Wat is Benzylchloride?
Benzylchloride, ook bekend als α-chloortolueen, is een tolueenderivaat met chloorsubstitutie in de zijketen. Het is een kleurloze vloeistof met de chemische formule C7H7Cl.
Benzylchloride is een belangrijke verbinding met veel industriële toepassingen die oorspronkelijk in 1853 werd gesynthetiseerd door S. Cannizzaro door de reactie tussen benzylalcohol en zoutzuur.
Inhoudsopgave
1. Fysieke eigenschappen van benzylchloride
Benzylchloride is een kleurloze vloeistof met een sterke, scherpe geur. Het is een krachtige traanveroorzaker die intense irritatie veroorzaakt aan zowel de ogen als de slijmvliezen.
Hier zijn enkele belangrijke fysieke eigenschappen van benzylchloride:
| Eigenschap | Waarde |
|---|---|
| Moleculair gewicht | 126,58 g/mol |
| Kookpunt bij 101,3 kPa | 179,4 °C |
| Smeltpunt | -39,2 °C |
| Dichtheid (ρ) bij 10°C | 1,1188 g/cm³ |
| Dichtheid (ρ) bij 20°C | 1,1081 g/cm³ |
| Dichtheid (ρ) bij 30°C | 1,1004 g/cm³ |
| Dichtheid (ρ) bij 50°C | 1,0870 g/cm³ |
| Dichtheid (ρ) bij 87°C | 1,072 g/cm³ |
| Breukindex | 1,5389 |
| Dynamisch Viscositeit (η) bij 15°C | 1,501 mPa s |
| Dynamische viscositeit (η) bij 20°C | 1,38 mPa s |
| Dynamische viscositeit (η) bij 25°C | 1,289 mPa s |
| Dynamische viscositeit (η) bij 30 °C | 1,175 mPa s |
| Oppervlaktespanning (σ) bij 15 °C | 38,43 mN/m |
| Oppervlaktespanning (σ) bij 20 °C | 37,80 mN/m |
| Oppervlaktespanning (σ) bij 30 °C | 36,63 mN/m |
| Oppervlaktespanning (σ) bij 88 °C | 29,15 mN/m |
| Oppervlaktespanning (σ) bij 17 °C | 19,5 mN/m |
| Soortelijke warmte bij 0 °C | 178 J mol⁻¹ K⁻¹ (1403 J kg⁻¹ K⁻¹) |
| Soortelijke warmte bij 20 °C | 181 J mol⁻¹ K⁻¹ (1432 J kg⁻¹ K⁻¹) |
| Soortelijke warmte bij 25 °C | 183 J mol⁻¹ K⁻¹ (1444 J kg⁻¹ K⁻¹) |
| Soortelijke warmte bij 50 °C | 189 J mol⁻¹ K⁻¹ (1495 J kg⁻¹ K⁻¹) |
| Soortelijke warmte bij 100 °C | 212 J mol⁻¹ K⁻¹ (1675 J kg⁻¹ K⁻¹) |
| Verdampingswarmte bij 25 °C | 50,1 kJ/mol (396 kJ/kg) |
| Verbrandingswarmte bij constant volume | 3708 kJ/mol (29,29 × 103 kJ/kg) |
| Vlampunt | 60 °C |
| Ontstekingstemperatuur | 585°C |
| Explosiegrenzen in lucht | Laag: 1,1 vol% Hoog: 14 vol% |
| Explosiegrenzen in chloor | Laag: Ongeveer 6 vol% Hoog: Ongeveer 60 vol% |
| Specifieke geleidbaarheid bij 20 °C | 1,5 × 10-8 S/cm |
| Dampspanning bij 0°C | 0,025 kPa |
| Dampdruk bij 10 °C | 0,05 kPa |
| Dampdruk bij 20 °C | 0,12 kPa |
| Dampdruk bij 30 °C | 0,37 kPa |
| Dampdruk bij 50 °C | 0,99 kPa |
| Dampdruk bij 100 °C | 7,96 kPa |
| Dampdruk bij 130 °C | 23,40 kPa |
| Dampspanning bij 179,4 °C | 101,33 kPa |
Benzylchloride vormt verschillende azeotropen. Voorbeelden hiervan vindt u in de volgende tabel:
| Component | kookpunt, °C | Benzylchloride, gew. % |
|---|---|---|
| Benzaldehyde | 178 | 50 |
| Hexaanzuur | 179 | 95 |
| Isovaleriaanzuur | 171 | 38 |
| Valeriaanzuur | 175 | 25 |
| Ethylacetoacetaat | 175 | 35 |
| Methylacetoacetaat | 167 | <80 |
| 1,3-Dichloor-2-propanol | 169 | 57 |
| 2,3-Dichloor-2-propanol | 171 | 40 |
| Ethyleenglycol | ca. 167 | ca. 30 |
De oplosbaarheid van benzylchloride in water varieert met de temperatuur, namelijk 0,33 g/l bij 4 °C, 0,49 g/l bij 20 °C en 0,55 g/l bij 30 °C. Het lost gemakkelijk op in oplosmiddelen zoals chloroform, aceton, azijnzuuresters, di-ethylether en ethanol.
De oplosbaarheid van chloor in 100 g benzylchloride verandert met de temperatuur en bereikt 8,0 g bij 30 °C, 5,4 g bij 50 °C en 2,1 g bij 100 °C.
2. Chemische reacties van benzylchloride
Benzylchloride is een uitgangsmateriaal voor de synthese van benzalchloride en benzotrichloride door zijketenchlorering. Nucleaire chlorering produceert chloorbenzylchloriden. Het wordt geoxideerd in een waterige oplossing met natriumdichromaat en natriumcarbonaat om benzaldehyde en benzoëzuur te vormen.
Benzylchloride reageert met metalen om verschillende producten te produceren. Het reageert bijvoorbeeld met magnesium in di-ethylether om benzylmagnesiumchloride te vormen, een Grignard-reagens. Met koperpoeder of natrium produceert het 1,2-difenylethaan als het hoofdproduct in de Wurtz-synthese.
Het reageert met sterke Lewis-zuurkatalysatoren zoals FeCl3, AlCl3 en ZnCl2 om Friedel-Crafts-zelfcondensatieproducten van het (C7H6)n-type te vormen. Deze polymeren zijn echter niet commercieel significant, ondanks het vermogen om de mate van condensatie te regelen door de reactieomstandigheden te veranderen.
Het reageert met benzeen of tolueen in aanwezigheid van Friedel-Crafts-katalysatoren om respectievelijk difenylmethaan of de isomere benzyltoluenen te vormen.
Benzylchloride reageert met waterstofsulfide en alkalimetalen om respectievelijk benzylmercaptaan en dibenzylsulfide te produceren. De reactie met natriumzouten van carbonzuren produceert de overeenkomstige benzylesters.
Het vormt benzylalcohol wanneer het wordt gehydrolyseerd met heet water, maar deze reactie wordt niet industrieel gebruikt omdat de gevormde benzylalcohol door het gevormde zoutzuur wordt omgevormd tot benzylchloride. Het bevordert ook de vorming van dibenzylether. Hydrolyse in aanwezigheid van alkali levert echter wel benzylalcohol op.
Benzylchloride reageert met natriumcyanide om fenylacetonitril (benzylcyanide) te produceren. Wanneer het reageert met ammoniak of aminen, levert het primaire, secundaire, tertiaire aminen en quaternaire ammoniumzouten op.
De reactie met hexamethyleentetramine produceert benzaldehyde, bekend als de Sommelet-reactie.
3. Productie van benzylchloride
3.1. Reactiemechanisme
Het proces van chlorering van tolueen omvat twee verschillende mechanismen: radicale keten en elektrofiele polaire mechanismen. Het radicale ketenmechanisme bestaat uit verschillende stappen:
1. Keteninitiatie:
- Chloorgas wordt geïnitieerd door lichtenergie (hν), waarbij twee chloorradicalen (2 Cl•) worden geproduceerd.
2. Ketenvoortplanting:
- Chloorradicalen (Cl•) reageren met de alifatische zijketen (RH), waarbij een methylradicaal (R•) en waterstofchloride (HCl) worden gevormd.
- Methylradicalen (R•) reageren vervolgens met meer chloor (Cl2), waarbij methylchloride (RCl) en meer chloorradicalen (Cl•) worden gevormd.
3. Ketenbeëindiging:
- Chloorradicalen (Cl•) kunnen de keten beëindigen door te combineren om chloorgas (Cl2) te vormen.
- Methylradicalen (R•) kunnen de keten ook beëindigen door met elkaar te reageren om dimethylverbindingen (RR) te vormen.
Dit chloreringsproces is zeer exotherm en geeft energie vrij in het bereik van 96 tot 105 kJ/mol chloor. Vanwege de snelle vorming van chloorradicalen en de verdringing van waterstof kunnen de radicale ketenlengtes variëren van 103 tot 106, afhankelijk van het substraat en de reactieomstandigheden.
Omdat zijketenchlorering en nucleaire chlorering fundamenteel verschillende mechanismen volgen, is het mogelijk om selectiviteit te bereiken. Om een hoge efficiëntie te garanderen bij chlorering van zijketens, moeten bepaalde voorwaarden worden vervuld:
- Optimale radicalenconcentratie: Handhaaf een ideale concentratie radicalen.
- Elektrofiele effecten elimineren: Verwijder componenten die elektrofiele reacties kunnen veroorzaken.
- Voorkom Ketenbeëindiging: Elimineer stoffen die radicale ketens voortijdig kunnen beëindigen.
- Voorkom nevenreacties: Minimaliseer omstandigheden die leiden tot ongewenste reacties.
- Bevorder radicale reacties: Neem voorzorgsmaatregelen die radicale reacties bevorderen boven elektrofiele reacties.
Aanpak van elk van deze punten:
1. De vorming van chloorradicalen kan worden verbeterd met behulp van radicaalvormende middelen zoals 2,2´-azobis(isobutyronitril) (AIBN), benzoylperoxide, of verhoogde temperaturen (100–200 °C). Bestraling met UV-licht of β-straling kan ook chloormoleculen exciteren.
2. Friedel-Crafts-katalysatoren zijn gunstig voor nucleaire chlorering. Daarom moeten de uitgangsmaterialen vrij zijn van stoffen die nucleaire chlorering bevorderen, zoals ijzerzouten. Reactormaterialen zoals glas, met glas bekleed staal en polytetrafluorethyleen hebben de voorkeur.
3. Zuurstof is een radicalenvanger en de aanwezigheid ervan moet tot een minimum worden beperkt. Gedestilleerd chloor of zuivering met een inert gas kan helpen zuurstof te verwijderen.
4. Water kan leiden tot de vorming van zoutzuur en kan hydrolyse van de gechloreerde verbindingen veroorzaken. Waterstofchloride dat tijdens de chlorering wordt gevormd, kan bijdragen aan nucleaire chlorering.
5. Overmatige chloorconcentraties kunnen leiden tot ongewenste nevenreacties. Het introduceren van een inert gas in de chloorstroom en het gebruiken van kleinere reactoreenheden kan helpen dit probleem te verminderen.
Tijdens de radicale chlorering van tolueen worden alle drie de waterstofatomen in de zijketen geleidelijk vervangen door chloor, wat resulteert in mengsels van benzylchloride, benzalchloride en benzotrichloride.
3.2. Productieproces
Om benzylchloride te produceren met minimale productie van secundaire producten zoals benzalchloride en benzotrichloride, is een aanpak om de chlorering te beperken tot slechts 30-40% van de tolueeninput en vervolgens het resulterende mengsel te scheiden door middel van fractionering.
Een andere methode is om alkyl- of arylsulfiden te gebruiken als radicale keteninitiatoren om de zijketen te monochloreren zonder dat er UV-licht nodig is.
In moderne industriële processen wordt benzylchloride geproduceerd via zijketenchlorering van tolueen in continue lusvormige fotoreactoren gemaakt van met glas bekleed staal of glas. Oudere methoden met met zilver, lood of nikkel beklede reactiekolommen zijn stopgezet vanwege corrosieproblemen.
In het continue proces wordt chlorering doorgaans beperkt tot 20-40% van de tolueeninput om de vorming van hogere gechloreerde bijproducten te minimaliseren. Het resulterende mengsel, dat nog steeds aanzienlijke hoeveelheden tolueen en doorgaans 0,5-2% benzalchloride bevat, ondergaat destillatie.
Tijdens de destillatie worden hoge boilers gescheiden voor verdere zuivering en wordt tolueen teruggevoerd naar de reactor.
Online nabij-infraroodspectroscopie wordt gebruikt om de samenstelling van het reactiemengsel in chloreringsreactoren en destillatie-eenheden te monitoren, wat efficiënte controle van tolueen- en chloortoevoer in het continue proces mogelijk maakt. Het grootste nadeel van deze methode zijn echter de hoge kosten die gepaard gaan met destillatieprocessen vanwege de aanzienlijke hoeveelheid gerecycled tolueen.
Een typische installatieopstelling voor continue benzylchlorideproductie wordt getoond in Figuur 1.
Verse tolueen komt de prechlorinator (R0) binnen en stroomt vervolgens door een cascade van vier extra fotoreactoren (R1-R4), voorzien van chloor in nauwkeurig afgemeten hoeveelheden, met afnemende chloorniveaus van reactor tot reactor.
Meestal wordt de laatste reactor in de cascade gespoeld met zuivere stikstof om opgelost chloorgas uit het reactiemengsel te verwijderen vóór zuivering. In de daaropvolgende ruwe distillatie (C1) wordt niet-gereageerde tolueen verwijderd, waardoor benzylchloride (samen met kleine hoeveelheden benzalchloride) in de distillatieput achterblijft.
Het gechloreerde ruwe product wordt naar de fijne distillatie-eenheid (C2) geleid voor verdere zuivering om de uiteindelijke kwaliteit te bereiken. Het resterende product in de put is een mengsel van benzyl- en benzalchloriden, geschikt voor recycling bij de productie van benzalchloride of benzotrichloride.
De gecombineerde afgassen van de reactoren worden teruggevoerd naar de prechlorinator (R0), waar restchloor reageert met verse of gerecyclede tolueen.
Het chloorvrije afgas, voornamelijk samengesteld uit waterstofchloride en stikstof, ondergaat een behandeling in een scrubbersysteem waarbij HCl wordt geabsorbeerd door water, wat geconcentreerd zoutzuur van technische kwaliteit oplevert.
Als alternatief kan zuiver benzylchloride worden geproduceerd door middel van chloorbehandeling in de dampfase in gespecialiseerde reactoren, waarbij de temperatuur bij het chloortoevoerpunt binnen het bereik van de kookpunten van tolueen en benzylchloride wordt gehouden.
Onder deze omstandigheden wordt benzylchloride snel gecondenseerd en verzameld, terwijl waterstofchloride bovenaan wegstroomt en tolueen vloeibaar wordt gemaakt en gerecycled. De reactor werkt continu en het onderste product bestaat doorgaans uit 0,9% tolueen, 93,6% benzylchloride en 5,5% destillatieresidu.
Deze methode brengt inherente risico’s met zich mee, waaronder de ontbrandingstemperatuur van tolueen in chloorgas (185 °C) en de explosieve aard van tolueen-chloor en benzylchloride-chloormengsels over een breed concentratiebereik.
Een andere benadering voor het produceren van benzylchloride omvat de chloormethylering van benzeen, hoewel deze methode geen commerciële betekenis heeft.
4. Toepassingen van benzylchloride
Benzylchloride wordt gebruikt om benzylalcohol, benzylbutylftalaat, fenylazijnzuur en quaternaire ammoniumzouten te produceren. Het wordt ook gebruikt om benzylesters, trifenylmethaankleurstoffen, dibenzyldisulfide, benzylfenol en benzylamine te produceren.
Benzylalcohol wordt gebruikt als oplosmiddel, geurstof en antisepticum. Benzylbutylftalaat is een weekmaker die wordt gebruikt in polyvinylchloride (PVC). Fenylazijnzuur wordt gebruikt om synthetische penicilline te produceren. Quaternaire ammoniumzouten worden gebruikt als ontsmettingsmiddelen en faseoverdrachtskatalysatoren.
Benzylesters worden gebruikt in de smaak- en geurstoffenindustrie. Trifenylmethaankleurstoffen worden gebruikt als kleurstoffen en pigmenten. Dibenzyldisulfide is een antioxidant die wordt gebruikt in smeermiddelen. Benzylfenol wordt gebruikt als stabilisator voor polymeren. Benzylamines worden gebruikt als farmaceutica en tussenproducten bij de productie van andere chemicaliën.
5. Toxicologie van benzylchloride
De acute orale toxiciteit van benzylchloride bij ratten is 1230 mg/kg en bij muizen is dit 1620 mg/kg. Het REACH-registratiedossier suggereert echter een lagere LD50-waarde van 560 mg/kg bij ratten. Bij subcutane toediening in een olie-oplossing is de LD50 bij ratten 1000 mg/kg.
Blootstelling aan benzylchloride in concentraties van 100-1000 mg/m³ gedurende 2 uur bij ratten en muizen resulteerde in irritatie van de slijmvliezen en conjunctivitis.
In een subchronisch onderzoek met herhaalde doseringen bij ratten waren ernstige acute en chronische gastritis in de voormaag, vaak vergezeld van zweren, evenals acute myocardnecrose en oedeem van het hart, de primaire doodsoorzaken.
Benzylchloride staat bekend als een krachtig huid-sensibiliserend middel voor cavia’s en vertoont zwakke mutagene eigenschappen.
In experimenten met ratten leidden subcutane injecties van wekelijkse doses van 80 mg/kg gedurende een jaar, gevolgd door een post-observatieperiode, tot de ontwikkeling van lokale sarcomen met longmetastasen. De gemiddelde inductietijd voor deze tumoren was 500 dagen.
Dermale toepassing van benzylchloride bij muizen resulteerde in de observatie van huidcarcinomen.
Een vervolgonderzoek naar de carcinogeniciteit van benzylchloride toegediend in maïsolie vond statistisch significante toenames in schildklier C-cel tumoren bij vrouwelijke ratten en verschillende soorten tumoren, waaronder hemangiosarcoom, voormaagcarcinoom en long alveolair-bronchiolair carcinoom bij muizen, op een dosisafhankelijke manier.
Benzylchloride wordt gemakkelijk opgenomen uit de longen en het maag-darmkanaal. Na orale toediening leidt het tot de uitscheiding van verschillende verbindingen in de urine, waaronder N-acetyl-S-benzylcysteïne, benzylalcohol, benzaldehyde en benzoëzuur.
Voor mensen wordt blootstelling aan een concentratie van 16 ppm benzylchloride in de lucht binnen slechts één minuut als ondraaglijk beschouwd. Het is een krachtige traanveroorzaker die sterke irritatie van de ogen, neus en keel veroorzaakt en het potentieel heeft om longoedeem te veroorzaken.
Hoewel er beperkt bewijs is met betrekking tot de carcinogeniciteit van α-gechloreerde toluenen en benzoylchloride bij mensen, wordt benzylchloride op basis van beschikbare gegevens en voldoende bewijs van carcinogene effecten bij dieren geclassificeerd als waarschijnlijk carcinogeen voor mensen volgens verschillende classificatiesystemen, waaronder GHS (categorie 1B), IARC (categorie 2A) en MAK-classificatie (categorie 2).
Referentie
- Benzyl Chloride and Other Side-Chain-Chlorinated Aromatic Hydrocarbons; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/14356007.o04_o01.pub2
