Способ получения цвиттер-ионного поверхностно-активного вещества Российский патент 2024 года по МПК C07C231/02 C11D1/90 C07C233/36 C07C233/38 C09K3/32 

Изобретение относится к области органической химии и химии поверхностно-активных веществ, а именно к способу получения цвиттер-ионного поверхностно-активного вещества, которое проявляет свойство загустителя и может найти применение в нефтедобывающей промышленности. Поверхностно-активное вещество позволяет повысить охват пластов заводнением, устранить или уменьшить отрицательное влияние сил, удерживающих нефть в заводненных зонах пласта, и снизить проницаемость обводненных участков, в результате становится возможным извлечение нефти, оставшейся в слабопроницаемых пропластках и не охваченных заводнением участках, а также пленочной и капиллярно-удерживаемой нефти.

Известно изобретение авторов заявленного технического решения по патенту US 4012437A «Способ получения бетаинов, мономеров и полимеров, содержащих звенья бетаинового типа, и полученных таким образом новых и полезных сополимеров», сущностью которого является получение сложного эфира амина на первом этапе, взаимодействие сложного эфира амина с кислотой на втором этапе.

Недостатком известного изобретения является длительное время проведения реакции, низкий выход целевого продукта.

Известно изобретение по патенту US 7005543B2 «Способ получения соединения бетаина», включающее обработку хлоруксусной кислоты карбонатом натрия и последующее добавление по каплям жидкого триметиламина для получения продуктов бетаина, а также использование ионообменной смолы и процесса декомпрессии для обеспечения высокой чистоты и выхода продукта.

Недостатком известного изобретения является сложность и продолжительность осуществления реакции.

Известно изобретение по патенту KР 20190023563А «Получение кокоамидоалкилбетаина с хорошим качеством цвета, стабильностью цвета и долговечностью цвета», в котором пальмовое масло, ДМАПА и NaOH реагировали в течение 7 часов при 170°С и перемешивании в атмосфере азота. На втором этапе продукт первой реакции, содержащий кокоамидопропилдиметиламин, взаимодействует с монохлорацетатом натрия в течение 10 часов при перемешивании и температуре от 70 до 90°C с получением кокоалкиламидопропилбетаина, содержащего по массе 36% продукта реакции.

Недостатком известного изобретения является длительное время проведения реакции, низкий выход целевого продукта.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является изобретение WO 2016053212, согласно которому на первом этапе диметиламинопропиламин реагирует с жирными кислотами с получением соединения амидоамина. На втором этапе амидоамин взаимодействует с монохлорацетатом натрия или монохлоруксусной кислотой в водной среде и присутствии гидроксида натрия с получением раствора бетаина.

Недостатками известного технического решения по сравнению с заявленным способом являются:

- длительное время проведения реакции на первом этапе;

- высокая температура проведения реакции на первом этапе;

- недостаточно высокий выход целевого продукта.

Техническим результатом заявленного технического решения является устранение недостатков аналогов, а именно:

- меньше время проведения реакции на первом этапе вследствие воздействия ультразвука, оказывающего механическое давление и вызывающего колебания в жидкости, что позволяет лучше перемешивать реагенты и ускоряет диффузию молекул;

- ниже температура проведения реакции на первом этапе вследствие воздействия ультразвука, что создает в жидкости области с высокой температурой и давлением;

- высокий выход целевого продукта вследствие воздействия ультразвука, что приводит к образованию в жидкости пузырьков пара (кавитации) и позволяет избежать нежелательных реакций.

Таким образом, в заявленном техническом решении достигается технический результат, превосходящий технический результат известного способа.

Целью настоящего изобретения является создание способ получения цвиттер-ионного поверхностно-активного вещества следующей формулы:

,

где (R₁ = C12-21)

Способ в соответствии с настоящим изобретением может быть осуществлен или в периодическом, или в непрерывно работающем реакторе.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ включает в себя:

На первом этапе проводят реакцию диметиламинопропиламина (ДМАПА) с жирными кислотами (лауриновая кислота, пальмитиновая кислота, олеиновая кислота, стеариновая кислота, эруковая кислота) с образованием соответствующего амида при мольном соотношении (1-1,1):1 в присутствии ортофосфорной кислоты (1 % масс.), при ультразвуковом воздействии с контролем амплитуды от 10 до 100% и длительности синтеза от 3 часа до 5 часов. Ультразвуковое воздействие происходит в режиме пульсации чередующимися интервалами: 60 секунд воздействия и 60 секунд паузы. В результате необходимая температура реакции снижается с 160°С (прототип) до 155°С.

Ультразвук представляет собой звуковые волны с частотой 20 кГц, которые обладают энергией высокой интенсивности. При воздействии ультразвука на жидкость происходит ряд физико-химических процессов. Во-первых, ультразвук создает механическое давление и колебания в жидкости, что приводит к микротурбулентности и течению жидкости. Это позволяет лучше перемешивать реагенты и ускоряет диффузию молекул, что повышает скорость химической реакции. Во-вторых, ультразвуковые волны создают в жидкости области с высокой температурой и давлением, что способствует ускорению реакции. Кроме того, ультразвук вызывает кавитацию - образование в жидкости пузырьков пара, которые затем распадаются, выделяя большое количество энергии. Этот процесс может оказывать механическое воздействие на поверхность частиц, приводить к разрушению агломератов и уменьшению размера частиц. Все эти процессы влияют на протекание химических реакций и свойства получаемых ПАВ.

На втором этапе натриевая соль монохлоруксусной кислоты реагирует с полученным на первом этапе амидом с образованием алкиламидопропилбетаина (реакция кватернизации) при мольном соотношении 1:1 в среде изопропилового спирта и воды, температуре 80° С и длительности синтеза 6 часов.

Для реализации заявленного способа используют следующие реагенты.

- Диметиламинопропиламин (CAS 109-55-7),

- Лауриновая кислота (CAS 143-07-7),

- Пальмитиновая кислота (CAS 57-10-3),

- Олеиновая кислота выпускается по ГОСТ 29039-91,

- Стеариновая кислота выпускается по ГОСТ 6484-96,

- Эруковая кислота выпускается по (CAS 112-86-7),

- Натриевая соль монохлоруксусной кислоты (CAS 3926-62-3),

- Ортофосфорная кислота выпускается по ГОСТ 6552-80

- Изопропиловый спирт выпускается по ГОСТ 9805-84

- Гидроксид натрия выпускается по ГОСТ 4328-77

Примеры приготовления

Пример 1

Синтез N,N-диметиламинопропиламидов жирных кислот (1 этап).

В автоклав загружали 140 г лауриновой кислоты и 56 г диметиламинопропиламина, добавляли 1 г ортофосфорной кислоты. Реакционную смесь медленно нагревали до 155 °С и перемешивали при этой температуре 3 часа. Воздействовали ультразвуком с амплитудой, равной 100%, в режиме пульсации чередующимися интервалами: 60 секунд воздействия и 60 секунд паузы. Получили 180 г N,N-диметиламинопропиламидов жирных кислот.

Синтез амидопропилбетаина (2 этап).

В круглодонную колбу загружали 180 г (0,1284 моль) N,N диметиламинопропиламидов жирных кислот и 150 г натриевой соли монохлоруксусной кислоты, добавляли 290 мл смеси изопропилового спирта и воды (4:1), нагревали до 80 °С и перемешивали при этой температуре 6 часов. Образовавшийся осадок хлорида натрия отфильтровывали. Получили 510 г амидопропилбетаина (80%).

Примеры 2-10 проводили аналогично примеру 1, используя разные жирные кислоты, варьируя условия ультразвукового воздействия и длительность синтеза.

Прототип

Синтез N,N-диметиламинопропиламидов жирных кислот (1 этап).

В автоклав загружали 140 г пальмитиновой кислоты и 56 г диметиламинопропиламина. Реакционную смесь медленно нагревали до 160 °С и выдерживали при этой температуре 6 часов. Получили 175 г N,N-диметиламинопропиламидов жирных кислот.

Синтез амидопропилбетаина (2 этап).

В круглодонную колбу загружали 175 г N,N-диметиламинопропиламидов жирных кислот и 140 г натриевой соли монохлоруксусной кислоты, добавляли 0,35 г гидроксид натрия, добавляли 280 мл смеси изопропилового спирта и воды (4:1), нагревали до 80 °С и выдерживали при этой температуре 6 часов. Образовавшийся осадок хлорида натрия отфильтровывали. Получили 462 г амидопропилбетаина (75%).

Методы анализа

Количественным параметром, позволяющим оценивать свойство получаемых продуктов, является динамическая вязкость 1% растворов алкилбетаинов в водных растворах 15% хлорида натрия. Определение динамической вязкости проводили на ротационном вискозиметре Brookfield DV-II+ Pro (согласно ASTMD2196), который предназначен для измерения динамической вязкости жидкости при заданных скоростях сдвига.

Таблица с результатами

Для подтверждения достижения технического результата приведены условия воздействия ультразвуком (таблица 1), результат способа получения цвиттер-ионного поверхностно-активного вещества (таблица 2).

Из данных, приведенных в таблице 2, можно сделать вывод, что заявителем достигнуты заявленные технические результаты, а именно:

- меньше время проведения реакции на первом этапе вследствие воздействия ультразвука, что приводит к микротурбулентности и течению жидкости. Так длительность проведения реакции при использовании заявленного способа составляет от 3 до 5 часов, что меньше прототипа, равного 6 часам (Примеры 1-10, таблица 2, столбец 5);

- ниже температура проведения реакции на первом этапе вследствие воздействия ультразвука, что создает в жидкости области с высокой температурой и давлением. Температура проведения реакции по заявленному способу составляет 140 - 155 °С, что меньше прототипа, равного 160 °С (Примеры 1-10, таблица 2, столбец 4);

- высокий выход целевого продукта вследствие воздействия ультразвука, что приводит к образованию в жидкости пузырьков пара (кавитации) и позволяет избежать нежелательных реакций. Выход продукта по заявленному способу соответствует 77-93%, в то время как при использовании прототипа составляет 75% (Примеры 1-10, таблица 2, столбец 6). Высокий выход продукта подтверждается высокими значениями динамической вязкости 1% растворов алкилбетаинов в водных растворах 15% хлорида натрия. Динамическая вязкость при скорости сдвига 0,5 с^-1 по заявленному способу составляет от 180 до 950 мПа*с, в то время как при использовании прототипа соответствует 120 мПа*с (Примеры 1-10, таблица 2, столбец 7).

Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что в заявленном техническом решении достигается технический результат, превосходящий технический результат известного способа.

Таблица 1 - Значения параметров ультразвукового воздействия:

Частота воздействия рабочего раствора 20 кГц Контроль амплитуды 10-100%. Циклы пульсации Воздействие 60 сек. - Пауза 60 сек.

Таблица 2 – Результат способа получения цвиттер-ионного поверхностно активного вещества

Пример 1 этап Выход продукта, % Динамическая вязкость, мПа*с Жирная кислота Амплитуда ультразвукового воздействие, % Температура реакции,
° С Длительность реакции, час 1 2 3 4 5 6 7 1 Лауриновая кислота 100 155 3 77 180 2 Лауриновая кислота 60 150 3,5 83 350 3 Пальмитиновая кислота 10 150 4 84 440 4 Пальмитиновая кислота 80 155 3,5 79 230 5 Олеиновое кислота 50 145 4,5 87 510 6 Олеиновое кислота 30 140 3 81 280 7 Стеариновая кислота 70 150 5 91 830 8 Стеариновая кислота 20 145 4 85 470 9 Эруковая кислота 40 145 4,5 89 720 10 Эруковая кислота 90 140 5 93 950 Прототип Пальмитиновая кислота - 160 6 75 120

Изобретение относится к области органической химии и химии поверхностно-активных веществ, а именно к способу получения цвиттер-ионного поверхностно-активного вещества, которое проявляет свойство загустителя и может найти применение в нефтедобывающей промышленности. Способ получения цвиттер-ионного поверхностно-активного вещества включает на первом этапе реакцию между диметиламинопропиламином и лауриновой кислотой, или пальмитиновой кислотой, или олеиновой кислотой, или стеариновой кислотой, или эруковой кислотой с образованием амида жирных кислот при мольном соотношении (1-1,1):1 в присутствии ортофосфорной кислоты, температуре 140-155°С, продолжительности синтеза от 3 до 5 часов и на втором этапе реакцию между натриевой солью монохлоруксусной кислоты и амидом с образованием алкиламидопропилбетаина при мольном соотношении 1:1 в среде изопропилового спирта и воды, температуре 80°С и длительности синтеза 6 часов, при этом первый этап проводится при ультразвуковом воздействии с контролем амплитуды от 10 до 100% в периодическом цикле пульсации: 60 секунд воздействия и 60 секунд паузы. Технический результат - получение поверхностно-активного вещества с высоким выходом. 2 табл., 11 пр.

Способ получения цвиттер-ионного поверхностно-активного вещества, включающий на первом этапе реакцию между диметиламинопропиламином и лауриновой кислотой, или пальмитиновой кислотой, или олеиновой кислотой, или стеариновой кислотой, или эруковой кислотой с образованием амида жирных кислот при мольном соотношении (1-1,1):1 в присутствии ортофосфорной кислоты, температуре 140-155°С, продолжительности синтеза от 3 до 5 часов и на втором этапе реакцию между натриевой солью монохлоруксусной кислоты и амидом с образованием алкиламидопропилбетаина при мольном соотношении 1:1 в среде изопропилового спирта и воды, температуре 80°С и длительности синтеза 6 часов, отличающийся тем, что первый этап проводится при ультразвуковом воздействии с контролем амплитуды от 10 до 100% в периодическом цикле пульсации: 60 секунд воздействия и 60 секунд паузы.