Кинетическая модель и механизм гетерогенного гидрирования напряженных полициклических соединений на основе 5-винил-2-норборнена

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Исследованы основные маршруты протекания жидкофазного гидрирования 5-этенилбицикло[2.2.1]гепт2-ена (5-винил-2-норборен, VNE) в присутствии палладиевого катализатора ПК-25 (Pd/γ-Al2O3, 0.25% Pd). Идентифицированы все продукты реакции, изучен материальный баланс. Подтвержден эффект доминирующей адсорбции норборненовой двойной связи на активном центре (АЦ) Pd. На основании совокупности экспериментальных и теоретических данных предложена параллельно-последовательная схема механизма процесса. Она учитывает последовательное гидрирование субстрата, а также существенную роль изомеризации винильной группы в этилиденовую в промежуточных продуктах на АЦ в атмосфере водорода. Установлен нулевой кинетический порядок в широком интервале начальных концентраций VNE. На основе подхода Ленгмюра-Хиншелвуда и в представлении множественной адсорбции субстратов на одном АЦ разработана адекватная кинетическая модель процесса. Показано, что существенный вклад в скорость реакции вносят 5 стадий, в том числе - две параллельные. Оценены их константы скорости, а также адсорбционные константы комплексов АЦ с непредельными соединениями.

Об авторах

В. В Замалютин

МИРЭА - Российский технологический университет, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

Email: zamalyutin@mail.ru
119571, Moscow, Russia

Е. А. Кацман

МИРЭА - Российский технологический университет, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

Email: petrochem@ips.ac.ru
119571, Moscow, Russia

В. Р Флид

МИРЭА - Российский технологический университет, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: vitaly-flid@yandex.ru
119571, Moscow, Russia

Список литературы

  1. Cai Y., Zheng J., Hu Y., Wei J., Fan H. The preparation of polyolefin elastomer functionalized with polysiloxane and its effect in ethylene-propylene-diene monomer/silicon rubber blends // Eur. Polym. J. 2022. V. 177. P. 111468. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2022.111468
  2. Fein K., Bousfield D.W., Gramlich W.M. Thiol-norbornene reactions to improve natural rubber dispersion in cellulose nanofiber coatings // Carbohyd. Polym. 2020. V. 250. P. 117001. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117001
  3. Ravishankar P.S. Treatise on EPDM // Rubber Chem. Technol. 2012. V. 85. P. 327-349. https://doi.org/10.5254/rct.12.87993
  4. Флид В.Р., Грингольц М.Л., Шамсиев Р.С., Финкельштейн Е.Ш. Норборнен, норборнадиен и их производные - перспективные полупродукты для органического синтеза и получения полимерных материалов // Усп. хим. 2018. Т. 87. С. 1169-1205 https://doi.org/10.1070/RCR4834
  5. Flid V.R., Gringolts M.L., Shamsiev R.S., Finkelshtein E.Sh. Norbornene, norbornadiene and their derivatives: promising semi-products for organic synthesis and production of polymeric materials // Russ. Chem. Rev. 2018. V. 87. P. 1169-1205. https://doi.org/10.1070/RCR4834.
  6. Kong P., Drechsler S., Balog S., Schrettl S., Weder C., Kilbinger A.F.M. Synthesis and properties of poly(norbornene)s with lateral aramid groups // Polym. Chem. 2019. V. 10. P. 2057-2063. https://doi.org/10.1039/C9PY00187E
  7. Roenko A.V., Nikiforov R.Y., Gringolts M.L., Belov N.A., Denisova Y.I., Shandryuk G.A., Bondarenko G.N., Kudryavtsev Y.V., Finkelshtein E.S. Olefin-metathesis-derived norbornene-ethylene-vinyl acetate/vinyl alcohol multiblock copolymers: impact of the copolymer structure on the gas permeation properties // Polymers. 2022. V. 14. P. 444. https://doi.org/10.3390/polym14030444
  8. Thomas J., Bouscher R.F., Nwosu J., Soucek M.D. Sustainable thermosets and composites based on the epoxides of norbornylized seed oils and biomass fillers // ACS Sustainable Chem. Eng. 2022. V. 10. P. 12342-12354. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c03434
  9. Belov N.A., Gringolts, M.L., Morontsev A.A. Starannikova L.E., Yampolskii Yu.P., Finkelstein E.Sh. Gas-transport properties of epoxidated metathesis polynorbornenes // Polym. Sci. Ser. B. 2017. V. 59. P. 560-569. https://doi.org/10.1134/S1560090417050025
  10. Vintila I.S., Iovu H., Alcea A., Cucuruz A., Mandoc A.C., Vasile B.S. The synthetization and analysis of dicyclopentadiene and ethylidene-norbornene microcapsule systems // Polymers. 2020. V. 12. P. 1052. https://doi.org/10.3390/polym12051052
  11. Morontsev A.A., Denisova Yu.I., Gringolts M.L., Filatova M.P., Shandryuk G.A., Finkelshtein E.Sh., Kudryavtsev Ya.V. Epoxidation of multiblock copolymers of norbornene and cyclooctene // Polym. Sci. Ser. B. 2018. V. 60. P. 688-698. https://doi.org/10.1134/S1560090418050111
  12. Li G., Shen R., Hu Sh., Wang B., Algadi H., Wang Ch. Norbornene-based acid-base blended polymer membranes with low ion exchange capacity for proton exchange membrane fuel cell // Adv. Compos Hybrid Mater. 2022. V. 5. P. 2131-2137. https://doi.org/10.1007/s42114-022-00559-3
  13. Le D., Samart Ch., Lee J.-T., Nomura K., Kongparakul S., Kiatkamjornwong S. Norbornene-functionalized plant oils for biobased thermoset films and binders of silicon-graphite composite electrodes // ACS Omega. 2020. V. 5. P. 29678-29687. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c02645
  14. Sparaco R., Kędzierska E., Kaczor A.A., Bielenica A., Magli E., Severino B., Corvino A., Gibuła-Tarłowska E., Kotlińska J.H., Andreozzi G., Luciano P., Perissutti E., Frecentese F., Casertano M., Leśniak A., Bujalska-Zadrożny M., Oziębło M., Capasso R, Santagada V., Caliendo G. Fiorino F. Synthesis, docking studies and pharmacological evaluation of serotoninergic ligands containing a 5-norbornene-2-carboxamide nucleus // Molecules. 2022. V. 27. P. 6492. https://doi.org/10.3390/molecules27196492
  15. Çapan İ., Servi S., Dalkiliç S., Dalkiliç L.K. Synthesis and anticancer evaluation of benzimidazole derivatives having norbornene/dibenzobarrelene skeletons and different functional groups // ChemistrySelect. 2020. V. 5. P. 14393-14398. https://doi.org/10.1002/slct.202004034
  16. Fiorino F., Perissutti E., Severino B., Santagada V., Cirillo D., Terracciano S., Massarelli P., Bruni G., Collavoli E., Renner C., Caliendo G. New 5-hydroxytryptamine(1А) receptor ligands containing a norbornene nucleus: synthesis and in vitro pharmacological evaluation // J. Med. Chem. 2005. V. 48. № 17. P. 5495-5503. https://doi.org/10.1021/jm050246k
  17. Rao V.N., Mane S.R., Abhinoy K., Sarma J.D., Shunmugam R. Norbornene derived doxorubicin copolymers as drug carriers with pH responsive hydrazone linker // Biomacromolecules. 2012. V. 13. № 1. P. 221-230. https://doi.org/10.1021/bm201478k
  18. Ulla B. S., Binderup M.-L., Bolognesi C., Brimer L., Castle L., Di Domenico A., Engel K.-H., Franz R., Gontard N., Gürtler R., Husøy T., Jany K.-D., Kolf-Clauw M., Leclercq C., Lhuguenot J.-C., Mennes W., Milana M. R., Poças M. de F., Pratt I., Svensson K., Toldrá F., Wölfle D. Scientific оpinion on the safety assessment of the substance, 5-norbornene-2,3dicarboxylic anhydride, CAS No 826-62-0, for use in food contact materials // EFSA J. 2014. V. 12. № 6. P. 3714. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2014.3714
  19. Shorunov S.V., Piskunova E.S., Petrov V.A., Bykov V.I., Bermeshev M.V. Selective hydrogenation of 5-vinyl-2-norbornene to 2-vinylnorbornane // Petrol. Chemistry. 2018. V. 58. P. 1056-1063. https://doi.org/10.1134/S0965544118120125
  20. Шорунов С.В., Пискунова Е.С., Петров В.А., Быков В.И., Бермешев М.В. Селективное гидрирование 5-винил-2-норборнена до 2-винилнорборнана // Нефтехимия. 2018. Т. 58. С. 712-719. https://doi.org/10.1134/S0028242118060126.
  21. Shorunov S.V., Zarezin D.P., Samoilov V.O., Rudakova M.A., Borisov R.S., Maximov A.L., Bermeshev M.V. Synthesis and properties of high-energy-density hydrocarbons based on 5-vinyl-2-norbornene // Fuel. 2021. V. 283. P. 118935. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.118935.
  22. Zamalyutin V.V., Ryabov A.V., Nichugovskii A.I., Skryabina A.Yu., Tkachenko O.Yu., Flid V.R. Regularities of the heterogeneous catalytic hydrogenation of 5-vinyl-2-norbornene // Russ. Chem. Bull. 2022. V. 71. P. 70-75
  23. Замалютин В.В., Рябов А.В., Ничуговский А.И., Скрябина А.Ю., Ткаченко О.Ю., Флид В.Р. Особенности гетерогенно-каталитического гидрирования 5-винил-2-норборнена // Изв. АН. Сер. хим. 2022. С. 70-75. https://doi.org/10.1007/s11172-022-3378-5.
  24. Zamalyutin V.V., Ryabov A.V., Solomakha E.A., Katsman E.A., Flid V.R., Tkachenko O.Yu., Shpinyova M.A. Liquid-phase heterogeneous hydrogenation of dicyclopentadiene // Russ. Chem. Bull. 2022. V. 71. P. 1204-1208
  25. Замалютин В.В., Рябов А.В., Соломаха Е.А., Кацман Е.А., Флид В.Р., Ткаченко О.Ю., Шпынева М.А. Жидкофазное гетерогенное гидрирование дициклопентадиена // Изв. АН. Сер. хим. 2022. Т. 71. С. 1204-1208. https://doi.org/10.1007/s11172-022-3521-3.
  26. Zamalyutin V.V., Shamsiev R.S., Flid V.R. Mechanism of catalytic migration of the double bond in 2-vinylnorbonanes // Russ. Chem. Bull. 2022. P. 2142-2148
  27. Замалютин В.В., Шамсиев Р.С., Флид В.Р. Механизм каталитической миграции двойной связи в 2-винилнорборнанах // Изв. АН. Сер. хим. 2022. № 10. С. 2142-2148.
  28. Zamalyutin V.V., Katsman E.A., Danyushevsky V.Y., Flid V.R., Podol'skii V.V., Ryabov A.V. Specific features of the catalytic hydrogenation of the norbornadiene-based carbocyclic compounds // Russ. J. Coord. Chem. 2021. V. 47. № 10. P. 695-701
  29. Замалютин В.В., Кацман Е А., Данюшевский В.Я., Флид В.Р., Подольский В.В., Рябов А.В. Особенности каталитического гидрирования карбоциклических соединений на основе норборнадиена // Коорд. химия. 2021. Т. 47. С. 628-634. https://doi.org/10.31857/S0132344X21100091.
  30. Zamalyutin V.V., Katsman E.A., Ryabov A.V., Skryabina A.Y., Shpinyova M.A., Danyushevsky V.Y., Flid V.R. Kinetic model and mechanism of hydrogenation of unsaturated carbocyclic compounds based on norbornadiene // Kinet. Catal. 2022. V. 63. № 2. P. 234-242
  31. Замалютин В.В., Кацман Е.А., Рябов А.В., Скрябина А.Ю., Шпынева М.А., Данюшевский В.Я., Флид В.Р. Кинетическая модель и механизм гидрирования ненасыщенных карбоциклических соединений на основе норборнадиена // Кинетика и катализ. 2022. Т. 63. №2. С. 267-276. https://doi.org/10.31857/S0453881122020150.
  32. Осокин Ю.Г., Михайлов В.А., Зубович И.А., Фельдблюм В.Ш. // Доклады АН СССР. 1975. Т. 220. № 4. С. 851-853.
  33. Bermeshev M.V., Pozharskaya N.A., Antonova T.N., Shangareev D.R., Danilova A.S. Selective catalytic hydrogenation of alicyclic dienes with hydrogen in a liquid phase // Petrol. Chemistry. 2018. V. 58. № 10. P. 869-875. https://doi.org/10.1134/S0028242118050039
  34. Бермешев М.В., Антонова Т.Н., Шангареев Д.Р., Данилова А.С., Пожарская Н.А. // Нефтехимия. 2018. Т. 58. С. 580-587.
  35. Ushakov N.V. Selective hydrogenation of 5-vinylnorborn-2-ene and other methods for the synthesis of 2-vinylnorbornane // Russ. J. Appl. Chem. 2018. V. 91. P. 728-745. https://doi.org/10.1134/S1070427218050026
  36. Ушаков Н.В. Селективное гидрирование 5-винилнорборн-2-ена и другие методы синтеза 2-винилнорборнана (обзор) // Журн. прикл. химии. 2018. Т. 91. №5. С. 631-650.
  37. Vereshchagina N.V., Antonova T.N., Il'In A.A., Chirkova Z.V. Feature of dicyclopentene formation during hydrogenation of dicyclopentadiene // Petrol. Chemistry. 2016. V. 56. № 1. P. 38-43. https://doi.org/10.1134/S0965544115080198
  38. Верещагина Н.В., Антонова Т.Н., Ильин А.А., Чиркова Ж.В. Закономерности образования дициклопентена в процессе гидрирования дициклопентадиена // Нефтехимия. 2016. Т. 56. № 1. С. 46-51. https://doi.org/10.7868/S0028242115060192.
  39. Куттубаев С.Н., Рахимов М.Н., Павлов М.Л., Басимова Р.А., Кутепов Б.И. Исследование эффективности очистки этан-этиленовой фракции пиролиза от ацетиленовых соединений на различных катализаторах // Нефтегазовое дело. 2012. № 4. С. 165-178.
  40. Urmès С., Schweitzer J.-M., Cabiac A., Schuurman Y. Kinetic study of the selective hydrogenation of acetylene over supported palladium under tail-end conditions // Catalysts. 2019. V. 9. P. 180. https://doi.org/10.3390/catal9020180.
  41. Molero H., Bartlett B.F., Tysoe W.T. The hydrogenation of acetylene catalyzed by palladium: hydrogen pressure dependence // J. Catal. 1999. V. 181. P. 49-56.
  42. Borodzinski A., Bond G.C. selective hydrogenation of ethyne in ethene-rich streams on palladium catalysts, Part 2: Steady-state kinetics and effects of palladium particle size, carbon monoxide, and promoters // Catal. Rev. 2008. V. 50. P. 379-469. https://doi.org/10.1080/01614940802142102
  43. Al-Wadhaf H.A., Karpov V.M., Katsman E.A. Activity and selectivity of carbon supported palladium catalysts prepared from bis(η3-allyl)palladium complexes in phenylacetylene hydrogenation // Catal. Commun. 2018. V. 116. P. 67-71. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2018.08.010.
  44. Berenblyum A.S., Katsman E.A., Al-Wadhaf H.A. Supported palladium nanomaterials as catalysts for petroleum chemistry: 2. Kinetics and specific features of the mechanism of selective hydrogenation of phenylacetylene in the presence of carbon-supported palladium nanocatalysts // Petrol. Chemistry. 2015. V. 55. № 2. P. 118-126. https://doi.org/10.1134/S0965544115020048
  45. Беренблюм А.С., АльВадхав Х.А., Кацман Е.А. Нанесенные палладиевые наноматериалы как катализаторы для нефтехимии: 2. Кинетика и особенности механизма селективного гидрирования фенилацетилена в присутствии палладиевого нанокатализатора на угле // Нефтехимия. 2015. Т. 55. № 2. C. 125-133.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023