Исследование и получение соединений карбоновых кислот из смол узгенских углей

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

Известно, что из угля Сергеевского месторождения выделены две представительные группы органических кислот [1]. Первая — это карбоновые кислоты, содержащиеся в растворимой фракции угля (битумах). Вторая группа включает гуминовые кислоты, извлекаемые из остатка угольного вещества, нерастворимого в органических экстрагентах. Анализ группового состава свободных кислот свидетельствует о преимущественном значении насыщенных соединений нормального строения, более 50% которые приходится на карбоновые структуры С 8 –С 18 . Среди них преобладают кислоты, содержащие четное число углеродных атомов, однако доминирующую роль играет нечетный гомолог С 9 . В малых количествах присутствуют дикарбоновые кислоты изо-строения, ароматические соединения данной фракции представлены кислотами.

Выделение карбоновых кислот и других совместно полученных соединений проводим по методикам, описанным в работе [2]. Выделенную смесь карбоновых кислот растворяли в диэтиловом эфире (0,5–1,0 мл эфира на 1–2 мг смеси кислот) добавляем несколько капель метилового спирта и затем по каплям раствор диазометана, пока смесь не окрашивалось в желтый цвет. Смесь выдерживаем в течение 30 мин при комнатной температуре, после чего растворитель удаляем, пропуская через раствор окисления [3].

Смола узгенского угля отличается высоким содержанием воды. В смоле также содержится механические примеси. Определение содержание карбоновых кислот из смолы проводили по методике Стадникова.

Для определения карбоновых кислот эфирный раствор смолы переливали в делительную воронку емкостью 500 мл и туда же приливали 40–50 см³ NaHCO 3 . После чего смесь 3–4 раза не слишком энергично встряхивали и давали отстоять в течение 5 мин. Оставшихся нижний водный раствор натриевых солей органических кислот, сливали в колбу Эрленмейера емкостью 500 мл. Операцию извлечение карбоновых кислот повторяли 2 раза подобным же образом. Собранный от всех трех промывок содовой раствор экстрагировали серной кислотой. Эфирный слой возвращали в делительную воронку, а сам раствор осторожно обрабатывали 10% раствором серной кислоты. Промывали серным эфиром, отгоняли эфир на водяной бане.

Органические соединение, содержание в качестве функциональной группы карбоксил ♦ О с ₊

) носит название карбоновых кислот. В зависимости от характера радикала, с которым связана карбоксильная группа, различают кислоты предельные, непредельные, ароматические и др. По числу имеющихся в молекуле карбоновых групп их подразделяют на односновные, двухосновные и т. д.

Как в случае других функции, природа радикала, число и взаимное положение карбоксильных групп оказывают определенное влияние на свойства кислот, но все же они в первую очередь определяются функциональной группой [4].

о

—с

Рассматривая строение карбоксильной группы     он можно увидеть, что формально оно является комбинацией двух уже рассмотренных функциональных групп-карбонильной и карбоксильной. Однако карбоксил не простая сумма двух упомянутых групп, это новая функция, со своими характерными свойствами, в которых ими отдаленно отражаются особенности «составных частей». Находясь в близком соседстве, группировки С=О и ОН друг на друга сильное взаимное влияние, общий характер которого можно предвидеть на основании того, что нам уже известно о группах С=О и О-Н.

Так становится понятной важнейшая химическая особенность соединений, содержащих карбоксильную функцию — проявление ими свойств кислот [5].

Экспериментальная часть

Для получения соединений карбоновых кислот, полученных из смол Узгенского угольного месторождения [2], предварительно сделали качественный и количественный анализ карбоновых кислот (уксусная кислота).

• 1.    Качественный анализ

• а)    Взаимодействие растворимых карбоновых кислот с гидрокарбонатом натрия

приводит к выделению углекислого газа. Для этого берем 5 мл карбоновой кислоты, туда добавляем 0,5 г Na 2 CO 3 , бурно выделяется узгенский газ, на газовую трубку опускаем водный раствор гашенной извести, образуется мутный белый раствор.

• 1)    Na 2 Co 3 +2HCOOH=2HCOONa+CO 2 ↑+H 2 O

• 2)    Ca(OH) 2 +CO 2 =CaCO 3 + H 2 O

• б)    На карбоновые кислоты опускаем универсальный индикатор, который дает розовый цвет, лакмусовая бумага красный цвет, карбоновые кислоты обладают кислотными свойствами.

• в)    Карбоновые кислоты    также можно определить путем идентификации по

• 2.    Количественный анализ.

температуре. Для этого берем термостойкий стакан туда наливаем 50 мл карбоновой кислоты, ставим на плитку, который соединен терморегулятором ТКП-160-СЧ-М1, тогда увлажненный термометр показывает t пл — 16,75 °С, а температура кипения — t кип = 118 °С.

Для определения содержания карбоновых кислот титрование в неводных средах проводили с потенциометрическим методом с использованием в качестве индикаторного стеклянного электрода. В качестве электрода (для сравнения) применяли хлор серебряный электрод, и как электролитический мост, заполненный насыщенный раствор калия хлорида (это предотвращает попадание воды в титруемый раствор и возрастание электрического сопротивления моста в процессе титрования). Для эксперимента использовали универсальный pН метр ЭВ-74. Для проведения эксперимента сначала универсальный pН метр калибровали стандартными буферными раствором pН 1,65 и pН 9,18 при 20 °С температуре [6–7].

Для анализа берем 25 мл исследуемой пробы и титрируем раствором NaOH до значения pН 8,1, и записываем объем раствора, прошедший на титрование.

Обработка результатов

Сделаем расчет по следующей формуле:

V1 • C • M x=^

где V 1 — объем раствора гидроксида натрия прошедший на титрование, см³; С — точная концентрация раствора гидроксид натрия (NaOH) моль/дм³; V 0 — объем пробы образца взятый на титрование (как правило 25 см³) см³; М — Молярная масса г/моль равная для уксусной кислоты (М1/2 СН 3 СООН) = 60,50;

^ 1

V1 • C • M

V o

96^1,0^60,50

232,32 г\л

^ 2

98 • 1,0 • 60,50

= 237,16 г\л

^ 3

95^1,0^60,50

= 229,9 г\л

Хср = 233,11 г\л

1-й эксперимент. Получение ацетата натрия из карбоновых кислот.

В пробирку наливаем 0,5 мл из полученных карбоновых кислот [2] и добавляем 0,5 мл 10% раствора гидроксида натрия (NaOH), тогда происходит реакция нейтрализации с легким образованием солей, т. е. замена кислотного водорода на металл.

СНз-С^ +NaOH= СНз-С^ + Н2О ОН              ONa

Полученный раствор сушили в водяной бане после этого сушили в сушильном шкафе при температуре 110 °С [8–9].

Карбоновая кислота и их соли применяются в медицине для консервирования продукт, и краски для текстильных изделий.

2-й эксперимент. Получение уксусно-этиловый эфир из карбоновых кислот из бурого угля Узгенского месторождения.

На колбу Вюрса с емкостью 100 мл наливаем 2,5 мл этиловый спирт. Добавляем 2,5 мл концентрированной серной кислоты (Н 2 SO 4 ) Хорошо перемешивают, колбу отпускают на водяную баню, закрепляют капельную воронку и соединяют водяной холодильник для перегонки низко кипящих жидкостей, и аллонжи и коническая колба для получения жидкостей. Водяная баня нагревают до 140 °С, через капельную воронку медленно капает 20 мл раствор этилового спирта и полученная карбоновая кислота [2] (1:1). Полученный жидкость (этиловый эфир) поступают на коническую колбу. Проверяем излишки карбоновой кислоты лакмусовой бумагой, добавляем раствор соды, чтобы получить чистый этиловый эфир, в водяной бане нагреваются при температуре 77–78 °С. Сделанный химический процесс называют реакцией этерификация.

СН3—сГ +СгН5ОН--2—^ СНзСГ       +НгО он                  О—с2Н5

Уксусно-этиловый эфир применяются для получения мыла — синтетические моющие средства [9].

Для получения уксусно-этиловый эфир сделана следующая установка, представленная на Рисунке 1 и схема эксперимента — на Рисунке 2.

Рисунок 1. Лабораторная установка для получения уксусноэтилового эфира из карбоновых кислот: 1 — водяная баня, (электроплитка), 2 — колба Вюрца, водяная баня, 3 — термометр, 4 — капельная воронка, 5 — холодильник, 6 — аллонж, 7 — коническая колба.

Рисунок 2. Технологическая схема получения уксусноэтилового эфира из карбоновых кислот.

Выводы:

• 1.    Исследован и получен ацетат натрия из карбоновых кислот из угольной смолы Узгенского бурого угля, методом нейтрализации, сушили и получили кристаллы.

• 2.    Выполнен качественный и количественный анализ по определению уксусной кислоты.

• 3.    Получен уксусно-этиловый эфир из карбоновых кислот из смолы Узгенского бурого угля низкокипящим перегонным методом и экспериментально проверен избыток карбоновых кислот и азеотропных веществ. Выполнена повторная очистка полученных веществ и получен уксусноэтиловый эфир при температурном режиме 77–78 °С.