Trong công nghiệp, phenol được điều chế chủ yếu từ chất nào?

Phenol được điều chế chủ yếu từ cumen (isopropylbenzen) theo quy trình cumen. Cumen bị oxi hóa bằng oxi không khí thành cumen hiđroperoxit, sau đó thủy phân trong môi trường axit tạo phenol và axeton (acetone).

Viết phương trình điều chế phenol từ cumen?

Giai đoạn 1: C6H5CH(CH3)2 + O2 → C6H5C(CH3)2OOH. Giai đoạn 2: C6H5C(CH3)2OOH → C6H5OH + CH3COCH3 (xúc tác H2SO4 loãng). Tổng quát: C6H5CH(CH3)2 + O2 → C6H5OH + CH3COCH3.

Vì sao quy trình cumen được ưa chuộng để sản xuất phenol?

Vì nguyên liệu rẻ (benzen, propen từ dầu mỏ và oxi không khí), không tiêu tốn clo hay kiềm như các phương pháp cũ, ít chất thải và thu được thêm axeton là sản phẩm có giá trị.

Ngoài cumen, phenol còn được điều chế bằng cách nào?

Phenol còn được tách từ nhựa than đá, hoặc điều chế từ clobenzen bằng cách thủy phân với NaOH đặc ở nhiệt độ và áp suất cao rồi axit hóa. Các phương pháp này hiện ít dùng hơn quy trình cumen.

Điều chế phenol từ cumen (isopropylbenzen)

Điều chế phenol từ isopropylbenzen (cumen) là phương pháp công nghiệp chủ yếu hiện nay để sản xuất phenol, đồng thời thu được axeton. Phương pháp này có tên là quy trình cumen hay quy trình Hock, và là nội dung quen thuộc trong chương trình Hóa học 11.

Tên gọi theo SGK mới (GDPT 2018): cumene (isopropylbenzene), oxygen, acetone, phenol, sulfuric acid. Bài viết dùng song song tên cũ (cumen, oxi, axeton, axit sunfuric) và tên mới.

Sơ đồ điều chế phenol từ cumen

Benzen + propen → isopropylbenzen (cumen) → cumen hiđroperoxit → phenol + axeton

Quá trình gồm ba giai đoạn, cùng sử dụng nguyên liệu rẻ từ dầu mỏ và oxi không khí.

Phương trình phản ứng từng giai đoạn

Giai đoạn 1: Điều chế cumen từ benzen và propen

C₆H₆ + CH₂=CH–CH₃ → C₆H₅CH(CH₃)₂ (xúc tác axit hoặc zeolit, t°)

Chi tiết về xúc tác và cơ chế xem bài điều chế isopropylbenzen.

Giai đoạn 2: Oxi hóa cumen thành cumen hiđroperoxit

Sục không khí vào isopropylbenzen lỏng (đun nóng, môi trường hơi kiềm). Oxi tấn công nguyên tử H ở cacbon bậc ba gắn với vòng benzen — vị trí H linh động nhất trong phân tử:

C₆H₅CH(CH₃)₂ + O₂ → C₆H₅C(CH₃)₂–O–OH

Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc tự do. Người ta thường chỉ cho chuyển hóa một phần cumen trong mỗi lượt để hạn chế sản phẩm phụ, phần cumen chưa phản ứng được thu hồi và quay vòng.

Giai đoạn 3: Thủy phân cumen hiđroperoxit trong môi trường axit

Cumen hiđroperoxit được xử lý bằng axit (thường là H₂SO₄ loãng), xảy ra chuyển vị Hock rồi phân cắt thành phenol và axeton:

C₆H₅C(CH₃)₂OOH → C₆H₅OH + CH₃COCH₃ (H⁺)

Phương trình tổng quát

Gộp giai đoạn 2 và 3:

C₆H₅CH(CH₃)₂ + O₂ → C₆H₅OH + CH₃COCH₃

Tính từ nguyên liệu đầu:

C₆H₆ + CH₂=CH–CH₃ + O₂ → C₆H₅OH + CH₃COCH₃

Cơ chế chuyển vị Hock (tham khảo)

Nhóm –OOH của hiđroperoxit bị proton hóa bởi H⁺.
Phân tử H₂O tách ra, nhóm phenyl chuyển từ cacbon sang oxi, tạo cation có điện tích dương trên cacbon liên kết với oxi.
Nước cộng vào cation, tạo hemiaxetal không bền.
Hemiaxetal phân hủy thành phenol và axeton, giải phóng lại H⁺.

Điểm mấu chốt: nhóm phenyl có khả năng chuyển vị cao hơn nhóm metyl, nên sản phẩm là phenol + axeton chứ không phải metanol + axetophenon.

Ưu điểm và hạn chế của quy trình cumen

Ưu điểm	Hạn chế
Nguyên liệu rẻ: benzen, propen, không khí	Tỉ lệ phenol : axeton cố định (~1 : 0,62 theo khối lượng)
Không dùng clo, NaOH như phương pháp cũ	Lợi nhuận phụ thuộc giá cả hai sản phẩm
Thu thêm axeton có giá trị thương mại	Cumen hiđroperoxit dễ phân hủy, cần kiểm soát an toàn chặt
Ít chất thải, hiệu suất cao	Sản phẩm phụ: α-metylstiren, axetophenon

So sánh với các phương pháp điều chế phenol khác

Từ clobenzen: C₆H₅Cl + 2NaOH → C₆H₅ONa + NaCl + H₂O (NaOH đặc, nhiệt độ và áp suất cao), sau đó C₆H₅ONa + HCl → C₆H₅OH + NaCl. Tốn clo và kiềm, điều kiện khắc nghiệt.
Từ nhựa than đá: tách phenol có sẵn trong nhựa than đá; sản lượng nhỏ, phụ thuộc ngành luyện cốc.

Vì vậy, phần lớn phenol trên thế giới hiện nay được sản xuất từ isopropylbenzen.

Bài tập điều chế phenol từ cumen

Bài 1. Điều chế phenol từ 2 tấn cumen với hiệu suất cả quá trình 90%. Tính khối lượng phenol và axeton thu được.

Lời giải: n(cumen) = 2000 : 120 ≈ 16,667 kmol → n(phenol) = n(axeton) = 16,667 × 0,9 = 15 kmol. m(phenol) = 15 × 94 = 1410 kg; m(axeton) = 15 × 58 = 870 kg.

Bài 2. Cần bao nhiêu tấn cumen để sản xuất 1 tấn phenol, biết hiệu suất cả quá trình là 80%?

Lời giải: n(phenol) = 1000 : 94 ≈ 10,638 kmol → n(cumen) cần = 10,638 : 0,8 ≈ 13,298 kmol. m(cumen) = 13,298 × 120 ≈ 1595,7 kg ≈ 1,6 tấn.

Xem thêm: bài tập isopropylbenzen có lời giải và trắc nghiệm isopropylbenzen.

Điều chế phenol từ isopropylbenzen (cumene) – quy trình cumen chi tiết