Процеси алкілування вуглеводнів

Тип работы:
Контрольная
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Содержание

Вступ

Процеси алкілування

1. Загальна характеристика процесів алкілування

1. 1 Класифікація реакцій алкілування

1.2 Алкілуючи агенти

1. 3 Хлорпохідні

1. 5 Енергетична характеристика основних реакцій алкілування

2. Алкілування за атомом вуглецю

2. 1 Хімія і теоретичні основи алкілування ароматичних з'єднань у ядро

2.1. 1 Каталізатори

2.1. 2 Механізм реакції

2.2 Послідовне алкілування

2. 3 Побічні реакції

2. 4 Кінетика процесу

2. 5 Технологія алкілівання ароматичних вуглеводнів

2. 6 Вихідні речовини

Література

Вступ

Тема контрольної роботи «Процеси алкілування вуглеводнів» з дисципліни «Технологія нафтохімічного синтезу».

Алкілуванням називають усі процеси введення алкільних груп у молекули органічних і деяких неорганічних речовин. Ці реакції мають дуже велике практичне значення для синтезів алкілованих у ядро ароматичних з'єднань, ізопарафінів, багатьох меркаптанів і сульфідів, амінів, речовин із простим ефірним зв’язком, элементо- і металоорганічних з'єднань, продуктів переробки -оксидів і ацетилену. Процеси алкілування часто є проміжними стадіями у виробництві мономерів, миючих речовин.

Мета роботи — розкрити наступні питання:

— характеристика реакцій алкілування;

— алкілуючи агенти;

— алкілування за атомом вуглецю;

— каталізатори, механізм і кінетика реакцій алкілування за атомом вуглецю;

— послідовне алкілування;

— технологія алкілування.

Процеси алкілування

1. Загальна характеристика процесів алкілування

1.1 Класифікація реакцій алкілування

Найбільш раціональна класифікація процесів алкілування заснована на типі знову утворююмого зв’язку.

1. Алкілування за атомом вуглецю (С-алкілування) складається в заміщенні на алкільну групу атома водню, який знаходиться при вуглецевому атомі. До цього заміщення здатні парафінові вуглеводні, але найбільше характерно алкілування для ароматичних з'єднань (реакція Фріделя-Крафтса):

CnH2n+2 + CmH2m Cn+mH2(n+m+1)

ArH + RCl ArR + HCl

2. Алкілування за атомами кисню і сірки (О- і S-алкілування) є реакцію, у результаті якої алкільна група зв’язується з атомом кисню або сірки:

ArOH + RCl ArOR + NaCl + H2O

NaSH + RCl RSH + NaCl

З цього видно, що під визначення алкілування підпадають і такі процеси як гідроліз хлорпохідних або гідратація олефінів, і це показує, що алкілуванням варто називати тільки такі реакції введення алкільної групи, що не мають інших більш істотних і визначальних класифікаційних ознак.

3. Алкілування за атомом азоту (N-алкілування) складається в заміщенні атомів водню в аміаку або в амінах на алкільні групи. Цей метод є найважливішим з методів синтезу амінів:

ROH + NH3 RNH2 + H2O

N-алкілування класифікують як амоноліз (аміноліз) органічних сполук.

Алкілування за атомами інших елементів (Si-, Pb-, Al-алкілування) є найважливішим шляхом одержання элементо- і металлорганических з'єднань, коли алкільна група безпосередньо зв’язується з гетероатомом:

2RCl + Si R2SiCl2

4C2H5Cl + 4PbNa Pb (C2H5)4 + 4NaCl + 3Pb

3C3H6 + Al + 1,2H2 Al (C3H7)3

Інший спосіб класифікації реакцій алкілування заснован на розходженнях у будівлі алкільної групи, яка вводиться в органічне або неорганічне з'єднання. Вона може бути насиченою або аліфатичною (наприклад, етильною та ізопропільною) або циклічною. В останньому випадку реакцію називають циклоалкілуванням:

С6Н6 + С6Н11Сl

При введенні фенільної групи, і взагалі арильной, утвориться безпосередній зв’язок з вуглецевим атомом ароматичного ядра (арилірування):

С6Н5Сl + NH3 С6Н5NH2 + HCl

Алкільна група може містити ароматичне ядро або подвійний зв’язок, і, якщо остання досить вилучена від реакційного центру, реакція мало відрізняється від звичайних процесів алкілування:

СН2=СНСН2Сl + RNH2 RNHCH2-CH=CH2 + HCl

Уведення вінільної групи (вінілірування) займає особливе місце і здійснюється, головним чином, за допомогою ацетилену:

ROH + CHCH ROCH=CH2

CH3COOH + CHCH CH3COOCH=CH2

Алкільні групи можуть містити різні заступники, наприклад, атоми хлору, гідроксильні, карбонільні, сульфокислотні групи і т.д. :

С6Н5ONa + ClCH2COONa С6Н5OCH2COONa + NaCl

ROH + HOCH2CH2SO2ONa ROCH2CH2SO2ONa + H2O

Найважливішою з реакцій уведення заміщених алкільних груп є процес -оксиалкілування (в окремому випадку оксиетилірування), що охоплює широке коло реакцій оксидів олефінів:

ROCH2CH2OH

Н2С СН2

HOCH2CH2NH2 і т.д.

О

1.2 Алкілуючи агенти

Всі алкілуючи агенти по типі зв’язку, що розривається в них при алкілуванні, доцільно розділити на наступні групи:

1. Ненасичені з'єднання (олефіни та ацетилен), у яких відбувається розрив -електронного зв’язку між атомами вуглецю.

2. Хлорпохідні з досить рухливим атомом хлору, здатним заміщатися під впливом різних агентів.

3. Спирти, прості і складні ефіри, зокрема оксиди олефінів, у яких при алкілуванні розривається вуглець-кисневий зв’язок.

Олефіни (етилен, пропілен, бутилени і вищі) мають першорядне значення в якості алкілуючих агентів. Через дешевину їх використовують у всіх можливих випадках. Головне використання вони знайшли для С-алкілування парафінів і ароматичних з'єднань. У реакціях О-, N-алкілування і при синтезі багатьох металорганічних з'єднань олефіни мало ефективні.

Алкілування олефінами в більшості випадків протікає по іонному механізмі через проміжне утворення іонів карбонія і каталізуються протонними та апротонними кислотами. Реакційна здатність олефінів при реакціях такого типу визначається їх схильністю до утворення іонів карбонія:

RCH=CH2 + H+ CH3

Це означає, що подовження і розгалуження ланцюга вуглецевих атомів в олефіні значно підвищує його здатність до алкілування:

СН2=СН2 СН3-СН=СН2 СН3-СН2-СН=СН2 (СН3)2С=СН2

У ряді випадків алкілування олефінами протікає під впливом ініціаторів радикально-ланцюгових реакцій, висвітлення або високої температури. Тут проміжними активними частками є вільні радикали. Реакційна здатність різних олефінів за такими реакціями значно зближається.

1.3. Хлорпохідні

Хлорпохідні є алкілуючими агентами найбільш широкого діапазону дії. Вони придатні для С-, О-, S-, N-алкілування і для синтезу більшості елементо- і металоорганічних з'єднань. Застосування хлорпохідних є раціональним для тих процесів, у яких їх неможливо замінити олефінами або у випадку, якщо хлорпохідні дешевше і доступніше олефінів.

Алкілуюча дія хлорпохідних виявляється у трьох різних типах взаємодій: у електрофільних реакціях, при нуклеофільному заміщенні та у вільно-радикальних процесах.

Механізм електрофільного заміщення характерний, головним чином, для алкілування за атомом вуглецю, але на відміну від олефінів реакції каталізуються тільки апротонними кислотами (хлориди алюмінію або заліза):

+ -

RCl + AlCl3 R Cl AlCl3 R+ + AlCl4

CH3CH2Cl (СН3)2СHCl (СН3)3СCl

Для алкілування за атомами О, S, N процес складається в нуклеофільному заміщенні атома хлору. Механізм аналогічний гідролізу хлорпохідних, реакція протікає в присутності каталізатора:

RCl +: NH3 + Cl RNH2 + HCl

ArCH2Cl CH2=CH-CH2Cl AlKCl ArCl

Вільнорадикальний механізм характерний для синтезів елементо- і металорганічних з'єднань, коли вільні радикали утворюються за рахунок взаємодії з металами:

4PbNa + 4C2H5Cl 4Pb + 4NaCl + 4P2H5 4NaCl + Pb (C2H5)4 + 3Pb

1.4 Енергетична характеристика основних реакцій алкілування

Теплота реакцій при алкілуванні за різними атомами зменшується в наступному порядку:

Сарорматич. Саліфатич. N 0

Для різних алкілуючих агентів вона змінюється так:

СНСН Н2С — СН2 RCH=CH2 ROH RCl

Великий тепловий ефект алкілування за участю оксиду етилену та ацетилену обумовлений значною напруженістю тричленного оксидного циклу і високою екзотермічністю з'єднань з потрійним зв’язком.

2. Алкілування за атомом вуглецю

2.1 Хімія і теоретичні основи алкілування ароматичних з'єднань у ядро

2.1. 1Каталізатори

При алкілування ароматичних вуглеводнів (бензол, толуол та ін.) хлорпохідними в промисловості як каталізатори використовують тільки AlCl3, що відрізняється найбільшою активністю з усіх доступних апротонних кислот. Він же застосовується при алкілуванні вуглеводнів олефінами, але в цьому випадку придатні також інші каталізатори (H2SO4; безводний HF, HBr, Н3РО4 на носіях, алюмосилікати, цеоліти).

Процес з H2SO4 і HF проводять у рідкій фазі при температурі 10−400С і тиску 0,1−1,0 МПа, з Н3РО4 — у газовій фазі при температурі 225−2750С і тиску 2−6 МПа, з алюмосилікатами і цеолітами — у рідкій або газовій фазі при 200−4000С і тому ж тиску.

Хлористий алюміній у твердому виді практично не розчинний у вуглеводнях і слабко каталізуєт реакцію. Однак по мірі виділення НСl хлористий алюміній починає перетворюватися в темну рідку речовину також не розчинну у надлишку вуглеводню. Цей комплекс Густавсона володіє високою каталітичною активністю і реакція поступово прискорюється. Його можна приготувати, пропускаючи НСl при нагріванні через суспензію AlCl3 в ароматичному вуглеводні.

Комплекс Густавсона являє собою з'єднання AlCl3 і НСl 1−6 молекулами органічної сполуки (ароматичного вуглеводню), одна з яких знаходиться в особливому структурному стані позитивно зарядженого іона (-комплекс), а інші утворюють сольватну оболонку:

Н —

+ (n-1)ArH Al2Cl7 Н

Для уникнення повільного каталізу твердим хлористим алюмінієм цей активний каталітичний комплекс доцільно готувати попередньо і потім додавати на реакцію. Крім НСl його утворенню сприяють невеликі добавки води або відповідного хлорпохідного, роль якого складається в генерації НСl. Більш прийнятно використовувати НСl або RCl, тому що вода дезактивує частину каталізатора, розкладаючи його. По цій же причині необхідно добре осушувати реагенти і стежити, щоб у реакційну суміш не попадала вода, здатна викликати бурхливе розкладання комплексу. Іншими каталізаторними отрутами є багато сірчистих з'єднань, аміак, у меншому ступені дієни, ацетилен. Отже, рідка реакційна маса при алкілуванні з хлористим алюмінієм складається з двох фаз — каталітичного комплексу та вуглеводневого шару.

2.1. 2 Механізм реакції

У якості алкілуючих агентів у промисловості застосовують хлорпохідні та олефіни. Використання спиртів менш ефективно, тому що при алкілуванні спиртами AlCl3 розкладається, а протонні кислоти розбавляються утворюємою водою. В обох випадках відбувається дезактивація каталізатора, що обумовлює його велику витрату.

При реакціях із хлорпохідними або олефінами AlCl3 витрачається тільки в каталітичних кількостях. У першому випадку він активує атом хлору, утворюючи сильно поляризований комплекс або іон карбонія, що з олефінами відбувається тільки в присутності сокаталізатору — хлористого водню:

RCH=CH2 + HCl + AlCl3 +

При каталізі комплексом хлористого алюмінію з вуглеводнем необхідний для цього протон уже мається у виді -комплексу. Він передається молекулі олефина, і, утворившийся іон карбонія атакує ароматичне з'єднань, причому вся реакція відбувається в шарі катализаторного комплексу, що безупинно обмінюється своїми лигандами з вуглеводневим шаром. Отриманий тим або іншим шляхом іон карбония (або сильно поляризований комплекс) атакує потім ароматичне ядро, причому реакція протікає через проміжні -комплекс та іон карбонія з наступною швидкою стадією відщіплення протону:

R R

+ R+ R+ H + H+

Будівля алкільної групи в отриманому продукті визначається правилом про проміжне утворення найбільш стабільного іона карбонію (трет- втор- перв-). Тому у випадку нижчих олефінів тільки з этилену утвориться первинний алкілбензол (етилбензол), із пропілену — вторинний (ізопропілбензол), а з ізобутілену — третбутилбензол:

СН2=СН2 СН3+Н2 С6Н5СН2-СН3 + Н+

СН3СН=СН2 СН3+Н-СН3 С6Н5СН (СН3)2 + Н+

(СН3)2С=СН2 (СН3)3С+ С6Н5С (СН3)3 + Н+

Однак при алкілуванні вищими олефінами і хлорпохідними спостерігається ізомеризація алкільних груп, що відбувається перед алкілуванням, оскільки алкілбензоли до неї вже не здатні. Ця ізомеризація протікає в напрямку проміжного утворення найбільш стабільного іона карбонія, але без порушення вуглецевого кістяка алкільної групи, а лише з переміщенням реакційного центру. Унаслідок цього з хлорпохідних і олефінів із прямим ланцюгом вуглецевих атомів виходить суміш вторинних алкілбензолів:

AlCl3 +

СН3-СН2-СН2-СН2-СН2Cl СН3-СН2-СН2-СН2-СН2

СН3-СН2-СН2-СН=СН2

СН3-СН2-СН-СН2-СН3 СН3 СН2 СН2 — СН СН3

-H+ +C6H6 -H+ +C6H6

СН3-СН2-СН-СН2-СН3 СН3 СН2 СН2 — СН СН3

C6H5 C6H5

А з з'єднань з розгалуженим ланцюгом виходять переважно третамінбензоли.

Вплив будівлі ароматичного з'єднання при реакціях алкілування в загальному таке ж, як і при інших процесах електрофільного заміщення в ароматичне ядро, але має свої особливості. Реакція алкілування відрізняється порівняно малою чутливістю до електроннодонорних заступників у ядрі. Так, алкілуючий вплив алкільних груп і конденсованих ядер при каталізі реакції хлористим алюмінієм змінюється таким чином:

3,5 3,0 2,2 1,8 1,4 1,0

С10Н8 С6Н4(СН3)2 С6Н5СН3 С6Н5С2Н5 С6Н5-СН (СН3)2 С6Н6

нафталін ксилол- толуол етилбензол ізопропілбензол бензол

діметилбензол

Електронноакцепторні заступники сильно дезактивують ароматичне ядро. Хлорбензол алкілує приблизно в 10 разів повільніше, а карбонільні, карбоксильні циано- і нітрогрупи приводять до повної дезактивації ароматичного ядра, унаслідок чого відповідні похідні взагалі не здатні до алкілування.

2.2 Послідовне алкілування

При алкілуванні ароматичних з'єднань у присутності будь-яких каталізаторів відбувається послідовне заміщення атомів водню з утворенням суміші продуктів різного ступеня алкілування. Так, метилірування та етилірування бензолу йде аж до одержання гексаалкілбензолів:

С6Н6 С6Н5С2Н5 С6Н42Н5)2 С6Н32Н5)3.

К1 К2 К3

Кожна з реакцій за обмірьоною температурою є практично необоротною. Так константи рівноваги при синтезі етилбензолу при температурах 0, 200 і 5000С рівні відповідно 61011, 2,2104 і 1,9. Однак при каталізі хлористим алюмінієм і досить жорстких умовах каталізу алюмосилікатами і цеолітами відбувається оборотна реакція переалкілування (диспропорционування) з міжмолекулярною міграцією алкільних груп:

C6H4R2 + C6H6 2C6H5R

C6H3R3 + C6H6 C6H5R + C6H4R2

2.3 Побічні реакції

Крім розглянутого раніше утворення поліалкілбензолів при алкілуванні небажані смолоутворення, деструкція алкільних груп і полімеризація олефінів.

Смолоутворення складається в одержанні конденсованих ароматичних з'єднань з високою температурою кипіння. З подібних продуктів при алкілуванні бензолу виявлені діакрилалкани, триарілиндани, диарилоолефіни.

Ці ж умови ведуть до небажаної деструкції алкільних груп і побічному утворенню алкілбензолів з більш короткою алкільною групою. При реакції з пропіленом побічно виходить етилбензол, з етиленом — толуол.

Утворення полімерів відбувається в результаті послідовної взаємодії іона карбонія з олефінами (катіонна полімеризація):

і т.д.

Полімери мають невелику молекулярну масу та їх утворення придушується наявністю надлишку ароматичного вуглеводню при зниженні концентрації олефіна в рідкій фазі.

2.4 Кінетика процесу

Сама реакція алкілування з активним комплексом хлористого алюмінію йде дуже швидко, сильно прискорюється при механічному перемішуванні або інтенсивному барботируванні газоподібних олефінів через реакційну масу і протікає в дифузійній або близькій до неї області. Її швидкість підвищується при рості тиску, але мало залежить від температури, маючи нижчу енергію активації. При цьому зберігається звичайна залежність у реакційній здатності олефінів — більш сильна, чим розходження в їх розчинності. Очевидно, лімітуючою є стадія дифузії олефіна через прикордонну область каталітичного комплексу хлористого алюмінію, у якій протікає вся реакція. На відміну від цього переалкілування йде значно повільніше та істотно прискорюється при підвищенні температури, тому що має енергію активації приблизно рівну 63 кДж/моль.

Обидві реакції сповільнюються при поступовій дезактивації каталізатора, але особливо сильно падає швидкість переалкілування. У результаті в реакційній суміші буде накопичуватися значна кількість поліалкілбензолів, які не встигають вступати в оборотну реакцію переалкілування. Щоб уникнути цього приходиться обмежувати подачу реагентів, і, отже, можливість інтенсифікації процесу лімітується самою повільною реакцією переалкілування.

На дезактивацію каталізатора крім домішок реагентів впливає і нагромадження деяких побічних продуктів алкілування, здатних міцно зв’язувати хлористий алюміній або утворювати стабільні -комплекси, ввіддаючих свій протон молекулі олефіну. Такими речовинами при низькій температурі, коли переалкілування йде повільно, є поліалкілбензоли, а при високій температурі - поліциклічні ароматичні з'єднання і смоли. У результаті виявляється, що оптимальна продуктивність і витрата каталізатора при одержанні етил- та ізопропілбензолу досягається при деякій середній температурі (1000С), коли переалкілування протікає вже досить швидко, але поліциклічних речовин, які дезактивують каталізатор, виходить ще мало.

2.5 Технологія алкілівання ароматичних вуглеводнів

До найбільш важливих продуктів відносяться етил- та ізопропілбензол.

Етилбензол — застосовується для виробництва стиролу, є мономером для виробництва пластмас і синтетичного каучуку.

Діетилбензол — застосовується для виробництва дівинілбензолу, що є коштовним мономером для виробництва іонообмінних смол.

Ізопропілбензол (кумол) — застосовується для виробництва -метилстиролу, що є мономером для виробництва синтетичного каучуку.

2.6 Вихідні речовини

Технічний бензол або інший ароматичний вуглеводень, застосовуваний для виробництва, потрібно попередньо осушувати. Для цього використовують відгін води у виді азеотропної суміші з ароматичним вуглеводнем (бензол, толуол). При такій азеотропної осушці вміст вологи знижується до 0,002−0,005%. Фракції нижчих олефінів надходять з газорозподільних установок піролизу або крекінгу досить сухими, але нерідко містять різні домішки, що ведуть до підвищеної витрати реагентів і каталізатора, а також до утворення побічних речовин, від яких іноді буває важко очистити цільовий продукт (С2Н2 або його гомологи, бутадієн, або інші олефіны). Нерідко очищення фракцій від цих речовин не проводять, допускаючи наявність 2−3% зазначених домішок, але значно кращі результати виходять, коли кількість цих домішок знижено в 10 разів. Більш тонке очищення фракцій від ненасичених речовин для алкілування не потрібно, що ще в більшому ступені відноситься до домішок парафінів. Очевидно, що оптимальний ступінь очищення фракцій повинен визначатися економічними розрахунками.

Хлорид алюмінію AlCl3 надходить на реакцію у виді рідкого каталітичного комплексу, що готують в апараті з мішалкою при невеликому нагріванні з технічного AlCl3, діетилбензолу або приблизно рівних кількостей бензолу і діалкілбензолу (тому що тільки з бензолу комплекс не виходить) з невеликою добавкою хлорпохідного (наприклад, C2Н5Сl) або іноді води. При наявності на підприємстві безводного HCl його також можна використовувати для одержання комплексу. Останнім часом рекомендовано готувати комплекс із відходів металевого алюмінію, ароматичних вуглеводнів і безводного HCl:

2Al + 6ArH + 7HCl (ArH)6Al2Cl6HCl

Література

алкілування каталізатор реакція хімія

1. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. — М.: Химия, 1988. С. 225−229.

2. Тимофеев В. С., Серафимов Л. А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. — М.: Высшая школа, 2003. С. 271−282.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой