Otrzymywanie węglanu trimetylenu Metody syntezy węglanu trimetylenu Opracowane przez zespół: Mateusz Drzewicz, Mariusz Brzeziński, Radosław Brzeziński, Patrycja Gajowiec, Agata Mieżaniec. Opiekun zespołu: dr inż. Mariusz Tryznowski Węglan trimetylenu (TMC, 1,3-dioksan-2-on) jest cyklicznym związkiem o sześcioczłonowym pierścieniu. Jest on wykorzystywany jako monomer w reakcjach polimeryzacji z otrzymaniem oligowęglanodioli służących z kolei do produkcji poliuretanów. TMC staje się coraz bardziej popularnym monomerem ze względu na łatwość jego polimeryzacji z otwarciem pierścienia oraz fakt, iż w celu otrzymania oligomerów o niewielkim ciężarze cząsteczkowym (do 2500) polimeryzację można prowadzić bez katalizatora w podwyższonej temperaturze. Właściwości produktu: Masa cząsteczkowa: 102,09 g/mol Stan skupienia: stały Tg = -17°C Ttop = 45-46 °C Twrz = 240 °C Gęstość: 1,23 g/cm3 (jako ciecz) W toku naszych badań spośród znalezionych metod wybraliśmy dwie najkorzystniejsze do otrzymywania węglanu trimetylenu w skali przemysłowej. Metoda I: Zalety i wady Metody I: + tanie, ogólnodostępne reagenty + metoda przyjazna środowisku + zadowalająca wydajność reakcji + reakcje przebiegają w umiarkowanie wysokich temperaturach - mnogość etapów powoduje bardzo długi czas produkcji, wysokie koszty energetyczne oraz dość duże straty Metody syntezy węglanu trimetylenu 1. 2. Zalety i wady Metody II: + bardzo duża wydajność i selektywność reakcji + względnie łagodne warunki procesu + bardzo korzystna z punktu widzenia ekologii + niedługi sumaryczny czas prowadzenia procesu + zużywa stosunkowo niedużo energii + praktycznie nie generuje produktów ubocznych/odpadów + nieduży wymagany zestaw aparatury - stosunkowo drogie reagenty - brak dokładnych badań na skalę przemysłową Schemat ideowy Metody I: Charakterystyka produkcji: a) Polikondensacja: T = ok. 70 °C, potem ok. 100 °C p = 760 Tr, pod koniec reakcji ok. 1-2 Tr b) Depolimeryzacja: T = 130 ˜°C p = 1-2 Tr Ostateczna wydajność TMC: 71% Metoda 1 Metoda 2 Analiza oddziaływań procesów i reagentów na środowisko naturalne oraz na człowieka: W Metodzie I do syntezy wykorzystywany jest DMC, który jest substancją szkodliwą i wysoce łatwopalną, 1,3-propanodiol, który nie jest substancją niebezpieczną, oraz octan cynku będący substancją drażniącą i niebezpieczną dla środowiska wodnego. Powstający TMC jest szkodliwy po dostaniu się do oczu i po spożyciu, w innych przypadkach nie jest substancją niebezpieczną. W Metodzie II do syntezy wykorzystuje się oksetan, który jest substancją wysoce łatwopalną, ponadto działa szkodliwie na drogi oddechowe, w kontakcie ze skórą i po połknięciu. Drugim substratem jest dwutlenek węgla, będący gazem cieplarnianym, jego wykorzystanie odbywa się więc z korzyścią dla środowiska. Bromek tetrabutyloamoniowy nie jest substancją niebezpieczną, zaś acetyloacetonian wanadylu działa drażniąco na oczy. Metoda II 1. Ostatecznie wybrano Metodę I jako najkorzystniejszą metodę przemysłowego otrzymywania TMC. Przemawia za nią szereg czynników: jest ekologiczna, dość wydajna stosunkowo niedroga i nieskomplikowana. Wprawdzie Metoda II jest bardziej wydajna i prostsza, jednak obecne ceny substratu jakim jest oksetan oraz trudności w jego syntezie na skalę przemysłową są na tyle duże, iż nie opłaca się wykorzystywać tej metody do przemysłowego pozyskiwania TMC, który jest tańszy od oksetanu. Tak więc dopóki nie zostanie opracowany sposób wydajnego i taniego otrzymywania oksetanu, metoda ta nie będzie miała zastosowania w przemyśle. Schemat ideowy Metody II: Charakterystyka produkcji: T = 60 °C p = 35 bar Wydajność reakcji: 95% Selektywność reakcji: 100% Literatura: 1. D. J. Darensburg et al., A facile catalytic synthesis of trimethylene carbonate from trimethylene oxide and carbon dioxide, 2010 2. A. Ossowska, Use of biscyclic six-membered carbonates as crosslinking monomers for obtaining polymers with regulated time of biodegradation, 2010 3. K. Tomczyk et al., Oligowęglanodiole otrzymywane z „zielonych monomerów” węglanowych jako segmenty miękkie poliuretanów, 2010 4. M. Mazurek, Poly(carbonate-urethanes) with shape-memory properties, 2010