8. Альдольная конденсация (получение окиси мезитила)

Реактивы:

1. Ацетон;

2. Гидроксид кальция;

3. Гидроксид бария;

4. Щавелевая кислота.

В лабораторных условиях окись мезитила (4-метил-3-пентен-2-он) получают альдольной конденсацией ацетона с последующей дегидратацией образовавшегося диацетонового спирта (ДАС) в целевой продукт.

Индивидуальное задание включает (в скобках — базовый вариант):

• катализатор первой стадии (гидроксид кальция);

• состав и количество исходной ацетонсодержащей жидкости (для кубовой емкости вместимостью 100–200 см³— 100 см³ чистого ацетона);

• критерий завершения первой стадии (за 2 ч до конца лабораторных занятий);

• катализатор второй стадии (щавелевая кислота);

• режим второй стадии (простая дистилляция).

Альдольную конденсацию проводят в режиме циркуляции реагента через вынесенный стационарный слой катализатора. Для смещения равновесия целевой реакции организуют разделение реакционной массы с отводом ДАС и возвратом ацетона в циркуляционный контур. Дегидратацию диацетонового спирта совмещают с перегонкой реакционной массы. Обе стадии проводят с использованием одной и той же кубовой емкости.

Сначала собирают установку для первой стадии процесса в соответствии с рис. 6. Кубовая емкость 2соединена с реактором4, представляющим собой колонну со стационарным слоем катализатора5.

В кубовую емкость 2загружают ацетонсодержащую жидкость и «кипелки» из инертного пористого материала. Включают колбонагреватель1и доводят кубовую жидкость до кипения. Ацетон в виде пара попадает из куба2через паропроводящую трубку7в обратный холодильник6, откуда, конденсируясь, стекает в реактор4. Пройдя через слой катализатора5, реакционная масса через гидрозатвор8возвращается в кубовую емкость2. Высококипящий диацетоновый спирт накапливается в кубовой емкости2. Об этом свидетельствует изменение температуры кипения кубовой жидкости, контролируемой с помощью термометра9. Легкокипящий ацетон вновь испаряется и возвращается в реакционную зону.

Рис. 6. Установка конденсации ацетона:

1— колбонагреватель;2— кубовая емкость;3— сливной кран;4— реактор;5— катализатор;6— обратный холодильник;7— паропроводящая трубка;8— гидрозатвор;9— термометр

За начало опыта принимают момент начала стекания реакционной массы из гидрозатвора в кубовую емкость 2. В течение опыта периодически фиксируют температуру кипения кубовой жидкости и заносят в таблицу. Момент окончания первой стадии процесса, в зависимости от задания, может определяться двумя способами:

• по достижении заданной температуры кипения кубовой жидкости;

• по истечении заданного времени реакции.

По завершении стадии альдольной конденсации выключают колбонагреватель 1и охлаждают кубовую жидкость до 4045С.

После достаточного охлаждения реакционной массы на установке заменяют реактор 4и обратный холодильник6на оснастку для простой перегонки, используя прежнюю кубовую емкость. Через кран3сливают реакционную массу, оставшуюся в реакторе, в кубовую емкость2.

Катализатор второй стадии (5–6 г щавелевой кислоты) вводят непосредственно в кубовую емкость 2, заменяют термометр9на стеклянную шлифованную пробку и надежно фиксируют ее. Включают колбонагреватель1и приступают к дегидратации диацетонового спирта.

Вначале собирается легкая фракция, содержащая главным образом ацетон. Критерием перехода к сбору второй — целевой — фракции является начало конденсации гетероазеотропной смеси. Обычно (но необязательно!) это происходит при температуре конденсации паров 80–90С. Отгонка целевой фракции обычно заканчивается при температуре конденсации 132–134С. Часто в конце отгонки второй фракции капля конденсата на шарике термометра становится окрашенной. При продолжении отгонки капля высыхает, а на шарике термометра появляются кристаллы щавелевой кислоты, окрашенные продуктами осмоления.

Целевую фракцию, содержащую две фазы, разделяют в делительной воронке, взвешивают оба слоя. Для улучшения фазоразделения может быть использовано высаливающее действие электролита, например, сульфата натрия. Целевой продукт — окись мезитила — содержится в верхнем органическом слое. Этот слой сушат над прокаленным сульфатом магния или натрия и при необходимости (по заданию преподавателя) подвергают ректификации.

Определяют показатель преломления n_D²⁰и бромное число полученного продукта. Характеристики вносят в таблицу сравнения с литературными и расчетными (теоретическими) данными. Формулируют вывод о степени чистоты полученного продукта.

На основании результатов опыта составляют материальный баланс процесса.

Современная технология производства окиси мезитила и продуктов ее переработки представлены в литературе [⁷, с. 246].