Химия и теоретические основы алкилирования ароматических соединений - Классификация реакций алкилирования

Катализаторы

При алкилировании ароматических углеводородов (бензол, толуол и др.) хлорпроизводными в промышленности в качестве катализатора используют только хлорид алюминия, отличающийся наибольшей активностью извсех доступных апротонных кислот. Он же применяется при алкилировании углеводородов олефинами, но в этом случаепригодны и другие катализаторы кислотного типа (H2SO4, безводный HF, BF3, фосфорная кислота на носителях, алюмосиликаты, цеолиты). Процесс с H2SO4 и HF проводят в жидкой фазе при 10...40 0С и 0,1...1,0 МПа, с Н3РО4 - в газовой фазе при225...275 0С и 2...6 МПа, с алюмосиликатами и цеолитами - в жидкой или газовой фазе при 200...400 0С и 2...6 МПа.

Хлорид алюминия в твердом виде практически не растворим в углеводородах и слабо катализирует реакцию. Однако помере выделения НСl хлорид алюминия начинает превращаться в темное жидкое вещество, также не растворимое в избыткеуглеводорода (комплекс Густавсона), которое обладает высокой каталитической активностью, и реакция постепенно ускоряется. Его можно приготовить, пропуская НСl при нагревании через суспензию АlСl3 в ароматическом углеводороде. Комплекс представляет собой соединение АlСl3 и НСl с 1-6 молекулами ароматического углеводорода, одна из которых находится в особом структурном состоянии положительно заряженного иона (у-комплекс), а остальные образуют сольватную оболочку

Во избежание медленного катализа твердым хлоридом алюминия этот активный каталитический комплекс целесообразно готовить предварительно и потом подавать на реакцию. Кроме НСl его образованию способствуют небольшие добавкиводы или соответствующего хлорпроизводного, роль которых состоит в генерации НСl. Более приемлемо использовать НСlили RCl, так как вода дезактивирует часть катализатора, разлагая его. По этой же причине необходимо хорошо осушать реагенты и следить, чтобы в реакционную смесь не попадала вода, способная вызвать бурное разложение комплекса. Другимикатализаторными ядами являются многие соединения серы и аммиак, в меньшей степени - диены и ацетилен.

Механизм реакции

В качестве алкилирующих агентов в промышленности применяют, главным образом, хлорпроизводные и олефины. Использование спиртов менее эффективно, потому что при алкилировании спиртами хлорид алюминияразлагается, а протонные кислоты разбавляются образующейся водой. В обоих случаях происходит дезактивирование катализатора, что обусловливает его большой расход.

При реакции с хлорпроизводными или олефинами АlСl3 расходуется только в каталитических количествах. В первомслучае он активирует атом хлора, образуя сильно поляризованный комплекс или карбокатион, что с олефинами происходиттолько в присутствии сокатализатора - НСl:

RCH=CH2 + HCl + AlCl3> RC+H ? CH3+ AlCl-4.

Строение алкильной группы в полученном продукте определяется правилом о промежуточном образовании наиболеестабильного карбокатиона (трет - > втор - > перв-). Поэтому в случае низших олефинов только из этилена образуется первичный алкилбензол (этилбензол), из пропилена - вторичный (изопропилбензол), а из изобутена - третбутилбензол:

Однако при алкилировании высшими олефинами и хлорпроизводными наблюдается изомеризация алкильных групп, которая происходит перед алкилированием, поскольку алкилбензолы к ней уже не способны. Эта изомеризация протекает внаправлении промежуточного образования наиболее стабильного карбокатиона, но без нарушения углеродного скелета алкильной группы, а лишь с перемещением реакционного центра. Вследствие этого из хлорпроизводных и олефинов с прямойцепью атомов углерода получается смесь втор-алкилбензолов, а из соединений с разветвленной цепью - преимущественнотрет-алкилбензолы.

Влияние строения ароматического соединения при реакциях алкилирования в общем такое же, как при других процессах электрофильного замещения в ароматическое ядро, но имеет свои особенности. Реакция алкилирования отличается сравнительно малой чувствительностью к электронодонорным заместителям в ядре. Так, активирующее влияние алкильныхгрупп и конденсированных ядер при катализе реакции АlСl3 изменяется следующим образом (для бензола величина принятаза 1,0):

Электроноакцепторные заместители сильно дезактивируют ароматическое ядро. Хлорбензол алкилируется примерно в10 раз медленнее бензола, а карбонильные, карбокси-, циано - и нитрогруппы приводят к полному дезактивированию ароматического ядра, вследствие чего соответствующие производные вообще не способны к алкилированию. Этим реакция алкилирования значительно отличается от других процессов замещения в ароматическое ядро, например от хлорирования исульфирования.

Правила ориентации при алкилировании в общем подобны другим реакциям электрофильного замещения в ароматическое ядро, но строение продукта может существенно изменяться в зависимости от катализаторов и условий реакции. Так, электронодонорные заместители и атомы галогена направляют дальнейшее замещение преимущественно в пара-и орто-положения, однако в более жестких условиях и особенно при катализе хлоридом алюминия происходит изомеризация гомологов бензола с внутримолекулярной миграцией алкильных групп и образованием равновесных смесей, в которых преобладают термодинамически более стабильные изомеры. При алкилировании нафталина это позволяет в мягких условиях получать 1-алкил-, а в более жестких - 2-алкилнафталин.

Последовательное алкилирование

При алкилировании ароматических соединений в присутствии любых катализаторов происходит последовательное замещение атомов водорода с образованием смеси продуктов разной степени алкилирования. Например, метилирование и этилирование бензола идет вплоть до получения гексаалкилбензолов

Пропилирование - до получения тетраизопропилбензола и т. д. Каждая из реакций при умеренной температуре являетсяпрактически необратимой. Однако при катализе АlСl3 и достаточно жестких условиях катализа алюмосиликатами и цеолитами происходит обратимая реакция переалкилирования (диспропорционирование) с межмолекулярной миграцией алкильных групп:

С теми же катализаторами протекает и рассмотренная выше обратимая изомеризация с внутримолекулярной миграциейалкильных групп, в результате которой среди диалкилбензолов преобладает мета-изомер, среди триалкилбензолов 1,3,5-изомер и т. д.

Способность алкильных групп к миграции изменяется в такой последовательности:

(CH3)3C> (CH3)2CH > CH3-CH2>> CH3,

Причем с активным комплексом хлорида алюминия эти реакции довольно быстро идут уже при комнатной температуре, в товремя как для метилбензолов требуется длительное нагревание.

Побочные реакции

Кроме рассмотренного ранее образования полиалкилбензолов при алкилировании нежелательнысмолообразование, деструкция алкильных групп и полимеризация олефинов.

Смолообразованиесостоит в получении конденсированных ароматических соединений с высокой температурой кипения. Из подобных продуктов при алкилировании бензола обнаружены диарилалканы, диарилолефины и др. При алкилировании нафталина получается больше смолы, и в ней найдены динафтил и другие вещества с конденсированными циклами.

Смолообразование становится особенно существенным при повышении температуры.

Эти же условия ведут к деструкцииалкильных групп и побочному образованию алкилбензолов с более короткой алкильной группой. Так, при реакции с пропиленом побочно получается этилбензол, с этиленом - толуол и т. д. Особенно заметна такая деструкция при алкилировании алкилгалогенидами и олефинами с достаточно длинной углеродной цепью.

Наконец, образование полимеровпроисходит в результате последовательного взаимодействия карбокатиона с олефином. Полимеры имеют небольшую молекулярную массу, и их образование подавляется наличием избытка ароматическогоуглеводорода при снижении концентрации олефина в жидкой фазе.

Кинетика процесса

Сама реакция алкилирования с активным комплексом хлорида алюминия идет очень быстро, сильно ускоряется при механическом перемешивании или интенсивном барботировании газообразных олефинов через реакционную массу и протекает в диффузионной или близкой к ней области. Ее скорость повышается при росте давления, номало зависит от температуры, имея низкую энергию активации. Лимитирующей является стадия диффузии олефина черезпограничную пленку каталитического комплекса хлорида алюминия, в которой протекают все реакции. В отличие от этого, переалкилирование идет значительно медленнее и существенно ускоряется при повышении температуры, так как имеетэнергию активации ? 63 кДж/моль.

Обе реакции замедляются при постепенном дезактивировании катализатора, но особенно сильно падает скорость переалкилирования. В результате в реакционной смеси будет накапливаться значительное количество полиалкилбензолов, не успевающих вступить в реакцию переалкилирования.

Во избежание этого приходится ограничивать подачу реагентов, и возможность интенсификации процесса лимитируется медленной реакцией переалкилирования.

На дезактивирование катализатора влияет, кроме примесей реагентов, накопление некоторых побочных продуктов алкилирования, способных прочно связывать АlСl3 или образовывать стабильные у-комплексы, с трудом отдающие свой протон молекуле олефина. Такими веществами при низкой температуре, когда переалкилирование идет медленно, являются полиалкилбензолы, а при высокой температуре - полициклические ароматические соединения и смолы. В результате оказывается, что оптимальные производительность и расход катализатора при получении этил - и изопропилбензола достигаются принекоторой средней температуре (? 100 0С), когда переалкилирование протекает уже достаточно быстро, но полициклическихвеществ, дезактивирующих катализатор, получается еще мало. При синтезе соединений с более длинной алкильной группойвыбор температуры лимитируется побочной реакцией деструкции, а при получении алкилнафталинов - процессами конденсации и осмоления. В этих случаях ее оптимум равен 30...50 0С, причем при алкилировании нафталина селективность можно дополнительно повысить применением растворителя.

Похожие статьи




Химия и теоретические основы алкилирования ароматических соединений - Классификация реакций алкилирования

Предыдущая | Следующая