Превращение органическихи неорганических соединений

Органические соединения. К настоящему времени выделено много новых природных соединений: алкалоидов и терпенов из растений, антибиотиков из микроорганизмов и грибов, пептидов и полинуклеотидов из организмов животных и человека. Основная задача физической органической химии – установление связи между физическими, прежде всего спектральными, химическими свойствами органических соединений и их молекулярной структурой. Не менее важная задача заключается в выяснении строения промежуточных продуктов и установлении влияния растворителя, катализатора, температуры и т.п. на механизм реакции.

Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Например, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С). Несколько десятилетий назад стратегия синтеза основывалась на последовательном осуществлении уже известных химических реакций.
С пониманием глубинных процессов механизма реакций появилась возможность реализации новых способов синтеза. В качестве примера можно назвать твердофазный синтез пептидов, который проводится на нерастворимом полимерном носителе с ковалентной связью. Пептиды образуются при последовательном добавлении аминокислоты. Такой способ применяется для получения важных гормонов и пептидов-биорегуляторов.

Современные достижения в органическом синтезе особенно наглядны в производстве лекарственных препаратов. Например, синтезированные простагландины из семейства жирных кислот, содержащие
20 углеродных атомов и пятичленный цикл, обладают свойствами гормонов и оказывают мощное и разнообразное воздействие на организм, начиная от регулирования кровотока и кончая стимуляцией родовой деятельности. В организме простагландины синтезируются из исходного вещества – полинеопредельных жирных кислот, содержащихся в пище млекопитающих. Те же кислоты служат исходным продуктом в синтезе другого семейства соединений – лейкотриенов – перспективного лекарственного препарата для лечения многих заболеваний, в том числе и астмы. Ближайшие задачи органического синтеза связаны с получением безвредных антибиотиков, лекарственных средств против гипертонии, язвенных болезней и т.п.

Неорганические соединения. В последние десятилетия подъем неорганической химии наблюдается на стыке смежных отраслей естествознания – химий металлоорганических и бионеорганических соединений, химии твердого тела, биогеохимии и др. Неорганические элементы и соединения, как показывают экспериментальные наблюдения последнего времени, играют важную роль в живых системах, которые нельзя считать чисто органическими. Они весьма чувствительны к ионам металлов почти всей периодической системы элементов Менделеева. Некоторые ионы принимают участие в таких жизненно важных процессах, как связывание и транспорт кислорода (железо в гемоглобине), поглощение и конверсия солнечной энергии (магний в хлорофилле, марганец в фотосистеме, железо в ферродоксине, медь во фталоцианине), обмен электрическими импульсами между клетками (кальций, калий в нервных клетках), мышечное сокращение (кальций), ферментативный катализ (кобальт в витамине В₁₂) и др.Важнейший предмет изучения быстроразвивающейся неорганической химии биосистем – строение ближайшего и дальнего окружения атомов металлов и его изменение под воздействием кислотных агентов, давления кислорода и других факторов.

Быстро развивается еще одна отрасль – химия элементоорганических соединений. Для исследования сложнейших структур и связей таких соединений применяются новейшие методы спектроскопии и рентгеноструктурного анализа, позволившие открыть большое семейство соединений со сложной структурой. Пример подобных соединений – синтезированный ферроцен – вещество, атомы железа которого расположены между двумя плоскими циклопентадиенильными кольцами.

Химики-металлоорганики стремятся создать новые катализаторы для фиксации азота, т.е. для превращения молекулярного азота N₂ в аммиак NH₃ – исходный продукт для производства удобрений. Одно из важных достижений химиков-органиков – синтез соединений, способных избирательно действовать с теми молекулами, которые долгое время считались слишком инертными для химических превращений, но представляли и представляют практический интерес. Например, насыщенные углеводороды относительно инертны, не содержат двойных или тройных углерод-углеродных связей. Недавно синтезированы соединения родия и иридия, содержащие фосфины и другие соединения, которые способны расщеплять связи С – Н в метане и циклопропане. При сочетании такой важной реакции синтеза с другими видами превращений можно наладить массовое производство насыщенных углеводородов – ценнейшего промышленного сырья. Таким способом можно осуществить, прямое превращение метана в метанол – метиловый спирт – важнейшее сырье для производства многих химических веществ.

По мере роста числа необычных металлоорганических соединений размывается граница между органической и неорганической химией. Часто многие синтезированные соединения находят применение в органическом синтезе. Так, борогидриды – соединения бора и водорода в органическом синтезе выполняют роль селективных восстановителей. Другой пример – соединения кремния способны деформировать длинную молекулу реагента и синтезировать кортизон – эффективное лекарственное средство против артрита. Новые методы синтеза с применением соединений кремния позволили синтезировать несколько аналогов кортизона. Один из них – преднизолон – более эффективен, чем кортизон, и с меньшими побочными действиями, участием металлоорганических соединений осуществляются важные промежуточные стадии многих органических реакций. Данные соединения богаты электронами, поэтому в природе они играют роль посредника во многих процессах переноса электронов.

https://studopedia.ru/2_30135_prevrashchenie-organicheskihi-neorganicheskih-soedineniy.html

Синтез веществ

Селективный органический синтез. Важнейшая задача химика-синтетика – добиться селективности в органическом синтезе, т.е. научиться осуществлять строго определенное структурное изменение в молекуле, превращая ее в конечный продукт заданного строения. Для решения такой довольно трудной задачи нужно изучить реакционную способность реагентов для каждого типа связи – хемоселективность, создать при взаимодействии реагентов их правильную ориентацию – региоселективность и заданную периодическую пространственную конфигурацию – стереоселективность. Например, синтез адамантана С₁₀Н₁₄ дает представление о том, как можно контролировать все данные факторы. С₁₀Н₁₄ – уникальная молекула, представляющая собой фрагмент структуры алмаза, содержащей 10 углеродных атомов. Впервые адамантан удалось получить путем трудоемкого многостадийного синтеза с выходом только 2,4%. Благодаря последним экспериментальным исследованиям адамантан синтезируется в одну стадию и с выходом 75%. Выяснилось, что адамантадин–адамантан, в молекулу которого введена всего лишь одна аминогруппа, обладает антивирусным свойством, и его можно применять как средство против гриппа и против болезни Паркинсона.

Широкое распространение получила реакция циклоприсоединения с образованием пятичленных циклов, применяющихся для синтеза самых разных соединений – от новых электропроводящих материалов до лекарственных препаратов, например, антибиотиков и противоопухолевых средств. Так, замыкание цикла на радиевом катализаторе является ключевой стадией в синтезе тиенамицина, в котором пятичленный цикл содержит атом азота. Конечный продукт оказался эффективным, подобным пенициллину, средством против инфекционных болезней.

Фотохимический синтез. Фотохимический синтез основан на действии излучения. После поглощения энергии молекула переходит в возбужденное энергетическое состояние. Химические свойства молекулы существенно зависят от свойств поглощенного света, при котором константа диссоциации кислот изменяется на 5–10%, окислительные и восстановительные процессы кардинально изменяются и даже химически инертные вещества могут стать реакционноспособными.

В результате фотохимического синтеза получены многие биологически активные соединения, например, алкалоид атизин, несколько антибиотиков, провитамин D₃ и др. Активность фотохимического синтеза в значительной степени зависит от длины волны возбуждающего света и температуры. Так, при уменьшении длины волны всего лишь на 1% – с 302,5 до 300,0 нм – выход провитамина D₃ увеличивается вдвое, а при снижении температуры синтеза – вчетверо.

Биосинтез. Среди природных веществ есть регуляторы роста растений и насекомых, органические соединения, используемые насекомыми в качестве средств коммуникации, пестициды, антибиотики, витамины и многие целебные вещества. Природное соединение сначала необходимо обнаружить, затем выделить его химическим путем, потом определить его структуру и свойства и, наконец, произвести заданный синтез.

Часто химики стремятся получить только одну нужную форму из двух, являющихся зеркальным отражением друг друга. Каждый атом углерода, с которым связаны различные группы атомов, порождает пару симметричных зеркальных структур и называется хиральным атомом или хиральным центром. Характерный пример выделения только одной зеркальной формы – синтез антибиотиков. В природе встречается около 50 соединений подобного типа, среди них самое известное – монензин, продуцируемый штаммом бактерий. Антибиотики такого типа (монензин, лазалоцид, салиномицин) широко применяются для борьбы с инфекционными заболеваниями в бройлерном производстве. В США ежегодно продают примерно на 50 млн долларов монензина. Монензин содержит 26 атомов углерода, 17 хиральных центров – это означает возможность существования 2¹⁷ различных стереоизомеров. Поэтому для осуществления синтеза монензина необходимы высокостереоселективные реакции. Производство монензина и его структурных аналогов – крупное достижение современного биосинтеза.

При исследовании строения биополимеров – гигантских молекул белков (нуклеиновых кислот, синтезируемых живыми организмами), возникают те же проблемы, что и при изучении природных соединений с меньшей молекулярной массой. Белки выполняют различные биологические функции: участие в пищеварении, транспорт кислорода в крови, сокращение мышечных волокон, защита от вирусов и бактерий с помощью антител и т.п. Сложная пространственная форма белков во многом определяет их биологические функции. Так, молекула коллагена – белка, придающего прочность коже и костям, имеет форму стержня. Антитела представляют собой молекулы с выемками У-образной формы, которые заполняются молекулами чужеродных веществ и служат для запуска реакций, обеспечивающих их эффективное обезвреживание.

Белки – высокодинамические системы, которые при осуществлении биологических функций способны менять форму. Например, свет вызывает изменение формы родопсина – белка сетчатки глаза, что и является первичной стадией зрительного восприятия. Такое изменение происходит в течение менее одной миллиардной доли секунды. Подобные процессы в молекулах белков обнаруживаются с помощью импульсных лазеров.

Для белков характерны повторяющиеся структурные фрагменты и общность механизмов действия. Даже простейшие клетки содержат более 5000 различных видов белков. Последние имеют общие структурные особенности. Например, наблюдается сходство между ферментом тромбином, вызывающем свертывание крови, и пищеварительным ферментом – химотрипсином. Многие белки разных организмов похожи друг на друга. Так, гемоглобин мыши мало отличается от гемоглобина человека.
В сложных организмах ферменты работают так же, как и в простых.

https://studopedia.ru/2_30136_sintez-veshchestv.html

Современный катализ

Катализ – ускорение химической реакции в присутствии веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. При гомогенном катализе исходные реагенты и катализатор находятся в одной фазе (газовой или жидкой), при гетерогенном – газообразные или жидкие реагенты взаимодействуют на поверхности твердого катализатора. Катализ обусловливает высокие скорости реакций при небольших температурах, предпочтительное образование определенных продуктов из ряда возможных. Каталитические процессы являются основой многих химико-технологических процессов, например, производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака. Большинство процессов, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).

Хорошо известна реакция между кислородом и водородом, приводящая к образованию воды:

2Н₂ + О₂ → 2Н₂О.

Смесь двух объемов газообразного водорода и одного объема кислорода, называемая гремучим газом, способна реагировать со взрывом и выделением большого количества тепла. Однако реакция протекает настолько медленно, что даже после месячной выдержки данной смеси вряд ли удастся обнаружить хоть какое-нибудь количество воды. Скорость реакции повышается при нагревании реакционной смеси или при воздействии на нее электромагнитного излучения. Аналогичное действие оказывает и введение катализатора. Катализатор помогает преодолеть энергетический барьер, препятствующий началу реакции. Катализ еще со времен шведского химика Берцелиуса (1779–1848) имеет исключительно важное значение для химических превращений.

Некоторые промышленные химические процессы проводятся в газовой форме при наличии твердых катализаторов, однако на практике чаще всего осуществляются жидкофазные каталитические процессы.
В последние десятилетия не менее 20% всей промышленной химической продукции производят каталитическим способом, причем 80% из них – с участием гетерогенного катализа.

К довольно эффективным катализаторам можно отнести ионообменные смолы, металлоорганические соединения, мембранные катализаторы. Каталитическим свойством обладают многие химические элементы периодической системы, но важнейшую роль играют металлы платиновой группы и редкоземельные металлы. .

Новые катализаторы позволяют уменьшить в химических превращениях не только температуру, но и давление. Например, разработанный в нашей стране катализатор дал возможность синтезировать метанол при давлении 50 атм и температуре 260–290°С, в то время как раньше такой синтез проводился при давлении до 1000 атм и температуре 300–400°С. С участием катализатора скорость некоторых реакций увеличивается в 10 млрд раз.

Каталитические процессы можно классифицировать с учетом их физической и химической природы. В гетерогенном катализе химическая реакция совершается в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газовой или жидкой смеси реагентов. Гомогенный катализ происходит либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты. В электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. При этом в отличие от гетерогенного катализа здесь есть возможность управлять процессом при изменении величины электрического тока. В фотокатализе химическая реакция может происходить на поверхности твердого тела или в жидком растворе и стимулирует ее энергия поглощенного излучения. Ферментативному катализу присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты – это большие белковые структуры, способные удерживать молекулы реагента в ожидании реакции. Кроме того, фермент собирает подходящее химическое окружение, катализирующее нужную реакцию по прибытии партнера.

https://studopedia.ru/2_30137_sovremenniy-kataliz.html

ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ ЗЕМНЫХ И ВНЕЗЕМНЫХ ВЕЩЕСТВ. ПРИРОДНЫЕ ЗАПАСЫ СЫРЬЯ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Геохимические процессы на Земле связаны с превращением сложных соединений и смесей, состоящих из кристаллических и аморфных фаз. Многие из них протекают при очень высоких давлениях и температурах. Современные технические средства эксперимента позволяют воспроизвести в лаборатории условия, близкие к условиям внутри Земли и даже земного ядра. Природные процессы – кристаллизация, частичное растворение, изменение структуры, минералов (метаморфизм), выветривание и т.п. приводят к образованию рудных отложений или к их рассеянию.

Большой интерес представляют метеориты: они дают необходимую информацию об эволюции небесных тел, находящихся на разных стадиях развития. При этом важную роль играет анализ изотопного состава многих металлов и газообразных веществ, найденных в метеоритах.

Химия уже внесла существенный вклад в исследование космического пространства. Без ракетного топлива и материалов, способных выдержать огромное давление, высокую температуру и интенсивное космическое излучение, без электрохимических источников энергии, без разнообразных химических средств для обеспечения питания космонавтов и устранения отходов сегодня смотрели бы на Луну из нашего прекрасного далека. Космос с давних пор стал объектом химических исследований. На стыке химии и астрофизики зародилась новая отрасль естествознания – космохимия, изучающая состав космических тел, законы распространенности элементов во Вселенной.

Первые результаты о химическом составе небесных тел были получены с помощью спектрального анализа. В химических лабораториях, кроме того, исследовался состав метеоритного вещества. Состав метеоритов оказался сообразным, как если бы они происходили из «одного и того же рудника». До сих пор ни в одном метеорите не найден элемент, который не встречался бы на Земле. С помощью самых точных методов анализа в метеоритах обнаружены почти все известные на нашей планете элементы. Характерная особенность большинства метеоритов заключается в том, что они содержат много чистого железа и очень мало наиболее распространенного на Земле кварца. Вещества, которые указывали бы на существование жизни в космосе пока не найдены, хотя углерод обнаружен в виде крошечных алмазов, графита и аморфного угля. Относительно недавно появилось сообщение об обнаружении бактериоподобной структуры в метеорите с Марса, что является предметом дальнейшей дискуссии о существовании жизни на данной планете в далеком прошлом.

Наиболее часто встречающиеся каменные метеориты, как и большинство земных пород, состоят в основном из силиката магния. Железные метеориты содержат до 90% железа. Содержание никеля в них составляет 6–20%. Кроме того, метеориты содержат кобальт, медь, хром, фосфор, серу, платину, палладий, серебро, иридий, золото и другие элементы. Встречаются включения газов: водорода, диоксида и моноксида углерода.

Прямая геологическая разведка небесных тел началась 21 июля 1969 г., когда люди впервые ступили на поверхность Луны и отобрали пробы лунного грунта. Через год прилунилась первая автоматическая станция «Луна-16», возвратившаяся на Землю с образцами лунной породы. Немного позднее, в ноябре 1970 г. на Луну доставлена советская автоматическая станция «Луноход-1», которая, начав свое движение по Луне с северо-западного Моря дождей, обследовала за 321 сутки около 50 га лунной поверхности. Обследования проводились и днем, и ночью при температурах от -140 до +130 °С. Результаты анализа показали, что, за исключением несколько повышенного содержания тугоплавких соединений титана, циркония, хрома и железа, лунные породы по своему составу очень похожи на земные. Некоторые различия выявились в свойствах. Так, лунное железо ржавеет медленнее, чем земное. В верхнем слое лунного грунта обнаружен минерал, получивший название реголит, теплопроводность которого значительно меньше теплопроводности земных теплопроводных материалов.

Исследовались и другие космические объекты. Так, с помощью космического зонда, отправленного к Венере, в результате гамма-спектрального анализа установлено, что грунт Венеры по химическому составу соответствует граниту.

Материя, находящаяся в межзвездном пространстве, состоит из двух компонентов – межзвездного газа и межзвездной пыли. Наиболее распространены в космическом пространстве водород (70 масс %) и гелий (28 масс %). В газовых межзвездных облаках обнаружено более
20 химических компонентов. Наряду с простыми молекулами (СО, Н₂, НСN, Н₂О, NН₃) в 200 космических газовых скоплениях найдены и более сложные химические соединения – метанол, изоциановая кислота, формамид, формальдегид, метилацетилен и ацетальдегид. Относительно недавно обнаружены молекулы этилового спирта, муравьиной кислоты и других соединений.

Исследования космической химии носят преимущественно познавательный характер, но нельзя исключать, что в будущем они обретут практическую значимость. Тем не менее уже получены некоторые важные для практики результаты. Например, для химико-фармацевтической промышленности представляет практический интерес более интенсивное развитие бактериальных культур в невесомости, чем на Земле. Металлурги могут ожидать разработки сплавов с новыми свойствами. Весьма перспективно выращивание в космосе бездефектных монокристаллов, особенно оксидов металлов. Следует ожидать, что в XXI в. появится новая отрасль науки – химия синтеза в космосе.

https://studopedia.ru/2_30138_prirodnie-protsessi-obrazovaniya-zemnih-i-vnezemnih-veshchestv-prirodnie-zapasi-sirya-i-prevrashchenie-energii.html