La produzione di fenoli dal benzene è il primo stadio nella manifattura di diversi importanti polimeri, inclusi la poliammide (nylon), i policarbonati e le resine fenoliche.
Usi del fenolo
La sostanza chimica proveniente dal fenolo, più importante è il bisfenolo A, utilizzato per fare i policarbonati.
Il fenolo viene anche ridotto cataliticamente a cicloesanolo, poi utilizzato nella produzione di poliammide 6 e 6.6.
I fenoli sono anche usati per fare una ampia gamma di polimeri termoindurenti (resine). Reagisce con il metanale in presenza di un catalizzatore per formare resine fenolo-metanale.
Tra gli altri usi del fenolo vi è la produzione della fenilammina (anilina) utilizzata, per esempio, per la produzione di coloranti.
Antisettici come il 2,4 e il 2,6-diclorofenolo provengono anche dal fenolo.
Produzione annua del fenolo
| Mondo | 8,9 milioni di tonnellate1,2 |
| Asia | 3,7 milioni di tonnellate1 |
| Europa | 2,7 milioni di tonnellate1 |
| U.S.A. | 2,3 milioni di tonnellate1 |
Previsioni 10.0 milioni di tonnellate per il 2015
Produzione del fenolo
La vasta maggioranza del fenolo è prodotta attraverso il processo del cumene. Il processo ha tre fasi:
a) Produzione del cumene
b) Conversione del cumene a idroperossido di cumene
c) Decomposizione dell’idroperossido di cumene
a) Produzione del cumene
Il cumene è il nome comunemente utilizzato per il 1-(metiletil)benzene o anche isopropylbenzene.
È prodotto attraverso la reazione del benzene e del propene, usando un catalizzatore acido; il seguente è un esempio di una reazione di Friedel-Craft:
In un processo, benzene e propene (3:1) sono passati sopra un catalizzatore acido, solitamente zeoliti come il ZSM-5 a circa 600 K e ad alte pressioni (circa 10 atm) in reattori a letto fisso. Zeoliti hanno un impatto ambientale minore rispetto ai catalizzatori acidi tradizionali come il cloruro di alluminio. Gli effluenti del processo sono molto più puliti, il processo può essere portato avanti a basse temperature e pressioni.
In alternativa, il propene gas è liquefatto ad alta pressione (circa 30 atm) e mischiato con il benzene prima di essere passato, sempre sotto pressione, attraverso un reattore contente zeoliti solidi a circa 435 K. Il processo sta divenendo sempre più diffuso poiché utilizza temperature ancora più basse, risparmiando così energia.
In alcuni impianti, acido fosforico è utilizzato come catalizzatore al posto degli zeoliti.
b) Conversione del cumene a idroperossido di cumene
Il cumene è poi ossidato con aria al suo perossido (Figura 3). La reazione è autocatalizzata dall’idroperossido di cumene. La reazione può essere così rappresentata:
La reazione viene effettuata a temperature tra 350-390 K e a pressioni di 1-7 atm., le alte pressioni sono richieste per mantenere il sistema allo stato liquido.
A temperature più alte, l’idroperossido è instabile e può decomporsi violentemente. Gli impianti utilizzati per questi tipi di ossidazione vengono generalmente costruiti a distanze di sicurezza rispetto ad altri impianti.
c) Decomposizione dell’idroperossido di cumene
Infine, l’idroperossido viene miscelato con acido solforico a 313-373 K per dare, dopo neutralizzazione, fenolo e propanone. Questa reazione, se eseguita con piccole quantità di acido solforico (500 ppm in massa), viene definita scissione omogenea:
I prodotti sono separati per distillazione, usando fino a 6 colonne. La resa del prodotto è 85-87%, basata sul benzene.
Il Futuro
Il processo del cumene presenta un problema. Sei tonnellate di propanone (comunemente detto acetone, Ndt) vengono prodotte per ogni dieci tonnellate di fenolo. Dunque, per efficienza economica, il produttore deve vendere i due prodotti in quelle proporzioni. Spesso, è richiesto molto più fenolo del propanone prodotto contemporaneamente. Sono state condotte molte ricerche per trovare un’altra via per la produzione del fenolo da benzene. Un metodo elegante è attraverso l’ossidazione del benzene con l’ossido di azoto (I), N2O:
L’ossido d’azoto è un sottoprodotto gassoso della produzione della poliammide 6.6 ed è vietato emetterla nell’atmosfera poiché è un gas serra. La reazione avviene nella fase gassosa a 570-720 K su catalizzatori zeoliti. 95% del benzene è convertito a fenolo. Dunque, vediamo qui un metodo che utilizza un composto di scarto e dannoso per la manifattura di un prodotto utile.
Nonostante le prove su impianto pilota risultassero promettenti, non vi è mai stata la costruzione di un impianto a scala commerciale.
Un altro processo, in via di sviluppo presso ExxonMobil, è molto attraente poiché produce fenolo da benzene senza la formazione del propanone (acetone).
Qui, il benzene è idrogenato a cicloesene che poi reagisce su zeoliti impregnati con metalli di transizione (per esempio palladio, rutenio, nichel, cobalto), con un’altra molecola di du ebnzene a formare il cicloesilbenzene:
Il cicloesilbenzene è ossidato a idroprossido. L’equazione generale è:
Questo è effettuato da NHPI (N-idrossiftalimmide)che forma un radicale che astrae un idrogeno benzilico dal cicloesilbenzene, portando alla formazione dell’idroperossido.
L’idroperossido si decompone in presenza di acido solforico, a formare una molecola di fenolo e una molecola di cicloesanone che può essere utilizzata per la manifattura delle poliammidi.
Il processo ha somiglianze con il processo Cumene in quanto si forma un idroperossido che viene poi decomposto mediante scissione omogenea per dare due prodotti chiave con pochissimi prodotti collaterali indesiderati.
Ultimo aggiornamento 11 gennaio 2017
Traduzione di Gloriana Reginato e Valter Ballantini, 4 novembre 2020
Foto in alto di W. Oelen, CC BY-SA 3.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0, via Wikimedia Commons