Microwave-assisted and acid-catalyzed epoxidation of oleic acid in the presence of peracetic acid and cation exchange resin

Abstract

ABSTRACT: In recent years, the interest in developing environmentally friendly processes and replacing petroleum-derived materials has increased tremendously. For this reason, research into chemical components available in biomass is of high actuality. Biomass is a vast resource of interesting molecules that can be transformed into valuable products. Vegetable oils are renewable chemical components that can be modified chemically or enzymatically. The double bonds fatty acids can be used to introduce new functional groups such as epoxides. Epoxidized fatty acids have widespread applications as plasticizers, alcohols, glycols, olefinic compounds and stabilizers for polymers. Moreover, they seem to be potential intermediates for the synthesis of high-temperature lubricants and their products as low-temperature lubricants. An extensive series of oleic acid epoxidation experiments was carried out in a laboratory-scale reactor system. Most experiments were carried out in a 250 ml isothermal and isobaric glass reactor, whereas some were performed in a smaller 100 ml reactor. The reactors were either heated conventionally or by microwaves. In the case of microwave heating, the equipment was provided with a loop so that the mixture was pumped inside the microwave cavity and thus came into contact with the electromagnetic energy. With the aim of increasing the reaction rate, suppressing side reactions and improving the selectivity, some experiments were carried out in the presence of a cation exchange resin (Amberlite IR-120) catalyst. The goal of this work was to study and reveal the effect of reactant, molar ratio, microwave irradiation, conventional heating, amount of resin catalyst and reaction temperature on the epoxidation of oleic acid. The results revealed that by the combination of microwave irradiation and Amberlite resin catalyst, a higher oxirane yield can be achieved at a lower temperature.

RESUMEN: En los últimos años ha habido un enorme interés en desarrollar procesos que sean respetuosos con el medioambiente, así como buscar sustitutos de derivados del petróleo. Por este motivo, están de actualidad las investigaciones relacionadas con componentes químicos presentes en biomasa. La biomasa es un amplio recurso que contiene moléculas interesantes que se pueden transformar en productos valiosos. Los aceites vegetales son componentes químicos renovables que pueden ser modificados química o enzimáticamente. Los dobles enlaces de los ácidos grasos se pueden utilizar para introducir nuevos grupos funcionales tales como epóxidos. Los ácidos grasos epoxidados tienen amplias aplicaciones como plásticos, alcoholes, glicoles, compuestos olefínicos y estabilizadores para polímeros. Por otra parte, son potenciales productos intermedios para la síntesis de lubricantes de alta temperatura y sus productos como lubricantes de baja temperatura. Se ha llevado a cabo un extenso número de experimentos en los que se realizaba la epoxidación del ácido oleico y para ello se ha usado un reactor a escala de laboratorio. La mayor parte de los experimentos se llevaron a cabo en un reactor de vidrio isotermo e isobárico con una capacidad de 250ml mientras el resto se llevó a cabo en un reactor más pequeño de 100ml. Los reactores se calentaron de forma convencional o usando microondas. En el caso de calentamientos usando microondas, el equipo disponía de un bucle de tal manera que la mezcla era bombeada a través de la cavidad donde se irradiaban las ondas electromagneticas. Con el propósito de incrementar la velocidad de reacción, eliminar las reacciones secundarias y mejorar la selectividad, algunos experimentos se llevaron a cabo usando una resina de intercambio catiónico (Amberlite IR-120) como catalizador. El objetivo de este trabajo fue estudiar y revelar el efecto de reactivo, relación molar, irradiación de microondas, calentamiento convencional, cantidad de catalizador y temperatura de reacción en la epoxidación del ácido oleico. Los resultados mostraron que con la combinación de microondas y catalizador, se consiguió un mayor rendimiento de oxirano con menor temperatura.

YHTEENVETO: Under de senaste åren har intresset för utveckling av miljövänliga processer och ersättande av petroleumbaserade material ökat dramatiskt. Pga. detta har forskningen av kemiska komponenter som finns tillgängliga i biomassa aktualiserats. Biomassa utgör en enorm tillgång av intressanta molekyler som kan omvandlas till värdefulla produkter. Växtoljor är förnyelsebara kemiska komponenter som kan modifieras antingen kemiskt eller enzymatiskt. Dubbelbindningarna i fettsyror kan användas för att introducera funktionella grupper som t.ex. epoxider. Epoxiderade fettsyror har omfattande tillämpningar i form av plasticerare, alkoholer, glykoler, olefiniska komponenter samt stabilisatorer för polymerer. Dessutom är epoxiderade fettsyror potentiella intermediärer för syntes av biobaserade smörjmedel. Epoxideringsreaktionen genomförs i ett heterogent system. Oljesyra används som modellkomponent, väteperoxid som oxidationsmedel och ättiksyra som katalysator. I vattenfasen bildas perättiksyra i en reaktion mellan väteperoxid och ättiksyra, varefter den överförs till den organiska fasen, där den reagerar med oljesyra. Syreatomen i perättiksyran reagerar med dubbelbindningen i fettsyran. En oxiranring bildas i reaktionen och den regenerade ättiksyran återvänder till vattenfasen, där den igen reagerar med väteperoxid varvid perättiksyra bildas. De flesta experimenten genomfördes i en 250 ml:s isobarisk och isotermisk glasreaktor, medan några experiment genomfördes i en 100 ml:s reaktor. Reaktorerna uppvärmdes antingen konventionellt eller med mikrovågor. Då mikrovågsuppvärmning tillämpades, försågs anläggningen med ett återcirkulationssystem så att reaktionsblandningen kunde pumpas in i en mikrovågskavitet och därmed bringas i kontakt med elektromagnetisk energi. För att öka reaktionshastigheten, undertrycka bireaktioner och förbättra selektiviteten, utfördes några experiment i närvaro av en fast katalysator, nämligen katjonbytare Amberlite IR-120. Målet med detta diplomarbete var att studera effekten av reaktantmolförhållanden, mikrovågsstrålning, konventionell uppvärmning, mängden av jonbytarhartskatalysator och reaktionstemperaturen på epoxidering av oljesyra. Resultaten visade att ett högre utbyte av oxiran kan uppnås vid lägre temperaturer än tidigare genom att kombinera mikrovågsstrålning med Amberlite-jonbytarhartskatalysator.