Лекция №1

ПРЕДМЕТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

План.

1. Предмет органической химии.
2. Значение органической химии в формировании химической идеологии современного химика- исследователя.
3. Основные источники углеводородного сырья.
4. Органический синтез, его место в органической химии и технологических процессах.

Органическая химия рассматривается как химия углеродсодержащих соединений. Однако термин “органическая”, предполагающий роль в образовании живых организмов органических соединений все еще сохраняет силу, поскольку химия соединений углерода более важна для жизни, чем химия любого другого элемента.

Органическая химия как предмет занимает важное место в формировании химической идеологии современного химика-исследователя, инженера – химика-технолога, преподавателя химии. Это обусловлено рядом причин. К ним относятся:

– широкое разнообразие органических соединений, характеризующихся уникальностью структуры и свойств. Изучение таких объектов приводит к новым концепциям, которые определяют прогресс химии и сопряженных с ней наук. Так, в частности, возникла концепция ароматичности, теория реакционной способности в основном развивается на основе исследования химического поведения органических реагентов, носителями генетической информации являются органические молекулы. Катализаторами будущего являются биоорганические катализаторы, а изучение кинетики биоорганических реакций во многом проливают свет на механизм процессов жизнедеятельности организмов;

– разнообразие органических объектов и их свойств обусловливает разнообразие приемов и процедур синтеза различных соединений и во многом определяют прогресс в химической технологии;

– органическая химия предоставляет обширный материал во взаимосвязи структуры химических соединений с их свойствами и способствует успешному решению одной из фундаментальных проблем химии – синтезу новых материалов с заданными свойствами.

В качестве естественных источников углеродсодержащего сырья для синтеза органических соединений используют природный и попутный газ, нефть, горючие сланцы, торф, каменный уголь.

Традиционные способы получения органических соединений из природных источников основаны на методах физической и химической переработки природного сырья.

Природный газ содержит в качестве основного компонента метан (до 97%) и его низшие гомологи.

Попутный газ – углеводороды С₁–С₅ ряда метана. Попутный газ получил свое название из-за совместного залегания с нефтью и поэтому добывается вместе с нефтью.

Основные направления переработки природного и попутного газов в сырье для органического синтеза основано на двух процессах:

а) неполное окисление

C_nH_2n+2 + n/2 O₂ ® nCO + (n+1)H₂

Смесь СО и Н₂, называемая “синтез-газом” является важным источником для получения целой гаммы продуктов, например:

б) пиролиз до ацетилена

C_nH_2n+2 n/2 C₂H₂ + (n+2)/2 H₂

Нефть представляет собой маслянистую жидкость с окраской от желтого до черного цвета. Нефть – сложная смесь большого разнообразия углеводородов, таких как алканы, нафтены, ароматические углеводороды. В качестве примесей в нефтях содержатся O–, S– и N–органические соединения.

Очищенная от газов, воды и механических примесей нефть разгонкой при обычном давлении разделяется на три фракции: бензин (30–180^оС), керосин (180–300^оС) и мазут (остаток от перегонки). Из этих основных фракций нефти выделяют более узкие фракции, причем в разных странах их отбирают в различных интервалах температур: петролейный эфир (30–80^оС) лигроин (110–140^оС), уайт-спирт (150–210^оС), газойль (270–300^оС). Из мазута перегонкой под пониженным давлением или с водяным паром получают горючие (соляровые) и смазочные масла, вазелин, а также твердый парафин.

К химическим методам переработки нефти относятся крекинг, риформинг, алкилирование, изомеризация.

Крекинг. В процессе крекинга происходит разрыв связей С–С и С–Н в углеводородной цепи с образованием радикалов или карбкатионов, которые затем превращаются в алканы и алкены меньшей молекулярной массы

CH₃(CH₂)_xCH₂CH₂(CH₂)_yCH₃® CH₃(CH₂)_x–1CH=CH₂ + CH₃(CH₂)_yCH₃

Существуют три модификации крекинга – термический, каталитический и гидрокрекинг.

Разновидностью термического крекинга является процесс пиролиза, в результате которого деструктивные процессы идут настолько глубоко, что в качестве основного продукта образуется этилен – важное сырье для промышленного органического синтеза.

Риформинг. В отличие от процессов крекинга, при котором тяжелые фракции превращаются в легкие путем расщепления молекул углеводородов, риформинг основывается на изменении молекулярной структуры углеводородов. Этот процесс используется для получения ароматических соединений.

Алкилирование в нефтехимии – это процесс между алкенами и алканами, приводящей к получению разветвленных алканов, обладающих высоким октановым числом. Используется для получения высокооктановых бензинов.

Изомеризация в нефтепереработке – совокупность реакций перегруппировки н-алканов в изоалканы. Имеет значение для получения высокооктановых бензинов.

Расчеты показывают, что запасов нефти при темпах ее добычи и использования должно хватить на 30-50 лет. В этой связи важное значение как вид углеродсодержащего сырья приобретает каменный уголь, запасов которого должно хватить на тысячелетия.

Из процессов переработки угля, имеющих важное значение в сырьевой базе промышленного органического синтеза следует отметить:

– газификацию, основанную на взаимодействии паровоздушной смеси, обогащенной кислородом с углеродом

C + 1/2 O₂ ® CO

C + H₂O ® CO + H₂

В результате образуется смесь СО и Н₂, о значении которой для синтеза органических продуктов говорилось выше;

– гидрирование угля, приводящее к образованию смеси жидких углеводородов;

– сухая перегонка угля. В результате этого процесса получается кокс, каменноугольная смола, надсмольная вода и газы коксования;

Из каменноугольной смолы получают ароматические углеводороды, фенолы, гетероциклические соединения – пиридин, хинолин и его гомологи;

– газы коксования содержат метан, этилен, водород, СО. Частично они сжигаются, частично перерабатываются;

– кокс используется в металлургии;

– уголь (антрацит и кокс) используется в процессе синтеза карбида кальция

СаO + 3C ® CaC₂ + CO

являющегося сырьем для синтеза важнейшего реагента промышленного органического синтеза ацетилена

CaC₂ + H₂O ® Ca(OH)₂ + C₂H₂

• сланцы

Газификация сланцев приводит к образованию синтез-газа, универсальное сырье для органического синтеза. Пиролизом сланцев можно получить фенолы. Органическая составляющая сланцев – кероген – может быть переработана окислением в двухосновные карбоновые кислоты.

• Торф

Органическая составляющая торфа может быть превращена в синтез-газ методом газификации (парокислородная конверсия). Окислением торфяной массы получают щавелевую кислоту.

В связи с перспективой исчерпывания природных источников органического сырья назрела необходимость разработки альтернативных источников. Это могут быть биотехнологические процессы, к которым относятся фотосинтез и синтез белка. Актуальным становятся промышленные синтезы на основе диоксида углерода. Поэтому во многих лабораториях мира в настоящее время ведутся исследования по использованию СО₂, биомассы, угля, сланцев, древесины для получения дешевого углеводородного сырья.

Органический синтез играет важную роль в синтезе новых препаратов, исследование структуры и свойств которых в значительной степени определяет прогресс органической химии как науки. С другой стороны, ”потребителями” достижений химиков-синтетиков являются биохимия, фармакология и промышленный органический синтез. В свою очередь эти области и народное хозяйство в целом выдвигают перед теоретической и синтетической органической химией новые задачи, связанные с требованиями научно-технического прогресса.

К таким требованиям относятся получение новых веществ и материалов с заданными свойствами, разработка промышленных процессов синтеза органических соединений, характеризующихся высокой производительностью и селективностью, открытие новых реакций синтеза ценных органических соединений, отличающихся от известных способов их получения малостадийностью, низким значением экологического фактора, высоким выходом целевых продуктов.