Изучение строения органических соединений, химические свойства, проявляемые ими в реакциях, позволяют выпускать различные типы продуктов и товаров из одного и того же сырья. Переработка добываемых углеводородов решает множество задач. На вопрос: «Как из алкана получить алкан?» химическая наука и практика крекинга нефти дают исчерпывающие ответы. Разберемся в проблеме взаимосвязи разных классов углеводородов, а также их производных. Основное внимание уделим промышленным способам переработки углеродосодержащего сырья.

Генетическое родство органических веществ

На ранних этапах изучения и получения углеводородов и производных химикам казалось, что эти группы изолированы друг от друга. Постепенно накапливались сведения, проливающие свет на генетическое родство основных классов веществ. Основные усилия были направлены на поиск способов изменения структуры, повышения кратности связи. Важнейшие проблемы теоретических изысканий и экспериментов:

• как из алкана получить алкан;
• как перерабатывать уголь, сырую нефть и природный газ;
• как проводить дегидрирование предельных углеводородов;
• как из алкана получить алкин (ацетилен).

Исследователи и специалисты-практики убедились, что существует множество взаимных переходов от одних углеводородов к другим.

Практическое значение генетических связей основных типов соединений

Единство углеводородных соединений было доказано в процессе становления органической химии как науки и отрасли производства. В разработку этой проблемы - как из алкана получить алкан - значительный вклад внесли русские и советские химики-органики. Многие используемые для этих целей реакции-превращения являются каталитическими процессами, осуществляются по сложным технологиям. Тесные связи и взаимные превращения органических соединений используются для решения разнообразных практических задач, среди которых:

• получение из одного вида сырья разных типов веществ;
• производство сложных по составу продуктов из простых соединений и наоборот;
• выпуск разнообразных товаров, имеющих высокий спрос;
• экономия сильно истощенных природных ресурсов углеводородов;
• рациональное пользование нефтегазоносными пластами, каменноугольной смолой, горючими сланцами, торфом.

Состав природных источников углерода

Углеводороды всех типов встречаются в природе в значительных количествах. Они служат исходными веществами для переработки и получения органических соединений разного состава. Важнейшие источники алканов и алкенов:

1. Природный газ. Содержание предельного углеводорода метана в разных месторождениях достигает 80–98 %. Остальные соединения: азот, диоксид углерода, этан, пропан, бутан.
2. Нефть. Природная смесь изомерных углеводородов из разных месторождений отличается по составу. В одних видах «черного золота» преобладают алканы, другие состоят из циклопарафинов и аренов. Купольные попутные газы нефти также содержат парафины.
3. Кокс. Производство необходимого для металлургии угля сопровождается получением каменноугольной смолы, содержащей свыше 400 компонентов, главные из них — арены.
4. Растительное и пищевое сырье — большая и разнообразная группа, включающая в себя древесину, семена и плоды технических культур, животные жиры.

Возможные переходы между органическими соединениями

В составе месторождений «черного золота» часто присутствуют циклоалканы или нафтены. Переработка сырья дает предельные циклические углеводороды, содержащие 5–7 атомов С в кольце, они имеют наибольшее практическое значение. Как из алкана получить циклоалкан, если запасы нафтенов истощены? Для получения предельных циклических углеводородов из насыщенных ациклических соединений применяют способ дегидроциклизации. Цепочки из 4-х и более атомов С замыкаются, возникает устойчивый цикл. Другие типичные превращения органических веществ можно отразить в простых схемах:

• Нефть → углеводороды → алканы → карбоновые кислоты.
• Природный газ → предельные углеводороды → карбоновые кислоты.
• Каменный уголь → углеводороды → алканы → непредельные углеводороды → полимеры.
• Нефть → углеводороды → арены → бензол → изопропил-бензол → ацетон, фенол.
• Природный газ → непредельные углеводороды → этанол.
• Каменный уголь → метанол.
• Нефть → углеводороды → алкены → бутадиен и изопрен.

Рассмотрим подробнее, какие химические соединения удается получить благодаря генетическому родству органических веществ.

Как из алкана получить алкан

В промышленности практически все виды предельных углеводородов получают из нефтегазового сырья. Переработка нефти — современный метод получения алканов из алканов:

А) Жидкие предельные углеводороды дает прямая перегонка нефти (низкий выход целевых продуктов).

Б) Термический и каталитический крекинги нефти применяют для увеличения процентного содержания легких фракций, улучшения качества получаемых углеводородов (бензина, керосина). В соляровой фракции нефти присутствует гексадекан, который при распаде дает додекан и бутилен. Додекан уже в составе керосиновой фракции подвергается дальнейшему распаду, из него получают предельный углеводород нонан и пропен (алкен). Продолжение крекинга может привести к образованию гептана и этилена.

Изомеризация и алкилирование

Каталитические реакции изомеризации позволяют из алканов нормального строения получить разветвленные: Н3С—(СН2)3—СН3 → СН(СН3)2—СН2—СН3. Продукт этого процесса — изопентан. Нормальный бутан, который содержится в газах крекинга, в реакции каталитической изомеризации превращается в изобутан. Получившийся продукт можно алкилировать изобутиленом в присутствии катализатора и получить изооктан — высококачественное топливо. Если взять в качестве алкилирующего агента этилен, то в реакции с изобутаном получается синтетическое горючее неогексан.

Как из алкана получить алкен и алкадиен

В промышленности непредельные ациклические углеводороды с одной двойной связью получают при крекинге нефти. При высокой температуре происходит разложение алканов (пиролиз). Алкены выделяют из общей массы промежуточных и конечных продуктов реакций. Этилен получают при дегидрировании этана на никелевом катализаторе: С2Н6 → С2Н4 + Н2↑. Бутан в подобных условиях дает 2-бутен, одновременно идет образование этана и этилена. Дегидрогенизация позволяет найти варианты решения проблемы того, как из алкана получить алкадиен. При ступенчатом удалении двух молекул водорода из углеводорода, насчитывающего 4 атома углерода, происходят следующие превращения: бутан → бутен → бутадиен. Конечный продукт важен для выпуска синтетического каучука. Аналогично бутадиеновому получают другой полимер, который имитирует ценные качества природного аналога: изопентан → изопрен → изопреновый каучук.

Как из алкана получить ацетилен

Углеводород с одной тройной связью — ацетилен — очень важен в промышленной отрасли, строительстве и других областях хозяйственной деятельности. Старейший способ получения этого простейшего алкина связан с действием воды на твердые кусочки карбида кальция. На смену этому методу пришел крекинг природного газа. Теперь на предприятиях химической отрасли знают, как из алкана получить алкин с наименьшими затратами. В специальных технологических аппаратах при высокой температуре или под действием электрического разряда происходит дегидрирование метана — преобладающего вещества природного газа: 2СН4 → HC≡CH + 3Н2. Ацетилен находит широкое применение, из него получают ацетальдегид, который далее используется в производстве уксусной кислоты, искусственных смол, пластмасс, синтетических волокон, каучуков и резин.

Как получить арены из предельных углеводородов

От парафинов цепочки превращений ведут к бензолу и его производным. Процесс ароматизации изучали российские и советские химики в XX веке. Сущность проведенной ими работы на тему «Как из алкана получить бензол и его гомологи» сводится к дегидроциклизации гексана, гептана и других предельных углеводородов: С6Н14→ С6Н6 + 4Н2; С7Н16 → С6Н5—СН3 + 4Н2. Другой путь заключается в синтезе циклопарафинов из ациклических углеводородов с последующим дегидрированием: гексан → циклогексан → бензол.

Как получить этиловый и другие спирты из алканов

В древности над вопросом: «Как из алкана получить спирт?» не размышляли, наши предки использовали только способ спиртового брожения сахаросодержащих продуктов под действием ферментов дрожжей. Рост технического значения этилового спирта привел к поиску новых видов непищевого сырья для получения этанола. В первой половине минувшего столетия вещество стало незаменимым сырьем для производства каучука по методу Лебедева. Один из методов был предсказан еще А. М. Бутлеровым, который мечтал, что дешевый способ получения этилена откроет путь «для добывания спирта». Источниками непредельных углеводородов служат продукты крекинга нефти и каталитическое дегидрирование алканов. Из этана получают этилен, который окисляется в присутствии серной кислоты: С2Н6 → С2Н4 → С2Н5ОН. Гидратация других алкенов, которые также получают при переработке нефти, дает гомологи синтетического этилового спирта. Недостатки способа выражаются в затратах на регенерацию кислоты и защиту аппаратов от ее коррозийного воздействия. Промышленность перешла на метод прямой гидратации алкенов, в котором применяются твердые катализаторы. Метанол получают при окислении метана. Этилен и его гомологи служат сырьем для производства спиртов.

Как из алканов получить альдегиды и карбоновые кислоты

После разрешения проблемы дешевого сырья для спиртовой промышленности химики знают, как из алкана получить альдегид с наименьшими затратами. Один из способов получения ацетальдегида — гидратация ацетилена. Весь процесс идет по схеме: природный газ → СН4 → С2Н2 → СН3—СОН. Возросло использование природных углеводородов для выпуска этилового спирта. Вещество является сырьем для производства карбонильных и карбоксильных соединений. Ацетальдегид можно получить при дегидрировании этана с последующим образованием в реакции этилового спирта, его окислением или дегидрированием. Один из вариантов — окисление этилена: С2Н6 → С2Н4 → С2Н4О. Как из алкана получить карбоновую кислоту? Вопрос, который длительное время находился в разряде проблемных. Уксусная кислота образуется при сбраживании пищевого сырья, при сухой перегонке древесины. Наличие доступных источников алканов позволяет проводить окисление бутана и получать дешевую уксусную кислоту: С4Н10 + 2 ½ О2 → 2СН3СООН + Н2О. Налажен выпуск других карбоновых кислот из предельных и непредельных углеводородов.

Современное мировое хозяйство трудно представить без природного газа, нефти и каменноугольного сырья. Из этих природных смесей выделяют различные алканы, которые используют для производства большого числа продуктов органического синтеза.