Номер 71, страница 93 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.71. Раньше фенол получали взаимодействием хлорбензола или бензолсульфокислоты с гидроксидом натрия. Чем эти методы проигрывают современному кумольному методу?

Решение

Для ответа на этот вопрос необходимо сравнить экономические, технологические и экологические аспекты трех процессов получения фенола: из хлорбензола, из бензолсульфокислоты и современного кумольного метода.

1. Метод получения из хлорбензола (процесс Доу)

Исторически этот метод заключался в щелочном гидролизе хлорбензола. Процесс протекает в две стадии:

$C_6H_5Cl + 2NaOH \xrightarrow{360-390^\circ C, 25-30 \text{ МПа}} C_6H_5ONa + NaCl + H_2O$
Далее фенолят натрия обрабатывают кислотой (например, углекислым газом) для получения фенола:
$2C_6H_5ONa + CO_2 + H_2O \rightarrow 2C_6H_5OH + Na_2CO_3$

Недостатки этого метода:
• Жесткие условия реакции. Требуются очень высокие температура и давление, что ведет к огромным энергозатратам и необходимости использования сложного и дорогого оборудования.
• Проблемы с сырьем. Связь углерод-хлор в хлорбензоле очень прочна из-за сопряжения с ароматическим кольцом, поэтому для ее разрыва нужны экстремальные условия.
• Образование отходов. В качестве побочного продукта образуется большое количество хлорида натрия ($NaCl$), который имеет низкую ценность и требует утилизации. Также возможны побочные реакции с образованием, например, дифенилового эфира.
• Коррозия. Агрессивная среда (щелочь при высокой температуре и давлении) вызывает сильную коррозию оборудования.

2. Метод получения из бензолсульфокислоты

Этот метод также является многостадийным:

1. Сульфирование бензола дымящей серной кислотой (олеумом):
$C_6H_6 + H_2SO_4 (\text{олеум}) \rightarrow C_6H_5SO_3H + H_2O$
2. Нейтрализация и сплавление натриевой соли бензолсульфокислоты с гидроксидом натрия при высокой температуре:
$C_6H_5SO_3Na + 2NaOH \xrightarrow{300-350^\circ C} C_6H_5ONa + Na_2SO_3 + H_2O$
3. Выделение фенола из фенолята натрия подкислением:
$2C_6H_5ONa + SO_2 + H_2O \rightarrow 2C_6H_5OH + Na_2SO_3$

Недостатки этого метода:
• Большое количество отходов. Это главный недостаток. На каждую молекулу фенола образуется как минимум одна молекула сульфита натрия ($Na_2SO_3$). Это приводит к огромному расходу реагентов и образованию тонн неорганических отходов, что делает процесс неэкономичным и экологически грязным.
• Высокие энергозатраты. Стадия щелочного плавления требует высоких температур ($300-350^\circ C$).
• Использование опасных реагентов. Применение олеума требует специальных мер предосторожности.

3. Современный кумольный метод (процесс Хока)

Это основной промышленный метод, используемый сегодня. Он основан на алкилировании бензола пропеном с последующим окислением и кислотным расщеплением.

1. Получение кумола (изопропилбензола):
$C_6H_6 + CH_2=CH-CH_3 \xrightarrow{\text{катализатор}} C_6H_5CH(CH_3)_2$
2. Окисление кумола кислородом воздуха в гидропероксид кумола:
$C_6H_5CH(CH_3)_2 + O_2 \xrightarrow{95-135^\circ C} C_6H_5C(CH_3)_2OOH$
3. Разложение гидропероксида на фенол и ацетон в кислой среде:
$C_6H_5C(CH_3)_2OOH \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_5OH + (CH_3)_2C=O$

Преимущества кумольного метода:
• Экономическая эффективность. Ключевое преимущество — образование второго ценного коммерческого продукта, ацетона, в сопоставимом количестве (на 1 тонну фенола образуется около 0.6 тонны ацетона). Это делает процесс высокорентабельным. В старых методах побочные продукты являются отходами.
• Высокая атомная экономия. Процесс практически безотходный. Почти все атомы исходных веществ (бензола и пропена) входят в состав конечных ценных продуктов.
• Мягкие условия. Реакции протекают при относительно низких температурах и давлениях, что снижает затраты на энергию и оборудование.
• Дешевое сырье. Бензол и пропен — доступные и недорогие продукты нефтепереработки.

Ответ: Старые методы получения фенола (из хлорбензола и бензолсульфокислоты) проигрывают современному кумольному методу в первую очередь по экономическим и экологическим показателям. Они требуют жестких условий (высокая температура и давление), что приводит к большим энергозатратам, и генерируют большое количество отходов в виде неорганических солей ($NaCl$, $Na_2SO_3$), утилизация которых проблематична. Ключевое преимущество кумольного метода заключается в том, что наряду с фенолом он производит второй ценный и востребованный продукт — ацетон. Это, в сочетании с более мягкими условиями процесса и высокой атомной экономией (практически без отходов), делает его несравненно более эффективным и рентабельным.