Реакции алкилирования. 
Физико-химические процессы нефтехимического производства

Реакции алкилирования — процессы обратные крекингу — занимают важное место в нефтехимии и в органическом синтезе. Реакции алкилирования используют для получения ценных компонентов моторных топлив, повышающих их октановые числа. Для получения алкилатов используют реакции алкилирования парафинов олефинами. Так, изобутан алкилируют изобутиленом и смесью изомерных бутиленов, а также пропиленом. Реакцию проводят в двухфазной системе — концентрированная H2SO4 (90 — 97%) — углеводороды в присутствии ПАВ (R4N+X-, цетиламин, октиламин). Процесс является цепным и включает следующие типичные для кислотного катализа стадии. В концентрированных кислотах сольватация карбкатиона осуществляется молекулой кислоты.

(7).

Сольватированный tBu+ взаимодействует со второй молекулой олефина с образованием димерного карбкатиона. Для упрощения изобразим схему реакций с участием свободных R+:

(8).

(9).

Карбкатион (VI) C8H17+ взаимодействует с изо-C4H10, отрывает от него Ни превращается в изооктан C8H18 (целевой продукт реакции). Нежелательный процесс — дальнейшее присоединение олефина с последующей полимеризацией.

Поверхностно-активные вещества заметно увеличивают скорость реакции (10), тем самым повышая октановые числа алкилатов. Катионоподобные ПАВ повышают реакционную способность R+, уменьшают его стабилизацию кислотной фазой и делают отрыв Hот RH более эффективным.

Процессы алкилирования катализируются и другими кислотами (CF3SO3H, HF). В системе углеводород-HF-1%H2O процесс алкилирования протекает эффективнее и селективнее. Октановые числа алкилатов достигают 92 — 95. Предложен интересный механизм алкилирования изобутана пропиленом в присутствии HF.

Брутто-реакция представляет собой дегидродимеризацию изобутана с переносом 2 атомов водорода на пропилен:

(12).

С целью заменить процессы с жидкими кислотами исследуют возможность использования цеолитов для алкилирования парафинов олефинами. Показано, что в этом случае в процесс алкилирования вступает этилен. На Na-X цеолитах при замене части Na+ ионами РЗЭ получаются достаточно высокие выходы алкилатов (80 — 100оС, Р = 2 МПа).

Выход C8-продуктов в алкилате достигает 80%.

В случае еще более сильных кислот, например, сверхкислот HF-TaF5 с Н0 = -18.8 алкилировать удается метан.

.

Среди процессов алкилирования рассмотрим две реакции, важные для органического синтеза — алкилирование бензола олефинами и алкилирование формальдегида олефинами (реакция Принса).

Алкилированием бензола получают 2 ценных полупродукта — этилбензол и изопропилбензол. Алкилирование проводят по Фриделю-Крафтсу в присутствии AlCl3, или на цеолитных катализаторах, которые до сих пор не используются в этом процессе в промышленности. Взаимодействуя с бензолом или с полиалкилбензолами AlCl3, HCl и H2O образуют «комплекс», который и является катализатором реакции. Состав комплекса переменный — (ArH)x (H3O+AlCl4-)y (HCl)z. Вероятно, что полиалкилбензолы сольватируют H+, образуя с нимкомплекс (иликомплекс).

(ArH· H)+Al2Cl7- (VII).

который также может переносить протон на олефин с образованием R+AlCl4-. Реакция карбкатиона CH3CH2+ или (СН3)2СН+ с бензолом и приводит к реакции алкилирования ArH.

Рис. 7

Рассматривают также возможность участия в процессе протонированного ArH (VII), однако такой механизм представляется менее вероятным,.

Рис. 8

поскольку он требует ,-переноса гидрид-иона и большего числа стадий. Фирма «Monsanto» разработала процесс алкилирования, протекающий в гомогенных условиях с небольшим количеством AlCl3 без использования жидкого катализаторного комплекса, образующего двухфазную систему. В этой технологии AlCl3 не рециркулирует, не стабилизируется алкилбензолами, и поэтому образования полиалкилбензолов практически не происходит даже при Т > 100оС. В проточный реактор подаются этилен, бензол, AlCl3, HCl (и промотор). Выходящий поток, содержащий главным образом этилбензол, бензол и AlCl3, подают в реактор переалкилирования, куда подается диэтилбензол из узла разделения. После достижения равновесия переалкилирования алкилат из реактора переалкилирования подается в зону испарения (удаления легколетучих и HCl), затем на промывку от AlCl3 и в отделение ректификации.

Реакция Принса в промышленном масштабе используется в производстве изопрена. Изобутилен в растворе серной кислоты (~20%) и формальдегида превращается в диол или в 2,2-диметилметадиоксан (ДМД) в зависимости от концентрации формальдегида и условий процесса.

Рис. 9

Оба продукта при дегидратации (IX) или отщеплении метиленгликоля (формальдегидгидрата) (X) образуют изопрен, однако, второй путь эффективнее — ДМД легко выделяется из реакционной среды и легко отщепляет CH2(OH)2 (200оС, кислотные катализаторы). ДМД является также хорошим полярным растворителем.