Перспективы развития промышленного органического синтеза

Курсовая работа

«Перспективы развития промышленного органического синтеза»

Оглавление

• Введение
• 1. История развития промышленного органического синтеза
• 2. Основные тенденции развития промышленного органического синтеза
• 2.1 Синтез-газ как альтернатива нефти
• 2.2 Получение этанола прямой каталитической гидратацией этилена
• 2.3 Замена двухстадийного процесса синтеза ацетальдегида из этилена через этанол одностадийным окислительным процессом
• 2.4 Создание органических молекул с заданными структурными характеристиками
• 2.5 Использование наноматериалов и нанотехнологий в современном нефтегазохимическом синтезе
• Заключение
• Список используемой литературы

органический синтез нефть гидратация

Введение

Современный промышленный органический синтез решает две основные задачи: крупномасштабное производство полупродуктов для других отраслей промышленности и получение целевых продуктов общего назначения. Поэтому, в настоящее время нет ни одной отрасли народного хозяйства, в которой не использовались бы продукты промышленного органического синтеза и его переработки.

Развитие промышленного органического синтеза имеет большое значение для сохранения биосферы Земли и установления разумных и взаимополезных отношений человека с окружающей живой природой. Органический синтез позволяет выпускать в промышленных масштабах вещества, которые редко встречаются в природной среде, а также новые вещества, значительно превышающие природные по полезным свойствам. Это особенно важно в производстве лекарственных препаратов.

Наиболее важным фактором развития промышленного органического синтеза является доступность его сырья. Поэтому, возникает необходимость поиска нового, более доступного сырья, а также его рациональной переработки.

В связи с этим возникает необходимость изучения перспектив развития промышленного органического синтеза.

Цель работы: исследование перспективных отраслей развития промышленного органического синтеза.

Объект исследования: промышленный органический синтез.

Предмет исследования: тенденции развития промышленного органического синтеза, перспективы развития промышленного органического синтеза.

1. История развития промышленного органического синтеза

Производство органических веществ, используемых для нужд человека, зародилось в древности и в дальнейшем развивалось вместе с развитием теоретической органической химии. Первоначально оно базировалось на процессах переработки растительного или животного сырья, путем выделения из него ценных продуктов (жиры, масла, сахар) или расщепления содержащихся в сырье веществ на более простые (спирт, уксусная кислота, глицерин, мыла).

Промышленный органический синтез или производство более сложных веществ из ограниченного набора простых органических соединений появился в середине XIX века на базе успехов синтетической органической химии. [14] «Едва ли можно говорить о промышленной органической химии до 1855 года. Некоторое число природных продуктов подвергалось очистке или переработке другими способами, но лишь немногие впервые созданные соединения изготавливались в масштабах больших, чем в лаборатории». [6]

Первоначально органическая химия могла решать прямые технологические задачи только в отдельных редких случаях, как например, разработка К.С. Кирхгофом способа осахаривания крахмала, синтез У.Г. Перкиным красителя мовеина и некоторые другие. Создание и развитие структурной теории органической химии имело решающее значение для развития и промышленного органического синтеза. Теоретическая органическая химия с ее мощным теоретическим аппаратом и возможностью предсказывать неизвестные соединения, обогащенная в XX веке новыми синтетическими методами, нашла множество практических приложений. На ее основе выросла промышленная органическая химия в виде основного и тонкого органического синтеза, наложившая отпечаток на всю историю человечества XX столетия, как это предсказывал А.М Бутлеров, анализируя значение синтеза ализарина из антрацена каменноугольной смолы: «Это отразится, без сомнения, на состоянии промышленности целых стран и на приложении труда тысяч рук (А.М. Бутлеров речь «О практическом значении научных химических работ», 1871 год).

Успехи органического синтеза вызвали поворот химической промышленности к органической химии. Перед ней была поставлена задача целенаправленных поисков новых органических соединений и разработки новых методов получения уже известных веществ, имеющих практическое значение и производимых в промышленных масштабах. При этом от процессов, направленных на замену природных продуктов (красителей, лекарственных и душистых веществ) синтетическими, промышленность органического синтеза переходит к процессам производства новых, не встречающихся в природе соединений и структурных аналогов уже известных.

В последующие годы в своем развитии ранее единая промышленность органического синтеза разделяется на ряд отраслей, которые и составляют основной органический и нефтехимический синтез и тонкий органический синтез.

В процессе развития промышленности органического синтеза изменялась и ее сырьевая база. Место каменного угля все более и более занимало нефтяное сырье и природный газ. В процессе этого переходя и появился термин «нефтехимический синтез». В нашей стране основы промышленности основного органического синтеза закладываются в 30-е годы XX века, а как самостоятельная отрасль она оформляется только в 40-е годы. До этого времени ассортимент и объем, вырабатывавшихся на основе кокса и пищевого сырья, органических продуктов был незначителен. Так, в 1913 году было произведено всего 200 т сырого бензола, 112 т сырого фенола, 90 т ацетона, 56 т нафталина и 1000 т уксусной кислоты. В 1914 году из 5754 коксовых печей только на 98 печах было организовано полное улавливание химических продуктов коксования, а основными продуктами нефтепереработки являлись керосин и мазут.

Развитие сырьевой базы основного органического в нашей стране начинается с восстановления и пуска коксохимических заводов Донбасса с полным улавливанием летучих продуктов коксования, что позволило организовать промышленное производство ряда органических продуктов: бензола толуола, ксилолов, фенола, нитробензола и др. и к 1932 году отказаться от их импорта. В последующие годы выпуск этих и других продуктов на базе коксохимического сырья продолжает возрастать. В 1943 году начинаются исследования по промышленной химической переработке нефтяных газов (синтез толуола деалкилированием ксилола и др.). Ввод в строй промышленных установок каталитического риформинга нефтепродуктов позволил изменить структуру сырья для производства ароматических углеводородов и уменьшить долю коксохимии в их сырьевом балансе. Так с 1963 по 1970 год доля ароматических углеводородов, получаемых из нефтяного сырья, возрастает бензола с 1 до 37%, толуола с 48,7 до 76,5%, ксилолов с 74,2 до 93,6%.

В таблице 1 приведена динамика роста производства продуктов основного органического синтеза в нашей стране с 1970 по 1987 год.

Таблица 1. Производство продуктов основного органического синтеза (в тыс. т)

Одновременно с увеличением общего объема продукции промышленность основного органического синтеза, начиная с 1960 года, по темпам роста начинает значительно опережать химическую и нефтехимическую промышленность в целом. [14]

2. Основные тенденции развития промышленного органического синтеза

Основные тенденции развития промышленности ООС, направленного на повышение экономической эффективности производства и качества продукции, связаны с экономией сырья, энергии и снижением капитальных затрат. Важнейшими из них являются следующие:

1. Создание новых технологических процессов, базирующихся на более доступном и дешевом сырье. Например, переход от дорогого ацетилена к ароматическим углеводородам, алкенам, алканам и, наконец, синтез-газу в соответствии со шкалой их ценности:

2. Переход к прямым методам синтеза, исключающим потребление неорганических реагентов. Например, замена сернокислотной гидратации этилена прямой каталитической в производстве этанола.

3. Повышение селективности процессов за счет оптимизации параметров, выбора аппаратуры и подбора высокоселективных катализаторов.

4. Сокращение числа стадий производства. Например, замена двухстадийного процесса синтеза ацетальдегида из этилена через этанол одностадийным окислительным процессом:

5. Увеличение единичной мощности аппаратов и снижение за счет этого капитальных затрат. Например, в производстве метанола до 300—500 тыс. т/год.

6. Экономия энергии и повышение коэффициента полезного действия агрегатов, в частности за счет использования вторичных энергоресурсов и внедрения энерготехнологических схем. [14]

2.1 Синтез-газ как альтернатива нефти

После 1945 года в связи с бурным развитием нефтедобычи и падением цен на нефть отпала необходимость синтеза органических веществ из СО и Н₂. Наступил нефтехимический бум. Однако в 1973 году разразился нефтяной кризис — нефтедобывающие страны ОПЕК (организация стран — экспортеров нефти — Organization of Petroleum Exporting Countries) резко повысили цены на сырую нефть, и мировое сообщество вынуждено было осознать реальную угрозу истощения в обозримые сроки дешевых и доступных нефтяных ресурсов. Энергетический шок 70-х годов возродил интерес ученых и промышленников к использованию альтернативного нефти сырья, и здесь первое место, бесспорно, принадлежит углю. Мировые запасы угля огромны, они, по различным оценкам, более чем в 50 раз превосходят нефтяные ресурсы, и их может хватить на сотни лет. Нет никаких сомнений, что в обозримом будущем использование синтез-газа будет играть ключевую роль для целей органического синтеза. В настоящее время в промышленном масштабе по методу Фишера-Тропша получают бензин, газойль и парафины только в Южной Африке. На установках фирмы «Sasol» производят около 5 млн т в год жидких углеводородов. [8]

Отражением интенсификации исследований по синтезам на основе СО и Н₂ является резкое возрастание публикаций, посвященных химии одноуглеродных молекул (так называемая С₁-химия). С 1984 года начал издаваться международный журнал «C₁-Molecule Chemistry». Таким образом, мы являемся свидетелями наступающего ренессанса в истории углехимии [10]. Рассмотрим некоторые пути превращения синтез-газа, приводящие к получению как углеводородов, так и некоторых ценных кислородсодержащих соединений. Важнейшая роль в превращениях СО принадлежит гетерогенному и гомогенному катализу [9].

Получение синтез-газа

Первым способом получения синтез-газа была газификация каменного угля, которая была осуществлена еще в 30-е годы XIX века в Англии с целью получения горючих газов: водорода, метана, монооксида углерода. Этот процесс широко использовался во многих странах до середины 50-х годов XX века, а затем был вытеснен методами, основанными на использовании природного газа и нефти. Однако в связи с сокращением нефтяных ресурсов значение процесса газификации снова стало возрастать.

В настоящее время существуют три основных промышленных метода получения синтез-газа.

1. Газификация угля. Процесс основан на взаимодействии угля с водяным паром:

Эта реакция является эндотермической, равновесие сдвигается вправо при температурах 900-1000?. Разработаны технологические процессы, использующие парокислородное дутье, при котором наряду с упомянутой реакцией протекает экзотермическая реакция сгорания угля, обеспечивающая нужный тепловой баланс:

2. Конверсия метана. Реакция взаимодействия метана с водяным паром проводится в присутствии никелевых катализаторов (Ni-Al₂O₃) при повышенных температурах (800-900?) и давлении:

В качестве сырья вместо метана может быть использовано любое углеводородное сырье.

3. Парциальное окисление углеводородов. Процесс заключается в неполном термическом окислении углеводородов при температурах выше 1300?:

Способ применим к любому углеводородному сырью, но наиболее часто в промышленности используют высококипящую фракцию нефти — мазут.

Соотношение СО : Н₂ существенно зависит от применяемого способа получения синтез-газа. При газификации угля и парциальном окислении это соотношение близко к 1 : 1, тогда как при конверсии метана соотношение СО : Н2 составляет 1 : 3. В настоящее время разрабатываются проекты подземной газификации, то есть газификации угля непосредственно в пласте. Интересно, что эта идея была высказана Д.И. Менделеевым более 100 лет назад. В перспективе синтез-газ будут получать газификацией не только угля, но и других источников углерода вплоть до городских и сельскохозяйственных отходов. [8]

Синтез на основе монооксида углерода

Многочисленные синтезы на базе монооксида углерода и водорода представляют громадный как практический, так и теоретический интерес, так как позволяют из двух простейших веществ получать ценнейшие органические соединения. И здесь определяющую роль играет катализ переходными металлами, которые способны активировать инертные молекулы СО и Н₂. Активация молекул — это перевод их в более реакционноспособное состояние. Особо следует отметить, что в превращениях синтез-газа широкое развитие получил новый тип катализа — катализ комплексами переходных металлов или металлокомплексный катализ. [10]

Катализ

Отметим несколько важных ключевых реакций в металлокомплексном катализе. Это прежде всего реакции окислительного присоединения и восстановительного элиминирования. Окислительное присоединение — это реакции присоединения нейтральных молекул А-В, например H₂ или галогена, к металлическому центру комплекса. При этом металл окисляется, что сопровождается повышением его координационного числа. Такое присоединение сопровождается расщеплением связи А-В.

Очень важна реакция окислительного присоединения молекулы водорода, в результате которой происходит её активация. Широкую известность получила открытая Васко и Дилюцио реакция окислительного присоединения водорода к плоскоквадратному комплексу одновалентного иридия. В результате степень окисления иридия возрастает от I до III.

Реакция, обратная окислительному присоединению, называется восстановительным элиминированием, при этом степень окисления и координационное число металла уменьшаются на два.

Отметим также реакцию миграционного внедрения, которая заключается во внедрении ненасыщенных соединений по связи металл-углерод и металл-водород. Реакция внедрения СО является ключевой для многих процессов с участием синтез-газа.

Внедрение олефина — важнейшая реакция среди каталитических превращений олефинов: гидрирования, гидроформилирования и др. [9]

Синтез фишера-тропша

Синтез Фишера-Тропша может рассматриваться как реакция восстановительной олигомеризации монооксида углерода, при которой образуются углерод-углеродные связи, и в общем виде она представляет собой сложную комбинацию ряда гетерогенных реакций, которую можно представить суммарными уравнениями:

Продуктами реакции являются алканы, алкены и кислородсодержащие соединения, то есть образуется сложная смесь продуктов, характерная для реакции полимеризации. Первичными продуктами синтеза Фишера-Тропша являются a- и b-олефины, которые превращаются в алканы в результате последующего гидрирования. Природа применяемого катализатора, температура, соотношение СО и Н₂ существенно сказываются на распределении продуктов. Так, при использовании железных катализаторов велика доля олефинов, тогда как в случае кобальтовых катализаторов, обладающих гидрирующей активностью, преимущественно образуются насыщенные углеводороды.

В настоящее время в качестве катализаторов синтеза Фишера-Тропша в зависимости от поставленных задач (повышение выхода бензиновой фракции, увеличение выхода низших олефинов и др.) используются как высокодисперсные железные катализаторы, нанесенные на оксиды алюминия, кремния и магния, так и биметаллические катализаторы: железо-марганцевые, железо-молибденовые и др.

Гидроформилирование олефинов

Одним из наиболее важных примеров промышленных процессов с участием синтез-газа является реакция гидроформилирования (оксо-синтез). В 1938 году Релен, исследуя механизм синтеза Фишера-Тропша, открыл эту замечательную реакцию, значение которой трудно переоценить. В этом процессе алкены в присутствии катализаторов, главным образом кобальтовых или родиевых, при давлениях свыше 100 атм и температурах 140-180? взаимодействуют с синтез-газом и превращаются в альдегиды — важнейшие полупродукты в производстве спиртов, карбоновых кислот, аминов, многоатомных спиртов и др. В результате реакции гидроформилирования получаются альдегиды с прямой и разветвленной цепью, содержащие на один атом углерода больше, чем в исходной молекуле:

Наиболее ценными являются нормальные альдегиды, тогда как альдегиды изо-строения можно рассматривать как нежелательные побочные продукты. Мировое производство альдегидов по процессу гидроформилирования достигает 7 млн т в год, при этом около половины приходится на н-масляный альдегид, из которого получают н-бутиловый спирт. Альдольной конденсацией с последующим гидрированием получают 2-этилгексанол, используемый для производства пластификаторов поливинилхлорида.

В качестве катализаторов гидроформилирования наиболее широко используются карбонилы кобальта, в последнее время описано применение родиевых катализаторов, которые позволяют проводить процесс в более мягких условиях. [9]

Перспективы

Огромное значение имеет освоенный в 20-е годы процесс получения из синтез-газа метанола — важнейшего продукта химической промышленности. В то же время прямой синтез других кислородсодержащих соединений из синтез-газа также представляется весьма привлекательным. Описано применение синтез-газа для получения спиртов состава С₁-С₄ (низших спиртов), из которых затем дегидратацией получают низшие олефины. В 70-е годы были предложены катализаторы сложного состава, состоящие из оксидов меди, кобальта, хрома, ванадия, марганца и солей щелочных металлов, которые позволили получить из синтез-газа спирты нормального строения состава С₁-С₄ при температуре 250? и давлении всего 6 атм.

В литературе описано образование из синтез-газа самых различных кислородсодержащих соединений, например: ацетальдегида, уксусной кислоты, этиленгликоля и др.

Все эти реакции представляются вполне реальными. К сожалению, эти способы в настоящее время не могут конкурировать с уже освоенными промышленными процессами, поскольку протекают в очень жестких условиях и с небольшой селективностью. Можно надеяться, что поиски новых эффективных методов промышленного использования синтез-газа будут интенсивно продолжаться, и нет сомнения, что у этой области большое будущее. [8]

2.2 Получение этанола прямой каталитической гидратацией этилена

Этанол принадлежит к числу многотоннажных и широко применяемых продуктов органического синтеза. Он является хорошим, хотя и огнеопасным растворителем; в больших количествах используется в пищевой и медицинской промышленности. Служит горючим в жидкостных ракетных двигателях, антифризом и т. д. Как промежуточный продукт органического синтеза этанол имеет важное значение для получения сложных эфиров: хлороформа, хлораля, диэтилового эфира, ацетальдегида и уксусной кислоты.

В России процесс производства синтетического этанола посредством гидратации этилена осуществляется двумя способами: сернокислотной и прямой гидратацией. Первый способ внедрен в промышленном масштабе с 1952 г., второй получил широкое распространение в последние десятилетия. [15]

Прямая гидратация этилена — более совершенный процесс, при котором происходит непосредственное присоединение воды к этилену в присутствии катализатора. Он является более прогрессивным, что послужило поводом считать сернокислотный метод устаревшим и не имеющим перспективного развития.

Синтез этилового спирта удалось осуществить лишь после того, как были изысканы достаточно активные катализаторы процесса. При газофазной гидратации в качестве катализаторов применяются фосфорная кислота или окись вольфрама на носителях. На последнем катализаторе процесс проводят и в жидкой фазе.

Газофазная реакция прямой гидратации олефинов обратима и идёт с выделением тепла. Тепловой эффект зависит от строения исходных олефинов и их молекулярного веса:

Поскольку реакция идёт с выделением тепла и уменьшением объёма, ей благоприятствуют пониженные температуры и повышенные давления. Константа равновесия реакции равна:

где Т — температура, К.

Практический выбор условий связан со скоростью реакции и, следовательно, с активностью катализатора. Реакцию удаётся реализовать при температурах от 200 до 300 ?, но эти условия термодинамически неблагоприятны для этилена. Поэтому на промышленных катализаторах степень конверсии олефинов в спирт низка.

Исходные вещества и образующийся этиловый спирт находятся при этой температуре в газообразном состоянии — это гетерогенно-каталитическая реакция. Фосфорная кислота постепенно улетучивается, падает активность катализатора, что вызывает коррозию реактора. Нейтрализация газопаровой смеси по выходе из реактора приводит к значительной потере тепла и неполностью устраняет коррозию аппаратуры, особенно в случаях резких отклонений от режима с конденсацией воды на катализаторе. Ведутся поиски катализаторов, не обладающих этими недостаткоми. К ним относится оксид вольфрама, нелетучий в условиях синтеза этилового спирта.

Эти недостатки могут быть устранены при использовании нейтральных катализаторов — вольфрамовых и кремний-вольфрамовых. Эти процессы разработаны в жидкой фазе при 250 — 300 ? и 300 кг*с/см² и при 300 ? и 140 кг*с/см². В этих случаях процесс ведут в колонне высокого давления, где на тарелках помещён катализатор — окислы вольфрама на силикагеле. Этилен и воду подают в верхнюю часть колонны, а снизу отводят 20% спирт. При этом процессе не требуется расходовать большое количество тепла на испарение воды и перегрев водяного пара.

Вольфрамовые катализаторы помимо уже указанных преимуществ более активны, чем фосфорнокислотные и могут работать в более мягких условиях. Однако они значительно дороже, ибо вольфрам дефицитный материал. [13]

При прямой гидратации серная кислота не применяется, благодаря этому отпадает сложная система кислотного хозяйства, уменьшается коррозия аппаратуры и трубопроводов. [17]

Недостатками прямой гидратации являются частая замена катализатора и использование более дорогих концентрированных фракций олефинов. По этим причинам в промышленности сосуществуют оба метода, причем в США для гидратации олефинов преобладает сернокислотный метод. В России этанол получают прямой гидратацией, а изопропиловый спирт — сернокислотным способом. [16]

Дальнейшее усовершенствование этого метода связано с подбором наиболее активных катализаторов и изысканием путей осуществления жидкофазного процесса гидратации; при этих условиях можно будет снизить температуру процесса и увеличить конверсию этилена. [17]

2.3 Замена двухстадийного процесса синтеза ацетальдегида из этилена через этанол одностадийным окислительным процессом

По масштабам производства ацетальдегид, наряду с формальдегидом, стоит на первом месте среди альдегидов, что обусловлено его большой ценностью в качестве промежуточного продукта органического синтеза. Окислением ацетальдегида получают уксусную кислоту, уксусный ангидрид, надуксусную кислоту. Реакцией с синильной кислотой и последующими превращениями циангидрина получают молочную кислоту, акрилонитрил и эфиры акриловой кислоты. Другие методы переработки ацетальдегида состоят в процессах типа альдольной конденсации (получение пентаэритрита, бутандиола-1,3, кротонового альдегида и др.).

Ацетальдегид в промышленности получают:

· жидкофазной гидратацией ацетилена в присутствии ртутьсодержащих и парофазной гидратацией в присутствии кадмийкальцийфосфатных катализаторов;

· каталитическим окислительным дегидрированием этанола;

· окислением легких насыщенных С₃ — С₄ углеводородов;

· прямым каталитическим окислением этилена. [20]

Из всех методов получения ацетальдегида наиболее перспективным является процесс прямого окисления этилена в присутствии хлорида палладия [19]. Он получил наибольшее распространение.

Реакция окисления этилена в ацетальдегид сопровождается выделением значительного количества тепла [20]:

Условия проведения синтеза:

· температура: 100 — 130 ?,

· давление: 0,3 — 1,0 МПа,

· катализаторы: PlCl₂, CuCl₂. [21]

Процесс получения ацетальдегида окислением этилена может осуществляться на твёрдом катализаторе (гетерогенно-каталитический процесс). Однако это сопряжено с трудностями, связанными с отводом значительного количества тепла. Применение жидкого катализатора (гомогенно-каталитический процесс) позволяет проще решать проблему отвода тепла — путем испарения части воды, содержащейся в катализаторном растворе. Непрерывный процесс получения ацетальдегида состоит из двух стадий:

1. Карбонилирование

Установлено, что промежуточным соединением при введении этилена в водный раствор хлорида палладия является комплекс этилен — палладийхлорид.

который при взаимодействии с водой очень быстро разрушается с образованием ацетальдегида и металлического палладия:

2. Окисление

Скорость реакции окисления значительно ниже, чем реакции карбонилирования, поэтому активность катализатора быстро падает.

Для повышения скорости окисления палладия применяются водные растворы хлоридов меди и железа, играющие роль переносчиков кислорода:

В качестве побочных продуктов при окислении этилена в ацетальдегид образуются уксусная кислота, муравьиная кислота, хлорсодержащие соединения (метилхлорид, этилхлорид, ацетальдегидхлорид), продукты конденсации (кротоновый альдегид), диоксид углерода. [20]

В промышленности существует 2 варианта процесса окисления С₂Н₄ в ацетальдегид:

1. Окисление осуществляется катализаторным раствором в одном реакторе, а в другом реакторе проводят реакцию регенерации катализаторного раствора воздухом. Таким образом, в этом варианте узел окисления этилена отделен от реактора, в котором используется О₂ воздуха для регенерации катализатора. Это делает процесс более взрывобезопасным, используется дешевый окислитель-воздух.

2. Окисление С₂Н₄ и регенерация катализаторного раствора протекают в одном и том реакторе. При этом процессе используется избыток этилена, чтобы избежать образования взрывоопасных смесей. В данном процессе мы вынуждены держать рецикл С₂Н₄, отсюда в качестве окислителя применяется технический О₂ и необходимо держать полную конверсию О₂.

Преимущества процесса: дает экономию в капитальных вложениях и в расходе энергии.

Недостатки: большая взрывоопасность, более дорогой окислитель.

2.4 Создание органических молекул с заданными структурными характеристиками

Создание новых типов органических молекул с заданными структурными характеристиками, получившее название «молекулярный дизайн», приобретает всё большее и большее значение. О впечатляющих успехах в данной области говорит синтез органических молекул в виде правильных многогранников (призман, кубан, тетраэдран, додекаэдран), необычных молекулярных конструкций типа катенанов, ротоксанов, узлов. Имеются сообщения о создании молекулярных структур, обладающих формой листа Мёбиуса. Получение молекулярных структур различных типов, с одной стороны, обогащает теоретическую органическую химию новыми идеями, с другой стороны, может иметь практический выход, например, в решении задач по синтезу биологически активных препаратов, органических катализаторов, материалов для регистрации информации и т.д.

Выделяют два направления, сложившиеся в этой области:

· «структурно-ориентированным дизайн»

· «функционально-ориентированным дизайн».

К структурно-ориентировавнному дизайну относятся работы по созданию молекул с необычными структурными характеристиками, причем не обязательно в связи с какими-то полезными свойствами получающихся новых веществ. Такое направление немедленно ассоциируется с множеством классических исследований, таких, как синтезы цик- лоокгатетраена, бензола Дьюара или астерана, новые синтезы додекаэдрана и производных теграэдрана. Цель исследований в этой области состоит в том, чтобы придумать и затем синтезировать некоторые нетривиальные молекулы, имеющие определенные уникальные особенности. Очень часто уникальность целевых структур состоит в общей форме молекул (таких, как додекаэдран или катенаны), которые во всех остальных отношениях построены в соответствии с классическими концепциями структурной теории. В то же время целый ряд беспрецедентных по структуре соединений появился недавно в результате исследований, направленных на выяснение пределов применимости классического описания структуры молекул органических соединений. Нельзя, однако, упускать из виду того, что работы в области структурно-ориентированного дизайна в действительности проводятся вблизи границы, которая в органической химии отделяет известное от неизвестного. Таким образом, их непосредственным результатом является существенное расширение многообразия объектов, изучаемых этой наукой. Еще более важно, что проникновение в эту область новых соединений и новых структурных типов оказывается исключительно плодотворным, приносящим множество неожиданных открытий с важными последствиями как для академической, так и прикладной науки.

Функционально-ориентированный дизайн решает задачу синтеза соединений, которые должны обладать набором четко определенных, заранее заданных свойств. Здесь конечная цель состоит в оптимизации структуры целевого соединения с тем, чтобы добиться максимальной эффективности в выполнении им требуемой функции. Это могут быть такие важные физические свойства, как электропроводность (создание органических металлов) или способность образовывать жидкие кристаллы; химические свойства, как, например, каталитическая активность, подобная активности биологических катализаторов (ферментов), или просто определенная реакционная способность, отвечающая тем или иным нуждам синтеза; биологическая активность, в конечном счете направленная на лечение определенных болезней или на борьбу с насекомыми-вредителями. Здесь снова можно сказать, что все это — наиболее обычные задачи, с которыми органическая химия имела дело уже в течение столетия, задолго до появления термина «молекулярный дизайн». Однако традиционный поиск полезных соединений ранее шел в основном методом проб и ошибок, а потому поглощал огромное количество труда и времени на синтез тысяч аналогов, необходимых для нахождения одного из них, отвечающего поставленной задаче. В настоящее время ясно обнаруживается тенденция двигаться в этой области гораздо более экономными путями. Достаточно часто еще в начале подобных проектов теперь применяют разнообразные методы молекулярного моделирования, позволяющее с разумной вероятностью установить тот набор структурных параметров, наличие которых должно обеспечить целевому соединению способность выполнять заданную функцию. Результаты первоначальных экспериментов используют далее для корректировки исходных планов и более точного фокусирования направлений исследования. При этом иной раз удается сузить область поиска целевой структуры до всего нескольких многообещающих кандидатов. При этом сплошь и рядом функционально-ориентированный дизайн получает плодотворные импульсы от своего структурно-ориентированного собрата в виде открытий новых классов структур с набором новых, потенциально полезных свойств (как это имело место, например, в случае жидких кристаллов или органических металлов).

2.5 Использование наноматериалов и нанотехнологий в современном нефтегазохимическом синтезе

В настоящее время глубина переработки нефти на предприятиях России составляет в среднем 70%. Однако значительная доля (свыше 20%) ежегодно добываемых попутных газов не находит квалифицированной переработки и сгорает в промысловых факелах, что, по оценке экспертов, приводит к потере порядка 2 млрд долл. в год и связано с разрушительным воздействием на экологию.

Внедрение новых технологий требует согласованных усилий государства, частного бизнеса и науки. И примеры таких партнерских отношений есть. Это уже накопившийся положительный опыт поддержки разработки и освоения новых технологий через систему долевого финансирования важнейших инновационных проектов со стороны государства и компаний.

Одно из новых направлений в технологии осуществления химических превращений — мембранно-каталитические методы переработки попутных нефтяных газов в высокоценные химические продукты.

Имеющийся отечественный научно-технологический потенциал должен быть использован для создания принципиально новых, гибких (например, мембранно-каталитических) процессов, поддающихся легкому масштабированию для интенсификации переработки углеводородного сырья (в первую очередь — попутных нефтяных газов), расширения сырьевой базы для производства моторных топлив и основных продуктов промышленности тяжелого органического синтеза, повышения селективности, снижения затрат энергии на производство единицы продукции, обеспечивающих прорыв в важнейших направлениях технологий переработки нефти и природного газа.

Примером может служить создание наномембранно-каталитических реакторов, являющихся базовым, легко встраиваемым элементом в комплексные технологические процессы нефтегазового комплекса для получения широкого класса высокотехнологичной продукции, например, олефинов (этилен, пропилен, бутилены) и ароматических углеводородов (бензол, толуол и др.).

Таким образом, стратегически необходимо сосредоточиться на новых высокоскоростных и избирательных технологиях переработки органического сырья, элементы которых уже созданы российскими специалистами.

К настоящему времени в России выполнен значительный объем научных разработок и на базе Ассоциации «АСПЕКТ» создано опытно-промышленное производство отечественного высокотехнологичного продукта — металлокерамических пластичных нанопористых материалов (торговая марка TrumemЄ).

Одновременно с этим учеными Института нефтехимического синтеза (ИНХС РАН) обнаружен эффект асимметрии селективности реакций в наномембранно-каталитических структурах на основе мембран TrumemЄ и способность наноразмерных каналов изменять селективность процессов окисления протекающих по ним углеводородов. В комбинации с достижениями в производстве нанопористых структур это обеспечивает прорыв в промышленной реализации задач высокоэффективного синтеза ценных органических продуктов. Иными словами, наномембранно-каталитические структуры позволяют одновременно осуществить скоростные селективные реакции (со скоростью и селективностью на порядки выше, чем в обычных условиях) за счет каталитической компоненты и размерных эффектов в нанокапиллярах, и обеспечить эффективное разделение и очистку получаемых продуктов при низком энергопотреблении за счет мембранной компоненты. При этом каждая пора наномембранно-каталитической структуры выполняет роль микрореактора, в котором осуществляется единый цикл химических превращений и разделения продуктов реакций. В этом состоит принципиально новый подход к решению задач крупнотоннажной промышленной химии, который позволяет легко масштабировать наномембранно-каталитические процессы для интенсификации и существенного снижения затрат в процессах переработки органического сырья.

В качестве первого шага на этом стратегическом направлении по инициативе Правительства России (Госзаказчик — Федеральное агентство по науке и инновациям) в рамках формирования государственно-частного партнерства обеспечена разработка отечественной технологии переработки факельных попутных газов в ценную товарную продукцию — ароматические углеводороды. В течение 2005-2006 гг. за счет бюджетных средств (более 300 млн руб.) и частных инвестиций (около 300 млн руб.) разработаны и поставлены на производство (ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» концерна «ТВЭЛ» Росатома) новые катализаторы для этого процесса; создана пилотная установка (ОАО «НИПИГазпереработка» г. Краснодар, компания «Сибур») мощностью 500 тыс. м³ газа/год (1000 тн/год), полномасштабные испытания которой будут завершены к октябрю с.г.

В качестве основных исполнителей проекта были привлечены: Ассоциация предприятий атомной промышленности «АСПЕКТ» (управляющая компания); институты РАН (Институт проблем химической физики РАН, Институт катализа СО РАН), обеспечившие решение фундаментальных проблем осуществления химических и каталитических процессов превращения попутных газов; отраслевые организации (ГНЦ «Курчатовский институт», ОАО «ВНИПИНефть», ЗАО «ВНИИОС НК», ОАО «НИПИГазпереработка»), обеспечившие технологические испытания созданных процессов и их проектно-конструкторскую разработку; вузы (Московская государственная академия тонкой химической технологии, Московский институт стали и сплавов), которые ведут подготовку специалистов для промышленности по производству катализаторов и применению создаваемых процессов, и, наконец, промышленные предприятия, осуществившие освоение производства создаваемых катализаторов и практическую реализацию промышленных процессов (ОАО «Новосибирский завод химконцентратов», ЗАО «Самарский завод катализаторов») и процессов переработки попутных газов (ОАО «Татнефтехиминвест-холдинг»).

Новая технология глубокой переработки попутных нефтяных газов в ароматические углеводороды обеспечит в период до 2009 г. вклад в приращение ВВП 2,1 млрд руб. При этом выбросы СО₂ в атмосферу сокращаются в 3,5 раза, что будет способствовать выполнению Россией требований Киотского протокола.

Разработанная технология обеспечивает превращение предельных углеводородов (пропана, бутанов) в ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы) — процесс ароматизации. Это чрезвычайно актуально, поскольку в ближайшие годы в России прогнозируется значительный рост производства продуктов, исходным сырьем для которых является бензол. Основными сферами применения бензола в мире являются: производство стирола, капролактама, этилбензола, фенола, кумола, циклогексана и малеинового ангидрида. Среднегодовой прирост производства стирола и сополимеров стирола составит 10,4%, капролактама — 5,8%, фенола — 9,9%. В связи с этим ожидается увеличение спроса на бензол. Толуол используется в нефтеперерабатывающей промышленности при производстве смазочных масел и присадок, в качестве растворителя в производстве лаков и красок, синтетических каучуков, а также в оборонной промышленности. Ожидается, что объем потребления толуола в экономике России возрастет в период 2006-2010 гг. примерно в полтора раза. Основной областью использования ксилола является изготовление полиэфирных волокон и нитей. Другая перспективная область использования ксилола — производство гранулированного ПЭТФ, из которого изготовляются пластиковая упаковка для пищевых продуктов, косметических и фармацевтических средств, видео- и аудиопленок и других изделий. Прогнозируется увеличение спроса на ксилол в России в период с 2006 по 2015 гг. примерно в 2,6 раза.

Следовательно, в результате реализации проекта разработанная технология позволит получить смесь ароматических углеводородов, потребность в которой будет возрастать в ближайшие 10 лет. Реализация проекта позволит удовлетворить растущую потребность экономики России в ароматических соединениях.

Разработанная технология получила полную поддержку на организованном правительством Татарстана совещании руководителей нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих компаний. Технология прошла международную экспертизу и к ней проявлен интерес со стороны ведущих инжиниринговых компаний. В частности, компания «Linde» (Германия) рассматривает данную технологию как основу для своего участия в переработке попутных газов в России, включая поставку оборудования и сдачу установки «под ключ».

Ведущие развитые страны (США, Япония, Германия, Англия, Франция), на государственном уровне, и крупнейшие мировые компании по добыче и переработке нефти и газа (Шелл, Бритиш Петролеум, Шеврон, Мобайл и др.), на частном уровне, осуществляют многомиллиардные ивестиции в разработку новых эффективных и энергосберегающих технологий переработки нефти и газа. Несмотря на столь высокий конкурентный уровень развития этих технологий, Россия имеет сегодня уникальный шанс вырваться вперед за счет активного использования своих прорывных разработок, в частности, в области производства нанопористых материалов и новых открытий в области протекания каталитических процессов в нанопористых структурах. [22]

Заключение

В данной работе мы ознакомились с некоторыми наиболее многообещающими перспективами промышленного органического синтеза. К сожалению, невозможно описать все направления развития данной области, так как количество их огромно и растёт с каждым днём. Число известных органических соединений близко к 10 миллионам и не ограничено число тех соединений, которые могут быть получены. В химических лабораториях каждый день синтезируются сотни новых веществ. Открываются новые реакции, разрабатываются новые способы получения органических веществ, внедряются новые методы стимулирования химических реакций и новые методы исследования химических соединений. Продуктами органического синтеза, осуществляемого в промышленных масштабах, являются пластмассы, химические волокна, красители, лекарственные препараты, сельскохозяйственные химикаты, моющие средства, душистые вещества и многие другие вещества и материалы, необходимые человеческому обществу. Современная органическая химия располагает огромным экспериментальным и теоретическим материалом, а уровень развития органического синтеза может служить мерилом научно-технического прогресса. Интенсивно развиваются как синтетическая, так и теоретическая органическая химия.

Всё острее и острее глобальная сырьевая проблема. Уже в этом веке все запасы нефти и газа будут исчерпаны, а это грозит не только энергетическим кризисом, но и утратой самого главного источника сырья. Большинство синтетических материалов, используемые человечеством производятся из нефтехимического сырья. Поэтому, огромное значение имеет разработка новых перспективных направлений в промышленном органическом синтезе.

Развитие человечества не смогло не затронуть и состояние биосферы Земли. К сожалению, одним из самых сильных её загрязнителей является промышленный органический синтез, а также продукты его деятельности. Человек и человеческое общество являются открытыми системами и любое изменение в окружающей среде неизбежно сказывается на всех её обитателях. Даже небольшие выбросы опасных веществ способны привести к необратимым последствиям. Мы не имеем право забывать об этом и обязаны искать новые экологически чистые пути решения данных проблеем. И тут нам не обойтись без виновника данной проблемы, промышленного органического синтеза.

Промышленный органический синтез стал неотъемлемой частью человеческого общества и перспективы развития человечества зависят от перспектив развития промышленного органического синтеза.

Список используемой литературы

1. Катализ в Cl-химии. Под редакцией Л. Кайма. Л.: Химия, 1987. 296 с.

2. Современные направления в органическом синтезе. Под редакцией X. Нодзаки. М.: Мир, 2006. 558 с.

Книга: однотомное издание с автором

3. Глущенко Н.Н., Плетенева Т. В., Попков В. А. Фармацевтическая химия: учебник для студентов средних профессиональных учебных заведений. Под ред. Т. В. Плетеневой. М.: Издательский центр «Академия», 2011. 384 с.

4. Смит В.А., Дильман А.Д. Основы современного органического синтеза: учебное пособие. М.: Издательство «Бином. Лаборатория знаний», 2009. 752 с.

5. Теддер Д., Нехватал А., Джубб А. Промышленная органическая химия. М.: Мир, 1977. 700 с.

6. Тейлор Ф.С. «История промышленной химии»

Статья: из сборника статей или журнала

7. Денисов В.Я., Ткаченко Т.Б., Чуйкова Т.В. Органический синтез — основа современной органической химии // Успехи современного естествознания. 2011. № 2. С. 118-120

8. Караханов Э.А. Что такое нефтехимия // Соросовский Образовательный Журнал. 2008. № 2. С. 65-73