Получение терефталатов целлюлозы непосредственно из древесины осины

ПОЛУЧЕНИЕ ТЕРЕФТАЛАТОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ НЕПОСРЕДСТВЕННО ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ОСИНЫ
Протопопов А.В., канд. хим. наук, Клевцова М.В.

ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (Российская Федерация)

656038, Российская Федерация, г. Барнаул, пр. Ленина, 46

E-mail: vadandral@mail.ru
Важным видом химической переработки целлюлозы является получение простых и сложных эфиров, что возможно благодаря наличию в элементарном звене макромолекулы целлюлозы гидроксильных групп (в каждом глюкозном остатке содержатся три гидроксильные группы). Благодаря ценным свойствам эфиры целлюлозы применяются для производства волокон, пленок, пластмасс, лаков, клеев, плиточный клей, клей для пенобетона, тонкослойные штукатурки и шпатлевки, ремонтные и гидроизоляционные составы, наливные полы и некоторых других продуктов. Сама целлюлоза, не обладая пластичностью, не может быть связующим в производстве пластических масс, тогда как эфирам целлюлозы в определенных условиях свойственна пластичность.

Проведенные исследования на кафедре ТППиЭ АлтГТУ по ацилированию древесины ароматической карбоновой кислотой (АКК) показали перспективность использования ацилирующей смеси «АКК – тионилхлорид (ТХ) – трифторуксусная кислота (ТФУК)», исходя из чего, представляло интерес рассмотреть использование данной смеси для получения терефталатов целлюлозы из лигноцеллюлозных материалов (ЛЦМ). Ранее авторами [2, 3, 4] была показана возможность синтеза сложных эфиров целлюлозы с ароматическими кислотами при ацилировании из ЛЦМ п-аминобензойной и салициловой кислотами. Целью настоящей работы являлось изучение процесса ацилирования ЛЦМ терефталевой кислотой в присутствии ТФУК и ТХ.

Для изучения кинетических закономерностей протекания реакции проводился ряд синтезов при разных температурах с варьированием времени реакции.

Процесс ацилирования можно представить следующими стадиями:

- взаимодействие терефталевой кислоты с ТФУК при интенсивном перемешивании;

- добавление тионилхлорида к смеси и выдерживание при постоянной температуре до полного взаимодействия:

Полученный продукт осаждали в этанол и промывали до нейтральной среды.

По данным содержания связанной терефталевой кислоты, определяемого методом потенциометрического титрования, была рассчитана степень замещения. Методика расчетов приведена в работе [4].

Данные расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Степень замещения полученных м-аминобензоатов

целлюлозы

Время проведения синтеза (ч)	Температура проведения синтеза (°С)
Время проведения синтеза (ч)	25	35	45	55
1	2,22	2,32	2,45	2,75
2	2,35	2,47	2,55	2,81
3	2,56	2,63	2,70	2,90
5	2,70	2,76	2,79	2,99

По данным степени замещения полученных терефталатов целлюлозы проведены расчеты кинетических закономерностей реакции ацилирования. Ацилирование древесины протекает в гетерогенной среде, поэтому обработку полученных данных проводили по уравнению Ерофеева-Колмогорова [5]:

где α – степень превращения; τ – время проведения синтеза.

По полученным данным построены кинетические кривые и определены логарифмы констант скорости реакции (рис. 1). По уравнению Эйринга построена температурная зависимость (рис. 2) для реакции ацилирования. По данной зависимости определены термодинамические параметры активированного комплекса реакции ацилирования ЛЦМ и рассчитана энергия активации процесса.

1 - 25⁰С; 2 - 35⁰С; 3 = 45⁰С; 4 = 55⁰С

Рис. 1 – Кинетические анаморфозы реакции ацилирования ЛЦМ

терефталевой кислотой

Рис. 2 – Зависимость константы скорости реакции ацилирования ЛЦМ терефталевой кислотой от температуры

Значение термодинамических параметров для реакции ацилирования ЛЦМ терефталевой кислотой составило для теплового эффекта реакции H = 32,28 кДж/моль, энтропия активации S = -207,83 Дж/моль·К. По найденным параметрам рассчитана свободная энергия активации реакции ацилирования ЛЦМ терефталевой кислотой, ее значение составляет 97,33 кДж/моль. Полученное значение энтальпии активации свидетельствует о быстром достижении переходного состояния активированного комплекса. В данном случае, вероятно, происходит образование межмолекулярных водородных связей терефталевой кислоты с лигноцеллюлозным комплексом, сопровождаемое разрушением лигноуглеводных связей и аморфизацией целлюлозы.

Исследование методом ИК-спектроскопии, (рис. 3) показало для всех синтезированных сложных эфиров целлюлозы наличие полос поглощения в области 3400 см^-1 , характерных для валентных колебаний OH-групп. При увеличении степени замещения на ИК-спектрах более четко проявляются полосы поглощения отвечающие за колебания гидроксильных групп карбоновых кислот 2500-2600 см^-1, а также увеличивается интенсивность полос поглощения сложноэфирной группы и полос поглощения, ответственных за колебания С-С связи ароматического кольца 1560-1460см^-1.

Т, %
	υ, см^-1

1 – 1 час 25 ^оС, 2 – 5 часов 55 ^оС

Рис. 3 – ИК-cпектры терефталатов целлюлозы

В ходе проведенных экспериментов были получены терефталаты целлюлозы с максимальной степенью замещения близкой к трем и содержанием остаточного лигнина 4-6 %. Выявлена зависимость увеличения степени замещения с ростом температуры и продолжительности реакции ацилирования. Проведенный анализ термодинамических параметров ацилирования ЛЦМ показал необходимость проведения реакции при высокой температуре, для увеличения диффузии ацилирующего агента к гидроксилам глюкопиранозного звена.

Гальбрайх Л.С. Целлюлоза и ее производные // Соросовский образовательный журнал. – Химия, 1996, №11. – С. 47.
А.В. Протопопов, В.В. Коньшин, М.М. Чемерис. Ацилирование древесины осины и целлюлозы п-аминобензойной кислотой в трифторуксусной кислоте и тионилхлориде // Журнал прикладной химии. – С.-Петербург: Изд-во «Наука» РАН, 2005. т. 78, вып. 10. – С. 1748-1749.
А.В. Протопопов, В.В. Коньшин, М.М. Чемерис. Изучение кинетических закономерностей реакции ацилирования древесины // Ползуновский вестник. – Барнаул: Изд-во Алт ГТУ, 2006, № 2 Т.1. – С. 129-131.
А.В. Протопопов, В.В. Коньшин. Модифицирование древесины осины с целью получения м-аминобензоатов целлюлозы // Ползуновский вестник. – Барнаул: Изд-во Алт ГТУ, 2010, № 3. – С. 225-228.
Розовский А.Я. Кинетика топохимических реакций. – М.: Химия, 1972. – 220 с.
А. Гордон, Р. Форд. Спутник химика. – М: Издательство Мир, 1976. – 542 с.