В настоящее время виниловые эфиры находят широкое применение в отраслях сельского хозяйства и медицине, в виде биологически активных веществ, в радиотехнике как высококачественные растворители, в химической и нефтехимической промышленностях как ингибиторы металлических коррозий, а также в других сферах производства. Данные эфиры могут быть синтезированы путем реакций винилирования органических соединений, содержащих гидроксильные группы с ацетиленом. Применение данных процессов синтезирования производных спиртов является отдельным важнейшим направлением в отрасли химического производства.

Задачей наших проведенных научных исследований являлась разработка математической модели процесса получения отдельных эфиров, таких как 1-фенил-2-бутилоксиэтилен на основе выполнения математических расчетов процессов винилирования бутиловых спиртов c фенилацетиленом. Далее были проведены анализы соответствия полученных результатов с данными, параллельно выполненных лабораторных исследований процесса винилирования с помощью компьютерных программ, и при достижении положительных результатов осуществить разработку наиболее оптимальных математических моделей синтеза различных эфиров для отраслей народного хозяйства. Для выполнения настоящих научных исследований были намечены следующие задачи:

          разработать математические модели процесса синтеза — получения отдельных эфиров (1-фенил-2-бутилоксиэтилен) на основе выполнения математических расчетов процесса винилирования бутиловых спиртов с фенилацетиленом.

          изучить функциональную зависимость процесса синтеза от температуры и времени выполнения процесса винилирования.

Для проведения синтеза эфиров при реакции винилировании необходимо заменить в составе органического вещества — атома водорода на винильную группу, которая активно может входить в реакцию с другими компонентами данного соединения — такими как карбоновые кислоты, спирты, амины, амиды и др. Реакцию винилирования можно представить в виде следующей схемы:

, (1)

где может быть Х = O, S или N.

При выполнении математического анализа и расчета процесса химического синтеза — получения виниловых эфиров и разработки их математических моделей нами были использованы современные компьютерные технологии — программ МathCad.

Результаты, полученные эфиров при процессах винилирования (их математическую модель) функциональную зависимость у=f(t) количества синтезируемого эфира к температурному параметру процесса можно записать в виде следующего уравнения:

y = а∙t3 + b∙t2 + c∙t + d, (2)

где: y — количество синтезированного продукта; t — температура; a, b, c, d — определяющие коэффициенты.

Для вычисления уравнения (2) используем методы математического моделирования (факторного анализа) и составляем систему уравнений:

, (3)

Упрощая уравнение (3), можно его представить в следующем виде:

,(4)

где: (n) количество проведенных лабораторных анализов:

,(5)

По известным коэффициентам a, b, c, d определяем значение специального Е (a, b, c, d) уравнения:

(6)

Из уравнения (6) принимаем значение функции равное нулю и получаем следующее выражение:

(7)

В целях упрощения математических расчетов для i -х проведенных лабораторных анализов, в зависимости от температуры ti, необходимо записать температурный показатель в виде данной формулы:

(8)

Далее выполняя математические расчеты выше представленных систем уравнений, можно вывести модель количества синтезируемого того или иного эфира в зависимости от температуры процесса винилирования:

(9)

Результаты экспериментальных данных количества виниловых эфиров 1-фенил-2-бутилоксиэтилена в зависимости от температурных параметров процесса синтеза, проведенного в течении 4 часов, представлены в нижеследующей таблице:

Таблица 1

А графическое выражение данной зависимости представлено на рисунке 1.

Рис. 1. Диаграмма функциональной зависимости количества синтезированного эфира от различных температур процесса

Для обработки полученных экспериментальных данных методами математитического моделирования составляем алгоритм математического анализа и производим запись выражений в поле программы MathCad в следующей последовательности:

Затем вводим числовые значения выполненного эксперимента:

, (10)

Для облегчения выполняемых расчетов делим каждое значение температурных параметров на цифру 10:

(11)

В соответствии полученных цифровых данных составляем систему уравнений в следующей последовательности:

(12)

Для решения данной системы уравнений используется автоматическая компьютерная система, составленная по специальной программе. В этих целях необходимо использовать знак “=” (равенство) на клавиатуре, в результате чего можно определить цифровые значения уравнений:

,

Далее вычисляются значения А-определяющих коэффициентов:

, ,(13)

Составляется таблица зависимости расчетных данных количества синтезируемого эфира к каждому соответствующему значению температурного показателя процесса (таблица 1).

Диаграмма зависимости расчетных количественных показателей синтезируемых эфиров от температуры процесса представлена на (рис.2):

Рис. 2. График зависимости

Для определения эффективности расчетных методов математического моделирования технологических процессов винилирования с методами экспериментальных лабораторных исследований составляются сопоставительные табличные и графические показатели зависимости, которые представлены в таб.2, рис.3.

Таблица 2

Сопоставимые показатели экспериментальных и математических расчетов процессов винилирования

Рис. 3. Диаграмма зависимости количества синтезированного эфира к температурному показателю: красная линия — экспериментальные показатели; синяя линия — расчетные показатели

Анализы проведенных исследований и расчетов химических процессов винилирования позволяют считать, что методы математического моделирования могут быть рационально использованы также и при расчетах процессов синтеза эфиров как 1-фенил-2-бутилоксиэтилен и других материалов.

Литература:

1.              Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. — 2-е изд., испр. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — 320 с.
2.              Young D. C. Computational chemistry / D. C. Young. New York-Chichester-Weinheim-Brisbane-Singapore-Toronto: Wiley Interscience, 2001.-370 p.
3.              Б. А. Трофимов [и др.]. Неожиданная реакция 2-ацетилтиофена с фенилацетиленом в суспензии КОН/ДМСО / // Химия гетероциклических соединений. -2010. -N 5. -С. 778–780: 1 схема. -Библиогр.: с. 780 (3 назв.). — ISSN 0132–6244
4.              N. M. Vitkovskaya, E.Yu. Larionova, N. Y. Kaempf, B. A. Trofimov. Methanol vinylation mechanism in the KOH/DMSO/CH3OH/C2H2 system// Int. J. Quantum Chem.-2011.-Vol. 111. -P. 25192524.
5.              М. И. Солиев. «Математическое моделирование процессов синтеза виниловых эфиров». Магистерская диссертация. НУУз. Ташкент. 2014.