Изопропилбензол

Изопропилбензол (кумол, 2-фенилпропан) — ароматическое органическое соединение, производное бензола, в котором один атом водорода замещён изопропильной группой (CH(CH₃)₂). Относится к классу алкилбензолов. Представляет собой бесцветную легковоспламеняющуюся жидкость с характерным запахом, практически нерастворимую в воде, но смешивающуюся с большинством органических растворителей. Является важным промышленным сырьём, главным образом для получения фенола и ацетона (кумольный метод), а также используется как компонент моторных топлив и растворитель.

История

Изопропилбензол был впервые синтезирован в 1840-х годах. Однако его промышленное значение возросло в середине XX века, когда был разработан и внедрён кумольный метод получения фенола и ацетона. До этого фенол получали в основном из каменноугольной смолы, а ацетон — из уксусной кислоты или пиролизом древесины. Разработка процесса окисления кумола (изопропилбензола) до гидропероксида кумола с последующим его кислотным разложением на фенол и ацетон стала значительным достижением в нефтехимии. Первое промышленное производство по этому методу было запущено в 1950-х годах в США и СССР. С тех пор кумольный метод остаётся основным способом получения фенола и ацетона в мире.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Изопропилбензол — бесцветная жидкость с характерным бензиновым запахом. Основные физические константы:

• Молекулярная масса: 120,19 г/моль.
• Температура плавления: −96,0 °C.
• Температура кипения: 152,4 °C (при 760 мм рт. ст.).
• Плотность: 0,864 г/см³ (при 20 °C).
• Показатель преломления: 1,4915 (при 20 °C).
• Растворимость в воде: 0,01 г/л (при 20 °C).
• Хорошо растворим в этаноле, диэтиловом эфире, ацетоне, бензоле, хлороформе.
• Температура вспышки: 31 °C (в закрытом тигле).
• Температура самовоспламенения: 420 °C.
• Пределы взрываемости в воздухе: 0,9–6,5 % по объёму.

Химические свойства

Изопропилбензол вступает в реакции, характерные для ароматических углеводородов, а также обладает специфическими свойствами, обусловленными наличием изопропильной группы.

• Электрофильное замещение: Вступает в реакции нитрования, сульфирования, галогенирования, алкилирования. Изопропильная группа является заместителем первого рода (электронодонором), поэтому реакции замещения идут преимущественно в орто- и пара-положения.
• Окисление: Наиболее важная в промышленности реакция. При окислении изопропилбензола кислородом воздуха (в присутствии инициаторов или катализаторов) образуется гидропероксид кумола (C₆H₅C(CH₃)₂OOH). При кислотном разложении гидропероксида кумола образуются фенол и ацетон.
• Дегидрирование: При нагревании в присутствии катализаторов (например, оксида хрома) изопропилбензол дегидрируется до α-метилстирола.
• Крекинг: При высоких температурах (выше 500 °C) может расщепляться с образованием бензола и пропилена.

Получение

Основным промышленным методом получения изопропилбензола является алкилирование бензола пропиленом в присутствии кислотных катализаторов. Реакция протекает по механизму электрофильного замещения.

Реакция: C₆H₆ + CH₃CH=CH₂ → C₆H₅CH(CH₃)₂

В качестве катализаторов используются:

• Хлорид алюминия (AlCl₃): Традиционный катализатор, процесс ведётся при температуре 50–80 °C и давлении, близком к атмосферному. Требует отделения катализатора от продуктов реакции.
• Фтористый водород (HF): Более современный катализатор, обеспечивающий высокую селективность и конверсию. Процесс ведётся при температуре 30–50 °C и давлении 0,5–1,0 МПа. HF легко регенерируется.
• Цеолиты: Твёрдые кислотные катализаторы, которые позволяют проводить процесс в газовой фазе при 200–300 °C. Они менее коррозионны и более экологичны, чем жидкие кислоты.

В процессе алкилирования образуются также побочные продукты: диизопропилбензолы (1,3- и 1,4-изомеры) и триизопропилбензолы. Для повышения выхода целевого продукта побочные алкилбензолы подвергают трансалкилированию (переалкилированию) с бензолом.

Применение

Производство фенола и ацетона (кумольный метод)

Это основное и наиболее важное применение изопропилбензола. На долю кумольного метода приходится более 90 % мирового производства фенола и около 80 % производства ацетона. Процесс включает две стадии:

1. Окисление кумола: Кумол окисляется кислородом воздуха при 100–120 °C и давлении 0,3–0,5 МПа. В результате образуется гидропероксид кумола (ГПК). Реакция является радикально-цепной.
2. Разложение ГПК: Гидропероксид кумола разлагается в присутствии серной кислоты (или других кислот) при 50–80 °C. Реакция экзотермична, протекает с образованием фенола и ацетона.

Побочным продуктом является α-метилстирол, который может быть гидрирован обратно в кумол.

Другие области применения

• Компонент моторных топлив: Изопропилбензол обладает высоким октановым числом (около 100 по исследовательскому методу) и используется как высокооктановая добавка к бензинам, а также входит в состав авиационного топлива.
• Растворитель: Применяется в лакокрасочной промышленности, для растворения жиров, масел, смол, каучуков. Используется в производстве клеев, печатных красок, средств для удаления лаков.
• Сырьё для органического синтеза: Из изопропилбензола получают α-метилстирол (мономер для синтеза каучуков и пластмасс), диизопропилбензолы (используемые в производстве полимеров и как высокотемпературные теплоносители), а также другие органические соединения.
• Производство гидропероксида кумола: Гидропероксид кумола, помимо разложения на фенол и ацетон, применяется как инициатор радикальной полимеризации и как окислитель в некоторых химических процессах.

Токсичность и безопасность

Изопропилбензол относится к веществам 3-го класса опасности (умеренно опасные вещества) по степени воздействия на организм человека. Он обладает наркотическим действием и раздражает кожу и слизистые оболочки. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны составляет 50 мг/м³. При вдыхании паров может вызывать головную боль, головокружение, тошноту, раздражение дыхательных путей. При попадании на кожу — дерматиты. При длительном контакте возможно поражение центральной нервной системы и печени.

Изопропилбензол является легковоспламеняющейся жидкостью. Его пары образуют с воздухом взрывоопасные смеси. При работе с ним необходимо соблюдать меры пожарной безопасности: исключить открытый огонь, искры, использовать взрывозащищённое оборудование и вентиляцию. Хранят изопропилбензол в герметичных ёмкостях из углеродистой стали или алюминия, в прохладных, хорошо вентилируемых помещениях, вдали от источников тепла и окислителей.

Экологические аспекты

Попадание изопропилбензола в окружающую среду происходит в основном при его производстве, транспортировке и использовании. В воде он практически не растворяется, но может образовывать плёнку на поверхности, затрудняя газообмен. В почве он способен мигрировать в грунтовые воды. В атмосфере изопропилбензол может вступать в фотохимические реакции с оксидами азота, способствуя образованию смога. Для предотвращения загрязнения окружающей среды необходимо строго соблюдать технологические регламенты, проводить очистку выбросов и сточных вод, а также оперативно ликвидировать разливы. При разливе следует собрать жидкость сорбентами (песок, опилки, специальные нефтепоглощающие материалы) и утилизировать.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Караханов Э. А. Нефтехимический синтез. — М.: Издательство МГУ, 2000.
• Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. — М.: Химия, 1988.
• Паушкин Я. М., Адельсон С. В., Вишнякова Т. П. Технология нефтехимического синтеза. — М.: Химия, 1973.
• Weissermel K., Arpe H.-J. Industrial Organic Chemistry. — 4th ed. — Wiley-VCH, 2003.