IsopropylbenzenĐiều chế isopropylbenzen (cumen) trong phòng thí nghiệm và công nghiệp
Cách điều chế isopropylbenzen (cumen) từ benzen và propen bằng phản ứng ankyl hóa Friedel–Crafts, xúc tác zeolit trong công nghiệp và phương trình minh họa.
Biên soạn: Ban biên tập IsopropylbenzenCập nhật:
Theo SGK chương trình mới (GDPT 2018): các chất trong bài được gọi là benzene, propene (propylene), cumene (isopropylbenzene). Bài viết dùng song song tên cũ và tên mới.
Về nguyên tắc, isopropylbenzen được điều chế bằng cách gắn nhóm isopropyl vào vòng benzen — phản ứng ankyl hóa Friedel–Crafts. Tác nhân ankyl hóa có thể là propen (propilen), dẫn xuất halogen hoặc ancol isopropylic, với xúc tác là axit.
Phương trình điều chế isopropylbenzen từ benzen và propen
Đây là phương trình được dùng trong cả sách giáo khoa và công nghiệp:
C6H6 + CH2=CH–CH3 → C6H5CH(CH3)2 (xúc tác H+, t°)
Vì sao sản phẩm là isopropylbenzen mà không phải propylbenzen?
Proton H+ cộng vào propen theo quy tắc Markovnikov: H gắn vào C đầu mạch (C có nhiều H hơn), tạo cacbocation isopropyl (CH3)2CH+ bậc hai — bền hơn cacbocation propyl bậc một. Cacbocation này tấn công vòng benzen (thế electrophin), sau đó tách H+ để tái tạo hệ thơm:
- CH2=CH–CH3 + H+ → (CH3)2CH+
- C6H6 + (CH3)2CH+ → [C6H6–CH(CH3)2]+
- [C6H6–CH(CH3)2]+ → C6H5CH(CH3)2 + H+
Điều chế isopropylbenzen trong phòng thí nghiệm
Từ dẫn xuất halogen (xúc tác AlCl3 khan):
C6H6 + CH3CHClCH3 → C6H5CH(CH3)2 + HCl
Dùng 1-clopropan CH3CH2CH2Cl cũng thu được isopropylbenzen là sản phẩm chính do chuyển vị cacbocation — một ví dụ kinh điển về hạn chế của phản ứng ankyl hóa Friedel–Crafts.
Từ ancol isopropylic (xúc tác H2SO4 đặc hoặc H3PO4):
C6H6 + (CH3)2CHOH → C6H5CH(CH3)2 + H2O
Sản xuất isopropylbenzen trong công nghiệp
Trong công nghiệp, isopropylbenzen được sản xuất bằng phản ứng giữa benzen và propylen (lấy từ quá trình cracking dầu mỏ), thường ở pha lỏng.
Các thế hệ xúc tác
| Thế hệ | Xúc tác | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Cũ | Axit photphoric rắn (SPA) | Rẻ nhưng hiệu suất chọn lọc thấp hơn, không tái sinh được |
| Cũ | AlCl3 / HCl | Hoạt tính cao nhưng ăn mòn thiết bị, tạo chất thải axit |
| Hiện đại | Zeolit (như beta, MCM-22…) | Chọn lọc cao, tái sinh được, ít chất thải — là công nghệ phổ biến hiện nay |
Sơ đồ quy trình (tóm tắt)
- Ankyl hóa: benzen (lấy dư) và propylen phản ứng trên lớp xúc tác zeolit.
- Chuyển ankyl hóa (transalkylation): sản phẩm phụ điisopropylbenzen phản ứng với benzen để tạo thêm cumen: C6H4[CH(CH3)2]2 + C6H6 → 2C6H5CH(CH3)2
- Chưng cất: tách benzen dư (hồi lưu về đầu quy trình), thu isopropylbenzen tinh khiết và các sản phẩm nặng.
Gần như toàn bộ isopropylbenzen sản xuất ra được chuyển ngay sang công đoạn sản xuất phenol và axeton, thường đặt cùng một tổ hợp nhà máy. Xem tiếp: ứng dụng của isopropylbenzen.
Nguồn tự nhiên
Isopropylbenzen có sẵn với hàm lượng nhỏ trong dầu thô và các sản phẩm chưng cất như xăng, nhiên liệu phản lực; nó cũng phát thải từ khí thải động cơ và quá trình đốt cháy không hoàn toàn. Tuy nhiên, nguồn này không có ý nghĩa thương mại.
Nguồn tham khảo
Câu hỏi thường gặp
Benzen tác dụng với propen tạo ra sản phẩm gì?
Khi có xúc tác axit (H2SO4, H3PO4, AlCl3/HCl hoặc zeolit), benzen cộng với propen tạo sản phẩm chính là isopropylbenzen (cumen), không phải propylbenzen, vì phản ứng đi qua cacbocation isopropyl bậc hai bền hơn.
Vì sao dùng dư benzen khi sản xuất isopropylbenzen?
Isopropylbenzen hoạt động hơn benzen nên dễ bị ankyl hóa tiếp thành điisopropylbenzen. Dùng dư benzen làm giảm sản phẩm phụ này; phần điisopropylbenzen còn lại được chuyển ankyl hóa với benzen để thu hồi thêm cumen.
Có thể điều chế isopropylbenzen từ 1-clopropan không?
Có. Phản ứng Friedel–Crafts giữa benzen và 1-clopropan (xúc tác AlCl3) cho sản phẩm chính là isopropylbenzen do cacbocation propyl bậc một chuyển vị thành cacbocation isopropyl bậc hai bền hơn.