Cumol

Stoff und Bedeutung

Cumol ist eine organisch-chemische Verbindung aus der Stoffgruppe der aromatischen Kohlenwasserstoffe. Es hat die Summenformel C₉H₁₂ und wird auch (Propan-2-yl)benzen, Isopropylbenzol oder 2-Phenylpropan genannt. Cumol ist eine farblose Flüssigkeit mit scharfem, aromatischem Geruch.

Seine große technische Bedeutung beruht darauf, dass es im Cumolhydroperoxid-Verfahren, auch Hock-Verfahren genannt, zu Phenol und Aceton umgesetzt werden kann. Die großtechnische Verbreitung dieses Verfahrens in den 1950er Jahren machte Cumol zu einem bedeutenden Zwischenprodukt der chemischen Industrie.

Herstellung aus Benzol und Propen

Technisch wird Cumol ausschließlich durch Friedel-Crafts-Alkylierung hergestellt: Benzol reagiert mit Propen zu Cumol. Eine Friedel-Crafts-Alkylierung ist eine durch Säuren katalysierte Reaktion, bei der eine organische Gruppe an einen aromatischen Ring gebunden wird. Die Umsetzung kann in Flüssig- oder Gasphase erfolgen. Als Katalysatoren dienen vor allem Lewis- oder Brønsted-Säuren; seit den 1990er Jahren werden zunehmend saure Zeolithe eingesetzt.

Im Flüssigphasenprozess reagieren Benzol und Propen bei 35–40 °C, einem niedrigen Propendruck von etwa 7 bar und Aluminiumchlorid (AlCl₃) als Katalysator. Ein weiteres Verfahren verwendet Fluorwasserstoff bei 50–70 °C und ebenfalls geringem Propendruck. Schwefelsäure wird bei der säurekatalysierten Alkylierung nur selten und vereinzelt eingesetzt.

Die weltweiten Herstellkapazitäten lagen 2004 bei mehr als 10,5 Millionen Jahrestonnen und stiegen bis 2019 auf 19 Millionen Tonnen.

Gasphasenverfahren und Produktreinheit

Bei der Gasphasenalkylierung reagieren Benzol und Propen bei 200–250 °C und 20–40 bar. Verwendet werden Phosphorsäure-Katalysatoren auf einem Träger aus Siliciumdioxid; Bortrifluorid wirkt als Promotor, also als Zusatz zur Steigerung der Katalysatorwirkung. Die gesamte Reaktion findet in einem Festbettreaktor statt, in dem der feste Katalysator als Bett vorliegt.

Die Selektivität beträgt 96–97 % bezogen auf Benzol und 91–92 % bezogen auf Propen. Als Nebenprodukte entstehen nur geringe Mengen an Di- und Triisopropylbenzol sowie Propylbenzol. Nach destillativer Aufarbeitung, also einer Trennung über unterschiedliche Siedepunkte, wird Cumol mit einer Reinheit von mehr als 99,5 % erhalten.

Physikalische Eigenschaften

Cumol ist bei Raumtemperatur flüssig. Seine molare Masse beträgt 120,19 g·mol⁻¹, die Dichte bei 20 °C 0,86 g·cm⁻³. Es schmilzt bei −96 °C und siedet unter Normaldruck bei 152 °C. Der Dampfdruck beträgt 5,3 hPa bei 20 °C, 8 hPa bei 30 °C und 30 hPa bei 50 °C. Die Geruchsschwelle liegt bei 0,04–6,4 mg·m⁻³.

In Wasser ist Cumol mit 0,05 g·l⁻¹ bei 20 °C sehr schwer löslich, in Alkohol, Diethylether und vielen weiteren organischen Lösungsmitteln dagegen löslich. Der Brechungsindex beträgt 1,49146 bei 20 °C.

Für den Dampfdruck gilt im Bereich von 343,2 K bis 426,5 K die Antoine-Gleichung log₁₀(P) = A−(B/(T+C)), mit P in bar und T in K. Dabei sind A = 4,05419, B = 1455,811 und C = −65,948. Weitere wichtige Werte sind: kritische Temperatur 631 K, kritischer Druck 32,1 bar, kritische Dichte 2,32 mol·l⁻¹ und Verdampfungsenthalpie 41,2 kJ·mol⁻¹ bei 364 K.

Verwendung und Gefahren

Cumol wird hauptsächlich als Zwischenprodukt für die Herstellung von Phenol und Aceton nach dem Hock-Verfahren verwendet. Seltener dient es als Lösungsmittel. Außerdem wird es als Klopfschutzmittel in Flugtreibstoff eingesetzt. Gegenüber dem ebenfalls verwendbaren Benzol hat Cumol mit etwa −96 °C einen wesentlich niedrigeren Stockpunkt.

Der Stoff ist entzündlich und bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Sein Flammpunkt liegt bei 31 °C; der untere Explosionspunkt bei 29 °C. Der Explosionsbereich reicht von 0,8 Vol.-% beziehungsweise 40 g/m³ als untere Explosionsgrenze bis 6 Vol.-% beziehungsweise 300 g/m³ als obere Explosionsgrenze. Die Grenzspaltweite beträgt 1,05 mm, weshalb Cumol der Explosionsgruppe IIA zugeordnet wird. Seine Zündtemperatur beträgt 420 °C; damit gehört es zur Temperaturklasse T2.

Cumol reizt die Atmungsorgane sowie möglicherweise Haut und Augen, kann die Leber schädigen und Schwindel oder Benommenheit auslösen. Die Internationale Agentur für Krebsforschung stufte es 2013 als möglicherweise krebserzeugend ein. Bei Ratten und Mäusen zeigte Cumol krebserregende Aktivität: Bei Ratten traten vermehrt Nasen- und Nierentumoren, bei Mäusen Lungen- und Lebertumoren auf. Aufgrund neuer Karzinogenitätsdaten aus den USA wurde die PDE, ein zulässiger täglicher Expositionswert, von 55 mg/Tag (Klasse 3) auf 0,7 mg/Tag (Klasse 2) gesenkt. Die MAK-Werte betragen nach DFG 10 ml·m⁻³ beziehungsweise 50 mg·m⁻³, in der Schweiz 20 ml·m⁻³ beziehungsweise 100 mg·m⁻³.