Источники органических веществ

Общее направление химических процессов, протекающих в животных организмах, иное, чем в высших зеленых растениях. В организмах зеленых растений исходными веществами для синтеза служат простейшие химические соединения (двуокись углерода, вода и минеральные соли), в то время как животные организмы для своей жизнедеятельности большей частью должны получать уже в готовом виде довольно сложные органические соединения (углеводы, жиры, белки), синтезированные растениями.

В животных организмах преобладают окислительные процессы, приводящие в конечном счете к превращению химической энергии в тепловую. Благодаря процессу дыхания, в животных организмах многие сложные продукты сгорают с образованием в конце концов простейших веществ, главным образом двуокиси углерода и воды. Азот при этом выделяется в виде несколько более сложных соединений, например в виде мочевины.

Все же было бы неверным считать, что животные организмы вообще неспособны к синтезу сложных органических соединений. Так, в животных организмах осуществляется синтез белков, жиров, стероидов из относительно простых органических соединений. Однако растения — значительно более искусные мастера органического синтеза.

Характерной чертой органического синтеза у растений является накопление потенциальной химической энергии путем превращения в нее энергии солнечных лучей. С помощью хлорофилла на свету растения синтезируют сложнейшие органические соединения из самых простых химических веществ, в конечном счете из двуокиси углерода, улавливаемой из воздуха, из воды и из минеральных солей, находящихся в почве. По всей вероятности, первичными продуктами фотосинтеза являются углеводы, которые в дальнейшем превращаются в жиры и белковые вещества растительных организмов. Фотосинтез у растений сопровождается выделением кислорода, который, как теперь точно установлено, образуется не из двуокиси углерода, а из воды. Таким образом, путем фотосинтеза в растениях происходит накопление сложных органических веществ. Естественно, что растения в большей мере, чем животные, служат первоисточником получения органических веществ.

Особенно богатым источником органических веществ являются древесные растения. Огромное количество ценных органических материалов получается из основной составной части древесины — целлюлозы. Одни из материалов такого рода (определенные сорта бумаги^ картона) получаются механической обработкой целлюлозы, другие (искусственные волокна, этиловый спирт, пороха, пластические массы) при помощи химической ее переработки.

Наиболее давно известны термические методы переработки древесины, приводящие к разрушению содержащихся в ней сложных органических веществ с образованием более простых соединений. Если древесину нагревать без доступа воздуха, то происходит весьма сложный химический процесс, называемый сухой перегонкой. Характер и относительные количества получающихся при сухой перегонке веществ могут довольно сильно различаться в зависимости от температуры и времени нагревания. Однако общее направление этих реакций одинаково. С одной стороны, образуются более или менее простые продукты, выделяющиеся в виде газов (частью горючих) и паров. Последние могут быть сгущены в жидкость, которая разделяется на два слоя. Верхний слой представляет собой водный раствор ряда органических веществ, из которых наиболее важными являются метиловый спирт, уксусная кислота и ацетон. Нижний слой, называемый древесным дегтем, может служить источником получения других органических веществ, например фенолов. С другой стороны, при сухой перегонке происходит так называемое «обугливание», т. е. образование смеси сложных органических веществ, называемой древесным углем. Уголь представляет собой смесь органических веществ, тем более богатую углеродом, чем выше температура при сухой перегонке. В природе самопроизвольно совершаются медленные процессы, аналогичные как сгоранию органических веществ, полному или неполному, так и сухой перегонке. На поверхности земли при достаточном доступе воздуха остатки растений или животных подвергаются обычно сложным процессам гниения или тления под действием микроорганизмов. Окончательным результатом этих процессов является полное сгорание углерод- и водо-родсодержащих веществ с образованием двуокиси углерода и воды; азот частью выделяется в свободном виде или в виде аммиака, частью окисляется в азотистую и азотную кислоты.

Но и здесь, наряду с образованием простейших продуктов окисления, происходит частичное «обугливание» с образованием сложных, богатых углеродом, черных «гуминовых веществ» почвы, которые могут затем окончательно окисляться в простейшие продукты. Если' же органические остатки гниют без доступа воздуха, например под водой или глубоко под пластами песка и глины, то этот процесс в некоторой степени аналогичен сухой перегонке. С одной стороны, образуются простейшие вещества — горючий болотный газ и растворимые в воде части перегноя, придающие ей окраску, неприятный вкус и запах; с другой стороны, получаются темные «обугленные» сложные вещества. Так, например, в торфяных болотах образуется торф, тем более темный и богатый углеродом, чем дольше он подвергался процессу разложения. Таким же образом, сначала под водой, а затем под земными пластами, в течение долгих геологических периодов образовались, преимущественно из растений древесных пород, залежи сложных органических веществ, известные под названием каменного угля. Чем моложе каменный уголь, тем он светлее, менее богат углеродом и содержит больше остатков растительных организмов (бурый уголь); чем сильнее он подвергся процессу разложения, тем больше он содержит углерода и меньше других элементов (антрацит). Но все виды каменного угля содержат лишь небольшое количество элементарного углерода и представляют собой главным образом смесь сложных органических веществ, содержащих Н, О, N, S и пр. Следует отметить, что современное состояние знаний относительно природы, состава, строения и свойств каменных углей таково, что эти вопросы еще далеки от окончательного разрешения. В настоящее время есть достаточно оснований считать, что каменный уголь является высокомолекулярным веществом, построенным из групп соединений не установленного точно строения, содержащих так или иначе сконденсированные ше-стичленные углеродные циклы с малым содержанием водорода и еще меньшим кислорода. Органические вещества каменного угля могут подвергаться сухой перегонке, что и осуществляется в больших масштабах на коксохимических и газовых заводах. При нагревании каменного угля без доступа воздуха происходит дальнейшее обугливание, причем отгоняются газообразные вещества (коксовый газ), вода и каменноугольная смола. После отгонки этих веществ остается кокс, почти целиком состоящий из углерода. В начале нынешнего столетия каменноугольная смола была главнейшим источником сырья для получения органических веществ. Однако с конца 20-х годов началось мощное развитие химических производств на основе нефти (газы пиролиза и крекинга), а в последнее время в качестве сырья для органического синтеза все большее значение приобретают природные нефтяные газы. Объем промышленной продукции на основе этого сырья в настоящее время в несколько раз больше, чем на основе переработки каменного угля. Тем не менее каменноугольная смола и сейчас остается важным сырьем для органического синтеза, главным образом как источник ароматических углеводородов (бензола, толуола, нафталина, антрацена) и фенолов. Если сухая перегонка угля проводится при более низких техмперату-рах, получаемая смола содержит не ароматические углеводороды и фенолы, а так называемые гидроароматические углеводороды и их оксипроизводные. В странах, не располагающих достаточными запасами нефти (например, в Германии), уголь был применен для получения жидкого топлива. Так как при сухой перегонке угля получается не более 10—12% жидкого горючего, а главным продуктом является кокс, был разработан процесс ожижения угля путем его гидрирования. Этот процесс был разработан Берцелиусом. Кроме непосредственного гидрирования, применяется процесс получения жидкого топлива из угля непрямым путем. Так, по способу Фишера—Тропша, вначале при продувании водяного пара через слой раскаленного угля получают водяной газ (Н₂ + СО), который затем в присутствии соответствующих катализаторов превращают в смесь углеводородов (синтин). Кроме каменного угля и торфа, в природе встречается довольно большое количество органических веществ в виде так называемых битуминозных, или горючих, сланцев. Значительные залежи сланцев имеются у нас в Поволжье (в Татарской АССР) и в Эстонской ССР. Природа этих ископаемых еще недостаточно выяснена. В образовании некоторых сланцев, несомненно, участвовали жировые вещества животных организмов и низших растений. В большинстве случаев сланцы содержат много серы. Продукты сухой перегонки сланцев используются в последнее время для разных целей; они служат источниками получения бытового газа и органических веществ (например, флотационных реагентов, некоторых гетероциклических соединений и др.). Важнейшим источником органических веществ является нефть. Нефть представляет собой смесь органических веществ, главным образом углеводородов различных классов. Так, например, парафиновыми углеводородами наиболее богаты туймазин-ская, грозненская, дрогобычская, румынская, пенсильванская (США) и некоторые виды мексиканской нефти; нафтеновые углеводороды (нафтены) в значительных количествах встречаются в бакинской, эмбенской и калифорнийской нефтях. Нефть, богатая ароматическими углеводородами, встречается весьма редко. Особенно богаты ароматическими углеводородами нефти с островов Борнео и Суматры и наши нефти — пермская и майкопская. Кроме углеводородов, в нефти имеются небольшие количества веществ, содержащих кислород, серу, азот и др. Нефть некоторых месторождений содержит значительные количества сернистых веществ (башкирская и техасская нефти) или азотистых веществ (алжирская и калифорнийская нефти). Следует отметить, что залежам нефти иногда сопутствуют залежи твердых углеводородов (горный воск, или озокерит).

Вопрос о происхождении нефти в настоящее время еще нельзя считать окончательно решенным. Тем не менее ряд фактов позволяет предположить органическое происхождение нефти. Так, нефть содержит азотистые вещества и оптически активные соединения. Кроме того, в различных нефтях найдены производные хлорофилла и гемина — соединений, играющих важнейшую

роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов. Следовательно, возможно, что нефть образовалась главным образом из растительных, а отчасти и из животных организмов в отдаленные геологические эпохи.

Значительная часть нефти используется для получения моторного топлива. Однако наряду с этим нефть приобретает все большее значение как сырье для синтеза разнообразнейших органических соединений.

Так, например, парафиновые углеводороды, получаемые при перегонке нефти, хлорируют, нитруют, сульфируют, сульфохлорируют. Образующиеся при этом соединения находят либо непосредственное применение (например, некоторые сульфокислоты, соли которых используются в качестве моющих средств), либо служат исходными веществами для получения других ценных продуктов. При каталитическом окислении парафиновых углеводородов образуются жирные кислоты, которые могут использоваться для получения мыла. Циклические углеводороды с шестичленным циклом путем каталитической дегидрогенизации превращаются в ароматические углеводороды, а последние используются для получения пластмасс, синтетического волокна, душистых и взрывчатых веществ и т. п. С помощью каталитической дегидроциклизации парафиновые углеводороды также можно превратить в ароматические. Непредельные углеводороды, образующиеся при крекинге нефти, являются очень ценным сырьем для органического синтеза. Так, из этилена получают полиэтилен, этиловый спирт, этиленгликоль, из пропилена — ацетон, глицерин и т. д. Иногда, особенно в нефтеносных местностях, из земли выделяются большие количества газообразных углеводородов, главным образом метана (например, в районе Саратова, около Темрюка на Таманском полуострове, в предгорьях Карпат). В нашей стране наибольшие количества метана используются в качестве бытового газа. Применение метана для органического синтеза — одна из труднейших задач, так как метан наиболее пассивен из всех парафиновых углеводородов. Однако эта задача в настоящее время принципиально (а в ряде случаев и практически) разрешена. Метан может быть превращен путем термического крекинга или под действием тлеющих разрядов в зысокореакционноспособный углеводород — ацетилен. Можно каталитически окислить метан до муравьиного альдегида или муравьиной кислоты; хлорированием метана могут быть полу-чены хлористый метил, хлористый метилен, хлороформ, четырех-хлористый углерод, а нитрованием — нитрометан. Метан также используется для промышленного синтеза синильной кислоты. Важный путь использования метана — конверсия его в окись углерода и водород (исходная смесь для синтеза метанола, син-тина и синтола), протекающая при действии на метан паров воды при высокой температуре в присутствии катализаторов. Наконец, большие количества метана используются для получения сажи (термическое разложение метана на углерод и водород). В Советском Союзе этим путем ежегодно получают сотни тысяч тонн сажи, предназначенной в качестве наполнителя для синтетического каучука и для других целей.