Лекция 1. Строение органических соединений Тема Основные этапы развития органической химии
 Скачать 25.51 Kb.
|
|
Раздел 1. Строение органических соединений Тема 1.1. Основные этапы развития органической химии. Первоначальные представления о природе органических соединений. Основные этапы развития органической химии. Органический синтез: первые синтезы, промышленный органический синтез и экология. Характеристика методов выделения и очистки органических веществ. Методы очистки органических веществ. Качественный и количественный элементный анализ органических соединений. Предметом изучения органической химии являются углеводороды и их производные, в состав которых могут входить почти все элементы таблицы Менделеева. Как самостоятельная наука органическая химия cформировалась в начале 19 века, когда из объектов живой природы было выделено много органических соединений, а также синтетическим путем были получены муравьиная кислота, щавелевая кислота, мочевина. Отделение органической химии от неорганической вызвано следующими причинами: Органические соединения очень многочисленны. В настоящее время выделено более 9 млн. органических соединений, в то время как неорганических соединений известно лишь около 700 тысяч. Они обладают такими особенностями свойств, как низкие температуры плавления и кипения, легкая воспламеняемость и летучесть, плохая тепло- и электропроводность. Органические соединения имеют более сложное строение молекул по сравнению с неорганическими, они связаны с живой природой и принадлежат к более высокоорганизованной материи. Основной задачей органической химии ранее являлось изучение свойств соединений, выделяемых и из продуктов жизнедеятельности живых организмов, сейчас ее главное направление – это разработка высокоселективных синтетических методов получения веществ с заданными свойствам 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 CnH2n+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 CnH2n+2  n/2 C2H2 + (n+2)/2 H2Нефть 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 (30–180оС), керосин (180–300оС) 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 (30–80оС) лигроин (110–140оС), уайт-спирт (150–210оС), газойль (270–300оС). 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. |