chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2019-15-1-55-61chemicallytech-1589Research ArticleCHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF ORGANIC SUBSTANCESХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВInvestigation of propylene carbonate synthesis regularities by the interaction of propylene glycol with carbamideИзучение закономерностей синтеза пропиленкарбоната взаимодействием пропиленгликоля с карбамидомhttps://orcid.org/0000-0002-8399-6231СулимовА. В.SulimovA. V.

Сулимов Александр Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры «Химические и пищевые технологии». Scopus Author ID 56497239500, ResearcherID K-5437-2015

606000, Россия, Нижегородская обл., г. Дзержинск, ул. Гайдара, д. 49

Aleksandr V. Sulimov, Dr. of Sci. (Engineering), Professor, Department of Chemical and Food Technologies. Scopus Author ID 56497239500, ResearcherID K-5437-2015

49, Gaidara ul., Dzerzhinsk, Nizhny Novgorod oblast, 606000

epoxide@mail.ruОвчароваА. В.OvcharovaA. V.

Овчарова Анна Владимировна, кандидат химических наук, доцент кафедры «Химические и пищевые технологии». Scopus Author ID 55263080200

606000, Россия, Нижегородская обл., г. Дзержинск, ул. Гайдара, д. 49

Anna V. Ovcharova, Cand. of Sci. (Chemistry), Associate Professor, Department of Chemical and Food Technologies. Scopus Author ID 55263080200

49, Gaidara ul., Dzerzhinsk, Nizhny Novgorod oblast, 606000

КравченкоГ. М.KravchenkoG. M.

Кравченко Григорий Михайлович, магистрант кафедры «Химические и пищевые технологии».

606000, Россия, Нижегородская обл., г. Дзержинск, ул. Гайдара, д. 49

Grigory M. Kravchenko, Master Student, Department of Chemical and Food Technologies.

49, Gaidara ul., Dzerzhinsk, Nizhny Novgorod oblast, 606000

https://orcid.org/0000-0003-4417-884XСулимоваЮ. К.SulimovaYu. K.

Сулимова Юлия Константиновна, магистрант кафедры «Химические и пищевые технологии».

606000, Россия, Нижегородская обл., г. Дзержинск, ул. Гайдара, д. 49

Yulia K. Sulimova, Master Student, Department of Chemical and Food Technologies.

49, Gaidara ul., Dzerzhinsk, Nizhny Novgorod oblast, 606000

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. AlekseevRussian Federation2020210320201515561Copyright © Sulimov A.V., Ovcharova A.V., Kravchenko G.M., Sulimova Y.K., 20202020Сулимов А.В., Овчарова А.В., Кравченко Г.М., Сулимова Ю.К.Sulimov A.V., Ovcharova A.V., Kravchenko G.M., Sulimova Y.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1589Objectives

Objectives. Cyclic carbonates are important products of organic synthesis, which are widely used as solvents, catalysts, and reagents for the production of various compounds (in particular, urethane-containing polymers) by the non-isocyanate method. The process of carbamide alcoholysis with polybasic alcohols is a promising method for the synthesis of cyclic carbonates. The purpose of this study is to determine the reaction conditions for the interaction of propylene glycol with carbamide in the presence of zinc acetate as a catalyst.

Methods

Methods. We conducted experiments to study the synthesis of propylene carbonate in a batch laboratory apparatus. Moreover, we analyzed the starting reagents and final products using gas–liquid chromatography.

Results

Results. We studied the synthesis of propylene carbonate by carbamide alcoholysis with propylene glycol in the presence of a catalyst (zinc acetate) by varying the following parameters: initial molar ratio of propylene glycol/carbamide = (0.5–5):1, synthesis temperature 130–190°С, reagent residence time in the reactor 0.5–4 h, and the catalyst amount in the reaction mixture 0–1.5 wt %.

Conclusions

Conclusions. We determined the technological parameters of propylene carbonate synthesis in a batch reactor. Moreover, we showed that the process allowed the production of propylene carbonate with a sufficiently high yield of 80%—at the initial molar ratio of propylene glycol/ carbamide = 3:1, temperature 170°C, and residence time 2 h.

Цели

Цели. Циклические карбонаты являются важными продуктами органического синтеза, которые находят широкое применение в качестве растворителей, катализаторов и реагентов для получения ряда соединений, в частности, уретансодержащих полимеров неизоцианатным методом. Одним из перспективных методов их синтеза является процесс алкоголиза карбамида многоосновными спиртами. Цель данной работы – определение условий реакции взаимодействия пропиленгликоля с карбамидом в присутствии ацетата цинка в качестве катализатора.

Методы

Методы. Экспериментальное исследование процесса синтеза пропиленкарбоната на лабораторной установке периодического действия. Анализ исходных реагентов и полученных продуктов с использованием газожидкостной хроматографии.

Результаты

Результаты. Изучены закономерности получения пропиленкарбоната алкоголизом карбамида пропиленгликолем в присутствии катализатора (ацетата цинка) при варьировании основных параметров процесса в следующих диапазонах: начальное молярное соотношение реагентов пропиленгликоль/карбамид составляло (0.5–5):1, температура синтеза 130–190 °С, время пребывания реагентов в реакторе 0.5–4 ч, содержание катализатора в реакционной смеси 0–1.5 масс. %.

Выводы

Выводы. Рекомендованы технологические параметры синтеза пропиленкарбоната, протекающего в реакторе периодического действия. Показано, что осуществление процесса при начальном молярном соотношении пропиленгликоля и карбамида 3:1, при температуре 170 °С и времени пребывания 2 ч позволяет получать пропиленкарбонат с достаточно высоким выходом – 80%.

циклокарбонатыпропиленкарбонатпропиленгликолькарбамидкатализcyclocarbonatespropylene carbonatepropylene glycolcarbamidecatalysisThis article has been translated into English by S. Durakov and edited for English language and spelling by Enago, an editing brand of Crimson Interactive Inc.ReferencesShaikh A.G., Sivaram S. Organic Carbonates. Chem. Rev. 1996;96(3):951-976. https://doi.org/10.1021/cr950067iShaikh A.G., Sivaram S. Organic Carbonates. Chem. Rev. 1996;96(3):951-976. https://doi.org/10.1021/cr950067iDebotton N., Dahan A. Applications of Polymers as Pharmaceutical Excipients in Solid Oral Dosage Forms. Med. Res. Rev. 2017;37(1):52-97. https://doi.org/10.1002/med.21403Debotton N., Dahan A. Applications of Polymers as Pharmaceutical Excipients in Solid Oral Dosage Forms. Med. Res. Rev. 2017;37(1):52-97. https://doi.org/10.1002/med.21403Zhou J., Dongfang W., Zhang B., Guo Y. Synthesis of propylene carbonate from urea and 1,2-propylene glycol over metal carbonates. Chem. Ind. Chem. Eng. Q. 2011;17(3):323-331. https://doi.org/10.2298/CICEQ101123018ZZhou J., Dongfang W., Zhang B., Guo Y. Synthesis of propylene carbonate from urea and 1,2-propylene glycol over metal carbonates. Chem. Ind. Chem. Eng. Q. 2011;17(3):323-331. https://doi.org/10.2298/CICEQ101123018ZSuib S.L. (Ed.) New and Future Developments in Catalysis. Elsevier: Amsterdam; 2013. 478 p. ISBN 978-0-444-53882-6Suib S.L. (Ed.) New and Future Developments in Catalysis. Elsevier: Amsterdam; 2013. 478 p. ISBN 978-0-444-53882-6Darensbourg D.J., Holtcamp M.W. Catalysts for the reactions of epoxides and carbon dioxide. Coord. Chemi. Rev. 1996;153:155-174. https://doi.org/10.1016/0010-8545(95)01232-XDarensbourg D.J., Holtcamp M.W. Catalysts for the reactions of epoxides and carbon dioxide. Coord. Chemi. Rev. 1996;153:155-174. https://doi.org/10.1016/0010-8545(95)01232-XShukla K., Srivastava V.C. Synthesis of organic carbonates from alcoholysis of urea: A review. Catal. Rev. 2017;59(1)1-43. https://doi.org/10.1080/01614940.2016.1263088Shukla K., Srivastava V.C. Synthesis of organic carbonates from alcoholysis of urea: A review. Catal. Rev. 2017;59(1)1-43. https://doi.org/10.1080/01614940.2016.1263088Aresta M., Dibenedetto A. Utilisation of CO<sub>2</sub> as a chemical feedstock: opportunities and challenges. Dalton Transactions. 2007;28:2975-2992. https://doi.org/10.1039/B700658FAresta M., Dibenedetto A. Utilisation of CO<sub>2</sub> as a chemical feedstock: opportunities and challenges. Dalton Transactions. 2007;28:2975-2992. https://doi.org/10.1039/B700658FMikkelsen M., Jorgensen M., Krebs F.C. The teraton challenge. A review of fixation and transformation of carbon dioxide. Energ. Environ. Sci. 2010;3(1)43-81. https://doi.org/10.1039/B912904AMikkelsen M., Jorgensen M., Krebs F.C. The teraton challenge. A review of fixation and transformation of carbon dioxide. Energ. Environ. Sci. 2010;3(1)43-81. https://doi.org/10.1039/B912904ADasari M.A., Kiatsimku P.-P., Sutterlin W.R., Suppes G.J. Low-pressure hydrogenolysis of glycerol to propylene glycol. Appl. Catal. A-G. 2005;281(1):225-231. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2004.11.033Dasari M.A., Kiatsimku P.-P., Sutterlin W.R., Suppes G.J. Low-pressure hydrogenolysis of glycerol to propylene glycol. Appl. Catal. A-G. 2005;281(1):225-231. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2004.11.033Maris E.P., Davis R.J. Hydrogenolysis of glycerol over carbon-supported Ru and Pt catalysts. J. Catal. 2007;249(2):328-337. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2007.05.008Maris E.P., Davis R.J. Hydrogenolysis of glycerol over carbon-supported Ru and Pt catalysts. J. Catal. 2007;249(2):328-337. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2007.05.008Xiu Z.-L., Zeng A.-P. Present state and perspective of downstream processing of biologically produced 1,3-propanediol and 2,3-butanediol. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2008;78(6):917-926. https://doi.org/10.1007/s00253-008-1387-4Xiu Z.-L., Zeng A.-P. Present state and perspective of downstream processing of biologically produced 1,3-propanediol and 2,3-butanediol. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2008;78(6):917-926. https://doi.org/10.1007/s00253-008-1387-4Sulimov A.V., Ovcharova A.V., Ovcharov A.A., Ryabova T.A., Kravchenko G.M., Lysanov S.A. Synthesizing cyclic carbonates from olefin oxides and carbon dioxide. I: Catalysis with ionic liquids. Catalysis in Industry. 2016;8(4):300-309. https://doi.org/10.1134/s2070050416040103Sulimov A.V., Ovcharova A.V., Ovcharov A.A., Ryabova T.A., Kravchenko G.M., Lysanov S.A. Synthesizing cyclic carbonates from olefin oxides and carbon dioxide. I: Catalysis with ionic liquids. Catalysis in Industry. 2016;8(4):300-309. https://doi.org/10.1134/s2070050416040103Decortes A., Castilla A.M., Kleij A.W. SalenComplex-Mediated Formation of Cyclic Carbonates by Cycloaddition of CO<sub>2</sub> to Epoxides. Angew. Chem. Int. Ed. 2010;49(51):9822-9837. https://doi.org/10.1002/anie.201002087Decortes A., Castilla A.M., Kleij A.W. SalenComplex-Mediated Formation of Cyclic Carbonates by Cycloaddition of CO<sub>2</sub> to Epoxides. Angew. Chem. Int. Ed. 2010;49(51):9822-9837. https://doi.org/10.1002/anie.201002087Sheng, X., Guo H., Qin Y., Wang X., Wang F. A novel metalloporphyrin-based conjugated microporous polymer for capture and conversion of CO<sub>2</sub> . RSC Advances. 2015;5(40):31664-31669. https://doi.org/10.1039/C4RA16675BSheng, X., Guo H., Qin Y., Wang X., Wang F. A novel metalloporphyrin-based conjugated microporous polymer for capture and conversion of CO<sub>2</sub> . RSC Advances. 2015;5(40):31664-31669. https://doi.org/10.1039/C4RA16675BLi Q., Zhao N., Wei W., Sun Y. Catalytic performance of metal oxides for the synthesis of propylene carbonate from urea and 1,2-propanediol. J. Mol. Catal. A-Chem. 2007;270(1):44-49. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2007.01.018Li Q., Zhao N., Wei W., Sun Y. Catalytic performance of metal oxides for the synthesis of propylene carbonate from urea and 1,2-propanediol. J. Mol. Catal. A-Chem. 2007;270(1):44-49. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2007.01.018Zhao X., Sun N., Wang S., Li F. Synthesis of Propylene Carbonate from Carbon Dioxide and 1,2-Propylene Glycol over Zinc Acetate Catalyst. Ind. Eng. Chem. Res. 2008;47(5):1365-1369. https://doi.org/10.1021/ie070789nZhao X., Sun N., Wang S., Li F. Synthesis of Propylene Carbonate from Carbon Dioxide and 1,2-Propylene Glycol over Zinc Acetate Catalyst. Ind. Eng. Chem. Res. 2008;47(5):1365-1369. https://doi.org/10.1021/ie070789nGurvich L.V., Veyts I.V., Medvedev V.A. Thermodynamic properties of individual substances. Vol. 1, part 1. New York, United States: 1989. 551 p.Gurvich L.V., Veyts I.V., Medvedev V.A. Thermodynamic properties of individual substances. Vol. 1, part 1. New York, United States: 1989. 551 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.