Физико-химические основы процесса

При алкилировании используются различные алкилируюшие агенты и различные катализаторы кислого типа - протонные кислоты: H₂SО₄, H₃PО₄, HF, BF₃, AlCl₃, FeCl₃.

H₂SO₄ и HF используются при алкилировании в жидкой фазе при температуре 10-40 °С и давлении 0,1-1,0 МПа. Недостатки - наличие сточных вод и коррозия аппаратуры.

А1С1₃ и FeCl₃ - в жидкой фазе при температурах -100 °С и давлении 0,1-1,0 МПа. Недостатки те же.

Н₃РO₄ на носителе используется в газовой фазе при температурах 200-400 °С и давлении 2-6 МПа.

Твердые контакты - алюмосиликаты и цеолиты - также работают при высоких температурах при давлении 2-6 МПа.

Для алкилирования бензола и толуола в качестве катализаторов чаще всего используются протонные и апротонные кислоты. Процесс идет в жидкой фазе.

Механизм представляет собой реакцию электрофильного замещения в ароматическом ядре. Протекает через стадии диссоциации кислоты, присоединение протона по С=С-связи алкена с образованием карбокатиона. Карбокатион образует с бензольным кольцом сначала π-, а затем σ-комплекс. Реакция завершается отщеплением протона и образованием алкилпроизводного.

Если в качестве катализатора используется А1С1₃, то реакция также идет в присутствии в качестве промотора HCl:

В системе образуется нерастворимый в УВ комплекс Густавсона по реакции

представляющий собой соединение А1Сl₃ и НС1 с несколькими молекулами бензола или производных бензола. HCl вводится в систему непосредственно, либо образуется в среде- ароматических углеводородов при гидролизе А1Сl₃ в присутствии небольших количеств воды.

При катализе реакции комплексом Густавсона может протекать изомеризация гомологов бензола с внутримолекулярной миграцией алкильных групп и образованием равновесной смеси термодинамически более стабильных изомеров.

При катализе протонными кислотами алкилирование происходит последовательно с образованием смеси продуктов разной степени алкилирования вплоть до образования гексаалкилбензолов. При низкой температуре до 40-50 °С реакция является необратимой.

При катализе А1С1₃ или алюмосиликатами и цеолитами при высокой температуре протекает реакция переалкилирования, то есть реакция становится обратимой с межмолекулярной миграцией алкильных групп:

В присутствии А1С1₃ и этих катализаторов (цеолитов и алюмосиликатов) возможен возврат в реактор полиалкилбензолов, где они в результате переалкилирования превращаются в моноалкилбензолы. Реакция переалкилирования является медленной реакцией, протекающей с приемлемой скоростью при температурах - 100 °С.

Кроме перечисленных реакций в системе протекает ряд побочных реакций:

1. Деструкция карбокатиона, приводящая к образованию алкиларенов с алкилом меньшей длины.

2. Изомеризация карбокатиона, приводящая к образованию разветвленных заместителей в бензольном кольце.

3. Полимеризация алкенов по катионному механизму, приводящая к образованию смолообразных олигомеров за счет последовательного взаимодействия карбокатиона с алкенами. Их количество увеличивается с ростом концентрации алкенов в жидкой фазе.

4. Смолообразование может происходить также при конденсации ароматических соединений с образованием сконденсированных ароматических ядер. При алкилировании нафталина смол получается больше. Смолообразование увеличивается при росте температуры и удлинении алкильных групп.

Реакции алкилирования и переалкилирования замедляются при разложении каталитического комплекса (в присутствии воды), что ведет к накоплению полиалкилбензолов в реакторе. В свою очередь, накопление полиалкилбензолов и смол также приводит к дезактивации катализатора.

Селективность и состав продуктов алкилирования зависит от следующих факторов:

1. Катализатор (его природа и концентрация),

2. Мольное соотношение реагентов (чем больше избыток бензола, тем выше селективность по моноалкилбензолу),

3. Конверсия алкенов,

4. Условия проведения синтеза (температура, давление),

5. Тип реактора,

6. Организация массообмена и теплосъема.

В виду того, что процесс алкилирования - гетерофазный, т.е. система состоит из газообразной фазы алкена, и двух несмешивающихся между собой жидких фаз (арен и каталитический комплекс). В связи с этим необходимо осуществление интенсивного перемешивания, чаще всего перемешивание производят барботированием газообразных алкенов через реакционную массу, что ускоряет процесс алкилирования.