Химия и химические технологии/5. Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

Омарова А. З.

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова, Казахстан

Применение оксида углерода (IV) в качестве исходного сырья в органическом синтезе

Сложившаяся экономическая и экологическая ситуация в мире диктует новые условия промышленного производства. Это обусловлено истощениями углеродного сырья; уменьшением себестоимости готовой продукции в условиях экономического кризиса и переходу к «зеленой химии» в виду загрязнения окружающей среды.

Потенциально экологически опасным продуктом является диоксид углерода, хотя он обычно не рассматривается как загрязнитель среды. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может вызвать парниковый эффект. Оксид углерода (IV) поглощает видимую и ближнюю УФ – области излучения Солнца, доходящего до Земли. С другой стороны длины волн излучения, испускаемого Землей (действует как черное тело) значительно длиннее и некоторая часть этого ИК-излучения поглощается углекислым газом в атмосфере. Поскольку температура Земли сбалансирована благодаря равновесию между энергией получаемой от Солнца, и энергией излучаемой обратно Землей, такое поглощение энергии углекислым газом может изменить климат Земли, даже вызвать расплавление полярных льдов.

Хотя вопросы о влиянии и скорости аккумулирования энергии углекислым газом дискуссионны, однако, общее мнение такого, что это явление реально. В связи с вышеизложенным, в настоящее время одной из насущных проблем современности является сокращение выбросов оксида углерода (VI). Поэтому перед человечеством стоит сложная и неотложная проблема уменьшения выброса парниковых газов, в первую очередь углекислого газа.

Оксид углерода (VI) можно рассматривать как важнейший и дешевый источник углеродного сырья в будущем. Все известные реакции с участием можно разделить на две главные группы: 1) реакции карбоксилирования органических соединений за счет встраивания по связи С-Э (Э=С, Н, N и др.) с образованием кислот, сложных эфиров, лактонов и т.д. и 2) реакции окисления других молекул с помощью . Таким образом, синтезы на основе позволяют получать широкий круг практически важных органических соединений. В то же время в промышленном масштабе реализовано очень малое число реакций на основе , что обусловлено, в первую очередь, недостаточным на настоящий момент развитием химии диоксида углерода.

В связи с развитием прогрессивных областей техники и потребностью в новых материалах за последние годы значительно возрос интерес исследователей к изучению химии углерода. На основании выше сказанного исследование и внедрение синтезов на основе является актуальной задачей.

Оксид углерода (IV) – бесцветный газ практически без запаха, с кисловатым вкусом, плотность относительно воздуха 1,57. разлагается при температуре выше 1300. При высоких температурах восстанавливается в . Водные растворы имеют, кислую реакцию. Молекула диоксида углерода представляет собой линейную трехатомную молекулу, в которой атомы углерода как было указано выше, образуют две эквивалентные связи с атомами кислорода (σ- и π-типа). Согласно спектральным данным длина связи в молекуле равна 1,1615Å. Молекула является достаточно инертной и подавляющей большинство реакций. С участием реакция протекает лишь в определенных условиях, в то же время многие его простейшие производные являются высокоактивными соединениями, обладающие рядом интересных химических свойств. Использование двуокиси углерода в качестве исходного сырья для органических синтезов является одной из наиболее важных проблем органических синтезов. В последнее время возрос интерес к химии углекислоты, запасы которой в природе практически неисчерпаемы. Этим обусловлена высокая актуальность разработки эффективных способов получения практически важных соединений на основе . Молекула является достаточно инертной и использование ее в качестве источника углерода для органических синтезов требует использования дополнительных средств (катализаторы, жесткие условия проведения реакции), в то же время многие ее простейшие производные являются высокоактивными веществами, обладающие рядом интересных химических свойств. В частности представляет интерес синтезы на основе щелочных солей алкилугольных кислот, которые легко синтезируются из диоксида углерода и алкоголятов щелочных металлов.

Щелочные соли алкилугольных кислот могут найти применение для синтеза оксиароматических кислот, которые находят широкое практическое применение. Несмотря на то, что соли алкилугольных кислот известны давно, синтетические методы их получения и свойства исследованы недостаточно. Известные методы получения основаны на взаимодействии углекислого газа с алкоголятами металлов. Описанные методы получения отличаются лишь способом синтеза исходных алкоголятов.

Кроме так называемого обычного углекислого газа существует сверхкритический углекислый газ. Известны три агрегатных состояния вещества – жидкое, твердое и газообразное. Оказывается, это не совсем так. Если газ сильно сжать, а потом нагреть то его плотность скачком увеличится в десятки раз и окажется близкой к плотности жидкости; вязкость останется почти как у газа, а самый главный параметр, который интересует химиков, – коэффициент диффузии – примет промежуточное для этих состояний вещества значение.

Сверхкритические вещества (сверхкритические флюиды) – форма агрегатного состояния вещества, в которую способны переходить многие органические и неорганические вещества при достижении определенной температуры и давления. Сверхкритические флюиды представляют собой нечто среднее между жидкостью и газом. Углекислый газ стал лидером в мире сверхкритических технологий, поскольку обладает целым комплексом преимуществ. Перевести его в сверхкритическое состояние достаточно легко (=31°С, = 73,8 атм.), кроме того, он не токсичен, не горюч, не взрывоопасен и к тому же дешев и доступен. Особую привлекательность ему придает то, что он является составной частью атмосферного воздуха и, следовательно, не загрязняет окружающую среду. Сверхкритический можно считать экологически абсолютно чистым растворителем.

Одним из условий вхождения Республики Казахстан в число 50 развитых стран мира, является: развитие новых направлений науки, изучающие новые методы производства, основанные на явлении сверхкритического состояния различных веществ и внедрение научных исследований в существующие на данный момент химические производства и органический синтез нашей страны, с целью развития перспективных отраслей промышленности и перехода к экологически чистому производству.

Литература:

1 Кагаточкин С.А.Структурная химия углерода и углей, - М.: Наука, 1969.- 306 с.

2 Суербаев Х.А., Сейлханов Т.М. Полимерные материалы на основе диоксида углерода, Кокшетау: КГУ им. Ш. Уалиханова, 2006. – 153 с.

3 Дж. Хьюи Неорганическая химия, строение вещества и реакционная способность, М.: Химия, 1987. – 696 с.

4 Суербаев Х.А. Химия диоксида углерода, Алматы: Қазақ университеті, 2007.- 133 с.

5 Лапидус А.Я., Ян Юн Бин. Органические синтезы на основе .// Успехи химии.- 1981.Т.50. вып 1.- С. 111-136

6 Ян Ю.Б., Нефедоров Б.К. синтезы на основе оксидов углерода, М.: Химия, 1987. – 262с.

7 Крылов О.В., Мамедов А.Х. Гетерогенно – каталитические реакции диоксида углерода. .// Успехи химии.- 1995.Т.64. вып 9.- С. 935-958