Най-известните и използвани в човешкия живот и индустрията вещества, принадлежащи към категорията на многовалентните алкохоли, са етилен гликол и глицерин. Техните изследвания и използване започват преди няколко века, но свойствата на тези органични съединения в много отношения са неподражаеми и уникални, което ги прави незаменими и до днес. Многовалентните алкохоли се използват в много химически синтез, индустрии и области на човешкия живот.
Първото "запознаване" с етиленгликол и глицерин: историята на получаването
През 1859 г., чрез двуетапен процес на взаимодействие на дибромоетан със сребърен ацетат и след това третиране на етиленгликоловия диацетат, получен при първата реакция с каустик поташ, Чарлз Вурц за първи път синтезира етиленгликол. Известно време по-късно е разработен метод за директна хидролиза на дибромоетан, но в индустриален мащаб в началото на ХХ век, двувалентен алкохол 1,2-диоксиетан, известен също като моноетилен гликол, или просто гликол, в САЩполучен чрез хидролиза на етилен хлорхидрин.
Днес, както в промишлеността, така и в лабораторията, се използват редица други методи, нови, по-икономични от гледна точка на суровините и енергията и екологични, тъй като се използват реагенти, съдържащи или освобождаващи хлор, токсини, канцерогени и други опасни за околната среда и хората вещества, намалява с развитието на "зелената" химия.
Глицеринът е открит от фармацевта Карл Вилхелм Шееле през 1779 г., а Теофил Жул Пелуз изучава състава на съединението през 1836 г. Две десетилетия по-късно структурата на молекулата на този тривалентен алкохол е установена и обоснована в трудовете на Пиер Йожен Марсилия Вертело и Чарлз Вурц. Накрая, двадесет години по-късно, Чарлз Фридел извършва пълния синтез на глицерол. В момента индустрията използва два метода за неговото производство: чрез алилхлорид от пропилен, а също и чрез акролеин. Химичните свойства на етилен гликол, подобно на глицерина, се използват широко в различни области на химическото производство.
Структурата и структурата на връзката
Молекулата се основава на ненаситен въглеводороден скелет от етилен, състоящ се от два въглеродни атома, в който е прекъсната двойна връзка. Две хидроксилни групи бяха добавени към освободените валентни места при въглеродните атоми. Формулата на етилена е C2H4, след прекъсване на връзката на крана и добавяне на хидроксилни групи (след няколко етапа) изглежда като C2N4(OH)2. Ето какво еетилен гликол.
Етиленовата молекула има линейна структура, докато двувалентният алкохол има вид транс конфигурация при поставянето на хидроксилни групи по отношение на въглеродния гръбнак и една спрямо друга (този термин е напълно приложим за позицията спрямо множествената връзка). Такава дислокация съответства на най-отдалеченото местоположение на водородите от функционални групи, по-ниска енергия, а оттам и максимална стабилност на системата. Просто казано, едната OH група гледа нагоре, а другата гледа надолу. В същото време съединенията с два хидроксилни групи са нестабилни: при един въглероден атом, образуван в реакционната смес, те незабавно се дехидратират, превръщайки се в алдехиди.
Класификация
Химичните свойства на етиленгликола се определят от произхода му от групата на многовалентните алкохоли, а именно подгрупата на диолите, тоест съединения с два хидроксилни фрагмента при съседни въглеродни атоми. Вещество, което също съдържа няколко ОН заместителя, е глицеролът. Той има три алкохолни функционални групи и е най-често срещаният член на своя подклас.
Много съединения от този клас също се получават и използват в химическото производство за различни синтези и други цели, но използването на етилен гликол е в по-сериозен мащаб и е включено в почти всички индустрии. Този въпрос ще бъде обсъден по-подробно по-долу.
Физически характеристики
Използването на етилен гликол се дължи на наличието на редицасвойства, които са присъщи на многовалентните алкохоли. Това са отличителни черти, които са характерни само за този клас органични съединения.
Най-важното от свойствата е неограничената способност за смесване с H2O. Вода + етилен гликол дава разтвор с уникална характеристика: неговата точка на замръзване, в зависимост от концентрацията на диол, е със 70 градуса по-ниска от тази на чистия дестилат. Важно е да се отбележи, че тази зависимост е нелинейна и при достигане на определено количествено съдържание на гликол започва обратният ефект - точката на замръзване се повишава с увеличаване на процента на разтвореното вещество. Тази функция е намерила приложение в производството на различни антифризи, течности против замръзване, които кристализират при изключително ниски термични характеристики на околната среда.
Освен във вода, процесът на разтваряне протича добре в алкохол и ацетон, но не се наблюдава в парафини, бензоли, етери и въглероден тетрахлорид. За разлика от своя алифатичен предшественик - такова газообразно вещество като етилен, етиленгликолът е сиропообразна, прозрачна течност с лек жълт оттенък, сладникав на вкус, с нехарактерна миризма, практически нелетлива. Замръзването на 100% етилен гликол става при -12,6 градуса по Целзий и кипене при +197,8. При нормални условия плътността е 1,11 g/cm3.
Методи за получаване
Етиленгликолът може да се получи по няколко начина, някои от които днес имат само историческо или подготвително значение, докато другиактивно използвани от човека в индустриален мащаб и не само. В хронологичен ред, нека да разгледаме най-важните.
Първият метод за получаване на етилен гликол от дибромоетан вече е описан по-горе. Формулата на етилена, чиято двойна връзка е разкъсана, а свободните валентности са заети от халогени, основният изходен материал в тази реакция, освен въглерод и водород, има в състава си два бромни атома. Образуването на междинно съединение на първия етап от процеса е възможно именно поради тяхното елиминиране, т.е. заместването им с ацетатни групи, които при по-нататъшна хидролиза се превръщат в алкохолни.
В процеса на по-нататъшно развитие на науката стана възможно да се получи етилен гликол чрез директна хидролиза на всякакви етани, заместени с два халогена при съседни въглеродни атоми, като се използват водни разтвори на метални карбонати от алкалната група или (по-малко екологично). приятелски реагент) H2 О и оловен диоксид. Реакцията е доста "трудоемка" и протича само при значително повишени температури и налягания, но това не попречи на германците да използват този метод по време на световните войни за производство на етилен гликол в промишлен мащаб..
Методът за получаване на етилен гликол от етилен хлорхидрин чрез неговата хидролиза с въглеродни соли на металите от алкалната група също изиграва своята роля в развитието на органичната химия. С повишаване на реакционната температура до 170 градуса добивът на целевия продукт достига 90%. Но имаше значителен недостатък - гликолът трябваше по някакъв начин да бъде извлечен от солевия разтвор, което е пряко свързано средица трудности. Учените решиха този проблем, като разработиха метод със същия изходен материал, но разделиха процеса на два етапа.
Хидролизата на етиленгликол ацетат, като по-ранният последен етап на метода Wurtz, се превърна в отделен метод, когато успяха да получат изходния реагент чрез окисляване на етилена в оцетна киселина с кислород, тоест без използването на скъпи и напълно неекологични халогенни съединения.
Има също много начини за производство на етилен гликол чрез окисляване на етилен с хидропероксиди, пероксиди, органични перкиселини в присъствието на катализатори (осмиеви съединения), калиев хлорат и др. Има също електрохимични и радиационно-химични методи.
Характеристика на общи химични свойства
Химичните свойства на етиленгликола се определят от неговите функционални групи. Реакциите могат да включват един хидроксилен заместител или и двата, в зависимост от условията на процеса. Основната разлика в реактивността се състои във факта, че поради наличието на няколко хидроксилни групи в многовалентния алкохол и тяхното взаимно влияние се проявяват по-силни киселинни свойства от тези на едновалентните "братя". Следователно при реакции с алкали продуктите са соли (за гликол - гликолати, за глицерол - глицерати).
Химичните свойства на етиленгликола, както и на глицерина, включват всички реакции на алкохоли от категорията на едновалентните. Гликолът дава пълни и частични естери при реакции с едноосновни киселини, съответно се образуват гликолати с алкални метали, а когатопри химичен процес със силни киселини или техни соли се отделя алдехид на оцетна киселина - поради елиминирането на водороден атом от молекула.
Реакции с активни метали
Реакция на етилен гликол с активни метали (след водород в серията за химическа якост) при повишени температури дава етилен гликолат на съответния метал, плюс се отделя водород.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, където X е активният двувалентен метал.
Качествена реакция към етилен гликол
Разграничаване на многовалентния алкохол от всяка друга течност с помощта на визуална реакция, която е характерна само за този клас съединения. За да направите това, прясно утаеният меден хидроксид (2), който има характерен син оттенък, се излива в безцветен разтвор на алкохол. Когато смесените компоненти взаимодействат, утайката се разтваря и разтворът се превръща в наситено син цвят - в резултат на образуването на меден гликолат (2).
Полимеризация
Химичните свойства на етиленгликола са от голямо значение за производството на разтворители. Междумолекулното дехидратиране на споменатото вещество, тоест елиминирането на водата от всяка от двете молекули гликол и последващата им комбинация (една хидроксилна група е напълно елиминирана и само водородът се отстранява от другата), дава възможност да се получи уникален органичен разтворител - диоксан, който често се използва в органичната химия, въпреки високата си токсичност.
Хидрокси обменкъм халоген
Когато етиленгликолът взаимодейства с халогеноводородни киселини, се наблюдава заместването на хидроксилните групи със съответния халоген. Степента на заместване зависи от молната концентрация на халогеноводорода в реакционната смес:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, където X е хлор или бром.
Вземете етер
При реакциите на етиленгликол с азотна киселина (с определена концентрация) и едноосновни органични киселини (мравчена, оцетна, пропионова, маслена, валерианова и др.) се образуват сложни и съответно прости моноестери. При други концентрацията на азотна киселина е гликол ди- и тринитроестери. Като катализатор се използва сярна киселина с дадена концентрация.
Най-важните производни на етилен гликол
Ценни вещества, които могат да бъдат получени от многовалентни алкохоли с помощта на прости химични реакции (описани по-горе) са етиленгликоловите етери. А именно: монометил и моноетил, чиито формули са HO-CH2-CH2-O-CH3 и HO-CH2-CH2-O-C2N5 съответно. По отношение на химичните свойства, те са в много отношения подобни на гликолите, но, както всеки друг клас съединения, те имат уникални реактивни характеристики, които са уникални за тях:
- Монометилетилен гликолът е безцветна течност, но с характерна отвратителна миризма, кипи при 124,6 градуса по Целзий, силно разтворим в етанол, др.органични разтворители и вода, много по-летливи от гликола и с по-ниска плътност от тази на водата (от порядъка на 0,965 g/cm3).
- Диметилетилен гликолът също е течност, но с по-малко характерна миризма, плътност 0,935 g/cm3, точка на кипене 134 градуса над нулата и сравнима разтворимост към предишния хомолог.
Употребата на целозолви - както обикновено се наричат моноетерите на етилен гликол - е доста често срещана. Използват се като реагенти и разтворители в органичния синтез. Техните физически свойства се използват и за антикорозионни и антикристализационни добавки в антифриз и моторни масла.
Области на приложение и ценообразуване на продуктовата гама
Цената във фабриките и предприятията, участващи в производството и продажбата на такива реагенти, варира средно около 100 рубли за килограм от такова химическо съединение като етилен гликол. Цената зависи от чистотата на веществото и максималния процент на целевия продукт.
Използването на етилен гликол не е ограничено до нито една област. И така, като суровина се използва в производството на органични разтворители, изкуствени смоли и влакна, течности, които замръзват при ниски температури. Участва в много индустрии като автомобилната, авиационната, фармацевтичната, електрическата, кожарската, тютюневата. Неговото значение за органичния синтез е безспорно тежко.
Важно е да запомните, че гликолът етоксично съединение, което може да причини непоправима вреда на човешкото здраве. Затова се съхранява в херметични съдове от алуминий или стомана със задължителен вътрешен слой, който предпазва контейнера от корозия, само във вертикални положения и в помещения, които не са оборудвани с отоплителни системи, но с добра вентилация. Срок - не повече от пет години.
