Bahan yang paling terkenal dan digunakan dalam kehidupan manusia dan industri yang tergolong dalam kategori alkohol polihidrik ialah etilena glikol dan gliserin. Penyelidikan dan penggunaan mereka bermula beberapa abad yang lalu, tetapi sifat-sifat sebatian organik ini dalam banyak cara tidak dapat ditiru dan unik, yang menjadikannya sangat diperlukan sehingga hari ini. Alkohol polihidrik digunakan dalam banyak sintesis kimia, industri dan bidang kehidupan manusia.
"Perkenalan" pertama dengan etilena glikol dan gliserin: sejarah memperoleh
Pada tahun 1859, melalui proses dua peringkat tindak balas dibromoetana dengan perak asetat dan kemudian merawat etilena glikol diasetat yang diperoleh dalam tindak balas pertama dengan potash kaustik, Charles Wurtz mula-mula mensintesis etilena glikol. Beberapa ketika kemudian, kaedah hidrolisis langsung dibromoetana telah dibangunkan, tetapi pada skala perindustrian pada awal abad kedua puluh, alkohol dihidrik 1, 2-dioxyethane, juga dikenali sebagai monoetilena glikol, atau ringkasnya glikol, di Amerika Syarikat.diperoleh melalui hidrolisis etilena klorohidrin.
Hari ini, dalam industri dan makmal, beberapa kaedah lain digunakan, baru, lebih menjimatkan dari sudut bahan mentah dan tenaga, dan mesra alam, sejak penggunaan reagen yang mengandungi atau membebaskan klorin, toksin, karsinogen dan bahan berbahaya lain untuk alam sekitar dan manusia, semakin berkurangan dengan perkembangan kimia "hijau".
Gliserin ditemui oleh ahli farmasi Carl Wilhelm Scheele pada tahun 1779, dan Theophile Jules Pelouze mengkaji komposisi sebatian itu pada tahun 1836. Dua dekad kemudian, struktur molekul alkohol trihidrik ini telah ditubuhkan dan dibuktikan dalam karya Pierre Eugene Marseille Vertelot dan Charles Wurtz. Akhirnya, dua puluh tahun kemudian, Charles Friedel menjalankan sintesis lengkap gliserol. Pada masa ini, industri menggunakan dua kaedah untuk pengeluarannya: melalui alil klorida daripada propilena, dan juga melalui akrolein. Sifat kimia etilena glikol, seperti gliserin, digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang pengeluaran kimia.
Struktur dan struktur sambungan
Molekul adalah berdasarkan rangka hidrokarbon tak tepu etilena, yang terdiri daripada dua atom karbon, di mana ikatan berganda telah dipecahkan. Dua kumpulan hidroksil telah ditambah ke tapak valens yang dikosongkan pada atom karbon. Formula etilena ialah C2H4, selepas memutuskan ikatan kren dan menambah kumpulan hidroksil (selepas beberapa peringkat) ia kelihatan seperti C2N4(OH)2. Itulah yang berlakuetilena glikol.
Molekul etilena mempunyai struktur linear, manakala alkohol dihidrik mempunyai sejenis konfigurasi trans dalam penempatan kumpulan hidroksil berhubung dengan tulang belakang karbon dan antara satu sama lain (istilah ini digunakan sepenuhnya untuk kedudukan berbanding dengan ikatan berganda). Kehelan sedemikian sepadan dengan lokasi hidrogen yang paling jauh daripada kumpulan berfungsi, tenaga yang lebih rendah, dan oleh itu kestabilan maksimum sistem. Ringkasnya, satu kumpulan OH melihat ke atas dan satu lagi melihat ke bawah. Pada masa yang sama, sebatian dengan dua hidroksil tidak stabil: pada satu atom karbon, yang terbentuk dalam campuran tindak balas, ia serta-merta dehidrasi, bertukar menjadi aldehid.
Klasifikasi
Sifat kimia etilena glikol ditentukan oleh asalnya daripada kumpulan alkohol polihidrik, iaitu subkumpulan diol, iaitu sebatian dengan dua serpihan hidroksil pada atom karbon bersebelahan. Bahan yang juga mengandungi beberapa substituen OH ialah gliserol. Ia mempunyai tiga kumpulan berfungsi alkohol dan merupakan ahli yang paling biasa dalam subkelasnya.
Banyak sebatian kelas ini juga diperoleh dan digunakan dalam pengeluaran kimia untuk pelbagai sintesis dan tujuan lain, tetapi penggunaan etilena glikol berada pada skala yang lebih serius dan terlibat dalam hampir semua industri. Isu ini akan dibincangkan dengan lebih terperinci di bawah.
Ciri fizikal
Penggunaan etilena glikol adalah disebabkan oleh kehadiran beberapasifat yang wujud dalam alkohol polihidrik. Ini adalah ciri tersendiri yang hanya menjadi ciri untuk kelas sebatian organik ini.
Harta yang paling penting ialah keupayaan tanpa had untuk bercampur dengan H2O. Air + etilena glikol memberikan larutan dengan ciri unik: takat bekunya, bergantung pada kepekatan diol, adalah 70 darjah lebih rendah daripada sulingan tulen. Adalah penting untuk diperhatikan bahawa pergantungan ini tidak linear, dan apabila mencapai kandungan kuantitatif glikol tertentu, kesan sebaliknya bermula - takat beku meningkat dengan peningkatan peratusan bahan terlarut. Ciri ini telah mendapat aplikasi dalam penghasilan pelbagai antibeku, cecair antibeku yang menghablur pada ciri terma persekitaran yang sangat rendah.
Kecuali dalam air, proses pelarutan berjalan dengan baik dalam alkohol dan aseton, tetapi tidak diperhatikan dalam parafin, benzena, eter dan karbon tetraklorida. Tidak seperti nenek moyang alifatiknya - bahan gas seperti etilena, etilena glikol ialah cecair telus seperti sirap dengan sedikit warna kuning, rasa manis, dengan bau yang tidak biasa, boleh dikatakan tidak meruap. Pembekuan 100% etilena glikol berlaku pada -12.6 darjah Celsius, dan mendidih pada +197.8. Dalam keadaan biasa, ketumpatan ialah 1.11 g/cm3.
Mendapatkan Kaedah
Etilena glikol boleh didapati dalam beberapa cara, sesetengah daripadanya hari ini hanya mempunyai kepentingan sejarah atau persediaan, manakala yang laindigunakan secara aktif oleh manusia pada skala perindustrian dan bukan sahaja. Dalam susunan kronologi, mari kita lihat yang paling penting.
Kaedah pertama untuk mendapatkan etilena glikol daripada dibromoetana telah diterangkan di atas. Formula etilena, ikatan berganda yang dipecahkan, dan valensi bebas diduduki oleh halogen, bahan permulaan utama dalam tindak balas ini, sebagai tambahan kepada karbon dan hidrogen, mempunyai dua atom bromin dalam komposisinya. Pembentukan sebatian perantaraan pada peringkat pertama proses adalah mungkin disebabkan oleh penyingkirannya, iaitu, penggantian oleh kumpulan asetat, yang, apabila hidrolisis selanjutnya, bertukar menjadi alkohol.
Dalam proses perkembangan sains selanjutnya, adalah mungkin untuk memperoleh etilena glikol melalui hidrolisis langsung mana-mana etana yang digantikan oleh dua halogen pada atom karbon jiran, menggunakan larutan akueus logam karbonat daripada kumpulan alkali atau (kurang alam sekitar reagen mesra) H2 Oh dan plumbum dioksida. Reaksi ini agak "intensif buruh" dan hanya berlaku pada suhu dan tekanan yang ketara, tetapi ini tidak menghalang orang Jerman daripada menggunakan kaedah ini semasa perang dunia untuk menghasilkan etilena glikol pada skala perindustrian.
Kaedah mendapatkan etilena glikol daripada etilena klorohidrin melalui hidrolisisnya dengan garam karbon logam kumpulan alkali juga memainkan peranannya dalam pembangunan kimia organik. Dengan peningkatan suhu tindak balas kepada 170 darjah, hasil produk sasaran mencapai 90%. Tetapi terdapat kelemahan yang ketara - glikol entah bagaimana harus diekstrak daripada larutan garam, yang berkaitan secara langsung denganbeberapa kesukaran. Para saintis menyelesaikan isu ini dengan membangunkan kaedah dengan bahan permulaan yang sama, tetapi memecahkan proses kepada dua peringkat.
Hidrolisis etilena glikol asetat, sebagai peringkat akhir awal kaedah Wurtz, menjadi kaedah yang berasingan apabila mereka berjaya mendapatkan reagen permulaan dengan mengoksidakan etilena dalam asid asetik dengan oksigen, iaitu tanpa menggunakan bahan yang mahal dan sebatian halogen tidak alam sekitar sepenuhnya.
Terdapat juga banyak cara untuk menghasilkan etilena glikol dengan mengoksidakan etilena dengan hidroperoksida, peroksida, perasid organik dengan kehadiran pemangkin (sebatian osmium), kalium klorat, dll. Terdapat juga kaedah elektrokimia dan sinaran-kimia.
Pencirian sifat kimia am
Sifat kimia etilena glikol ditentukan oleh kumpulan berfungsinya. Tindak balas mungkin melibatkan satu substituen hidroksil atau kedua-duanya, bergantung kepada keadaan proses. Perbezaan utama dalam kereaktifan terletak pada fakta bahawa disebabkan oleh kehadiran beberapa hidroksil dalam alkohol polihidrik dan pengaruh bersama mereka, sifat berasid yang lebih kuat ditunjukkan daripada "saudara" monohidrik. Oleh itu, dalam tindak balas dengan alkali, produk adalah garam (untuk glikol - glikolat, untuk gliserol - gliserat).
Sifat kimia etilena glikol, serta gliserin, termasuk semua tindak balas alkohol daripada kategori monohidrik. Glikol memberikan ester penuh dan separa dalam tindak balas dengan asid monobes, glikolat, masing-masing, terbentuk dengan logam alkali, dan apabiladalam proses kimia dengan asid kuat atau garamnya, asid asetik aldehid dibebaskan - disebabkan oleh penyingkiran atom hidrogen daripada molekul.
Tindak balas dengan logam aktif
Tindak balas etilena glikol dengan logam aktif (selepas hidrogen dalam siri kekuatan kimia) pada suhu tinggi memberikan etilena glikol logam yang sepadan, ditambah hidrogen dibebaskan.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, dengan X ialah logam divalen aktif.
Tindak balas kualitatif terhadap etilena glikol
Bezakan alkohol polihidrik daripada sebarang cecair lain menggunakan tindak balas visual yang bercirikan hanya untuk kelas sebatian ini. Untuk melakukan ini, kuprum hidroksida (2) yang baru dimendakan, yang mempunyai warna biru ciri, dituangkan ke dalam larutan alkohol yang tidak berwarna. Apabila komponen bercampur berinteraksi, mendakan larut dan larutan bertukar menjadi warna biru tua - hasil daripada pembentukan kuprum glikolat (2).
Pempolimeran
Sifat kimia etilena glikol adalah sangat penting untuk penghasilan pelarut. Dehidrasi antara molekul bahan yang disebutkan, iaitu, penyingkiran air dari setiap dua molekul glikol dan gabungannya yang berikutnya (satu kumpulan hidroksil dihapuskan sepenuhnya, dan hanya hidrogen dikeluarkan dari yang lain), memungkinkan untuk mendapatkan pelarut organik unik - dioksana, yang sering digunakan dalam kimia organik, walaupun ketoksikannya tinggi.
Pertukaran hidroksikepada halogen
Apabila etilena glikol berinteraksi dengan asid hidrohalik, penggantian kumpulan hidroksil oleh halogen yang sepadan diperhatikan. Tahap penggantian bergantung pada kepekatan molar hidrogen halida dalam campuran tindak balas:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, dengan X ialah klorin atau bromin.
Dapatkan Eter
Dalam tindak balas etilena glikol dengan asid nitrik (pada kepekatan tertentu) dan asid organik monobes (formik, asetik, propionik, butirik, valerik, dll.), kompleks dan, oleh itu, monoester ringkas terbentuk. Pada yang lain, kepekatan asid nitrik ialah glikol di- dan trinitroester. Asid sulfurik pada kepekatan tertentu digunakan sebagai mangkin.
Terbitan terpenting etilena glikol
Bahan berharga yang boleh diperoleh daripada alkohol polihidrik menggunakan tindak balas kimia mudah (diterangkan di atas) ialah eter etilena glikol. Iaitu: monometil dan monoetil, formulanya ialah HO-CH2-CH2-O-CH3 dan HO-CH2-CH2-O-C2N5 masing-masing. Dari segi sifat kimia, ia dalam banyak cara serupa dengan glikol, tetapi, seperti mana-mana kelas sebatian lain, ia mempunyai ciri reaktif unik yang unik baginya:
- Monomethylethylene glycol ialah cecair tidak berwarna, tetapi dengan ciri bau yang menjijikkan, mendidih pada 124.6 darjah Celsius, sangat larut dalam etanol, lain-lainpelarut organik dan air, jauh lebih mudah meruap daripada glikol, dan dengan ketumpatan yang lebih rendah daripada air (pada urutan 0.965 g/cm3).
- Dimethylethylene glycol juga merupakan cecair, tetapi dengan bau yang kurang ciri, ketumpatan 0.935 g/cm3, takat didih 134 darjah di atas sifar dan keterlarutan yang setanding kepada homolog sebelumnya.
Penggunaan selosolves - sebagai monoeter etilena glikol biasanya dipanggil - adalah perkara biasa. Ia digunakan sebagai reagen dan pelarut dalam sintesis organik. Sifat fizikalnya juga digunakan untuk aditif anti-karat dan anti-penghabluran dalam antibeku dan minyak motor.
Bidang aplikasi dan harga rangkaian produk
Kos di kilang dan perusahaan yang terlibat dalam pengeluaran dan penjualan reagen tersebut turun naik secara purata kira-kira 100 rubel sekilogram sebatian kimia seperti etilena glikol. Harga bergantung pada ketulenan bahan dan peratusan maksimum produk sasaran.
Penggunaan etilena glikol tidak terhad kepada mana-mana satu kawasan. Jadi, sebagai bahan mentah ia digunakan dalam pengeluaran pelarut organik, resin tiruan dan gentian, cecair yang membeku pada suhu rendah. Ia terlibat dalam banyak industri seperti automotif, penerbangan, farmaseutikal, elektrik, kulit, tembakau. Kepentingannya untuk sintesis organik tidak dapat dinafikan berat.
Adalah penting untuk diingat bahawa glikol adalahsebatian toksik yang boleh menyebabkan kemudaratan yang tidak boleh diperbaiki kepada kesihatan manusia. Oleh itu, ia disimpan dalam bekas tertutup yang diperbuat daripada aluminium atau keluli dengan lapisan dalaman wajib yang melindungi bekas daripada kakisan, hanya dalam kedudukan menegak dan di dalam bilik yang tidak dilengkapi dengan sistem pemanasan, tetapi dengan pengudaraan yang baik. Tempoh - tidak lebih daripada lima tahun.
