Синтез фенола

Размещено на http://allbest.ru

Введение

фенол химический синтез

Целью данной курсовой работы является изучение способов синтеза фенолов, в частности фенола. Свойства фенолов специфичны, поэтому они интересны для изучения.

Задачей данной работы является синтез фенола и его идентификация.

1. Классификация Фенолов

Различают одно-, двух-, трехатомные фенолы в зависимости от количества ОН-групп в молекуле (рис.1)

Рис.1 одно, двух и трёхатомные фенолы

В соответствии с количеством конденсированных ароматических циклов в молекуле различают (рис. 2) сами фенолы (одно ароматическое ядро - производные бензола), нафтолы (2 конденсированных ядра - производные нафталина), антранолы (3 конденсированных ядра - производные антрацена) и фенантролы (рис. 2).

Рис. 2 моно - и полиядерные фенолы

2. Физические свойства фенола

Обычно фенолы представляют собой твёрдые кристаллические вещества с резким характерным запахом. Они плохо растворимы в воде, хорошо - в спирте, эфире и горячей воде. Удельный вес фенолов больше единицы.

3. Химические свойства

Бензольное ядро и ОН-группа, объединенные в молекуле фенола, влияют друг на друга, существенно повышая реакционную способность друг друга. Фенольная группа оттягивает на себя неподеленную электронную пару от атома кислорода в ОН-группе (рис. 4). В результате на атоме Н этой группы увеличивается положительный частичный заряд+, полярность связи О-Н возрастает, что проявляется в увеличении кислотных свойств этой группы. Таким образом, в сравнении со спиртами, фенолы представляют собой более сильные кислоты. Отрицательный частичный заряд-, переходя на бензольную группу, сосредотачивается в положениях орта - и пара - (по отношению к ОН-группе). Эти реакционные точки могут атаковаться электрофильными реагентами.

Рис.4 распределение электронной плотности в феноле

В итоге для фенолов возможны два типа превращений: замещение атома водорода в ОН-группе и замещение в бензольном ядре. Пара электронов атома О, оттянутая к бензольному кольцу, увеличивает прочность связи С-О, поэтому реакции, протекающие с разрывом этой связи, характерные для спиртов, но не характерны для фенолов.

1) Реакции замещения атома водорода в ОН-группе. При действии на фенолы щелочей образуются феноляты (рис. 5А), каталитическое взаимодействие со спиртами приводит к простым эфирам (рис. 5Б), а в результате реакции с ангидридами или хлорангидридами карбоновых кислот образуются сложные эфиры (рис. 5В). При взаимодействии с аммиаком (повышенная температура и давление) происходит замена ОН-группы на NH2, образуется анилин, (рис. 5Г), восстанавливающие реагенты превращают фенол в бензол (рис. 5Д)

Рис.5 Реакции замещения атома водорода в ОН-группе.

2) Реакции замещения атомов водорода в бензольном кольце.

При галогенировании, нитровании, сульфировании и алкилировании фенола атакуются центры с повышенной электронной плотностью (рис.4), т.е. замещение проходят преимущественно в орто- и пара положениях (рис.6).

Рис.6 Реакции замещения атомов водорода в бензольном кольце

При более глубоком протекании реакции происходит замещение двух и трех атомов водорода в бензольном кольце.

Особое значение имеют реакции конденсации фенолов с альдегидами и кетонами, по существу, это алкилирование, проходящее легко и в мягких условиях (при 40-50° С, водная среда в присутствии катализаторов), при этом атом углерода в виде метиленовой группы СН или замещенной метиленовой группы (CНR либо CR2) встраивается между двумя молекулами фенола. Часто такая конденсация приводит к образованию полимерных продуктов (рис. 7).

Рис.7 Реакции замещения двух и трёх атомов водорода в бензольном кольце

Двухатомный фенол (торговое название бисфенол А, рис.7), используют в качестве компонента при получении эпоксидных смол. Конденсация фенола с формальдегидом лежит в основе производства широко применяемых феноло-формальдегидных смол (фенопласты).

4. Промышленные способы получения фенола

4.1 Выделение фенолов из фракций смол коксования и полукоксования твердых топлив

Выделение фенолов из фракций смол необходимо не только из-за ценности, но и, в неменьшей степени, для улучшения качества углеводородных продуктов. Фенолы, вещества сравнительно легко окисляющиеся, приводят к ускоренному старению масел, вызывают образование в маслах смолистых веществ, правда, в некоторых случаях высококипящие фенолы могут и стабилизировать масла, особенно антраценовое масло, увеличивая его термическую устойчивость. Примеси фенолов в маслах способствуют эмульгированию последних. Наконец, способность фенолов к образованию азеотропных смесей с рядом углеводородов делает необходимым обесфеноливание фракций смолы перед их разделительной ректификацией. Исследования Свентославского, Г. Б. Леховой и др. показали, что именно фенолы образуют серии азеотропных смесей, переводящих углеводороды (нафталин и др.) в низкокипящие фракции. Если стремиться к четкой ректификации фракций смолы, то необходимо предварительно извлекать фенолы.

Обесфеноливанию подвергают низкокипящие (выкипающие до 300°С) фракции смол. Это бензинолигроиновая и керосиновая фракции первичных смол, фенольная, нафталиновая и поглотительная фракции каменноугольной смолы. Обесфеноливание высококипящих фракций, особенно поглотительной фракции, давно является предметом дискуссий. Дело в том, что содержание фенола, крезолов и ксиленолов в поглотительной фракции незначительно, к тому же она является основным источником смолистых веществ, загрязняющих фенолы и образующих при ректификации вязкие, непригодные для использования кубовые остатки, которые значительно усложняют переработку фенолов. Достаточно сказать, что фенолы поглотительной фракции вносят в смесь фенолов всего 5% низкокипящих фенолов, но зато более 80% смолистых материалов.

Для извлечения фенолов из фракций применяют экстракцию полярными растворителями, чаще всего метанолом и его водными растворами (рис. 1.1), а также экстракцию щелочью с переводом фенолов в феноляты. Последний способ обеспечивает наиболее полное и селективное извлечение фенолов, но связан с необратимым расходованием больших количеств достаточно дорогой щелочи. Используемая в промышленности каустификация содовых растворов, получаемых после разложения фенолятов, влечет за собой значительные расходы и образование больших объемов сточных вод (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Схема экстракции фенолов из фракции смол коксования и полукоксования углей водным метанолом

При экстракции спиртами более проста регенерация растворителя, но селективность процесса несравненно меньше, и получаемые фенолы загрязнены нейтральными маслами. Из-за очень высокого содержания нейтральных масел в экстракте очистки с помощью метанола (10-12% и выше) метод ограниченно использовался для получения фенолов. Он применялся преимущественно для освобождения от фенолов нейтральных масел, в частности при производстве дизельных топлив из первичной смолы.

Рис. 1.2. Щелочная экстракция фенолов из фракции каменноугольной смолы

Для выделения же фенолов в основном применяется щелочная экстракция.

Степень извлечения фенолов из масел при щелочной экстракции уменьшается как из-за частичного гидролиза фенолятов, так и в силу сравнительно малой скорости самой экстракции. Лимитирует экстракцию диффузия фенолов в масле. Из-за большой вязкости масел и низкой концентрации фенолов в маслах необходимо или длительное время экстракции, или очень интенсивное перемешивание. Последнее не может интенсифицироваться беспредельно вследствие сравнительно легкой эмульгируемости масел, связанной с малым поверхностным натяжением на границе раздела масло--щелочной раствор.

На полноту извлечения фенолов из масел оказывает влияние и присутствие во фракциях различных оснований: производных хинолина, а также (отчасти в высококипящих фракциях) производных акридина и ароматических аминов. Рядом исследователей отмечено образование продуктов присоединения фенолов к основаниям, затрудняющих разделение. Показано, что энергия взаимодействия фенолов с основаниями составляет около 6-8 ккал/моль. Подобное взаимодействие уменьшает полноту обесфеноливания и приводит к неполному извлечению фенолов из масел. Это явление даже в большей степени, чем обратимость основной реакции, делает необходимым ступенчатое извлечение фенолов особенно, с промежуточным извлечением оснований. Кроме того, вместе с фонолами в щелочной раствор переходят как основания, так и смолистые компоненты фракций.

Извлечение совместно с фенолятами нейтральных масел и оснований является следствием, прежде всего сопряженного растворения. Если нейтральные масла и основания практически нерастворимы в растворах щелочи, то их растворимость в растворах фенолятов становится уже заметной. При этом она тем больше, чем меньше избыток свободной щелочи и чем больше концентрация фенолов в фенолятах.

Чем выше температура кипения фенолов, тем больше растворимость масел в фенолятах. Так, если принять растворимость нейтрального масла в водном растворе фенолята фенола за 1,00, то в фенолятах о-крезола она будет равна 1,31, м-крезола -1,96, ксиленолов - 2,88, высших фенолов - более 4.

Кроме истинного растворения масел идет и эмульгирование. При этом увеличение концентрации щелочного раствора, возрастание вязкости масел, увеличение срока их хранения перед экстракцией фенолов увеличивает степень эмульгирования. Среди смолистых веществ, образующихся при хранении масел, находятся соединения кислого характера. В работе было показано, что эти соединения ограниченно растворимы в щелочи и могут удерживаться в масле и фенолятах в значительной степени за счет сопряженного растворения в фенолятах. Содержание смолистых веществ даже в маслах, выкипающих в пределах 200--230°С, составляет в среднем 2% и может достигать 5,5%. Смолистые вещества стабилизируют эмульсии и резко увеличивают сопротивление граничного слоя при экстракции фенолов; присутствие в щелочи гидратов окислов железа, мелкодисперсных частиц окиси кальция дополнительно стабилизирует эмульсии.

Одним из наиболее надежных средств борьбы с эмульгированием является предварительная дистилляция фракций или экстракция фенолов из свежеполученных фракций. Оптимальной концентрацией щелочи, применяемой для экстракции, является 8-10%.

Если щелочная экстракция обеспечивает почти количественное извлечение фенолов из фракций каменноугольной смолы, выкипающих до 230°С, то обесфеноливание высококипящих фракций смолы и тем более смол низкотемпературного коксования, связано со значительными трудностями, вызываемыми высоким содержанием в этих фракциях смолистых веществ и азотистых оснований, большой вязкостью фракций, значительным растворением в фенолятах высококипящих фенолов нейтральных масел и, наконец, ограниченной растворимостью фенолятов высококипящих фенолов в воде. Так, даже 3,5-ксилеиолят натрия сравнительно плохо растворим в воде; еще хуже растворимость солей более высококипящих фенолов. Наконец, в высококипящих фракциях, особенно фракциях сланцевых смол, содержатся пространственно затрудненные фенолы, которые практически невозможно извлечь путем щелочной экстракции из-за трудности образования фенолятов. Поэтому щелочная экстракция оказывается эффективной преимущественно для извлечения низкокипящих фенолов. Получение свободных от примесей высококипящих фенолов осуществляется в ограниченных масштабах, тем более что эти продукты находят ограниченное применение, а отпускная цена высших фенолов в ряде случаев не окупает расходы на их извлечение.

В смолах, особенно низкотемпературного коксования, содержится много тиофенолов 1--1,5% для коксохимических фенолов заводов Донбасса и 2--3% --в расчете на тиофенол--в фенолах первичных смол.

Тиофенолы при щелочной экстракции неизбежно извлекаются вместе с фенолами и в последующем неблагоприятно влияют на переработку фенолов.

Для обесфеноливания щелочной экстракцией чаще всего применяют двухступенчатую схему (рис. 1.3), обеспечивающую достаточно полное извлечение фенолов и в то же время полное использование щелочи. Используется самое разнообразное оборудование: аппараты с мешалками периодического и непрерывного действия, шаровые смесители, полые противоточные колонны, колонны с насадкой или ситчатыми тарелками, пульсационные колонны. В принципе лучшими аппаратами для экстракции фенолов являются центробежные экстракторы. Малое поверхностное натяжение на поверхности раздела масло - щелочь делает особенно важным и сложным разделение фаз. Эта задача решается при использовании центробежных экстракторов. Однако их применение предъявляет особо жесткие требования к содержанию механических примесей в масле и щелочи.

Рис. 1.3. Схема двухступенчатой экстракции фенолов щелочным методом

4..2 Получение фенолов из отходов переработки нефти

Отходы переработки нефти могут явиться источником крезолов и ксиленолов. Ресурсы фенолов в нефти невелики и составляют сотые и даже тысячные доли процента, однако абсолютные количества фенолов, содержащихся в продуктах переработки нефти, учитывая масштабы переработки нефтей, например, составляют в США десятки тысяч т в год.

Фенолы извлекаются из нефтяных дистиллятов прямой гонки и крекинг-дистиллятов при обработке щелочью. Вместе с фенолами в щелочные экстракты (сточные воды) переходят тиофенолы, а также сероводород, меркаптаны, определенное количество углеводородов. Сточные воды могут быть собраны, в случае необходимости частично упарены и направлены на переработку. Содержание тиофенолов может быть значительным и даже сопоставимым с содержанием фенолов. В связи с тем, что тиофенол и его гомологи несущественно отличаются по температурам кипения от фенола и крезолов, главной задачей становится очистка фенолов от сернистых соединений. Из возможных способов очистки фенолов от тиофенолов лучшим оказалось экстракционное выделение последних. Оно свидится к противоточному распределению фенолов, выделяемых из сточных вод, между двумя растворителями: спиртом, селективно растворяющим фенолы (например, метанолом) и углеводородом, в котором растворяются тиофенолы.

Рис. 1.4. Принципиальная технологическая схема установки по переработке отходов щелочной очистки дистиллятов нефти

Аппараты: 1--скруббер для разложения фенолятов; 2--печь для обжига известняка; 3--сепаратор для разделения фенолов и раствора соды; 4 -- блок каустификации; 5 -- колонна для отделения фенолов от воды и смолистых веществ: 6 -- экстрактор для разделения фенолов и тиофенолов; 7 -- колонна для отделения бензина от тиофенолов: 8 -- колонна для отделения метанола от фенолов: 9--конденсаторы; 10--делители орошения; 11--подогреватели;12--насос. Потоки: I--отходы щелочной очистки дистиллятов нефти; II--известняк: III--двуокись углерода: IV--окись кальция: V-- раствор соды; VI--раствор едкого натра: VII -- водные сырые фенолы: VIII -- вода, содержащая фенолы; IX-- метанол; X -- очищенные фенолы на ректификацию; XI -- бензин; XII -- тиофенолы на ректификацию: XIII -- фенолы. освобожденные от воды и смолистых веществ, на очистку от тиофенолов; XIV -- кубовые остатки.

Принципиальная технологическая схема переработки отходов от очистки нефти представлена на рис. 1.4.

Централизованная установка перерабатывает сырье многих заводов. Так, установка в Нью-Йорке (США) производительностью 9,3 тыс. т фенолов в год использует сырье, поставляемое с 30 заводов, различающееся по содержанию фенолов (колебания от 6 до 50%).

Следующие узлы схемы подобны используемым при переработке коксохимических фенолов: отпарка части углеводородов, разложение фенолятов газом, содержащим двуокись углерода; отстой от раствора соды. Новым оказывается первичное фракционирование сырых фенолов. Получаемый при этом концентрат направляется на противоточную экстракцию фенолов метанолом и бензином. Метанол и бензин регенерируют ректификацией. Полученные фенолы и тиофенолы направляют на четкую ректификацию в системе колонн. Технология этого узла также обычна, и при ректификации получают фенол, о-крезол, дикрезольную фракцию, смесь крезолов, ксиленолов и высших метилфенолов, так называемые крезиловые кислоты.

Аналогично получают ректификацией смеси тиофенолов: собственно тиофенол, о-метилтиофенол, смесь м - и п-метилтиофенолов.

Состав фенолов может меняться в зависимости от состава исходной нефти. Так, в продуктах переработки отдельных нефтей практически отсутствуют высшие фенолы, тогда как в других на долю высших фенолов приходится более 60%, а крезолы отсутствуют вообще.

Средний состав фенолов, получаемых из отходов нефтепереработки на заводах США следующий: фенол 15%, о-крезол 15%, дикрезольная фракция 30%, крезиловые кислоты (в основном ксиленолы) 40%. Дикрезольная фракция содержит м-крезол и n-крезол в соотношении 2,8. В СССР на соответствующих заводах из отбросных щелоков удается выделить феноло-крезольиый концентрат, содержащий до 20% о-крезола и около 50% дикрезольных фракций.

Извлечение фенолов из отбросных щелоков нефтепереработки связано со сбором и хранением щелоков и четкой организацией поставки их на несколько централизованных установок. Это делает мало перспективной переработку отбросных щелоков в тех странах, где подобное производство не было организовано ранее. К тому же развитие гидрогенизационных процессов сократит возможные ресурсы фенолов нефтепереработки.

ПРОИЗВОДСТВО СИНТЕТИЧЕСКИХ ФЕНОЛОВ

Как следует из предыдущих разделов, потребности химической промышленности, а также ряда других отраслей в фенолах непрерывно возрастают и становятся все более разнообразными. Остродефицитными стали не только фенол, но и крезолы, ксиленолы и многие другие фенолы, включая двухатомные и многоядерные. При этом возросла ценность индивидуальных продуктов, повысились требования к их чистоте и содержанию отдельных примесей в фонолах.

Реальным единственным путем удовлетворения всех потребностей в фенольном сырье в настоящее время является получение синтетических фенолов, в том числе крезолов и ксиленолов.

Целесообразность производства синтетических фенолов определяется не только необходимостью покрытия дефицита в том или ином продукте. Синтез фенолов из нефтехимического сырья имеет и ряд существенных преимуществ перед получением фенолов из любого другого сырья (продуктов термической переработки твердых топлив, крекинга и т. п.), так как изготовление того или иного продукта синтетическим путем обычно не связано с получением очень большого набора побочных продуктов и является, поэтому несравненно более гибким процессом. Синтетическим путем в принципе можно изготовить любой фенол и в том количестве, которое окажется необходимым

4.3 Важнейшие способы синтеза фенолов

При использовании в качестве сырья углеводородов ароматического ряда синтез фенолов можно представить в общем, виде как окисление углеводородов.

Прямое окисление углеводородов в фенолы кислородом воздуха --принципиально наиболее заманчивый способ получения фенолов--пока не доведено до широкого практического применения. Поэтому в промышленности используют косвенные методы введения гидроксильной группы. Ниже перечисляются важнейшие применяемые в настоящее время в промышленности способы синтеза:

Синтез фенолов через гидроперекиси алкилароматических углеводородов, предусматривающий предварительное алкилирование углеводородов



Этот метод является в настоящее время основным промышленным методом производства фенола (вместе с ацетоном). Метод начинает использоваться в крупном промышленном масштабе для синтеза дикрезольной смеси (через изопропилтолуолы) и двухатомных фенолов резорцина и гидрохинона (через дигидроперекиси соответствующих диизопропилбензолов). Являясь универсальным способом синтеза фенолов, гидроперекисный метод после соответствующей доработки может быть применен для синтеза ксиленолов (через гидроперекиси соответствующих изопропилксилолов) и в - нафтола (через гидроперекись в-изопропилнафталина).

Окислительное декарбоксилирование арилкарбоновых кислот, получаемых при окислении соответствующих алкилароматических углеводородов.

Этот метод применяется в промышленном масштабе для получения фeнoлa из толуола через промежуточное окисление последнего до бензойной кислоты По-видимому, метод может представить интерес и для синтеза крезолов, исходя из ксилолов, однако для реализации этого варианта процесса необходима организация производства толуоловых кислот и отработка методов превращения последних в крезолы.

Классическим методом синтеза фенолов является щелочное плавление сульфокислот ароматических углеводородов



Этот метод до сих пор используют для получения фенола и в- нафтола из бензола и нафталина соответственно. Oн, по-видимому, наиболее перспективен для производства п-крезола из толуола и в этом варианте реализован в ряде стран. Пока что сульфурационный метод является основным при производстве резорцина из бензола. Без особой доработки возможно применение его для синтеза ряда индивидуальных ксиленолов из ксилолов.

Синтез фенола из хлорбензола щелочным гидролизом или гидролизом в присутствии катализаторов хотя и не находит дальнейшего развития, но применяется в достаточнокрупном промышленном масштабе.

В последнее время для синтеза фенола из бензола и особенно б-нафтола из нафталина в промышленном масштабе используют метод, основанный на гидрировании ароматического углеводорода до соответствующего циклоалкана, окислении последнего в смесь карбинола и кетона и получении при их дегидрировании фенолов.

В принципе возможно получение фенолов гидролизом диазопроизводных, получаемых из ароматических аминов. Метод предполагает предварительное нитрование ароматических углеводородов и восстановление образующихся нитропроизводных.



Метод находит ограниченное применение в производстве малотоннажных продуктов.

Кроме углеводородов для производства фенольных продуктов могут быть использованы простейшие фенолы. Особенно широко в промышленном масштабе используют алкилирование фенола олефинами или спиртами (главным образом метанолом).

Этот метод является основным при синтезе различных изобутилфенолов и других высококипящих алкилфенолов, а также о-крезола и 2,6 ксиленола.

Вместо метанола возможно алкилирование формальдегидом. Образующееся метилольное производное переводится в метилфенол через промежуточное образование Шиффова основания.

Из-за сложности и многостадийности этот метод промышленного применения не нашел.

Широко используется в промышленности и производство двухатомных фенолов конденсацией кетонов с фенолами -- преимущественно для получения дифенилолпропана из фенола и ацетона:

Наконец, находится в стадии разработки метод синтеза двухатомных фенолов, основанный на окислении фенола в присутствии металлов переменной валентности

или использующий окислительную конденсацию фенолов:

Перспективы промышленной реализации этого метода пока неясны.

Рассмотрим критерии, которыми можно руководствоваться при выборе способа синтеза фенолов. Такими критериями могут быть прежде всего низкая себестоимость получаемою продукта и его высокое качество, малое число стадии технологического процесса, небольшое количество вредных сточных вод и выбросов, которые достаточно просто могут быть ликвидированы, доступность исходных реагентов и высокая селективность процесса. Эти требования зачастую противоречивы, и в большинстве случаев приходится выбирать оптимальное соотношение всех показателей.

Часто за оптимальный показатель принимают одностадийность процесса, что не всегда оправдано. Эта рекомендация не редко вступает в резкое противоречие с овальными показателями. Так, в настоящее время, единственный одностадийный процесс получения фенолов прямое окисление углеводородов ряда бензола не применяется, а многостадийный процесс получения фенола через кумол (изопропилбензол) в силу своей экономичности получил широкое промышленное распространение.

При переходе к гомологам фенола выбор возможных методов синтеза усложняется. Получение ряда веществ, например о-крезола, невозможно, если использовать в качестве исходного сырья о-изопропилтолуол. Смесь м-крезола и n-крезола проще всего получать кислотным разложением гидроперекисей соответствующих изопропилтолуолов, а чистый п-крезол наиболее рационально готовить щелочным плавлением п-толуолсульфокислоты. о-Крезол легко синтезировать алкилированием фенола метанолом или окислительным декарбоксилированием м-толуиловой кислоты.

4.4 Получение фенолов щелочным плавлением сульфокислот

Щелочное плавление сульфокислот ароматических углеводородов -- один из старейших способов приготовления фенолов. Он и сейчас вызывает определенный интерес из-за относительной дешевизны реагентов, а также высоких выходов целевых продуктов. Для синтеза ряда изомерных крезолов, ксиленолов, замещенных нафтолов -- это пока возможный единственный способ производства. Важно и то, что на всех стадиях синтеза, кроме сульфирования, не наблюдается изомеризация. Таким образом, состав получаемых замещенных фенолов полностью определяется условиями сульфирования.

В настоящее время имеется ряд промышленных установок по производству фенола (единичные мощности до 20-30 тыс. т в год), в-нафтола, резорцина, п-крезола (единичные мощности до 5-10 тыс. т в год) сульфурационным методом. По аналогичной технологии может быть налажено промышленное производство ксиленолов. Выпуск отдельных партий их осуществляется и в настоящее время.

Синтез фенолов слагается из ряда стадий, общая схема представлена на рис. 2.1. Рассмотрим особенности технического оформления и химизм различных стадий этого процесса.

Рис. 2.1. Схема получения фенолов щелочным плавлением сульфокислот.

4.4.1 Щелочное плавление сульфокислот

При щелочном плавлении сульфокислот замещение сульфогруппы на оксигруппу считают результатом сложного процесса, предполагающего промежуточное присоединение щелочи по кратной связи:



Кроме этого основного процесса возможно также прохождение и других, ведущих к образованию побочных продуктов, в частности протекает расщепление сульфонов с образованием фенолятов и частично дифенола:

Возможно взаимодействие сульфокислот и фенолятов с образованием дифениловых эфиров:

Наконец, возможно окисление компонентов сплава под действием кислорода воздуха с образованием диоксидифенилов, оксидифенилов и их гомологов.

При щелочном плавлении сульфокислот гомологов бензола и нафталина происходит также окисление метильных групп с образованием спиртовых и карбоксильных групп и далее, вплоть до отщепления карбоксильных групп:

Так, пpи щелочном плавлении толуолсульфокислоты образуется заметное количество фенола (от 1--1,5% при исключении контактов плава с воздухом до 15-20% -- в случае интенсивного перемешивания плава). При щелочном плавлении сульфокислот ксилолов при температурах выше 350оС количество фенола и крезолов в плаве может достигать 15-25% от общего количества фенолов. По литературным данным, при использовании над плавом подушки из инертного газа и времени контакта 1,5 ч выход крезолов составляет 92%, тогда как в отсутствие инертного газа только 60 70%.

Для уменьшения потерь фенолов при окислении плава применяются различные способы изоляции плава от атмосферы -- чаще всего за счет применения подушки из перегретого водяного пара или инертных газов. Однако даже при изоляции от воздуха в плаве возможно прохождение -- тем более при высоких температурах -- окислительно-восстановительных процессов, например:

приводящих к образованию оксидифенилов и тиофенолятов. Правда, глубина их не очень велика, однако они приводят не только к увеличению количества примесей вообще, но и к появлению трудноотделимых от фенолов тиофенолов.

На выход фенолов и развитие побочных процессов серьезное влияние оказывают примеси солей. По данным Беркмана, присутствие 2% хлорида натрия в плаве уменьшает выход фенола при плавлении на 3- 4%, присутствие 0,5% солей железа сокращает выход фенола на 3--4%. Последнее объясняется окислительным действием ионов железа при высоких температурах.

Сульфат натрия в количестве до 10% незначительно влияет на процесс щелочного плавления. Это позволяет не выделять из сульфонатов серную кислоту при небольшом (до 5-6%) её содержании.

Па процесс щелочного плавления определенное влияние оказывает вид применяемой щелочи. Так, в промышленности чаще используют более дешевый и доступный едкий натр. В лабораторных условиях чаще применяют едкое кали, в котором лучше растворяются соли сульфокислот. Это обстоятельство имеет особое значение для щелочного плавления сульфокислот гомологов бензола, соли которых в щелочи растворяются значительно хуже, чем соли бензолсульфокислоты. В связи с этим было предложено брать для проведения плавления смесь щелочей, содержащую не менее 28% едкого кали, или плавить толуол сульфонат в присутствии бензолсульфоната.

Рис 2.2. Принципиальная технологическая схема щелочного плавления арилсульфонатов (непрерывная схема с каскадом плавильников)

Аппараты: 1 - обогреваемые плавильники; 2-- аппарат для разбавления ("гашения") плава; 3 - фильтр для выделения сульфита натрия; 4 -- скруббер для выделения фенолов из фенолятов; 5 - отстойник.

Потоки: I - арилсульфонат натрия, II -- едкий натp; III - водяной паp; IV - продукты щелочного плавления; V - вода; VI - отбросные газы и пары; VII - paствop фенолятов в смеси с кристаллами сульфита натрия; IX - раствор фенолятов натрия; Х -- двуокись серы; XI - фенолы; XII - сульфитный щелок.

Плохая растворимость солей толуолсульфокислот делает особо важным использование избытка щелочи. При небольшом избытке щелочи образуется темный вязкий плав, имеющий консистенцию мокрого песка, что увеличивает опасность пригорания и окисления плава. При большем избытке щелочи образуется светлый, подвижный плав, легко перемешивающийся якорной мешалкой.

Увеличение мольного отношения щелочь сульфокислота с 2,5 до 4 - 5 увеличивает выход крезола с 50--60 до 70 - 80%, считая на исходную соль. Однако при оптимальных температурах и при минимальном избытке щелочи (мольное соотношение щелочь - сульфонат 2,5) также возможно достижение выходов крезола порядка 84--92%.

Данные о влиянии температуры на выход крезолов противоречивы. По данным Энгланда, оптимальная температура составляет 340--360°С. Опыты показывают, что при этой температуре происходит значительное осмоление плава, а выход фенола увеличивается до 5%, считая на крезол. Максимальный выход достигается при температуре 320°С.

Выход фенолов при щелочном плавлении зависит также и от избытка щелочи, что иллюстрирует рис. 429. Увеличение времени пребывания фенолята н сульфоната в зоне высоких температур усиливает образование побочных продуктов. Существование оптимальных соотношений температур и времени пребывания в зоне нагрева подтверждается данными о щелочном плавлении сульфонатов ксилолов:

Таблица 2.1. Щелочное плавление солей сульфокислот м-ксилола (мольное соотношение щелочь; соль равно 3)

Условия плавки	Состав фенолов, %	Выход 2 ,4- ксиленола, считая на исходную соль, %
температура, оС	время, ч	фенол	крезолы	2,4-ксиленол
320	1,0	6,13	2,55	90,40	58,53
»	1,5	2,00	4,3	92,5	78,25
»	2,0	4,65	5,08	85,6	69,85
330	1,5	6,05	2,3	92,5	57,45
340	0,5	1,60	1,74	96,0	11,22
»	1,0	4,88	1.95	92,5	15,66
»	1,5	5,05	4,90	90,0	40,25
350	1,5	2,3	12,16	85,7	23,6
360 375	1,5 I 5	31,2 83,0	78,8 16,9	20,4 0,75

Таким образом, в зависимости от условий щелочного плавления выход фенолов на этой стадии может колебаться в довольно широких пределах. В особенности это относится к щелочному плавлению дисульфокислот. Так, при щелочном плавлении соли бензол-м-дисульфокислоты по разным данным выход колеблется от 20 до 90%. Это объясняется особой легкостью окисления двухатомных фенолов и соответствующих сульфокислот, иx сравнительно малой термической устойчивостью, а также своеобразным изменением консистенции плава. До 200°С плав представляет асфальтоподобную вязкую массу. В интервале 200 - 280°С плав у большинства дисульфокислот приобретает жидкую консистенцию, при 290°С после завершения замещения одной сульфогруппы в плавильнике вновь тестообразная масса, даже иногда рассыпающаяся в порошок, после 290 - 300оС выделяется вода, образующаяся при замещении второй сульфогруппы, и масса вновь приобретает подвижность. И, наконец, при завершении отгона этой воды плав снова обращается в порошок. Все эти превращения резко меняют условия перемешивания содержимого плавильника, увеличивают опасность местных перегревов, пригорания реакционной массы, ее усиленного окисления.

Рис. 2.3. Принципиальная технологическая схема щелочного плавления арилсульфонатов натрия в трубчатом реакторе

Аппараты: 1 - насос; 2 - теплообменник; 3 - трубчатый реактор; 4 - дроссельный вентиль; 5 - испаритель; 6 - фильтр для выделения сульфата натрия.

Потоки: I - раствор арилсульфоната натрия; II - раствор едкого натpa; III - раствор продуктов щелочного плавления; IV - водяной пар; V - раствор фенолятов в смеси с кристаллами сульфита натрия; VI - сульфит натрия; VII - pacтвоp фенолятов натрия на нейтрализацию.

Какие возможны пути сокращения опасности перегревов? Один из них -- увеличение избытка щелочи. Главный недостаток этого приема увеличение себестоимости целевого продукта. Другой путь -- плавление водных растворов сульфоната и щелочи. Смешение водных растворов большой концентрации способ, широко практикуемый. При этом часто первый этап щеточного плавления обращается в выпарку на неприспособленном оборудовании и лишь несколько упрощается приготовление смеси, используемой для плавления. Правда, небольшое количество воды остается в плаве и снижает температуру плавления компонентов, уменьшает вязкость плава. Более эффективной может быть переработка 15-30%-ных водных растворов щелочей и сульфонатов при 360-380°С под давлением. При этом вода не испаряется, реакционная масса обладает высокой подвижностью, система полностью герметизована и исключается внешнее окисление.

Необходимость работы при давлении около 200 кгс/см2 не вызывает особых затруднений, так как используются трубчатые реакторы (рис. 2.3.). Схема становится компактной, полностью непрерывной, легко управляемой. Применение змеевика обеспечивает большую скорость потока и исключает местные перегревы. Выход фенола может быть доведен до 98%.

По-видимому, это наиболее перспективный путь непрерывного оформления процесса. Частным вариантом этой схемы является термическое разложение сульфонатов в смеси с расплавом фенолятов.

4.5 Получение фенолов окислительным декарбоксилированием арилкарбоновых кислот

Одним из способов синтеза фенолов из углеводородов является двухстадийное окисление. На первой стадии тем или иным способом, чаще жидкофазным окислением в среде углеводорода, алкилароматический углеводород обращают в соответствующую арилкарбоновую кислоту:

На следующей стадии производится окисление арилкарбоновой кислоты кислородом воздуха в присутствии водяного пара. Катализатором окисления, как правило, служат соли двухвалентной меди. При этом отщепляется двуокись углерода и образуется соответствующий фенол.

Метод привлек внимание, прежде всего потому, что этим способом можно получать фенол из недефицитного толуола вместо бензола. Оказалось также, что метод пригоден для приготовления крезолов из толуиловых кислот и нафтолов из нафтойных кислот. Возможность использования в качестве сырья недефицитные гомологи бензола и нафталина, сравнительно малое количество побочных продуктов, высокая чистота производимых фенолов и использование кислорода воздуха в качестве окисляющего агента -- все это вызвало значительный интерес к новому способу производства фенолов.

Процесс окислительного декарбоксилирования состоит из двух основных стадий: окисления углеводорода до арилкарбоновой кислоты и собственно окислительного декарбоксилирования последней. С процессом связаны стадии разделения продуктов окислительного декарбоксилирования и возвращения в цикл водных растворов фенолов и переработки образующейся смолы с выделением катализатора для возвращения его в процесс.

4.5.1 Представление о механизме окислительного декарбоксилирования арилкарбоновых кислот

Окислительное декарбоксилирование арилкарбоновых кислот проводится при 200--300°С в присутствии солей двухвалентной меди при подаче в реактор воздуха и водяного пара.

Термическое разложение бензоата меди было описано еще в 1845 г., позднее появился ряд статей, касающихся данного вопроса. Эти работы показали, что при сухой перегонке бензоата образуются фенол, бензол, бензойная кислота, салициловая кислота, фенилбензоат. В пятидесятые годы нашего столетия появилась серия патентов, предлагавших применение этого процесса для получения фениловых эфиров и фенолов из арилкарбоновых кислот и арилсульфокислот. Важным и интересным является то обстоятельство, что гидроксильная группа получаемого фенола становится в орто-положение к удаляемой карбоксильной или сульфогруппе. Так, из о- и n-толуиловых кислот, а также из n-толуолсульфокислоты образуется м-крезол, из м-толуиловой -- о- и п-крезолы, из о-хлорбензойной и п-хлорбензойной кислот --- м-хлорфенол; из мезитиленовой кислоты 2,4-ксиленол, из б- и в-нафтойных кислот в-нафтол.

Процесс превращения ароматических карбоновых кислот в фенолы может быть представлен рядом следующих последовательных стадий.

Образование медной соли ароматической карбоновой кислоты:

Термическое разложение полученной соли с переходом и с образованием сложного эфира салициловой или смещенной салициловой кислоты:

При нагревании солей двухвалентной меди без доступа пара и воздуха исчезает характерное для этих солей синее или зеленое окрашивание, образуются бесцветные соли одновалентной меди. При проведении процесса в более жестких условиях (высокая температура, длительное нагревание, недостаток свободной кислоты) образуется элементарная медь.

Это, как и образование одновалентной меди, связано с резким усилением электроноакцепторных свойств меди при повышении температуры.

Регенерация Сu^I и Сu⁰.При барботаже воздуха через расплав кислоты, содержащий одновалентную или элементарную медь, эта последняя окисляется до двухвалентного состояния:

Гидролиз н-декарбоксилирование сложных эфиров. Возможны два направления перехода кислых сложных эфиров в фенолы. В отсутствии водяного пара кислые сложные эфиры декарбоксилируются до эфиров, а последние затем гидролизуются с образованием фенола и исходной кислоты.

В присутствии водяного пара возможен гидролиз кислых эфиров с образованием исходных арилкарбоновых и оксиарилкарбоновых кислот. Последние декарбоксилируются до фенолов.

Относительно механизма образования фенолов при окислении арилкарбоновых кислот существуют противоречивые точки зрения Кэдинг и Толанд предполагают образование промежуточного соединения, образующегося при нуклеофильной атаке кольца атомом кислорода. При этом в реакции участвует димер медной соли, т. е. два атома меди находятся рядом. Для медныхсолей толуиловых кислот это промежуточное соединение можно отразить следующим образом:

Здесь близость атома кислорода к орто-положению (по отношению к карбоксильной группе) допускает нуклеофильную атаку в это положение. Ионизация связи медь-кислород увеличивает возможность такой атаки.

Некоторые авторы полагают, что процесс может, проходит и по радикальному механизму:

Однако эти представления не объясняют обязательное расположение гидроксильной группы в орто-положении по отношению к карбоксильной группе. Кроме того, ингибиторы цепных реакций, тормозящие смолообразование и некоторые другие побочные процессы, заведомо протекающие по радикальноцепному механизму, не оказывают влияния на скорость образования фенола Изложенное говорит о большей вероятности ионного механизма окислительного декарбоксилирования.

Исследования термического разложения медных солей арилкарбоновых кислот и арилсульфокислот показали, что только арилкарбоновые кислоты могут явиться реальным сырьем для синтеза фенолов. Арилсульфокислоты и диарилсульфоны дают незначительные количества фенолов (до 1-2% на превращенный исходный продукт). Однако уже при минимально необходимых для протекания реакции температурах -- при 180-190°С -- идет интенсивное термическое разложение сульфокислоты с образованием коксообразного остатка и двуокиси серы. Образующийся эфир сульфокислоты и крезола (или другого фенола) значительно устойчивее к гидролизу, чем сама сульфокислота, распадающаяся на углеводород и серную кислоту. В то же время термически сложный эфир сравнительно мало устойчив.

Скорость превращения медных солей арилкарбоновых кислот зависит от природы и положения имеющихся заместителей в ядре. В отсутствие воздуха и водяного пара процесс протекает по уравнению:

с образованием только соответствующего сложного эфира, медной соли (I) арилкарбоновой кислоты и двуокиси углерода. При этом по выходу двуокиси углерода можно с достаточной точностью судить о скорости реакции. Само термическое разложение протекает по реакции первого порядка, кинетика разложения характеризуется данными, приведенными в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Кинетика разложения медных солей (I) арилкарбоновой кислоты

Соль кислоты	Темпе- ратура, оС	R -10-3, мин-1	Соль кислоты	Темпе- ратура, °С	R- 10-3, мин-1
Бензойной	234	0,83+0,02	п- Толуиловой	234	2,45+0,20
	240	2,86+0,03		240	7,74+0,12
	250	4,78 +0,10		245	12,95+0,70
о-Толуиловой	206	4,88+0,20	о-Хлорбензойлой	218	9,42+0,22
	218	18,01+ 0,80		227	11,97 0,10
м-Толуиловой	206	3,72+ 0, 10		231	13,70 +0,43
	212	6,28+0,15	п-Хлорбензойной	255	4,76+0,11
	218	12,39+0,60		260	12,29+0,22

Как следует из этих данных, реакция значительно ускоряется при введении в ароматическое кольцо метальной группы. При этом скорость реакции растет в ряду: бензоат--п-толуилат--м-толуилат о-толуилат. Введение в пара-положение по отношению к карбоксильной группе атома хлора несколько уменьшает скорость процесса, введение в орто-положение несколько ее увеличивает (по сравнению с бензоатом меди).

Таким образом, получение крезолов из толуиловых кислот возможно в более мягких условиях, чем фенола из бензойной кислоты и хлорфенолов, из хлорбензойных кислот. Синтез м-крезола из о-толуиловой кислоты возможен при температуре на 20--30°С ниже, чем из п-толуиловой кислоты. Скорость процесса значительно увеличивается (в 4-5 раз) при добавлении в реакционную массу окиси магния.

4.6 Получение фенола окислением бензойной кислоты в газовой фазе

Фенол в промышленности также получают окислением бензойной кислоты в газовой фазе при 200-400°С в присутствии твердых катализаторов, например: солей меди и активаторов оксидов металлов Co, Mo, W, причем продуктами реакции является фенол, бензол и дифенилоксид. К недостаткам этих процессов относятся низкая селективность и активность катализаторов.

Предложен способ получения фенола окислением бензойной кислоты в газовой фазе при 250-350°С, мольном отношении реагентов бензойная кислота/ вода/ кислород равном 0,6-2,5/ 40-70/ 1,5-2,5 и объемной скорости подачи бензойной кислоты 0,01-0,22 кг/чМкг катализатора, отличающийся тем, что реакцию проводят в присутствии катализаторов оксидного типа общей формулы Cu-M-O, нанесенном на оксид алюминия с удельной поверхностью 40-190 м2/г, где М-0,01-10,9 масс. % щелочного, щелочноземельного металла или металлов II б группы периодической системы элементов, содержание меди равно 1,5-9,5 масс. %. Удельная поверхность катализатора перед использованием составляет 40-100 м2/г. Для сохранения активности и увеличения продолжительности работы катализатора в реактор подают водяной пар в 40-70-кратном мольном избытке по отношению к бензойной кислоте. При более высоком отношении водяного пара снижается скорость реакции. В качестве окисляющего агента можно использовать молекулярный кислород или его смеси с инертными газами, предпочтительно воздуха.

Катализаторы приготавливают пропиткой носителя (оксида алюминия) в водном растворе соответствующих солей в течении 24 ч. После упаривания воды катализаторы прокаливают в течении 3,5-11 ч при 450-800°С в зависимости от компонентов катализатора. К достоинству способа относится простота приготовления катализаторов.

4.7 Получение фенола прямым каталитическим гидроксилированием бензола

Предложен способ получения фенола прямым каталитическим гидроксилированием бензола. Реакция прямого введения гидроксильной группы в бензольное ядро известна не так давно. Она осуществляется путем воздействия закиси азота N2O с бензолом в присутствии катализатора на основе оксидов металлов V и VI группы периодической системы, предпочтительно V2O5 нанесенного на SiO2 в количестве от 1 до 10 масс.% (использование Al2O3 приводит к значительному разложению бензола до оксидов углерода). В данном виде реакция получения фенола малопригодна для внедрения в промышленности.

Предложенный способ синтеза фенола основан на прямом гидроксилировании бензола в присутствии закиси азота N2O и цеолитов кислотного характера, являющихся доступными, дешевыми реагентами, удобными в промышленном использовании. Применяют следующие типы цеолитов:

Цеолит ZSM-5 компании Mobil-oil

Цеолит US-Y, фирма TOYO-SODA

Цеолит HY, компания Union Carbide Chemical

Цеолит H-Mordenit фирмы Grand Paroisse

Предпочтительнее применять цеолит ZSM-5

Цеолит имеет соотношение SiO2/ Al2O3 больше 90, предпочтительно от 90 до 500. Исходный цеолит обрабатывают для повышения кислотности минеральной кислоты (соляной, серной, азотной, хлорной, фосфорной) или органической, например: трифторметан-сульфоновой или аналогичной. Концентрация кислоты обычно составляет от 0,1н до 2н. При обработке берут от 10 до 100 мл на 1 г цеолита. Закись азота используют чистую или в смеси с инертным газом, не содержащим кислорода, например: азотом. Предпочтительное молярное соотношение бензол/ N2O - от 1 до 10. Температура реакции 300-500°С, при этом смесь паров бензола с закисью азота пропускают через слой цеолита.

5. Лабораторные способы получения фенола

Метод получения 1:

2 моля бензойной кислоты, 2 моля пентагидрата сульфата меди и 900 мл воды нагревают в автоклаве со встряхиванием при 315 С в течение 1 часа. Затем рН раствора доводят до 12, реакционную смесь перегоняют с паром и из отобранного водного слоя выделяют 5,1 г фенол. Из кубового остатка выделяют еще 9,2 г фенола, имеющего чистоту 90%.

Метод получения 2:

В железном стакане нагревают до плавления 35 г гидроксида калия и 5 мл воды. В этот плав при температуре 250°С и хорошем перемешивании быстро вносят 18 г порошкообразной натриевой соли бензолсульфокислоты. Сплавление продолжают при температуре 230... 250°С (термометр должен быть защищен металлической гильзой), после чего горячий плав выливают на противень. Охлажденный продукт реакции растворяют в небольшом количестве воды и подкисляют раствор концентрированной соляной кислотой. Выделившийся в виде маслянистого слоя фенол экстрагируют 2... 3 раза эфиром. Эфирный раствор сушат безводным сульфатом натрия, эфир отгоняют и фенол перегоняют, собирая фракцию с температурой кипения 179... 181°С.

Выход 6,7 г (71% от теоретического).

Метод получения 3:

В стакан, снабженный механической мешалкой, капельной воронкой и термометром, наливают 75 мл воды и при перемешивании 15 мл концентрированной серной кислоты. Затем, не охлаждая раствор, к нему добавляют 14,2 мл свежеперегнанного анилина. К полученному раствору добавляют 100 г льда, стакан снаружи также охлаждают водой со льдом до температуры 0...+5°С. При этом гидросульфат анилина частично выпадает в осадок.

К охлажденному раствору из капельной воронки при перемешивании постепенно приливают раствор 10,5 г нитрита натрия в 45 мл воды. После прибавления основной части нитрита натрия делают пробу с иодкрахмальной бумагой на присутствие свободной азотистой кислоты. К концу реакции процесс идет медленно, поэтому прежде чем производить пробу, нужно выждать несколько минут. Реакцию диазотирования можно считать законченной, если по истечении 5 мин после прибавления нитрита натрия в реакционной смеси обнаруживается свободная азотистая кислота (синее окрашивание иодкрахмальной бумаги).

Находящийся в водном растворе гидросульфат фенилдиазония постепенно разлагается водой с выделением азота и образованием фенола. Для ускорения разложения содержимое стакана переносят в круглодонную колбу вместимостью 500 мл и нагревают на слабо кипящей водяной бане до прекращения выделения азота. Фенол отгоняют с водяным паром из этой же колбы. Отгонку ведут до тех пор, пока проба погона не перестанет давать осадка с бромной водой, т. е. до отрицательной реакции на фенол.

Отогнав полностью фенол, дистиллят насыщают хлоридом натрия и несколько раз извлекают из него фенол диэтиловым эфиром. Эфирный экстракт сушат хлоридом кальция, эфир отгоняют на водяной бане, а фенол перегоняют на горелке с асбестовой сеткой из маленькой колбы Вюрца с воздушным холодильником. Собирают фракцию с т. кип. 179... 183°С.

Выход 9 г (65% от теоретического).

Метод получения 4:

В стакан наливают 50 мл воды и при тщательном перемешивании-- 10 мл концентрированной серной кислоты. Затем, не охлаждая раствора, к нему добавляют 9,3 г свежеперегнанного анилина. К полученному раствору постепенно прибавляют 75 г льда. Стакан с раствором охлаждают снаружи водой со льдом (при этом трудно растворимый сернокислый анилин частично выпадает в осадок).

К охлажденному раствору из капельной воронки при тщательном перемешивании постепенно приливают раствор 7 г азотистокислого натрия в 30 мл воды. Прибавив основную часть раствора нитрита, делают пробу иодокрахмальной бумагой на присутствие свободной азотистой кислоты.

(Для приготовления иодокрахмальной бумаги вносят немного крахмала (на кончике ножа) в 200 мл кипящей воды и, энергично перемешивая, кипятят в течение непродолжительного времени. По охлаждении добавляют раствор йодистого калия (кристаллик размером с горошину растворяют в небольшом количестве воды) и полученной жидкостью пропитывают полоски фильтровальной бумаги шириной около 3 см. Их высушивают в месте, свободном от паров кислот. Высушенные бумажки режут на части и хранят в банке, плотно закрытой пробкой.)

К концу реакции процесс диазотирования идет довольно медленно, поэтому прежде чем производить пробу иодокрахмальной бумагой, нужно выждать несколько минут. Реакцию диазотирования можно считать законченной, если по истечении 5 мин. после прибавления порции нитрита в реакционной смеси обнаруживается свободная азотистая кислота (происходит посинение иодокрахмальной бумаги). К концу реакции наблюдается также полный переход сернокислого анилина в раствор.

Находящийся в водном растворе сернокислый фенилдиазоиий уже при комнатной температуре постепенно разлагается с выделением азота и образованием фенола. Для ускорения разложения раствор соли диазония нагревают в круглодоннои колбе на слабокипящей водяной бане. Как только выделение азота замедлится, фенол отгоняют из той же колбы с водяным паром; отгонку производят до тех пор, пока проба погона не перестанет давать осадки или мути с бромной водой, т. е. до отрицательной реакции на фенол.