Neopentyyliglykolin ja propionihapon välisen esteröintireaktion kinetiikka

Abstract

Glykolien esterit ovat haluttuja pintareaktiivisia aineita. Niitä voidaan valmistaa esteröintireaktiolla karboksyylihappojen kanssa katalyytin läsnä ollessa, jolloin toivottu reaktiotuote on yleensä muodostuva monoesteri. Monoesterin saannon lisäämiseksi reaktiossa muodostuvaa vettä voidaan poistaa jatkuvasti reaktiosta. Reaktion tasapainotilan tutkiminen on kuitenkin tärkeää, jotta reaktion kinetiikka tunnettaisiin mahdollisimman hyvin. Tällöin reaktiotuotteita ei poisteta reaktioseoksesta reaktion aikana. Glykolit esteröityvät happojen kanssa kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa muodostuu monoesteriä ja vettä ja toisessa vaiheessa diesteriä ja vettä. Kokeiden perusteella ensimmäinen vaihe on selvästi toista vaihetta nopeampi reaktio. Kirjallisuudessa on esitetty myös kaksi sivureaktiota, transesteröityminen ja disproportionaatio. Reaktion kinetiikka voidaan kuvata ilman näitä pieniä sivureaktiota, mutta täydellisen kuvaamisen vuoksi on ne myös otettava huomioon. Reaktion kinetiikan tutkimiseksi suoritettiin viisi laboratoriokoetta eri lämpötiloissa neopentyyliglykolilla ja propionihapolla homogeenisen para-tolueenisulfonihapon toimiessa katalyyttina. Lähtöaineiden ja tuotteiden konsentraatioita seurattiin ajan funktiona ja saatujen tulosten perusteella sovitettiin reaktiomekanismin differentiaaliyhtälöiden reaktionopeusvakiot. Nopeusvakioiden lämpötilariippuvuutta tutkittiin Arrheniuksen yhtälön avulla. Lisäksi määritettiin tasapainovakiot kullekin osareaktiolle.

Glycol esters are desired fugitive coalescing agents in many coating applications. They can be produced by esterification with carboxylic acids in the presence of a catalyst, when the desired reaction product is usually monoester. The production of monoester can be increased by the removal of forming water. In order to fully understand the kinetics of the reaction it is important to know the reaction equilibrium state in which case reaction products are not removed from the reaction mixture during the reaction. The esterification of glycols with acids occurs in two steps. The first step is the forming of the monoester and the second is the forming of the diester. Based on experimental studies the first step of the esterification is a lot faster reaction than the second step. Two smaller side reactions, transesterification and disproportionation, are shown in literature to occur in the reaction. The reaction kinetics can be described without the side reactions but to completely describe the reaction kinetics they need to be included as well. To study the reaction kinetics of the esterification, five laboratory experiments were conducted in different temperatures with neopentyl glycol and propionic acid in the presence of homogenic para-toluene sulfonic acid as a catalyst. Concentrations of the reactants and reaction products were observed as a function of time and the reaction rate coefficients of differential equations of the reaction mechanism were fitted based on the experiments. Temperature dependence of the coefficients were studied with Arrhenius law. Reaction equilibriums were calculated as well.