آغازگر دای ترت بوتیل پروکسید (DTBP)

مقدمه

دای ترت بوتیل پراکسید (DTBP) یک پراکسید آلی است که به طور گسترده به عنوان آغازگر رادیکال در واکنش¬های شیمیایی مختلف، به ویژه در فرآیندهای پلیمریزاسیون مورد استفاده بوده است. توانایی آن در تولید رادیکال¬های آزاد پس از تجزیه حرارتی، آن را به یک ترکیب ارزشمند در تولید پلاستیک، لاستیک و مواد دیگر تبدیل می¬کند. این مقاله ساختار، مسیرهای سنتز، واکنش‌ها و کاربردهای DTBP را با تمرکز بر اهمیت آن در صنعت پلیمریزاسیون و سایر کاربردهای صنعتی بررسی می‌کند.

1. ساختار

دی ترت بوتیل پراکسید  با ساختار مولکولی منحصر به فرد خود که از دو گروه ترت بوتیل متصل به یک پیوند پراکسید تشکیل شده است، مشخص می شود. نمایش ساختاری به شرح زیر است (شکل 1):

این ساختار به پایداری آن در دمای اتاق کمک می کند و در عین حال امکان تجزیه شدن به رادیکال های آزاد در اثر حرارت را فراهم می کند و می تواند به عنوان یک آغازگر رادیکال موثر باشد.
در ادامه چند نکته کلیدی در مورد ساختار دی ترت بوتیل پراکسید (DTBP) آورده شده است:
• ساختار مولکولی: این مولکول از دو گروه ترت بوتیل (گروه های 2،2-دی متیل پروپیل) تشکیل شده است که به یک گروه عاملی پراکسید (-O-O-) متصل شده اند. گروه‌های ترت‌بوتیل حجیم و به‌طور فضایی مسدود هستند، که به پایداری DTBP در مقایسه با سایر پراکسیدهای آلی کمک می‌کند. مانع فضایی اطراف پیوند پراکسید آن را در برابر تجزیه در دمای اتاق مقاوم می کند.
• پیوند: پیوند پراکسید (O-O) در DTBP یک پیوند کووالانسی نسبتاً ضعیف در مقایسه با پیوندهای منفرد کربن- کربن یا کربن-اکسیژن است. این موضوع باعث می شود تا ساختار پس از گرم شدن تحت شکاف همولیتیک قرار گیرد و دو رادیکال ترت بوتوکسی تولید کند. گروه های ترت بوتیل از طریق پیوندهای قوی کربن-اکسیژن به اتم های اکسیژن متصل می شوند. این پیوندها در طول تجزیه DTBP دست نخورده باقی می مانند.
• پایداری: گروه های ترت بوتیل حجیم برای پیوند پراکسید محافظ فضایی ایجاد می کنند و DTBP را به یکی از پایدارترین پراکسیدهای آلی تبدیل می کنند. پایداری به DTBP اجازه می دهد تا در دمای اتاق بدون تجزیه قابل توجه نگهداری شود. پایداری DTBP نیز تحت تأثیر فقدان اتم های هیدروژن بر روی آلفا کربن گروه های ترت بوتیل است. این موضوع از واکنش-های جانبی احتمالی که می تواند منجر به تجزیه شود جلوگیری می کند.
• حلالیت: DTBP به دلیل وجود گروه های آلکیل غیرقطبی است. در حلال‌های آلی مانند اترها، هیدروکربن‌ها و حلال‌های هالوژنه محلول است، اما در آب نامحلول است. ماهیت غیرقطبی DTBP نتیجه غلبه پیوندهای C-H در مولکول با حداقل گروه های عاملی قطبی است.

2. روش سنتز

دای ترت بوتیل پراکسید (DTBP) از طریق روش های مختلفی سنتز می شود که عمدتاً بر اکسیداسیون ترت بوتانول یا ایزوبوتان متمرکز است. مسیرهای سنتز برای تولید بازدهی بالای DTBP و در عین حال حفظ ایمنی و کارایی در فرآیند طراحی شده‌اند. در زیر، رایج ترین روش های سنتز را مورد بحث قرار می دهیم و مکانیسم ها و شرایط آنها را بررسی می کنیم.
1.2. اکسیداسیون ترت بوتانول: یکی از سنتی ترین روش ها برای سنتز دای ترت بوتیل پراکسید شامل اکسیداسیون ترت بوتانول است. این روش معمولاً از پراکسید هیدروژن به عنوان عامل اکسید کننده استفاده می کند. واکنش را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

واکنش معمولاً در دماهای بالا (حدود 60 تا 80 درجه سانتیگراد) انجام می¬شود تا فرآیند اکسیداسیون را بهبود بخشد. برای جلوگیری از تجزیه بیش از حد پراکسید باید مراقب کنترل دما بود. پس از واکنش، مخلوط محصول خنک می¬شود و دی ترت بوتیل پراکسید از طریق تقطیر یا تبلور مجدد استخراج می¬شود تا محصولی با خلوص بالا به دست آید.
2.2. پراکسیداسیون انتخابی ایزوبوتان: پیشرفت¬های اخیر روش جدیدی را برای سنتز DTBP از طریق پراکسیداسیون انتخابی ایزوبوتان با استفاده از اکسیژن مولکولی معرفی کرده است (شکل 2). این روش در مقایسه با روش¬های سنتی سازگارتر با محیط زیست و کارآمدتر است.

این واکنش معمولاً از یک کاتالیزور جامد مانند اکسید مولیبدن (MoO3) یا اکسید تیتانیوم سولفاته استفاده می‌کند که واکنش بین ایزوبوتان و اکسیژن مولکولی را تسهیل می‌کند. واکنش در دماهای متوسط (حدود 100-150 درجه سانتیگراد) و فشار اتمسفر انجام می شود. استفاده از اکسیژن به عنوان یک واکنش دهنده، پایداری فرآیند را افزایش می دهد. ایزوبوتان برای تشکیل دhی ترت بوتیل پراکسید از طریق یک سری واکنش های رادیکال اکسید می شود. کاتالیزور نقش مهمی در کنترل گزینش پذیری واکنش ایفا می کند و محصولات جانبی را به حداقل می رساند.

3.2. استفاده از مایعات یونی: مطالعات اخیر استفاده از مایعات یونی را به عنوان حلال برای سنتز دای ترت بوتیل پراکسید مورد بررسی قرار داده است. مایعات یونی می توانند سرعت واکنش و گزینش پذیری را افزایش دهند و در عین حال یک محیط سازگار با محیط زیست ارائه دهند.

4.2. ملاحظات ایمنی: در هنگام سنتز دای ترت بوتیل پراکسید، ایمنی به دلیل ماهیت واکنش پذیر پراکسیدها یک نگرانی اساسی است. اقدامات احتیاطی زیر معمولاً رعایت می شود:
• کنترل دما: حفظ دمای واکنش مناسب برای جلوگیری از واکنش¬های فرار یا تجزیه پراکسید بسیار مهم است.
• جو بی اثر: انجام واکنش در یک جو بی اثر (به عنوان مثال، نیتروژن) می تواند خطر واکنش های جانبی ناخواسته با رطوبت یا اکسیژن اتمسفر را به حداقل برساند.
• تجهیزات حفاظت فردی PPE: (Personal Protective Equipment PPE) مناسب، از جمله دستکش، عینک، و روپوش آزمایشگاهی، باید برای محافظت در برابر قرار گرفتن در معرض احتمالی با مواد شیمیایی فعال استفاده شود.

3. کاربرد DTBP به عنوان آغازگر در پلیمریزاسیون

دای ترت بوتیل پراکسید (DTBP) یک آغازگر همه کاره و پرکاربرد در فرآیندهای پلیمریزاسیون به دلیل توانایی آن در تولید رادیکال های آزاد پس از تجزیه حرارتی است. این ویژگی آن را در کاربردهای مختلف صنعتی به ویژه در تولید پلیمرها و الاستومرها ضروری می کند. در زیر، ما کاربردهای خاص DTBP را به عنوان آغازگر در پلیمریزاسیون بررسی می کنیم و اهمیت آن را در بخش های مختلف بررسی می کنیم.

1.3. پلیمریزاسیون ترموپلاستیک ها: DTBP معمولاً برای شروع پلیمریزاسیون چندین ماده ترموپلاستیک استفاده می شود،

پلی اتیلن (PE): DTBP هم در تولید پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE) و هم در تولید پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) استفاده می شود. استفاده از DTBP امکان پلیمریزاسیون رادیکال کنترل شده را فراهم می کند و در نتیجه پلیمرهایی با وزن و خواص مولکولی مطلوب تولید می شود. پایداری حرارتی DTBP تضمین می کند که فرآیند پلیمریزاسیون می تواند در دماهای بالا انجام شود، که برای تولید صنعتی سودمند است.
پلی پروپیلن (PP): در تولید پلی پروپیلن، DTBP به عنوان یک آغازگر رادیکال برای پلیمریزاسیون مونومرهای پروپیلن عمل می کند. پلی پروپیلن حاصل، خواص مکانیکی افزایش یافته¬ای را نشان می دهد و آن را برای کاربردهای مختلف از جمله بسته بندی، قطعات خودرو و کالاهای مصرفی مناسب می کند.
پلی استایرن (PS): DTBP همچنین برای شروع پلیمریزاسیون استایرن استفاده می شود که منجر به تشکیل پلی استایرن می شود. این پلیمر به طور گسترده در تولید مواد فوم، ظروف و محصولات مصرفی مختلف استفاده می شود (شکل 3).

2.3. اتصال عرضی الاستومرها:

یکی از کاربردهای مهم DTBP در صنعت پلیمریزاسیون، نقش آن در اتصال عرضی الاستومرها است. اتصال متقاطع خواص مکانیکی مواد لاستیکی را افزایش می دهد و آنها را بادوام تر و مقاوم تر در برابر حرارت می کند. کاربردهای خاص عبارتند از:
لاستیک طبیعی و مصنوعی: DTBP برای اتصال متقاطع لاستیک طبیعی و لاستیک مصنوعی استفاده می¬شود و خاصیت ارتجاعی و انعطاف¬پذیری آنها را بهبود می¬بخشد. این امر به ویژه در ساخت لاستیک‌ها، شیلنگ‌ها و واشرها اهمیت دارد، جایی که بهبود خواص مکانیکی برای عملکرد و طول عمر بسیار مهم است.
الاستومرهای ترموپلاستیک (TPEs): در تولید TPE، DTBP به سازگاری مواد بازیافتی با پلیمرهای اصلی کمک می کند. تحقیقات نشان داده است که استفاده از DTBP به عنوان آغازگر پراکسید به طور قابل توجهی استحکام کششی و خواص حرارتی TPEها را بهبود می بخشد و آنها را برای کاربرد در محصولات خودرو و مصرفی مناسب می کند.

3.3. تولید کامپوزیت ها

در تولید مواد کامپوزیت، منجر به آغاز پلیمریزاسیون مواد رزینی می گردد و در صنایع مختلف نقش مهمی ایفا می کند. از جمله:
جایی که پلیمریزاسیون ماتریس های رزینی را آغاز می کند، ابزاری است. این نرم افزار در صنایع مختلف حیاتی است، از جمله:
هوافضا و خودرو: در ساخت مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف (مانند فایبرگلاس یا فیبر کربن)، DTBP عمل آوری ماتریس رزین را آغاز می کند. این منجر به مواد سبک وزن، قوی و بادوام می شود که برای کاربردهای هوافضا و خودرو ضروری است.
ساخت و ساز: DTBP در تولید مواد کامپوزیتی برای کاربردهای ساختمانی استفاده می شود، جایی که توانایی آن در افزایش پیوند بین الیاف تقویت کننده و ماتریس های رزین برای یکپارچگی ساختاری حیاتی است.

4.3. پخت رزین ها و چسب ها:

به طور گسترده در فرآیندهای پخت رزین ها و چسب ها مورد استفاده قرار می گیرد و امکان اتصال موثر و تشکیل مواد بادوام را فراهم می کند. کاربردهای خاص عبارتند از:
چسب‌ها و درزگیرها: در تولید چسب‌ها، DTBP پلیمریزاسیون اجزای چسب را آغاز می‌کند و به آنها ااین امکان را می¬دهد تا به طور موثر به سطوح مختلف بچسبند. این کاربرد در صنایع ساخت و ساز، خودرو و کالاهای مصرفی، که در آن چسبندگی قوی مورد نیاز است، بسیار مهم است.
پوشش ها: DTBP همچنین در فرمولاسیون پوشش هایی مانند رنگ ها و لاک ها استفاده می شود. این ماده، پخت را آغاز می کند و منجر به تشکیل یک سطح سخت و بادوام می شود که محافظت و جذابیت زیبایی را ارائه می دهد.

5.3. تولید فوم:

DTBP به عنوان یک عامل دمنده در تولید مواد فوم مانند پلی استایرن منبسط شده (expanded polystyrene: EPS) و فوم پلی اورتان استفاده می شود. تجزیه DTBP گازهایی را آزاد می¬کند که موجب تولید کف می گردد و در نتیجه محصولات فوم سبک و عایق ایجاد می کند. این کاربرد به ویژه در صنایع بسته بندی و ساخت و ساز، جایی که مواد فوم برای عایق کاری و بالشتک استفاده می شود، مرتبط است.

4. کاربرد DTBP در تولید PEX

دای ترت بوتیل پراکسید (DTBP) معمولاً به عنوان آغازگر در تولید لوله های پلی اتیلن شبکه ای (PEX) به ویژه در فرآیند PEX-a استفاده می شود. در اینجا چند نکته کلیدی در مورد کاربرد خاص DTBP در تولید PEX آورده شده است:
1.4. فرآیند PEX-a: فرآیند PEX-a (شکل 4)، که به روش انگل(Engel) نیز معروف است، شامل استفاده از آغازگرهای پراکسید مانند DTBP برای اتصال عرضی پلی اتیلن است. در این فرآیند DTBP قبل از اکستروژن به ترکیب پلی اتیلن اضافه می شود.

2.4. مکانیسم اتصال عرضی: با گرم شدن در طول اکستروژن، DTBP تجزیه می­شود تا رادیکال­های آزاد تولید کند که واکنش اتصال عرضی بین زنجیره­های پلی اتیلن را آغاز می­کند. اتصال عرضی خواص مکانیکی، مقاومت شیمیایی و پایداری حرارتی لوله ­های PEX را بهبود می­بخشد.

3.4. غلظت: به طور معمول، مقادیر کم DTBP (حدود 05/0 تا 005/0 درصد وزنی) در تولید PEX-a استفاده می­شود. غلظت­های بالاتر به طور قابل توجهی بازده اتصال عرضی را افزایش نمی­دهد، اما به دستیابی به سطح مطلوب اتصال عرضی سریعتر کمک می­کند.

4.4. مزایا: استفاده از DTBP به عنوان آغازگر در تولید PEX-a چندین مزیت دارد:

• سرعت واکنش و بازده را به ویژه در دماهای پایین تر (تا 120 درجه سانتیگراد) بهبود می­بخشد.
• بسته به دمای عملیاتی، بهره­وری فرآیند را 10-40 درصد در مقایسه با واکنش­های غیر کاتالیز شده افزایش می­دهد.
• لوله­ های PEX-a که با استفاده از DTBP تولید می­شوند، با وجود شرایط پیچیده تولید، سال­هاست که با موفقیت در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می­گیرند.

5.4. مشکلات بالقوه: در حالی که DTBP به طور گسترده در تولید PEX استفاده می­شود، برخی نگرانی­های بالقوه وجود دارد:

• باقیمانده DTBP یا محصولات تجزیه آن ممکن است از لوله ­ها به آب آشامیدنی نفوذ کند و به طور بالقوه بر کیفیت آب و رشد میکروبی تأثیر بگذارد.
• قرار گرفتن در معرض DTBP در طول تولید ممکن است اثرات نامطلوبی بر سلامت کارگران داشته باشد اگر اقدامات ایمنی مناسب انجام نشود.

نتیجه گیری

دای ترت بوتیل پراکسید یک ترکیب همه¬کاره و ضروری در صنعت پلیمریزاسیون و فراتر از آن است. توانایی آن در تولید رادیکال‌های آزاد پس از تجزیه حرارتی، آن را به آغازگر ارزشمندی برای فرآیندهای پلیمریزاسیون مختلف تبدیل می‌کند که منجر به تولید پلاستیک‌ها و الاستومرهای باکیفیت می‌شود. علاوه بر این، کاربردهای آن در سنتز شیمیایی، چسب‌ها و پخت رزین اهمیت آن را در محیط‌های صنعتی برجسته می‌کند. همانطور که تحقیقات برای کشف کاربردهای جدید و روش‌های سنتز ادامه دارد، دای‌ترت‌بوتیل پراکسید همچنان یک بازیگر مهم در زمینه شیمی آلی و علم مواد است.

References

1. https://www.chemicalbook.com/synthesis/di-tert-butyl-peroxide.htm
2. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/qo/d2qo00381c
3. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472302137X
4. “Efficient synthesis of di-tert-butyl peroxide by isobutane selective peroxidation.” Retrieved from [Wiley](https://www.wiley.com/en-us)
5. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2468823123008581
6. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472302137X
7. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0142941818315381
8. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/py/c9py00103d
9. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/py/c9py00103d
10. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666765723000467

@font-face
{font-family:”Cambria Math”;
panose-1:2 4 5 3 5 4 6 3 2 4;}@font-face
{font-family:Calibri;
panose-1:2 15 5 2 2 2 4 3 2 4;}p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal
{margin-top:0cm;
margin-right:0cm;
margin-bottom:8.0pt;
margin-left:0cm;
text-align:right;
line-height:107%;
direction:rtl;
unicode-bidi:embed;
font-size:11.0pt;
font-family:”Calibri”,sans-serif;}.MsoChpDefault
{font-family:”Calibri”,sans-serif;}.MsoPapDefault
{margin-bottom:8.0pt;
line-height:107%;}div.WordSection1
{page:WordSection1;}

گرداورنده مطالب: دکتر مهرناز بهادری

ویرایش شده توسط: زهرا دوات گری