De mest kända och använda i människoliv och industriämnen som tillhör kategorin flervärda alkoholer är etylenglykol och glycerin. Deras forskning och användning började för flera århundraden sedan, men egenskaperna hos dessa organiska föreningar är på många sätt oefterhärmliga och unika, vilket gör dem oumbärliga än i dag. Flervärda alkoholer används i många kemiska synteser, industrier och områden av mänskligt liv.
Den första "bekantskapen" med etylenglykol och glycerin: historien om att få
1859, genom en tvåstegsprocess för att reagera dibrometan med silveracetat och sedan behandla etylenglykoldiacetatet som erhölls i den första reaktionen med kaustikkali, syntetiserade Charles Wurtz först etylenglykol. En tid senare utvecklades en metod för direkt hydrolys av dibrometan, men i industriell skala i början av 1900-talet, tvåvärd alkohol 1, 2-dioxyetan, även känd som monoetylenglykol, eller helt enkelt glykol, i USAerhålls genom hydrolys av etylenklorhydrin.
Idag används, både inom industrin och i laboratoriet, en rad andra metoder, nya, mer ekonomiska ur råvaru- och energisynpunkt och miljövänliga, eftersom användningen av reagenser som innehåller eller avger klor, gifter, cancerframkallande ämnen och andra farliga ämnen för miljön och människor, minskar med utvecklingen av "grön" kemi.
Glycerin upptäcktes av farmaceuten Carl Wilhelm Scheele 1779, och Theophile Jules Pelouze studerade sammansättningen av föreningen 1836. Två decennier senare etablerades och underbyggdes strukturen av molekylen av denna trevärda alkohol i verk av Pierre Eugene Marseille Vertelot och Charles Wurtz. Slutligen, tjugo år senare, genomförde Charles Friedel den fullständiga syntesen av glycerol. För närvarande använder industrin två metoder för sin produktion: genom allylklorid från propen och även genom akrolein. De kemiska egenskaperna hos etylenglykol, som glycerin, används i stor utsträckning inom olika områden av kemisk produktion.
Strukturen och strukturen för anslutningen
Molekylen är baserad på ett omättat kolväteskelett av eten, bestående av två kolatomer, i vilket en dubbelbindning har brutits. Två hydroxylgrupper sattes till de lediga valensställena vid kolatomerna. Formeln för eten är C2H4, efter att kranbindningen brutits och hydroxylgrupper lagts till (efter flera steg) ser det ut som C2N4(OH)2. Det är vad det äretylenglykol.
Etenmolekylen har en linjär struktur, medan den tvåvärda alkoholen har en sorts transkonfiguration i placeringen av hydroxylgrupper i förhållande till kolryggraden och till varandra (denna term är fullt applicerbar på positionen t.o.m. multipelbindningen). En sådan dislokation motsvarar den mest avlägsna platsen för väten från funktionella grupper, lägre energi och därmed systemets maximala stabilitet. Enkelt uttryckt, en OH-grupp tittar upp och den andra tittar ner. Samtidigt är föreningar med två hydroxyler instabila: vid en kolatom, som bildas i reaktionsblandningen, dehydratiseras de omedelbart och omvandlas till aldehyder.
Klassificering
Etylenglykols kemiska egenskaper bestäms av dess ursprung från gruppen flervärda alkoholer, nämligen undergruppen av dioler, det vill säga föreningar med två hydroxylfragment vid angränsande kolatomer. Ett ämne som även innehåller flera OH-substituenter är glycerol. Den har tre funktionella alkoholgrupper och är den vanligaste medlemmen i sin underklass.
Många föreningar av denna klass erhålls också och används i kemisk produktion för olika synteser och andra ändamål, men användningen av etylenglykol är i en mer allvarlig skala och är involverad i nästan alla industrier. Den här frågan kommer att diskuteras mer i detalj nedan.
Fysiska egenskaper
Användningen av etylenglykol beror på närvaron av ett antalegenskaper som är inneboende i flervärda alkoholer. Dessa är utmärkande egenskaper som endast är karakteristiska för denna klass av organiska föreningar.
Den viktigaste av egenskaperna är den obegränsade möjligheten att blanda med H2O. Vatten + etylenglykol ger en lösning med en unik egenskap: dess fryspunkt, beroende på diolkoncentrationen, är 70 grader lägre än för rent destillat. Det är viktigt att notera att detta beroende är icke-linjärt, och när man når ett visst kvantitativt innehåll av glykol börjar den motsatta effekten - fryspunkten stiger med en ökning av procentandelen av det lösta ämnet. Den här funktionen har funnits vid tillverkning av olika frostskyddsmedel, frostskyddsmedel som kristalliserar vid extremt låga termiska egenskaper i miljön.
Utom i vatten går upplösningsprocessen bra i alkohol och aceton, men observeras inte i paraffiner, bensener, etrar och koltetraklorid. Till skillnad från sin alifatiska förfader - ett sådant gasformigt ämne som etylen, är etylenglykol en sirapsliknande, genomskinlig vätska med en lätt gul nyans, sötaktig i smaken, med en okarakteristisk lukt, praktiskt taget icke-flyktig. Frysning av 100 % etylenglykol sker vid -12,6 grader Celsius och kokar vid +197,8. Under normala förhållanden är densiteten 1,11 g/cm3.
Hämta metoder
Etylenglykol kan erhållas på flera sätt, varav vissa idag endast har historisk eller förberedande betydelse, medan andraanvänds aktivt av människan i industriell skala och inte bara. I kronologisk ordning, låt oss ta en titt på de viktigaste.
Den första metoden för att erhålla etylenglykol från dibrometan har redan beskrivits ovan. Formeln för eten, vars dubbelbindning är bruten och de fria valenserna upptas av halogener, det huvudsakliga utgångsmaterialet i denna reaktion, förutom kol och väte, har två bromatomer i sin sammansättning. Bildandet av en intermediär förening i det första steget av processen är möjlig just på grund av deras eliminering, d.v.s. ersättning med acetatgrupper, som vid ytterligare hydrolys förvandlas till alkoholgrupper.
I processen för vidareutveckling av vetenskapen blev det möjligt att erhålla etylenglykol genom direkt hydrolys av alla etaner substituerade med två halogener vid angränsande kolatomer, med användning av vattenh altiga lösningar av metallkarbonater från den alkaliska gruppen eller (mindre miljömässigt vänligt reagens) H2 Oh och blydioxid. Reaktionen är ganska "arbetsintensiv" och fortgår endast vid avsevärt förhöjda temperaturer och tryck, men detta hindrade inte tyskarna från att använda denna metod under världskrigen för att producera etylenglykol i industriell skala.
Metoden att erhålla etylenglykol från etylenklorhydrin genom dess hydrolys med kols alter av alkaligruppmetaller spelade också sin roll i utvecklingen av organisk kemi. Med en ökning av reaktionstemperaturen till 170 grader nådde utbytet av målprodukten 90%. Men det fanns en betydande nackdel - glykolen måste på något sätt extraheras från s altlösningen, som är direkt relaterad tillett antal svårigheter. Forskare löste detta problem genom att utveckla en metod med samma utgångsmaterial, men dela upp processen i två steg.
Etylenglykolacetathydrolys, som var det tidigare sista steget av Wurtz-metoden, blev en separat metod när man lyckades få fram startreagenset genom att oxidera etylen i ättiksyra med syre, det vill säga utan användning av dyra och helt miljövänliga halogenföreningar.
Det finns också många sätt att framställa etylenglykol genom att oxidera etylen med hydroperoxider, peroxider, organiska persyror i närvaro av katalysatorer (osmiumföreningar), kaliumklorat, etc. Det finns även elektrokemiska och strålningskemiska metoder.
Karakterisering av allmänna kemiska egenskaper
De kemiska egenskaperna hos etylenglykol bestäms av dess funktionella grupper. Reaktionerna kan involvera en hydroxylsubstituent eller båda, beroende på processbetingelserna. Huvudskillnaden i reaktivitet ligger i det faktum att på grund av närvaron av flera hydroxyler i en flervärd alkohol och deras ömsesidiga påverkan manifesteras starkare sura egenskaper än de hos envärda "bröder". Därför, i reaktioner med alkalier, är produkterna s alter (för glykol - glykolater, för glycerol - glycerater).
De kemiska egenskaperna hos etylenglykol, såväl som glycerin, inkluderar alla reaktioner av alkoholer från kategorin envärda. Glykol ger fulla och partiella estrar i reaktioner med monobasiska syror, glykolater respektive bildas med alkalimetaller, och näri en kemisk process med starka syror eller deras s alter frigörs ättiksyraaldehyd - på grund av eliminering av en väteatom från en molekyl.
Reaktioner med aktiva metaller
Reaktion av etylenglykol med aktiva metaller (efter väte i den kemiska hållfasthetsserien) vid förhöjda temperaturer ger etylenglykolat av motsvarande metall, plus att väte frigörs.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, där X är den aktiva tvåvärda metallen.
Kvalitativ reaktion på etylenglykol
Särskilj flervärd alkohol från vilken annan vätska som helst med hjälp av en visuell reaktion som endast är karakteristisk för denna klass av föreningar. För att göra detta hälls nyutfälld kopparhydroxid (2), som har en karakteristisk blå nyans, i en färglös lösning av alkohol. När de blandade komponenterna interagerar löses fällningen och lösningen övergår i en djupblå färg - som ett resultat av bildandet av kopparglykolat (2).
Polymerisation
Etylenglykols kemiska egenskaper är av stor betydelse för framställningen av lösningsmedel. Den intermolekylära uttorkningen av det nämnda ämnet, det vill säga elimineringen av vatten från var och en av de två glykolmolekylerna och deras efterföljande kombination (en hydroxylgrupp elimineras fullständigt, och endast väte avlägsnas från den andra), gör det möjligt att erhålla ett unikt organiskt lösningsmedel - dioxan, som ofta används inom organisk kemi, trots sin höga toxicitet.
Hydroxyutbytetill halogen
När etylenglykol interagerar med halogenvätesyror observeras ersättningen av hydroxylgrupper med motsvarande halogen. Substitutionsgraden beror på molkoncentrationen av vätehalogenid i reaktionsblandningen:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, där X är klor eller brom.
Hämta Ether
I reaktionerna av etylenglykol med salpetersyra (av en viss koncentration) och monobasiska organiska syror (myrsyra, ättiksyra, propionsyra, smörsyra, valeriansyra, etc.), bildas komplexa och följaktligen enkla monoestrar. I andra fall är koncentrationen av salpetersyra glykoldi- och trinitroestrar. Svavelsyra med en given koncentration används som katalysator.
De viktigaste derivaten av etylenglykol
Värdefulla ämnen som kan erhållas från flervärda alkoholer med enkla kemiska reaktioner (beskrivna ovan) är etylenglykoletrar. Nämligen: monometyl och monoetyl, vars formler är HO-CH2-CH2-O-CH3 och HO-CH2-CH2-O-C2N5 respektive. När det gäller kemiska egenskaper liknar de på många sätt glykoler, men som alla andra klasser av föreningar har de unika reaktiva egenskaper som är unika för dem:
- Monometyletylenglykol är en färglös vätska, men med en karakteristisk äcklig lukt, kokande vid 124,6 grader Celsius, mycket löslig i etanol, andraorganiska lösningsmedel och vatten, mycket flyktigare än glykol och med en densitet lägre än vatten (i storleksordningen 0,965 g/cm3).
- Dimetyletylenglykol är också en vätska, men med en mindre karakteristisk lukt, en densitet på 0,935 g/cm3, en kokpunkt på 134 grader över noll och en löslighet jämförbar till föregående homolog.
Användningen av cellosolves - som etylenglykolmonoetrar allmänt kallas - är ganska vanligt. De används som reagens och lösningsmedel i organisk syntes. Deras fysikaliska egenskaper används också för anti-korrosions- och antikristallisationstillsatser i frostskyddsmedel och motoroljor.
Användningsområden och prissättning av produktsortimentet
Kostnaden vid fabriker och företag som är involverade i produktion och försäljning av sådana reagens varierar i genomsnitt omkring 100 rubel per kilogram av en sådan kemisk förening som etylenglykol. Priset beror på ämnets renhet och den maximala andelen av målprodukten.
Användningen av etylenglykol är inte begränsad till ett område. Så som råmaterial används det i produktionen av organiska lösningsmedel, konstgjorda hartser och fibrer, vätskor som fryser vid låga temperaturer. Det är involverat i många industrier som fordon, flyg, läkemedel, el, läder, tobak. Dess betydelse för organisk syntes är onekligen vägande.
Det är viktigt att komma ihåg att glykol ärgiftig förening som kan orsaka irreparabel skada på människors hälsa. Därför lagras den i förseglade kärl av aluminium eller stål med ett obligatoriskt inre lager som skyddar behållaren från korrosion, endast i vertikala lägen och i rum som inte är utrustade med värmesystem, men med god ventilation. Löptid – högst fem år.
