Одним из самых важных источников органических соединений является нефть (сырая нефть). Нефть, получаемая при бурении в местах ее месторождений, представляет собой вязкую темноокрашенную жидкость, в основном состоящую из смеси углеводородов (соединений углерода с водородом, ем. разд. 7.2). Огромные количества ее, составляющие около миллиарда тонн, добывают и потребляют ежегодно. Много нефти сжигается, т. е. непосредственно используется в качестве топлива, но много ее разделяют на фракции или превращают в другие продукты.
Переработка нефти
Из нефти можно получить весьма ценные продукты путем ее перегонки, называемой процессом первичной нефтеперегонки. В разд. 7.2 уже было отмечено, что петролейный эфир, получаемый именно таким образом, представляет собой летучую смесь пентана, гексана и гептана (С5Н12—С7Н16), используемую в качестве растворителя и средства для сухой чистки одежды; бензин, представляющий собой смесь углеводородов от гептана до нонана (С7Н16—С9Н20), используют как топливо для двигателей внутреннего сгорания; керосин — смесь углеводородов от декана до гексадекана (С10Н22—С16Н34) — находит применение в качестве горючего; тяжелое нефтяное топливо представляет собой смесь еще более тяжелых молекул углеводородов.
После отгонки легких фракций остается черное густое вещество, называемое нефтяным асфальтом. Его применяют в дорожном строительстве, для пропитки мягких кровельных материалов, для стабилизации рыхлых грунтов, а также в качестве связующего при производстве топливных брикетов из угольной пыли. Залежи аналогичного материала, называемого битумом или природным асфальтом, открыты в Тринидаде, в США (в штатах Техас и Оклахома) и в других районах земного шара, где, по-видимому, они образовались в результате медленной дистилляции залежей нефти.
Полагают, что нефть, так же как и каменный уголь, представляет собой продукт распада остатков растений, произраставших на Земле около 250 млн. лет назад.
Процессы крекинга и полимеризации
По мере роста спроса на бензин все интенсивнее разрабатывались технологические процессы, обеспечивающие повышенный выход бензина при переработке нефти. Простой крекинг-процесс основан на использовании высокой температуры для разрыва больших молекул на меньшие: так, молекулу С12Н26 можно разорвать на молекулу С6Н14 (гексан) и молекулу С6H12 (гексен), имеющую одну двойную связь. В настоящее время в нефтяной промышленности применяют ряд довольно сложных схем крекинг-процесса. Некоторые из них включают нагревание жидкой нефти под давлением примерно 50 атм до температуры около 500 °С, с применением катализатора, например такого, как хлорид алюминия АlСl3. Другие методы основаны на нагревании паров нефти с катализатором, в качестве которого используют глину, содержащую некоторое количество двуокиси циркония.
Получение бензина из легких углеводородов, содержащих двойные связи, может быть основано на полимеризации. Две молекулы этилена С2Н4, например, могут реагировать между собой с образованием одной молекулы бутилена С4Н8 (структурная формула СН3—СН=СН—СН3).
Некоторое количество бензина производят также гидрогенизацией (присоединение водорода) нефти и каменного угля. Из этого важного исходного сырья в больших количествах получают множество самых разных органических соединений.
Углеводороды, содержащие несколько двойных связей
Строение и свойства этилена — вещества, молекулы которого содержат двойную связь, — были рассмотрены в разд. 7.2. Некоторые важные природные продукты представляют собой углеводороды с несколькими двойными связями. Так, вещество, придающее помидорам красный цвет и называемое ликопином, представляет собой ненасыщенный углеводород С40Н56, структура которого приведена на рис. 13.1.
Молекула этого вещества имеет тринадцать двойных связей. Нетрудно заметить, что одиннадцать из этих двойных связей распределены в молекуле вполне определенным образом — они расположены попеременно с простыми связями. Правильное чередование двойных и простых связей в цепи молекулы углеводорода называется сопряженной системой двойных связей. Если молекула имеет такое строение, то она обладает особыми свойствами, например способностью поглощать видимый свет, благодаря чему данное вещество приобретает определенную окраску.
Рис. 13.1. Структурные формулы ликопина и каучука.
Другие изомеры ликопина, которым также свойственна желтая и красная окраска, имеют ту же общую формулу С40Н56; их называют α-каротином, β-каротином и т. д. Такого рода вещества содержатся в сливочном масле, молоке, зеленых листьях растений, яйцах, жирах, получаемых из печени трески и палтуса, в моркови, помидорах и других овощах и фруктах. Эти вещества играют важную роль, поскольку в организме человека из них вырабатывается витамин А (см. гл. 14).
Полициклические соединения
Существует множество важных веществ, в молекулах которых имеется два или большее число колец из атомов; такие соединения называют полициклическими; в качестве примеров полициклических ароматических углеводородов (многоядерных) могут служить нафталин, антрацен и фенантрен (разд. 7.3). Один из таких полициклических алифатических углеводородов — пинен С10Н16 — основная составная часть скипидара. Скипидар получают перегонкой смолы хвойных деревьев. Молекула пинена имеет следующую структурную формулу:
Другим интересным полициклическим веществом является камфора, получаемая при перегонке с водяным паром древесины камфорного дерева или синтетическим путем из пинена методом, разработанным в последние годы. Молекула камфоры имеет почти сферическую форму, это своего рода «клеточная» молекула. (Формула приведена на стр. 359.)
Камфора содержит один атом кислорода; ее формула С10Н16О. Если в молекуле камфоры атом кислорода заменить двумя атомами водорода, то получится углеводород, называемый камфаном. Камфора находит применение в медицине и используется при производстве пластмасс. Обычный целлулоид состоит из нитроцеллюлозы, пластифицированной камфорой.
Каучук
Натуральный каучук — органическое вещество, получаемое главным образом из млечного сока кучукового дерева Hevea brasiliensis. Каучук состоит из очень длинных молекул, которые являются полимерами изо-прена С5Н8, имеющего следующую структуру:
Фрагмент полимерной молекулы каучука, образующегося в растениях, показан на рис. 13.1.
Характерные свойства каучука определяются тем, что он состоит из агрегатов очень длинных молекул, беспорядочно переплетающихся между собой. Строение больших полимерных молекул каучука определяет их тенденцию к беспорядочному (некристаллическому) расположению и, следовательно, затрудняет кристаллизацию.
Следует отметить, что молекула каучука содержит большое число двойных связей — по одной на каждое звено С5Н8. В природном каучуке молекулы имеют цис-конфигурацию относительно двойных связей (как показано в структурной формуле на рис. 13.1). Гуттаперча — аналогичный продукт растительного происхождения, не обладающий, однако, эластичностью каучука, состоит из таких же молекул, но эти молекулы имеют транс-конфигурацию относительно двойных связей. Такая конфигурация молекул гуттаперчи позволяет им кристаллизоваться значительно легче, чем молекулам каучука.
Молекулы обычного, невулканизованного каучука слабо связаны между собой и легко отделяются одна от другой, в результате чего каучук прилипает к любому материалу, с которым он соприкасается. Липкость устраняют процессом вулканизации — нагревания каучука с серой. В результате этого процесса молекулы серы S8 присоединяются по двойным связям молекул каучука, образуя мостики из цепей серы между соседними молекулами каучука. Такие мостики из серы связывают агрегаты молекул каучука в одно целое, создавая молекулярную решетку, простирающуюся на весь кусок каучука. В результате вулканизации с небольшим количеством серы образуется мягкий продукт, называемый резиной, который используют при производстве резиновых нитей или автомобильных шин (в последнем случае вводят наполнитель в виде сажи или окиси цинка). Значительно более твердый материал, называемый эбонитом, образуется в том случае, если при вулканизации используют большее количество серы.
Материалы, объединенные общим названием синтетические каучуки, в действительности не являются синтетическим каучуком, поскольку они не идентичны природному продукту. Такие материалы представляют собой скорее заменители каучука, ибо они обладают свойствами и структурой, аналогичными, но не идентичными свойствам и структуре природного каучука. Так, хлоропрен С4Н5Сl, имеющий структуру
похож на изопрен и отличается от него тем, что вместо метильной группы имеет атом хлора. Хлоропрен полимеризуется в каучукоподобный продукт, называемый хлоропреновим каучуком. Этот и другие синтетические каучуки нашли широкое применение и для некоторых целей предпочтительнее природного каучука.