سنتز PET

پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) یکی از پرکاربردترین پلیمرهای تراکمی (پلی‌استرها) در جهان است که در تولید بطری‌های آب‌معدنی کاربرد گسترده‌ای دارد.

نکته بسیار مهم در صنعت پتروشیمی این است که مونومرهای سازنده PET یعنی «اتیلن گلیکول» و «ترفتالیک اسید» را نمی‌توان به طور مستقیم از نفت خام استخراج کرد. نفت خام عمدتاً شامل هیدروکربن‌های ساده‌تر است. بنابراین، این دو ماده ارزشمند باید طی واکنش‌های شیمیایی (اکسایش) از خوراک‌های پایه پتروشیمیایی (اتن و پارازایلن) سنتز شوند.

در ادامه، مراحل سه‌گانه تولید این پلیمر را بررسی می‌کنیم:

۱. تولید اتیلن گلیکول (مونومر الکلی) از اتن

اتن (\(\mathbf{C}_{\mathbf{2}}\mathbf{H}_{\mathbf{4}}\)​) ساده‌ترین آلکن است که از نفت خام به دست می‌آید. برای تبدیل اتن به اتیلن گلیکول (۱،۲-اتان دی‌ال)، باید پیوند دوگانه شکسته شده و دو گروه هیدروکسیل \(\mathbf{(}\mathbf{-}\mathbf{OH}\mathbf{)}\) به آن اضافه شود.

برای این منظور، از یک اکسنده ملایم یعنی محلول آبی، رقیق و سرد پتاسیم پرمنگنات \(\mathbf{(}\mathbf{KMn}\mathbf{O}_{\mathbf{4}}\mathbf{)}\) استفاده می‌شود.

- نوع واکنش: اکسایش و افزایشی

- معادله واکنش:\(\mathbf{CH}\mathbf{2}\mathbf{}\mathbf{=}\mathbf{CH}\mathbf{2}\mathbf{}\overset{\mathbf{(}\mathbf{KMn}\mathbf{O}_{\mathbf{4}}\mathbf{)}\mathbf{}\mathbf{\ }\mathbf{(\text{محلول رقیق}\mathbf{) }}}{\rightarrow}\mathbf{ HO - C}\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{}\mathbf{-}\mathbf{C}\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{}\mathbf{-}\mathbf{OH}\)(در این واکنش، رنگ ارغوانی محلول پرمنگنات از بین رفته و رسوب قهوه‌ای رنگ منگنز دی‌اکسید \(\mathbf{Mn}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}\)​ تشکیل می‌شود).

۲. تولید ترفتالیک اسید (مونومر اسیدی) از پارازایلن

پارازایلن یک ترکیب آروماتیک است که از پالایشگاه‌ها به دست می‌آید. در ساختار پارازایلن، دو گروه متیل \(\mathbf{(}\mathbf{-}\mathbf{CH}_\mathbf{3}\mathbf{)}\mathbf{}\) روی حلقه بنزن قرار دارند. برای تبدیل این گروه‌های متیل به گروه‌های کربوکسیل \(\mathbf{(}\mathbf{-}\mathbf{COOH}\mathbf{)}\) و تولید ترفتالیک اسید ، به یک اکسنده قوی نیاز است.

در اینجا از محلول غلیظ و گرم پتاسیم پرمنگنات\(\mathbf{(}\mathbf{KMn}\mathbf{O}_{\mathbf{4}}\mathbf{)}\)در محیط اسیدی استفاده می‌شود تا اکسایش کامل گروه‌های آلکیلی متصل به حلقه بنزن صورت گیرد.

- نوع واکنش: اکسایش قوی

- معادله واکنش:

\[\mathbf{C}\mathbf{H}_{\mathbf{3}}\mathbf{}\mathbf{-}\mathbf{C}_{\mathbf{6}}\mathbf{}\mathbf{H}_{\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{C}\mathbf{H}_{\mathbf{3}}\mathbf{}\mathbf{+}\overset{\mathbf{6}\mathbf{\lbrack}\mathbf{O}\mathbf{\rbrack}\mathbf{KMnO}\mathbf{4}\mathbf{}\mathbf{\ }\mathbf{(\text{محلول غلیظ}}\mathbf{)}}{\rightarrow}\mathbf{HOOC}\mathbf{-}\mathbf{C}_{\mathbf{6}}\mathbf{}\mathbf{H}_{\mathbf{4}}\mathbf{}\mathbf{-}\mathbf{COOH}\mathbf{+}\mathbf{2}\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{O}\]

نکته کلیدی آموزشی (تفاوت اکسنده‌ها):

دقت کنید که برای تولید الکل دو عاملی از آلکن، از پرمنگنات رقیق استفاده شد تا اسکلت کربنی نشکند و واکنش در مرحله الکل متوقف شود. اما برای تولید دی‌اسید از پارازایلن، از پرمنگنات غلیظ استفاده شد تا گروه‌های جانبی به طور کامل تا بالاترین درجه اکسایش (کربوکسیلیک اسید) پیش بروند.

۳. فرایند تولید پلی‌اتیلن ترفتالات (PET)

اکنون که هر دو مونومر (یک دی‌الکل و یک دی‌اسید) آماده شده‌اند، از طریق واکنش استری شدن در مجاورت کاتالیزگر و گرما، با یکدیگر ترکیب می‌شوند. در این واکنش، گروه\(\mathbf{-}\mathbf{OH}\mathbf{\ }\)از اسید و اتم\(\mathbf{-}\mathbf{H}\mathbf{\ }\)از الکل جدا شده و یک مولکول آب \(\mathbf{(}\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{ O}\mathbf{)}\)تشکیل می‌شود. چون هر دو مونومر دو عاملی هستند، این فرایند از دو طرف ادامه یافته و یک زنجیره پلیمری بلند (پلی‌استر) می‌سازد.

- معادله کلی واکنش تولیدPET:

\(\mathbf{n}\mathbf{\ }\mathbf{HO - C}\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{}\mathbf{-}\mathbf{C}\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{}\mathbf{-}\mathbf{OH}\mathbf{+}\mathbf{n}\mathbf{\ }\mathbf{HOOC}\mathbf{-}\mathbf{C}_{\mathbf{6}}\mathbf{}\mathbf{H}_{\mathbf{4}}\mathbf{}\mathbf{-}\mathbf{COOH}\overset{\mathbf{Catalyst}\mathbf{,}\mathbf{\ }\mathbf{\Delta}}{\rightarrow}\mathbf{}\mathbf{\ }\mathbf{\lbrack}\mathbf{-}\mathbf{O - C}\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{}\mathbf{-}\mathbf{C}\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{}\mathbf{-}\mathbf{O}\mathbf{-}\mathbf{CO}\mathbf{-}\mathbf{C}_{\mathbf{6}}\mathbf{}\mathbf{H}_{\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{CO}\mathbf{-}\mathbf{\rbrack}_{\mathbf{n}}\mathbf{}\mathbf{+}\mathbf{2}\mathbf{n}\mathbf{\ }\mathbf{H}_{\mathbf{2}}\mathbf{ O}\)

خلاصه ساختار پلیمر حاصل:

زنجیره پلیمر از تکرار واحدهای متصل شده توسط پیوند استری \(\mathbf{(}\mathbf{-}\mathbf{COO}\mathbf{-}\mathbf{)}\) تشکیل شده است. به ازای هر واحد تکرار شونده در این واکنش تراکمی، مولکول‌های کوچک آب به عنوان فراورده جانبی حذف می‌گردند.