De mest kjente og brukte i menneskers liv og industri stoffer som tilhører kategorien polyhydriske alkoholer er etylenglykol og glyserin. Forskningen og bruken deres begynte for flere århundrer siden, men egenskapene til disse organiske forbindelsene er på mange måter uforlignelige og unike, noe som gjør dem uunnværlige den dag i dag. Flerverdige alkoholer brukes i mange kjemiske synteser, industrier og områder av menneskelivet.
Det første "bekjentskapet" med etylenglykol og glyserin: historien om å oppnå
I 1859, gjennom en to-trinns prosess med å reagere dibrometan med sølvacetat og deretter behandle etylenglykoldiacetatet oppnådd i den første reaksjonen med kaustisk kaliumklorid, syntetiserte Charles Wurtz først etylenglykol. En tid senere ble det utviklet en metode for direkte hydrolyse av dibrometan, men i industriell skala på begynnelsen av det tjuende århundre, dihydrisk alkohol 1, 2-dioksyetan, også kjent som monoetylenglykol, eller ganske enkelt glykol, i USAoppnådd ved hydrolyse av etylenklorhydrin.
I dag, både i industrien og i laboratoriet, brukes en rekke andre metoder, nye, mer økonomiske fra et råvare- og energisynspunkt, og miljøvennlige, siden bruk av reagenser som inneholder eller avgir klor, giftstoffer, kreftfremkallende stoffer og andre farlige stoffer for miljø og mennesker, avtar med utviklingen av «grønn» kjemi.
Glyserin ble oppdaget av farmasøyt Carl Wilhelm Scheele i 1779, og Theophile Jules Pelouze studerte sammensetningen av forbindelsen i 1836. To tiår senere ble strukturen til molekylet til denne treverdige alkoholen etablert og underbygget i verkene til Pierre Eugene Marseille Vertelot og Charles Wurtz. Til slutt, tjue år senere, utførte Charles Friedel den fullstendige syntesen av glyserol. For tiden bruker industrien to metoder for sin produksjon: gjennom allylklorid fra propylen, og også gjennom akrolein. De kjemiske egenskapene til etylenglykol, som glyserin, er mye brukt i ulike felt av kjemisk produksjon.
Strukturen og strukturen til forbindelsen
Molekylet er basert på et umettet hydrokarbonskjelett av etylen, bestående av to karbonatomer, der en dobbeltbinding er brutt. To hydroksylgrupper ble tilsatt til de frigjorte valensstedene ved karbonatomene. Formelen for etylen er C2H4, etter å ha brutt kranbindingen og lagt til hydroksylgrupper (etter flere stadier) ser det ut som C2N4(OH)2. Det er det det eretylenglykol.
Etylenmolekylet har en lineær struktur, mens den toverdige alkoholen har en slags transkonfigurasjon i plasseringen av hydroksylgrupper i forhold til karbonryggraden og til hverandre (dette begrepet er fullt anvendelig på posisjonen ift. multippelbindingen). En slik dislokasjon tilsvarer den fjerneste plasseringen av hydrogener fra funksjonelle grupper, lavere energi, og dermed den maksimale stabiliteten til systemet. Enkelt sagt, en OH-gruppe ser opp og den andre ser ned. Samtidig er forbindelser med to hydroksylgrupper ustabile: ved ett karbonatom, som dannes i reaksjonsblandingen, blir de umiddelbart dehydrert og blir til aldehyder.
klassifisering
De kjemiske egenskapene til etylenglykol bestemmes av dens opprinnelse fra gruppen av flerverdige alkoholer, nemlig undergruppen av dioler, det vil si forbindelser med to hydroksylfragmenter ved nabokarbonatomer. Et stoff som også inneholder flere OH-substituenter er glyserol. Den har tre funksjonelle alkoholgrupper og er det vanligste medlemmet i underklassen.
Mange forbindelser av denne klassen er også oppnådd og brukt i kjemisk produksjon for ulike syntese og andre formål, men bruken av etylenglykol er i en mer seriøs skala og er involvert i nesten alle industrier. Dette problemet vil bli diskutert mer detaljert nedenfor.
Fysiske egenskaper
Bruken av etylenglykol skyldes tilstedeværelsen av en rekkeegenskaper som er iboende i flerverdige alkoholer. Dette er karakteristiske trekk som bare er karakteristiske for denne klassen av organiske forbindelser.
Den viktigste av egenskapene er den ubegrensede muligheten til å blande med H2O. Vann + etylenglykol gir en løsning med en unik egenskap: frysepunktet, avhengig av diolkonsentrasjonen, er 70 grader lavere enn for rent destillat. Det er viktig å merke seg at denne avhengigheten er ikke-lineær, og når man når et visst kvantitativt innhold av glykol, begynner den motsatte effekten - frysepunktet stiger med en økning i prosentandelen av det oppløste stoffet. Denne funksjonen har funnet anvendelse i produksjon av forskjellige frostvæsker, frostvæsker som krystalliserer ved ekstremt lave termiske egenskaper i miljøet.
Unntatt i vann går oppløsningsprosessen godt i alkohol og aceton, men observeres ikke i parafiner, benzener, etere og karbontetraklorid. I motsetning til sin alifatiske stamfar - et slikt gassformet stoff som etylen, er etylenglykol en siruplignende, gjennomsiktig væske med en svak gul fargetone, søtlig i smak, med en ukarakteristisk lukt, praktisk t alt ikke-flyktig. Nedfrysing av 100 % etylenglykol skjer ved -12,6 grader Celsius, og koker ved +197,8. Under normale forhold er tettheten 1,11 g/cm3.
Få metoder
Etylenglykol kan fås på flere måter, hvorav noen i dag kun har historisk eller preparativ betydning, mens andreaktivt brukt av mennesker i industriell skala og ikke bare. I kronologisk rekkefølge, la oss ta en titt på de viktigste.
Den første metoden for å oppnå etylenglykol fra dibrometan er allerede beskrevet ovenfor. Formelen for etylen, hvis dobbeltbinding er brutt, og de frie valensene er okkupert av halogener, hovedutgangsmaterialet i denne reaksjonen, i tillegg til karbon og hydrogen, har to bromatomer i sammensetningen. Dannelsen av en mellomforbindelse i det første trinnet av prosessen er mulig nettopp på grunn av deres eliminering, dvs. erstatning med acetatgrupper, som ved ytterligere hydrolyse blir til alkoholgrupper.
I prosessen med videreutvikling av vitenskapen ble det mulig å oppnå etylenglykol ved direkte hydrolyse av etaner substituert med to halogener ved nabokarbonatomer, ved bruk av vandige løsninger av metallkarbonater fra den alkaliske gruppen eller (mindre miljømessig vennlig reagens) H2 Oh og blydioksid. Reaksjonen er ganske "arbeidsintensiv" og foregår kun ved betydelig forhøyede temperaturer og trykk, men dette hindret ikke tyskerne fra å bruke denne metoden under verdenskrigene for å produsere etylenglykol i industriell skala.
Metoden for å oppnå etylenglykol fra etylenklorhydrin ved hydrolyse med karbons alter av alkaligruppemetaller spilte også sin rolle i utviklingen av organisk kjemi. Med en økning i reaksjonstemperaturen til 170 grader, nådde utbyttet av målproduktet 90%. Men det var en betydelig ulempe - glykolen måtte på en eller annen måte ekstraheres fra s altløsningen, som er direkte relatert tilen rekke vanskeligheter. Forskere løste dette problemet ved å utvikle en metode med samme utgangsmateriale, men dele prosessen i to stadier.
Etylenglykolacetathydrolyse, som var det tidligere siste trinnet i Wurtz-metoden, ble en egen metode da de klarte å skaffe startreagenset ved å oksidere etylen i eddiksyre med oksygen, det vil si uten bruk av dyre og helt umiljømessige halogenforbindelser.
Det er også mange måter å produsere etylenglykol ved å oksidere etylen med hydroperoksider, peroksider, organiske persyrer i nærvær av katalysatorer (osmiumforbindelser), kaliumklorat osv. Det finnes også elektrokjemiske og strålingskjemiske metoder.
Karakterisering av generelle kjemiske egenskaper
De kjemiske egenskapene til etylenglykol bestemmes av dens funksjonelle grupper. Reaksjonene kan involvere én hydroksylsubstituent eller begge, avhengig av prosessbetingelsene. Hovedforskjellen i reaktivitet ligger i det faktum at på grunn av tilstedeværelsen av flere hydroksylsyrer i en flerverdig alkohol og deres gjensidige påvirkning, manifesteres sterkere sure egenskaper enn monohydriske "brødre". Derfor, i reaksjoner med alkalier, er produktene s alter (for glykol - glykolater, for glyserol - glycerater).
De kjemiske egenskapene til etylenglykol, så vel som glyserin, inkluderer alle reaksjoner av alkoholer fra kategorien enverdig. Glykol gir fulle og partielle estere i reaksjoner med monobasiske syrer, henholdsvis glykolater dannes med alkalimetaller, og nåri en kjemisk prosess med sterke syrer eller deres s alter frigjøres eddiksyrealdehyd - på grunn av eliminering av et hydrogenatom fra et molekyl.
Reaksjoner med aktive metaller
Reaksjon av etylenglykol med aktive metaller (etter hydrogen i den kjemiske styrkeserien) ved forhøyede temperaturer gir etylenglykolat av tilsvarende metall, pluss at hydrogen frigjøres.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, der X er det aktive toverdige metallet.
Kvalitativ reaksjon på etylenglykol
Skill polyhydrisk alkohol fra enhver annen væske ved å bruke en visuell reaksjon som bare er karakteristisk for denne klassen av forbindelser. For å gjøre dette, helles nyutfelt kobberhydroksid (2), som har en karakteristisk blå fargetone, i en fargeløs løsning av alkohol. Når de blandede komponentene interagerer, løses bunnfallet og løsningen blir til en dyp blå farge - som følge av dannelsen av kobberglykolat (2).
Polymerization
De kjemiske egenskapene til etylenglykol er av stor betydning for produksjon av løsemidler. Den intermolekylære dehydreringen av det nevnte stoffet, det vil si eliminering av vann fra hvert av de to glykolmolekylene og deres påfølgende kombinasjon (en hydroksylgruppe er fullstendig eliminert, og bare hydrogen fjernes fra den andre), gjør det mulig å oppnå et unikt organisk løsningsmiddel - dioksan, som ofte brukes i organisk kjemi, til tross for dets høye toksisitet.
Hydroxy exchangetil halogen
Når etylenglykol interagerer med hydrohalogensyrer, observeres erstatning av hydroksylgrupper med tilsvarende halogen. Substitusjonsgraden avhenger av den molare konsentrasjonen av hydrogenhalogenid i reaksjonsblandingen:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, der X er klor eller brom.
Få Ether
I reaksjonene mellom etylenglykol med salpetersyre (av en viss konsentrasjon) og monobasiske organiske syrer (maursyre, eddiksyre, propionsyre, smørsyre, valeriansyre, etc.), dannes komplekse og følgelig enkle monoestere. Ved andre er konsentrasjonen av salpetersyre glykoldi- og trinitroestere. Svovelsyre av en gitt konsentrasjon brukes som katalysator.
De viktigste derivatene av etylenglykol
Verdifulle stoffer som kan oppnås fra flerverdige alkoholer ved hjelp av enkle kjemiske reaksjoner (beskrevet ovenfor) er etylenglykoletere. Nemlig: monometyl og monoetyl, hvis formler er HO-CH2-CH2-O-CH3 og HO-CH2-CH2-O-C2N5 henholdsvis. Når det gjelder kjemiske egenskaper, ligner de på mange måter på glykoler, men som enhver annen klasse av forbindelser har de unike reaktive egenskaper som er unike for dem:
- Monometyletylenglykol er en fargeløs væske, men med en karakteristisk ekkel lukt, kokende ved 124,6 grader Celsius, svært løselig i etanol, annetorganiske løsemidler og vann, mye mer flyktig enn glykol, og med en tetthet lavere enn vann (i størrelsesorden 0,965 g/cm3).
- Dimetyletylenglykol er også en væske, men med en mindre karakteristisk lukt, en tetthet på 0,935 g/cm3, et kokepunkt på 134 grader over null og en sammenlignbar løselighet til forrige homolog.
Bruk av cellosolves - som etylenglykolmonoetere vanligvis kalles - er ganske vanlig. De brukes som reagenser og løsemidler i organisk syntese. Deres fysiske egenskaper brukes også til anti-korrosjon og anti-krystalliseringsadditiver i frostvæske og motoroljer.
Anvendelsesområder og prissetting av produktutvalget
Kostnadene ved fabrikker og foretak som er involvert i produksjon og salg av slike reagenser svinger i gjennomsnitt rundt 100 rubler per kilo av en slik kjemisk forbindelse som etylenglykol. Prisen avhenger av renheten til stoffet og den maksimale prosentandelen av målproduktet.
Bruken av etylenglykol er ikke begrenset til ett område. Så, som et råmateriale, brukes det til produksjon av organiske løsemidler, kunstige harpikser og fibre, væsker som fryser ved lave temperaturer. Det er involvert i mange bransjer som bilindustri, luftfart, farmasøytisk, elektrisk, lær, tobakk. Dens betydning for organisk syntese er unektelig tungtveiende.
Det er viktig å huske at glykol ergiftig forbindelse som kan forårsake uopprettelig skade på menneskers helse. Derfor lagres den i forseglede kar laget av aluminium eller stål med et obligatorisk indre lag som beskytter beholderen mot korrosjon, kun i vertikale posisjoner og i rom som ikke er utstyrt med varmesystemer, men med god ventilasjon. Varighet – ikke mer enn fem år.
