ч. По завершении процесса реакционную массу промывали водой для удаления остатка фурфурилового спирта, сушили над сульфатом натрия и перегоняли под пониженным давлением. Аналогично проводили синтез бутилфурфурилового эфира. Выход пропилфурфурилового эфира 45-55 % от теории, бутилфурфурилового эфира 70-80 %. Содержание основных веществ в синтезированных продуктах не менее 95 %, по данным ГЖХ и ЯМР.
Алкилирование фурфурилового спирта бутанолом проводили в запаянных стеклянных ампулах, которые загружали в автоклав с бутанолом в качестве теплоносителя и компенсатора давления в ампулах при повышенных температурах. В ампулу загружали 2 мл раствора фурфурилового спирта (25 мол. %) в бутаноле и добавляли фосфорную кислоту (0,02 моль/л). Автоклав нагревали до 180-200 °C в течение 40 мин, выдерживали в течение 2 ч и охлаждали до комнатной температуры в течение 1 ч.
Идентификацию полученных соединений проводили методами ГЖХ-МС (хромато-масс-спектрометр Agilent 7890a с квадрупольным детектором Agilent 5975с) и ЯМР (ЯМР-спектрометр Bruker Avance III 600 MHz) Центра коллективного пользования Красноярского научного центра СО РАН. Октановые числа растворов полученных веществ в низкооктановом
бензине вычисляли исследовательским методом на универсальной установке для определения октанового числа, модель Waukesha CFR F1/F2 (США).
Результаты и обсуждение
Возможности кислотно-каталитического алкилирования фурфурилового спирта спиртами ограничены несколькими препятствиями: во-первых, его конверсией в левулиновую кислоту, протекающей в качестве основного процесса при температурах около 100 °C [9], во-вторых, полимеризацией и, наконец, термодинамическими ограничениями. Для преодоления этих препятствий можно применять повышенные температуры, малоиспользуемые в традиционном органическом синтезе. Так, при 130-150 °C выходы этилфурфурилового эфира в растворе этанола достигают 30-50 мол. % [6], что близко к результатам алкилирования алкилиодидами [7].
Нами установлены возможности получения бутилфурфурилового эфира прямым кислотно-каталитическим взаимодействием спиртов при 180-200 °C. Достигнутые выходы продуктов превышают 35 % и будут повышены в ходе дальнейших работ. Следует отметить, что данный подход, безусловно, превосходит такие показатели традиционного синтеза ал-килфурфуриловых эфиров через галогенпроизводные, как цена реагентов и трудоемкость.
Изучены возможности применения бутилфурфурилового и пропилфурфурилового эфиров в качестве высокооктановых компонентов бензина. Октановое число эфиров оценивали по приросту октанового числа их растворов в бензине, предполагая линейную связь между массами компонентов в растворе и октановым числом раствора по уравнению
ОЧх = (ОЧр-р * (шх + ш6) - Оч6Шб) / mx ,
где ОЧх и Очб - октановое число исследуемого вещества и бензина соответственно, ОЧр-р -октановое число раствора вещества в бензине, тх и тб - масса исследуемого вещества и бензина.
В табл. 1 представлены полученные результаты. Результаты измерения октанового числа толуола совпадают с литературными данными (115,7 [10]) в пределах точности эксперимента. Октановые числа бутилфурфурилового и пропилфурфурилового эфиров имеют значения 97,4 ± 3,2 и 112,9 ± 3,5 соответственно.
Полученные значения октановых чисел весьма высоки и по этому критерию могут претендовать на роль высокооктановых компонентов бензина. Исследуемые эфиры являются относи-
Таблица 1. Результаты определения октановых чисел (ОЧ) бутилфурфурилового (БФЭ) и пропилфурфурилового (ПФЭ) эфиров, а также толуола исследовательским методом
Вещество Масса, г Объем, мл ОЧ раствора ОЧ вещества
БФЭ 58,87 60,0 77,8 ± 0,5 97,4 ± 3,2
ПФЭ 53,55 55,0 79,6 ± 0,5 112,9 ± 3,5
Толуол 43,5 50 78,8 ± 0,6 113,9 ± 4,2
Бензин исходный До 500 мл До 500 мл 74,4 ± 0,5 74,4 ± 0,5
тельно тяжелыми, но они попадают в диапазон температур выкипания бензинов: температуры кипения пропилового и бутилового эфиров фурфурилового спирта составляют 170 и 180 °C соответственно. Таким образом, полученные результаты могут быть очередной ступенью для перевода технологий производства моторных топлив от нефтяного сырья к возобновляемому растительному, т.е. к технологиям «зеленой химии».
Авторы признательны Российскому фонду фундаментальных исследований за финансовую поддержку работы, грант № 13-03-00754.
Авторы благодарят инженера СФУ А.А. Чумакова за проведение измерений октановых чисел.
Список литературы
1. Тарабанько В.Е., Черняк М.Ю., Кузнецов Б.Н., Захарова О.В. Исследование процессов кислотно-каталитической дегидратации углеводов в присутствии бутанола при умеренных температурах // Химия растительного сырья. 2002. № 2. С. 5 - 15.
2. Тарабанько В.Е., Черняк М.Ю., Первышина Е.П., Пешкова Е.С., Коропачинская Н.В. Исследование процессов кислотно-каталитической дегидратации сахарозы в присутствии бу-танола при умеренных температурах в проточных условиях // Химия растительного сырья. 2002. № 3. С. 61 - 69.
3. Roman-Leshkov Y., Barret C.J., Liu Z.Y., Dumesic J.A. Production of Dimethylfuran for Liquid Fuels from Biomass-derived Carbohydrate // Nature. 2007. Vol. 447. P. 982-986.
4. Alonso D.M., Bond J.Q., Dumesic J.A. Catalytic conversion of biomass to biofuels // Green Chem. 2010. V. 12. P. 1493-1513.
5. Варфоломеев С.Д., Моисеев И.И., Мясоедов Б.Ф. Энергоносители из возобновляемого сырья // Химические аспекты. Вестник РАН. 2009. Т. 79. № 7. С. 595- 604.
6. Lange J.-P., Evert van der Heide, Jeroen van Buijtenen, Price R. Furfural - A Promising Platform for Lignocellulosic Biofuels // ChemSusChem. 2012. 5. 150 - 166.
7. L. von Wissell, Tollens B. XXXIII. Ueber den Furfur- oder Furalkohol und einige Derivate desselben // Justus Liebigs Annalen der Chemie. 1893. V. 272. Iss. 3. P. 291-306.
8. Zanetti J.E. Alpha Furfuryl Ethers // J. Am. Chem. Soc. 1927. 49 (4), P. 1065-1067.
9. Тимохин, Б.В., Баранский В.А., Елисеева Г.Д. Левулиновая кислота в органическом синтезе // Успехи химии. 1999. Т. 68. № 1. С. 80 - 93.
10. Гуреев А.А., Жоров Ю.М., Смидович Е.В. Производство высокооктановых бензинов. М.: Химия, 1981. 224 с.
New Gasoline Components of High Octane Number Made of Plant Raw Materials
Valery E Tarabankoa,b, Mikhail Yu. Chernyaka, Andrey A. Morozova, Konstantin L. Kaygorodova, Yury N. Bezborodovb, Nina F. Orlovskayab and Ivan V. Nadeykinb
aInstitute of Chemistry and Chemical Technology SB RAS 50-24 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia
bSiberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia
The possibility of the acid-catalyzed furfuryl alcohol alkylation with butanol is demonstrated. Preparative quantity of butyl furfuryl ether and propyl furfuryl ether are obtained and their research octane numbers are measured (97,4 ± 3,2 u 112,9 ± 3,5, correspondingly).
Keywords: biofuels, furfural, furfuryl alcohol, hemicelluloses, furfuryl ethers, propyl furfuryl ether, butyl furfuryl ether, octane number, gasoline.
