Промышленный органический синтез
Нефть, газ и синтез-газ
linkОпора
- Урок 336. Карбонилирование: гидроформилирование, Реппе, Монсанто — вводить CO в молекулу
Промышленность выбирает не самую красивую реакцию, а самую дешёвую и чистую: дешёвое сырьё, катализ, непрерывный процесс и минимум отходов. Пример такого процесса — карбонилирование метанола в уксусную кислоту (урок 336).
Как устроена крупнотоннажная органическая химия
- Нефть перегоняют на фракции; крекинг даёт короткие алканы и алкены, а риформинг на платине — ароматические углеводороды и водород.
- Метан с водяным паром (Ni, 800 °C) даёт синтез-газ — смесь CO и \(\ce{H2}\).
- Из синтез-газа получают метанол (Cu/ZnO, 250 °C), а по Фишеру — Тропшу (Fe, Co) — смесь углеводородов.
- Метанол с CO (родий, иодид — процесс Монсанто) даёт уксусную кислоту.
- Атомная экономия равна отношению молярной массы целевого продукта к сумме молярных масс реагентов (в процентах): чем меньше отходов, тем «зеленее» процесс.
Примеры
1. Атомная экономия замещения. В реакции \(\ce{C2H5OH + HCl -> C2H5Cl + H2O}\) атомная экономия \(64{,}5/82{,}5 \cdot 100\,\% = 78\,\%\): часть массы реагентов уходит в воду.
2. Риформинг. Гексан на платиновом катализаторе превращается в бензол и водород: \(\ce{C6H14 -> C6H6 + 4H2}\) — так получают ароматические углеводороды и водород для гидрирования.
errorПромышленный путь — не лабораторный
В промышленности выбирают дешёвое сырьё, катализ, непрерывный процесс и рецикл: например, этанол для химии получают гидратацией этилена, а не брожением.
edit_noteПопробуйте сами
Какова атомная экономия этерификации уксусной кислоты этанолом?
expand_moreПоказать решение
83 %: из 106 г реагентов 18 г уходят в воду.
Крупнотоннажные продукты
Из нескольких простых веществ — этилена, пропилена, бензола и ксилолов — промышленность получает почти все остальные органические продукты. Цепочки от сырья к продукту удобно знать наизусть.
Как проследить путь от сырья к продукту
- Из этилена получают полиэтилен, этиленоксид (\(\ce{O2}\), Ag) и из него этиленгликоль, этанол (\(\ce{H2O}\), \(\ce{H3PO4}\)) и ацетальдегид (процесс Вакера).
- Из пропилена получают полипропилен, акрилонитрил (\(\ce{NH3}\), \(\ce{O2}\) — аммоксидирование), кумол и из него фенол с ацетоном, а также бутаналь (гидроформилирование).
- Бензол превращают в этилбензол, а его дегидрированием — в стирол; гидрированием бензола получают циклогексан, а из него — адипиновую кислоту и капролактам для найлонов.
- п-Ксилол окисляют кислородом (катализатор — соли Co и Mn) в терефталевую кислоту — сырьё для полиэфиров.
Примеры
1. Этиленгликоль. Этилен окисляют кислородом на серебре в этиленоксид, а его гидратация даёт этиленгликоль \(\ce{HOCH2CH2OH}\) (уравнение выше) — основу антифризов.
2. Аммоксидирование пропилена. Пропилен, аммиак и кислород на оксидном катализаторе дают акрилонитрил: \(\ce{2CH2=CHCH3 + 2NH3 + 3O2 -> 2CH2=CHCN + 6H2O}\).
errorСелективность важнее конверсии
Непрореагировавшее сырьё в промышленном процессе возвращают в реактор (рецикл), поэтому важнее всего, чтобы как можно больше прореагировавшего сырья превратилось в нужный продукт.
edit_noteПопробуйте сами
Какой альдегид получают гидроформилированием пропена (главный продукт)?
expand_moreПоказать решение
Бутаналь.
push_pinГлавное
Сырьё — нефть (перегонка; крекинг — короткие алканы и алкены; риформинг — ароматические углеводороды и водород), природный газ (метан + водяной пар на никеле → синтез-газ CO + \(\ce{H2}\)), уголь. Синтез-газ → метанол (Cu/ZnO); метанол + CO → уксусная кислота (процесс Монсанто, родий и иодид; атомная экономия 100 %); CO + \(\ce{H2}\) по Фишеру — Тропшу → углеводороды. Этилен → полиэтилен, этиленоксид (\(\ce{O2}\), Ag) → этиленгликоль, этанол (гидратация), ацетальдегид (Вакер). Пропилен → полипропилен, акрилонитрил (аммоксидирование), кумол → фенол + ацетон (1 : 1 по молям), бутаналь (гидроформилирование). Бензол → этилбензол → стирол; циклогексан → адипиновая кислота и капролактам; п-ксилол → терефталевая кислота. Атомная экономия = M(целевого продукта)/Σ M(реагентов) · 100 %; каталитические процессы с высокой атомной экономией вытесняют стехиометрические (хлоргидринный способ получения этиленоксида — около 32 %).
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.