Chương 2. CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ TỔNG
2.3. QUÁ TRÌNH HALOGEN HÓA
2.3.2. Clo hóa chuỗi gốc
Tất cả những quá trình halogen hóa, theo cơ chế của chúng mà chia ra làm 2 nhóm: gốc chuỗi và xúc tác ion. Nhóm 1 gồm các phản ứng thay thế nguyên tử hyđro trong parafin, olefin và hyđrocacbon thơm, cũng như quá trình kết hợp halogen theo liên kết cacbon – cacbon trong anken, ankin và trong vòng thơm.
* Cơ sở lý thuyết của quá trình:
+ Cơ chế phản ứng
Những quá trình này liên quan tới những phản ứng chuỗi không phân nhánh, qua sự tạo thành trung gian của nguyên tử clo và của gốc tự do.
+ Sự hình thành chuỗi: Khi tiến hành clo hóa theo phương pháp nhiệt (clo hóa nhiệt ) ở pha khí, quá trình hình thành gốc tự do đạt được nhờ sự cắt phân tử clo dưới tác động của nhiệt độ cao, cùng với sự tham gia của thành hoặc nắp bình phản ứng, nhờ quá trình hấp thu hóa học, mà làm giảm nhẹ sự bẻ gãy nối Cl-Cl:
Đôi khi clo hóa nhiệt xảy ra ở nhiệt độ vừa phải (100 – 200oC), nhiệt độ này không đủ để phá vỡ liên kết Cl-Cl. Gốc tự do trong trường hợp này, được tạo thành khi tương tác qua lại của clo và những chất hữu cơ khác:
Khi clo hóa quang hóa, quá trình cắt mạch phân tử clo đạt được nhờ quá trình hấp thụ năng lượng lượng tử, ví dụ khi chiếu bằng chùm tia cực tím:
Cuối cùng, khi clo hóa hóa học, người ta thêm chất khởi đầu, nghĩa là chất có khả năng bị phân hủy thành gốc tự do ở nhiệt độ vừa phải, thường là peroxit benzoil và 2,2 – azo – bis (izobutylronitril). Gốc tự do tạo thành khi tương tác với phân tử clo nhanh chóng cho gốc clo:
Quá trình phát triển chuỗi mạch: nó xảy ra nhờ sự hình thành của nguyên tử clo trong giai đoạn hình thành chuỗi. Khi thay thế mắt xích của chuỗi từ 2 phản ứng đơn giản lặp lại:
Quá trình kết hợp với olefin xảy ra như sau:
Quá trình kết hợp phức tạp hơn theo nối Cthơm-Cthơm
Chiều dài của chuỗi, nghĩa là số mắt xích trong đó, khi clo hóa những chất tinh khiết có thể đạt tới mười ngàn. Khi dùng những chất kỹ thuật, chuỗi chỉ gồm khoảng mấy trăm mắt xích.
Quá trình ngắt mạch: Khi clo hóa ở pha khí, thường xảy ra quá trình đứt chuỗi trên thành hoặc nắp bình.
Đáng chú ý là những trường hợp ngắt mạch kết hợp đặc trưng cho quá trình pha lỏng. Quá trình đứt chuỗi xảy ra trên gốc hyđrocacbon (clo hóa hyđrocacbon), trên nguyên tử clo (clo hóa dẫn xuất clo) hoặc trong một số trường hợp bằng cách kết hợp gốc.
Cuối cùng, quá trình đứt chuỗi có thể xảy ra trong những chất ức chế khác nhau (phenol, hợp chất lưu huỳnh, oxi).
+ Những sản phẩm thu được:
Bằng phương pháp clo hóa pha lỏng chuỗi gốc, người ta thu được nhiều sản phẩm. Polycloetan: 1,1,2 – tricloetan Cl2CHCH2Cl là chất lỏng, có nhiệt độ sôi 113.9OC. Người ta thu được nó từ 1,2-dicloetan ,cùng sự tạo thành sản phẩm phụ 1,1,2,2 và 1,1,1,2-tetracloetan. Nó được dùng để sản xuất monome chính là vinylidenclorua CH2 = CCl2 1,1,1–tricloetan hoặc metylcloroform CH3CCl3 là chất lỏng, có nhiệt độ sôi 74,1oC, thu được từ 1,1–dicloeetan, với sản phẩm phụ là 1,1,2- tricloetan và tetracloetan. Nó dùng làm dung môi rất tốt và được sản xuất với khối lượng lớn. Cách khác để thu được nó là hyđroclo hóa vinylidenclorua.
Pentacloetan: CCl3CHCl2, chất lỏng, có nhiệt độ sôi 186,80C, nó được tổng hợp bằng cách clo hóa 1,2–dicloetan hoặc 1,1,2,2- tetracloetan. Nó được dùng để chế biến dung môi cần thiết – tetracloetylen CCl=CCl2, hecxacloetan - CCl3CCl3, là tinh thể (nhiệt độ bốc cháy 185,60), thu được bằng cách clo hóa triệt để bất cứ cloetan nào. Nó
được dùng để sản xuất triflo-tricloetan Cl2CFCF2Cl (dung môi) và đặc biệt là triflocloetylen CClF=CF2 (monome) và freon.
Cloparafin có rất nhiều loại với công dụng khác nhau. Cloparafin-1,3 chứa 12 – 14% clo, thu được từ phân đoạn dầu lửa hoặc phân đoạn hẹp hơn (C12 - C16) của dầu parafin, cũng như từ hỗn hợp n–parafin tách ra từ những phân đoạn tương ứng. Nó là monocloalkan bậc 2 với hỗn hợp đồng bậc I và dẫn xuất diclo. Người ta dùng nó để tổng hợp chất hoạt động bề mặt loại ankylaren sunfonat.
Cloparafin lỏng chứa từ 40 đến 49%, được dùng làm chất hóa dẻo (đặc biệt đối với polyvinylclorua) và chất phụ gia cho mỡ bôi trơn.
Cloparafin rắn chứa 70-72% clo, dùng làm phụ da cho nhựa và cao su để tăng độ chống cháy cho chúng.
Dẫn xuất clo của aren: benzylclorua C6H5CH2Cl, là chất lỏng, sôi ở 179,30C.
Người ta thu được bằng clo hóa toluen với sự tạo thành sản phẩm phụ là benzalclorua C6H5CHCl2,benzotriclorua C6H5CCl3 và clotoluen ClC6H4CH3. Benzylclorua được ứng dụng trong các quá trình đưa nhóm benzyl vào những chất khác như điều chế benzylxenlulo, benzyl ete, benzyl ancol, benzyl amin, butyl bezyl phtalat (chất rất dẻo) và những chất khác.
P-xilendiclorua ClCH2C6H4CH2Cl được sản xuất bằng clo hóa p-xilen và dùng để tổng hợp polyme bền nhiệt.
Hexaclo-m và hexaclo-p-xilen Cl3C-C6H4-CCl3 là tinh thể; người ta thu nó bằng cách clo hóa m- và p- xilen tương ứng. Nó dùng để sản xuất dicloanhiđrit izo-phtalic axit [C6H4(COCl)2] (tạo thành khi hyđro hóa hexaclorit). Ngoài ra, hexaclo-p-xilen là dược phẩm để chữa bệnh.
1,2,3,4,5,6-hexacloxyclohexan, hoặc hexacloran C6H6Cl6 thu được bằng cách cộng Cl2 vào benzen với quá trình tạo thành sản phẩm phụ heptavà octa- cloxyclohexan. Sản phẩm kỹ thuật là hỗn hợp 8 đồng phân lập thể, trong số đó chỉ có đồng phân α là có hoạt tính để làm thuốc trừ sâu (tinh thể, nóng chảy 112-1130C).
Hàm lượng của nó trong sản phẩm kỹ thuật là 11-18%, bởi vậy người ta thực hiện tuyển tính đồng phân γ, bằng cách chiết tách để thu được sản phẩm giàu hexacloran có chứa 80-90%, đồng phân γ và được gọi là lindan (99% đồng phân γ). Những đồng phân còn lại để xử lý thành triclobenzen, bằng cách đehyđroclohóa. Hexacloran được dùng làm thuốc trừ sâu.
+ Điều kiện của quá trình và các dạng thiết bị phản ứng:
Người ta thực hiện clo hóa pha lỏng, bằng cách làm sủi bọt clo dạng khí qua lớp chất lỏng phản ứng. Clo hòa tan trong chất lỏng và phản ứng xảy ra trong dung dịch.
Trong nhiều trường hợp, môi trường lỏng chính là những tác nhân hữu cơ, với lượng dư nhiều dễ tránh quá trình clo hóa sâu. Sản phẩm tạo thành ngày càng tăng, tỷ trọng của hỗn hợp cũng tăng, người ta dùng tỷ trọng để kiểm tra mức độ chuyển hóa. Khi chế biến polycloparafin và hexacloxilen lỏng, thành phần pha lỏng thay đổi trong quá
trình phản ứng đến khi tạo thành sản phẩm sệt hoặc nóng chảy. Cuối cùng, khi chế biến polycloparafin rắn và polyme đã clo hóa, để đồng nhất tốt hỗn hợp, người ta dùng dung môi (tetraclometan, o-diclobenzen).
Trong công nghiệp, người ta sử dụng tác nhân quang hóa hoặc hóa học trong giai đọan khởi đầu. Phương pháp 2 có ưu thế là cấu trúc mắc xích, phản ứng đơn giản nhưng phải thêm chi phí chất kích hoạt đắt tiền hơn. Trong phương pháp 1 thì cấu tạo là phản ứng phúc tạp hơn. Tăng vốn đầu tư và chi phí năng lượng điện, nhưng không có chi phí vào chất khởi đầu, còn những chất tổng hợp không bị bẩn bởi những sản phẩm phân hủycủa nó. Việc chọn phương pháp, được xác định dựa vào những yếu tố kinh tế. Ngoài tỷ lệ những chất phản ứng ban đầu, việc chọn nhiệt độ và nồng độ chất khởi đầu hoặc cường độ chiếu sáng cũng có ý nghĩa quan trọng.
Khi clo hóa quang hóa, việc chọn nhiệt độ không giới hạn trong khoảng giới hạn nào cả, bởi vì nó hoàn toàn không ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng. Hơn nữa, nó thích hợp hơn khi làm lạnh bằng nước. Vì vậy, tổng hợp quang hóa hexacloxyclohexan thực hiện ở 40 – 600C.
Khi dùng chất khởi đầu, việc chọn nhiệt độ được quy ước bằng vận tốc lớn nhất có thể, của quá trình phân hóa chúng. Nhiệt độ bằng 70 –1000C đối với azo- bis izo-butylronitril và 100 – 1200C đối với peoxit benzoil, khi có sự liên hệ giữa nhiệt độ và nồng độ chất khởi đầu Do đó, để giảm lượng chất khởi đầu, người ta giảm nhiệt độ và nồng độ chất khởi đầu, nhưng điều này dẫn đến việc giảm vận tốc phản ứng và tăng chi phí cho giai đoạn phản ứng. Vì nó đòi hỏi sự tối ưu về điều kiện của quá trình theo tiêu chuẩn kinh tế. Lượng chất khởi đầu có thể giảm, nếu cho vào từng phần và vào từng thời điểm khác nhau (khi quá trình tuần hoàn) hoặc là theo chiều dài của thiết bị phản ứng (đối với điều kiện phản ứng liên tục), hoặc sự thay đổi nhiệt độ theo việc chi phí chất khởi đầu. Điều kể trên xảy ra với clo hóa quang hóa, khi quá trình tăng cường độ chiếu sáng và vận tốc dẫn đến việc giảm chiều dài chuỗi và tăng chi phí cho năng lượng điện. Sự tối ưu cho cả 2 trường hợp này là cường độ của quá trình không cao.
Bộ phận phản ứng (là tất cả quá trình clo hóa pha lỏng), có thể thực hiện liên tục và gián đoạn. Thiết bị cơ bản (thiết bị clo hóa) phải được cung cấp clo bằng bình khí lội, thiết bị làm lạnh để thoát nhiệt, thiết bị làm lạnh ngược dòng hoặc bộ tách khí trên đường thoát khí (HCl), đường ống bắt buộc và thiết bị đo kiểm tra.
Trong phản ứng clo hóa trong lò quang hoá, luôn có dụng cụ để chiếu sáng phần phản ứng (đèn thủy ngân - thạch anh phía trong được bảo vệ bằng đèn trần hoặc đèn ngoài để chiếu sáng thiết bị phản ứng qua của sổ thủy tinh trong vỏ).