Chimica industriale/Operazioni unitarie

Ossidazione

Il termine ossidazione è generico ed in esso vengono compresi numerosi processi, da quelli non selettivi (combustione di idrocarburi mirata all'ottenimento di energia), a quelli altamente selettivi per l'ottenimento di prodotti chimici ben identificati. Nel primo caso l'ossidazione arriva alla definitiva distruzione del materiale di partenza, con formazione dei prodotti ultimi di ossidazione (CO₂, H₂O, etc.); nel secondo caso si possono individuare alcuni schemi di carattere generale:

• introduzione di O come gruppo funzionale
• rimozione ossidativa di H
• eliminazione di H con condensazione (deidrogenazione)
• introduzione di ossigeno con rottura di legami
• introduzione di ossigeno via intermedi
• ossiclorurazione
• ammonossidazione
• perossidazione
• passaggio da gruppo ammino ad aza, etc.
• passaggio da -SH a -S-, -S-S-, -SOOH, -SO₂OH

Deidrogenazione

La deidrogenazione è un particolare aspetto della ossidazione (intesa in senso lato) che si distingue dalle altre operazioni del gruppo per la scarsa selettività e per gli aspetti termodinamici; relativamente al primo punto alcune eccezioni richiedono l'uso di particolari catalizzatori e il severo controllo dei parametri di reazione. Per quanto riguarda il secondo punto, le reazioni di deidrogenazione sono fortemente endotermiche, dato che le energie di legame C-H e C-C sono elevate. Gli scopi delle reazioni di deidrogenazione, sia termiche che catalitiche possono essere duplici: produrre idrogeno, produrre prodotti chimici, oppure tutti e due.

Idrogenazione

Le seguenti reazioni sono indicative del processo di idrogenazione.

• addizione di H su doppi e tripli legami
• riduzione di gruppi carbonilici
• riduzioni di nitrili ad immine e ad ammine
• riduzione di anelli aromatici
• riduzione di CO a metanolo
• riduzione di Clemmensen
• reazione di idrogenolisi

Alogenazione

La reazione di alogenazione viene effettuata allo scopo di preparare sostanze che possono essere utilizzate come solventi, intermedi chimici o prodotti finiti. La reazione di alogenazione in funzione dell’alogeno vede al primo posto la clorurazione e la bromurazione, con netta prevalenza della prima. Gli iododerivati hanno un interesse ristretto alla chimica fine e vengono usati in piccole quantità. I fluoroderivati occupano invece una posizione a parte in quanto il fluoro ha un comportamento nettamente differente dagli altri alogeni. In effetti il fluoro consente la totale sostituzione dell'idrogeno sugli idrocarburi sia per la sua dimensione sia per la sua reattività. Il fluoro consente di costruire grandi molecole caratterizzate da notevole inerzia chimica e bassissime tensioni superficiali.

Nitrazione

• Nitrazione con formazione del legame -C-NO₂
• Nitrazione con formazione del legame -O-NO₂
• Nitrazione con formazione del legame -N-NO₂
• Nitrazione con formazione di nitro-nitrosoderivati (da cui si ottengono nitroalcooli e nitronitrati)
• Nitrazione con formazione di dinitroparaffine
• Nitrazione per sostituzione su alogenoderivati (questa reazione ha solo significato per preparazioni di laboratorio)

Solfonazione

L'introduzione di un gruppo solfonico in una molecola può rappresentare un elemento generico di attacco con possibilità di successiva reazione e può soddisfare alla necessità di ottenere dei gruppi solubilizzanti, come nel caso rappresentato dai detersivi e da molti farmaci. L'attacco del gruppo solfonico può avvenire sul carbonio, sull'ossigeno, sull'azoto; si deve quindi distinguere tra i diversi tipi di reazione:

• solfonazione
• solfatazione
• sulfamminazione
• sulfalchilazione(che rende solubili i derivati ossidrilati e gli amminati insolubili)
• sulfacilazione:
• sulfalogenazione

Ossosintesi o Idroformilazione

L'ossosintesi è utilizzata per preparare aldeidi e alcoli partendo da olefine con un atomo di carbonio in meno rispetto al prodotto finito. Il processo è stato inizialmente messo a punto nel negli anni '30 dalla Ruhrchemie e mantiene tutt'ora un fortissimo interesse data l'estrema varietà di prodotti di differente utilizzazione che si possono ottenere. I derivati dell'ossosintesi vengono utilizzati come materie prime per tensioattivi, plastificanti, lubrificanti, solventi.

Alchilazione

L'alchilazione può essere definita come l'inserimento o l'addizione di un gruppo alchilico nella molecola, inserimento che può portare delle grosse modificazioni sia nelle proprietà chimiche e fisiche, sia in altre (organolettiche, fisiologiche, etc.). Le reazioni di alchilazione sono estremamente varie, per cui è molto difficile razionalizzare l'operazione unitaria. Alcuni tipi di alchilazione sono rappresentati negli esempi seguenti:

• alchilazione al carbonio
• alchilazione all'ossigeno
• alchilazione all'azoto
• alchilazione ai metalli

Esterificazione

Gli esteri vengono impiegati nei più svariati settori della chimica applicata che vanno dalla produzione di sostanze farmacologicamente attive (l'aspirina è l'estere acetico dell'acido salicilico), ai solventi per vernici ai plastificanti, agli aromatizzanti, ai prodotti utilizzati nella produzione di resine viniliche. La preparazione di plastificanti per reazione di anidride ftalica con alcoli da C4 a C10 utilizza dal 50 al 70% dell’anidride ftalica prodotta al mondo. Gli alcoli, a loro volta, sono ottenuti per riduzione degli ossoprodotti derivati dalle olefine industriali. Il prodotto più interessante è lo ftalato di ottile, DOP, ottenuto dall'alcool 2-etilesilico, inoltre si può ricordare lo ftalato di metile (Autan). Le reazioni possono venire schematizzate come segue:

• condensazione da acidi e loro derivati
• addizione

Idratazione e Idrolisi

Le reazioni di idrolisi e di idratazione sono fortemente differenziate e possono avvenire in più modi e con diversi agenti. Una classificazione può essere fatta nel seguente modo:

• idrolisi con acqua
• idrolisi col acidi acquosi diluiti e concentrati
• idrolisi col alcoli
• fusione alcalina
• idrolisi enzimatiche

Amminazione

Le ammine, in particolar modo quelle aromatiche, sono caratterizzate da forti produzioni e consumi in svariati settori dell'industria. Si distinguono due tipi di amminazione:

• riduzione
• ammonolisi