Chất hữu cơ chiếm một vị trí quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Chúng là thành phần chính của polyme bao quanh chúng ta ở khắp mọi nơi: đó là túi nhựa, cao su, cũng như nhiều vật liệu khác. Polypropylene không phải là bước cuối cùng trong loạt bài này. Nó cũng được tìm thấy trong các vật liệu khác nhau và được sử dụng trong một số ngành công nghiệp như xây dựng, sử dụng trong gia đình làm vật liệu cho ly nhựa, và các nhu cầu nhỏ khác (nhưng không phải quy mô công nghiệp). Trước khi chúng ta nói về một quá trình như hydrat hóa propylene (nhờ đó, chúng ta có thể tạo ra isopropyl alcohol), chúng ta hãy lật lại lịch sử phát hiện ra chất này cần thiết cho ngành công nghiệp.
Lịch sử
Như vậy, propylene không có ngày khai trương. Tuy nhiên, polyme của nó - polypropylene - thực sự được phát hiện vào năm 1936 bởi nhà hóa học nổi tiếng người Đức Otto Bayer. Tất nhiên, về mặt lý thuyết, người ta đã biết làm thế nào để có được vật liệu quan trọng như vậy, nhưng thực tế thì không. Điều này chỉ có thể xảy ra vào giữa thế kỷ 20, khi các nhà hóa học người Đức và Ý Ziegler và Natt phát hiện ra một chất xúc tác cho quá trình trùng hợp các hydrocacbon không no (có một hoặc nhiều liên kết),sau này họ gọi nó là chất xúc tác Ziegler-Natta. Cho đến thời điểm đó, hoàn toàn không thể thực hiện phản ứng trùng hợp của các chất đó. Phản ứng polycondensation đã được biết đến, khi mà không có tác dụng của chất xúc tác, các chất được kết hợp thành một chuỗi polyme, tạo thành các sản phẩm phụ. Nhưng không thể làm điều này với các hydrocacbon không no.
Một quá trình quan trọng khác liên quan đến chất này là quá trình hydrat hóa của nó. Propylene trong những năm mới bắt đầu được sử dụng khá nhiều. Và tất cả những điều này là do các phương pháp thu hồi propen được phát minh bởi các công ty chế biến dầu khí khác nhau (chất này đôi khi còn được gọi là chất được mô tả). Khi dầu bị nứt, nó là một sản phẩm phụ, và khi hóa ra dẫn xuất của nó, isopropyl alcohol, là cơ sở để tổng hợp nhiều chất hữu ích cho nhân loại, nhiều công ty, chẳng hạn như BASF, đã cấp bằng sáng chế cho phương pháp sản xuất nó. và bắt đầu giao dịch hàng loạt hợp chất này. Quá trình hydrat hóa propylene đã được thử và áp dụng trước khi trùng hợp, đó là lý do tại sao axeton, hydrogen peroxide, isopropylamine bắt đầu được sản xuất trước polypropylene.
Quá trình tách propene khỏi dầu rất thú vị. Đối với anh ấy, bây giờ chúng ta quay trở lại.
Tách propylene
Trên thực tế, trên phương diện lý thuyết, phương pháp chính chỉ là một quá trình: nhiệt phân dầu và khí đồng hành. Nhưng việc triển khai công nghệ chỉ là một biển cả. Thực tế là mọi công ty đều nỗ lực để có được một cách riêng và bảo vệ nó.bằng sáng chế, và các công ty khác cũng đang tìm cách riêng của họ để vẫn sản xuất và bán propene dưới dạng nguyên liệu thô hoặc biến nó thành các sản phẩm khác nhau.
Nhiệt phân ("pyro" - lửa, "ly giải" - phá hủy) là một quá trình hóa học phá vỡ một phân tử phức tạp và lớn thành những phân tử nhỏ hơn dưới tác động của nhiệt độ cao và chất xúc tác. Dầu, như bạn đã biết, là một hỗn hợp của các hydrocacbon và bao gồm các phần nhẹ, trung bình và nặng. Trong số các chất đầu tiên, propen và etan thu được trong quá trình nhiệt phân có khối lượng phân tử thấp nhất. Quá trình này được thực hiện trong các lò nướng đặc biệt. Đối với các công ty sản xuất tiên tiến nhất, quy trình này là khác biệt về mặt công nghệ: một số sử dụng cát làm chất mang nhiệt, một số khác sử dụng thạch anh, một số khác sử dụng than cốc; bạn cũng có thể phân chia các lò theo cấu trúc của chúng: có dạng ống và dạng thông thường, như chúng được gọi là lò phản ứng.
Nhưng quá trình nhiệt phân không thể thu được đủ propene tinh khiết, vì ngoài nó ra, một số lượng lớn các hydrocacbon được hình thành ở đó, sau đó chúng phải được tách ra theo những cách khá tốn năng lượng. Do đó, để thu được một chất tinh khiết hơn cho quá trình hydrat hóa tiếp theo, quá trình khử hydro của ankan cũng được sử dụng: trong trường hợp của chúng tôi là propan. Cũng giống như quá trình trùng hợp, quá trình trên không chỉ xảy ra. Quá trình tách hydro từ phân tử của một hydrocacbon no xảy ra dưới tác dụng của các chất xúc tác: oxit crom hóa trị ba và oxit nhôm.
Chà, trước khi chuyển sang câu chuyện về quá trình hydrat hóa xảy ra như thế nào, chúng ta hãy chuyển sang cấu trúc của hydrocacbon không no của chúng ta.
Đặc điểm cấu trúc của propylene
Bản thân propen chỉ là thành phần thứ hai của dãy anken (hiđrocacbon có một liên kết đôi). Về độ nhẹ, nó chỉ đứng sau ethylene (từ đó, như bạn có thể đoán, polyethylene được tạo ra - loại polymer lớn nhất trên thế giới). Ở trạng thái bình thường, propan là một chất khí, giống như "họ hàng" của nó từ họ ankan, propan.
Nhưng sự khác biệt cơ bản giữa propan và propen là chất sau có một liên kết đôi trong thành phần của nó, điều này làm thay đổi hoàn toàn tính chất hóa học của nó. Nó cho phép bạn gắn các chất khác vào một phân tử hydrocacbon không no, tạo ra các hợp chất có các đặc tính hoàn toàn khác nhau, thường rất quan trọng đối với công nghiệp và cuộc sống hàng ngày.
Đã đến lúc nói về lý thuyết phản ứng, trên thực tế, là chủ đề của bài viết này. Trong phần tiếp theo, bạn sẽ tìm hiểu rằng quá trình hydrat hóa propylen tạo ra một trong những sản phẩm quan trọng nhất trong công nghiệp, cũng như phản ứng này xảy ra như thế nào và các sắc thái của nó là gì.
Lý thuyết hydrat hóa
Đầu tiên, hãy chuyển sang một quá trình tổng quát hơn - quá trình solvat hóa - cũng bao gồm phản ứng được mô tả ở trên. Đây là một sự biến đổi hóa học, bao gồm việc bổ sung các phân tử dung môi vào các phân tử chất tan. Đồng thời, chúng có thể hình thành các phân tử mới, hay còn gọi là solvat, các hạt bao gồm các phân tử của chất tan và dung môi được kết nối bằng tương tác tĩnh điện. Chúng tôi chỉ quan tâmloại chất đầu tiên, bởi vì trong quá trình hydrat hóa propylen, một sản phẩm như vậy chủ yếu được hình thành.
Khi hòa tan theo cách mô tả ở trên, các phân tử dung môi được gắn với chất tan, một hợp chất mới sẽ thu được. Trong hóa học hữu cơ, quá trình hydrat hóa chủ yếu tạo thành rượu, xeton và andehit, nhưng có một số trường hợp khác, chẳng hạn như sự hình thành glycol, nhưng chúng ta sẽ không đề cập đến chúng. Trên thực tế, quá trình này rất đơn giản, nhưng đồng thời cũng khá phức tạp.
Cơ chế hydrat hóa
Liên kết đôi, như bạn đã biết, bao gồm hai loại liên kết của các nguyên tử: liên kết pi- và sigma. Liên kết pi luôn là liên kết đầu tiên bị phá vỡ trong quá trình phản ứng hydrat hóa, vì nó kém bền hơn (nó có năng lượng liên kết thấp hơn). Khi nó bị đứt, hai obitan trống được hình thành ở hai nguyên tử cacbon lân cận, có thể hình thành liên kết mới. Phân tử nước tồn tại trong dung dịch dưới dạng hai phần tử: một ion hydroxit và một proton, có khả năng tham gia theo một liên kết đôi bị đứt. Trong trường hợp này, ion hydroxit được gắn vào nguyên tử cacbon trung tâm và proton - ở cực thứ hai. Do đó, trong quá trình hydrat hóa propylen, propanol 1, hoặc rượu isopropyl, được hình thành chủ yếu. Đây là một chất rất quan trọng, vì khi bị oxi hóa sẽ thu được axeton, được sử dụng rộng rãi ở thế giới chúng ta. Chúng tôi đã nói rằng nó được hình thành là chủ yếu, nhưng điều này không hoàn toàn đúng. Tôi phải nói điều này: sản phẩm duy nhất được hình thành trong quá trình hydrat hóa propylene và đây là rượu isopropyl.
Đây, tất nhiên, là tất cả những gì tinh tế. Trong thực tế, mọi thứ có thể được mô tả dễ dàng hơn nhiều. Và bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu làm thế nào một quá trình như hydrat hóa propylene được ghi lại trong khóa học của trường.
Phản ứng: nó xảy ra như thế nào
Trong hóa học, mọi thứ thường được ký hiệu đơn giản: với sự hỗ trợ của các phương trình phản ứng. Vì vậy, sự biến đổi hóa học của chất được thảo luận có thể được mô tả theo cách này. Quá trình hydrat hóa propylen, có phương trình phản ứng rất đơn giản, tiến hành theo hai giai đoạn. Đầu tiên, liên kết pi, là một phần của liên kết đôi, bị phá vỡ. Sau đó, một phân tử nước ở dạng hai hạt, một anion hydroxit và một cation hydro, tiếp cận phân tử propylene, phân tử này hiện có hai vị trí trống để hình thành liên kết. Ion hydroxit tạo liên kết với nguyên tử cacbon ít hydro hóa hơn (nghĩa là với nguyên tử có ít nguyên tử hydro hơn liên kết với nó) và proton tương ứng với cực còn lại. Do đó, một sản phẩm duy nhất thu được: rượu đơn chức no isopropanol.
Làm thế nào để ghi lại một phản ứng?
Bây giờ chúng ta sẽ học cách viết ra bằng ngôn ngữ hóa học một phản ứng phản ánh một quá trình như hydrat hóa propylene. Công thức chúng ta cần là: CH2=CH - CH3. Đây là công thức của chất ban đầu - propen. Như bạn thấy, nó có một liên kết đôi, được đánh dấu bằng "=", và đây là nơi nước sẽ được thêm vào khi propylene được hydrat hóa. Phương trình phản ứng có thể được viết như sau: CH2=CH - CH3+ H2O=CH3- CH (OH) - CH3. Nhóm hydroxyl trong ngoặc có nghĩa làrằng phần này không nằm trong mặt phẳng của công thức, mà ở bên dưới hoặc bên trên. Ở đây, chúng tôi không thể hiển thị góc giữa ba nhóm kéo dài từ nguyên tử cacbon ở giữa, nhưng giả sử chúng xấp xỉ bằng nhau và tạo thành 120 độ.
Nó áp dụng ở đâu?
Chúng tôi đã nói rằng chất thu được trong phản ứng được sử dụng tích cực cho quá trình tổng hợp các chất quan trọng khác. Nó rất giống về cấu trúc với axeton, chỉ khác ở chỗ thay vì nhóm hydroxo thì lại có nhóm xeto (nghĩa là nguyên tử oxy được nối bằng liên kết đôi với nguyên tử nitơ). Như bạn đã biết, bản thân axeton được sử dụng trong dung môi và vecni, nhưng ngoài ra, nó còn được sử dụng làm thuốc thử để tổng hợp thêm các chất phức tạp hơn, chẳng hạn như polyuretan, nhựa epoxy, anhydrit axetic, v.v.
Phản ứng tạo axeton
Chúng tôi nghĩ rằng sẽ rất hữu ích nếu mô tả quá trình chuyển hóa rượu isopropyl thành axeton, đặc biệt là vì phản ứng này không quá phức tạp. Để bắt đầu, propanol được làm bay hơi và oxy hóa bằng oxy ở 400-600 độ C trên một chất xúc tác đặc biệt. Một sản phẩm rất tinh khiết thu được khi thực hiện phản ứng trên lưới bạc.
Phương trình phản ứng
Chúng ta sẽ không đi vào chi tiết cơ chế của phản ứng oxy hóa propanol thành axeton, vì nó rất phức tạp. Chúng ta tự giới hạn phương trình biến đổi hóa học thông thường: CH3- CH (OH) - CH3+ O2=CH3- C (O) - CH3+H2O. Như bạn có thể thấy, mọi thứ khá đơn giản trên sơ đồ, nhưng đáng để đi sâu vào quá trình này, và chúng ta sẽ gặp phải một số khó khăn.
Kết
Vì vậy, chúng tôi đã phân tích quá trình hydrat hóa propylene và nghiên cứu phương trình phản ứng và cơ chế xảy ra của nó. Các nguyên tắc công nghệ được coi là cơ sở cho các quá trình thực tế xảy ra trong sản xuất. Hóa ra, chúng không quá khó nhưng lại mang lại lợi ích thực sự cho cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
