Инновационные аспекты промышленной органической химии
Что изучает промышленная органическая химия?
Задачей курса «Промышленная органическая химия» является всесторонняя характеристика органических реакций, которые лежат в основе крупнотоннажных промышленно реализуемых процессов. Для понимания условий проведения тех или иных взаимодействий необходимым является знание термодинамических закономерностей реакций. Для промышленно осуществляемых процессов большое значение приобретает знание их механизма. Именно на основе знания механизма реакций можно понять, почему в ходе превращения образуются какие-либо побочные продукты. Из знания механизма взаимодействий возникают пути целенаправленного управления ходом процесса, направленные на уменьшение побочных реакций и увеличение селективности реакций.
Знание кинетических закономерностей химических процессов является непременным условием для их промышленной реализации. Кинетические параметры реакций лежат в основе математической модели химического процесса, без которой является проблематичном его промышленное освоение.
Многие вопросы промышленной органической химии подробно рассмотрены в работах [1-4].
Основные инновационные направления промышленной органической химии
Под инновациями понимают нововведения в области техники, технологии, организации труда, управления, основанное на использовании новых достижений науки, передового опыта, обеспечивающие получение дополнительной ценности (прибыли, лидерство в какой-либо области, приоритета, повышение социального уровня людей и т.д.). Получение дополнительной ценности является важнейшей стороной инноваций.
Иногда термин «инновация» отождествляют с такими терминами, как «наука», «творчество», «изобретение». Укажем на различие в указанных терминах.
В ходе научных исследований деньги (инвестиции) превращаются в знание. Это затратный процесс. В процессе инноваций знания превращаются в какие-либо блага (например, деньги).
Творчество – это создание чего-либо нового, генерация новых идей. Инновации связаны с практическим претворением этих идей в жизнь.
Изобретение – это техническое решение какой-либо проблемы, обладающее новизной, практической применимостью, полезностью для хозяйственной деятельности. В ходе инноваций из изобретения выделяется ее практически важная часть, и она превращается в успешно продаваемый продукт.
Инновации опираются и на достижения науки, и на творческую, и на изобретательскую деятельность, но не сводятся к ним.
Естественно, каждая отрасль промышленности имеет свои инновационные направления. В области промышленной органической химии в мире в настоящее время сформировались следующие основные инновационные направления:
«Зеленая химия»;
Катализ;
Новые физические принципы организации технологии производств.
Разберем указанные направления по отдельности.
В 1925 г. весь объем химической продукции в США, уже в то время высокоразвитого государства, составлял 100т. В настоящее время мировое производство товарной химической продукции исчисляется многими миллионами тонн. Химические реакции сопровождаются образованием не только целевых веществ, но и большого количества побочных продуктов. Бурное развитие химической индустрии привело к существенному загрязнению окружающей среды. «Зеленая химия» преследует цель улучшение экологии окружающей среды за счет уменьшения выбросов химических производств. Результат «зеленой химии», в первую очередь, социальный, однако человеческая жизнь бесценна.
В работе [5] приводятся следующие направления развития технологии химических производств, которые основаны на использовании принципов «зеленой химии»:
1. Лучше предотвращать образование выбросов и побочных продуктов, чем заниматься их утилизацией, очисткой или уничтожением;
2. Стратегия синтеза должна быть выбрана таким образом, чтобы все материалы, использующиеся в процессе синтеза, в максимальной степени вошли в состав продукта;
3. Должны применяться такие синтетические методы, которые используют и производят вещества с максимально низкой токсичностью по отношению к человеку и окружающей среде;
4. Производимые химические продукты должны выбираться таким образом, чтобы сохранить их функциональную эффективность при снижении токсичности;
5. Использование вспомогательных веществ (растворителей, экстрагентов и др.) по возможности должно быть сведено к минимуму (нулю);
6. Энергетические расходы должны быть пересмотрены с точки зрения их экономии и воздействия на окружающую среду и минимизированы. По возможности химические процессы должны проводиться при низких температурах и давлениях.
7. Сырье для получения продукта должно быть возобновляемым, а не исчерпаемым, если это экономически целесообразно и технически возможно.
8. Вспомогательные стадии получения производных (защита функциональных групп, введение блокирующих заместителей, временные модификации физических и химических процессов) должны быть по возможности исключены.
9. Каталитические системы и процессы (как можно селективные) во всех случаях лучше, чем стехиометрические.
10. Производимые химические продукты должны выбираться таким образом, чтобы по окончании их функционального использования они не накапливались в окружающей среде, а разрушались до безвредных продуктов.
11. Вещества и их агрегатное состояние в химических процессах должны выбираться таким образом, чтобы минимизировать вероятность непредвиденных случаев, включая утечки, взрывы и пожары.
12 Нужны аналитические методы контроля в реальном режиме времени с целью предотвращения образования вредных веществ.
Проблемам «зеленой химии» в настоящее время посвящено большое количество литературы, в которой подробно рассматриваются все ее аспекты [6-12].
Катализ долгое время определяли как явление изменения скоростей реакций под действием веществ, которые в ходе реакции остаются неизменными и не входят в состав продуктов. (В настоящее время под термином «катализ» часто понимают явление ускорения скоростей реакций. Если же катализаторы вызывают замедление скоростей реакций, то в этом случае используют термин «ингибирование»). Данное определение далеко не полностью отражает возможности каталитических реакций. В настоящее время реализовано множество направлений реакций, которые в отсутствии катализаторов вообще не протекают. Роль катализаторов в современной химии уже не сводиться только к явлению изменения скоростей реакций. Катализаторы являются важнейшим средством, обеспечивающим протекание взаимодействия по тому или иному направлению.
Подавляющее количество вновь организуемые химические производства основаны на каталитических процессах. Важность катализа в современной жизни общества можно оценить из того факта, что в развитых странах мира (США, Япония, Германия) треть валового национального продукта производится в сфере использования каталитических химических технологий. В России эта цифра пока не превышает 15%.
Эффективность использования каталитических химических технологий может иллюстрировать следующий пример.
Один из исторически первых способов производства гидрохинона, соединения, используемого как антиоксидант для стабилизации каучуков, ингибитор полимеризации виниловых мономеров, мономер для получения полимеров, основывался на следующей цепи превращений:
Эта многостадийная схема требовала использования большого количества оборудования, и она приводила к образованию 10 т неорганических солей на 1 т целевого продукта.
В дальнейшем производство гидрохинона было усовершенствовано. Оно было основано на следующих превращениях:
В данном процессе все стадии являются каталитическими. Эта схема позволила резко сократить количество отходов – до 1 т на 1 т гидрохинона.
В дальнейшем фирмой Enichem (Италия) был промышленно освоен новый процесс получения гидрохинона – каталитическое ионное гидроксилирование фенола пероксидом водорода в присутствии гетерогенного катализатора – силиката титана:
В ходе этого процесса получаются два ценных продукта – гидрохинон и пирокатехин. Данный процесс характеризуется полным отсутствием отходов. Отметим, что современная технология получения фенола основана на окислении бензола закисью азота в присутствии цеолитов как катализаторов. Процесс проводится при 400-5000С. Время контакта составляет 1-2 секунды. За этот промежуток времени 97-98% бензола превращается в фенол. Важной особенность этого процесса является использование закиси азота, которая в настоящее время в мире образуется в количестве 10 млн. тонн в год как побочный неутилизируемый продукт. Практически все это количество закиси азота выбрасывается в атмосферу. Парниковый эффект закиси азота в 100 раз превосходит эффект углекислого газа. В этой технологии закись азота превращается в ценный реагент. В ходе процесса закись азота превращается в молекулярный азот, который является основным компонентом воздуха.
Другим важным направлением инновационной промышленной органической химии является использование новых физических принципов в функционировании производств. Среди этих направлений укажем на микроволновые технологии, сонохимию, механохимию, мембранные технологии.
Цитированная литература
Лебедев Н.Н. Химия и технология основных органических и нефтехимических синтезов/ М.: Химия. 1988.- 592 с.
Weissermel K., Arpe H.-J. Industrial Organic Chemistry/ Weinheim: VCH. 1997.- 464 p.
Wittcoff H.A., Reuben B.G., Plotkin J.S. Industrial Organic Chemicals/ New Jersey: Wiley Inc. 2004.- 662 p.
Ali M.F., Ali B.M., Speight J.G. Handbook of Industrial Chemistry/ New York: McGraw Hill. 2005.- 661 p.
Кустов Л.М., Белецкая И.П. “Green Chemistry” – новое мышление/ Росс. хим. журн. 2004. Т.48. № 6. С. 3-12.
Сб. «Зеленая химия в России»/ Под ред. Лунина В.В., Тундо П., Лщктевой У.С. М.: МГУ. 2004.- 230 с.
Doble M., Kruthiventi A.K. Green Chemistry and Processes/ Amsterdam: Elsevier Inc. 2007.- 326 P.
Handbook of Green Chemistry and Technology/ Ed. Clark J., Macquarrie D/ Oxford: Blackwell Science. 2002.- 540 P.
Lancaster M. Green Chemistry: An Introductory Text/ Cambridge: RSC. 2002.- 310 P.
Sheldon R.A., Arends I., Hanefeld U. Green Chemistry and Catalysis/ Weinheim: Wiley-VCH Verlag. 2007.-540 P.
Green Chemical Reactions/ Ed. Tundo P. and Esposito V. Dordrecht: Springer. 2008.- 232 P.
Kerton F.M. Alternative Solvents for Green Chemistry/ Cambridge: RSC. 2009.- 230 P.