3.1. Процессы гидратации в органическом синтезе. Производство этанола прямой гидратацией этилена. Химизм процесса. Катализаторы.

Гидратация, присоединение воды к молекулам, атомам или ионам.

Гидратация орг. соед. обычно осуществляется в р-рах в присут. щелочных или кислотных катализаторов, а в паровой фазе при повыш. т-рах и давлениях в присут., напр., фосфатов Сu, Zn, Cd, оксидов W, А12О3 с разл. добавками. Широко изучена гидратация олефинов. Присоединение воды по двойным связям олефинов в присут. сильных неорг. к-т, часто вместе с солями ртути, реализуется по правилу Марковникова и приводит к вторичным и третичным спиртам. Первая стадия р-ции - медленное присоединение протона по двойной связи с образованием карбкатиона, к-рый затем быстро реагирует с анионом ОН-.

 Производство этанола прямой гидратацией этилена

Этанол C2H5OH является одним из крупномасштабных продуктов основного орг. синтеза. Он используется в пр-ве альдегида, в качестве раст-ля в лакокрасочной, фармацевтической пром-ти, в производстве взрывчатых в-в, сырья для пр-ва каучука, компонентов ракетного топлива и других орг. продуктов.

Осн. пром. способ получения синтетич. этилового спирта - прямая каталитическая гидратация.

 Химизм процесса

Процесс основан на обратимой реакции, протекающей с увеличением обьема и выделением теплоты:

CH2=CH2(г) + H2O = C2H5OH(г) +Q.

Равновесие может быть сдвинуто в сторону образования спирта применением высокого давления и понижением температуры. Однако применение высокого давления повышает затраты, а низкие температуры снижают скорость реакции.

 Механизм прямой гидратации олефинов в присутствии фосфорной кислоты

Первая стадия заключается в физическом растворении этилена в плёнке фосфорной кислоты на поверхности носителя. Затем происходит отщепление протона от молекулы кислоты:

H3PO4 ↔ Н+ + H2PO4-

Этилен образует с протоном π-комплекс, который переходит в более стабильный ион карбония. Далее ион карбония взаимодействует с водой за счёт неподелённой электронной пары атома кислорода; в данном случае проявляется нуклеофильность воды, обладающей амфотерными свойствами. В результате образуется ион алкоксония, который отщепляет протон с образованием спирта:

 С2Н4 + Н+ ↔ π-комплекс ↔ CH2+CH3 + H2O ↔ CH2(H2O)+CH3 ↔ C2H5OH + Н+

Побочные продукты

За счёт взаимодействия иона карбония со спиртом образуется диэтиловый эфир:

C2H5OH + CH2+CH3 → (С2Н5)2О + H2

За счёт дегидрирования спирта образуется ацетальдегид

C2H5OH → C2H4O + H2

Путём полимеризации этилена образуются полимеры:

CH2+CH3 + CH2CH2 → CH2+CH3CH2CH2

 Катализатор

В качестве катализатора используют фосфорную кислоту (H3PO4), нанесенную на пористые носители (силикагель (SiO2), алюмосиликат). Катализ осуществляется в пленке кислоты, находящейся в жидком состоянии на поверхности носителя.

При высоком давлении усиливается адсорбция водяных паров фосфорной к-ты, концентрация её снижается, и это тоже один из факторов, отриц, влияния повышенного давления.

 Оптимальными условиями проведения процесса явл.: Т-550-590К; Р-7-8Мпа; соотношение H2O:C2H4 = 0,6:1; объёмная скорость парогазовой смеси 1800-2500 ч-1; время контакта-18-20с. Выход этанола-95%,диэтилового эфира-2-3%,ацетальдегида-1-2%, полимеров-1-2%.Процесс осуществляется по циркуляционной схеме, при которой реакционную массу многократно пропускают ч/з слой катализатора. Концентрация этилена-98-99%. Нижний предел-85%.Из цирк-ей реакц-ой массы требуется непрерывный отвод полученного этанола. Он осущ-ся методом конденсации, при этом вода, как правило менее летучий комп. конденсируется с большей полнотой. Вода нежелательный комп.,т.к. пропадает активность kt. Поэтому актуальным явл. возможно полная утилизация тепла непрореагировавшего в. п посредством т/обмена м/у потоками, выход. из реактора и вход. в него газ. смесями. Необходимо вести непрерывную подпитку H3PO4 для компенсации её потерь при уносе с газообразными продуктами. Kt могут служить разб. (10-30%) р-ры H2SO4 и H3PO4 в условиях высоких Т и Р. Но в этих условиях данные к-ты обладают  очень большой агрессивностью в отношении корр.

Конструктор сайтов - uCoz