Conventionele technieken voor het genereren van alkylbenzeen, een belangrijke input bij de productie van wasmiddelen, produceren giftige halogeenbijproducten, maar onderzoekers hebben een nieuwe techniek bedacht die een efficiënter, goedkoper en schoner productieproces van de stof mogelijk maakt.

Een artikel dat het proces beschrijft, werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Catalysis op 6 september.

In de zoektocht naar efficiëntere en duurzamere chemische productieprocessen hebben onderzoekers innovatieve manieren onderzocht om het potentieel van alkanen te benutten:verbindingen die volledig bestaan ​​uit koolstof- en waterstofatomen die aan elkaar zijn gebonden door enkele koolstof-koolstof- en koolstof-waterstofbindingen.

Methaan, ethaan, propaan en butaan zijn veel voorkomende alkanen, en de belangrijkste bron van alkanen is afkomstig van ruwe olie en aardgas. Volgens de onderzoekers is direct gebruik van alkanen voor zeer selectieve chemische transformatie meestal moeilijk omdat hun koolstof-waterstofbindingen zeer stabiel zijn en moeizaam uiteenvallen.

Zeep, tandpasta, wasmiddel en industriële schoonmaakmiddelen hebben een vies geheim:ze zijn allemaal vervaardigd met alkylbenzenen. Gewoonlijk zijn twee tot drie stappen nodig voor de productie van alkylbenzenen, omdat er extra verbindingen zijn, de zogenaamde alkyleringsmiddelen. Deze middelen, die in verschillende stappen uit alkanen worden geproduceerd, zijn nodig voor het uitvoeren van de alkylering van benzeen, het proces waarbij de alkylgroep wordt vastgehouden.

Om de efficiëntie te verhogen en de kosten van dit proces te verlagen door het aantal benodigde stappen te verminderen, onderzochten de onderzoekers de mogelijkheid om eenvoudige alkanen rechtstreeks te gebruiken als alkyleringsmiddel voor de synthese van alkylbenzenen.

"Niet alleen zal het waarschijnlijk de kosten verlagen, maar het zou ook de afvalproductie moeten verminderen en de productie moeten stroomlijnen, waardoor een milieuvriendelijker alternatief voor traditionele methoden wordt geboden", zegt professor Ken Motokura, hoofdauteur van het onderzoek en scheikundige bij het departement Chemie. en Life Science aan de Yokohama National University.

Traditioneel omvatte de productie van alkylbenzenen klassieke Friedel-Crafts-reacties, vaak resulterend in de vorming van ongewenste bijproducten die giftige halogenen bevatten. Conventionele alkyleringsmiddelen zijn alkylhalogeniden, daarom worden equimolaire hoeveelheden bijproducten die halogeniden bevatten geproduceerd.

"Door de extra stappen te verminderen, kunnen we de productie van die bijproducten verminderen", aldus Motokura.

In tegenstelling tot traditionele methoden produceert directe alkylering met alkanen als alkyleringsmiddelen onschadelijk moleculair waterstof (wat waterstofgas is) als het enige bijproduct.

Maar om deze efficiëntiewinst te bereiken was de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren nodig – het belangrijkste ingrediënt in een chemische reactie die deze reactie op gang brengt of versnelt. De onderzoekers hadden eerder ontdekt dat nanodeeltjes van palladium (materiedeeltjes met een diameter van slechts 1-100 nanometer) zeer efficiënte katalysatoren voor directe alkylering werden wanneer ze zich op het buitenoppervlak van H-ZSM-5-zeolieten bevonden – een soort kristallijn materiaal gemaakt van aluminium en silicium met veel microscopisch kleine poriën.

Deze kleine poriën zijn de plaatsen waar de chemische reactie wordt geactiveerd.

Het proces begint met de activering van een alkaan op de plaatsen in de zeolietporiën, waardoor het alkaan wordt voorbereid op de toevoeging van een benzeen, een organische verbinding in de vorm van een ring. Dit levert het doel op:alkylbenzeen.

Tijdens dit proces worden twee waterstofatomen (H) verwijderd uit het alkaan en benzeen. Om de actieve plaatsen in de zeoliet te regenereren, moeten deze waterstofatomen worden gerecombineerd tot een waterstofmolecuul (H₂ ). Er treedt een ‘waterstof-spillover’-fenomeen op als waterstofatomen van de activeringsplaatsen naar de palladium-nanodeeltjes op het buitenoppervlak bewegen, die de recombinatie naar H₂ ondersteunen. .

Volgens de onderzoekers ligt de schoonheid van directe alkylering niet alleen in de efficiëntie ervan, maar ook in de selectiviteit ervan:het vermogen om één bepaald gewenst type output te produceren boven andere, minder gewenste mogelijke outputs. De onderzoekers wisten een selectiviteit van 95,6% te bereiken voor de gewenste gealkyleerde producten.

Ondanks de efficiëntiewinst blijft de totale opbrengst van het proces nog steeds te laag voor industriële toepassingen, aldus de onderzoekers. Daarom wil het team nu hun techniek aanpassen om de productiviteit te verhogen.

Meer informatie: Satoshi Misaki et al, Pd-nanodeeltjes op het buitenoppervlak van microporeuze aluminiumsilicaten voor de directe alkylering van benzenen met behulp van alkanen, ACS-katalyse (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02309

Journaalinformatie: ACS-katalyse

Aangeboden door Yokohama National University