Как из бутана (C4H10) получить бутандиовую (янтарную) кислоту? "Приведите схему синтеза янтарной кислоты...

Получение бутандиовой кислоты (янтарной кислоты, HOOC-CH2-CH2-COOH) из бутана (C4H10) — это многоступенчатый процесс, включающий окисление углеводорода с последующей функционализацией. Прямое превращение алкана в карбоновую кислоту невозможно, поэтому используется последовательность химических реакций. Далее приведена подробная схема синтеза:

1. Каталитическое окисление бутана до бутановой кислоты (C4H8O2)

Первый этап — это частичное окисление бутана. Бутан подвергается каталитическому окислению кислородом воздуха в присутствии катализаторов (например, оксидов ванадия или молибдена) при высокой температуре (около 150–200 °C) и давлении. Продуктом реакции является бутановая кислота (C4H8O2) или бутаналь (C4H8O).

Реакция (упрощённо): [ C4H10 + O2 \xrightarrow{t, катализатор} C4H8O2 + H2O ]

2. Окисление бутановой кислоты до малеинового ангидрида (C4H2O3)

Бутановая кислота далее подвергается более глубокому окислению. При этом молекула углеводорода разрушается до малеинового ангидрида. Процесс проводится в газовой фазе при высоких температурах (около 400 °C) в присутствии катализаторов, таких как оксиды ванадия (V2O5) или молибдена.

Реакция: [ C4H8O2 + O2 \xrightarrow{V2O5, t} C4H2O3 + 2H2O ]

3. Гидролиз малеинового ангидрида до малеиновой кислоты

Маленовый ангидрид гидролизуют водой, чтобы получить малеиновую кислоту (C4H4O4). Это происходит при нагревании в водной среде.

Реакция: [ C4H2O3 + H2O \rightarrow C4H4O4 ]

4. Каталитическое гидрирование малеиновой кислоты до янтарной кислоты

На последнем этапе малеиновая кислота восстанавливается (гидрируется) до бутандиовой кислоты (янтарной кислоты). Процесс проводится с использованием водорода (H2) в присутствии катализатора, например, палладия (Pd) или никеля (Ni), при повышенном давлении.

Реакция: [ C4H4O4 + H2 \xrightarrow{Pd, H2} C4H6O4 ]

Общая схема синтеза:

1. ( C4H10 + O2 \xrightarrow{кат., t} C4H8O2 ) (бутановая кислота или бутаналь);
2. ( C4H8O2 + O2 \xrightarrow{V2O5, t} C4H2O3 ) (малеиновый ангидрид);
3. ( C4H2O3 + H2O \rightarrow C4H4O4 ) (малеиновая кислота);
4. ( C4H4O4 + H2 \xrightarrow{Pd} C4H6O4 ) (бутандиовая кислота).

Таким образом, получение бутандиовой кислоты из бутана требует предварительного окисления углеводорода до промежуточных соединений (бутановой кислоты и малеинового ангидрида) с последующим гидролизом и восстановлением. Этот процесс применяется в промышленности для получения янтарной кислоты.

Синтез бутандиовой кислоты (янтарной кислоты) из бутана можно осуществить через несколько химических реакций. Вот один из возможных путей:

1. Оксидирование бутана

Первый шаг — это оксидирование бутана до бутаналя (бутальдегида). Это можно сделать с помощью кислородсодержащих реагентов, например, с применением кислорода в присутствии катализатора (обычно это платина или серебро) при высоких температурах.

Реакция: [ \text{C}4\text{H}{10} + \text{O}_2 \rightarrow \text{C}_4\text{H}_8\text{O} + \text{H}_2\text{O} ]

2. Оксидирование бутаналя

Следующий шаг - это оксидирование бутаналя до бутандиола (бутандиол-1,4). Это можно сделать с помощью различных окислителей, таких как перманганат калия (KMnO₄) или хромовая кислота (H₂CrO₄).

Реакция: [ \text{C}_4\text{H}_8\text{O} + \text{[O]} \rightarrow \text{C}4\text{H}{10}\text{O}_2 ]

3. Дегидратация бутандиола

На следующем этапе бутандиол можно подвергнуть дегидратации (удалению воды) с образованием бутеновой кислоты. Это можно сделать через нагревание с кислотами или с помощью сильных дегидратирующих агентов.

Реакция: [ \text{C}4\text{H}{10}\text{O}_2 \rightarrow \text{C}_4\text{H}_6\text{O}_2 + \text{H}_2\text{O} ]

4. Гидролиз бутеновой кислоты

В конечном итоге бутеновая кислота может быть подвергнута гидролизу, чтобы получить бутандиовую кислоту. Это можно сделать с помощью водного раствора кислоты или основания.

Реакция: [ \text{C}_4\text{H}_6\text{O}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_4\text{H}_6\text{O}_4 ]

Итоговая реакция:

В результате последовательных реакций мы получаем бутандиовую кислоту (C₄H₆O₄).

Общая схема:

1. Бутан (C₄H₁₀) + O₂ → Бутаналь (C₄H₈O)
2. Бутаналь (C₄H₈O) + [O] → Бутандиол (C₄H₁₀O₂)
3. Бутандиол (C₄H₁₀O₂) → Бутеновая кислота (C₄H₆O₂) + H₂O
4. Бутеновая кислота (C₄H₆O₂) + H₂O → Бутандиовая кислота (C₄H₆O₄)

Эта последовательность реакций является одним из возможных путей синтеза янтарной кислоты из бутана.