Roger A. Sheldon,
Bunăstarea societății moderne nu poate fi imaginată fără miliarde de substanțe chimice. Drugs, fibre sintetice, coloranți și mai mult astăzi sunt fabricate în combinatele chimice. Partea opusă a monedei - aceste deșeuri generate în producția lor. Prin urmare, necesitatea unor tehnologii mai eficiente și mai ecologice. Crearea unui astfel este principala sarcină a chimiei moderne.
Dezvoltarea de sinteză organică
Termenul „chimia organică“ a fost introdus pentru prima dată de chimistul suedez Y.Bertselius în 1807. El a folosit pentru a descrie chimia substanțelor pe care le-a primit de la materia vie. Celebrul chimist, a fost un adept fervent al vitalismului, teoria că toate substanțele au organiches Kie misterios „forță vitală“, astfel încât acestea nu pot fi sintetizați din substanțe anorganice. În mod ironic, a fost studentul lui F.Ve ler agitat această teorie, sintetizarea ureei din cianat de amoniu, așa cum a scris pe profesorul său: „Trebuie să vă spun că eu pot face uree fără rinichi, și chiar și fără un animal, fie că este vorba de o persoană sau un câine“ . Dar convinge vitaliștii nu a fost atât de ușor, și a respins complet ipoteza de vitalitate doar câteva decenii mai târziu. Ultimul cui în sicriul acestei teorii a marcat A.Kolbe când în 1845 sintetizat acidul acetic din elementele sale constitutive.
Obiective a ajuns la Kolbe sale - eșecul vitalism a fost dovedit. Cu toate acestea, procesul de obținere a acidului acetic astăzi este un exemplu de ceea ce ar trebui să fie o sinteză organică: ea metoda multipas necesită o mulțime de materii prime, deșeuri anorganice produce munți și implică intermediari toxici și cu miros neplăcut, care sunt greu de distins.
Următoarea etapă în dezvoltarea sintezei organice a fost asociată cu numele U.Perkina: în 1856 a primit prima mauveine colorant sintetic (anilină violet). Așa cum se întâmplă de multe ori, sa întâmplat destul de accident: Perkin vrut să sintetizeze antimalarice chinină (la acel moment era cunoscut doar într-o formulă moleculară C20 H24 N2 O2), iar sursa sa dovedit a fi contaminate cu toluidină anilină. Ca rezultat al sintezei, produsul rezultat este purpuriu și Perkin apreciat imediat importanța constatărilor lor. coloranți sintetici noi înlocuite naturale, care a fost în valoare de mai mult decât aurul, deoarece aceasta a fost eliminată din cochilii de melci din Marea Mediterană. Cu mauveine început sinteza organică industrială a vopselelor, care a servit ca materie primă pentru gudron de huilă. Descoperirea a urmat sinteza mauveine cu succes a alizarină (în 1869) și Indigo (1878). Deoarece producția de coloranți a devenit baza pentru industria chimică în curs de dezvoltare, la început cea mai mare parte din Germania.
În prima jumătate a acestui secol, progresul chimiei organice a făcut posibilă efectuarea de sinteze complexe și elegante de produse naturale: terpineol (Perkin, Jr., 1904), tropinone (R.Robinson 1917), chinina (R.Vudvord și U.Dering 1944 g). Anii '50 și '60 sinteza organică clasică devine aproape artă. Sinteza totală de vitamina B12 poate fi considerată belvedere intelectuală a acelor vremuri.
In ultimii 20 de ani, încearcă să synthetics rezolve probleme mai complexe. De exemplu, pentru a primi anti-cancer de Taxol de droguri.
factor de mediu
Sub Waste înțeles totul, cu excepția produsului dorit. Cea mai mare parte - sunt săruri anorganice (de exemplu, clorură de sodiu, sulfat de sodiu, sulfat de amoniu), care sunt formate prin neutralizare acido-bazic. In industria farmaceutica sunt, de asemenea, destul de o mulțime de deșeuri, deoarece tehnologia este folosită și reactivi în exces de sinteză în mai multe etape. Dar vremurile se schimbă, și este timpul industria chimică să se așeze pe o dietă fără sare.
Cheia pentru minimizarea deșeurilor - selectivitate standard evalua modul în care în mod eficient sinteza realizată (exprimat ca raport procentual al randamentului produsului la cantitatea de reactiv de pornire convertit). În cazul în care sinteza se face ușor (fără „pierdere mecanică“), în timp ce selectivitatea este mică, poate fi atribuită „chimia inelegant“. chimiști organici sunt mai multe tipuri de selectivitate: heh moselektivnost, diastereoselectivitate, enantioselectivitate, regioselectivitate, stereoselectivitate. Dar unul dintre ei, au tendința de a ignora - aceasta este ceea ce eu numesc „atomic selectivă“ sau „reciclare nucleară“. Neatenția la acest parametru important este cauza problemei deșeurilor în producția de produse chimice fine.
atom atom
selectivitate nucleară - un parametru care se obține prin împărțirea masei moleculare a produsului dorit în cantitate de greutăți moleculare ale tuturor substanțelor din ecuația stoechiometrică (considerând coeficienții stoichiometrice).
Luați ca o ilustrare a producerii de oxid de etilenă. Metoda clorhidrină Classic
CH2 = CH2 + CL2 + H2O CLCN2 CH2OH + HCL
CLCN2 CH2OH + Ca (OH) 2 + CaCl2 + 2H2O
Metoda modernă petrochimic
eliminare nucleară = 100%
Are o utilizare atom de 25%, și mai degrabă seamănă cu producția de clorură de calciu, în care oxidul de etilenă - produs secundar. Chiar dacă randamentul chimic de 100%, un 3 kg de deșeuri per 1 kg de oxid de etilenă în proces. In procesul petrochimic moderne, oxidul de etilenă se prepară folosind catalizatori într-o singură etapă și cu selectivitate atomică 100%.
Comparând această valoare poate fi rapid! Ro evalua diferite metode de sinteză cu privire la nocivitatea pentru mediu.
Rolul cataliza
Un exemplu al producției de oxid de etilenă arată cum să înlocuiască sinteze învechite în care cantități stoichiometrice de reactanți utilizați, catalizatorul pentru procese mai curate. Exemple de astfel de tehnologii fără sare cu oxidarea catalitică eliminare atomică ridicată poate fi oxigen sau peroxid de hidrogen și carbonilarea catalitică. Două exemple de astfel de procese având selectivitate atomică 100%.
RSN = CH2 + H2 + O2 H2O
Primul exemplu - prepararea acidului acetic într-o singură etapă, în prezența unui catalizator de rodiu și un ion de iodură ca un promotor (proces Monsanto):
CH3 OH CO + CH3COOH
Dintre toate acidul acetic produs în lume (care este de 5 Mill. Tone pe an) de mai mult de 50% se obține în acest mod. El este în mod clar mai elegant sinteza Kolbe.
Al doilea exemplu - producerea de metacrilat de metil, care a necesitat mai mult de un milion de tone anual. În mod tradițional, este produs din acetonă (produs secundar în prepararea fenol) și acid cianhidric (produs secundar în producerea acrilonitrilului). Și aparent bine: produsele secundare utilizate în producerea unui alt compus, doar un kilogram de metil metacrilat format din 2,5 kg de bisulfit de amoniu (E-factor 2,5). Dar, într-un alt proces, nou dezvoltat „Shell“ angajații companiei, produsul dorit este obținut într-o singură etapă
un catalizator de paladiu. Reacția are loc în condiții blânde, și materii prime - un produs secundar al pirolizei fracțiuni petroliere. Aceste exemple sugerează că cataliza va juca un rol major în dezvoltarea proceselor curate, cu emisii reduse de sare.
Dar, în cazul în care soluția este atât de simplu și frumos, de ce procesele catalitice sunt utilizate atât pe scară largă în producția? Unul dintre motive este că, din moment ce Berzelius (de altfel, el a inventat termenul de „cataliză“) sinteza organică și cataliza au evoluat separat unul de altul. Cataliza a fost întotdeauna o parte a chimiei fizice. Cu toate acestea, din anii '30 din, este utilizat pe scară largă în rafinării de petrol, dar oamenii de știință implicați în aceste evoluții nu au fost chimiști organici. Dar chimiști organice au fost în general, în mod „stoechiometrică“. Așa sa întâmplat că industria chimică fină, acest teritoriu suveran al chimiști organici, a fost întindere pentru procesele stoichiometrice. Putem spune că în E-factorul de la prima sinteză mauveine puține s-au schimbat.
Reacții Intre timp clasice: dicromat de oxidare și permanganatului, recuperarea de praf de zinc și metal hidruri, diferite tipuri de substituție aromatică (halogenare, sulfonare, nitrare, diazotare și Friedel - Crafts) au fost mult timp pregătit pentru a da catalizator mod. Foarte des grupările funcționale (halogen, SO3H, NO2) sunt introduse numai în scopul apoi să le înlocuiască cu un alt grup. Desigur, acilarea catalitică directă, alchilare, oxidare, hidroxilare și carbonilarea aminarea avantajos incomparabil, mai rapid și mai ecologice.
(În cazul în care mai interesat, să fie continuată)