Для алкилирования фенолов используют протонные кислоты (H 2 SО 4 , Н 3 РО 4) или каталитические оксиды типа А1 2 О 3 или алюмосиликаты. АlСl 3 не используется, так как с ним фенолы образуют неактивные соли АrOАlCl 2 , которые не катализируют процесс. Активность катализатора уменьшается в ряду H 2 SO 4 > Н 3 РО 4 > п-толуолсульфокислота.

При использовании в качестве катализатора H 2 SО 4 при температурах 50-120 °С в системе возможно образование сульфированных фенолов. Если катализатор п-толуолсульфокислота, то процесс идет в более мягких условиях, что позволяет получить большой выход п-алкилпроизводных и уменьшается количество продуктов полимеризации.

Общий недостаток использования кислотных катализаторов в жидком виде - необходимость отмывки продуктов от катализатора и значительное образование сточных вод.

Гетерогенные катализаторы лишены этого недостатка, однако активность их существенно ниже, что предполагает проведение процесса при более высоких температурах: жидкофазный процесс с использованием в качестве катализатора ионообменных смол КУ-2 протекает при температурах 120 о С, а алкилирование о-крезола и ксилола в парогазовой фазе в присутствии алюмосиликатов - при 200-400 °С.

В качестве алкилирующих агентов используются третичные спирты и олефины. Механизм аналогичен алкилированию бензола кислотами.

Гидроксильная группа фенола увеличивает электронную плотность в кольце и облегчает введение алкильной группы о-и п-положения. Наиболее устойчив п-изомер (о-изомеры подвергаются изомеризации с миграцией алкильной группы в п-положение). Соотношение изомеров зависит от условий процесса. Повышение температуры и продолжительности реакции приводит к увеличению содержания п-изомеров от 60-80 % до 95 %.

Алкилирование в ядро может идти последовательно с образованием моно-, ди- и триалкилфенолов. Из диалкилфенолов в основном преобладают 2,4-диалкилпроизводные.

При алкилировании фенолов скорость каждой последующей стадии уменьшается (введение первой алкильной группы происходит быстро, вторая - медленно, третья - еще медленнее). Состав продуктов зависит от скорости протекания переалкилирования: с ростом температуры, активности катализатора и продолжительности реакции увеличивается содержание моноалкилфенолов.

Условия процесса аналогичны алкилированию бензола, но в отличие от бензола, для которого высокая селективность по моноалкилпроизводному обеспечивается только при большом избытке бензола, для получения моноалкилфенолов работают при небольших избытках фенола по отношению к алкену и селективность по моноалкилфенолу возрастает, в основном, за счет реакции переалкилирования. Для получения ди- и триалкилпроизводных используют избыток алкилирующего агента.

Образующиеся побочные продукты - это продукты полимеризации алкенов и алкилфенолы с более длинной боковой цепью. При алкилировании фенолов высшими алкенами, особенно с разветвленной цепью, наблюдается реакция деполимеризации боковой цепи с образованием более короткой алкильной группы. Для понижения выхода побочных продуктов целесообразно понижать температуру, использовать менее активный катализатор или уменьшать его концентрацию или дозировать алкен в реакционную массу.

Курсовая работа

Алкилирование фенолов

Введение 3

1. Характеристика процессов алкилирования 4

2. Химия и теоретические основы алкилирования фенолов 10

3. Технология процесса алкилирования фенолов 14

4. Продукты получения 15

Список литературы 18

Введение

Алкилированием называют процессы введения алкильных групп в молекулы органических и некоторых неорганических веществ. Эти реакции имеют очень большое практическое значение для синтеза алкилированных в ядро ароматических соединений, изопарафинов, многих меркаптанов и сульфидов, аминов, веществ с простой эфирной связью, элемент - и металлорганических соединений, продуктов переработки -оксидов и ацетилена. Процессы алкилирования часто являются промежуточными стадиями в производстве мономеров, моющих веществ и т. д.

Многие из продуктов алкилирования производятся в очень крупных масштабах. Так, в США синтезируют ежегодно около 4 млн. т этилбензола, 1,6 млн. т изопропилбензола, 0,4 млн. т высших алкилбензолов, свыше 4 млн. т гликолей и других продуктов переработки алкиленоксидов, около 30 млн. т изопарафинового алкилата, около 1 млн. т трет-бутилметилового эфира и т. д.

1. Характеристика процессов алкилирования

1. Классификация реакций алкилирования

Наиболее рациональная классификация процессов алкилирования основана на типе вновь образующейся связи.

Алкилирование по атому углерода (C-алкилирование) состоит в замещении на алкильную группу атома водорода , находившегося при атоме углерода. К этому замещению способны парафины, но наиболее характерно алкилирование для ароматических соединений (реакция Фриделя – Крафтса):

Алкилирование по атомам кислорода и серы (O - и S-алкилирование) представляет собой реакцию, в результате которой алкильная группа связывается с атомом кислорода или серы:

ArOH + RCI ArOH + NaCI + H2O

NaSH + RCI → RSH + NaCI

В данном случае под слишком общее определение алкилирования подпадают и такие процессы, как гидролиз хлорпроизводных или гидратация олефинов, и это показывает, что алкилированием следует называть только такие реакции введения алкильной группы, которые не имеют других, более существенных и определяющих классификационных признаков.

Алкилирование по атому азота (N-алкилирование) состоит в замещении атомов водорода в аммиаке или в аминах на алкильные группы. Это - важнейший из методов синтеза аминов:

ROH + NH3 → RNH2 + H2O

Как и в случае реакций гидролиза и гидратации, N-алкилирование нередко классифицируют как аммонолиз (или аминолиз) органических соединений).

Алкилирование по атомам других элементов (Si-, Pb-, AI-алкилирование) представляет собой важнейший путь получения элемент - и металлорганических соединений, когда алкильная группа непосредственно связывается с гетероатомом:

2RCI + Si R2SiCI2

4C2H5CI + 4PbNa → Pb(C2H5)4 + 4NaCI + 3Pb

3C3H6 + AI + 1,5H2 → Al(C3H7)3

Другая классификация реакций алкилирования основана на различиях в строении алкильной группы, вводимой в органическое или неорганическое соединение. Она может быть насыщенной алифатической (этильной и изопропильной) или циклической. В последнем случае реакцию иногда называют циклоалкилированием:

При введении фенильной или вообще арильной группы образуется непосредственная связь с углеродным атомом ароматического ядра (арилирование):

C6H5CI + NH3 → C6H5NH2 + HCI

В алкильную группу может входить ароматическое ядро или двойная связь, и, если последняя достаточно удалена от реакционного центра, реакция мало отличается от обычных процессов алкилирования:

CH2=CH-CH2CI + RNH2 → RNHCH2-CH=CH2 + HCI

Однако введение винильной группы (винилирование) занимает особое место и осуществляется главным образом при помощи ацетилена:

ROH + CH≡CH ROCH=CH2

CH3-COOH + CH≡CH CH3-COO-CH=CH2

Наконец, алкильные группы могут содержать различные заместители, например атомы хлора, гидрокси-, карбокси-, сульфокислотные группы:

C6H5ONa + CICH2-COONa → C6H5O-CH2-COONa + NaCI

ROH + HOCH2-CH2SO2ONa → ROCH2–CH2SO2ONa + H2O

Важнейшей из реакций введения замещенных алкильных групп является процесс -оксиалкилирования (в частном случае оксиэтилирование), охватывающий широкий круг реакций оксидов олефинов:

2. Алкилирующие агенты и катализаторы

Все алкилирующие агенты по типу связи, разрывающейся в них при алкилировании, целесообразно разделить на следующие группы:

1. Ненасыщенные соединения (олефин и ацетилен), у которых происходит разрыв -электронной связи между атомами углерода;

2. Хлорпроизводные с достаточно подвижным атомом хлора, способным замещаться под влиянием различных агентов;

3. Спирты, простые и сложные эфиры, в частности оксиды олефинов, у которых при алкилировании разрывается углерод-кислородная связь.

Олефины (этилен, пропилен, бутены и высшие) имеют первостепенное значение в качестве алкилирующих агентов. Ввиду дешевизны ими стараются пользоваться во всех случаях, где это возможно. Главное применение они нашли для С-алкилирования парафинов и ароматических соединений. Они неприменимы для N-алкилирования и не всегда эффективны при S - и O-алкилировании и синтезе металлорганических соединений.

Алкилирование олефинами в большинстве случаев протекает по ионному механизму через промежуточное образование карбокатионов и катализируется протонными и апротонными кислотами. Реакционная способность олефинов при реакциях такого типа определяется их склонностью к образованию карбокатионов:

Это означает, что удлинение и разветвление цепи углеродных атомов в олефине значительно повышает его способность к алкилированию:

CH2=CH2 < CH3-CH=CH2 < CH3-CH2-CH=CH2 < (CH3)2C=CH2

В ряде случаев алкилирование олефинами протекает под влиянием инициаторов радикально-цепных реакций, освещения или высокой температуры. Здесь промежуточными активными частицами являются свободные радикалы. Реакционная способность разных олефинов при таких реакциях значительно сближается.

Хлорпроизводные являются алкилирующими агентами наиболее широкого диапазона действия. Они пригодны для С-, О-, S - и N-алкилирования и для синтеза большинства элементо - и металлорганических соединений. Применение хлорпроизводных рационально для тех процессов, в которых их невозможно заменить олефинами или когда хлорпроизводные дешевле и доступнее олефинов.

Алкилирующее действие хлорпроизводных проявляется в трех различных типах взаимодействий: в электрофильных реакциях, при нуклеофильном замещении и в свободно-радикальных процессах. Механизм электрофильного замещения характерен для алкилирования по атому углерода, но, в отличие от олефинов, реакции катализируются только апротонными кислотами (хлориды алюминия , железа). В предельном случае процесс идет с промежуточным образованием карбокатиона:

в связи, с чем реакционная способность алкилхлоридов зависит от поляризации связи C-CI или от стабильности карбокатионов и повышается при удлинении и разветвлении алкильной группы:

При другом типе реакций, характерном для алкилирования по атомам кислорода, серы и азота, процесс состоит в нуклеофильном замещении атома хлора. Механизм аналогичен гидролизу хлорпроизводных, причем реакция протекает в отсутствие катализаторов:

Реакционная способность хлорпроизводных изменяется в данных процессах таким же образом, как при гидролизе, а именно:

ArCH2CI > CH2=CH-CH2CI > AIkCI > ArCI

перв-AIkCI > втор-AIkCI > трет-AIkCI

Целый ряд процессов алкилирования хлорпроизводными протекает по свободно-радикальному механизму. Это особенно характерно для синтезов элементо - и металлорганических соединений, когда свободные радикалы образуются за счет взаимодействия с металлами:

4PbNa + 4C2H5CI → 4Pb + 4NaCI + 4C2H → 4NaCI + Pb(C2H5)4 + 3Pb

Спирты и простые эфиры способны к реакциям С-, О-, N - и S-алкилирования. К простым эфирам можно отнести и оксиды олефинов, являющиеся внутренними эфирами гликолей, причем из всех простых эфиров только оксиды олефинов практически используют в качестве алкилирующих агентов. Спирты применяют для О - и N-алкилирования в тех случаях, когда они дешевле и доступнее хлорпроизводных. Для разрыва их алкил-кислородной связи требуются катализаторы кислотного типа:

R-OH + H+ ↔ R-OH2 ↔ R+ + H2O

3. Энергетическая характеристика основных реакций алкилирования

В зависимости от алкилирующего агента и типа разрывающейся связи в алкилируемом веществе процессы алкилирования имеют сильно различающиеся энергетические характеристики. Значения тепловых эффектов для газообразного состояния всех веществ в некоторых важных процессах алкилирования по С-, О - и N-связям приведены в таблице 1. Так как они существенно зависят от строения алкилирующих веществ, то в таблице приводятся наиболее часто встречающиеся пределы изменения тепловых эффектов.

Таблица 1

Тепловой эффект важнейших реакций алкилирования

Алкилирующий агент

Разрываемая связь

Из сравнения приведенных данных видно, что при использовании одного и того же алкилирующего агента теплота реакции при алкилированием по разным атомам уменьшается в следующем порядке Сар > Салиф > N > O, а для разных алкилирующих агентов изменяется так:

Особенно большой тепловой эффект алкилирования с участием этиленоксида и ацетилена обусловлен значительной напряженностью трехчленного оксидного цикла и высокой эндотермичностью соединений с тройной связью.

2. Химия и теоретические основы алкилирования фенолов

Фенолы образуют с AICI3 неактивные соли ArOAICI2, поэтому для алкилирования фенолов в качестве катализаторов применяют протонные кислоты или металлоксидные катализаторы кислотного типа. Это позволяет использовать в качестве алкилирующих агентов только спирты и олефины. Наряду с продуктами замещения в ядре получается немного простых эфиров фенола, которые легко перегруппировываются в алкилфенолы:

Установлено, что алкилфенолы преимущественно образуются путем прямого алкилирования в ядро. Механизм этой реакции аналогичен механизму для ароматических углеводородов, причем гидроксогруппа фенолов сильно активирует в особенности 4- и 2-положения при почти полном отсутствии в продуктах мета-изомеров.

Алкилирование протекает последовательно с образованием моно-, ди, и триалкилфенолов, но одновременно происходит катализируемая кислотами перегруппировка с миграцией орто-алкильных групп с образованием пара-изомеров, которые в данном случае являются термодинамически наиболее стабильными. Таким образом, схема превращений следующая:

Из моноалкилфенолов при катализе протонными кислотами всегда преобладает пара-изомер, но при повышении активности катализатора, температуры и продолжительности реакции доля этого изомера среди монозамещенных может возрастать от 60 – 80 до 95% и более в связи с изомеризацией орто-изомера.

Из дизамещенных всегда значительно преобладает 2,4-диалкилфенол, доли которого еще больше растет при указанных выше условиях.

При последовательном введение алкильных групп, в отличие от алкилирования ароматических углеводородов, первая стадия протекает быстрее второй, а последняя быстрее третьей. На состав продуктов последовательного замещения влияет обратимая реакция переалкилирования:

R2C6H4OH + C6H5OH ↔ 2RC6H4OH

Равновесие которой значительно сдвинуто вправо. Поэтому при повышении активности катализатора, температуры и продолжительности реакции в получаемой смеси может значительно возрасти содержание моноалкилфенола. Так, в сравнении с алкилированием бензола (рис. 1) максимум моноалкилфенола в кинетическом режиме процесса составляет 50% (молю), а в состоянии, приближающемся к равновесию, достигает 75-80% (мол.). При целевом синтезе моноалкилфенолов это позволяет работать при сравнительно небольшом избытке фенола по отношению к олефину (=0,8-0,95) и даже при их эквимольном количестве. Селективность еще более возрастает в том случае, когда побочно образовавшиеся диалкилфенолы подвергают переалкилированию с фенолом.

Рис. 1 Зависимость состава реакционной массы при необратимом (а) и обратимом (б) алкилировании бензола от соотношения исходных реагентов: 1. Бензол, 2. Моноалкилбензолов, 3. Диалилбензол

При целевом синтезе диалкилфенолов применяют избыток олефина, зависящий от соотношения скоростей и термодинамических факторов при последующих стадиях реакции.

Кроме эфиров фенолов и полиалкилзамещенных фенолов побочными продуктами алкилирования являются полиолефины и образующиеся из них алкилфенолы с более длинной цепью атомов углерода. Наоборот, при реакции с высшими, особенно с разветвленными олефинами наблюдается их деполимеризация с получением алкилфенолов, имеющих более короткую алкильную группу. Общий метод подавления этих побочных реакций – понижение температуры, поскольку алкилирование имеет самую низкую энергию активации (20 кДж/моль). Во избежание полимеризвации олефина необходимо также снижать его концентрацию в жидкости, что достигается постепенным введением олефина в реакционную массу. Отметим, что реакции фенолов с изоолефинами в заметной степени обратимы, и нагревание соответствующих алкилфенолов с кислотным катализатором ведет к выделению олефина:

(CH3)3C-C6H4OH (CH3)2C=CH2 + C6H5OH

Изомеризация и переалкилирование частично протекают за счет этой реакции.

В качестве катализаторов – протонных кислот – в промышленности чаще всего применяют серную кислоту. Она является наиболее активной среди других доступных и дешевых кислот, но в то же время сильнее катализирует и побочные реакции, приводя дополнительно к сульфированию фенола и сульфатированию олефина и образуя фенолсульфокислоты HOC6H4SO2OH и моноалкилсульфаты ROSO2OH, которые также участвуют в катализе процесса. С серной кислотой алкилирование н-олефинами (кроме этилена) происходит при С, а с более реакционно-способными изоолефинами и стиролом – уже при 500С, но для ускорения процесса и в последнем случае алкилирование проводят при 1000С, применяя H2SO4 в количестве 3 – 10%. Другим катализатором, не вызывающим побочных реакций сульфирования и более мягким по своему действию, является п-толуолсульфокислота CH3C6H4SO2OH. Но она имеет меньшую активность и большую стоимость, чем серная кислота.

С этими катализаторами алкилирование фенола протекает как гомогенная реакция по такому кинетическому уравнению:

Общим их недостатком является необходимость в отмывке кислотного катализатора, вследствие чего образуется значительное количество токсичных сточных вод. Поэтому привлекли внимание и получили практическое применение гетерогенные катализаторы, особенно катионнообменные смолы, которые отделяются от реакционной массы простым фильтрованием. С катионнообменной смолой КУ-2 алкилирование фенолов изоолефинами происходит при С, но медленнее, чем при катализе серной кислотой.

В последнее время получило распространение орто-алкилирование фенолов, протекающее при катализе фенолятами алюминия (ArO)3AI. В этом случае даже при незанятом пара-положении алкильная группа преимущественно направляется в орто-положение с последовательным образованием моно - и диалкилбензолов:

С изоолефинами реакция идет при температуре 1000С, повышение которой вызывает все более заметное пара-алкилирование.

Катализ фенолятом алюминия объясняют его строением как апроторной кислоты, способной образовывать с фенолом комплекс, имеющий значительную кислотность:

Считается, что олефин дает с протоном карбокатион, который не выходит в объем и при внутрикомплексной реакции атакует ближайшее к нему орто-положение фенола.

Аналогичный по своим закономерностям газофазный процесс алкилирования применим только для метилирования фенола метанолом. Его осуществляют с гетерогенным катализатором кислотного типа (оксид алюминия, алюмосиликаты м др.). При С получается в основном о-крезол, ксиленолы и анизол, но при более высокой температуре (С), в соответствии с ранее рассмотренным, растет выход п - и м-крезолов и снижается выход анизола и ксиленолов.

3. Технология процесса алкилирования фенолов

Для алкилирования фенолов до сих пор часто применяют периодический процесс. При алкилировании высококипящими жидкими олефинами проводят реакцию в аппарате с мешалкой и рубашкой для обогрева паром или охлаждения водой. В него загружают фенол и катализатор, нагревают их до 900С, после чего при перемешивании и охлаждении подают жидкий олефин (диизобутен, триммер или тетрамер пропилена, стирол). Во второй половине реакции, наоборот, необходимо подогревать реакционную массу. Общая продолжительность операции составляет 2-4 ч. После этого реакционную массу нейтрализуют в смесителе 5% щелочью, взятой в эквивалентном количестве к кислоте-катализатору, нагревая смесь острым паром. При этом отгоняется непрореагировавший олефин, который после конденсации паров отделяется в сепараторе от воды и может повторно использоваться для алкилирования. Нейтрализованный органический слой сырых алкилфенолов отделяют от водного раствора солей и направляют на вакуум-перегонку , при которой отгоняются вода, остатки олефина и непревращенный фенол.

В процессах получения алкилфенолов из газообразных олефинов целесообразно использовать не реактор с мешалкой, а пустотелую колонну, в которой реакционная масса перемешивается за счет барботирования олефина. Тепло реакции можно отводить с помощью внутренних или выносных холодильников. Для перехода на непрерывный процесс в целях его интенсификации и улучшения состава реакционной массы, как и при других необратимых последовательно-параллельных реакциях, выгоднее применять каскад таких реакторов.

В новом процессе алкилирования фенола в присутствии ионообменных смол катализатор суспендирован в жидкости, находящейся в реакционной колонне. В низ колонны непрерывна подаются фенол и олефин. При С на смоле КУ-2 или при С на алюмосиликате объемная скорость подачи составляет 0,15 ч-1. Реакционная масса отфильтровывается от частиц катализатора и поступает на перегонку. Расход катализатора составляет всего 0,4% от массы полученных алкилфенолов.

4. Продукты получения

Простейшие гомологи фенола: о-, м-, и п-крезолы и изомерные ксиленолы:

находятся в продуктах коксования угля, но в очень небольшом количестве, не способном удовлетворить потребности в них для получения полимерных материалов, пестицидов, антиокислителей и т. д. Один из путей их синтеза, реализованный в промышленности ряда стран, состоит в газофазном метилировании фенола метанолом над гетерогенным катализатором:

Из моноалкилфенолов представляет практический интерес п-трет-бутилфенол, получаемый из фенола и изобутена:

При его добавлении к фенолу при поликонденсации с формальдегидом получаются малорастворимые полимеры, что имеет значение при их применении в качестве лакокрасочных покрытий.

Моноалкилфенолы с алкильной группой из 5-8 атомов углерода являются сильными бактерицидными средствами, а при ее удлинении до 8-12 атомов C оказываются ценными промежуточными продуктами для синтеза неионогенных поверхностно-активных веществ путем их оксиэтилирования:

В качестве алкилирующих агентов используют низшие полимеры и сополимеры олефинов (диизобутен, триммер и тетрамер пропилена, сополимеры бутена с пентенами и др.), из которых образуется трет-алкилфенолы. Чтобы получить продукты с лучшей биохимической разлагаемостью, целесообразнее применять н-олефины.

Важнейшей областью применения алкилфенолов и продуктов их дальнейшего превращения является производство стабилизаторов полимеров и масел против термоокислительной деструкции , развивающейсяпри эксплуатации этих материалов, особенно при повышенной температуре. Деструкция происходит по радикально-цепному механизму, причем ингибировать ее могут различные вещества, способные связывать свободные радикалы или же превращать их в нереакционно-способное состояние. Алкилфенолы дают при этом неактивные радикалы, стабилизированные сопряжением с ароматическим ядром, причем особенно сильный эффект оказывают фенолы с двумя разветвленными группами в орто-положении, когда влияние сопряжения дополняется пространственным влиянием объемистых заместителей:

Написанная формула принадлежит одному из самых распространенных стабилизаторов – ионолу, который получают из п-крезола и изобутена. Для этой же цели нашел применение антиоксидант-2246, получаемый конденсацией о-трет-бутил-п-крезола с формальдегидом:

однако общим их недостатком является ограниченная сырьевая база, обусловленная дефицитностью крезолов. Именно по этой причине большое значение получило орто-алкилирование позволяющее использовать в качестве сырья более доступный фенол. Большинство стабилизаторов этого типа принадлежит к двухъядерным соединениям с метиленовыми или сульфидными мостиками между 2,6-диалкилфенолом (полученным из изобутена, стирола и др.) и каким-либо ароматическим углеводородом (мезитиленом, дуролом) или другим алкилфенолом:

Список литературы

1. , Остроумов. М., Дрофа, 2008;

3. Лебедев и технология основного органического и нефтехимического синтеза. М., Химия. 1988. – 592 с.;

4. , Вишнякова нефтехимического синтеза. М., 1973. – 448 с.;

5. Юкельсон основного органического синтеза. М., «Химия», 1968.

Алкилирование фенола эпихлоргидрином

Реакция присоединения фенола к эпихлоргидрину может протекать в нейтральной, кислой или щелочной среде.

В нейтральной среде эпихлоргидрин и фенол необходимо нагревать в течение нескольких часов при 155 --160°, иначе реакция не протекает. Получают фениловый эфир хлоргидрина, но с плохим выходом.

При сравнении действия кислых и щелочных катализаторов было установлено, что последние дают лучшие выходы.

Марпл, Шокал и Эванс, применяя в качестве кислого катализатора четыреххлористое олово, разработали технический способ получения ароматических простых эфиров хлоргидрина, в особенности эфиров замещенных фенолов. Вместо четыреххлористого олова целесообразнее применять его комплексе изопропиловым спиртом SnCl4(C8H7OH)4.

Лефевр и Лева нашли, что BF3 является особенно эффективным катализатором реакции эпихлоргидрина с фенолом. В его присутствии присоединение протекает уже при 0° что, сводит к минимуму образование высокомолекулярных продуктов. В растворе бензола при 4-кратном избытке фенола и температуре реакции 0° получают эфиры хлоргидрина с фенолом, о-, м- и п-крезолом, п-бромфенолом и тимолом (выход 50%).

Реакция эпихлоргидрина с фенолами в присутствии щелочи может протекать по двум направлениям.

1) При применении каталитических количеств гидроокиси щелочного металла, степень превращения в фениловый эфир хлоргидрина составляет 35%.

2) При применении эквимолекулярных количеств гидроокиси щелочного металла, фенола и эпихлоргидрина промежуточно образующийся фениловый эфир хлоргидрина превращается в эфир глицидола:

Ариловые эфиры глицидола, получаемые при нагревании эквимолекулярных количеств эпихлоргидрина, фенола и водного раствора щелочи, были впервые получены и описаны Линдеманом.

Прибавление эпихлоргидрина к раствору фенолята натрия при 40--70°С ведет к невысокому выходу фенилового эфира глицидола. Напротив, Марле получил ароматические эфиры глицидола с удовлетворительным выходом взаимодействием при обычной температуре в течение нескольких дней эпихлоргидрина, фенола и расчетного количества едкого натра.

Дэвис, Нант и Скиннер изучали получение ароматических эфиров хлоргидрина при замене едких щелочей гидроокисями щелочноземельных металлов. Из гидроокисей магния, кальция, бария наилучшие результаты были получены с гидроокисью кальция.

Метод синтеза глицидных эфиров фенолов с выходом 55--65% от теоретического состоит в том, что сначала эквимолекулярные количества эпихлоргидрина и фенола подвергают кратковременному нагреванию, а затем при нагревании вносят избыток водного раствора едкой щелочи.

При взаимодействии глицидных эфиров замещенных фенолов с солями третичных аминов образуются четвертичные аммониевые соединения. Например, в случае хлоргидрата триметиламина реакция идет следующим образом:

Для получения полиглицидных эфиров многоатомных фенолов рекомендуют применять 1,5 моля эпихлоргидрина на каждую гидроксильную группу фенола. При этом берут 92--97% щелочи от расчетного. После отделения избытка эпихлоргидрина образовавшиеся хлоргидринные группы переводятся избытком щелочи в эпоксидные группы .

Алкилирование фенолов в условиях МФК

Для алкилирования фенолов с успехом может применяться межфазный катализ [ 17]. В этом методе используется двухфазная система, например, вода-метиленхлорид: к фенолу в присутствии каталитического количества четвертичных солей аммония прибавляется алкилгалогенид, а фазовое равновесие поддерживается путем эффективного перемешивания. Суммарно процесс можно изобразить схемой:

Фенолят-ион и четвертичная соль аммония находится в равновесии с четвертичным феноксидом аммония, который экстрагируется в органическую фазу, где происходит алкилирование. Четвертичный галогенид аммония в свою очередь переходит в равновесие с его гидроксидом в водной фазе.

Достоинство этого метода синтеза заключается в том, что:

Фенолят-ион менее сольватирован в органической фазе, скорость реакции в меньшей степени понижается стерическими эффектами и достигается исключительно О-алкилирование, причем повышается скорость;

Основной является только водная фаза, что предохраняет алкилирующий агент (галогенид, сульфат и т.п.) от разрушения за счет гидролиза;

Используются не стехиометрические количества аммониевой соли.

В качестве катализатора могут использоваться такие четвертичные аммониевые и фосфониевые соли, как бензилтриэтиламмоний хлорид, (ТЭБАХ), тетрабутиламмоний гидросульфат (ТБАГС) и др., можно использовать также полимерно-связанные краун-эфиры и криптаны.

Межфазный метод применим для широкого круга фенолов с элетроноакцепторными и электронодонорными заместителями, Р нафтолов и пространственно затрудненных фенолов. В большинстве случаев при использовании различных алкилирующих агентов выходы эфиров высоки (70-95%).

Этот метод можно успешно применять в синтезе ариловых эфиров гликолей , а также для получения моноалкиловых эфиро двухатомных фенолов .

Реакция эпихлоргидрина с оксисоединениями ароматического ряда изучалась особенно подробно, так как в результате образуются технически ценные продукты. Наиболее часто в качестве исходных соединений применяют фенолы, особенно многоатомные, одно- или многоядерные.

По реакция алкилирования и ацилирования в ароматические соединения можно ввести алкильные и ацильные группы.

Как уже было рассмотрено ранее фенолы алкилируются в кольцо под действием самых разнообразных алкилирующих агентов:

• алкенов;
• спиртов;
• алкилгалогенидов в условиях кислотного катализа.

Ацилирование фенолов также осуществляют различными методами.

Алкилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

Фенол подвергается алкилированию по Фриделем - Крафтса при обработке алкилирующим агентом, кислотой Льюиса , такой как $FeBr_3$ или $A1C1_3$ и катализатором. При этом образуются соли типа $ArOAlCl_2$. Примером является взаимодействие крезола с изобутиленом с образованием пространственно затрудненного фенола - 2,6-ди-трет -бутил-4-метилфенола (ионола):

Рисунок 1.

Аналогично по реакции фенола с изопропиловым спиртом получают 2,4,6-триизопропилфенол:

Рисунок 2.

При таком алкилировании по Фриделю - Крафтсу атакующим электрофилом является алкилкатион, образующийсяпо реакции алкил с кислотой Льюиса. При отсутствии других нуклеофилов эти электрофильные частицы реагируют с ароматическим кольцом.

Алкилирование по Фриделю - Крафтсу имеет два важных ограничения, которые сильно уменьшают его ценность и делают реакцию вообще менее выгодной, чем ацилирование. Алкилфенолы в общем случае более реакционные в реакциях электрофильного замещения, чем сам фенол. Учитывая это алкилирование по Фриделю - Крафтсу имеет склонность к дальнейшему алкилированию, в результате чего образуются диалкил- или более алкилированные продукты, как это показано в обоих случаях, рассмотренных выше.

Единственным практическим путем управления подобными реакциями замещения является поддержание большого избытка фенола. Этот способ приемлем для самого бензола, поскольку он относительно дешевый и летучий, но неприемлем для большинства его замещенных производных, которые стоят дороже или менее доступны.

Другое важное ограничение алкилирования по Фриделю - Крафтсу связано с альтернативной реакцией многих карбокатионов, в частности при отсутствии реакционных нуклеофилов, а именно с перегруппировкой в изомерные карбокатионы.

Проведение моноалкилирования по Фриделю - Крафтсу отличается крайне невысокой региоселективностью и приводит к получению смесей орто - и пара -изомерных продуктов. Алкилирование фенолов - обратимая реакция, и при наличии сильных кислот Льюиса, при условии термодинамического контроля реакции происходят перегруппировки:

Рисунок 3.

Классическое ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу

В классических условиях ацилирование фенолов по Фриделю-Крафтсу с использованием комплексов ацилгалогенида с хлоридом алюминия приводит к неудовлетворительным выходам продуктов, так как в ацилирование вступает и гидроксильная группа фенола. Более эффективным методом является ацилирование с использованием комплекса карбоновой кислоты с трехфтористым бором в качестве ацилирующего агента:

Рисунок 4.

Конденсация фенолов с фталевым ангидридом

Конденсация фенолов с фталевым ангидридом в присутствии минеральных кислот или кислот Льюиса (А. Байер, 1874 г.) также следует рассматривать как одну из разновидностей реакции ацилирования по Фриделю-Крафтсу. В этом случае две молекулы фенола конденсируются с одной молекулой фталевого ангидрида с образованием производных трифенилметана, называемых фталеинами.

Рисунок 5.

При $pH$ выше 9 водные растворы фенолфталеина окрашиваются в малиновый цвет в результате процесса расщепления лактонного цикла с образованием дианиона.

Рисунок 6.

Аминометилирование

Рисунок 7.

Реакция Манниха, или аминометилюванние, характерна для соединений с активной метиленовой группой. Она происходит как многокомпонентная реакция с участием формальдегида и вторичного амина (в виде гидрохлорида) и позволяет ввести в соединения аминометильную группу $-CH_2NR_2$. В реакцию также вступают активированые ароматические субстраты, такие как фенолы, вторичные или третичные ароматические амины, гетероциклические соединения типа индола, пиррола, фурана. Так можно получить ароматические соединения с аминометильным группировкой $-CH_2NR_2$.

Среди аминов часто используют диметиламин, а вместо формальдегида можно вводить другой альдегид.

Механизм реакции заключается в образовании соли имина с формальдегидом и вторичным амином через промежуточный аминаль и его дегидратации при каталитической действия $H^+$. Иминиевий ион является электрофилом атакующим ароматическое кольцо. Иминиевий ион, образованный формальдегидом и диметиламином, можно выделить в виде йодида (соли Ешенмозера - $ICH_2NMe_2$).

Федеральное агентство по образованию.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования.

Самарский государственный технический университет.

Кафедра: «Технология органического и нефтехимического синтеза»

Курсовой проект по дисциплине:

«Теория химических процессов органического синтеза»

Алкилирование фенола олефинами

Руководитель: доцент, к. х. н. Нестерова Т.Н.

1. Термодинамический анализ

При анализе процесса алкилирования фенола олефинами необходимо, прежде всего, определить какие вещества будут образовываться. В молекуле фенола существует два реакционных центра: ароматическое кольцо и гидроксильная группа. При взаимодействии алкена с ОН- группой образуются простые эфиры, которые легко могут перегруппировываться в алкилфенолы. Установлено, что алкилфенолы преимущественно образуются путем прямого алкилирования в ядро. Рассмотрим влияние гидроксильной группы в молекуле фенола на ароматическое кольцо. Заместитель характеризуется большим положительным эффектом сопряжения по сравнению с отрицательным индуктивным эффектом. Он сильно активирует орто- и пара- положения, поэтому 3-алкилфенолы будут находиться в продуктах в очень малых количествах. Процесс может пойти и дальше с образованием моно-, ди- и триалкилфенолов. Т.к. нас интересуют моно- замещенные фенолы то необходимо проводить процесс при небольшом избытке фенола.

Процесс идет через образование из алкена промежуточного карбкатиона, который является легко изомеризующейся и активной частицей. Возможно следующее: позиционная и структурная изомеризация, реакция крекинга, взаимодействие с ненасыщенными углеводородами, олигомеризация. Реакция изомеризации как правило опережает все прочие превращения, поэтому при алкилировании - олефинами получаем всевозможные изомеры. В условиях относительно нежестких протекают реакции только позиционной изомеризации.

Учитывая выше сказанное, отберем вещества, которые вероятнее всего будут находиться в равновесной смеси:

(a)- 2-(2-гидроксифенил)тетрадекан; (b)- 3-(2-гидроксифенил)тетрадекан;

(c)- 4-(2-гидроксифенил)тетрадекан; (d)- 5-(2-гидроксифенил)тетрадекан;

(i)- 6-(2-гидроксифенил)тетрадекан; (f)- 7-(2-гидроксифенил)тетрадекан;

(g)- 2-(4-гидроксифенил)тетрадекан; (h)- 3-(4-гидроксифенил)тетрадекан;

(m)- 4-(4-гидроксифенил)тетрадекан; (n)- 5-(4-гидроксифенил)тетрадекан;

(o)- 6-(4-гидроксифенил)тетрадекан; (p)- 7-(4-гидроксифенил)тетрадекан.

Выберем (n-1) независимых реакций, где n-количество образовавшихся компонентов:

ab; bc; cd; di; if; ag; gh; hm;

Запишем константы скоростей реакции:

Kx a =; Kx b =; Kx c =; Kx d =; Kx i =; Kx g =; Kx h =;

Kx m =; Kx n =; Kx o =; Kx p =.

Выразим концентрацию каждого компонента через константы реакций и концентрацию компонента g:

=; =; =; =;

=; =; =

Для систем подчиняющихся закону Рауля можно записать для :

В свою очередь:

= - =

В термодинамическом анализе для расчета констант реакций необходимы точные данные энтальпии, энтропии, а если процесс идет в жидкой фазе, то критические параметры для расчета давления насыщенного пара, желательно, если это будут экспериментальные данные.

Энтальпии и энтропии. Метод Бенсона не даст в нашем случае точные значения. Для примера рассмотрим 2-(4-гидроксифенил)тетрадекан и 3-(4-гидроксифенил)тетрадекан. У этих веществ будут одинаковые вклады: Cb-(O)-1; Cb-(H)-4; Cb-(C)-1; O-(H,Cb)-1; CH-(2C,Cb)-1; CH 2 -(2C)-11; CH 3 -(C)-2. Поэтому =0 и =0. Исключение составит реакция (a)(g). =-9,9 кДж/моль за счет орто- взаимодействия в молекуле (a); =-Rln2 кДж/(моль·K) за счет вращения ароматического ядра в молекуле (g).

Давления насыщенного пара. Используя метод Лидерсена или Джобака можно рассчитать критические параметры, а потом и . Но вклады для всех веществ одинаковы, поэтому критические параметры равны, следовательно, равны, их можно не учитывать, =. Давление не оказывает влияние на реакцию. Применение разбавителя скажется отрицательно на скорости реакции.

Зависимость константы скорости реакции от температуры.

Kx a	Kx b	Kx c	Kx d	Kx i	Kx g	Kx h	Kx m	Kx n	Kx o
298	1	1	1	1	1	27,23829	1	1	1	1
350	1	1	1	1	1	15,03934	1	1	1	1
400	1	1	1	1	1	9,827575	1	1	1	1
450	1	1	1	1	1	7,058733	1	1	1	1
500	1	1	1	1	1	5,416903	1	1	1	1
600	1	1	1	1	1	3,641561	1	1	1	1
700	1	1	1	1	1	2,742201	1	1	1	1
800	1	1	1	1	1	2,216706	1	1	1	1
900	1	1	1	1	1	1,878661	1	1	1	1
1000	1	1	1	1	1	1,645737	1	1	1	1

Сумма мольных долей всех компонентов равна 0,95, т.к. реакцию проводим в избытке фенола.

Зависимость мольной доли компонентов от температуры.

Т, К	N	a	b	c	d	i	f	g	h	m	n	o	p
298	0,95	0,0056	0,0056	0,0056	0,0056	0,0056	0,0056	0,1527	0,1527	0,1527	0,1527	0,1527	0,1527
350	0,95	0,0099	0,0099	0,0099	0,0099	0,0099	0,0099	0,1485	0,1485	0,1485	0,1485	0,1485	0,1485
400	0,95	0,0146	0,0146	0,0146	0,0146	0,0146	0,0146	0,1437	0,1437	0,1437	0,1437	0,1437	0,1437
450	0,95	0,0196	0,0196	0,0196	0,0196	0,0196	0,0196	0,1387	0,1387	0,1387	0,1387	0,1387	0,1387
500	0,95	0,0247	0,0247	0,0247	0,0247	0,0247	0,0247	0,1337	0,1337	0,1337	0,1337	0,1337	0,1337
600	0,95	0,0341	0,0341	0,0341	0,0341	0,0341	0,0341	0,1242	0,1242	0,1242	0,1242	0,1242	0,1242
700	0,95	0,0423	0,0423	0,0423	0,0423	0,0423	0,0423	0,1160	0,1160	0,1160	0,1160	0,1160	0,1160
800	0,96	0,0497	0,0497	0,0497	0,0497	0,0497	0,0497	0,1103	0,1103	0,1103	0,1103	0,1103	0,1103
900	0,95	0,0550	0,0550	0,0550	0,0550	0,0550	0,0550	0,1033	0,1033	0,1033	0,1033	0,1033	0,1033
1000	0,95	0,0598	0,0598	0,0598	0,0598	0,0598	0,0598	0,0985	0,0985	0,0985	0,0985	0,0985	0,0985

Строим график зависимости «мольная доля – температура» для двух веществ (g) и (a), т.к. параалкилфенолы сольются в одну линию, тоже самое произойдет и с ортоалкилфенолами.

Из графика видно, что при увеличении температуры мольная доля параалкилфенолов уменьшается. Поэтому процесс следует вести при невысоких температурах.

Как правило, параалкилфенолы используется как промежуточный продукт для синтеза неионогенных поверхностно-активных веществ путем их оксиэтилирования:

Чтобы получить продукты с лучшей биохимической разлагаемостью необходим алкил с менее разветвленной цепью.

2. Адиабатический перепад температур в реакторе

(есть ошибка в расчетах энтальпии алкилфенола, реакция экзотермическая)

Рассчитаем тепловой эффект реакции и температуру смеси в конце реакции в адиабатическом реакторе. Предположим, что при алкилировании фенола тетрадеценом-1 образуется 7-(4’-гидроксифенил)тетрадекан.

Количества тепла входящее в реактор складывается из тепла вносимого с фенолом и олефином. Расход фенола 1,1 моль/час, расход олефина 1 моль/час.

Q вх = =

141911,6 (Дж/час)

Необходимо найти температуру выходящей смеси из реактора, для этого нужно знать температуру входящей смеси. После смешения фенола и олефина их средняя температура будет равна T вх,ср. Таким образом Q вх равно:

Используя программу MicrosoftExcel и функцию «подбор параметров», а так же определенные ранее зависимости теплоемкости от температуры и количество тепла входящего в реактор найдем T вх,ср.

T вх,ср = 315,13 К, при этом = 110,45 (Дж/моль), = 328,84(Дж/моль).

Энтальпия реакции из следствия закона Гесса равна:

= - =

= - ( + )

229297 + (98386,5 + 227532) = 96621,5 (Дж/моль)

Реакция эндотермическая, протекает с уменьшением количества тепла во всей системе.

Предположим что степень конверсии олефина 100%.

Количество тепла, выходящее со смесью из предконтактной зоны равно:

Q вых = Q вх - Q реакции

Q вых = 141911,6 - 96621,5 = 45290,1 (Дж/час)

Так же количества тепла выходящее со смесью можно рассчитать через T вых,ср.

Таким образом T вых,ср =171,26 К.

3. Кинетика процесса

Механизм реакции:

1. Происходит протонирование олефина с образованием карбкатиона:

2. Образуется -комплекс:

3. Образуется -комплекс. Данная стадия является лимитирующей.

4. Отрыв протона от ароматического ядра:

Отделившийся протон может взаимодействовать с олефином, и процесс пойдет заново или с катализатором, тогда реакция прекратиться.

В качестве катализаторов – протонных кислот – в промышленности чаще всего применяют серную кислоту. Она является наиболее активной среди других доступных и дешевых кислот, но в то же время катализирует и побочные реакции, приводя дополнительно к сульфированию фенола и сульфированию олефина и образуя фенолсульфокислоты HOC 6 H 4 SO 2 OH и моноалкилсульфаты ROSO 2 OH, которые также участвуют в катализе процесса. С серной кислотой алкилирование н-олифинами происходит при 100-120ºС. Другим катализатором, не вызывающим побочных реакций сульфирования и более мягким по своему действию, является п-толуолсульфокислота CH 3 C 6 H 4 SO 2 OH. Однако она имеет меньшую активность и большую стоимость, чем H 2 SO 4 .

С этими катализаторами алкилирование фенола протекает как гомогенная реакция по следующему уравнению:

Из уравнения видно, что при увеличении концентрации одного из веществ скорость реакции линейно возрастет. В производстве работают при сравнительно небольшом избытке фенола по отношению к олефину и даже при их эквимольном количестве. Если в качестве катализатора берут H 2 SO 4 , то она применяется в количестве 3-10%(масс.). Увеличение температуры положительно скажется на скорости реакции, т.к. процесс эндотермический.

4. Технология процесса

Для алкилирования фенолов применяют периодический процесс. Реакцию проводят в аппарате с мешалкой и рубашкой для обогрева паром или охлаждения водой. В него загружают фенол и катализатор, нагревают их до 90 ºС, после чего при перемешивании и охлаждении подают жидкий тетрадецен-1 при температуре 25 ºС(температура плавления -12,7 ºС). Делают именно так потому что, если загрузить сначала катализатор с олефином, то там могут пойти реакции олиго- и полимеризации. Во второй половине реакции, наоборот, необходимо подогревать реакционную массу. Общая продолжительность операции составляет 2-4 часа. После этого реакционную массу нейтрализуют в смесителе 5%-ной щелочью, взятой в эквивалентном количестве к кислоте-катализатору, нагревая смесь острым паром. Нейтрализованный органический слой сырых алкилфенолов отделяют от водяного раствора солей и направляют на вакуум перегонку, когда отгоняется вода, остатки олефина и не превращенный фенол.

Задание №1

При окислительном аммонолизе пропилена получена реакционная масса следующего состава (% масс.): - пропилен – 18,94, нитрил акриловой кислоты – 54,85, ацетонитрил – 13,00, ацетальдегид – 1,15, пропионовый альдегид – 5,07, синильная кислота – 4,99, формальдегид – 0,80, СО 2 – 1,20. Вычислить степень конверсии реагентов, селективность процесса по каждому из продуктов реакции в расчете на каждый реагент и выход на пропущенное сырье каждого из продуктов реакции в расчете на один реагент.

Решение: наиболее вероятная схема превращений при окислительном аммонолизе:

Составим таблицу распределения мол. долей исх. вещества:

Компонент	% масс.	М	G	Кол-во мол. исх. в-ва
				пропилен	аммиак	кислород
пропилен	18.94	42.08	0.4501	b 1 = 0.4501	0	0
акрилонитрил	54.85	53.06	1.0337	b 2 =1.0337	d 1 =1.0337	0
ацетонитрил	13.00	41.05	0.3167	b 3 =0.3167	d 2 =0.3167	0
ацетальдегид	1.15	44.05	0.0261	b 4 =0.0261	0	e 1 =0.0261
пропионовый альдегид	5.07	58.08	0.0873	b 5 =0.0873	0	e 2 =0.0873
синильная кислота	4.99	27.03	0.1846	b 6 =0.1846	d 3 =0.1846
формальдегид	0.80	30.03	0.0266	b 7 =0.0266	0	e 3 =0.0266
углекислый газ	1.20	44.01	0.0273	b 8 =0.0273	0	e 4 =0.0273

Степень конверсии пропилена определяется по формуле:

Степень конверсии аммиака: и кислорода .

Селективность по пропилену рассчитывается по формуле: , по аммиаку: , по кислороду: . Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Проверка: , .

Выход на пропущенное сырье в расчете на пропилен рассчитывается по формуле: . Результаты представлены в табл. 2:

Таблица 2

Задание 2.

Для изомеризации н-пентана в изопентан вычислить перепад температур в зоне реакции при адиабатическом ведении процесса. Процесс протекает при давлении 1 атм. В реактор подается 10 т/час н-пентана при 650К и 25 молей водорода на 1 моль пентана при 900К. Степень конверсии н-пентана 10, 20, 50, 70%. Селективность процесса 100%. Потери тепла в окружающую среду составляют 3% от прихода тепла в реактор. Провести графическую и аналитическую зависимости адиабатического перепада температур от степени конверсии н-пентана. Аргументировать технологические приемы, используемые при осуществлении промышленной изомеризации углеводородов.

Решение: Схема реакции представлена на рис. 1:

Рис. 1. Изомеризация н-пентана.

Схема реактора представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема теплового баланса реактора.

Тепло, входящее в реактор, определяется по формуле:

, (1) здесь:

Определено для Т = 650К из полиномного уравнения, полученного по табличным данным;

Определено для Т вх из полиномного уравнения для С р н-пентана с помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel»;

Для 900К определено по табличным данным;

Определено для Т вх из полиномного уравнения для С р воды с помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel»;

, ,

С помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel» методом наименьших квадратов определено значение Т вх = 685К.

Энтальпия реакции при данной Т вх:

Теплота реакции определяется величиной энтальпии реакции, массового расхода реагента, степенью конверсии реагента.

Рассмотрим пример, когда степень конверсии .

Согласно уравнению теплового баланса:

Здесь: ,

Определено для Т вых из полиномного уравнения с помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel»;

Определено для Т вых из полиномного уравнения для С р н-пентана с помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel»;

Определено для Т вых из полиномного уравнения для С р и-пентана с помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel»;

С помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel» методом наименьших квадратов определено значение Т вых = 687К.

Аналогично определяем значения Т вых для различных значений степени конверсии. Полученные значения представлены в таблице 3.

Таблица 3

α	Т вых
0,1	662
0,2	663
0,5	667
0,7	669

Графическая зависимость перепада температур на входе и выходе от степени конверсии представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Зависимость адиабатического перепада температур от степени конверсии.

При увеличении степени конверсии перепад температур в зоне реакции линейно уменьшается.