Книга по химии для домашнего чтения

Химики — и неорганики, и органики, и аналитики — часто упоминают имена своих коллег:

«Как будем получать вещество — по Гриньяру или по Виттигу?»

«У Вас готов реактив Швейцера?» «Я думаю, что хлор нам даст реакция Дикона.»

«Реактив Несслера нужен новый, так как старый уже пожелтел».

Подобного рода названия — своеобразная дань памяти химикам — первооткрывателям новых методов синтеза веществ и новых аналитических реагентов.

Всего известно более 1000 именных органических, неорганических и аналитических реакций. Их число продолжает увеличиваться, так как нет до сих пор общепринятой номенклатуры химических реакций. Название реакции по имени ее первооткрывателя дает возможность кратко передать смысл происходящего превращения. В этом разделе мы знакомим читателя только с наиболее простой и широко известной частью именных реакций и реактивов.

8.1. ОДИН ИЗ ШЕСТИ ДЮМА

Какой из знаменитых Дюма предложил метод определения азота?

Среди шести известных представителей фамилии Дюма есть видный деятель Французской революции, генерал Французской республики, два писателя — Дюма-отец и Дюма-сын, известный психолог и не менее известный химик. Химик Дюма (см. 2.20) был тонким и наблюдательным экспериментатором. В 1831 г. он предложил метод определения содержания азота в органических соединениях, сущность которого состоит в сожжении органического вещества в присутствии оксида меди CuO и металлической меди Cu. Кроме молекулярного азота N₂ (см. 4.20) при реакции образуются диоксид углерода CO₂ и вода. Эти побочные продукты реакции поглощают раствором гидроксида калия КОН, а объем азота измеряют. Расчет позволяет определить, сколько азота было в исходном органическом веществе.

8.2. ПРОБА БЕЙЛЬШТЕЙНА

Знаете ли вы, что русский химик Бейльштейн — не только составитель широко известного справочника по органическим соединениям, но и автор оригинального способа качественного определения галогенов в органических веществах?

Высокочувствительная «проба Бейльштейна» позволяет обнаружить наличие галогенов (см. 4.34) в органическом соединении с использованием минимального количества исследуемого вещества. Для ее проведения берут медную проволоку и на конце сгибают ее в небольшое колечко, которое прокаливают в пламени газовой горелки до тех пор, пока оно не перестанет окрашиваться (это делают для того, чтобы удалить все летучие соединения меди). Затем проволоку охлаждают и погружают в небольшое количество исследуемого вещества. Если теперь внести проволоку в огонь, то разрушение органического вещества, содержащего атомы галогенов — хлора, брома, иода, при высокой температуре приведет к образованию на поверхности проволоки галогенидов меди, которые окрашивают пламя в зеленый цвет.

Следует учесть, однако, что ряд органических веществ, не содержащих галогенов (например, карбамид, см. 8.5) тоже окрашивают пламя в зеленоватый цвет.

8.3. РЕАКЦИЯ БУНЗЕНА И РЕАКТИВ ФИШЕРА

Прямое назначение реактива Фишера (Карл Фишер — немецкий химик-аналитик) — определение содержания воды в органических и неорганических веществах. Реакция, положенная в основу этого метода, — взаимодействие иода I₂ с диоксидом серы SO₂:

была открыта Бунзеном еще в 1853 г. В безводной среде I₂ с SO₂ не реагирует, но достаточно уже следов влаги, чтобы реакция началась. В 1935 г. Фишер сделал реакцию Бунзена аналитической, проходящей со 100%-м выходом, добавив к I₂ и SO₂ пиридин C₅H₅N и метанол CH₃OH (см. 1.60). Пиридин связывает продукты реакции, а метанол служит растворителем исходных веществ:

Смесь метанола, пиридина, иода и диоксида серы получила название реактива Фишера.

8.4. НЕССЛЕР ИЛИ КЬЕЛЬДАЛЬ?

Агрохимическая лаборатория находилась неподалеку от животноводческого комплекса. Удивительно, но факт: в те дни, когда ветер дул от ферм в сторону лаборатории, все анализы на содержание азота в карбамиде (мочевине) и других азотсодержащих удобрениях были испорчены, так как показывали невероятное, почти стократное превышение. Почему определение азота зависело от направления ветра?

Чаще всего в лаборатории используют для анализа азотсодержащих веществ методы Несслера или Кьельдаля.

Юлиус Несслер (1827–1905) — немецкий химик-аналитик — предложил в 1868 г. для качественного и количественного определения примесей аммиака NH₃ и солей аммония (например, хлорида аммония, см. 1.44) в различных веществах реакцию взаимодействия аммиака с щелочным раствором комплексного соединения тетраиодомеркурата калия K₂(HgI₄):

В результате реакции образуется вещество (Hg₂N)I∙H₂O, придающее анализируемому раствору желтый цвет, когда аммиака очень мало. При больших его количествах выпадает осадок бурого цвета.

Позднее, в 1883 г., Иохан-Густав-Кристоффер Кьельдаль (1849–1900), датский химик, разработал другой метод анализа, названный впоследствии его именем. Вещество, которое предстоит анализировать, он сначала разлагал кипячением с концентрированной серной кислотой, часто в присутствии катализаторов. При этом азот органического соединения превращался в сульфат аммония (NH₄)₂SO₄, как, например, в случае анализа карбамида CO(NH₂)₂:

После добавления к сульфату аммония раствора гидроксида натрия NaOH выделялся газообразный аммиак, который нагреванием удаляли из раствора:

и поглощали точно отмеренным количеством разбавленной серной кислоты. Можно для определения количества аммиака (или катиона аммония) в завершающей части анализа использовать и реакцию Несслера.

В воздухе животноводческого помещения всегда повышенное содержание аммиака; аммиак отлично поглощается водой и кислотами, а это приводит к большому искажению результатов химического анализа.

8.5. ВСЛЕД ЗА ВЁЛЕРОМ

Вёлер (см. 2.18) в 1828 г. случайно (см. 9.19) обнаружил, что при нагревании водного раствора цианата аммония NH₄NCO образуется карбамид (NH₂)₂CO (мочевина). Это был первый синтез органического вещества из неорганического, проведенный чисто химическим методом в лаборатории:

а сама реакция получила название реакции Вёлера. Это пример обратимой реакции таутомерии — превращения одного структурного изомера в другой.

Прошло сорок лет, и карбамид стали получать по реакции Александра Ивановича Базарова (1845–1907), русского химика и агронома, директора Никитского ботанического сада в Крыму. Синтез карбамида по Базарову состоял во взаимодействии аммиака NH₃ и диоксида углерода CO₂ при 180°C в присутствии пара воды как катализатора (см. 6.5).:

Любопытно, что применение другой реакции Вёлера сохранилось до наших дней. Она лежит в основе современного промышленного способа получения белого фосфора (см. 4.26):

Фосфат кальция Ca₃(PO₄)₂ (апатит, фосфорит, см. 10.49) смешивают с коксом C и диоксидом кремния SiO₂ (песок), а затем прокаливают. Фосфор состава P₂ возгоняется из реакционной смеси и конденсируется в холодильнике уже в виде белого воскообразного вещества состава P₄ — белого фосфора. Вместе с ним удаляется и газообразный монооксид углерода СО, а в реакторе остается расплавленный метасиликат кальция CaSiO₃.

8.6. СТАРЕЙШИЙ СПОСОБ

Знаете ли вы, что в основе одного из самых старых способов получения чистой ортофосфорной кислоты лежит реакция Маргграфа?

Маргграф (см. 1.61) предложил получать ортофосфорную кислоту H₃PO₄ нагреванием белого или красного фосфора с азотной кислотой:

После удаления газообразного диоксида азота остается только водный раствор ортофосфорной кислоты (см. 5.75).

8.7. ЗНАМЕНИТАЯ БЕРТОЛЕТОВА СОЛЬ

Для получения триоксохлората калия KClO₃ Бертолле (см. 2.41) предложил пропускать хлор Cl₂ в горячий раствор гидроксида калия KOH в воде. Уже через несколько минут из раствора начинают выпадать белые пластинчатые кристаллы KClO₃:

Кристаллы отфильтровывают и высушивают при температуре не выше 100°С. Триоксохлорат калия применяют в производстве спичек (см. 1.30–1.32). Описанная выше простая реакция получила впоследствии название реакции Бертолле, а ее продукт — «бертолетова соль» (см. 9.39).

8.8. СМЕСЬ КИБАЛЬЧИЧА

Так называли смесь, состоящую из триоксохлората калия KClO₃ и сахара C₁₂H₂₂O₁₁. Ее использовали в качестве запала к кустарно изготовленным бомбам. Если смочить смесь каплей концентрированной серной кислоты H₂SO₄, то происходит сильная вспышка (см. 1.28):

Выделяющийся диоксид хлора ClO₂ тотчас же разлагается на хлор Cl₂ и кислород O₂:

воспламеняя сахар:

8.9. КАК ПОЛУЧИТЬ КИСЛОТУ КАРО?

Реакция Каро (Никодем Каро, 1871–1935, немецкий химик) — это реакция взаимодействия триоксохлоросульфата водорода HSClO₃ с безводным пероксидом водорода H₂O₂ (см. 5.63):

Один из продуктов реакции — пероксомоносерную кислоту H₂SO₅ — еще до сих пор называют кислотой Каро. Она образует легкоплавкие бесцветные красивые кристаллы, прикосновение которых к бензолу C₆H₆ сопровождается взрывом. Это один из сильнейших окислителей. Есть еще способ получения кислоты: надо смешать концентрированную серную кислоту с пероксодисульфатом калия K₂S₂O₈, а затем добавить в полученную кашицу лед:

8.10. ЖИДКОСТЬ ВАККЕНРОДЕРА

Эта жидкость — смесь политионовых кислот состава H₂SxO₆, где x > 3, тонкодисперсной серы и небольших количеств серной кислоты H₂SO₄ (см. 1.49; 5.71).

В 1845 г. немецкий химик, врач и аптекарь Генрих-Вильгельм-Фердинанд Ваккенродер (1798–1854) установил, что при пропускании сероводорода H₂S в охлаждаемый ниже 0ºC водный раствор диоксида серы SO₂ образуется «необычная смесь», получившая впоследствии его имя. Образование одной из политионовых кислот такой смеси:

8.11. ПРОБА ПО ГЕМПЕЛЮ

Вальтер Гемпель (1851–1916) — немецкий химик-аналитик — предложил проводить восстановление серосодержащих веществ натрием Na, магнием Mg или алюминием Al. Для этого исследуемый образец в сухом виде он помещал на листочек или пластинку металла, заворачивал в бумагу и обертывал тонкой проволокой, а затем поджигал. Серосодержащие вещества в процессе восстановления металлами превращались в сульфиды. Потом Гемпель растягивал проволоку и погружал продукты сгорания в пробирку с водой. Если теперь слегка подкислить раствор, произойдет выделение сероводорода H₂S:

который можно обнаружить по почернению фильтровальной бумажки, смоченной раствором нитрата свинца Pb(NO₃)₂ или сульфата меди CuSO₄:

Образующиеся сульфиды свинца PbS или меди CuS вызывают появление на бумаге черных пятен (см. 9.33).

8.12. ДВА ОТКРЫТИЯ ГЛАУБЕРА

Немецкий алхимик Глаубер (см. 1.48; 2.25) впервые получил многие соли и кислоты. В истории химии наиболее известны две реакции Глаубера.

Первая реакция Глаубера — получение сульфата натрия при взаимодействии хлорида натрия NaCl с серной кислотой H₂SO₄ (см. 152):

Вторая из предложенных Глаубером реакций связана с синтезом трихлорида сурьмы SbCl₃ («сурьмяного масла», см. 3.47):

При нагревании смеси хлорида ртути HgCl₂ и сульфида сурьмы Sb₂S₃ хлорид сурьмы отгоняется и собирается в охлаждаемом приемнике.

8.13. СОПЕРНИЧЕСТВО КИСЛОРОДА И ХЛОРА

Генри Дикон (1822–1876) — английский химик-технолог — в 1867 г. разработал способ непрерывного получения хлора Cl₂ путем каталитического окисления хлороводорода HCl кислородом воздуха при температуре 400°C с участием катализатора дихлорида меди CuCl₂:

Эта реакция получила название реакции Дикона, а промышленная технология — процесса Дикона. В процессе Дикона получают не чистый Cl₂, а смесь воздуха с 11% Cl₂. Из этой смеси Cl₂ не выделяют, так как она им бедна, а используют смесь для производства хлорной извести CaCl(OCl) (см. 3.23):

8.14. ДЛЯ ЧЕГО ИСПОЛЬЗУЮТ РЕАКЦИЮ ФОГЕЛЯ?

Вернер Фогель (р. 1925 г.) — немецкий химик-аналитик — предложил применять для открытия примеси соединений кобальта Co в анализируемых растворах реакцию образования тиоцианатного комплекса этого элемента, вызывающего синее окрашивание раствора. Реакция Фогеля заключалась в добавлении к исследуемому раствору концентрированного водного раствора тиоцианата аммония NH₄NCS:

Продукт реакции тетратиоцианатокобальтат аммония — синего цвета. Чувствительность реакции Фогеля повысится, если к раствору добавить амиловый спирт C₅H₁₁OH. Полученный комплекс практически полностью перейдет в слой спирта, который не смешивается с водным раствором, а интенсивность окраски возрастает (см. 5.16).

8.15. ФЕЛИНГОВЛ ЖИДКОСТЬ

Реактив Фелинга («фелингова жидкость») — это раствор сульфата меди CuSO₄ и тартрата калия-натрия KNa(C₄H₄O₆) в 10%-м водном растворе гидроксида натрия NaOH. Все указанные вещества взаимодействуют следующим образом:

В первой реакции образуется гидроксид меди Cu(OH)₂, который в осадок не выпадает, а тотчас же вступает в реакцию образования растворимого дитартратокупрата натрия Na₂[Cu(C₄H₄O₆)₂], придающего жидкости синий цвет. Таким образом, реактив Фелинга содержит этот комплекс, сульфат натрия Na₂SO₄ и гидроксиды натрия и калия КОН. Реактив Фелинга применяют для обнаружения соединений мышьяка:

а также альдегидов, моносахаридов и др. соединений, с которыми при нагревании он образует желто-оранжевые, красные вещества или красновато-желтый осадок оксида димеди Cu₂O. «Фелингову жидкость», в частности, используют для диагностики диабета путем определения содержания сахара в моче больных.

Реактив был предложен немецким химиком-органиком и технологом Германом-Христианом Фелингом (1812–1885) в 1849 г.

8.16. ПРОБА БЕТТЕНДОРФА

Антон-Йозеф-Губерт Беттендорф (1839–1902), немецкий химик, предложил в 1869 г. для обнаружения мышьяка As (см. 4.23) в растворе добавлять к концентрированной хлороводородной кислоте HCl несколько капель анализируемого раствора, а затем 0,5 мл концентрированного раствора дихлорида олова SnCl₂ в той же кислоте. В этом случае жидкость, если в ней содержится соединение мышьяка, например его трихлорид AsCl₃, быстро буреет, и через некоторое время выпадает черный осадок мышьяка, а в растворе остается гексахлоростаннат водорода H₂[SnCl₆]:

Сурьма в тех же условиях не выделяется.

8.17. РЕАКЦИЯ МАРША

Как определяют наличие мышьяка при судебно-медицинской экспертизе?

В этом случае применяют реакцию, предложенную в 1836 г. Джеймсом Маршем (1790–1846), английским химиком-аналитиком. Реакция Марша служит для качественного открытия очень малых количеств мышьяка As. Все соединения мышьяка в кислом растворе восстанавливаются металлическим цинком до арсина AsH₃:

Образующийся очень ядовитый бесцветный газ арсин пропускают через нагретую стеклянную трубку. Арсин разлагается на водород и мышьяк, оседающий на холодных частях трубки в виде буро-черного зеркала:

8.18. АРГЕНТОМЕТРИЯ ПО МОРУ И ФОЛЬГАРДУ

При количественном определении содержания галогенид-ионов титрованием анализируемой пробы раствором нитрата серебра AgNO₃ очень трудно зафиксировать точку эквивалентности, когда пора прекратить добавление раствора AgNO₃.

Карл-Фридрих Mop (1806–1879) — немецкий химик и фармацевт — предложил для определения конца титрования добавлять в анализируемый раствор хромат калия K₂CrO₄. Как только все галогенид-ионы будут израсходованы в реакции осаждения галогенида серебра, например хлорида серебра AgCI:

начнется выделение более растворимого хромата серебра Ag₂CrO₄ кирпично-красного цвета. Это и будет сигналом появления точки эквивалентности (см. 5.38).

По способу Фольгарда (см. 2.68) окончание реакции осаждения галогенида серебра замечают по появлению красной окраски раствора, вызванной образованием тиоцианата железа [Fe(NCS)₃]. Фольгард предложил добавлять в титруемый раствор тиоцианат калия KNCS и нитрат железа Fe(NO₃)₃. В точке эквивалентности тиоцианат серебра AgNCS превращается в галогенид серебра, а освободившиеся тиоцианат-ионы NCS^- немедленно образуют с катионами железа ярко-красный тиоцианат железа:

8.19. РЕАКТИВ И РЕАКЦИЯ ЧУГАЕВА

Для осуществления реакции Чугаева (см. 2.38) к анализируемому раствору прибавляют аммиак NH₃ до слабощелочной реакции, а затем несколько капель спиртового раствора диметилглиоксима (CH₃)₂C2(NOH)₂. Если в растворе содержится примесь никеля (см. 4.44), то появляется красно-фиолетовая окраска. При большом содержании никеля выпадает осадок красного цвета:

Образующееся в этой реакции комплексное соединение носит название бис(диметилглиоксимато)никель(II).

8.20. ЧТО ТАКОЕ РЕАКТИВ ШВЕЙЦЕРА?

В 1857 г. швейцарский химик Матиас-Эдуард Швейцер (1818–1860) обнаружил, что концентрированный водный раствор гидроксида тетраамминмеди(II) [Cu(NH₃)₄](OH)₂, получаемый в реакции

при взаимодействии гидроксида меди Cu(OH)₂ и водного раствора аммиака NH₃, растворяет целлюлозу (см. 1.36 и 1.62). Если полученный раствор целлюлозы пропускать через фильеры (отверстия малого диаметра) в ванну с разбавленной серной кислотой, то получаются тонкие «шелковые» нити медно-аммиачного волокна — чистой регенерированной целлюлозы, не содержащей ни меди, ни азота: реактив Швейцера в серной кислоте разрушается:

и выделяет растворенную в нем целлюлозу. В растворе остаются сульфат меди CuSO₄ и сульфат аммония (NH₄)₂SO₄.

8.21. УНИВЕРСАЛЬНАЯ РЕАКЦИЯ ГРИНЬЯРА

Франсуа-Огюст-Виктор Гриньяр (1871–1935) — французский химик-органик, лауреат Нобелевской премии — предложил свою реакцию для синтеза металл органических соединений. Например, получение диметилцинка (CH₃)₂Zn осуществляют прямым взаимодействием в среде органического растворителя иодметана и цинка:

Так как цинкорганические соединения самовоспламеняются на воздухе, то значительно удобнее использовать для работы магнийорганические соединения, которые чаще всего и называют реактивами Гриньяра. C помощью реактивов Гриньяра можно получить спирты, карбоновые кислоты, насыщенные углеводороды — алканы. В частности, чтобы синтезировать этан C₂H₆, на бромэтан C₂H₅Br действуют магниевым порошком Mg, а затем выделенный бром-магнийэтан (бромид этилмагния) разлагают водой:

8.22. КАК «ВЫРАСТИТЬ» ОРГАНИЧЕСКУЮ МОЛЕКУЛУ?

Химики-органики любят говорить, что они в состоянии строить молекулы веществ, как строители складывают здание из кирпичей или блоков. Как им это удается?

Если в качестве реагентов использовать органические вещества, одно из которых содержит атом металла, а другое — атом галогена, и при этом создать условия, благоприятные для возникновения новых химических связей металл — галоген, то можно добиться соединения остающихся фрагментов молекул исходных реактивов между собой. Такие процессы характерны, например, для реакции Вюрца. Реакция была открыта Вюрцем в 1855 г. и является одной из важнейших для получения насыщенных углеводородов (алканов). Например, для получения этана C₂H₆ к раствору иодметана CH₃I в этиловом эфире (C₂H₅)₂O добавляют металлический натрий (см. 6.44):

Здесь происходит соединение двух фрагментов — метальных радикалов CH₃ — и удлинение углеводородной цепочки, при этом образуется этан. А для синтеза ароматических соединений используют «модификацию Фиттига»:

В этой реакции на смесь бромбензола C₆H₅Br и бромметана CH₃Br действуют металлическим натрием Na. Продукт реакции — толуол C₆H₅CH₃. Фиттиг открыл эту реакцию в 1885 г.

Если в подобном процессе участвует алкоголят металла, например этилат натрия C₂H₅ONa, то можно «выстроить» мслекулу эфира в соответствии с реакцией Уильямсона. Александер Уильямсон (1824–1904), английский химик-органик, президент Лондонского королевского общества, открыл эту реакцию в 1852 г. Она позволяет получать простые эфиры (см. 6.50) из алкоголятов металлов и алкилгалогенидов. Например, синтез метилэтилового эфира C₂H₅OCH₃ проводят смешиванием этилата натрия с иодметаном CH₃I:

8.23. КАК «ЗАМКНУТЬ» ЦИКЛ?

Примером реакции, превращающей линейные молекулы в циклические, является реакция образования бензола из ацетилена — реакция Бертло и Реппе. В 1868 г. Бертло (см. 2.42) установил, что при пропускании ацетилена C₂H₂ через раскаленную до 500°C железную трубку можно получить бензол C₆H₆:

В настоящее время эта реакция представляет лишь исторический интерес: бензола здесь образуется мало, и он загрязнен смолами и нафталином. Реакцией Реппе называют реакцию превращения ацетилена в бензол при давлении 1,5 МПа и температуре 60°C в присутствии катализатора — цианида никеля Ni(CN)₂ или тиоцианата никеля Ni(NCS)₂. Эту реакцию предложил в 1948 г. Вальтер-Юлиус Реппе (1892–1969), немецкий химик-органик, директор концерна «ИГ Фарбен индустрии.

8.24. ХЛОРИД АЛЮМИНИЯ «ВЫБРАСЫВАЕТ» ХЛОРОВОДОРОД

Если прибавить хлорид алюминия AICl₃ к смеси бензола C₆H₆ (см. 9.21) и алкил галогенида, например хлорметана CH₃CI, то происходит энергичное выделение хлороводорода HCl и образование толуола C₆H₅CH₃:

Хлорид алюминия выполняет здесь функцию катализатора, и в этом сущность реакции Фриделя — Крафтса. Напомним, что Шарль Фридель (1832–1899) — французский химик-органик, член Парижской академии наук, а Джеймс-Мейсон Крафте (1839–1917) — американский химик-органик, член Национальной академии наук США.

8.25. ПИРИДИН РАМЗАЯ И ЧИЧИБАБИНА

Рамзай (см. 2.27) обнаружил, что при пропускании через раскаленные железные трубки смеси ацетилена и циановодорода HCN образуется пиридин:

Реакция, открытая им в 1877 г., получила название реакции Рамзая. В 1914 г. Чичибабин (см. 2.34) открыл две реакции, получившие его имя. Он обнаружил, что при действии на нагретый пиридин C₅H₅N амидом натрия NaNH₂ наблюдается выделение водорода H₂:

Если затем продукт реакции обработать водой, то можно получить 2-аминопиридин, необходимый для производства ряда лекарств:

Вторая реакция Чичибабина — это образование 2-оксипиридината калия при пропускании пара пиридина над нагретым до 400°C гидроксидом калия КОН:

8.26. «РАЗБОРКА» ОРГАНИЧЕСКОЙ МОЛЕКУЛЫ

«Разборка» органической молекулы происходит при полном окислении или горении вещества; при этом выделяются диоксид углерода СО₂, вода Н₂О и другие вещества. Однако такой процесс можно сравнить скорее с полным уничтожением (до фундамента) «здания» органической молекулы. А осторожная «разборка» с отщеплением одной молекулы СО₂ характерна для реакции Бородина (см. 2.36). Она была открыта в 1861 г. и заключается в декарбоксилировании серебряных солей алифатических карбоновых кислот под действием галогенов (хлора Cl₂, брома Br₂ или иода I₂) (см. 4.34) в безводном органическом растворителе. Например, превращение ацетата серебра CH₃COOAg в бром метан СН₃Br происходит при его взаимодействии с бромом (см. 4.38):

Диоксид углерода и азот отщепляются от вещества и в реакции Шмидта. Реакция открыта немецким химиком-органиком Карлом Шмидтом (1887–1958) в 1924 г. Он добавил к уксусной кислоте СН₃СООН азид водорода HN₃, а затем концентрированную серную кислоту H₂SO₄ и увидел выделение газов, один из которых оказался азотом N₂, а второй — диоксидом углерода СО₂. Анализ раствора показал, что в нем содержится метиламин CH₃NH₂:

8.27. ПОЛЕЗНЫЙ ЦИАНИД КАЛИЯ

В соответствии с реакцией Кольбе взаимодействие иодметана СН₃I с цианидом калия KCN (см. 6.2) в среде органического растворителя при нагревании приводит к образованию ацетонитрила CH₃CN:

Ацетонитрил разлагается водой с образованием уксусной кислоты и аммиака:

В настоящее время получение ацетонитрила ведут, не используя такого вредного и ядовитого реактива, как цианид калия; применяют дегидратацию ацетата аммония:

Уксусную кислоту можно синтезировать проще, применяя реакцию Делепина. В 1909 г. Марселей Делепин (1871–1965), французский химик-органик, член Парижской академии наук, предложил получать карбоновые кислоты окислением их альдегидов действием оксида серебра Ag₂O в водном растворе гидроксида натрия NaOH. Например, уксусная кислота образуется при окислении уксусного альдегида CH₃CHO:

Естественно, что кислота будет тотчас же превращаться в щелочной среде в ацетат натрия:

из которого ее выделяют действием серной (H₂SO₄) или фосфорной (H₃PO₄) кислот при нагревании:

8.28. ДВА СИНТЕЗА НИТРОМЕТАНА

Хорошо известен способ получения нитросоединений — реакция нитрования: взаимодействие органического вещества с азотной кислотой HNO₃. Реакция получила имя Коновалова. Михаил Иванович Коновалов (1858–1906), русский химик-органик, был ректором Киевского политехнического института.

Например, метан CH₄ в такой реакции, протекающей при повышенном давлении, превращается в нитрометан:

А можно ли обойтись без применения азотной кислоты при нитровании?

Виктор Мейер (1848–1897) — немецкий химик, президент Немецкого химического общества — предложил получать алифатические нитросоединения действием нитрита серебра на алкилгалогениды. Например, бромметан превращается при помощи реакции Мейера в нитрометан CH₃NO₂:

8.29. ВОЛШЕБНЫЙ ПОЛИСУЛЬФИД

Мало кому знакомо удивительное свойство полисульфидов (см. 6.46) «съедать» кетоны.

Конрад Вильгеродт (1841–1930), немецкий химик-органик, открыл в 1887 г., что кетоны превращаются в амиды карбоновых кислот с тем же числом атомов углерода под воздействием водного раствора полисульфида аммония (NH₄)₂S_x Например, из ацетона (CH₃)₂CO (см. 6.49) можно получить амид пропионовой кислоты (пропан-амид):

Реакции такого рода стали называть реакциями Вильгеродта.

Сульфид аммония помог Зинину (см. 2.32) в 1842 г. превратить нитробензол C₆H₅NO₂ в анилин C₆H₅NH₂. Эта реакция осталась в химии под названием реакции Зинина.

8.30. ДРЕВЕСНЫЙ СПИРТ КАННИЦЦАРО

Знаете ли вы, что реакция Канниццаро — это реакция диспропорционирования формальдегида до метанола и формиат-иона?

В 1853 г. итальянский химик Канниццаро (см. 2.9) обнаружил, что при действии на формальдегид HCHO (см. 6.55) гидроксида калия KOH образуются метанол CH₃OH (см. 1.60) и соль муравьиной кислоты — формиат калия НСООК:

8.31. ФОРМИАТ ГОЛЬДШМИДТА

Виктор-Мориц Гольдшмидт (1888–1947) — норвежский геохимик, директор Геологического музея в Осло, один из основоположников геохимии — предложил теперь уже хорошо известную реакцию образования формиатов из монооксида углерода СО и гидроксидов щелочных металлов:

Реакция протекает с количественным выходом под давлением 0,7 МПа и температуре 120–150°C. В реакции Гольдшмидта CO ведет себя как кислотный оксид, хотя обычно его рассматривают как несолеобразующий, т. е. ни кислотный, ни основный оксид.

8.32. ГЛИКОЛИ ВАГНЕРА

В 1887 г. русский химик-органик Егор Егорович Вагнер (1849–1903) разработал общий способ окисления этиленовых углеводородов разбавленным водным раствором перманганата калия KMnO₄ (см. 5.47). Продуктами окисления оказались гликоли — двухатомные спирты, содержащие две группы ОН у насыщенных атомов углерода. Например, этилен C₂H₄ (см. 9.37) превращается в этиленгликоль CH₂(OH)CH₂OH, а из раствора осаждается черно-бурый осадок диоксида марганца MnO₂:

Мировое производство этиленгликоля сейчас превышает 15 млн. т в год.

8.33. МОЖНО ЛИ ПОЛУЧИТЬ СПИРТ БЕЗ БРОЖЕНИЯ?

В 1854 г. Бертло (см. 2.42) открыл способ получения этилового спирта C₂H₅OH без применения брожения пищевого сырья: зерна, картофеля, сахара — и без гидролиза растительных материалов вроде древесины. Он использовал реакцию, получившую его имя, — реакцию Бертло:

C₂H₄ + H₂O = C₂H₅OH.

В этой реакции этилен C₂H₄ подвергается гидратации в присутствии серной кислоты H₂SO₄ и катализатора — ртути (см. 9.37).

8.34. ВМЕСТО ПИЩЕВОГО СЫРЬЯ — АЦЕТИЛЕН

Уксусный альдегид, уксусную кислоту, этиловый спирт даже для технических целей раньше приходилось получать из пшеницы и сахара. Кому удалось приспособить для этого такое непищевое сырье, как ацетилен?

Русский химик-органик Михаил Григорьевич Кучеров (1850–1911) в 1881 г. открыл реакцию, носящую теперь его имя. Она заключается в получении уксусного альдегида CH₃CHO из ацетилена H₂C₂ в присутствии катализатора оксида ртути HgO:

Ацетилен для проведения этой реакции получить не так уж трудно: сначала ведут обжиг известняка — карбоната кальция CaCO₃ (см. 3.23):

а затем спекают оксид кальция CaO с углем (см. 9.50):

и разлагают полученный карбид кальция водой:

Из полученного уксусного альдегида можно получить и этиловый спирт (восстановлением), и уксусную кислоту (окислением).

Позднее для получения альдегидов стали использовать реакции Сабатье и Адкинса.

В 1912 г. Поль Сабатье (1854–1941) — французский химик, член Парижской академии наук, лауреат Нобелевской премии — установил, что уксусная кислота CH₃COOH (см. 1.50) может быть превращена в уксусный альдегид CH₃CHO при действии муравьиной кислоты HCOOH в присутствии нагретого до 300–350°C диоксида марганца MnO₂:

Это реакция Сабатье.

В 1931 г. американский химик-органик Гомер Адкинс (1892–1949) предложил получать формальдегид HCHO (см. 6.55) окислением метанола CH₃OH (см. 1.60) кислородом воздуха при 250–400°C в присутствии катализатора триоксида дижелеза Fe₂O₃. Формальдегид образуется в реакции Адкинса практически без примеси метанола:

8.35. ПОЛУЧЕНИЕ ФЕНОЛА — НЕЛЕГКАЯ ЗАДАЧА

Немецкий химик-технолог Фридрих Рашиг (1863–1928) разработал промышленный метод получения фенола C₆H₅OH. Сначала хлорируют бензол в присутствии катализатора оксида алюминия Al₂O₃, а затем полученный продукт подвергают гидролизу водяным паром при участии катализатора ортофосфата кальция Ca₃(PO₄)₂:

Эти реакции стали называть одним именем — реакции Рашига.

8.36. САХАР ИЗ ФОРМАЛЬДЕГИДА

Бутлеровым (см. 2.33) была предложена реакция для получения смеси сахаров («формозы») из формальдегида HCHO (см. 6.55) при воздействии на него гидроксида кальция Ca(OH)₂ (см. 3.23):

Реакция сложная (она протекает через ряд промежуточных стадий), аутокаталитическая (сама себя катализирует) и ускоряется под действием ультрафиолетового излучения (см. 1.61).

8.37. ПРЕОДОЛЕНИЕ ДЕФИЦИТА

Один из самых главных способов превращения твердого топлива в жидкое подсказала реакция Орлова. Егор Иванович Орлов (1865–1944) — русский химик-неорганик и технолог, создатель проекта первого в России завода для производства формалина (1909 г.). В 1908 г. Орлов получил этилен C₂H₄ при пропускании смеси монооксида углерода СО и водорода H₂ над никель-палладиевым катализатором (Ni-Pd) при температуре около 100°С:

Немецкие химики Франц Фишер (1877–1947) — директор Института кайзера Вильгельма по изучению угля, и Ганс Тропш (1889–1935), сотрудник того же института, в 1923 г. предложили получать смеси углеводородов состава C_nH_2n+2 гидрированием монооксида углерода СО под давлением примерно 1 МПа и температуре 200–400°C в присутствии катализатора (никеля Ni, железа Fe или рутения Ru):

Реакция протекает со значительным выделением энергии в форме теплоты.

Кстати, процесс Фишера — Тропша позволяет также получать из смеси (СО и H₂) метанол (см. 1.60):

Эта реакция проводится в присутствии катализатора оксида хрома Cr₂O₃ при температуре 300°C и давлении 30 МПа.