Теоретические основы технологии органического синтеза.

1. Промежуточные и целевые продукты в технологии органического синтеза.

По применению продукты органической технологии разделяются на:

• Промежуточные продукты – это продукты, у которых нет прямого применение в быту, но используются для получения нужных продуктов других экономических отраслей. Например, этилен и пропилен не имеют прямого применение в быту, но нужны для получения полиэтилена и полипропилена.

• Целевой продукт – продукты, имеющие прямое применение в быту. Например, бензин, керосин полученные из нефти используются как топливо в двигателях прямого сгорания.

2. Классификация химических реакций в химической кинетике и химической технологии

Существуют различные типы классификации химических ре­акций:

1. По характеру системы, в которой протекает реакция, — гомофазные (все компоненты, кроме катализатора, находятся в одной фазе: газофазные, жидкофазные реакции) и гетерофазные (компоненты находятся в двух и более фазах: газ — жидкость, жид­кость—жидкость и др.).

2. По зоне протекания химической реакции — гомогенные (осу­ществляются в объеме какой-либо фазы) и гетерогенные (осуществляются на поверхности раздела фаз).

Понятия «фазовое состояние компонентов» и «зона протека­ния реакции» неравнозначны. Существуют гомофазные гетероген­ные процессы — реакция в газовой фазе на поверхности твердого катализатора и гетерофазные гомогенные процессы, когда реа­генты находятся в двух несмешивающихся фазах и их взаимодей­ствие идет только в той фазе, где растворен катализатор (напри­мер, взаимодействие изобутилена с формальдегидом в присут­ствии серной кислоты).

3. По использованию в ходе реакции катализатора — каталити­ческие и некаталитические. Каталитические реакции, в свою очередь, подразделяются на гомогенно-каталитические (протекающие в той фазе, в которой находится катализатор) и гетерогенно-ката­литические (протекающие на поверхности твердого катализатора).

4. По характеру протекания — простые (одностадийные) и слож­ные (многостадийные).

Простыми называются реакции, в которых протекает одно не­обратимое превращение и не образуется иных стабильных про­дуктов, кроме указанных в уравнении реакции.

Сложные реакции состоят из ряда простых реакций, или мак­ростадий. К ним относятся обратимые (1.18), последовательные (1.19), параллельные реакции (1.20) и различные их сочетания (1.21): v_AA+v_BB ^^ v_cC + v_PP (1.18)

v_cC

5. По механизму протекания — элементарные, протекающие непосредственно при взаимодействии исходных веществ, без ви­димых микростадий, и неэлементарные, протекающие через ряд микростадий, в которых участвуют промежуточные комплексы или частицы и которых нет в стехиометрическом уравнении, напри­мер образование комплекса с катализатором:

А + Кt <=> [Кt] <=С +Кt ■ (1.22)

При этом каждая из промежуточных стадий элементарна, а их сочетание составляет механизм реакции.

Из-за стадий, составляющих механизм, реакции могут быть подразделены следующим образом.

А. По числу частиц, участвующих в элементарной стадии (молекулярности), — на моно-, би-, три молекулярные (последние очень редки и в дальнейшем рассматриваться не будут).

Например, расщепление молекулы хлора под действием света.

Мономолекулярными являются реакции изомеризации (пере­группировки) и расщепления. В зависимости от характера расщеп­ления связи различают гомолитические (радикальные) и гетеролитические (ионные) реакции:

Например, диссоциация в воде соли на ионы.

Бимолекулярные элементарные реакции классифицируют по типу разрыва старой и образования новой химической связи и по природе атакующего реагента. Они могут быть нуклеофильными N), электрофильными (Е) и радикальными (R). Каждая из них может быть реакцией замещения (S) или присоединения (Ad).

В нуклеофильных реакциях реагент (нуклеофил) характеризу­ется повышенной электронной плотностью одного из своих ато­мов и может быть нейтральной молекулой (Н₂О, ROH, RNH₂) или отрицательно заряженным ионом (НО-, RO-, NH2, RCOO-).

В молекуле субстрата нуклеофил атакует атом с наименьшей электронной плотностью. Новая связь образуется парой электронов нуклеофила:

В электрофильных реакциях электрофильный реагент у одного из атомов имеет незаполненную электронную оболочку и являет­ся нейтральной молекулой (Cl₂, SO₃, BH₃) или катионом (R⁺, N02⁺, С1⁺). В молекуле органического вещества электрофил атакует атом с наибольшей электронной плотностью. Новая связь образу­ется электронной парой субстрата:

П ри радикальных реакциях атакующая частица имеет у одного из атомов неспаренный электрон и является свободным атомом или радикалом (С1*, R*, RCO*). При атаке органической молекулы новая связь образуется между неспаренным электроном радикала и одним из электронов прежней связи, другой электрон образует новый радикал:

Б. По порядку реакции — первого, второго, третьего и дроб­ного. Порядком называется сумма показателей степени у концент­рации реагентов в кинетическом уравнении. Порядок реакции определяется видом кинетического уравнения (зависимость ско­рости реакции от концентрации реагентов).

В. По тепловому эффекту — экзотермические (+Q или -ДН) и эндотермические (-Q или +ДН).

Г. По физическим параметрам проведения — высоко- и низ­котемпературные, осуществляемые при нормальном, повышен­ном, среднем и высоком давлении.

Для исследования ХТП наибольшее значение имеют класси­фикации реакций по фазовому состоянию системы, по наличию катализатора, по механизму протекания и тепловому эффекту, а также по физическим параметрам проведения. Именно от типа химических реакций, подпадающих под эти виды классификации, зависит выбор конструкции аппаратов и параметров ХТП.