Все химические реакции, какими бы сложными они ни были, в конечном счете сводятся к простым манипуляциям с электронами: электрон отнимается от чего-то, к чему-то прибавляется или поступает в общее пользование атомов. В обыкновенной, так сказать, традиционной химии необходимые перемещения электронов осуществляются с помощью различных вспомогательных веществ: окислителей или восстановителей. В электрохимии электроны поставляются и уводятся из зоны реакции по электрическим проводам. Здесь электрическая энергия выступает в роли реагента. Идея эта гениально проста и не нова. Использование электролиза для синтеза органических соединений известно более 150 лет. Однако усиленное изучение этой области началось лишь в конце позапрошлого века, после создания надежных источников электрического тока. Электрохимия, вернее её преимущества были так значительны, что уже в первой четверти прошлого столетия появились первые промышленные установки для электрохимического синтеза органических веществ.
Но традиционная химия в это время добилась больших успехов в области использования химических ускорителей процессов органического синтеза — катализаторов. К тому же электроэнергия в то время была все еще слишком дорогой и дефицитной. Это и привело к ослаблению внимания к электрохимии органических веществ.
Но обстановка давно изменилась. Электроэнергия стала дешевле и доступней, и электрохимики научились с ней обращаться экономней.
Электрохимия: преимущества
Подсчеты показали, что электроэнергия как реагент во многих случаях обходится намного дешевле традиционных посредников химических реакций. Например, если заменить калий и натрий на ток-реагент затраты снижаются примерно в девяносто раз. Если заменить цинк, то получим девятнадцатикратную экономию, магний — тринадцатикратную и так далее.
В одно время резко возросли требования к чистоте не только конечных, но и промежуточных продуктов. Особенно важна чистота в производстве полимеров. Часто примеси более одной тысячи процентов способны свести на нет физико-химические и механические качества пластмасс. Такую чистоту получить традиционными методами или практически невозможно, или очень дорого.
Дело в том, что окислители и восстановители, эти неизбежные в традиционной химии посредники, часто чрезвычайно трудно отделяются от продуктов реакции. Они и загрязняют продукт. В электрохимических процессах нужные электроны получаются в чистом виде, и это дает возможность получать высококачественные продукты сравнительно легко.
Здесь следует особо остановиться на вопросах управления электрохимическими реакциями.
Управление электрохимическими реакциями
Электрохимические реакций вообще сравнительно просто направлять по нужному руслу. С одной стороны, в них часто участвует меньше реагентов, а с другой — избирательность реакции можно регулировать плавно. Для этого изменяют напряжение на электродах на любую нужную величину. Можно направить реакцию на получение одного продукта или сразу двух: одного — на катоде, а другого — на аноде.
Продукция, получаемая путем электрохимических реакций
Электрохимические методы дают широкие возможности для налаживания непрерывных процессов с высоким уровнем автоматизации, управления и контроля.
Например, одна из основных добавок к моторным топливам — тетраэтилсвинец, — повышающая их качество и октановое число, долгие годы производилась путем обработки хлористого этила свинцово-натриевым сплавом. Главное неудобство состояло в том, что периодичность процесса мешала его автоматизировать.
Электрохимически это решается совсем иначе. Существует несколько вариантов получения тетраэтилсвинца путем растворения на аноде металлического свинца в растворе или расплаве определенного состава. В таком решении процесс может быть полностью автоматизирован.
Произошел пересмотр сырьевой базы органической химии!
Изъятие пищевых продуктов из сферы переработки их в технические, переход на сырье в виде продуктов переработки нефти, природных газов и сланцев в большой мере способствовал пробуждению повышенного интереса к электрохимическому синтезу. Очень часто электрохимические методы оказывались в этих условиях эффективней традиционных, а иногда и единственно возможными.
Характерным примером, иллюстрирующим эффективность электрохимических методов при переходе на новые виды сырья, является синтез себациновой кислоты. Она относится к числу ценных продуктов в производстве полиамидных смол, высококачественных смазочных масел, пластификаторов, душистых веществ.
Химический метод получения такого сырья — касторового масла, производимого из семян клещевины. На тонну конечного продукта требуется 2—2,5 тонны касторового масла. Кроме того, полученная таким образом себациновая кислота недостаточно чиста.
Синтетическая себациновая кислота в два раза дешевле получаемой из касторового масла и намного чище.
Перспективны оказались процессы электрохимического синтеза на основе углеводородов, в том числе природных. Например, электрохимическое фторирование и хлорирование углеводородов позволяет экономично получать высококачественные гидравлические жидкости, фреон, растворители, смазочные масла, а также мономеры для производства пластмасс.
А как зарекомендовала себя электрохимия при производстве небольших количеств продуктов?
Методами электрохимии производятся витамины, фармацевтические препараты, гормоны, чистые химические реактивы, душистые вещества.
Экономическая эффективность электрохимических методов при малотоннажном производстве может быть продемонстрирована на примере получения салицилового альдегида. Замена традиционного метода электрохимическим дает сильное сокращение стадий производства — вместо семнадцати остается только три.
Иногда электрохимические методы специально используются для утилизации вредных отходов химических производств. Так, например, решается проблема утилизации попутной соляной кислоты. Процесс утилизации соляной кислоты электрохимическим методом можно совместить с электрохимическим синтезом новых нужных органических веществ.
Несмотря на всю привлекательность электрохимии, будет, однако, неверно утверждать, что со временем все процессы станут электрохимическими. Нет оснований добиваться глобального распространения электрохимии, равно как нет оснований и недооценивать ее возможности. Органическая электрохимия уже сейчас располагает значительными возможностями, но еще большее от нее может быть получено в будущем.
