Производство тиенилкарбазол α – цианокрелата
Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский Федеральный Университет Б.Н. Ельцина
Кафедра технологии органического синтеза
Оценка проекта
Члены комиссии:
Производство тиенилкарбазол α – цианокрелата
Курсовой проект
Пояснительная записка
240401 26 36202 000 ПЗ
Руководитель
доцент, к.х.н Ю.О.Субботина
Нормоконтролер
доцент, к.х.н О.С. Ельцов
Студент: А.Ю.Тесленко
Группа: Х-580801 а
Екатеринбург
2012
Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский Федеральный Университет Б.Н. Ельцина
Кафедра технологии органического синтеза
«____»__________ 200_ г.
ЗАДАНИЕ
по курсовому проекту
Студент группы Х-580801а специальность 240401- Технология органических веществ
Фамилия Тесленко Имя Антон Отчество Юрьевич
Руководитель курсового проектирования Ю.О.Субботина., доцент, к.х.н.
Срок проектирования с________по___________________
Тема курсового проекта Произво дство тиенилкарбазол α – цианокрелата
- Содержание проекта Аналитический обзор литературы. Описание технологического процесса. Материальные расчёты. Тепловой расчет реактра. Технологическая схема производства.Чертеж реактора.
- Курсовое проектирование закончено_____________________
___________ - Оценка проекта_______________________
___________________________
Руководитель________________
Содержание
Реферат 4
Перечень листов графических документов 5
Условные обозначения
Введение 7
1. Аналитический обзор 8
1.1 Методы получения гидразонов 8
1.2 Химические свойства 9
1.2.1 Алкилирование 10
1.2.2 Ацилирование 11
1.2.3 Реакции с другими
1.2.3.1 Реакции с альдегидами и кетонами 14
1.2.3.2 Реакции α-галогенокетонов 15
1.2.4 Реакции производных 2-арилгидразоноацетгидразида 16
2. Схема синтеза 1-фенил-4-амино-
3. Описание технологического
3.1. Характеристика выпускаемой продукции 19
3.2. Характеристика сырья, материал
3.3. Описание технологического
3.3.1.ТП-1 получение соли диазония. 21
3.3.2.ТП-2 получение 2-циано-2-(
3.3.3.ТП-3 фильтрация 2-циано-2-(фенилгидразоно)-
3.3.4. ТП-4 сушка 2-циано-2-(фенилгидразоно)-
3.3.5. ТП-5 Взаимодействие
3.3.6. ТП-6 отделение органической фазы. 28
3.3.7. ТП-7 промывка органической фазы водой 30
3.3.8. ТП-8 промывка органической фазы уксусной кислотой 30
3.3.9. ТП-9 упаривание растворителя. 31
3.3.10. ТП-10 перекристаллизация 1-фенил-4-амино-5-(4-хлор-
3.3.11. ТП-11 фильтрация 1-фенил-4-амино-5-(4-хлор-
3.3.12. ТП-12 сушка 1-фенил-4-амино-5-(4-
3.4. Контроль производства
4.Материальный баланс. Схема производства
1-фенил-4-амино-5-(4-хлор-бенз
4.1 Объект расчета и исходные данные 40
4.1.1Масштаб расчета.
4.1.2Выходы по стадиям (узлам)
4.2 Расчет материального баланса
по узлам (стадиям
4.2.1 Получение соли диазония (узел 1) 42
4.2.2 Получение 2-циано-2-(
4.2.3 Фильтрация 2-циано-2-(фенилгидразоно)-
4.2.4 Сушка 2-циано-2-(
4.2.5 Получение
1-фенил-4-амино-5-(4-хлор-
4.2.6 Отделение органической фазы (узел 6) 51
4.2.7Промывка органической
4.2.8 Промывка органической фазы уксусной кислотой (узел 8). 55
4.2.9.ТП-9. Упаривание растворителя (узел 9) 56
4.2.10.Перекристаллизация 1-фенил-4-амино-5-(4-хлор-
4.2.11.Фильтрация 1-фенил-4-амино-5-(4-хлор-
4.2.12.Сушка пиразолкарбоксамида (узел 12) 60
4.3 Сводка расходных
5 Технологический расчет
5.1 Расчет основного оборудования 63
5.2. Расчет и выбор
5.2.1. Мерники 64
5.2.2. Сборники 65
5.2.3. Фильтры 66
5.2.4. Расчет объёмов хранилищ 66
5.2.5. сушильное оборудование
5.3. ведомость-спецификация
6. Тепловой баланс 72
6.1. Расчет теплоты исходных
6.2. Расчет теплового эффекта реакции диазотирования 74
6.3. Расчет тепла, теряемого при охлаждении аппарата 75
6.4. Расчет теплоты отводимой с хладогентом 76
6.5. Расчет поверхности теплообмена 76
7. Охрана окружающей среды и
экологическая безопасность
Заключение 81
Библиографический список 82
Реферат
Курсовой проект. Производство тиенилкарбазола α – цианокрелата.
Стр. 88, рис. 7, табл. 45, библиогр. назв 46.
В рамках данной работы составлен
аналитический обзор
Перечень листов графических документов
№ п/п |
Наименование документа |
Обозначение документа |
Формат |
1 |
Аппаратная схема |
240401 26 36202 001 ТС |
А1 |
2 |
Чертеж реактора |
240401 26 36202 002 СБ |
А1 |
Условные обозначения
А – анилин
А.Н. - ацетат натрия
Ацф-сп –
2-гидрокси-1-(4-хлорфенил)-
ГК – гидразонкарбоксамид
Г.к. – гидроксид калия
Комп – 2-цианоацетамид (компонента)
Летуч. – летучие
Н.Н – нитрит натрия
Осад. – осадок
Ост. – остаток
ПК - пиразолкарбоксамид
Прим. – примеси
Р.М – реакционная масса
С.Д – соль диазония
С.К – соляная кислота
У.К – уксусная кислота
Х.М. – хлористый метилен
Х.Н – хлорид натрия
Введение
Солнечные батареи, построенные по принципу Гретцеля, в сравнении с солнечными батареями на основе кремния обладают такими преимуществами как:
- дешевизна, органические красители стоят значительно дешевле чистого кремния
- простота в производстве, как самого красителя, так и солнечной батареи
- эргономичность
Ячейки Гретцеля имеют простую структуру, они состоят из двух электродов и йодсодержащего электролита. Один электрод состоит из высокопористого насыщенного красителем диоксида титана (TiO2), нанесённого на прозрачную электропроводящую подложку. Другим электродом является просто прозрачная электропроводящая подложка. Эффективность преобразования энергии в ячейке ещё не достигла уровня кремниевых солнечных батарей. В настоящее время она составляет около 10 %. Теоретически возможно достичь уровня в 33 % .[1]
|
Рис. 1 |
Солнечный свет поступает сквозь электропроводящий стеклянный электрод, насыщенный красителем, где поглощается. Когда краситель поглощает свет, один из электронов его молекулы переходит из основного состояния в возбуждённое состояние. Это явление называется “фотовозбуждение”. Возбуждённый электрон перемещается от красителя в зону проводимости TiO2. Переход происходит очень быстро; он занимает только 10−15секунды. В TiO2 электрон диффундирует через TiO2-плёнку, достигает стеклянного электрода и далее по проводнику стекает во второй электрод. Молекула красителя с потерей электрона окисляется. Восстановление молекулы красителя в первоначальное состояние происходит путём получение электрона от йодид-иона, превращая его в молекулу йода, которая в свою очередь диффундирует к противоположному электроду, получает от него электрон и снова становится йодид-ионом. По такому принципу цветосенсибилизированная солнечная батарея преобразует солнечную энергию в электрический ток, протекающий по внешнему проводнику.
Краситель, используемый в Ячейках Гретцеля должен соответствовать структуре D- π –A (донор - π-сопряжение - акцептор), роль донора, он же антенна, заключается в том, что он должен “улавливать” фотоны и при переходе молекулы в фотовозбужденное состояние отдавать электрон в π-сопряжение. Акцептор должен вытягивать на себя этот электрон и передавать его в зону проводимости TiO2. π-сопряжение должно осуществить транспорт электрона между донором и акцептором.
1. Аналитический обзор
1.1 Обоснование выбора красителя
Нагатоши Коумура (Nagatishi Koumura) и его коллеги первые использовали 9-этил-9H-карбазол как основу для сенсибилизирующего красителя, и исследовали влияние олиготиофенов, введенных в третье положение 9-этил-9H-карбазола, на π-сопряжение. [2]
Вследствие высокой насыщенности электронами карбазольного цикла карбазола наблюдаются ярко выраженные фотолюминесцентные свойства, что делает его хорошей “антенной”, тиофен в третьем положении карбазола играет роль π-сопряжения, причем такое сопряжение является не слишком длинным в сравнении с дитиенилом 1 и тертиенилом 2, и само обладает насыщенной электронной плотностью, что способствует углублению цвета красителя и более эффективному продвижению электрона по сопряжению. В качестве акцептора был выбран остаток α-цианоакриловой кислоты, так как он способен образовывать водородные связи с TiO2.
Краситель 2-циано-3-(5-(9-этил-9H-
1.2 Подходы к синтезу 3-(5-формилтиофен-2-ил)-9-R-
и 3,6-ди(5-формилтиофен-2-ил)-9-
Анализ данных химической литературы показывает, что для синтеза карбазолов 5, выделяют два основных направления получения А и В, которые могут быть представлены с точки зрения ретросинтетического анализа следующим образом, так по пути А молекула карбазола 5 разбивается на осколки 3-карбазолильного катиона и 5-формилтиенил аниона, синтетическими эквивалентами которых являются 3-галоген-9-R-карбазол и 5-формилтиофенборная кислота (либо остаток триалкилолова) соответственно. Сборка целевой молекулы 5 в данном случае проводится по реакциям металл-катализируемого кросс-сочетания Судзуки или Стиле [8,9]. По второму варианту В, в имеющийся фрагмент 3-(тиофен-2-ил)-9-R-карбазола вводят формильную группу используя стандартные процедуры – формилирование по Вильсмаеру-Хааку, либо литирование исходного субстрата с последующей обработкой ДМФА.
1.3 Формилирование 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-
Существует два метода формлирования 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-
Электрофильным агентом в реакции Вильсмайера-Хаака является иминиевая соль, которая образуется при взаимодействии ДМФА и хлорокиси фосфора.
При взаимодействии иминиевой
соли с 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-
где R: -Me, -Et, -Ph
Так же 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-
где R: -Me, -Et, -Ph
В данном случае, из тиофена генерируется высокоактивный нуклеофил, который атакует С-атом ДМФА, и после разложения промежуточной соли водой может быть получен альдегид в свободном виде.
1.4 Примеры получения карбазол карбальдегидов
Получение 5-(9-(9,9-диметил-9H-флуорен-
Получение 5-(6-(5-формилтиофен-2-ил)-9-
Получение 3-гексил-5-(9-фенил-9H-
Получение 5-(9-бутил-6-(5-формилтиофен-
1.5 Конденсация 5-(9-этил-9H-карбазол-3-ил)
Конденсация идет по реакции Кневенагеля. Активная метиленовая группа в цианоуксусной кислоте подвергается атаке ацетатом аммония, в результате образуется нуклеофильный агент (карбанион цианоуксусной кислоты) который атакует атом углерода в альдегидной группе тиофена, затем происходит внутримолекулярная дегидратация.
где R: -Me, -Et, -Ph
2. Схема синтеза 1-фенил-4-амино-
3. Схема получения 2-циано-3-(5-(9-этил-9H-
4. Материальный баланс
4.1. Объект расчета и исходные данные
4.1.1. Масштаб расчета
Материальный баланс
составлен на 1 кг технической 2-циано-3-(5-(9-этил-9H-
Состав технического красителя:
ПР-100% γка=0,9969
Примеси γпр=0,0001
Вода γвод=0,0029
ДМФА γДМФА=0,001
4.1.2. Выходы по стадиям (узлам)
Узел 1 получение иминиевой соли η1=1.000
Узел 2 формилирование η2=0.800
Узел 3 разбавление водой η3=0.994
Узел 4 фильтрование η4=0.996
Узел 5 перекристаллизация η5=0.
Узел 6 фильтрование альдегида η6=0.996
Узел 7 сушка альдегида η7=0.980
Узел 8 конденсация η8=0.760
Узел 9 фильтрование продукта η9=0.970
Узел 10 сушка продукта η10=0.980
ηΣ=η1×η2×η3×η4×η5×η6×η7×η8×η9×
Составы полупродуктов, растворов, паст, нормативных механических потерь и прочие исходные данные взяты из экспериментальных данных.
Таблица 4.1
Молекулярные массы (М) вещест участвующих в процессе.
Вещество |
М.,г/моль |
Вещество |
М.,г/моль |
1. ДМФА |
73,09 |
9. Комплекс |
503,81 |
2. Оксахлорид фосфора |
153,34 |
10. Ортофосфорная кислота |
98 |
3. Вода |
18,01 |
11. 5-(9-этил-9H-карбазол-3-ил) |
305,39 |
4. 9-этил-3-(тофен-2-ил)-9H- |
277,38 |
12. 2-циано-3-(5-(9-этил-9H- |
372,44 |
5. Метанол |
32,04 |
13. Хлороводород |
36,46 |
6. Уксусная кислота |
60,05 |
14. Диметиламин |
45,08 |
7. Цианоуксусная кислота |
85,06 |
15. Иминиевая соль |
226,43 |
8. Ацетат аммония |
77 |
||
Таблица 4.2
Содержание основного вещества в загружаемом сырье.
Вещество |
γ |
Вещество |
γ |
1. ДМФА |
0.998 |
5. Метанол |
0.960 |
2. Оксахлорид фосфора |
0.998 |
6. Уксусная кислота |
0.996 |
3. Вода |
1.000 |
7. Цианоуксусная кислота |
0.996 |
4. 9-этил-3-(тофен-2-ил)-9H- |
0.999 |
8. Ацетат аммония |
0.995 |
4.1.3. Определение расхода основного сырья
Соотношение мольных масс исходного вещества и конечного продукта.
9-этил-3-(тофен-2-ил)-9H- |
2-циано-3-(5-(9-этил-9H- | |
Мкарб.=277,38 |
На 1 кг продукта необходимо
загрузить следующее количество 100%-ого 9-этил-3-(тофен-2-ил)-9H-
Gкарб.100% = Gкр100%*Мкарб./Мкр*ηΣ = (0,99*277,38)/(372,44*0,55) = 1,3387 кг
Соответственно загрузка технического
9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-
Gкарб.техн = Gкарб.100%/γкарб = 1,3387/0,99 = 1,3400 кг
Количество примесей
в техническом 9-этил-3-(
Gкарбприм = Gкарб.техн – Gкарб.100% = 1,3400 – 1,3387 = 0,0013 кг
Составы полупродуктов, растворов, паст, нормативных механических потерь и прочие исходные данные взяты из экспериментальных данных.
4.2. Расчет материального баланса по узлам (стадиям производства)
4.2.1. Получение иминиевой соли (узел 1)
Схема 4.1
Соотношение мольных масс:
М = 73,09 М = 153,34 М = 226,43
73,09 + 153,34 = 226,43
Выход на стадии η1 = 1,000.
Количество иминиевой соли необходимое для второго узла найдем как:
Gимин.соли100%=(Gкарб.100%/Мка
где Э – эквивалент с которым берется иминиевая соль.
Загружено:
Найдем необходимое количество ДМФА и оксохлорида фосфора:
GДМФА100%=(Gимин.соли100%/Мими
где Э – эквивалент ДМФА,
GДМФАтехн.=(GДМФА100%/99,80.)*
Gприм=GДМФАтехн.-GДМФА100%=45,
Gоксох.100%=(Gимин.соли100%/Ми
Gоксох.техн.=(Gоксох.100%/99,
Gприм= Gоксох.техн.-
Gоксох.100%=1,4831-1,4801=0,
Итого в узле 1 загружено:
GΣ = GДМФАтехн.+Gоксох.техн.=45,
Получено:
Найдем количество оставшихся ДМФА и примесей:
Gприм.∑= G прим..+ G прим.=0,0919+0,0030=0,0949 кг,
GДМФАр=GДМФА100%-(Gимин.соли10
Итого в узле 1 получено:
GΣ = Gимин.соли100%+Gприм.∑+GДМФАр=
Результаты расчета сводим в таблицу 4.3.
Таблица 4.3
Стадия ТП-1. Получение иминиевой соли (узел 1).
Загружено |
Получено | ||||||
Сырье |
Сод-ние %(масс.) |
Масса техн.,кг |
Масса 100%, кг |
Сырье |
Сод-ние %(масс.) |
Масса техн.,кг |
Масса 100%, кг |
1. ДМФА, в т.ч. |
100,00 |
45,9493 |
1.Иминиевая соль, в т.ч. |
100 |
47,4324 |
||
ДМФА |
99,80 |
45,8574 |
иминиевая соль |
4,61 |
2,1856 | ||
Примеси |
0,20 |
0,0919 |
ДМФА |
95,19 |
45,1519 | ||
2. Оксохлорид фосфора, в т.ч. |
100,00 |
1,4831 |
примеси |
0,20 |
0,0949 | ||
Оксохлорид фосфора |
99,80 |
1,4801 |
|||||
Примеси |
0,20 |
0,0030 | |||||
Итого: |
47,4324 |
47,4324 |
Итого: |
47,4324 |
47,4324 | ||
4.2.2. Формилирование (узел 2)
Схема 4.2
Соотношение мольных масс:
М = 277,38 М = 226,43 М = 467,35 М = 36,46
277,38 + 226,43= 467,35 + 36,46= 503,81
Выход на стадии η2 = 0,800.
Загружено:
Иминиевая соль из узла 1: Gимин.солитехн.=47,7471 кг, в том числе Gимин.соли100%=2,1856 кг, G прим.=0,0949 кг, GДМФА=45,1519 кг.
Количество 9-этил-3-(тиофен-2-
Gкарб.100% = Gкр100%*Мкарб./Мкр*ηΣ = (0,99*277,38)/(372,44*0,55) = 1,3387 кг
Соответственно загрузка
технического 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-
Gкарб.техн = Gкарб.100%/γкарб = 1,3387/0,99 = 1,3400 кг
Количество примесей
в техническом 9-этил-3-(
Gкарбприм = Gкарб.техн – Gкарб.100% = 1,3400 – 1,3387 = 0,0013 кг.
Итого в узле 2 загружено:
GΣ=Gимин.соли100%+ G
прим.+ GДМФА+ Gкарб.100%+
Gкарбприм=2,1856+0,0949+45,
+1,3387+0,0013=48,7724 кг.
Получено:
Комплекса получено:
Gкомпл.=((Gкарб.*η2)/Мкарб.)*М
Карбазола осталось:
Gкарб.ост.= Gкарб.- Gкарб.* η2=1,3387-1,3387*0,8=0,2677 кг.
Иминиевой соли осталось:
Gимин.соли.ост.= Gимин.соли100%-(Gимин.соли100%
где Э – эквивалент иминиевой соли.
Соляной кислоты образовалось:
GHCl=(( Gкарб.100%* η2)/
Мкарб.)* МHCl=((1,3387*0,8)/0,27738)*0,
Примесей в реакционной массе 1:
Gприм.Σ= Gприм.+ Gприм.=0,0013+0,0949=0,0962 кг.
ДМФА в реакционной массе 1:
GДМФА=45,1519 кг.
Итого в узле 2 получено:
GΣ=Gимин.солиост.+Gприм.Σ+GДМФ
+0,1408+0,0962+45,1519=48,7724 кг.
Результаты расчета сводим в таблицу 4.4.
Таблица 4.4
Стадия ТП-2. Формилирование (узел 2).
Загружено |
Получено | ||||||
Сырье |
Содержание %(масс.) |
Масса техн.,кг |
Масса 100%, кг |
Сырье |
Содержание %(масс.) |
Масса техн.,кг |
Масса 100%, кг |
1. 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H- |
100,00 |
1,3400 |
1.Реакционная масса 1, в т.ч. |
100,00 |
48,7724 |
||
9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H- |
99,90 |
1,3387 |
комплекс |
3,6997 |
1,8044 | ||
примеси |
0,10 |
0,0013 |
ДМФА |
92,5767 |
45,1519 | ||
2. Иминиевая соль в т.ч. |
100,00 |
47,4324 |
примеси |
0,1973 |
0,0962 | ||
иминиевая соль |
4,61 |
2,1856 |
9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H- |
0,5490 |
0,2677 | ||
ДМФА |
95,19 |
45,1519 |
иминиевая соль |
2,6887 |
1,3114 | ||
примеси |
0,20 |
0,0949 |
HCl |
0,2886 |
0,1408 | ||
ИТОГО |
48,7724 |
48,7724 |
ИТОГО |
48,7724 |
48,7724 | ||