WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

  На правах рукописи

ХАРИТОНОВ Вячеслав Васильевич

Методология и методы

количественного исследования

процессов цепного окисления, деструкции и ингибирования индивидуальных углеводородов, карбоцепных полимеров и нефтепродуктов

02.00.04 – физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Черноголовка  2007

Работа выполнена в Институте проблем химической физики РАН

Официальные оппоненты: Доктор химических наук, профессор

                                        Касаикина Ольга Тарасовна

Доктор химических наук, профессор

                                       Лыков Олег Петрович

Доктор химических наук, профессор

Герчиков  Анатолий Яковлевич

Ведущая организация:  Институт нефтехимического синтеза им. А.В.  Топчиева  РАН

Защита состоится « 14 » ноября  2007 г. в  10  часов на заседании диссертационного совета  Д 002.082.02  при Институте проблем химической физики РАН по адресу: 142432, г. Черноголовка, Московской области, Ногинского района, пр-т академика Н.Н. Семенова, д. 1, корпус общего назначения Института проблем химической физики РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем химической физики РАН.

Автореферат  разослан « »  2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета  Д 002.082.02 ,

доктор химических наук  Джабиев Таймураз Савельевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из центральных задач химической кинетики является изучение механизма сложных химических превращений, в том числе, цепных реакций окисления. В последние десятилетия главные усилия исследователей были направлены на изучение механизма отдельных, т.н. ″элементарных″ реакций жидкофазного окисления. Гораздо менее изученным оказался другой аспект теории цепных реакций – их количественное исследование и описание как целостного, единого процесса. Для фундаментальной науки здесь необходимо установить основные закономерности этих многостадийных превращений, состоящих из большого числа разнотипных взаимосвязанных реакций, возникающих и исчезающих в ходе единого, суммарного процесса. Такие данные нужны для развития теории и практики управления цепными процессами, они необходимы для понимания процессов катализированного и ингибированного окисления, окисления в отсутствие катализаторов и ингибиторов, механизма действия биоантиоксидантов и многого другого.

В целом развитие этой отрасли науки необходимо для успешного решения глобальных проблем экономики и экологии, например, снижения доли сжигаемых невосполнимых природных источников энергии и углеводородного сырья за счет их окисления в ценные кислородсодержащие продукты, многие из которых служат промежуточными продуктами в производстве широкого спектра химических материалов.

Цели и задачи исследования.

  1. Разработать методологию и методы серийных исследований с количественным описанием процессов ингибированного и не ингибированного окисления углеводородов при экспериментальной идентификации ключевых реакций исследуемых механизмов и определением численных значений кинетических параметров, характеризующих все ключевые реакции, непосредственно в условиях исследования.
  2. Создать приборное обеспечение, позволяющее решать поставленную задачу.
  3. Согласно разрабатываемому подходу изучить влияние структуры молекул важнейших классов ингибиторов (ароматические амины и пространственно-затрудненные фенолы) на механизм и эффективность их действия в разных средах и при разных температурах.
  4. С целью расширения границ применимости предлагаемого подхода ″вширь″ изучить кинетические закономерности окисления важнейших нефтепродуктов (реактивных и дизельных топлив, олигомеров, масел, смазок и специальных жидкостей), полимерных материалов (карбоцепные полимеры – полиэтилен и полипропилен).
  5. С целью расширения границ использования предлагаемого подхода ″вглубь″ изучить кинетические закономерности глубокого окисления углеводородов.

Методы исследования. Для оперативного проведения большого объема кинетического эксперимента (точное измерение различных типов кинетических кривых и их обработка) было разработано специальное приборное обеспечение.

       Для манометрических измерений скорости поглощения кислорода было создано несколько вариантов оригинальных высокочувствительных дифференциальных манометрических установок, сопряженных с ЭВМ.

       Для изучения кинетических закономерностей окислительной деструкции полимеров созданы новый вариант вискозиметра Уббеллоде и установка, объединяющая реактор барботажного типа с вискозиметром для оперативного измерения кинетики изменения вязкости (молекулярной массы) полимера в ходе его окисления.

Научная новизна.

  1. Разработаны методология и методы исследования  цепного окисления углеводородов (в отсутствие и с добавками ингибиторов) с экспериментальной идентификацией и количественной характеристикой каждой из ключевых реакций, определяющих суммарный механизм процесса.
  2. Впервые механизм действия ряда ароматических аминов и пространственно-затрудненных фенолов изучен на уровне кинетических моделей, количественно описывающих весь процесс ингибированного окисления как совокупность числено охарактеризованных ключевых реакций.
  3. Предложен новый способ изучения связи строения молекул ингибиторов с механизмом их действия путем количественной оценки влияния каждого из фрагментов молекулы InH на каждую из ключевых реакций исследуемого процесса – в рядах однотипных ингибиторов.
  4. Получены новые данные о влиянии строения молекул ингибиторов на эффективность их действия и предложен полуэмпирический метод прогнозирования механизмов ингибированного окисления.
  5. Открыто явление многократного обрыва цепей на ингибиторах класса ароматических аминов, предложена новая реакция, на формальном уровне отражающая принципиальную особенность этого явления – регенерацию ингибитора в актах обрыва цепей. Обоснована необходимость включения этой реакции в общепринятую схему ингибированного окисления.
  6. На количественном уровне изучены кинетические закономерности процессов окисления важнейших нефтепродуктов: реактивных и дизельных топлив, газойлей, основ синтетических и минеральных масел, масел и пластических смазок. Установлено, что механизм окисления нефтепродуктов существенно, иногда принципиально отличается от такового для индивидуальных углеводородов. Впервые выдвинута гипотеза, что одной из главных причин этого различия является полидисперсность нефтепродуктов, которая способствует быстрому образованию мицеллоподобных частиц - ″микрореакторов″.  Гипотеза хорошо согласуется с большим объемом различных экспериментальных данных, снимает, в частности, принципиальные противоречия, существующие в современных представлениях о механизме образования смол и осадков.
  7. Впервые выдвинута гипотеза (получены подтверждающие ее экспериментальные данные) об интенсивном протекании реакций индуцированного распада гидропероксидов под действием алкильных радикалов в ″микрореакторах″, образующихся в окисляющихся нефтепродуктах. Получены аналитические выражения, позволяющие идентифицировать и количественно характеризовать эти реакции. Сделано предположение, что эти реакции являются одной из главных причин самоторможения процессов окисления.
  8. Впервые на количественном уровне изучены кинетические закономерности окислительной деструкции карбоцепных полимеров в растворе и твердой фазе. Доказана новая реакция распада ″больших″ и ″малых″ пероксильных радикалов с разрывом С-С связи и образованием непредельного соединения. Предложена гипотеза об общности механизмов деструкции на начальных стадиях окисления полимеров и  низкомолекулярных углеводородов. В развитие современных представлений о механизме цепного окисления углеводородов и методов его исследования предложено включить в классическую схему окисления три реакции разрыва углеродного скелета молекул, приводящих к образованию низкомолекулярных соединений уже на начальных стадиях процесса.
  9. Впервые выдвинута гипотеза (и получено экспериментальное ее подтверждение) о самоструктурировании среды на глубоких стадиях окисления углеводородов, которое является причиной ″параллельного″ образования широкого спектра низко- и высокомолекулярных соединений и одной из главных причин самоторможения всего процесса окисления в целом.

       Принципиальные отличия проделанной работы и  результатов исследований в этой области определяется следующим:

       - исследуются не отдельные реакции окисления (с ингибитором или без), а целостный процесс во всей взаимосвязи определяющих его реакций;

       - впервые проводится экспериментальная идентификация ключевых реакций исследуемого процесса и определяются все их численные характеристики непосредственно в условиях исследования (температура и др.);

       - впервые идентификация ключевых реакций и определение их количественных характеристик не является завершением работы: обязательная ее стадия – сопоставление всех экспериментальных кинетических кривых с расчетными на всю глубину окисления. Только их совпадение свидетельствует о полноте и завершенности проведенного исследования.

Теоретическое и практическое значения работы. Созданная методика разностороннего исследования и количественного описания процессов цепного окисления углеводородов и углеводородных материалов, а также механизма действия ингибиторов, открывает новые возможности в развитии как фундаментальной, так и прикладной науки.

В области фундаментальной химической кинетики:        

  1. В исследовании влияния строения молекул и условий окисления на механизм процесса; влияния структуры молекул ингибиторов на механизм и эффективность их тормозящего действия.

       2. В развитии теории и методов направленного синтеза антиоксидантов с заданными свойствами.

3. В развитии теории и методов прогнозирования устойчивости к окислению различных углеводородных материалов и эффективности действия ингибиторов.

В области прикладной науки:

Новизна и эффективность подхода в решении широкого круга прикладных задач определяется тем, что серийные стандартные испытания окислительной стабильности углеводородных материалов и эффективности антиоксидантов впервые выводятся на уровень научного исследования этих процессов. При этом сочетаются противоречивые требования оперативности и глубины, разносторонности проводимого испытания – исследования.

Учитывая крупные масштабы производства топлив, масел, смазок, полимерных материалов, удешевление их производства и продление сроков эксплуатации даст большой экономический эффект.

Выносится на защиту.

  1. Методология и методы изучения механизма действия ингибиторов с экспериментальной идентификацией ключевых реакций процесса ингибированного окисления и определением численных значений кинетических параметров, их характеризующих, непосредственно в условиях исследования. Приборное обеспечение этих исследований.
  2. Способ изучения влияния строения молекул ингибиторов на механизм их действия путем сопоставления численных значений кинетических параметров всех  ключевых  реакций, определяющих  процесс ингибированного окисления, с фрагментами структуры исследуемого InH в рядах однотипных ингибиторов.
  3. Открытие явления многократного обрыва цепей на ароматических аминах в присутствии пероксильных радикалов с амфотерными свойствами, реакцию, формально отражающую принципиальную особенность этого явления и необходимость ее включения в общепринятую схему ингибированного окисления.
  4. Методика и результаты количественного исследования кинетических закономерностей окислительной деструкции карбоцепных полимеров в растворе и твердой фазе.
  5. Доказательство новой реакции разрывов С-С связей при распаде пероксильных радикалов в окисляющихся полимерах и низкомолекулярных углеводородах и целесообразность включения трех реакций деструкции окисляющихся низко- и высокомолекулярных субстратов в общепринятую схему начальных стадий цепного окисления.
  6. Создание приборного и методического обеспечения количественного исследования кинетических закономерностей окислительной деструкции карбоцепных полимеров.
  7. Методики и результаты количественного исследования кинетических закономерностей окисления важнейших нефтепродуктов.
  8. Гипотеза об образовании ″микрореакторов″ в окисляющихся полидисперсных нефтепродуктах и важной роли реакций (в частности, реакций индуцированного распада гидропероксидов), в них протекающих, в суммарном механизме окисления и процессах образования смол и осадков.
  9. Научно обоснованный скрининг окисляемости углеводородных материалов с получением ″кинетического паспорта″, раскрывающего причины различной окисляемости образцов и позволяющего прогнозировать сроки и оптимальные условия их эксплуатации.
  10. Трехуровневая система скрининга эффективности действия ингибиторов и сложных антиоксидантов.
  11. Методика полуэмпирического прогнозирования механизмов действия антиоксидантов.
  12. Гипотеза о самоструктурировании среды на глубоких стадиях окисления н-парафинов и важной роли реакций, протекающих в образовавшихся ″микрореакторах″, в суммарном механизме процесса.

Личный вклад автора. Поставлена задача исследования, сформулирована идеология нового подхода в количественном изучении процессов ингибированного и не ингибированного окисления углеводородов при экспериментальной идентификации ключевых реакций исследуемого механизма и определением численных значений кинетических параметров, характеризующих все ключевые реакции, непосредственно в условиях исследования. Определены объекты и условия исследований, разработаны их теоретическое и приборное обеспечения. Проведен анализ экспериментальных данных, на основании которых получены новые данные, значительно расширяющие современные представления о механизме ингибированного и не ингибированного окисления углеводородов и углеводородных материалов.

Основная часть работы выполнена автором в отделе кинетики химических и биологических процессов ИПХФ РАН, Черноголовка и РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. Она входила в планы научно-исследовательских работ ИПХФ РАН и поддержана РФФИ за № 05.08.033700а  и  06.03.32934а.

Автор благодарит д.х.н., проф. Е.Т. Денисова, д.х.н., проф. Т.П. Вишнякову и д.х.н., проф. И.А. Голубеву за многолетнее, плодотворное сотрудничество, к.х.н. Т.В. Попову за сотрудничество и помощь в оформлении диссертации.

Качественный анализ системы дифференциальных и алгебраических уравнений, система кинетических параметров, методы определения их численных значений и программное обеспечение работы выполнены к.ф-м.н. Б.Л. Психа.

Уникальные манометрические установки были сделаны благодаря сотрудничеству с инженерами Б.Н. Житеневым, Н.Н. Францевым, А.И. Станиловским и А.Г. Мишуковым. Кварцевая часть установки выполнена А.И. Ивлевым. 

Одиннадцать ароматических аминов были синтезированы и любезно предоставлены д.х.н. Л.А. Скрипко, НИИХИМПОЛИМЕР, г. Тамбов.

       Апробация результатов. Результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались на 28 Всесоюзных и 24 Международных конференциях и симпозиумах, таких как: Kinetic investigation of the action of inhibitors in the oxidation of melted polyethylene / Kharitonov V.V., Fedorova V.V. // 1-st Yugoslav. Symp. on polymer degradation and stabilization. – Yugoslavia, 1974; / Харитонов В.В., Денисов Е.Т. // IV Конференция по старению и стабилизации полимеров. – Ташкент, 1976; Методы комплексного исследования и описания механизма действия стабилизаторов для полимеров / Харитонов В.В. // V Всесоюзная научно-техническая конференция по химикатам – добавкам для полимерных материалов. – Тамбов, 1976; Исследование механизма действия ингибиторов окисления по комплексной программе с применением ЭВМ / Харитонов В.В., Психа Б.Л., Скрипко Л.А. // Рефераты дискуссионного семинара с международным участием ″Механизм действия и реакционная способность гидропероксидных разложителей и дезактиваторов перекисных радикалов″. – София, 1977; Принципиальная основа разработки методов тестовых испытаний эффективности антиоксидантов в смесях сложного состава. – В кн. ″Пластичные смазки″ / Харитонов В.В. // III Всесоюзная научно-техническая конференция. – Бердянск, 1979; Реакция распада перекисных радикалов с разрывом С-С связей / Трофимова Н.Ф., Харитонов В.В., Денисов Е.Т. // IV Всесоюзная конференция по жидкофазному окислению органических соединений. – Баку, 1979; Изучение механизма ингибированного окисления полимеров с использованием АСТИ / Харитонов В.В., Психа Б.Л., Киргин А.В. // V конференция по проблеме ″Старение и стабилизация полимеров″. - Вильнюс, 1-3 июля,1980. – Черноголовка, 1980; Комплексное кинетическое исследование механизма действия антиокислителей углеводородных топлив / Харитонов В.В., Вишнякова Т.П., Голубева И.А. // Международный симпозиум ″Механизм действия присадок″. – Болгария, Бургас, 1983; Методология исследований механизма цепного окисления и стабилизации углеводородных материалов при автоматизации эксперимента и его обработки / Харитонов В.В., Психа Б.Л. // VIII Всесоюзный симпозиум по горению и взрыву. - Ташкент, 1986. - ″Химическая физика процессов горения и взрыва. Кинетика химических реакций″. – Черноголовка, 1986; Изучение кинетических закономерностей ингибирующего действия асфальтенов нефти в окисляющемся расплавленном полиэтилене низкой плотности / Харитонов В.В., Прохорова Т.Г., Заседателев С.Ю. // Всесоюзная конференция по химии нефти. – Томск,  1988; Системный подход в исследовании цепного окисления нефтепродуктов и прогресс химмотологии / Харитонов В.В. // Научно-техническая конференция ″Научно-технический прогресс в химмотологии топлив и смазочных материалов″. – Днепропетровск, 1990; Феноменология глубокого окисления топлив / Харитонов В.В., Попова Т.В. // Вторая научно-техническая конференция ″Развитие теоретических основ химмотологии″. – Днепропетровск, 1992; Кинетический метод тестирования антиокислительной стабильности нефтепродуктов / Харитонов В.В., Психа Б.Л., Письменский А.В. // 3-й Международная конференция по химии нефти. – Томск, 1997;  Роль дисперсности окисляющихся нефтепродуктов в механизме образования осадков / Харитонов В.В., Попова Т.В.;  Влияние дисперсности среды на механизм цепного окисления углеводородов / Харитонов В.В. // Первый международный симпозиум ″Наука и технология углеводородных дисперсных систем″. – Москва, 1997; Влияние полидисперсности среды на механизм и осадкообразования углеводородных материалов / Харитонов В.В., Попова Т.В. // IV Международная конференция. – Томск, 2000; Перспективы создания современных методов тестирования антиокислительной стабильности нефтепродуктов / Харитонов В.В., Психа Б.Л. // Российская конференция ″Актуальные проблемы нефтехимии″. – Москва, 17-20 апреля, 2001; Особенности распада гидропероксидов при окислении углеводородных масел: экспериментальное и кинетическое моделирование / Психа Б.Л., Харитонов В.В.; Экспериментальное исследование распада гидропероксидов н-гексадекана под действием некоторых ароматических аминов / Харитонов В.В., Психа Б.Л. // XI Международная конференция по химии органических и элементорганических аминов. – Москва, 24-26 июня, 2003; Исследование антиокислительной стабильности гидравлических масел / Харитонов В.В., Попова Т.В., Киташов Ю.Н. // III Международный симпозиум ″Нефтяные дисперсные системы-2004″. – Москва, 2004; Новый подход в изучении влияния строения антиоксидантов и условий окисления на механизм их действия /Харитонов В.В., Психа Б.Л., Базанова И.Б. // VIII Международная  конференция ″Биоксидант″. – Москва, 25-26 октября, 2006.

Публикации.        По материалам диссертации опубликовано 115 статей,  52 тезиса докладов, 4 препринта и получены 5 авторских свидетельств. 

               Объем и структура. Диссертация состоит из введения, обсуждения результатов (главы I-IX), выводов, библиографического списка использованной литературы. Диссертация изложена на 383 страницах, включая 69 рисунков, 39  таблиц  и списка литературы из  414 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

         Введение содержит разделы: постановка задачи и методология ее решения, область исследования, научная новизна, теоретическое и практическое значение работы, апробация результатов. В ведении изложены основы методологии предлагаемого подхода количественного исследования процессов цепного окисления углеводородов.

               В работе предлагается новый подход к количественному исследованию цепного ингибированного и не ингибированного окисления углеводородов и углеводородных материалов, сочетающий как ″экспериментальный″ так и ″расчетный″ подходы. От первого он сохранил главное – объективность данных, получаемых путем проведения большого объема эксперимента, раскрывающего и характеризующего все ключевые реакции исследуемого механизма. Для максимального повышения оперативности исследования созданы специальные установки с автоматизацией ведения эксперимента, сбора и передачи данных на ЭВМ. От второго, ″расчетного″ подхода, сохранены глубокий математический анализ экспериментальных данных и контроль за полнотой проведенного исследования. Исключены его слабые стороны – необходимость априорных предположений и допущений при постановке задачи, и, следовательно, неоднозначность получаемых решений.

Глава I посвящена выбору базовой схемы ингибированного окисления, которая была положена в основу методики. Из числа реакций, которые, по литературным данным, в принципе могут протекать в ингибированном окислении, был выбран тот их ″минимакс″, который, с одной стороны, учитывает все значимые, типичные для этих классов ингибиторов, реакции, а, с другой стороны, содержит их минимальное количество для упрощения математического аппарата обработки экспериментальных данных, повышения точности и однозначности получаемых решений.

       В результате была получена следующая схема реакций ингибированного фенолами и ароматическими аминами окисления углеводородов:

Схема I

RH  + O2                

2RH                 + O2        

rOOr         2rO•                                 распад инициатора

на радикалы        

r•  + RH  rH  + R•              реакция выменивания

  радикалов      

R• +  O2  RO2•                                     (1)                                                 

                                ROOH  +        R•                          (2.1)

RO2•  + RH 

                                R• +  молек. прод.       (2.2)

                                       2r•                          (3.1)

ROOH

                              молек. прод.                                 (3.2)

                                       2r•                         (3.3)

2ROOH 

                                       молек. прод.       (3.4)

RO2•  + RO2•                        молек. прод.                                  (6 ) 

InH +  RO2•                        ROOH  +        In•                          (7.0; -7)

InH                 +  R•                        In•        + RH         (7.1; 10)

InH +  rO•                        In• +  rOH       (7.2)

                                       ПР.1 +  молек. прод.  (8.1)

InH +  RO2•                                

                                               InH + молек. прод. (8.2)*

In•  +  In•                        ПР.2                       (9)

                                       2r•

ROOH +  InH                              

                                               молек. прод

Обозначения: rOOr – инициатор, как правило дикумилпероксид; r•-радикал любой структуры, отличной от R• и RO2•; (в) – реакция выменивания любых радикалов на радикалы окисляющегося субстрата; реакция (8.2)* предложена по результатам 2-й гл. диссертации; (11)** не включена в качестве обязательной, но возможность ее не учитывать необходимо проверять экспериментально. Схема не включает обрыв цепей по реакциям R• + RO2• и R• + R•, т.к. методика рассчита-на на исследование процессов окисления, протекающих в кинетической области.

       Поскольку схема рассматривается как основа методики, предназначенной для количественного исследования широкого круга процессов ингибированного окисления, необходимо отметить ее принципиальный недостаток: схема ″не позволяет″ проводить количественную характеристику действия InH, когда коэффициент f принимает значения >>2 (десятки и сотни).

       Этой проблеме посвящен раздел 2.1 второй главы диссертации. При изучении механизма вырожденного разветвления цепей в окисляющемся циклогексаноле было открыто явление многократного обрыва цепей в расчете на одну молекулу исходного ингибитора (рис. 1).

Из рисунка видно, что хотя исходная концентрация амина вдвое меньше, чем фенола, он расходуется медленно, но при этом гидпропероксиды накаплива-ются значительно медленнее, чем в присутствии фенола. Это значит, что амин интенсивно тормозит окисление, взаимодействуя с ведущими окислительные цепочки оксипероксильными радикалами, сам же в актах обрыва цепей расходу-ется медленно: коэффициент ингибирования f для амина в окисляющемся циклогексаноле при 393 К равен 28, при 403 К –29, а при 413 К –30. Детальное иссле-дование открытого явления многократного обрыва цепей на ароматических аминах показало, что оно характерно для молекул аминов любой структуры в окисляющихся вторичных спиртах (циклогексанол, цетиловый спирт, смесь син-тетических спиртов С17-С23) и во всех субстратах (включая полимеры), их содержащих; оно не наблюдается в насыщенных углеводородах, кетонах, полимерах, третичных спиртах – во всех средах, где отсутствуют гидроксильные, оксиалкильные и оксипероксильные радикалы. Для ингибиторов класса фенолов оно не наблюдается в любых средах, в том числе и в окисляющихся вторичных спиртах. Принимая во внимание, что гидроксильные, оксиалкильные и оксипероксильные радикалы обладают амфотерными свойствами, т.е. могут как окислять, так и восстанавливать, было сделано предположение, что принципиальной основой явления многократного обрыва цепей является реакция регенерации ингибитора в актах обрыва цепей, а механизм тормозящего действия AmH включает в себя реакции (7), (8.1) и (8.2).        Согласно этому механизму коэф-фициент f = 2 ⋅ ((k8.1 + k8.2) / k8.1), т.е. чем больше k8.2, тем больше f. Если нет регенерации (″k8.2= 0″), то f =2 в соответствии с ″классической″ схемой ингибированного окисления I. В качестве доводов в пользу такого механизма регенерации можно рассматривать следующее: реакция (8.2) экзотермична; при распаде тетрафенилгидразина в инициированном окислении циклогексанола образуется и накапливается дифениламин; все последующие механизмы регенерации, пред-ложенные в литературе (через азотокисные радикалы или отрицательный катализ солями металлов переменной валентности) на формально-кинетическом уровне описывается совокупностью реакций типа (7), (8.1) и (8.2). В целом вполне обоснованно можно считать, что последовательность этих превращений на формально-кинетическом уровне отражает самые разные механизмы регенера-ции, имеет достаточно общий характер. На этом основании мы предлагаем ввести реакцию (8.2) в общепринятую схему ингибированного окисления. Справедливость и обоснованность такого предложения доказана в настоящей работе при количественном описании окисления самых разных субстратов, в разных условиях, ингибированное ингибиторами разных классов и структур.

       Теперь, когда схема I, дополненная реакцией (8.2), позволяет количественно характеризовать и интенсивность, и длительность тормозящего действия ингибиторов, можно было приступать к разработке методов количественного исследования этих процессов.

В разделах 2.2-2.4 диссертации излагаются принципиальные основы создания таких методов. Предлагаемый подход продемонстрирован на примере окисления расплава низкомолекулярного полиэтилена низкой плотности (ПЭНП), ингибированного фенил-β-нафтиламином (амин, AmH). Были созданы условия, в которых можно ожидать протекания всех реакций  схемы I. Предполагалось, что вследствие высокой скорости реакций (-7) и (10), возвращающих в систему пероксильные радикалы, обрыв цепей происходит главным образом по реакциям (6) и (8.0). В этих условиях в области средних концентраций AmH согласно схеме I имеем:

                (1)

а в области больших [AmH]o   (2)

Обозначения: ω = V/V0, где V – скорость ингибированного окисления, а V0 – скорость окисления без ингибитора при той же Wi; P-7 = k-7⋅ (2⋅k6/ k7.0⋅ k8.0);

  P10 = k10⋅ (2⋅k6/ k7.0⋅ k8.0); P7.0 = (2⋅k6)1/2/ k7.0; α = ω-1; γ = k8.0⋅/ (k10⋅[RH]+ k-7⋅[ROOH]) ⋅; β = k-7 /; δ = k9⋅W / (k10⋅[RH]+ k-7⋅[ROOH]).

Из выражения (1) видно, что в отсутствие ROOH параметры P7.0 и P10 можно находить в трех сериях опытов, снимая зависимость F1 от [AmH]o при постоянной Wi, зависимость F1 от Wi при постоянной [AmH] и F1 от [RH]. При известных P7.0 и P10 в серии опытов F1 = F1 ([ROOH]0) определяется P-7. Затем в области малых [ROOH]0 и больших [AmH]o находим α и β. Оказалось, что зависимости F1 и F2 линейно зависят от Wi1/2 и [ROOH]0  – в полном соответствии требованиям формул (1) и (2). В обоих сериях нет отсечения на оси ординат: нет реакции (10). Полученные значения параметров Pj ″расшифрованы″ до уровня ″элементарных″ констант, результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Количественные характеристики ингибированного окисления ПЭНП

Окисление ПЭНП

Ингибированное окисление ПЭНП

Параметр

Численное значение

Параметр

Численное значение

Woi

1,8⋅10-7 моль/л⋅с

[RH]

87 г/экв. С-Н св./л. расплава

Wi

6,48⋅10-7 моль/л⋅с

[InH]o

1,75⋅10-3 моль/л

kp

1,6⋅10-4 с-1

[ROOH]0 

1,24⋅10-2 моль/л

ki

1,6⋅10-4 с-1

k7

6,2⋅103 л/ моль⋅с

k2.0

0,7 л/ моль⋅с

k-7

2,2⋅103 л/ моль⋅с

k6*

106 л/ моль⋅с

k8.1*

108 л/ моль⋅с

k3.1

4,5⋅10-6 с-1

k11

4,0⋅10-3 с-1

k3.3

3,3 ⋅10-5 л/ моль⋅с

k9

2,3⋅107 л/ моль⋅с

7,5 ⋅10-5 л/ моль⋅с

k8.2

5,0⋅107 л/ моль⋅с

Здесь k6* и k8.1* взяты из литературы. k11 – константа скорости молекулярного взаимодействия AmH с ROOH. kp и ki – константы скорости брутто- распада и распада на радикалы инициатора; kΣ – константа скорости брутто-распада ROOH. Все эти константы определены в настоящей работе.

Здесь же приведены константы скорости реакций, характеризующих окисление ПЭНП в отсутствие ингибиторов. Дело в том, что в предлагаемом под-ходе главным методом, ″инструментом″ исследования механизма действия ингибиторов, является детально изученная, ″модельная″ реакция окисления субстрата. Это необходимо потому, что завершающей стадией исследования является проверка правильности идентификации ключевых реакций, механизма, точности численных значений их количественных характеристик и полноты проведенного исследования.        Для этого с использованием всех полученных данных (табл. 1) путем решения прямой задачи химической кинетики рассчитывается кинетика поглощения кислорода в ингибированном окислении субстрата и сопоставляется с экспериментальной кинетикой. Результаты такого сопоставления показали, что данные табл. 1 хорошо описывают поглощение кислорода окисляющимся в присутствии фенил-β-нафтиламина ПЭНП в течение почти двух часов (408 К, рис. 2).

       

       Расхождение расчета с экспериментом после двух часов окисления вероятнее всего обусловлено влиянием продуктов превращения AmH (например, ПР.1 или ПР.2), что не учитывается формулами (2) и (3).

       Подводя итог проведенной работы следует подчеркнуть, что впервые исследован процесс ингибированного ароматическим амином окисления как совокупность экспериментально идентифицированных и количественно охарактеризованных ключевых реакций, определяющих механизм процесса в конкретных условиях.

По существу это исследование было экспериментальным подтверждением правильности принципиальных основ предлагаемого подхода. Его главные положения таковы:

  1. Первыми исследуются те реакции, которые могут быть выделены и изучены по отдельности, вне связи с остальными реакциями схемы. В проделанной работе это реакция молекулярного взаимодействия ингибитора с гидропероксидами.
  2. Для изучения реакций принципиально взаимозависимых, которые не могут быть разделены в условиях исследования, проводятся специальные серии опытов. В них создаются такие начальные условия, при которых одни (измеряемые) реакции протекают с большими скоростями, а остальные становятся второстепенными.
  3. С помощью таких серий опытов проводится экспериментальная идентификация исследуемого механизма путем сопоставления экспериментальных зависимостей с ″теоретическими″, следующими из формул, определяемых априорной схемой превращений. В проделанной работе это, например, факт отсутствия отсечения на оси ординат во всех трех независимых сериях, который говорит об отсутствии реакции (10) в рассматриваемых условиях.
  4. В случаях, когда эксперимент соответствует требованиям теории (линейные зависимости во всех трех сериях), это дает основание и возможность оценить численные значения соответствующих параметров.
  5. Численные значения параметров Pj рассчитываются по начальным скоростям ингибированного окисления во всех сериях опытов. Это позволяет избежать учета влияния вторичных продуктов окисления (ПР.1 и ПР.2) на механизм неглубоких стадий процесса.
  6. Все предварительные и основные серии опытов проводятся при той температуре, при которой изучается механизм ингибированного окисления в целом.
  7. Исследование механизма действия InH проводится с использованием предварительно детально изученной, модельной реакции окисления субстрата.
  8. Завершением работы является обязательное сопоставление всех экспериментальных данных (всех серий опытов) с расчетными. Только хорошее их совпадение свидетельствует о правильности идентификации ключевых реакций процесса, точности определения их численных характеристик и полноте проведенного исследования.

       Для развития этого подхода до уровня серийных, стандартных методов количественного исследования процессов окисления различных субстратов в различных условиях, а также механизмов действия ингибиторов разных классов и структур необходимо было решить две задачи.

       Первая – резко повысить оперативность всего исследования. Для этого вместе с коллегами были созданы специальные манометрические установки, сопряженные с ЭВМ. В значительной степени автоматизированы: ведение эксперимента, регистрация данных и их обработка. Вторая задача состояла в том, чтобы разработать методику количественного изучения механизма действия ингибиторов в рамках всей схемы ингибированного окисления – без каких-либо ее априорных упрощений.

       Качественный анализ системы дифференциальных и алгебраических уравнений, соответствующих полной схеме I, показал, что для количественного описания  процесса окисления субстрата  необходимо  знать значения следующих параметров: Woi, P6 = 2 k6 / (k2/ ⋅[RH]2);  P2 = k2.1 / k2.0;  2 P3.1 = k3.1⋅ P2; 2 P3.2 = k3.2⋅ P22;  P3.Σ1 = k3.1 + k3.2; k2.0 =  k2.1 + k2.2 ; P3.Σ2 = P2 (k3.2 + k3.4).

       Для количественной характеристики действия ингибиторов, согласно схеме I необходимо, определить численные значения следующих параметров:

ключевая реакция (7). Характеризует взаимодействие молекулы ингибитора с пероксильным радикалам.

ключевая реакция (7.1). Характеризует взаимодействие InH с алкильными радикалами.

  ключевая реакция (7.2). Характеризует взаимодействие InH с алкоксильными радикалами.

  Характеризует взаимодействие радикала In• с ROOH.

  Характеризует длительность торможения.

       Характеризует расходование радикалов In• в результате их квадратичной рекомбинации.

Характеризует реакцию In• с молекулами окисляющегося субстрата. Здесь .

Физический смысл параметров Рj  понятен: практически каждый из них характеризует одну, достаточно определенную сторону механизма действия ингибитора, так называемую ″ключевую″ реакцию. Совокупность всех этих параметров (их численные значения) вместе с системой дифференциальных и алгебраических уравнений, согласно классическому определению, является математической моделью исследуемого процесса. Она в лаконичной, удобной для хранения и использования форме содержит всю информацию о механизме действия исследуемого ингибитора в заданных условиях.

Метод определения численных значений Рj заключается в следующем. Для условий каждой из серий опытов согласно схеме I выписывается система уравне-ний, характеризующих баланс по радикалам RO2• (т.е. по скорости ингибирован-ного окисления V); баланс по радикалам In•; баланс по ″свободным валентнос-тям″ – суммарная скорость образования радикалов по всем каналам равна cумме всех реакций их обрыва; уравнение, описывающее кинетику изменения InH; уравнение, описывающее кинетику изменения [ROOH]. Эти системы уравнений решаются численно, без всяких предварительных упрощений. В каждой серии опы-тов при нахождении ″основных″ параметров значения других, еще не известных берутся из результатов идентификации, а затем из предыдущей итерации расчета.

В главе III для экспериментальной проверки возможностей предлагаемого подхода исследовали механизм тормозящего действия ряда ингибиторов в окисляющихся н-гептадекане и ПЭНП.

       Согласно методике работа начинается с исследования механизма окисления субстратов в отсутствие ингибиторов. В сериях опытов по инициированному и автоокислению н-гептадекана были определены численные значения искомых параметров, которые приведены в табл. 2.

                                                                                               Таблица 2

Параметры окисления н-гептадекана

Т, К

Wo⋅109

Р6⋅103

Р3.1⋅106

Р3.2⋅105

РΣ1⋅106

Р2⋅10

393

1,1±0,1

24±0,3

2,9±0,4

---

6,7±0,9

7,7±0,2

403

13,0±0,5

10±0,1

4,7±0,1

1,2±0,1

10±0,8

8±0,1

413

48,0±2

4,1±0,02

10±0,4

4,4±0,1

21±1

8,2±0,1

Еакт, кДж/моль

55±5

28,6±0,4

22,3±2

21±2

20,5±4

1±0,02

       Поскольку такая полная характеристика процесса получена путем проведения сравнительно небольшого объема эксперимента и только по манометрическим измерениям, требовалась независимая проверка методики. Для этого с использованием численных значений буквально всех Pj были получены расчетные кинетики накопления гидропероксидов – как разность между их образованием и расходованием в каждый момент времени. Экспериментальные кинетики накопления ROOH были получены на барботажной установке, методом титрования. Результаты сопоставления расчета с экспериментом представлены на рис. 3.

Хорошее  совпадение расчетных данных с экспериментальными во всем диапазоне температур говорит о том, что в результате проведенного исследования получена математическая модель кинетических закономерностей окисления  н-гептадекана в температурном интервале (по крайней мере) 393-433 К. Она  может  быть использована как  для  детального изучения этого процесса на уровне элементарных реакций, так и для количественного исследования механизма действия антиоксидантов в этих условиях.

Такая же работа была проведена и с окисляющимся ПЭНП. Результаты представлены в таблице 3.        

                                                                                       Таблица 3

Параметры окисления ПЭНП

Т, К

Wo⋅108

Р6⋅103

Р3.1⋅106

16

393

0,87±0,06

4,37±0,03

0,81±0,09

1,52±0,9

403

8,38±0,07

0,870±0,07

1,02±0,22

3,12±0,38

413

29,8±1,0

0,684±0,017

2,0±0,07

5,87±0,42

Еакт, кДж/моль

117±7

---

85±10

88±4

Сопоставление расчетных и экспериментальных кинетических кривых поглощения кислорода и накопления гидропероксидов показало их хорошее совпадение. Полученная математическая модель окисления ПЭНП может быть использована для количественного исследования действия ингибиторов.

В качестве объекта исследования были выбраны 11 ароматических аминов, структуры которых различались строением фрагментов центральной части молекулы и строением n-заместителей.

       1. Есть четыре группы аминов, отличающиеся строением центральной части молекулы:  - ″гидроксил″ –СН2–С(ОН)Н–СН2–;  ″эфир″ – (СН2)2–О– (СН2)2-;  ″алкан″       – (СН2)4–;  ″карбонил″        >С=О.

       2. Каждая из этих групп (кроме группы с алканом) состоит из трех молекул, отличающихся друг от друга структурой n–заместителя к функциональным

>N-H группам: ″анизил″ –О–СН3;  ″фенил″       ; ″нафтил″

       В соответствии с методикой был идентифицирован механизм действия всех 11 аминов в обоих средах и определены численные значения параметров Рj,  характеризующих его ключевые реакции, приведены в табл. 4.

Анализ данных табл. 4 приведен в IV главе диссертации. Он показал, что AmH отчетливо делятся на 2 группы, сильно различающихся по своим свойствам. К первой группе относятся 8 AmH с фрагментами ″гидроксил″, ″эфир″ и ″алкан″, а ко  второй – 3 AmH с центром ″карбонил″. Исследование влияния структуры AmH на ki для каждой из групп AmH проводится по-отдельности.

                                                               Таблица 4

Значения констант скорости kj ключевых реакций ингибированного ароматическими  диаминами 

окисления н-гептадекана при 413 К и ПЭНП при 393 К

-R2j-

-R1j-

Обозначение

ингибитора

среда

k7.0 ⋅10-5

k7.2 ⋅10-8

k-7 ⋅10-3

k10 ⋅102

2k9 ⋅10-7

fΣ1

R 2.1

  ОН

-СН2-СН-СН2

R1.1 анизил

С-161

ГД/ПЭНП

2,3/6,3

5,0/---

2,2/1,0

0,3/3,0

0,7/0,8

18,0/20,0

R1.2 β-нафтил

С-49

ГД/ПЭНП

1,3/3,8

3,6/1,0

2,2/1,1

1,2/20,0

5,0/1,2

11,0/---

R1.3 фенил

С-47

ГД/ПЭНП

1,5/3,2

2,2/1,0

1,9/1,1

2,6/19,0

10,0/2,3

18,0/18,0

R2.2

-(СН2)2-О-(СН2)2-

R1.1 анизил

С-163

ГД/ПЭНП

2,4/6,9

-/1,7

2,4/1,5

0,5/2,2

0,7/0,7

10,0/20,0

R1.2 β-нафтил

С-87

ГД/ПЭНП

1,3/4,0

2,4/3,0

14,4/2,8

0,84/5,0

4,0/1,1

4,0/18,0

R1.3 фенил

С-85

ГД/ПЭНП

1,3/0,3

6,3/2,0

12,0/1,5

-/---

4,0/1,8

8,0/13,0

R2.3

-(СН2)4-

R1.1 анизил

С-221

ГД/ПЭНП

2,2/6,5

4,0/1,0

4,1/2,0

0,37/7,7

0,7/0,8

8,0/20,0

R1.3 фенил

С-385

ГД/ПЭНП

1,4/4,0

4,5/1,0

15,3/2,0

2,1/21,0

8,0/1,5

8,0/29,0

R2.4

О

-С-

R1.1 анизил

С-177

ГД/ПЭНП

0,17/1,3

1,0/1,0

2,50,5

2,8/35,0

13,0/3,2

4,2/22,0

R1.2 β-нафтил

С-175

ГД/ПЭНП

0,22/1,32

-/0,8

-/0,4

3,1/50,0

13,0/3,1

4,1/---

R1.3 фенил

С-7

ГД/ПЭНП

0,20/1,3

0,9/0,8

1,5/0,4

3,0/35,0

13,0/3,2

4,1/20,0

Для большей наглядности данные табл. 4 представлены в следующем виде:

  Реакция (7.0) -  Гептадекан

″центр″ R2j

R1j n-замест.

k7.0⋅105 л/моль⋅с

R2.1

R2.2

R2.3

R1.1 анизил

2,3 ± 0,1

2,4 ± 0,1

2,2 ± 0,1

R1.2 β-нафтил

1,3 ± 0,1

1,3 ± 0,1

-

R1.3 фенил

1,5 ± 0,1

1,3 ± 0,1

1,4 ± 0,1

       Видно, что строение молекул следующим образом влияет на величину k7.0: реакционноспособность AmH по отношению к RO2• зависит от свойств n–заместителей. Наибольшим значением k7.0 отличаются те молекулы AmH, у которых в пара-положении стоит анизил. Заместители β–нафтил и фенил оказывают более слабое и примерно одинаковое  влияние на величину k7.0. Влияние структуры ″центрального″ фрагмента молекул AmH на значения k7.0 не проявляется на фоне влияния n–заместителей.

Реакция (7.0) -  ПЭНП

       

″центр″ R2j

R1j n-замест.

k7.0⋅104 л/моль⋅с

R2.1

R2.2

R2.3

R1.1 анизил

6,3 ± 0,1

6,9± 0,1

6,5 ± 0,1

R1.2 β-нафтил

3,8 ± 0,1

4,0 ± 0,1

-

R1.3 фенил

3,2 ± 0,1

3,0 ± 0,1

4,0 ± 0,1

Видно, что на качественном уровне наблюдается точно такая же зависи-мость величины k7.0 от структуры молекул AmH, что и в условиях окис-ляющегося гептадекана: влияние центрального фрагмента молекул не сказывается на фоне влияния n–заместителей.

Сопоставление влияния структуры AmH на величину k7.0 в двух средах

       Мерой такого влияния может служить отношение констант скорости k7.0  в н-гептадекане () к  k7.0  в ПЭНП  (). Все ингибиторы, независимо от их структуры, реагируют с RO2• радикалами гептадекана в среднем в (3,6±0,3) раза быстрее, чем  с RO2• в условиях окисляющегося полиэтилена. Это значит, что, например, влияние  n–заместителей на величину k7.0 при переходе от среды к среде изменяется пропорционально: большие k7.0 молекул AmH с анизилом как n–заместителем при переходе от ГД к ПЭНП меняются во столько же раз, что и у AmH с другими n–заместителями, имеющими меньшую k7.0. Если учесть, что в условиях сравнения значения k2 обоих субстратов одинаковы, то можно сделать вывод, что изменение k7.0 всех восьми AmH при переходе от ГД к ПЭНП связано с изменением физико-химических свойств среды, а цифра – 3,6 раза – есть количественное отражение этого влияния.

       Проведем аналогичный анализ для реакции Am• +  ROOH (-7)

Реакция (-7.0) -  Гептадекан

″центр″ R2j

R1j n-замест.

k-7.0⋅10-3 л/моль⋅с

R2.1

R2.2

R2.3

R1.1 анизил

2,3 ± 0,2

2,5 ±0,2

4,3 ±0,2

R1.2 β-нафтил

2,2 ± 0,2

14 ±1,3

-

R1.3 фенил

2,2 ± 0,2

13 ±1,3

16 ±1,3

       Видно, что на фоне влияния фрагмента R2.1  ″гидроксил″ в центре радикала изменение структуры n–заместителей R1.1  - R1.3  никак не сказывается (первая колонка табл.). Однако это оказалось исключением из правила, состоящего в том, что на величину k-7 оказывает влияние и строение ″центра″, и характер n–заместителей радикалов Am•. В целом влияние n–заместителей на реакцию (-7) антибатно их влиянию на реакцию (7.0), т.е. k-7 n–заместителей уменьшается с ростом электронно-донорных свойств n–заместителей.

Реакция (-7.0) -  Полиэтилен

″центр″ R2j

R1j n-замест.

k-7.0⋅10-3 л/моль⋅с

R2.1

R2.2

R2.3

R1.1 анизил

1,0

1,5

2,0

R1.2 β-нафтил

1,1

2,8

---

R1.3 фенил

1,1

1,5

2,0

Строение радикалов Am• влияет на их взаимодействие с гидропероксидами ПЭНП на качественном уровне точно так же, как и на их реакцию с RO2• в окисляющемся гептадекане: радикалы Am• с фрагментом R2.1 (″гидроксил″) реагирует с ROOH с константой k-7 = 1,1⋅10-4 л/моль⋅с независимо от строения n-заместителя. Однако при каждом из n-заместителей (R1.1, R1.2, R1.3)  k-7  растет в ряду фрагментов ″центра″:  (R2.1 < R2.2 < R2.3). Таким образом, константа скорости взаимодействия аминильных радикалов с гидропероксидами зависит как от структуры ″центра″ радикала, так и от свойств n-заместителей.

Влияние среды (окисляющегося субстрата) на величину k-7гд / k-7пэ

       ″центр″  R2j 

R1j  n-замест.

R2.1

R2.2

R2.3

R1.1 анизил

0,23

0,18

0,22

R1.2 β-нафтил

0,20

0,54

---

R1.3 фенил

0,20

0,9

0,8

       

       Видно, что отношение остается постоянным и равным ~ 0,2 для всех радикалов Am• с центром ″гидроксил″, независимо от структуры n–замес-тителя, и для всех Am• с n–заместителем анизил, независимо от структуры ″центра″. Все эти радикалы реагируют с гидропероксидами в ПЭНП почти в пять раз быстрее, чем в ГД. Напротив, остальные радикалы в реакциях (-7) значительно слабее ″чувствуют″ изменение среды: отношения некоторых радикалов близки к единице.

       Обобщая полученные результаты следует отметить следующее. Скорость взаимодействия радикалов Am• с гидропероксидами гораздо сильнее зависит от структуры Am•, чем скорость реакции (7.0) от структуры AmH. Другими словами, одни и те же фрагменты структуры молекул AmH и их радикалов Am•  по-разному  влияют  на скорость прямой и обратной реакций  (7.0)  (-7).

Вторая группа ингибиторов диамины с группой карбонил (R2.4) в центре молекулы. Все три ингибитора этой группы по своим свойствам резко отличаются от восьми ингибиторов первой группы. Это проявилось, во-первых, в том, что у ингибиторов второй группы структура n-заместителей совсем не влияет на величины kj, так что буквально по всем характеристикам все три инги-битора оказались одинаковыми. Во-вторых, численные значения kj значительно отличаются от значений соответствующих kj ингибиторов первой группы, причем это сильно зависит от физико-химических свойств среды. Так, в ГД большинство параметров ингибиторов второй группы по сравнению с AmH первой группы меняется почти на порядок, а в ПЭНП ~ только в пять раз. Столь сильное влияние фрагмента структуры ингибиторов R2.4 ″карбонил″ на их реакционноспособность представляет большой интерес как яркий пример принципиального изменения эффективности антиоксиданта при изменении его структуры.

Итак, только на примере реакций (7.0) и (-7) продемонстрирован один из способов анализа данных табл. 4 с позиций исследования влияния строения молекул AmH и свойств окисляющегося субстрата на механизм и эффективность действия антиоксидантов. В диссертации это сделано на примере всех ключевых реакций окисления, ингибированного одиннадцатью AmH в обоих средах.

Подводя итоги этому исследованию следует обратить внимание на его важ-ную особенность: обсуждение центральной проблемы – связь строения молекулы ингибитора с ее реакционноспособностью – впервые проводится на уровне ко-личественной оценки влияния отдельных фрагментов молекулы AmH и радикалов Am• на каждую из ключевых реакций процессов ингибированного окисления. Показано, что на некоторые реакции оказывают большое влияние не только n-заместители, но и участки (фрагменты) молекул AmH, значительно удаленные от атакуемых >N-H связей и не влияющие непосредственно ни на электронную плотность, ни на стерические характеристики реакционных центров ингибитора.

Для изучения влияния свойств среды на механизм и эффективность действия ингибиторов разных классов исследовали механизмы действия 2,6-ди-трет-бутил-4-метил-фенола (ионола) и ароматического амина С-47 (амин) в трех окисляющихся субстратах – метиллинолеате (333К), ПЭНП (393 К) и ГД (413 К). Был изучен механизм окисления метиллинолеата (МЛ) и получена математическая модель процесса, описывающая экспериментальные данные в интервале температур 303-363 К. С помощью этой модели изучен механизм действия ионола и амина в окисляющемся МЛ при 333, 343 и 353 К. Полученные данные в виде Σ Рj были расшифрованы до уровня констант скорости ключевых реакций ингибированного окисления Σ kj. (табл. 5).

                                                                                       Таблица 5

Сопоставление реакционноспособности ингибиторов в различных субстратах

kj

φj

In• RH

  InH

МЛ

ПЭ

ГД

φ1

МЛ

φ2

ПЭ

φ3

ГД

k7.0⋅10-4

AmH

40,6

3,2

15,6

18,0

1,1

0,8

PhOH

2,25

2,9

19,6

k-7⋅10-2

Am•

5,0

8,9

1,9

500,0

33,0

---

PhO•

0,01

0,27

---

k10⋅102

Am•

12,5

0,2

0,026

63,0

1,7

---

PhO•

0,2

0,115

---

2k9⋅10-7

Am•

1,6

27,6

9,8

4,0

2,9

8,0

PhO•

0,4

9,5

1,2

k8.1⋅10-7

Am•

8,3

2,6

2,4

1,1

0,13

0,13

PhO•

7,6

20,0

19,0

fΣ1

AmH

2,4

15,4

16,7

0,9

7,7

7,9

PhH

2,6

2,0

2,1

Обозначения: МЛ –метиллинолеат; ПЭ – ПЭНП; ГД – н-гептадекан. φi = (kj)AmH, Am• /  (kj)PhOH, PhO

Ключевая реакция (7.0). Ароматический амин при переходе от МЛ к ПЭ теряет в своей активности в реакции (7.0) примерно в 13 раз, а пространственно-затрудненный фенол почти не реагирует на такое изменение среды. При переходе от МЛ к ГД k7.0  ″амина″ уменьшилась всего в три раза, а k7.0  ″фенола″, напротив, возросла в 8 раз. При переходе от ПЭ к ГД  k7.0  обоих ингибиторов изменяется практически одинаково: k7.0  в ГД ~ в 5-7 раз больше, чем в ПЭ.

Таким образом, при каждом изменении окисляющегося субстрата величина  k7.0  представителей двух важнейших классов ингибиторов меняется сильно – в разы, но по-разному: МЛ → ПЭ – в разных пропорциях; МЛ → ГД – в противоположном направлении; ПЭ → ГД – одинаково и в качественном, и в количественном отношениях.

       Ключевая реакция (-7). Масштабы изменения (уменьшения) k-7  аминильных радикалов при переходах от ПЭ к МЛ, МЛ к ГД и ПЭ к ГД сравнительно невелики: всего в 2, 2,6 и 7 раз соответственно. Гораздо более чувствительным к изменению свойств окисляющегося субстрата и гидропероксидов оказался феноксильный радикал: с ROOH  ПЭ он реагирует в 25 раз быстрее, чем с гидропероксидами МЛ.

       Ключевая реакция (10). Среди всех ключевых реакций ингибированного окисления эта реакция сильнее всего зависит от свойств окисляющегося субст-рата. Am• реагирует с С-Н связью МЛ в 62,5 раза быстрее, чем с С-Н связью ПЭ и в 480 раз быстрее, чем с С-Н связью ГД.

       Ключевые реакции (9). Эти реакции выделяются тем, что и на качественном уровне, и в количественном выражении изменение окисляющегося субст-рата одинаково или почти одинаково влияет на величину  k9 обоих радикалов - Am•  и PhO•: оба радикала рекомбинируют в ПЭ ~ в 17 –20 раз, а в ГД – в 5-3 раза быстрее, чем в МЛ.

       Ключевые реакции (8.0). Изменение сред по разному влияет на взаимодействие радикалов Am• с радикалами RO2•. Так, Am•  реагирует с RO2• радикала-ми МЛ в 3,2 – 3,5 раза быстрее, чем с радикалами RO2• ПЭ и ГД. Феноксильные радикалы, наоборот, реагируют с RO2• ПЭ и ГД в 2,5 раза быстрее, чем с радикалами RO2• МЛ. При переходе от МЛ к ПЭ или ГД k9 радикала Am• падает, а у PhO• – возрастает; при переходе от ПЭ к ГД  k9  обоих радикалов не меняется.

В целом сопоставление механизмов действия ароматического амина и пространственно-затрудненного фенола в трех средах показало, что характер и мас-штабы изменения механизма зависят как от типа ингибитора, так и от свойств окисляющегося субстрата. Изменение механизма ингибированного окисления состоит в изменении роли отдельных ключевых реакций в суммарном процессе (″амин″), и даже в изменении состава ключевых реакций (″фенол″). Причины характера и масштабов влияния свойств окисляющихся субстратов на численные значения констант скорости ключевых реакций остаются пока в большинстве случаев неясными. Имеющихся на сегодня экспериментальных данных недостаточно для проведения обоснованных обобщений, выявления, систематизации и классификации факторов, определяющих изменение эффективности действия ингибиторов при изменении условий ингибированного окисления. Здесь необходимы широкие количественные исследования механизмов действия ингибиторов разной структуры в разных средах на уровне математических моделей этих процессов. Предлагаемая в настоящей работе методика позволяет и предназначена для решения этой задачи.

       В главе V рассмотрены некоторые примеры использования результатов кинетических методов исследования при решении задач фундаментальной и прикладной наук.

Первый пример. Для обоснованного прогнозирования окислительной стабильности материалов нужна разносторонняя и точная информация о механизме их окисления. Это значит, что стандартные тестовые испытания в некоторых случаях нужно поднимать до уровня научного исследования. С этой целью развиваемый подход количественного исследования процессов окисления был трансформирован в методику разносторонней оценки окисляемости органических соединений при минимальных затратах времени и реактивов: 1-3 опыта по инициированному и 2-3 опыта по автоокислению образца.

       Методика продемонстрирована на примере оценки окисляемости двух образцов реактивного топлива Т-61 и Т-62. Оба топлива удовлетворяли всем требованиям ГОСТ’а, хранились в одинаковых (складских условия) разные сроки: Т-61- 3 года, Т-62- 1 год.  Были получены математические модели процессов о кисления обоих топлив, или, в данном случае, ″кинетические паспорта″  исследованных образцов. Они раскрыли причины различной их окисляемости, причины и условия инверсии их устойчивости к окислению, позволили прогнозировать окисляемость образцов в зависимости от температуры (интервал 393-433 К), условий хранения и эксплуатации.

Рассмотрим пример эффективного использования математического моделирования сложных химических процессов при решении задач из другой отрасли химической технологии – создания новых материалов. В ИПХФ РАН разработана технология получения олигомеров (тримеров) гексена –1. В качестве осно-вы синтетического масла они обладают хорошими физико-химическими свойствами, однако отличаются высокой окисляемостью из-за большой концентрации двойных связей. Чтобы снизить их концентрацию образцы олигомера были четырежды прогидрированы, каждый раз до более глубокой степени гидрирования. Однако их окисляемость понизилась незначительно. Чтобы выяснить при-чину изучили механизм окисления каждого из образцов (получены математические модели этих процессов). Выяснили, как меняется каждый из параметров Рj, характеризующих разные стороны окисления олигомеров, с глубиной их гидрирования. В качестве реперных показателей использовали совокупность Рj, характеризующих окисление н-гептадекана - ″идеально″ гидрированной, ″химической модели″ олигомера. Оказалось, что уже после первого гидрирования параметр Р6 =2k6 / (k2 ⋅ [RH])2 образца стал практически равным Р6  н-гептадекана и, естественно, уже не менялся при последующем гидрировании. Параметр вырожденного разветвления цепей на гидропероксидах – Р3.1 значительно превысил Р3.1  ГД. Он слабо изменился после первого гидрирования и не менялся при последующих гидрированиях. Стало ясно, что путем гидрирования добиться значительного снижения окисляемости олигомера не удастся – именно из-за высокой скорости распада ROOH на радикалы. Отличие Р3.1 образца от Р3.1  ГД, вероятнее всего, связано с влиянием не отмываемых, остаточных количеств катализаторов гидрирования. Другой путь снижения содержания двойных связей в исходных олигомерах – алкилирование – сразу дал нужный результат: параметры Р6 и Р3.1  алкилированных олигомеров близки к таковым для ГД, что и обеспечило достаточно высокую окислительную стабильность образцов.

Таким образом, предложен новый прием: сочетание химического и математического моделирования ключевых стадий технологии производства химической продукции. Он помогает принимать научно-обоснованные решения самых разных вопросов химической  технологии.

Рассмотрим два примера эффективности этого подхода в решении проблем стабилизации органических материалов – проблем ингибированного окисления.

Пример первый – трехуровневая система тестовых испытаний эффективности антиокисдантов.

Первый уровень тестирования предназначен для оперативной предварительной оценки перспективности образца. Проводится 2-3 опыта по инициирован-ному окислению модельного субстрата при разных концентрациях образца. По ки-нетическим кривым поглощения кислорода оцениваются два параметра, характеризующие интенсивность и длительность торможения: П1 ~ k7/ и  f. Если результат удовлетворителен, образец попадает на второй уровень тестирования.

Второй уровень тестирования. В его основу положена идеология методики экспериментальной идентификации ключевых реакций ингибированного окисления, изложенная во второй главе диссертации.

Проведение второго уровня тестирования требует постановки 10-12 опытов (разные серии) и самой простой обработки экспериментальных данных. Несмотря на это результаты тестирования не только позволяют обоснованно выбрать наилучший из числа испытанных антиоксидантов, но и раскрывают причины их различной эффективности и даже содержат информацию, позволяющую на качественном уровне прогнозировать оптимальные условия их использования. Благодаря этому метод быстро нашел широкое использование и лег в основу системы тестирования химических соединений как потенциальных стабилизаторов полимерных материалов.

Наиболее перспективные InH по результатам второго уровня тестирования переходят на третий уровень, каковым является изложенный выше метод количественного исследования механизма торможения на уровне математической модели процесса.

Важным достоинством трехуровневой системы является то, что при переходе от уровня к уровню не требуется привлечения других методов и приборов – просто к опытам, проведенным на предыдущем уровне добавляются дополнительные, выполненные на том же оборудовании. В то же время система решает важную проблему сочетания широких, оперативных испытаний с глубоким научным исследованием наиболее важных процессов.

Второй пример – использование результатов количественного описания ингибированного и не ингибированного окисления – математических моделей этих процессов – для прогнозирования окисляемости углеводородных материалов и эффективности антиоксидантов.

Принципиальным отличием такого прогноза является то, что прогнозируется механизм окисления, а не фрагментарные показатели качества образца. Прогнозирование механизма позволяет быстро, расчетным путем получить кинетическую кривую поглощения кислорода окисляющимся образцом при любых заданных концентрациях ингибитора, гидропероксидах и других конкретных условиях. Кривая покажет, как долго идет процесс до заданной глубины - ″практически допустимого″ количества поглощенного кислорода и сколь интенсивным будет торможение в течение всего этого времени.

       В шестой главе диссертации изложены результаты исследования кинетических закономерностей окисления дизельного топлива (ДТ), легкого газойля каталитического крекинга (ЛГКК) Московского НПЗ и их смесей.

       Были поставлены четыре серии опытов по авто- и инициированному окислению ЛГКК кислородом и воздухом. Установлено, что процесс окисления уже с самого начала не описывается в рамках классической схемы окисления углеводородов. По совокупности полученных данных стало ясно, что главной причиной принципиальных особенностей механизма окисления ЛГКК является интенсивный индуцированный распад гидропероксидов под действием алкильных радикалов  R•. Возникает вопрос: почему эти реакции так сильно проявились при окислении ЛГКК, хотя концентрация растворенного в ем кислорода не меньше, чем в окисляющихся углеводородах, где все радикалы R• реагируют только с кислородом (кинетическая область). Поскольку причиной такого различия не может быть фракционный состав ЛГКК, значит все дело в полидисперсности ЛГКК: он содержит коллоидные и субколлоидные частички, которые можно обозначить как ″глобулы″. Была выдвинута гипотеза, что полярные кислородсодержащие продукты окисления ЛГКК адсорбируются на поверхности глобул, где создается высокая локальная концентрация реакционноспособных молекул и радикалов. По мере окисления ЛГКК глобулы растут, превращаясь в ″микрореакторы″, в которых интенсивно протекает  большой набор разнообразных химических превращений. Это сопровождается быстрым расходованием кислорода в ″микрореакторах″ при затрудненной его диффузии внутрь глобул. Так создаются условия для протекания реакций в диффузионных условиях, когда важную роль играют реакции с участием радикалов R•: индуцированный распад гидропероксидов, реакции сшивки, полимеризации, дегидрирования и др., которые запускают процессы образования смол и осадков. Были получены аналитические выражения, позволяющие определять численные значения параметров φ1 = kи1 / R• ⋅[O2] и φ2 = kи2 / k1 ⋅[O2], которые относятся к реакциям R• + ROOH  RH +  RО2• и R• + ROOH  ROR + •ОH  соответственно. С учетом роли ″природных″ ингибиторов, всегда имеющихся в ЛГКК, и введением в классическую схему окисления углеводородов реакций индуцированного распада гидропероксидов были количественно описаны все экспериментальные данные по инициированному и автоокислению ЛГКК кислородом и воздухом.

        Окисление ДТ изучали согласно развиваемому подходу. По начальным скоростям в специальных сериях опытов определяли численные значения параметров Рj, количественно описывающих кинетики поглощения кислорода и накопления гидропероксидов на самых ранних стадиях окисления. Значения Рj ДТ оказались практически равными таковым для н-гептадекана (70% ДТ составляют парафиновые углеводороды). Однако, несмотря на это, окисление ДТ близко к окислению ГД только первые десять минут, после чего окисление ДТ резко затормаживается. Было сделано предположение, что причиной самоторможения служит индуцированный распад гидропероксидов аналогично тому, как это происходит в окисляющемся ЛГКК, поскольку ДТ тоже полидисперсная система. Окисляющееся ДТ тоже представляет собой гетерогенную систему, в которой одновременно реализуются два взаимозависимых, но разных механизма окисления. Один набор реакций протекает в дисперсионной среде, в кинетической области, а другой в дисперсной фазе, в диффузионной области, Именно в последней создаются условия для интенсивного образования смол и осадков.

       В главеVII диссертации подробно обсуждается гипотеза о важной роли ″микрореакторов″ в процессе окисления нефтепродуктов: ЛГКК, ДТ и их смеси. Гипотеза объясняет, почему в ″микрореакторах″ протекают реакции, приводящие к образованию смол и осадков и как химизм этих превращений зависит от условий окисления. Она легко и очевидным образом снимает все пять разнохарактерных, принципиальных противоречий, имеющихся в литературе по поводу механизма образования осадков.

       Гипотеза о гетерогенности процессов оказалась очень продуктивной при объяснении многих известных, но еще не нашедших четкого объяснения фактов, характерных для глубокого окисления индивидуальных углеводородов. Например, такие центральные вопросы теории и практики цепного окисления, как: каковы причины большого разнообразия продуктов окисления? Какова последовательность их образования? Какова природа максимальной концентрации гидропероксидов? Почему так резко падает скорость поглощения кислорода после прохождения максимума, так низка степень конверсии?

       Чтобы получить ответы на эти и другие вопросы исследовали глубокие стадии окисления н-гептадекана. На рис. 4 показана кинетика поглощения кислорода (кривая 1) и соответствующая ей скорость изменения давления в системе (кривая 2).

       

       Видно, что падение давления за счет поглощения кислорода временами прерывается резким ростом давления ( +Δр). Отметим наиболее характерные черты этого явления:

  1. Газовыделение имеет характер спонтанного взрыва.
  2. Скорость изменения давления практически мгновенно меняется на много порядков – от – dp/dt  до + dp/dt        
  3. Каждый акт взрывного газовыделения очень непродолжителен (110±10 с) по сравнению с общей длительностью реакции (22 000 с).
  4. Количество выделившихся газов сравнительно невелико и составляет в среднем (1,1±0,1)⋅10-2 миллимолей на мл окисляющегося ГД.
  5. Газовыделение преращается также внезапно, как и начинается.
  6. По завершении импульса газовыделения резко восстанавливаются и скорость окисления, и кинетика поглощения кислорода.

       По аналогии с результатами, полученными при изучении закономерностей окисления газойля и ДГ, можно предположить, что в ходе окисления неполярного ГД полярные кислородсодержащие продукты его превращения по достижении определенной концентрации (аналог ККМ) образуют мицеллоподобные ассоциаты – полярными функциональными группами внутрь, неполярными углеводородными ″хвостами″ - в неполярный ГД. Образуется аналог ″обращенных″ мицелл. В них создается высокая локальная концентрация определенным образом ориентированных реакционноспособных частиц – молекул и радикалов. Поэтому здесь, как в ″микрореакторах″, создаются условия для быстрого протекания самых разных реакций, в том числе с образованием как высокомолекулярных продуктов (реакции полимеризации, сшивки, конденсации, этерификации), так и низкомолекулярных, летучих продуктов (деструкция, дегидрирование, дегидратирование, декарбоксилирование и др.).

Чтобы проверить, насколько общий характер имеет открытое явление, исследовали глубокие стадии окисления ГД при разных Wi. Оказалось, что сущест-вует строго определенная концентрация поглощенного кислорода [O2]кр  (″критическая″), по достижении которой начинаются импульсы газовыделения незави-симо от того, при какой температуре и при какой Wi проводится опыт. С ростом Wi лишь сокращается время достижения [O2]кр пропорционально Wi1/2. Кроме то-го, явление самоструктурирования окисляющихся систем наблюдается и при окислении других субстратов: цетилового спирта и основы синтетического масла.

В заключение необходимо еще раз подчеркнуть следующее: гипотеза о самоструктурировании окисляющейся среды, впервые выдвинутая и подтвержденная экспериментально в настоящей работе, позволяет рассматривать процессы цепного окисления как результат непрерывного взаимовлияния физико-химических свойств исходного окисляющегося субстрата на механизм “начальных” стадий его окисления и на условия самоструктурирования системы – с одной стороны, и влияние химических и физико-химических свойств продуктов окисления, особенно образующихся из них “микрореакторов”, на механизм окисления субстрата – с другой стороны. В “тандеме”, в котором часть продуктов превращения, образующихся в дисперсионной среде (в кинетической области) поступает на “переработку” в “микрореакторы” (диффузионная область), роль последних непрерывно растёт с глубиной процесса. Весьма вероятно, что это обстоятельство и является одной из главных причин как большого разнообразия продуктов превращения и их “параллельного” образования, так и самоторможения процессов окисления. Несомненно, эти представления значительно расширяют область теоретических и экспериментальных исследований процессов цепного окисления индивидуальных углеводородов и смесей сложного состава, указывают новые пути повышения  эффективности ингибиторов и катализаторов в направленном влиянии на механизм окисления.                

В главе VIII изложены результаты исследования механизма окислительной деструкции полимеров и низкомолекулярных углеводородов. Для этих целей разработаны специальная методика и оригинальное приборное обеспечение, позволившие принципиально повысить точность измерения скорости деструкции, оперативность всего исследования (проведение сотен измерений), резко снизить количество расходуемых реактивов. Измеряли зависимость скорости деструкции от концентрации макрорадикалов (серии опытов с разными Wi, введение антиоксидантов), от типа макрорадикалов (серии с разными рО2), температуры, концентрации макромолекул и их размеров (молекулярной массы). Показано, что на начальных стадиях окисления полиэтилена и полипропилена в растворе и твердой фазе скорость деструкции Ws описывается следующим выражением: .

Определены численные значения параметров и и показано, что основной вклад в суммарную скорость деструкции обоих полимеров вносит распад макрорадикалов RO2• по реакции первого порядка относительно их концентрации. Разрыв С-С связей при рекомбинации радикалов RO2• составляет 6-10% и эта доля слабо меняется с глубиной окисления. Поскольку полимерные материалы теряют свои свойства уже в самом начале деструкции, изучение распада RO2• радикалов с разрывом углеродного скелета молекулы приобретает принципиальное значение. Были изучены кинетические закономерности разрывов С-С связей при распаде макрорадикалов RO2• полиэтилена и полипропилена и показали, что это происходит по реакции  RO2•  → >C=O + CH2=C<  + •OH. Экспериментально установлено, что скорость деструкции равна скорости накопления непредельных соединений (НС). Это позволило предположить, что путем измерения скорости накопления НС при окислении низкомолекулярных соединений можно получить информацию о закономерностях деструкции в этих процессах. Для проверки предположения изучили кинетические закономерности образования НС в окисляющемся н-пентадекане по той же программе, по которой исследовали механизм деструкции и накопления НС в окисляющихся полимерах. Оказалось, что на качественном уровне буквально все закономерности накопления НС в окисляющемся низкомолекулярном соединении совпадают с закономерностями накопления (и, следовательно, деструкцией) НС в окисляющихся полимерах. Количественные характеристики заметно расходятся: если в н-пентадекане один акт разрыва С-С связи (деструкции) приходится на 350 актов взаимодействия RO2•  с углеводородом без деструкции, то например, при окислении растворенного полипропилена один акт деструкции приходится на каждые 82 акта продолжения цепи.

       Важно было установить до каких глубин описывает предлагаемый механизм деструкции закономерности накопления НС в окисляющихся низкомолекулярных соединениях. С этой целью детально изучили окисление н-пентадекана при 393, 403, 413, 423 и 433 К. Измеряли кинетики поглощения кислорода, накопления гидропероксидов и двойных связей (прибор АДС-4). Используя возможности математической модели окисления н-пентадекана рассчитали концентрации радикалов RO2• и, по формуле Vнс = ks1⋅[RO2•] + ks2⋅[RO2•]2 получили расчетные кинетики накопления НС. Они вполне удовлетворительно описывают экспериментальные данные во всем диапазоне температур. Тем самым можно считать доказанным, что механизм окислительной деструкции низко- и высокомолекулярных соединений имеет общий характер, общую основу – распад пероксильных радикалов. Помимо этого результата проделанная работа имеет и важный методический характер: впервые предложена методика количественного исследования механизма окислительной деструкции низкомолекулярных соединений, суммарная скорость которой определяется тремя реакциями:Vs1 = ks1⋅[RO2•]; Vs2 = ks2⋅[RO2•]2; Vs3 = ks3⋅ [ROOH]. Vs3 мы находим по разности Vs3 = Vs Σ - Vs2 и  кинетикам накопления ROOH. Поскольку методика прошла экспериментальную проверку, мы предлагаем включить эти три реакции разрывов С-С связи в общепринятую схему начальных стадий окисления углеводородов.

       В последней, IХ главе описаны конструкции установок, созданных специально для обеспечения требований, предъявляемых к эксперименту постановкой  задачи:  количественное  исследование процессов окисления, деструкции и

стабилизации углеводородных материалов.

  1. Для изучения скорости ингибированного и не ингибированного окисления были созданы высокочувствительные дифференциальные манометрические установки (ВДМУ), сопряженные с ЭВМ.

Их основные характеристики:

    1. На два-три порядка расширен диапазон надежно измеряемых скоростей.
    2. Позволяют (без всякой переналадки) в ходе одного опыта измерять как самые малые (~ 10-8 моль/л⋅с), так и самые большие скорости окисления (~10-3 моль/л⋅с) при большом суммарном количестве поглощенного кислорода.
    3. Обеспечивают возможность максимально снизить трудоемкость эксперимента и повысить оперативность обработки полученных данных.
    4. С одинаковой точностью измеряют как скорость падения, так и скорость роста давления в системе.
  1. Для количественного изучения кинетических закономерностей окислительной деструкции полимеров разработаны специальные методики и оригинальное приборное обеспечение этих методик.
    1. Изменена конструкция премного резервуара вискозиметра Уббеллоде, что позволило тратить на каждое измерение характеристической вязкости 15-20 см3 растворителя вместо 150-200 см3 в ″классическом″ варианте. Это было необходимо сделать потому, что предстояло провести многие десятки измерений.
    2. Создан прибор, объединяющий в единое целое барботажный реактор (окисление растворов полимеров) и вискозиметр для измерения относительной вяз-кости растворов. Он позволяет проводить 20-30 измерений вязкости в ходе одно-го опыта. По кинетическим кривым изменения вязкости определяли скорость дес-трукции полимера и ее зависимость от концентрации и молекулярной массы полимеров, концентрации макрорадикалов (изменение скорости инициирования Wi), состава радикалов (зависимость от рО2), добавок ингибиторов, температуры.
    3. Для количественного изучения механизма окисления твердых полимеров и механизма тормозящего действия ингибиторов в этих процессах создан вариант ВДМУ, значительно облегчающий эти трудоемкие исследования.

ВЫВОДЫ

  1. Созданы и экспериментально обоснованы методология и методы количественного изучения ингибированного окисления как целостного процесса с экспериментальной идентификацией его ключевых реакций и определением их количественных характеристик непосредственно в условиях опытов.
  2. Для изучения влияния строения молекул ингибиторов на механизм и эффективность их действия был предложен новый прием – оценивается влияние основных элементов (фрагментов) структуры молекул InH  и  радикала In на численные значения кинетических параметров каждой из ключевых реакций, совокупность которых определяет суммарный механизм торможения. Получены новые, количественные данные о зависимости эффективности и механизма действия ингибиторов от структуры InH и условий окисления на этой основе :

.  предложена трехуровневая система скрининга эффективности действия антиоксидантов и пакетов присадок и устойчивости к окислению широкого спектра углеводородных материалов.

. предложен новый метод полуэмпирического прогнозирования меха-низмов действия антиоксидантов с использованием математических моделей кинетических закономерностей процессов ингибированного окисления.

3. Открыто явление многократного обрыва цепей при окислении вторичных спиртов, ингибированного ароматическими аминами. Получены экспериментальные данные, на основании которых высказана гипотеза о регенерации ингибиторов в актах обрыва цепей как принципиальной основе многократного обрыва цепей. Предложен формальный механизм реакции регенерации и обоснована необходимость ее включения в общепринятую схему ингибированного окисления для количественной характеристики длительности тормозящего действия антиоксидантов.

       4. На примере количественного исследования процессов окисления образцов реактивных топлив Т-6 предложен научно-обоснованный скрининг окисляемости углеводородных материалов с получением ″кинетического паспорта″, раскрывающего причины различной окисляемости образцов и позволяющего прогнозировать сроки и оптимальные условия их эксплуатации.

5. На количественном уровне изучены кинетические закономерности процессов окисления важнейших нефтепродуктов: реактивных и дизельных топлив, легкого газойля каталитического крекинга, основ синтетических и минеральных масел, масел и пластических смазок. Установлено, что механизм окисления нефтепродуктов существенно, иногда принципиально отличается от такового для индивидуальных углеводородов. Впервые выдвинута гипотеза, что главной причиной этого различия является полидисперсность нефтепродуктов, которая способствует быстрому образованию мицелоподобных частиц - ″микрореакторов″. Гипотеза подтверждается большим объемом различных экспериментальных данных и снимает, в частности, принципиальные противоречия, существующие в современных представлениях о механизме образования смол и осадков.

6. Открыто и экспериментально исследовано явление взрывообразных толчков газовыделения, появляющихся на глубоких стадиях окисления углеводородов. Предложена гипотеза о самоструктурировании окисляющейся среды – образование ассоциатов полярных продуктов окисления субстрата (типа обращенных мицелл) и их распаде как причине наблюдаемого явления. Гипотеза дает объяснение многим особенностям глубокого окисления углеводородов и открывает новые перспективы в изучении этих процессов.

       7. Впервые установлены и экспериментально изучены кинетические закономерности окислительной деструкции карбоцепных полимеров (полиэтилена и полипропилена). Показано, что механизм деструкции при окислении полимеров в растворе и твердой фазе на качественном уровне одинаков и меняется с глубиной окисления. Вначале это разрыв С-С связей при распаде пероксильных радикалов, затем к нему добавляется деструкция при их квадратичной рекомбинации и затем – деструкции на стадии гидропероксидов. Определены численные характеристики всех этих реакций, оценен вклад каждой из них в суммарную скорость деструкции и его изменение с глубиной окисления полимера (в растворе и твердой фазе).

       8. Созданы оригинальные высокочувствительные дифференциальные манометрические установки, сопряженные с ЭВМ, принципиально расширяющие возможности глубокого количественного изучения кинетических закономерностей ингибированного и не ингибированного окисления углеводородов, полимеров, нефтепродуктов и многих других субстратов.

       9. Разработана методика и создано специальное приборное обеспечение для количественного изучения кинетических закономерностей окислительной деструкции полимеров.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

  1. Математическая модель реакции жидкофазного окисления циклогексанола / Харитонов В.В. // Журнал физической химии.– 1966.– Т.XL, №11.– С.2699–2705.
  2. Инициированное окисление циклогексанола / Харитонов В.В., Денисов Е.Т. // Нефтехимия. – 1966.– Т.VI. – В. 2. – С. 235–240.
  3. Кинетически-равновесные концентрации промежуточных продуктов в реакции окисления циклогексанола / Денисов Е.Т., Харитонов В.В. // Нефтехимия. – 1963.– Т.III. – №4. – С. 558–564.
  4. Особенности ингибирующего действия β-нафтиламина в реакции окисления циклогексанола / Денисов Е.Т., Харитонов В.В. // Изв. АН СССР, Cер. хим. – 1963. – №12. – С. 2222–2225.
  5. Механизм регенерации α-нафтиламина в окисляющихся спиртах  / Варданян Р.Л., Харитонов В.В., Денисов Е.Т. // Изв. АН СССР, Cер. хим. – 1970. – № 7. – С. 1536–1542.
  6. Двойственная реакционная способность оксиперекисных радикалов в реакциях с ароматическими аминами / Харитонов В.В., Денисов Е.Т. // Изв. АН СССР, Cер. хим. – 1967. – № 12. – С. 2764–2766.
  7. Механизм тормозящего действия ароматических аминов в реакции окисления циклогексанола и циклогексена / Варданян Р.Л., Харитонов В.В., Денисов Е.Т. // Нефтехимия. – 1971. – Т. XI. – № 2. – С. 247–252.
  8. Многократный обрыв цепей на ароматических аминах при окислении углеводородов / Варламов В.Т., Харитонов В.В., Денисов Е.Т. // ДАН СССР. – 1975. –  Т. 220. –  № 3. – С. 620–622.
  9. Многократный обрыв цепей на некоторых ингибиторах при окислении расплавленного полиэтилена / Федорова В.В., Харитонов В.В. // Изв. АН СССР, Cер. хим. – 1973. –  № 10. – С. 2331–2333.
  10. Математическая модель окисления н-гептадекана при 120-160 С / Хари-тонов В.В., Психа Б.Л. // Химическая физика. – 1989. – Т.1. – №1. – С. 85-92.
  11. Механизм тормозящего действия фенил–β–нафтиламина при окислении расплавленного полиэтилена / Федорова В.В., Харитонов В.В. // Журнал физ. химии. – 1973. – Т.XLVII. – № 9. – С. 2425–2427.
  12. Механизм окисления низкомолекулярного полиэтилена в расплаве / Федорова В.В., Харитонов В.В. // Кинетика и катализ.–1974.– Т.XV.– № 4. –С.866–872.
  13. Методика количественного исследования механизма действия антиоксидантов в кинетической области / Харитонов В.В., Федорова В.В. // Высокомолек. соед.  – 1978. – Т.XХ. – № 1. – С. 220–225.
  14. Принципы комплексного изучения механизма действия антиоксидантов по кинетике ингибированного окисления / Харитонов В.В., Психа Б.Л. // ДАН  СССР. – 1983. – Т.269. –  № 4. – С. 892–896.
  15. Автоматизированный метод кинетического исследования жидкофазного окисления углеводородов / Харитонов В.В., Психа Б.Л., Крашаков С.А. // Хим. физика. – 1987. – Т.6. – № 2. – С. 218–224.
  16. Методология исследований механизма цепного окисления и стабилизации углеводородных материалов при автоматизации  эксперимента и его обработки / Харитонов В.В., Психа Б.Л. // В книге: Химическая физика процессов горения и взрыва. Кинетика химических реакций.: Материалы VIII Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Ташкент, 13-17 октября, 1986. – Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 1986. – С. 111–115.
  17. Сопоставление радикальных механизмов ингибирования цепного окисления полиэтилена низкой плотности пространственно-затрудненными фенолами и ароматическими аминами / Харитонов В.В., Психа Б.Л., Письменский А.В. // Сборник тезисов V Всероссийской конференции памяти академика Воеводского В.В. ″Физика и химия элементарных химических процессов″. – Черноголовка, 1997. – С. 158.
  18. Кинетическая модель окисляемости метиллинолеата / Письменский А.В., Психа Б.Л., Харитонов В.В. // Нефтехимия. – 2000. – Т.40. – № 2. – С. 112–118.
  19. Измерение скорости распада азодиизобутиронитрила на радикалы в дибутиловом эфире / Золотова Н.В., Харитонов В.В. // Изв. АН СССР, Cер. хим. – 1988. –  № 6. – С. 1904–1906.
  20. Окисление углеводородного топлива Т-6 в качестве модельной системы для тестирования антиоксидантов / Харитонов В.В., Терехин С.Н., Вишнякова Т.П. // Нефтехимия. – 1980. – Т. 20. – № 5. – С. 719–731.
  21. Оперативная комплексная оценка эффективности антиоксидантов / Харитонов В.В., Федорова В.В. // Высокомолекулярные соединения. – 1976. – Т. (А) 18. – №. 4. –  С. 786–793.
  22. Оценка эффективности антиокислительного действия производных мочевины в окисляющемся парафине / Терехин С.Н., Харитонов В.В., Вишнякова Т.П., Глебова Е.В. // Нефтепереработка и нефтехимия. – 1978. – №5. –  С. 21 –24.
  23. Mathematical Modeling of Action Mechanisms of Some Aromatic Amine>
  24. Кинетическая классификация механизмов тормозящего действия ингибиторов / Харитонов В.В., Федорова В.В., Скрипко Л.И. // Журнал физ. химии. – 1977. – Т.51. – № 2. – С. 539–543.
  25. Оперативный метод определения некоторых кинетических параметров в ингибированном окислении / Харитонова В.В., Харитонов В.В.// Журнал физ. химии. – 1977. – Т.51. – № 8. – С. 1997–2000.
  26. О механизме действия некоторых ингибиторов окисления / Терехин С.Н., Харитонов В.В., Вишнякова Т.П. // Нефтехимия. – 1978. – Т. 18. – № 5. – С. 789–803.
  27. Тестирование химических соединений как стабилизаторов химических соединений / Эмануэль Н.М., Гладышев Г.П., Денисов Е.Т., Цепалов В.Ф., Харитонов В.В., Пиотровский К.Б. // Препринт – М.: ИХФ, 1973. – 1-70 с.
  28. Кинетические закономерности и механизм жидкофазного окисления углеводородного топлива  / Харитонов В.В., Вишнякова Т.П., Голубева И.А., Попандопуло И.В. // Българска Акдемия на науките. Известия по химия, 1985. – Т.18. – № 4. – С. 512 – 519.
  29. Метод комплексной кинетической оценки эффективности действия антиоксидантов при повышенных температурах / Терехин С.Н., Харитонов В.В., Вишнякова Т.П. // Известия Вузов СССР. Хим. и хим. технология. – 1980. – Т.23. – № 7. –  С. 921–923.
  30. The study of inhibited oxidation of hydrocarbon fuels / Vishnyakova T.P., Golubeva I.A., Kharitonov V.V. // The Second International Specialists Muting of Oxidation Communications.- Budapest, 1983.- Vol. 5. – № 1-2. –  P. 115–128.
  31. Комплексное кинетическое исследование механизма действия антиокислительных присадок для углеводородных топлив / Харитонов В.В., Голубева И.А., Вишнякова Т.П., Малова О.В. // Българска Акдемия на науките. Известия по химия. – 1985. – Т. 18. – № 4. – С. 520–528.
  32. Кинетика и механизм ингибирующего действия смеси ингибиторов при окислении углеводородного топлива / Харитонов В.В., Вишнякова Т.П., Голубева И.А., Попандопуло И.В., Макаршин С. Н., Попова Т.В. // Нефтехимия. – 1986. – Т. XXVI. – № 2. – С. 262–266.
  33. Улучшение стабильности углеводородных топлив с помощью антиокислительных присадок / Харитонов В.В., Голубева И.А., Вишнякова Т.П., Попандопуло И.В., Терехин С.Н., Попова Т.В.// Химия и технология топлив и масел. – 1990. - №7. – С. 28-35.
  34. Механизм действия некоторых пространственно-затрудненных кремнийсо-держащих фенолов в цепной реакции окисления циклогексена / Хржанов-ская И.Л., Харитонов В.В. // ДАН СССР. – 1970. – Т. 195. – С. 1128–1130.
  35. Сравнительная оценка эффективности действия ингибиторов ионола и тетра-трет-бутилиндофенола в окисляющемся циклогексене / Харитонов В.В., Голубева И.А., Вишнякова Т.П., Попандопуло И.В. // Нефтехимия. – 1986. – Т. XXVI. – № 4. – С. 554–558.
  36. Исследование устойчивости дизельных топлив к окислению в условиях их хранения / Голубева И.А., Харитонов В.В., Клинаева Е.В., Яковлев В.С. // Нефтепереработка и нефтехимия.– 1994. – № 7. – С. 13–20.
  37. Кинетические закономерности и механизм окисления легкого газойля каталитического крекинга. 1. Инициированное окисление ЛГКК кислородом при 140 С  / Харитонов В.В., Попова Т.В. // Химическая физика. – 1994. – Т.13. – № 4. – С. 113–122.
  38. Кинетические закономерности и механизм окисления легкого газойля каталитического крекинга. 2. Автоокисление ЛГКК кислородом при 140 С / Харитонов В.В., Попова Т.В. // Химическая физика. – 1994. – Т.13. – № 5. – С. 36–43.
  39. Кинетические закономерности и механизм окисления легкого газойля каталитического крекинга. 3. Закономерности окисления ЛГКК воздухом при 140 С / Харитонов В.В., Попова Т.В. // Химическая физика. – 1994. – Т.13. – №12. – С. 86–96.
  40. Исследование окисляемости дизельного топлива / Попова Т.В., Харитонов В.В., Психа Б.Л., Вишнякова Т.П., Голубева И.А. // Нефтехимия. – 1989. – Т.29. – № 2. – С. 269–274.
  41. Кинетические закономерности окисления некоторых авиционных масел / Харитонов В.В., Борисов В.А., Запорожская О.А. // Нефтехимия. – 1978. – Т.18. – № 1. – С. 112–117.
  42. Влияние самоструктурирования реакционной среды на механизм глубокого окисления н-гептадекана / Харитонов В.В.// Нефтехимия. – 2003.– Т. 43. – №. 2. – С. 97–104.
  43. Установка для измерения скорости химических реакций / Харитонов В.В, Житенёв Б.Н., Станиловский А.И. // А.с.582481 СССР. / Б.И.1977. – № 44.
  44. Роль дисперсности окисляющихся нефтепродуктов в механизме образования осадков / Харитонов В.В., Попова Т.В. // Тез. докл. Первый международный симпозиум “Наука и технология углеводородных дисперсных систем”.– М.: Академия нефти и газа, 1997. – С. 47.
  45. Специфика механизма окисления полидисперсных нефтепродуктов и ″ранние″ признаки осадкообразования / Харитонов В.В., Попова Т.В., Киташов Ю.Н. // Тез. докл. III Международный симпозиум ″Нефтяные дисперсные системы -2004″. – М.: РГУ  нефти и газа, 2004. – С . 41.
  46. Механизм инициированного окисления полиэтилена в растворе / Харитонов В.В., Иванченко П.А., Денисов Е.Т. // Высокомолекулярные соединения. – 1969.–  №. 9. – С. 688–691.
  47. Кинетика и механизм инициированной деструкции полиэтилена в раство  ре / Иванченко П.А., Харитонов В.В., Денисов Е.Т. // Высокомолекулярные соединения. – 1969.– Т. (А) XI. –  №. 7. – С. 1622–1630.
  48. Сопряженное окисление кумола и полиэтилена  / Иванченко П.А., Денисов Е.Т., Харитонов В.В. // Кинетика и катализ. – 1971. – Т. 12. – № 2. – С. 492–495.
  49. Кинетика и механизм  инициированной деструкции полиэтилена в твердой фазе / Иванченко П.А., Харитонов В.В., Денисов Е.Т. // Кинетика и катализ. – 1972.– Т. XIII. –  №. 1. – С. 218–221.
  50. Количественное исследование окислительной деструкции полипропилена в хлорбензоле / Дегтярева Т.Г., Трофимова Н.Ф., Харитонов В.В. // Высокомолекулярные соед. – 1970.– Т. (А) XХ. –  №. 8. – С. 1873–1878.
  51. Кинетические закономерности окислительной деструкции твердого полипропилена / Трофимова Н.Ф., Зиновьев В.В., Харитонов В.В. // Высокомолекулярные соед. – 1981.– Т. (А) ХХIII. –  №. 5. – С. 1113–1119.
  52. Распад пероксимакрорадикалов с разрывом σ - С-С связи и образованием π - С-С связи / Трофимова Н.Ф., Харитонов В.В., Денисов Е.Т. // ДАН СССР. – 1980.– Т. 253. – №. 3. – С. 651–653.
  53. Математическое моделирование процесса образования двойных связей в окисляющемся н-пентадекане при 393-433 К / Трофимова Н.Ф., Психа Б.Л., Харитонов В.В. // Химическая физика. – 1992.– Т. 11. – №. 10. – С. 1356– 1365.





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.