Синтез органічних сполук різних класів на основі вуглеводневої сировини
Що таке органічний синтез? Яку вуглеводневу сировину використовують у основному органічному синтезі? Які продукти первинної переробки вуглеводневої сировини є основою подальшого органічного синтезу? Для чого застосовують продукти органічного синтезу?
Опрацювавши цей параграф, ви пригадаєте суть поняття «синтез», перші синтези органічних речовин, найважливіші продукти перегонки нафти і переробки кам'яного вугілля, деякі класи органічних сполук, зможете навести приклади синтезів органічних сполук на основі вуглеводневої сировини, схарактеризувати природну вуглеводневу сировину як джерело добування органічних сполук, висловлювати судження щодо значення синтетичних методів добування органічних речовин.
Синтез - основа промислового виробництва органічних речовин. Органічний синтез - розділ органічної хімії і галузь хімічної технології. Йдеться про різні способи, методики, апаратуру для отримання органічних сполук, матеріалів і виробів, а також сам процес одержання речовин і їхньої ідентифікації. Сучасний органічний синтез надзвичайно багатогранний, завдяки йому хіміки добувають найрізноманітніші сполуки. Основною сировиною для їхнього одержання є вуглеводні (див. на е. 21 визначення органічної хімії, дане К. ІІІорлеммсром).
Вуглеводні нафти, природного й супутнього нафтового газів, газів нафтопереробки є сировиною для виробництва найважливіших синтетичних продуктів: пластмас, каучуків і волокон, сечовини (карбаміду), мийних засобів, клеїв, мастил і присадок, засобів захисту рослин, ліків, харчових добавок, розчинників тощо. Ці продукти користуються попитом як у буденному житті, так і у новітніх галузях техніки.
Про основні продукти первинної переробки вуглеводневої сировини ви дізнаєтеся зі схеми, наведеної на малюнку 11.1. Процеси переробки вугле-
Водневої сировини в цільові продукти ґрунтуються на численних реакціях органічної хімії, деякі з них вам уже відомі. Це галогенування, піроліз, окиснення, дегідрування й гідрування, гідратація і дегідратація, полімеризація тощо. Перебіг, склад і будова продуктів цих реакцій значною мірою залежать від умов (температури, тиску, освітлення, наявності каталізатора). Розгляньмо докладніше приклади синтезів на основі вуглеводнів.
Синтези на основі метану використовують переважно для промислового виробництва галогенопохідних, ацетилену, етилену, метанолу, амоніаку,
Формальдегіду тощо. (Пригадайте, формальдегід (метаналь) про
Міжна сполука, що утворюється внаслідок згоряння метану й інших органічних речовин. Може утворюватися також у повітрі внаслідок дії сонячного світла і атмосферного кисню на атмосферний метан, стаючи складовою частиною смогу. Сировина у виробництві фенолформальдегідних смол і пластмас на їхній основі.)
Галогенування - один з найважливіших процесів органічного синтезу. Наприклад, з метану хлоруванням добувають хлорометан, дихлорометан, трихлорометан і тетрахлорометан. Ви, звичайно, пам’ятаєте: аби ця реакція розпочалася, потрібне надходження світлової енергії (за схемою на мал. 11.2 запишіть хімічні рівняння, визначте тип хімічної реакції).
Дихлорометан широко використовують як розчинник, хлорометан - як реагент в органічному синтезі. З трихлорометану (хлороформу) одержують холодоагент фреон CHClF2 і мономер F2C=CF2 для синтезу тефлону. Тетрахлорометан використовують як розчинник, складову деяких пестицидів і для одержання фреонів (CCl2F2 і CCl3F).
Піроліз метану за 1500 0C - один зі способів промислового добування етину (перетворіть схеми хімічних реакцій на хімічні рівняння):
CH4 C2H2 + H2
За вищої температури метан розкладається з утворенням водню й сажі, яку використовують у виробництві гумових виробів, фарб, мастил ацетилену: CH4 -> C + H2
Унаслідок окиснювального піролізу також добувають ацетилен і сажу (перетворіть схеми хімічних реакцій на хімічні рівняння):
Cti1 + O2 -> C2H2 - I - H2O CH4 + O2 -► C + H2O
Метановий плазмотрон (пристрій для одержання стаціонарного струменя плазми - йонізованого газу) порівняно зі звичайною піролітичною установкою має крихітні розміри: 65 см завдовжки і 15 см у діаметрі, однак замінює величезний завод. За температури 3000-3500 0C досить однієї десятитисячної частки секунди, аби 80 % метану перетворилося на ацетилен. Ступінь використання енергії сягає 90-95 % за мінімальних енергови - трат. У паровому реакторі піролізу метану вони чи не вдвічі більші.
За техніко-економічними показниками плазмохімічний піроліз вуглеводневої сировини перевершує показники усіх інших існуючих процесів. Він може бути реалізований у різних варіантах залежно від економіко - географічних умов і потреб суспільного господарства, дозволяє переробляти будь-які види вуглеводневої сировини - газувату (метан, етан-пропанові і пропан-бутанові суміші тощо), рідку (бензин, газойль, сира нафта і т. п.), тверду (горючі сланці та ін.).
Ці приклади є свідченням того, що для основного органічного синтезу характерне існування кількох промислових методів одержання найважливіших продуктів, що різняться технологією. І не лише нею - адже сировина для синтезу одного й того самого продукту також може бути різною.
Дізнайтеся більше... 1889 р. двом англійцям було видано патент США на виробництво з болотяного газу метану вугільних волосинок для електричного освітлення.
Нині одним з найбільш перспективних методів синтезу карбонових нанотрубок і нановолокон є каталітичний піроліз різноманітних сполук Карбону, зокрема метану і парафінів.
Незважаючи на багатоманітність теоретичних можливостей перетворень метану, наразі найбільш значущими для промислового органічного синтезу є такі процеси:
• добування синтез-газу: CH4 + H2O CO + ЗН2;
• пряме каталітичне перетворення на етилен (етен) C2H4;
• пряме каталітичне перетворення на спирти і формальдегід НСНО.
З водню, одержаного із синтез-газу, добувають амоніак - сировину у синтезі нітратної кислоти, нітрогеновмісних (азотних) добрив, вибухових речовин, барвників.
Синтез-газ також використовують для синтезу метанолу:
CO + 2Н2 -> CH8OH
За цією схемою одержують щонайменш дві третини загального обсягу виробленого метилового спирту. Якщо природний газ містить не менше 3 % етану, з нього вигідно добувати етилен (етен).
Синтези на основі парафінів - джерело добування багатьох важливих для хімічної промисловості продуктів. Хлоруванням етану виробляють гек- сахлороетан1 CI3C-CCl3 й інші хлоропохідні. Продукт хлорування твердих парафінів — хлоропарафін-40( W(Cl)* 40 %) використовують як пластифікатор, хлоропарафін-70 (яка масова частка Хлору в ньому?) - для просочення паперу і тканин, аби надати їм вогнестійкості.
Продукти повного фторування вузьких фракцій гасу і газойлює цінними мастильними речовинами і гідравлічними рідинами з високою термічною і хімічною стійкістю. Фреони на основі етану застосовують як холодоагенти.
У такий спосіб у трубчастих печах за 850 0C реакцією дегідрування одержують сировину для виробництва різноманітних полімерних виробів і напівпродукт у різних органічних синтезах:
Каталітичним окисненням бути ну у промисловості добувають оцтову (етанову) кислоту:
2С4Н, о + 50а -> ICH3COOH + 2Н20
Крекінг (від англ. cracking - розщеплення) - процес термічного розкладання вуглеводнів, що ґрунтується на розщепленні карбонового ланцюга великих молекул з утворенням сполук з коротшим ланцюгом. Основними його продуктами є компоненти моторних палив. Метод крекінгу запатентував В. Г. Шухов (1891). Більше уявлень про різновиди крекінгу і його продукти ви дістанете зі схеми на малюнку 11.3.
Проаналізувавши її, ви пересвідчилися, що крекінг здійснюють нагріванням нафтової сировини. Внаслідок руйнування зв’язків між атомами Карбону утворюються алкани і алкени. У такий спосіб одержують бензинові (низькооктанові компоненти автомобільних палив) і газойльові (компоненти флотських мазутів, газотурбінних і пічних палив) фракції, паливо для котелень, а також автомобільне і дизельне пальне.
Каталітичним крекінгом добувають базові компоненти високооктано - вих бензинів, газойлів, вуглеводневих газів. Це бензинові фракції, реактивні і дизельні палива, нафтові масла, вуглеводневі гази, а також сировина для піролізу нафтових фракцій і каталітичного риформінгу (за мал. 11.2 поясніть суть добування ароматичних вуглеводнів риформінгом). Каталітичний крекінг за присутності алюміній хлориду досліджував М. Д. Зелінський (мал. 11.4).
Етилен (етен), як вам уже відомо, є мономером для одержання найпопу - лярнішого полімеру - поліетилену:
ПН2С 5= CH2 —> (-СН2-СН2~)П (до якого типу належить ця реакція?). З етену реакцією приєднання хлору і гідроген хлориду добувають 1,2-дихло- роетан і хлороетан, які потім переробляють на вінілхлорид - мономер для виробництва полівінілхлориду (-CH2-CHCl-)n:
Мал. 11.4. Зелінський Микола Дмитрович (1861-1953)- видатмий хімік-органікі уродженець м. Тирасполя (Херсонська губернія), навчався в Рішельевській гімназії, Новоросійському університеті (м. Одеса), згодом упродовж кількох років викладав у ньому хімію. Фундатор наукової школи, академік, один з основоположників органічного каталізу і нафтохімії. Створив вугільний протигаз. Лауреат багатьох державних премій
Ці та інші продукти синтезів на основі етену зазначено на схемі (мал. 11.5). Ацетилен (етин) також широко використовують в органічному синтезі. За схемою на малюнку 11.6 ознайомтеся з найважливішими продуктами його переробки.
Ароматичні вуглеводні - і продукти, і сировина органічного синтезу. З них добувають найрізноманітніші сполуки, які широко застосовують у різних галузях суспільного господарства. Пересвідчитися в цьому ви зможете 1Ha прикладі найпростішого ароматичного вуглеводню - бензену, продукти переробки якого зазначено на схемі (мал. 11.7).
Розглянуті приклади синтезів на основі вуглеводневої сировини - лише невелика частка від їхньої загальної кількості. Однак і вони, безсумнівно, вразили вас кількістю і різноманітністю. Тож ви пересвідчилися в слушності вислову Р. Вудворда (мал. 11.8), який зауважував: «...досягнення в галузі органічного синтезу, напевно, більш ніж успіхи в будь-якій іншій царині органічної хімії дозволяють судити про стан і могутність цієї науки>.
Мал. 11.8. Вудворд РОберт Берне (1917— 1979) - американський хімік-органік, король органічного синтезу. Синтезував складні біологічно активні органічні сполуки: хінін, холестерин і кортизон, резерпін, стрихнін, хлорофіл, тетрациклін, вітамін B12. 1965 року був удостоєний Нобелівської премії «за видатний внесок у мистецтво органічного синтезу»
Дізнайтеся більше... На думку директора Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії HAH України академіка В. П. Кухара, уже найближчими роками хімічне виробництво органічних матеріалів ґрунтуватиметься на трьох сировинних базах: вуглеводнях, вуглеводах і продуктах метаболізму рослин. Вуглеводні а нафти, газу і синтез-газ залишатимуться основною сировиною для виробництва органічних хімікатів, розчинників і полімерних матеріалів. Водночас стрімко зростатиме обсяг органічних хімікатів, вироблених ферментативною технологією з біомаси в поєднанні з додатковими каталітичними і синтетичними процесами. Рослини використовуватимуть як джерело екологічно безпечних пестицидів і барвників, лікарських засобів тощо. Поява на ринку значного обсягу доступних хімікатів з біомаси буде важливим стимулом для розширення сфери їхнього застосування і створення нових проміжних і кінцевих продуктів.
► Синтез - основа промислового виробництва органічних речовин.
► Органічний синтез — розділ органічної хімії і галузь хімічної технології.
► Вуглеводні є сировиною для виробництва пластмас, каучуків і волокон, сечовини (карбаміду), мийних засобів, клеїв, мастил і присадок, засобів захисту рослин, ліків, харчових добавок, розчинників.
► Процеси переробки вуглеводневої сировини ґрунтуються на реакціях галогенування, піролізу, окиснення, дегідрування й гідрування, гідратації і дегідратації, полімеризації тощо.
► Крекінг - термічне розкладання вуглеводнів.
► Унаслідок каталітичного крекінгу в продуктах зростає вміст розгалужених вуглеводнів.
► Риформінг - спосіб добування ароматичних вуглеводнів.
► Вуглеводні, вуглеводи і продукти метаболізму рослин — перспективна сировинна база органічного синтезу.
G ‘Дізнайтеся, структурну формулу якої речовини накреслив на дошці Р. Вудворт (мал 11.8)- Яке значення має ця сполука для забезпечення сировинної бази органічного ||
Синтезу?
Творча майстерня
Самостійно або у складі малої навчальної групи створіть реальну або віртуальну колекцію продуктів органічного синтезу, які ви використовусте в
Повсякденному житті.
Автор: admin от 19-05-2013, 14:43, Переглядів: 31853