Syntéza acidických iontových kapalin jako katalyzátorů pro esterifikaci a evaluace jejich katalytické aktivity pomocí NMR spektroskopie

Jiřina KOUTECKÁ

Diplomová práce

Synthesis of acidic ionic liquids as catalysts for esterification and evaluation of their catalytic activity by NMR spectroscopy

Anotace:

Tato diplomová práce navazuje na bakalářskou práci, ze které byla vybrána iontová kapalina na bázi benzimidazolu s nejlepšími katalytickými vlastnostmi při esterifikaci mastných kyselin bioethanolem na bionaftu. Převzatý postup syntézy z předešlé práce byl optimalizován tak, aby bylo možné látku připravit s co nejvyšším výtěžkem. Podle tohoto postupu byly dále připraveny celkem čtyři nové kyselé iontové kapaliny funkcionalizované sulfonovými skupinami s různou délkou uhlíkového řetězce a byla srovnána jejich katalytická účinnost při esterifikaci jako potenciální hybridní homo-heterogenní katalyzátory. Připravené látky měly ve struktuře zavedený uhlíkový řetězec lišící se v součtu celkem osmi uhlíky. Tyto námi připravené iontové kapaliny nebyly doposud popsány v odborné literatuře. Úspěšně připravené kyselé iontové kapaliny byly plně charakterizovány celkem třemi spektrálními metodami a součástí popisu jsou i odlišné fyzikální vlastnosti. Katalytická aktivita připravených iontových kapalin byla vyhodnocena při modelové esterifikační reakci kyseliny olejové s ethanolem za optimalizovaných reakčních podmínek, tj. zahřívání ethanolu a směsi kyseliny olejové v molárním poměru 16,7:1 za přítomnosti 20% molu katalyzátorů (2-alkyl-1-(3-sulfopropyl)-1H benzimidazol-3-ium hydrogensulfátu) v olejové lázni při teplotě 102 °C. Všechny iontové kapaliny tvořily s reaktanty během zahřívání homogenní směs a po ochlazení po reakci se odseparovaly dvě fáze. U všech katalyzátorů bylo reakční rovnováhy dosaženo již po 30 minutách, konverze po reakci byla stanovena na 96,5 až 100 %, přičemž u katalyzátoru (2-undecyl-1-(3-sulfopropyl)-1H-benzimidazol-3-ium hydrogensulfátu) byla konverze 100%ní. Dále byl tento katalyzátor podroben deseti recyklačním pokusům, při kterých se jeho aktivita významně neměnila. Konverze po každém provedeném pokusu byla stanovena na základě 1H-NMR spekter reakčních produktů. Použitelnost metodiky stanovení byla nejprve ověřena měřením řady vzorků, ve kterých byla kyselina olejová smíchána s ethyloleátem v různých poměrech s cílem simulovat reakční směs s přesně známou konverzí.

Abstract:

This diploma thesis extends the findings of the bachelor thesis, where a benzimidazole-based ionic liquid with superior catalytic properties was identified for the esterification of fatty acids with bioethanol to produce biodiesel. The synthesis procedure, adapted from prior research, underwent optimization to maximize the yield of products. According to this procedure, a total of four new acidic ionic liquids functionalized with sulfone groups, featuring varying carbon chain lengths, were synthesized. Their catalytic efficiency in esterification was then evaluated as potential hybrid homo-heterogeneous catalysts. The synthesized compounds featured an introduced carbon chain differing in a range of eight carbons. These ionic liquids prepared by us have not yet been described in the literature. Successfully prepared acidic ionic liquids were fully characterized by a total of three spectral methods, and different physical properties are also part of the description. The catalytic activity of the prepared ionic liquids was evaluated in the model esterification reaction of oleic acid with ethanol under optimized reaction conditions, i.e. heating ethanol and oleic acid mixture in a molar ratio of 16.7:1 in the presence of 20% mol of catalysts (2-alkyl-1-( 3-sulfopropyl)-1H-benzimidazol-3-ium hydrogen sulfate) in an oil bath at a temperature of 102 °C. During heating, all ionic liquids formed a homogeneous mixture with the reactants, which separated into two phases upon cooling after the reaction. Equilibrium was reached within 30 minutes for all catalysts, with post reaction conversion ranging from 96.5 to 100%, achieving 100% conversion with the catalyst (2-undecyl-1-(3-sulfopropyl)-1H-benzimidazol-3-ium hydrogen sulfate). Furthermore, this catalyst was subjected to ten recycling trials, during which its activity did not change significantly. The conversion after each experiment was determined from the 1H-NMR spectra of the reaction products. The applicability of the determination methodology was initially confirmed by analyzing a series of samples in which oleic acid was mixed with ethyl oleate in different ratios in order to simulate reaction mixtures with a precisely known conversion.

Klíčová slova

biopalivo, katalyzátor, syntéza, iontové kapaliny, chromatografie, esterifikace, mastné kyseliny, NMR

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 29. 4. 2024

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: RNDr. Thu Huong Nguyen Thi, Ph.D.

UNIVERZITA JANA EVANGELISTY PURKYNĚ V ÚSTÍ NAD LABEM

Přírodovědecká fakulta

Magisterský studijní program / obor:
Analytická chemie životního prostředí a toxikologie / Analytická chemie životního prostředí a toxikologie