Номер 91, страница 150 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

4.91. Получите диметилсульфоксид из неорганических веществ.

Диметилсульфоксид (ДМСО) – это органическое вещество с формулой $(CH_3)_2SO$. Для его синтеза из неорганических веществ можно предложить следующую последовательность реакций, которая включает в себя получение промежуточных органических соединений. Исходными неорганическими веществами могут служить, например, углерод (в виде кокса), вода, сера, поваренная соль ($NaCl$), воздух.

Решение

Синтез можно разбить на несколько ключевых стадий.

1. Получение метана ($CH_4$)
Метан является простейшим углеводородом и может быть получен из неорганических веществ. Один из классических лабораторных способов — это взаимодействие карбида алюминия с водой. Сам карбид алюминия получают прямым синтезом из элементов при высокой температуре.

$4Al + 3C \xrightarrow{t^\circ} Al_4C_3$

$Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 3CH_4\uparrow + 4Al(OH)_3\downarrow$

Альтернативный промышленный способ — каталитическое гидрирование оксида углерода(IV) (углекислого газа). Водород для реакции получают электролизом воды.

$CO_2 + 4H_2 \xrightarrow{Ni, t^\circ, p} CH_4 + 2H_2O$

2. Получение хлорметана ($CH_3Cl$)
Хлорметан получают реакцией радикального замещения — хлорированием метана на свету. Необходимый для реакции хлор ($Cl_2$) получают электролизом водного раствора хлорида натрия.

$2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2NaOH + H_2\uparrow + Cl_2\uparrow$

$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$

Для получения преимущественно монозамещенного продукта (хлорметана) реакцию проводят при избытке метана.

3. Получение диметилсульфида ($(CH_3)_2S$)
Диметилсульфид синтезируют по реакции, аналогичной синтезу простых эфиров по Вильямсону, используя хлорметан и сульфид натрия. Сульфид натрия ($Na_2S$) можно получить, пропуская сероводород через раствор гидроксида натрия (побочный продукт из стадии 2).

Сероводород ($H_2S$) получают прямым синтезом из простых веществ — серы и водорода (также побочный продукт из стадии 2).

$H_2 + S \xrightarrow{t^\circ} H_2S$

Далее сероводород реагирует с щелочью:

$H_2S + 2NaOH \rightarrow Na_2S + 2H_2O$

И, наконец, синтез диметилсульфида:

$2CH_3Cl + Na_2S \rightarrow (CH_3)_2S + 2NaCl$

4. Получение диметилсульфоксида ($(CH_3)_2SO$)
Целевой продукт, диметилсульфоксид, получают путём контролируемого окисления диметилсульфида. Важно использовать мягкий окислитель и условия, чтобы избежать дальнейшего окисления до диметилсульфона ($(CH_3)_2SO_2$). В качестве окислителя можно использовать, например, пероксид водорода или разбавленную азотную кислоту.

При использовании пероксида водорода ($H_2O_2$):

$(CH_3)_2S + H_2O_2 \rightarrow (CH_3)_2SO + H_2O$

Пероксид водорода также может быть получен из неорганических веществ, например, реакцией пероксида бария с серной кислотой.

Альтернативно, с использованием разбавленной азотной кислоты:

$3(CH_3)_2S + 2HNO_3 \text{(разб.)} \rightarrow 3(CH_3)_2SO + 2NO\uparrow + H_2O$

Азотная кислота является стандартным неорганическим реагентом, получаемым в промышленности из аммиака, который, в свою очередь, синтезируется из азота и водорода.

Ответ:
Получить диметилсульфоксид из неорганических веществ можно, осуществив следующую цепочку превращений:
1. Получение метана из неорганических источников (например, $C \rightarrow Al_4C_3 \rightarrow CH_4$ или $CO_2 + H_2 \rightarrow CH_4$).
2. Получение хлорметана путем радикального хлорирования метана ($CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl$).
3. Синтез диметилсульфида из хлорметана и сульфида натрия ($CH_3Cl + Na_2S \rightarrow (CH_3)_2S$).
4. Контролируемое окисление диметилсульфида до диметилсульфоксида ($(CH_3)_2S \xrightarrow{[O]} (CH_3)_2SO$).