Алкилирование фенола олефинами

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.

Самара

2006 г.

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;

mn; no; op;

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; CH₂-(2C)-11; CH₃-(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.

	Kxa	Kxb	Kxc	Kxd	Kxi	Kxg	Kxh	Kxm	Kxn	Kxo
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.