Как не существует универсального органического растворителя, так и «зелёные» растворители надо подбирать —для каждой реакции свой

Слайд 1.

Введение.
К числу веществ, загрязняющих окружающую среду, относятся органические растворители, попадающие в атмосферу и затем в водные резервуары вследствие их летучести и неконтролируемых выбросов. Многие растворители токсичны и оказывают неблагоприятное воздействие на биосферу.

В ряде случаев использование молекулярных растворителей не обеспечивает требуемой селективности химических процессов. В последние годы во многих странах активизируются исследования, направленные на использование в химии и химической технологии альтернативных типов растворителей.

Важное место в структуре этих исследований занимают жидкие при нормальных условиях соли неорганических и органических кислот с объемными органическими основаниями (так называемые "ионные жидкости").

Слайд 2

Растворители выполняют несколько функций: помогают смешивать компоненты, используют для того, чтобы доставить или убрать тепло, контролировать реакционную способность компонентов.

Большинство растворителей - производные нефти: во-первых, такие растворители не бесконечны, во-вторых, пожаро- и взрывоопасны, а в-третьих, вредны для окружающей среды.

Слайд 3

Как от них избавиться? Можно проводить химический процесс вообще без растворителя или использовать «зеленые» растворители. В качестве зелёных растворителей применяют: воду, сверхкритические жидкости, ионные жидкости, нетоксичные жидкие полимеры (характеризуется низкой токсичностью, доступностью и возможностью повторного использования).

Слайд 4

Вода является наиболее используемым растворителем во всех биохимических реакциях, протекающих в природе. Тем не менее, вода при нормальных условиях является подходящим растворителем только для веществ, содержащих полярные группы.

В качестве растворителя, вода может растворять далеко не все вещества, что ограничивает её применение в качестве растворителя в некоторых промышленных отраслях.  

Например, в воде при нормальных условиях не растворяются нитрокраски и некоторых виды смол, а также масляные краски, что делает её плохой альтернативой органическим растворителям в данном случае.

Слайд 5

Основная причина интереса к сверхкритическим жидкостям – то, что они становятся такими же хорошими растворителями, как известные органические, а иногда бывают и лучше. При этом они безвредны для окружающей среды.

Основными преимуществами сверхкритических флюидов (СКФ) как растворителей являются: (на слайде).

Главное достоинство сверхкритических жидкостей: после использования давление в реакторе сбрасывается, и они возвращаются в атмосферу Земли.

Слайд 6

Вблизи критической точки на фазовой диаграмме свойства веществ радикально меняются. Вода и СО₂ становятся эффективными растворителями. Например, вода в сверхкритическом состоянии становится неполярной и хорошо растворяет органические соединения, нерастворимые в жидкой воде. Использование воды вблизи критической точки сложнее и обходится дороже, чем диоксида углерода.

Диоксид углерода и вода – дружественные природе и недорогие реагенты, поэтому их использование отвечает целям и задачам «зеленой» химии.

Слайд 7

В настоящее время известны следующие реакции, происходящие в сверхкритической воде (СКВ):

Ø дегидрирование,

Ø гидродесульфирование,

Ø алкилирование по Фриделю-Крафтсу, причем роль катализатора и растворителя выполняет СКВ. Арилирование алкенов проходит более стереоселективно, чем в органических растворителях.

Известно, что трет-бутиловый спирт быстро и селективно дегидратируется в СКВ до изобутилена при температуре ~250 ◦С даже без добавления кислоты или основания.

Слайд 8

В СКВ происходит полное окислительное разложение органических соединений различной структуры как основных компонентов загрязнений. Особое внимание в последнее время привлекает окисление органических соединений воздухом или кислородом в СКВ, как основа для развития технологии уничтожения отходов.

Специалисты из Национальной Лаборатории в Лас Аламосе (США) продемонстрировали возможность разложения хлорированных углеводородов СКВ в титановом реакторе.

Слайд 9

СКВ используют в качестве среды для следующих веществ (на слайде). Несмотря на благоприятные перспективы использования СКВ для деструкции, отмечаются трудности при проведении данного процесса: коррозия, солеобразование и др.

Вода в области критической точки может выступать в качестве реагента, растворителя и катализатора, что позволяет проводить в ней различные химико-технологические процессы.

Слайд 10

Лаборатория чистых технологий Ноттингемского университета занялась изучением сверхкритического CO₂ в органических реакциях, в частности гидрирования. Все началось с теоретического исследования и закончилось — проточным реактором, использующим сверхкритические жидкости.

Слайд 11
В нем можно проводить много различных реакций, в том числе гидрирование (рис.2). При традиционных технологиях гидрирование часто идет с трудом, поскольку водород плохо растворяется в органике. В сверхкритической среде растворитель, водород и субстрат находятся в одном состоянии. Таким образом, процесс протекает более интенсивно, и к тому же непрерывно.

 Газоподобные свойства сверхкритической жидкости уменьшают вязкость реакционной смеси, за счет этого увеличивается ее приток к поверхности катализатора. С другой стороны, плотность, соответствующая жидкости, позволяет лучше проводить тепло, чем в газовой фазе.

 

Слайд 12

Реакция гидрирования изофорона в сверхкритических жидкостях (рис. 3) более селективна, проходит с большей скоростью и позволяет эффективнее использовать катализатор. Проточный реактор ученые теперь также используют для непрерывного алкилирования ароматических соединений по Фриделю-Крафтсу и синтеза эфиров (с использованием твердых кислотных катализаторов).

Алкилирование получается, во-первых, гораздо более чистым, чем традиционный процесс, поскольку не предполагает использование хлорида алюминия, а во-вторых, гораздо более избирательным.

 

Слайд 13

Уникальный набор свойств сверхкритических флюидов позволил на их основе разработать ряд технологий.

К сверхкритическим технологиям относятся: экстракция (СФЭ); хроматография (СФХ); микронизация (измельчение частиц до более мелких); импрегнация (пропитывание чего-либо какими-либо веществами).

 

Слайд 14

Преимущества сверхкритической флюидной экстракции:

Ø  Проведения анализа без предварительного разложения объектов окружающей среды и биологических матриц,

Ø Высокая скорость экстракции и нетоксичность многих сверхкритических флюидов.

Слайд 15

Сверхкритический СО₂ имеет почти такую же растворяющую способность, как гексан, и это его свойство используется в пищевой промышленности. Например, кофеин из зерен зеленого кофе извлекают именно с помощью scCО_2.. Углекислый газ экстрагирует только кофеин, оставляя все ароматные компоненты и не оставляя после себя никакого вредного следа, в отличие от своих органических «коллег».

Подобную технологию также используют для экстракции хмеля при производстве пива, никотина из табака, а также различных ароматических веществ в парфюмерной промышленности.

 

Слайд 16

Достоинства сверхкритической флюидной хроматографии:

Ø Высокая степень разделения при низкой температуре,

Ø Малая продолжительность анализа,

Ø Расход растворителя ниже, чем при использовании жидкостной хроматографии,

Ø Получаемые отходы легко обезвреживаются, поскольку химически просты и газообразны, благодаря медленному расширению сверхкритической подвижной фазы вне хроматографической системы.

Слайд 17

Данные методы в основном используют:

Ø для анализа пищевых продуктов,

Ø фармацевтических препаратов,

Ø объектов окружающей среды (определение пестицидов, полициклических ароматических углеводородов, фенолов и других распространённых загрязнителей).

Слайд 18

Как не существует универсального органического растворителя, так и «зелёные» растворители надо подбирать —для каждой реакции свой.