В Государственном научно-исследовательском и проектном институте азотной промышленности и продуктов органического синтеза, сокращенно — ГИАП, разработан новый промышленный метод получения одного из синтетических материалов, равно необходимого и тяжелой индустрии, и .каждому из нас непосредственно.
— Вот знаменитый капролактам,— доктор химических наук Эммануил Александрович Фурман высыпает на стол белые кристаллики, напоминающие каменную соль, но более тусклые и, казалось, жирные на ощупь.
Из капролактама получают полимерные молекулы всем известного капрона. В принципе капролактам можно получить шестью различными способами.
До последних лет самым простым и надежным считался способ производства капролактама из фенола. Фенол десятками тысяч тонн поставляли химикам нефтеперерабатывающие и коксохимические заводы. И пока потребность в капролактаме измерялась тоже десятками тысяч тонн, все было в порядке.
Но вот капрона потребовалось в несколько раз больше, и тут обнаружилось, что во всем мире не хватит фенола, чтобы насытить им капролактамовые заводы. Сырьевая база ставила предел производству одного из самых необходимых синтетических материалов. Опасность угрожала развитию одной из самых мощных отраслей современной синтетической химии.
Впрочем, сигнал о явном дефекте способа получения капролактама из фенола прозвучал еще до того, как фенол был занесен в списки дефицитного сырья. Дело в том, что мировой рынок оказался забит ацетоном (в быту его часто применяют как растворитель). Десятки тысяч тонн ацетона не находили сбыта. Однако перепроизводство этого химического продукта не было результатом просчета владельцев заводов или наших плановых работников. Просто ацетон — побочный продукт капролактамового производства на основе фенола.
— Вот почему,— продолжает объяснения Э. А. Фурман,— и в нашем институте, и за рубежом стали искать новые способы получения капролактама. Более экономичные, лучше обеспеченные сырьем.
Те же коксохимические и нефтеперегонные заводы, которые дают сейчас ограниченные количества фенола, могут дать сколько угодно бензола. А с бензола начинается разработанный нашим коллективом цикл химических превращений, в конце которого находится капролактам.
Но… Значительная часть работы химиков относится к опытным, эмпирическим исследованиям, о чрезвычайной трудности которых хорошо сказал недавно академик П. Л. Капица:
«Мы .знаем приблизительно 102 металлов — ограничимся ими. Описание свойств металле — его прочное ти, жаропрочности, упругости и т. д. — занимает одну страницу. Всего получается 100 страниц. Бинарные сплавы — это уже два тома в 10000 страниц, то есть 1002 Сплавы тройных систем — уже миллион страниц. Описать эти материалы, исследовать их невозможно — эмпиризм уже бессилен. Но на практике используются сплавы из четырех компонентов…».
Химики подбирают на практике технологические ре жимы сложных реакций, зависящие и от четырех, и от большего числа факторов.
Прежде всего молекулы бензолв надо гидрировать — насытить водородом. В результате исчезают двойные связи «бензольного кольца». Вот так:
Следующий этап — окисление циклогексане кислородом воздуха, которое происходит в огромных реакторах в присутствии катализатора, при температуре 140° С и давлении 18 атмосфер.
Схема реакции и на этот раз проста {см. рисунок).
Оговоримся, по такой простой схеме эта реакция протекает в пробирках и колбах. В заводских же условиях, где окислению подвергаются сразу тонны циклогексана, все обстоит гораздо сложнее. Сложность следствие не только масштабов, но и многообразия происходящих здесь процессов.
… Через слой циклогексане продувается воздух. Это один «проход» кислорода, за один «вдох» реактора успевает окислиться только 10—11% Циклогексана. И перед технологами завода, а еще раньше перед проектировщиками и учеными встает задача отделения продуктов окисления от исходного вещества. Это первая трудность и первое объяснение тому, что цех опутан трубами. Но это только начало. …Несметные количества окисляемых молекул циклогексана немыслимо поставить в одинаковые условия. В реакционной смеси, кро ме циклогексана и циклогексанона, оказывается и циклогексанол, который опять-таки необходимо выделить и очистить. Для этого потребовалось подобрать (эмпирически!) реактивы, температуру и давление, при которых процесс идет наиболее эффективно.
Кроме того, за один раз, за один «прогон» воздуха сквозь слой загруженного в реактор циклогексана успевает окислиться лишь десятая часть его молекул; поэтому процесс окисления и очистки продуктов приходится повторять еще и еще раз, пока по меньшей мере 80 процентов циклогексана не превратится в «целевые продукты». А среди них, кроме циклогексанона, который в конце концов превращается в капролактам, есть еще адипиновая кислота, из которой изготовляют другой важный полимер — нейлон.
Это — очень интересная особенность нового процесса. На одном и том же заводе, из одного и того же сырья можно получать полуфабрикаты для изготовления и капрона и нейлона.
Некоторое количество адипиновой кислоты образуется непосредственно в процессе окисления циклогексана. Но если бы только адипиновой! Кроме нее появляются и другие органические киспоты, и сложные эфиры, и смолистые вещества, засоряющие «целевые» продукты. Значит, реакционную смесь нужно разделить на много составных частей.
…Ей дают отстояться (сколько на это требуется времени, теория предсказать не могла — нужны были опыты!). При отстаивании смесь разделяется на водный и органический слои. Органический слой обрабатывают раствором щелочи (наименьшая действенная концентрация щёлочи была установлена эмпирически!).
…Следующий этап — очистка циклогексанона в ректификаторах (размер колонн, степень разрежения воздуха, скорость жидкости и другие условия подбирались почти .на ощупь!). И так далее, и так далее…
Очистив в специальных установках циклогексанон, его передают в следующий реактор, где в молекулу полупродукта вводится атом азота, точнее — радикал NОН:
И последнее превращение на пути к капролактаму. К молекуле оксима ничего не добавляется. От нее ничего не отнимается. Происходит (в присутствии катализатора, которым в данном случае служит серная кислота) лишь перегруппировка атомов:
С. ВЛАДИМИРОВ