Окисление нафталина. Пиротехническая химия: Химия и технология соединений нафталинового ряда - Доналдсон Н

После этого подают через распределительное приспособление воздух в количестве 50 м^/час на 1 т исходного сырья, поддерживая температуру около 150°. В зависимости от качества очистки исходного сырья окисление начинается через более или менее короткое время.

Хром является основным элементом, входящим в состав окалиностойкой стали. При повышении содержания хрома интенсивное окисление начинается при более высоких температурах. Чем выше рабочая температура детали, тем больше должно быть содержание хрома. Минимальное содержание хрома, обеспечивающее окалиностойкость стали при разных температурах, показано на рис. 43.

Установлено, что концентрация формальдегида в реакционной смеси изменяется пропорционально скорости нарастания давления. Продолжительность индукционного периода можно уменьшить добавкой небольших количеств формальдегида; если добавить количество формальдегида, эквит валентное концентрации при установившемся процессе, то индукционный период можно полностью устранить. При добавке избытка формальдегида по сравнению с равновесной концентрацией окисление начинается сразу с увеличенной скоростью, которая после израсходования избытка формальдегида снижается до нормального уровня. Эти наблюдения убедительно доказывают, что формальдегид является важным промежуточным продуктом в реакции окисления метана.

При окислении п-ксилола и метилтолуилата катализатор принимает участие в стадиях зарождения, разветвления и продолжения цепей. Предполагается, что окисление начинается путем прямого взаимодействия между катализатором, п-ксилолом или метилтолуилатом и кислородом.

Данные по окислению толуола, которые были опубликованы до 1932 г., приведены в работе Марека и Гана и здесь будут рассмотрены только очень кратко. Основными продуктами реакции окисления толуола, помимо окиси и двуокиси углерода, являются бензальдегид и бензойная кислота, немного малеинового ангидрида и следы антрахинона. Марек и Ган отметили, что относительные соотношения этих продуктов частично зависят от температуры окисления толуола воздухом. Известно, что высокие температуры и короткое время контакта и высокие температуры и мягкие катализаторы приводят к образованию бензальдегида. На катализаторе V20s окисление начинается при 280-300° С, причем требуется большое время контакта; основным продуктом реакции является бензойная кислота. При более высоких температурах окисление протекает быстрее, позволяя сократить время контакта, а основным продуктом становится бензальдегид. Авторы сообщают, что в этих условиях образуется небольшое количество антрахинона. На окиси молибдена при температуре от 450 до 530° С толуол окисляется до бензальдегида с хорошими выходами. На окисях молибдена, вольфрама, циркония, тантала происходит окисление толуола до альдегида, а на пятиокиси ванадия альдегид претерпевает дальнейшее окисление до бензойной кислоты; таким образом, на этом катализаторе можно получить бензойную кислоту с высокими выходами.

дуктов и что поэтому окисление начинается при более низкой температуре. Более того, мы видим, что решетку или поверхность окиси ванадия можно модифицировать добавлением молибдена и при этом перенос электрона от углеводорода к поверхности катализатора затрудняется. Следует сделать еще одно замечание. При.окислении бутадиена и бутенов очень трудно регулировать окисление так, чтобы превращение не было полным. Обычно признают, что реакцию почти нельзя регулировать и углеводороды легко окисляются полностью. Это утверждение не относится к бензолу. Окисление бензола протекает относительно легко, так что можно добиться любой степени превращения. Так как бензол окисляется на том же самом катализаторе, что и бутены, можно заключить, что в электронной структуре бензола участвуют некоторые факторы, которые значительно отличаются от факторов для углеводородов С4.

Можно допустить, что окисление начинается на поверхности и затем распространяется внутрь газовой фазы. Однако достаточных доказательств этого предположения нет. Если длина распространения соизмерима с диаметром проволоки сетки, то влияние двух слоев сеток должно отличаться от влияния одного слоя. В табл. 2 показано, что в действительности существует лишь небольшая разница, причем второй слой служит в основном для окисления непрореагировавшего NHs. Время прохождения между сетками составляет величину порядка 10~4 сек. Таким образом, за это время должно завершиться распространение цепи. Разница в расстоянии между сетками 1,9 и 5,08 см не играет большой роли; это указывает на то, что.цепная реакция в газовой фазе не распространяется.на значительное расстояние. Вайнштейн и Поляков осуществили аналогичные опыты на разделенных сетках и пришли к противоположному выводу: окисление представляет собой гетерогенно-гомогенную реакцию.

Анализ полученных данных отчетливо показывает, что марганцевые соли являются активными катализаторами; интенсивное окисление начинается уже через 30 мин. после начала опыта.

Установлено, что концентрация формальдегида в реакционной смеси изменяется пропорционально скорости нарастания давления. Продолжительность индукционного периода можно уменьшить добавкой небольших количеств формальдегида; если добавить количество формальдегида, эквивалентное концентрации при установившемся процессе, то индукционный период можно полностью устранить. При добавке избытка формальдегида по сравнению с равновесной концентрацией окисление начинается сразу с увеличенной скоростью, которая после израсходования избытка формальдегида снижается до нормального уровня. Эти наблюдения убедительно доказывают, что формальдегид является важным промежуточным продуктом в реакции окисления метана.

Промышленными испытаниями нового катализатора установлено, что процесс окисления наилучшим образом и с лучшим качеством продуктов окисления протекает при постоянном температурном режиме. Так как окисление начинается без индукционного периода, то не возникает необходимости прибегать к температурному "подталкиванию" реакции.

Температуры, при которых начинается окисление, отличны для различных октанов. Для 3-метилгептана и 2,5-диметилгексана эти исследователи нашли, что° окисление начинается при температуре несколько выше 200°; для 3-этилгексана при 250° и для 2-металчЗ-этилпентата- приблизительно при 300°. Чем более" сложно строение углеводорода, тем требуется более высокая температура. Наиболее сложное строение 2,2,4-три"метилпентана делает его настолько устойчивым.

Как следует из табл. 58,. о-ксилол является наиболее высококипящим из всех изомеров ксилола. Его применяют для получения фталевого ангидрида. Процесс основан, как и окисление нафталина, на газофазном окислении над ванадиевым контактом. Равным образом и тг-ксилол представляет большую ценность как исходный материал для получения те-рефталевой кислоты, применяемой в производстве волокна. С этой целью смесь м- и гг-крезолов охлаждают до -60° и выкристаллизовавшийся п-крезол отделяют центрифугированием. Выход тг-ксилола ограничивается образующейся эвтектикой, состоящей из 88% ж-ксилола и 12% тг-ксилола. В 1960 г. в США предполагается произвести 50 тыс. т тг-ксилола, более 90% которого должно быть получено из нефти путем каталитического рифор-минга. Ниже коротко рассматривается работа установки Гумбл Ойл Рефай-нипг Компани в Вайтоуне.

Наконец, окисление бензола в малеиновый ангидрид и окисление нафталина во фталевый ангидрид имеет первый порядок по кислороду и от нулевого до первого по ароматическому углеводороду. Эти реакции также тормозятся образующимися ангидридами

По технологии окисление нафталина и окисление о-ксилола аналогичны, и существуют установки, на которых можно перера-ба"ывать оба вида сырья. Процесс ведут при атмосферном давлении и большом избытке воздуха, обеспечивающем концентрацию реагента 0,7 - 0,9% , находящуюся вне пределов взрывоопасных концентраций в смеси с воздухом. Наиболее распространены многотрубные реакторы со стационарным слоем катализатора, охлаждаемые кипящим водным конденсатом или чаще нитрит-нитратной смесью, с производством пара. В последнее время большое внимание уделяется эффективной утилизации тепла, которого хватает для удовлетворения всех потребностей установки, и часть генерируемого пара используют для других нужд.

Каталитическое окисление нафталина зависит- от примесей, имеющихся в техническом нафталине. Так, примеси тио-нафтена даже положительно влияют на работу катализатора. Дело в том, что сульфат калия, входящий в состав катализатора, способен разлагаться с выделением диоксида серы. При этом падает активность катализатора.

Примером может служить окисление нафталина, а- и ^-метил-нафталинов и 1,6-диметилнафталина при 150°, 15 am O2 в течение 3 час. .

Получение фталевого ангидрида. Основным промышленным способом получения фталевого ангидрида является окисление нафталина кислородом воздуха с применением катализаторов. Реакция окисления нафталина выражается следующим суммарным уравнением:

Окисление нафталина. В ряде.стран нафталин является основным сырьем для производства фталевого ангидрида. Каталитическое парофазное окисление нафталина во фталевый ангидрид осуществлено давно в промышленности, успешно работают цехи во многих странах.

Изложенные выше результаты позволяют представить кинетическую схему процессов, происходящих при окислении смесей нафталина и металнафталина в проточном реакторе. Метилнафталин содержится в смеси в меньших количествах, чем нафталин, и окисляется быстрее, поэтому он влияет на окисление нафталина только в первых слоях катализатора, сильнее тормозя образование 1,4-нафтохинона, чем фталевого ангидрида, тем самым увеличивая селективность реакции окисления нафталина во фталевый ангидрид. Аналогично повышается селективность по фталевому ангидриду реакции окисления фенантрена при окислении смеси антрацен-фенантрен ".

Окисление нафталина на ванадиевом 0,001 600 00012 0,79 86 2,8

ОКИСЛЕНИЕ НАФТАЛИНА Кинетика

Окисление нафталина в фталевый ангидрид является одной из наиболее важных реакций парофазного окисления. Тем не менее работы, позволяющие понять кинетику и механизм этой реакции, были опубликованы только недавно.

Окисление. Бензольное кольцо, в силу своей особой стабильности, устойчиво к действию большинства окислителей. Однако, алкильные группы, связанные с кольцом, легко окисляются под действием окислителей, таких как бихромат натрия в кислой среде, оксид хрома (VI) в уксусной кислоте или перманганат калия. В результате образуются продукты окислительной деструкции боковых цепей - ароматические карбоновые кислоты:

При окислении трехокисью хрома в уксусном ангидриде происходит окисление метильной группы алкиларенов до альдегидной; дальнейшему окислению до кислоты препятствует образование диацетата, который устойчив в этих условиях. Катализируемый кислотой гидролиз в водном спирте приводит к ароматическому альдегиду:

Бензиловые спирты гладко окисляются до альдегидов при применении в качестве окислителя свежеосажденной двуокиси марганца:

Окисление конденсированных ароматических углеводородов приводит к различным продуктам в зависимости от используемого реагента и условий реакции. Реагенты на основе хрома (VI) в кислой среде окисляют нафталин и алкилнафталины до нафтохинонов, тогда как бихромат натрия в водном растворе окисляет только алкильные группы. Окисление нафталина перманганатом калия в щелочной среде сопровождается деструкцией одного ароматического кольца с образованием моноциклических дикарбоновых кислот:

Антрацен гладко окисляется бихроматом натрия в серной кислоте или оксидом хрома (VI) в уксусной кислоте до антрахинона:

Гидрирование. Хотя ароматическое кольцо бензола гидрируется в значительно более жестких уловиях, чем двойная или тройная связь алкенов и алкинов, бензол и его производные могут быть прогидрированы до производных циклогексана над никелем Ренея (Т 120-150 о и давление 100-150 атм). Более эффективны катализаторы платиновой группы, среди которых лучшими являются родий или рутений, нанесенные на окись алюминия.

При гидрировании диалкилбензолов на Rh или Ru обычно образуется в основном цис- изомер. Гидрирование на никеле Ренея не отличается стереоселективностью, всегда образуется смесь цис -, транс -изомеров. Каталитическое гидрирование бензольного кольца невозможно остановить на первой или второй стадии, поскольку циклогексадиены и циклогексены гидрируются с большей скоростью, чем ароматические соединения.

Восстановление по Берчу . Ароматическое кольцо аренов может быть восстановлено раствором натрия в жидком аммиаке в присутствие спирта как протонирующего агента. Бензол восстанавливается при этом до несопряженного циклогексадиена-1,4: (прим.44) ,

Для этой реакции предложен механизм, включающий последовательное образование анион-радикала, радикала и аниона циклогексадиена:

Легкокристаллизирующийся нафталин (т.пл. 80 о С) был выделен из каменноугольной смолы раньше бензола, еще в 1819 г. Гарденом. Содержание нафталина в этом источнике достигает 6% и он не потерял своего значения до наших дней. Состав нафталина был определен в 1838 г. Воскресенским , а строение установлено в 1866 г. Эрленмейером и Гребе. Приписываемое нафталину строение – два конденсированных бензольных кольца – подтверждено многочисленными синтезами и результатами физико-химических методов исследований. Однако метод доказательства, использованный Эрленмейером и Гребе, имеет познавательное значение. Поэтому он вполне заслуживает упоминания.

Эрленмейеру и Гребе было известно, что нафталин и α -нафтиламин при окислении образуют о -фталевый ангидрид, а α -нитронафталин – о -нитрофталевый ангидрид

Этих данных оказалось вполне достаточно, чтобы убедиться, что оба кольца в нафталине бензольные, равноценные и связаны они в двух точках.

Строение нафталина. По современным представлениям нафталин представляет собой систему из двух бензольных колец, в которой все углероды sp 2 -гибридизованы и лежат в одной плоскости. В отличие от бензола, у которого все связи между углеродами имеют одинаковую длину, в нафталине он отличаются друг от друга

То, что в нафталине связи имеют различную длину и кольца не симметричны, свидетельствует о неравномерном характере распределения электронной плотности в молекуле.

Нафталин подчиняется правилу Хюккеля для ароматических систем - 4n + 2 при n=2 и содержит 10π -электронов.

Хотя нафталин и проявляет ароматический характер, однако он выражен в меньшей степени, чем у бензола. Как известно, бензол термодинамически более выгоден, чем гипотетический циклогексатриен на величину 150,73 кДж/моль. Можно было бы ожидать, что для нафталина, состоящего из двух бензольных колец, энергия резонанса составит величину 150,73 х2=301,46 кДж/моль. Однако резонансная энергия нафталина всего лишь 255,41 кДж/моль.

Таким образом, нафталин – ароматическая система, которая, однако, менее ароматична, чем бензол.

Не все свойства нафталина могут быть объяснены исходя из формул

Для объяснения некоторых реакций нафталина, в которые он вступает вопреки вышеприведенным формулам, изобразим его в виде резонансных структур

Из рассмотрения этих канонических формул видно, что в двух случаях из трех – II и III – на одно из колец приходится лишь две π -связи. Отсюда следует, что нафталин, с учетом вклада этих структур в резонансный гибрид, может рассматриваться как сочетание бензольного кольца с 1,3-диеновой системой. С учетом этого обстоятельства предлагалось молекулу нафталина изображать как систему, состоящую из бензола и диена

При таком подходе к строению нафталина становятся объяснимыми такие его свойства как склонность к вступлению в реакции 1,4-присоединения

Удалось осуществить с нафталином за счет его 1,3-диеновой составляющей и такую классическую реакцию как реакция Дильса-Альдера. Правда, для этого пришлось использовать сильные диенофилы в жестких условиях (более 150 о С)

Способы получения . Нафталин образуется при пропускании ацетилена или же ацетилена и бензола над древесным углем при 400 о С

Также как и в случае бензола, нафталиновые углеводороды могут быть получены реакцией дегидроциклизации исходя из подходящих алкилбензолов (Pt, 300 о С)

Для получения нафталина можно использовать и реакцию диенового синтеза с участием диенов и бензохинона в качестве диенофила

Наиболее универсальным синтезом нафталиновых соединений является, пожалуй, метод Хеуорса, представляющийсобой сочетание реакций ацилирования, восстановления оксо-групп по Клеменсену и ароматизацию тетралина дегидрированием

Синтез Хеуорса предоставляет широкие возможности для его модификации:

При использовании замещенных бензолов заместитель в нафталине оказывается в β -положении;

При помощи магнийорганического синтеза с участием оксо-групп β -бензоилпропионовой кислоты и тетралона в нафталиновое кольцо можно ввести одинаковые или различные заместители;

При использовании замещенных янтарных ангидридов появляется возможность получения 2,3-дизамещенных нафталинов.

Химические свойства . Как уже отмечалось, нафталин – ароматическое соединение. Он вступает в реакции замещения, присоединения и восстановления – окисления.

В реакциях электрофильного замещения нафталин активнее бензола. Следует только отметить, что речь идет об одном из бензольных колец – первом. Для нарушения его ароматичности требуется лишь 104,68 кДж/моль, а оставшееся кольцо реагирует уже как обычное соединение моноароматического ряда. В этом случае для нарушения ароматичности требуется уже 150,73 кДж/моль.

В отличие от бензола, у нафталина два неравноценных положения α - и β . Поэтому электрофил в общем случае мог бы занять любое из них

Однако оказалось, что в реакциях электрофильного замещения с участием нафталина более привлекательным является α -положение. Происходит это потому, что σ -комплекс с α -положением заместителя I оказывается более стабильным, чем другой возможный σ -комплекс II . Это хорошо видно, если эти комплексы изобразить, воспользовавшись теорией резонанса

При α -замещении σ -комплекс, представляющий собой резонансный гибрид структур III , IV и V , включает в себя две неустойчивые канонические структуры с сохранением одного бензольного кольца – III и IV . В то же время σ -комплекс, образовавшийся при β -замещении включает лишь одну стабильную предельную структуру с сохранением бензольного кольца - VI . Это обстоятельство и обуславливает большую устойчивость I по сравнению с II . Считают, что I энергетически на 41,87 кДж/моль более выгодна, чем II .

Рассмотрим теперь конкретные реакции электрофильного замещения в нафталиновом ряду.

Нитрование и галогенирование . Нафталин нитруется и галогенируется в α -положение. Реакции идут настолько легко, что, например, галогенирование протекает даже без участия катализатора

Через галоген- и нитро-производные открываются возможности для синтеза многих производных нафталина через амины и диазосоединения, а также через магнийорганические соединения.

Ацилирование . Нафталин под действием ацилирующих агентов в присутствии хлорида алюминия ацилируется. При этом место вступления остатка кислоты зависит от растворителя: в сероуглероде, тетрахлорэтане имеет место α -замещение, а в нитробензоле – в β -положение нафталиновой системы

Предполагается, что нитробензол образует как с хлористым ацетилом, так и хлоридом алюминия, комплексы, для которых α -положение нафталина менее доступно по пространственным соображениям.

Сульфирование . Результаты сульфирования нафталина зависят от температуры, при которой проводится реакция. При повышенной температуре (160 о С) основным продуктом реакции является β -нафталинсульфокислота, а при более низкой температуре - α -изомер

Интересно при этом, что при нагревании до 160 0 С α -изомер превращается в β -изомер.

Эти факты можно объяснить тем, что при более низких температурах сульфирования накопление продуктов реакции происходит в соответствии с относительными скоростями образования изомерных кислот. Уже отмечалось, что α -положение нафталина более подвержено электрофильной атаке, т.к. в этом случае реакция идет через более стабильный σ -комплекс (кинетический контроль). При повышенных температурах накопление продуктов идет в соответствии с термодинамическими устойчивостями изомеров – здесь преимущество за β -изомером нафталинсульфокислоты (термодинамический контроль).

В случае участия в реакциях электрофильного замещения производных нафталина, место вступления нового заместителя диктуется имеющимся заместителем.

При этом электронодонорные заместители способствуют реакции и новый заместитель направляют в α -положение того же кольца

В то же кольцо вступает новый заместитель и в том случае, если в замещенном нафталине электронодонорный заместитель находится в β -положении

Электроноакцепторный заместитель в нафталине новый заместитель направляет в незамещенное кольцо в положения 5 и 8

Электроноакцепторный заместитель в нафталине в β -положении затрудняет реакцию и новый заместитель направляет в незамещенное кольцо в положения 5 и 8

Кроме рассмотренных реакций, нафталин способен к окислению и восстановлению.

Восстанавливается нафталин легче, чем бензол, даже атомарным водородом. При этом в зависимости от температуры реакции, восстановление идет в положения 1 и 4 или 1, 2, 3 и 4

При каталитическом гидрировании нафталин вначале образует тетралин, который далее может, при более жестких условиях, превратиться в декалин

Интересно отметить, что декалин существует в виде цис - и транс -изомеров. В цис -изомере водороды у общих для двух циклогексановых колец углеродов расположены в цис -положении, а у транс -изомера – в транс -положении

В зависимости от условий проведения реакции, окисление нафталина приводит к различным кислоросодержащим продуктам. При окислении оксидом хрома в среде уксусной кислоты при комнатной температуре продуктом реакции оказывается нафтахинон, а окисление бихроматом калия направляется на боковую алкильную цепь

Нафталин окисляется легче, чем бензол. Это позволяет окислить одно бензольное кольцо нафталина, сохранив другое

На этом основано получение о -фталевого ангидрида в промышленных масштабах.

11 > .. >> Следующая
Окисление
ЗІ
бениндуетри для.производства?-нафтола, фталевого ангидрида и других промежуточных продуктов, пластификаторов, дубителей, противостарителей, смачивающих веществ и эмульгатора для каучука Буна; 4073 г закуплено другими фирмами; 15 600 т для.производства сажи газовой и 2400 г для ламповой; 4600 т для инсектицидов, 2300 т для противостарителей, 1700 т для смазочных веществ и 400 г для других целей (пестициды, изоляционные материалы, дизельное топливо)""
Окисление
Нафталин окисляется и восстанавливается значительно -четче, чем бензол. Обе эти реакции имеют большое промышленное значение, особенно окисление нафталина с расщеплением одного кольца и образованием фталевого ангидрида.
Окисление без расщепления кольца. Нафталин можно окислить непосредственно в а-нафтол и в 1,4-нафтохинон, которые, однако, получаются с небольшими выходами.
а-Нафтол можно получить в виде его ацетилпроизводного (2,9 г из 20 а нафталина) нагреванием углеводорода с тетра-ацетатом свинца в ледяной уксусной кислоте68. При окислении нафталина?-нафтол обычно не образуется. Однако следы его были обнаружены после экспозиции углеводорода на солнечном свету в присутствии нитробензола в атмосфере азота в течение шести месяцев59. Кроме того, он был получен с очень малым выходом окислением нафталина под большим давлением кислорода над окисью железа (в качестве катализатора) в присутствии фтористого водорода60.
1,4-Нафтохинон обычно присутствует в продуктах окисления нафталина; как правило, он шолучается в смеси с другими продуктами. При производстве фталевого ангидрида 1,4-нафто-хнпон получается в качестве примеси, особенно при пониженных температурах и недостаточном избытке воздуха. Так, если пропускать пары нафталина над катализатором, (пятиокись ванадия + сульфат калия) при 430 0C и соотношении воздух: нафталин=40: 1, то выход 1,4-нафтохинона при продолжительности контактирования 0,4 тек62 составляет 15%. Выход 1,4-нафтохинона достигает 25% при пропускании паров нафталина над пятиокисью ванадия (10%-ной) на пемзе при
* По данным статистического сборника НИИТЭХИМ (I960 г.), в ФРГ в 1957 г. произведено нафталина: сырого 110 000 т, горячего прессования- 87 700 т, чистого-11 500 т.-Прим. ред.
32
Глава /¦ Нафталин
418 0C (внешняя температура) "при продолжительности контактирования 0,13 сек и 6,5-кратном количестве воздуха против необходимого для полного окисления нафталина63. 1,4-Нафто-хинон можно получить окислением нафталина хромовым ангид ридом в подогретой ледяной уксусной килоте (выход неочищенного продукта 43%)61, перекисью водорода в уксусной кислоте (выход 20%)64 или электролитическим методом, применяя 1%-ную серную кислоту в качестве электролита и смесь нафталина и угля в платиновой сетке в качестве анода (выход 30,4%)65. О методе «И. Г, Фарбенпндустри» с применением бихромата и кислоты см. стр. 451. Запатентован специальный метод окисления?-метилнафталина в 2-метил-1,4-нафтохинон (витамин Кз, стр. 467-468)66, по которому i?-метилнафталин, растворенный в четыреххлористом углероде, окисляют водным раствором KjCr2O-.
Окисление с расщеплением кольца. При более глубоком окислении нафталина разрывается одно кольцо. Оставшееся бензольное кольцо сравнительно устойчиво к действию окислителей, так что при соответствующем выборе условий можно получить с высоким выходом фталевый ангидрид или фталевую кислоту. Производство этих соединений из нафталина имеет огромное техническое значение и подробно рассматривается ниже. Получены также соединения, соответствующие промежуточным ступеням окисления. В о-карбоксиаллокоричнон кислоте
сохраняются все десять углеродных атомов нафталинового ядра. Она получена следующим образом67:
Нафталин (10 г) смешивают с надуксусной кислотой (89 г 26%-иой кислоты). По мере протекания реакции углеводород переходит в раствор. Через 17 дней отфильтровывают о-карбоксналлокорнчную кислоту. Выход 5 г, т. пл. 203 °С.
Фталоновая кислота, содержащая 9 углеродных атомов
.CH=CH-COOH
XXXIV
.CO-COOH
COOH
XXXV
образуется как результат следующей стадии окисления68.
Окисление
33
Нафталин (12 кг) нагревают с KMnCU (75 кг) в воде (750 л) с обратным холодильником или под давлением до исчезновения окраски. Выход фталоновой кислоты хороший.
Производство фталевой кислоты и фталевого ангидрида.
Нафталин был всегда основным исходным материалом для производства фталевой кислоты и фталевого ангидрида, хотя в последнее время, особенно в связи с применением терефтала-гов в производстве полимеров, возрастает значение трех изомерных ксилолов в качестве сырья для получения фталевой, изофталевой и терефгалевой кислот. Тенденция к замене нафталина ксилолом будет усиливаться, так как цена чистых ксилолов снижается, а цена нафталина растет. Однако до сих пор 90% товарного фталевого ангидрида вырабатывается из нафталина.
Сначала фталевую кислоту получали окислением нафталина хромовой или азотной кислотой, но и конце XIX столетия повышение спроса на фталевый ангидрид для производства красителей послужило стимулом к разработке более дешевого способа его получения. В 1896 г. фирма BASF запатентовала способ, по которому нафталин окисляют 100%-ной серной кислотой (15 ч.) в присутствии HgSO4 (0,5 ч.) при 250-300 °С; процесс сопровождается выделением сернистого ангидрида и углекислоты69. Промышленное освоение этого более дешевого способа способствовало быстрому развитию производства синтетических іиндигоидов (через фталимнд и антраниловую кислоту). Во время первой мировой войны германские поставки в Америку и Великобританию были прекращены. Попытки химиков США освоить описанный в литературе жидкофазный способ получения фталевого ангидрида оказались неудачными: средний выход составлял только70 25%. В 1917 г. департамент сельского хозяйства США объявил о разработке в лаборатории каталитического парофазного метода. Позднее этот метод был принят для организации многотоннажных производств несколькими фирмами, получившими соответствующие патенты71. Много позже правильность выдачи этих патентов оспаривалась Волем («И. Г. Фарбениндустри»), разработавшим почти идентичный способ в то же самое время. В результате был подтвержден приоритет его патентов72,""так как в Германии способ был осуществлен практически несколькими днями раньше, чем в США. В 1922 г. Коновер и Гиббс70 (США) сообщили в печати о разработке ими способа, по которому пары нафталина и четырехкратный избыток воздуха пропускают над катализатором при 350-500 °С; в качестве катализатора применяется окись молибдена или пятиокись ванадия. Кроме того, испытано большое число других катализаторов с меньшим успехом.

Окисление исходных продуктов может проводиться в неподвижном слое катализатора, в трубчатых реакторах, имеющих несколько тысяч трубок. Отвод тепла осуществляется жидким теплоносителем - расплавом солей (нитрит-нитрат) или эвтектической смесью натрия и калия.

В качестве катализаторов окисления используют пентаоксид ванадия и диоксид титана (анатаз), имеющие селективность действия 77-83% (мол.). В промышленности применяют катализаторы с большим содержанием пентаоксида ванадия (фирмы "Фон Хейден" и "Вакер хеми") и катализаторы, содержащие до 10% пентаоксида ванадия (фирма БАСФ). В качестве стабилизирующего агента используют фосфор.

Окисление проводят при 623-673 К избытком кислорода воздуха при мольном отношении воздух: углеводород между 60 и 120, т.е. ниже нижнего предела области воспламенения.

При производстве фталевого ангидрида образуется большое количество газов. Основным методом выделения фталевого ангидрида является десублимация, осуществляемая в теплообменниках с ребристыми трубами, обтекаемыми в поперечном направлении газовой смесью. Таким образом удается собрать 99,5% фталевого ангидрида, находящегося в реакционном потоке.

Сырой фталевый ангидрид содержит различные кислоты: фталевую, малеиновую, бензойную. Целевой продукт выделяют дистилляцией под вакуумом.

Выход фталевого ангидрида при окислении о -ксилола составляет 75-80%, а при окислении нафталина – 85-88%.

При окислении до фталевого ангидрида (процесс "Шервин-Вильямс" нафталин переводится в жидкое состояние, испаряется и вводится в реактор на слой разогретого катализатора. Окисление нафталина кислородом воздуха проводят при 613-658 К. В качестве катализатора применяют оксид ванадия, нанесенный на силикагель.

Недостатками парофазных способов являются их взрывоопасность и необходимость работы с большим избытком воздуха, что снижает эффективность использования реакционного объема и создает большие трудности при выделении фталевого ангидрида из реакционной смеси. Проведение же процесса окисления в паровой фазе при высокой температуре (723 К) приводит к сгоранию значительной части сырья и превращению его в побочные продукты, т.е. к снижению выхода целевого продукта и усложнению очистки ангидрида-сырца от примесей.

10.3.2. Жидкофазное окисление о -ксилола или нафталина

В конце 1960-х годов в ФРГ был разработан способ получения фталевого ангидрида окислением о -ксилола в растворе уксусной кислоты в присутствии кобальтмарганцевых катализаторов, промотированных соединениями брома. Выход фталевого ангидрида составляет 85%. Однако из-за трудностей в подборе материалов для реактора и холодильников, стойких к парам уксусной кислоты и соединениям брома при высокой температуре, этот процесс не получил широкого распространения.

Процесс ВНИИОС

Этот процесс получения фталевого ангидрида окислением о -ксилола в жидкой фазе лишен недостатков парофазного и рассмотренного жидкофазного способов. Он обеспечивает селективность по фталевому ангидриду свыше 90%.

Процесс ВНИИОС состоит в совместном каталитическом окислении о -ксилола и метилового эфира о -толуиловой кислоты (о -метилтолуиат) кислородом воздуха под давлением. Образующийся при окислении о -метилтолуилата метиловый эфир о -фталевой кислоты при 463 К практически количественно распадается на фталевый ангидрид и метанол. Получающаяся при окислении о -ксилола о -толуиловая кислота этерифицируется метанолом до о -метилтолуилата, который вновь подается на окисление.

Процесс может быть описан следующими реакциями:

Процесс включает следующие стадии:

Совместное окисление о -ксилола и о -метилтолуилата;

Выделение фталевого ангидрида;

Этерификация о-толуиловой кислоты метанолом.

Процессы окисления о -ксилола и о -метилтолуилата протекают при одинаковых давлении и концентрации катализатора, близких расходах воздуха и описываются кинетическим уравнением:

где ω - скорость окисления сырья, моль/л · с); kн– наблюдаемая константа скорости, л/моль· с); с - концентрация сырья, моль/л; 1,2- порядок реакции по сырью.

Совместное окисление о -ксилола и о -метилтолуилата проводят в две стадии. Процесс осуществляют при давлении 1,0 МПа в интервале температур 453-473 К. При проведении процесса по непрерывной схеме наилучшие результаты были получены при использовании реактора полного смешения реагирующих веществ. Кинетические кривые, характеризующие изменение состава оксидата при совместном окислении компонентов в оптимальном режиме, представлены на рис. 10.6.

При времени пребывания сырья в зоне реакции 20 мин имели место максимальный выход продуктов и оптимальное соответствие между выходами фталевого ангидрида и о -толуиленовой кислоты.

Степень конверсии о -ксилола в о -толуиловую кислоту составляет 56%, а о- метилтолуилата во фталевый ангидрид - 25%. Суммарный выход целевых продуктов – 98%.

В результате совместного окисления о -ксилола и о -метилтолуилата получают оксидат сложного состава, содержащий непрореагировавший эфир, о -толуиловую кислоту, фталевый ангидрид, фталид и другие продукты. Фталевый ангидрид из этой смеси выделяют методом гидротации его во фталевую кислоту полуторным избытком воды по отношению к реакционной массе при 373-378 К и 0,12 МПа. Образующаяся фталевая кислота практически полностью растворяется в горячей воде. При охлаждении водного раствора до 313 К из него выделяют фталевую кислоту, которую при 503 К дегидратируют во фталевый ангидрид чистотой 99,9%.

Синтез метилового эфира о- толуиловой кислоты осуществляют в условиях некаталитической этерификации при сверхкритических для метанола температуре и давлении. В оптимальных условиях при мольном соотношении кислота:метанол, равном 1:10, конверсия кислоты составляет 98% при селективности 100%.

Принципиальная технологическая схема процесса получения фталевого ангидрида жидкофазным окислением о- ксилола представлена на рис.10.7.

Основные показатели паро- и жидкофазного процессов получения фталевого ангидрида приведены в табл. 10.2.

ФУМАРОВАЯ КИСЛОТА

Малеиновая (цис -этилен-1,2-дикарбоновая) и фумаровая (транс -этилен-1,2-дикарбоновая) кислоты

были впервые получены французским химиком Лассенем в 1819 г. дегидратацией яблочной кислоты. В 1919 г. Вейсс и Даунс (фирма "Баррет") показали возможность получения малеинового ангидрида парофазным окислением бензола над пентаоксидом ванадия.

Малеиновую кислоту применяют в производстве отверждающихся полимерных материалов, алкидных смол, винной и яблочной кислот. Фумаровую кислоту используют для получения полиэфиров вместо фталевого ангидрида, синтетических высыхающих масел, как заменитель винной и лимонной кислот.

Малеиновая и фумаровая кислоты по строению являются цис - и транс-формами. Обе кислоты при отщеплении воды образуют малеиновый ангидрид.

Фумаровую кислоту получают изомеризацией малеиновой кислоты.

Изомеризация проходит в водном растворе при 378 К в присутствии бромида аммония и персульфата аммония или соляной кислоты. Чистую фумаровую кислоту получают охлаждением реакционной массы и сушкой полученных кристаллов.

Малеиновая кислота легко теряет молекулу воды, переходя в ангидридную форму, а фумаровая кислота, в силу своей транс-структуры, теряет воду лишь в жестких условиях.