Cele mai cunoscute și utilizate în viața umană și în industrie substanțe aparținând categoriei de alcooli polihidrați sunt etilenglicolul și glicerina. Cercetarea și utilizarea lor au început cu câteva secole în urmă, dar proprietățile acestor compuși organici sunt în multe privințe inimitabile și unice, ceea ce îi face indispensabili până în prezent. Alcoolii polihidric sunt utilizați în multe sinteze chimice, industrii și domenii ale vieții umane.
Prima „cunoștință” cu etilenglicolul și glicerina: istoria obținerii
În 1859, printr-un proces în două etape de reacție a dibrometanului cu acetat de argint și apoi tratarea diacetatului de etilenglicol obținut în prima reacție cu potasiu caustic, Charles Wurtz a sintetizat mai întâi etilenglicolul. Un timp mai târziu, a fost dezvoltată o metodă de hidroliză directă a dibrometanului, dar la scară industrială, la începutul secolului XX, alcoolul dihidroxilic 1,2-dioxietanul, cunoscut și sub numele de monoetilen glicol, sau pur și simplu glicol, în SUAobţinut prin hidroliza etilen-clorhidrinei.
Astăzi, atât în industrie, cât și în laborator, se folosesc o serie de alte metode, noi, mai economice din punct de vedere al materiei prime și energetic și ecologice, din moment ce se folosesc reactivi care conțin sau eliberează clor., toxine, substanțe cancerigene și alte substanțe periculoase pentru mediu și oameni, este în scădere odată cu dezvoltarea chimiei „verzi”.
Glicerina a fost descoperită de farmacistul Carl Wilhelm Scheele în 1779, iar Theophile Jules Pelouze a studiat compoziția compusului în 1836. Două decenii mai târziu, structura moleculei acestui alcool trihidroxilic a fost stabilită și fundamentată în lucrările lui Pierre Eugene Marseille Vertelot și Charles Wurtz. În cele din urmă, douăzeci de ani mai târziu, Charles Friedel a realizat sinteza completă a glicerolului. În prezent, industria folosește două metode pentru producerea sa: prin clorură de alil din propilenă și, de asemenea, prin acroleină. Proprietățile chimice ale etilenglicolului, cum ar fi glicerina, sunt utilizate pe scară largă în diferite domenii ale producției chimice.
Structura și structura conexiunii
Molecula se bazează pe un schelet de hidrocarburi nesaturate de etilenă, format din doi atomi de carbon, în care s-a rupt o legătură dublă. Două grupări hidroxil au fost adăugate la situsurile de valență libere de la atomii de carbon. Formula etilenei este C2H4, după ruperea legăturii macaralei și adăugarea grupărilor hidroxil (după mai multe etape) arată ca C2N4(OH)2. Asta eetilenglicol.
Molecula de etilenă are o structură liniară, în timp ce alcoolul dihidroxilic are un fel de configurație trans în poziționarea grupărilor hidroxil în raport cu coloana vertebrală de carbon și între ele (acest termen este pe deplin aplicabil la poziția relativ la legătura multiplă). O astfel de dislocare corespunde locației cele mai îndepărtate a hidrogenului din grupurile funcționale, energie mai scăzută și, prin urmare, stabilității maxime a sistemului. Mai simplu spus, un grup OH se uită în sus, iar celăl alt se uită în jos. În același timp, compușii cu doi hidroxili sunt instabili: la un atom de carbon, formându-se în amestecul de reacție, se deshidratează imediat, transformându-se în aldehide.
Clasificare
Proprietățile chimice ale etilenglicolului sunt determinate de proveniența sa din grupa de alcooli polihidroxici și anume subgrupul diolilor, adică compuși cu două fragmente hidroxil la atomi de carbon învecinați. O substanță care conține și mai mulți substituenți OH este glicerolul. Are trei grupe funcționale de alcool și este cel mai frecvent membru al subclasei sale.
Mulți compuși din această clasă sunt, de asemenea, obținuți și utilizați în producția chimică pentru diverse sinteze și alte scopuri, dar utilizarea etilenglicolului este la o scară mai serioasă și este implicată în aproape toate industriile. Această problemă va fi discutată mai detaliat mai jos.
Caracteristici fizice
Utilizarea etilenglicolului se datorează prezenței unui număr deproprietăți care sunt inerente alcoolilor polihidroxilici. Acestea sunt caracteristici distinctive care sunt caracteristice numai pentru această clasă de compuși organici.
Cea mai importantă dintre proprietăți este capacitatea nelimitată de a amesteca cu H2O. Apa + etilenglicol oferă o soluție cu o caracteristică unică: punctul său de îngheț, în funcție de concentrația de diol, este cu 70 de grade mai mic decât cel al distilatului pur. Este important de menționat că această dependență este neliniară, iar la atingerea unui anumit conținut cantitativ de glicol, începe efectul opus - punctul de îngheț crește odată cu creșterea procentului de substanță dizolvată. Această caracteristică și-a găsit aplicație în producția de diverse antigel, lichide antigel care cristalizează la caracteristici termice extrem de scăzute ale mediului.
Cu excepția apei, procesul de dizolvare se desfășoară bine în alcool și acetonă, dar nu se observă în parafine, benzen, eteri și tetraclorura de carbon. Spre deosebire de strămoșul său alifatic - o astfel de substanță gazoasă precum etilena, etilenglicolul este un lichid transparent asemănător siropului, cu o ușoară nuanță galbenă, cu gust dulceag, cu un miros neobișnuit, practic nevolatil. Înghețarea etilenglicolului 100% are loc la -12,6 grade Celsius și fierberea la +197,8. În condiții normale, densitatea este de 1,11 g/cm3.
Obținerea metodelor
Etilenglicolul poate fi obținut în mai multe moduri, dintre care unele astăzi au doar semnificație istorică sau preparativă, în timp ce altelefolosit activ de om la scara industriala si nu numai. În ordine cronologică, să aruncăm o privire la cele mai importante.
Prima metodă de obținere a etilenglicolului din dibrometan a fost deja descrisă mai sus. Formula etilenei, a cărei dublă legătură este ruptă, iar valențele libere sunt ocupate de halogeni, principalul material de pornire în această reacție, pe lângă carbon și hidrogen, are în compoziția sa doi atomi de brom. Formarea unui compus intermediar în prima etapă a procesului este posibilă tocmai datorită eliminării lor, adică înlocuirea cu grupări acetat, care, la hidroliză ulterioară, se transformă în alcool.
În procesul de dezvoltare ulterioară a științei, a devenit posibilă obținerea etilenglicolului prin hidroliza directă a oricărui etan substituit cu doi halogeni la atomi de carbon vecini, folosind soluții apoase de carbonați metalici din grupa alcalină sau (mai puțin ecologic reactiv prietenos) H2 Oh și dioxid de plumb. Reacția este destul de „intensă de muncă” și are loc doar la temperaturi și presiuni semnificativ ridicate, dar acest lucru nu i-a împiedicat pe germani să folosească această metodă în timpul războaielor mondiale pentru a produce etilenglicol la scară industrială.
Metoda de obținere a etilenglicolului din etilen clorhidrina prin hidroliza acesteia cu săruri de carbon ale metalelor din grupa alcaline și-a jucat, de asemenea, rolul în dezvoltarea chimiei organice. Cu o creștere a temperaturii de reacție la 170 de grade, randamentul produsului țintă a atins 90%. Dar a existat un dezavantaj semnificativ - glicolul trebuia extras cumva din soluția de sare, care este direct legată deo serie de dificultăţi. Oamenii de știință au rezolvat această problemă prin dezvoltarea unei metode cu aceeași materie primă, dar împărțind procesul în două etape.
Hidroliza acetatului de etilen glicol, fiind etapa finală anterioară a metodei Wurtz, a devenit o metodă separată atunci când au reușit să obțină reactivul de pornire prin oxidarea etilenei în acid acetic cu oxigen, adică fără utilizarea unor substanțe costisitoare și compuși cu halogen complet neecologici.
Există și multe modalități de a produce etilenglicol prin oxidarea etilenei cu hidroperoxizi, peroxizi, peracizi organici în prezența catalizatorilor (compuși de osmiu), clorat de potasiu etc. Există și metode electrochimice și radiații-chimice.
Caracterizarea proprietăților chimice generale
Proprietățile chimice ale etilenglicolului sunt determinate de grupele sale funcționale. Reacţiile pot implica un substituent hidroxil sau ambele, în funcţie de condiţiile procesului. Principala diferență de reactivitate constă în faptul că, datorită prezenței mai multor hidroxili într-un alcool polihidroxilic și influenței lor reciproce, se manifestă proprietăți acide mai puternice decât cele ale „fraților” monohidric. Prin urmare, în reacțiile cu alcalii, produsele sunt săruri (pentru glicol - glicolați, pentru glicerol - glicerați).
Proprietățile chimice ale etilenglicolului, precum și ale glicerinei, includ toate reacțiile alcoolilor din categoria monohidric. Glicolul dă esteri completi și parțiali în reacțiile cu acizii monobazici, respectiv glicolații se formează cu metale alcaline și atunci cândîntr-un proces chimic cu acizi tari sau sărurile acestora se eliberează aldehida acidului acetic - datorită eliminării unui atom de hidrogen dintr-o moleculă.
Reacții cu metale active
Reacția etilenglicolului cu metalele active (după hidrogenul din seria rezistenței chimice) la temperaturi ridicate dă etilenglicolatul metalului corespunzător, plus hidrogenul este eliberat.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, unde X este metalul divalent activ.
Reacție calitativă la etilenglicol
Distingeți alcoolul polihidric de orice alt lichid folosind o reacție vizuală care este caracteristică numai pentru această clasă de compuși. Pentru a face acest lucru, hidroxid de cupru proaspăt precipitat (2), care are o nuanță albastră caracteristică, este turnat într-o soluție incoloră de alcool. Când componentele amestecate interacționează, precipitatul se dizolvă și soluția se transformă într-o culoare albastru intens - ca urmare a formării glicolatului de cupru (2).
polimerizare
Proprietățile chimice ale etilenglicolului sunt de mare importanță pentru producția de solvenți. Deshidratarea intermoleculară a substanței menționate, adică eliminarea apei din fiecare dintre cele două molecule de glicol și combinarea lor ulterioară (o grupare hidroxil este eliminată complet, iar din ceal altă numai hidrogenul este îndepărtat), face posibilă obținerea un solvent organic unic - dioxan, care este adesea folosit în chimia organică, în ciuda toxicității sale ridicate.
Schimb hidroxila halogen
Când etilenglicolul interacționează cu acizii hidrohalici, se observă înlocuirea grupărilor hidroxil cu halogenul corespunzător. Gradul de substituție depinde de concentrația molară de halogenură de hidrogen din amestecul de reacție:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, unde X este clor sau brom.
Obțineți Ether
În reacțiile etilenglicolului cu acid azotic (de o anumită concentrație) și acizi organici monobazici (formic, acetic, propionic, butiric, valeric etc.), se formează monoesteri complecși și, în consecință, simpli. La altele, concentrația de acid azotic este glicol di- și trinitroesteri. Acidul sulfuric cu o anumită concentrație este utilizat ca catalizator.
Cei mai importanți derivați ai etilenglicolului
Substanțele valoroase care pot fi obținute din alcoolii polihidroxici folosind reacții chimice simple (descrise mai sus) sunt eterii de etilenglicol. Și anume: monometil și monoetil, ale căror formule sunt HO-CH2-CH2-O-CH3 și HO-CH2-CH2-O-C2N5, respectiv. În ceea ce privește proprietățile chimice, ele sunt în multe privințe similare cu glicolii, dar, ca orice altă clasă de compuși, au caracteristici reactive unice care sunt unice pentru ei:
- Monometiletilenglicolul este un lichid incolor, dar cu un miros dezgustător caracteristic, care fierbe la 124,6 grade Celsius, foarte solubil în etanol, altelesolvenți organici și apă, mult mai volatile decât glicolul și cu o densitate mai mică decât cea a apei (de ordinul a 0,965 g/cm3)..
- Dimetiletilenglicolul este, de asemenea, un lichid, dar cu un miros mai puțin caracteristic, o densitate de 0,935 g/cm3, un punct de fierbere de 134 de grade peste zero și o solubilitate comparabilă față de omologul anterior.
Utilizarea celosolvenților - așa cum sunt denumiți în general monoeteri de etilenglicol - este destul de comună. Sunt utilizați ca reactivi și solvenți în sinteza organică. Proprietățile lor fizice sunt, de asemenea, utilizate pentru aditivi anticoroziune și anticristalizare în uleiurile antigel și de motor.
Domenii de aplicare și prețuri ale gamei de produse
Costul la fabrici și întreprinderi implicate în producția și vânzarea unor astfel de reactivi fluctuează în medie aproximativ 100 de ruble per kilogram de compus chimic precum etilenglicolul. Prețul depinde de puritatea substanței și de procentul maxim al produsului țintă.
Utilizarea etilenglicolului nu se limitează la nicio zonă. Așadar, ca materie primă se folosește în producția de solvenți organici, rășini și fibre artificiale, lichide care îngheață la temperaturi scăzute. Este implicat în multe industrii precum auto, aviație, farmaceutică, electrică, piele, tutun. Importanța sa pentru sinteza organică este incontestabil importantă.
Este important să rețineți că glicolul estecompus toxic care poate provoca daune ireparabile sănătății umane. De aceea, se depoziteaza in vase sigilate din aluminiu sau otel cu un strat interior obligatoriu care protejeaza recipientul de coroziune, doar in pozitii verticale si in incaperi care nu sunt dotate cu sisteme de incalzire, dar cu o buna ventilatie. Termen - nu mai mult de cinci ani.
