Najpoznatije i korišćene u ljudskom životu i industriji supstance koje pripadaju kategoriji polihidričnih alkohola su etilen glikol i glicerin. Njihova istraživanja i upotreba započeli su prije nekoliko stoljeća, ali svojstva ovih organskih spojeva su po mnogo čemu neponovljiva i jedinstvena, što ih čini nezamjenjivim do danas. Polihidrični alkoholi se koriste u mnogim hemijskim sintezama, industrijama i područjima ljudskog života.
Prvo "upoznavanje" sa etilen glikolom i glicerinom: istorija dobijanja
Godine 1859, kroz dvostepeni proces reakcije dibrometana sa srebrnim acetatom, a zatim tretiranjem etilen glikol diacetata dobijenog u prvoj reakciji sa kaustičnom potašom, Charles Wurtz je prvi sintetizirao etilen glikol. Nešto kasnije razvijena je metoda direktne hidrolize dibrometana, ali u industrijskim razmjerima početkom dvadesetog stoljeća, dihidrični alkohol 1,2-dioksietan, također poznat kao monoetilen glikol, ili jednostavno glikol, u SAD-udobijeno hidrolizom etilen hlorhidrina.
Danas, kako u industriji tako iu laboratoriji, koristi se niz drugih metoda, novih, ekonomičnijih sa stanovišta sirovina i energije, i ekološki prihvatljivih, budući da se koriste reagensi koji sadrže ili oslobađaju hlor, toksina, kancerogena i drugih opasnih materija za životnu sredinu i ljude, opada sa razvojem "zelene" hemije.
Glicerin je otkrio farmaceut Carl Wilhelm Scheele 1779. godine, a Theophile Jules Pelouze proučavao je sastav jedinjenja 1836. godine. Dvije decenije kasnije, struktura molekule ovog trihidričnog alkohola ustanovljena je i potkrijepljena radovima Pierre Eugenea Marseillea Vertelota i Charlesa Wurtza. Konačno, dvadeset godina kasnije, Charles Friedel je izvršio potpunu sintezu glicerola. Trenutno, industrija koristi dva načina za proizvodnju: preko alil hlorida iz propilena, kao i preko akroleina. Hemijska svojstva etilen glikola, poput glicerina, se široko koriste u različitim poljima hemijske proizvodnje.
Struktura i struktura veze
Molekul se zasniva na nezasićenom ugljikovodičnom kosturu etilena, koji se sastoji od dva atoma ugljika, u kojem je prekinuta dvostruka veza. Dve hidroksilne grupe su dodane na ispražnjena valentna mesta na atomima ugljenika. Formula etilena je C2H4, nakon prekida kranske veze i dodavanja hidroksilnih grupa (nakon nekoliko faza) izgleda kao C2N4(OH)2. To je ono što jeetilen glikol.
Molekul etilena ima linearnu strukturu, dok dihidrični alkohol ima neku vrstu trans konfiguracije u postavljanju hidroksilnih grupa u odnosu na ugljičnu kičmu i jedna na drugu (ovaj termin je u potpunosti primjenjiv na položaj u odnosu na višestruka veza). Takva dislokacija odgovara najudaljenijoj lokaciji vodonika od funkcionalnih grupa, nižoj energiji, a time i maksimalnoj stabilnosti sistema. Jednostavno rečeno, jedna OH grupa gleda prema gore, a druga prema dolje. U isto vrijeme, spojevi sa dva hidroksila su nestabilni: na jednom atomu ugljika, koji se formira u reakcionoj smjesi, odmah se dehidriraju, pretvarajući se u aldehide.
Klasifikacija
Hemijska svojstva etilen glikola određena su njegovim porijeklom iz grupe polihidričnih alkohola, odnosno podgrupe diola, odnosno spojeva sa dva hidroksilna fragmenta na susjednim atomima ugljika. Supstanca koja također sadrži nekoliko OH supstituenata je glicerol. Ima tri funkcionalne grupe alkohola i najčešći je član svoje podklase.
Mnoga jedinjenja ove klase se takođe dobijaju i koriste u hemijskoj proizvodnji za različite sinteze i druge svrhe, ali upotreba etilen glikola je u ozbiljnijim razmerama i uključena je u skoro sve industrije. O ovom pitanju će se detaljnije raspravljati u nastavku.
Fizičke karakteristike
Upotreba etilen glikola je zbog prisustva brojnihsvojstva koja su svojstvena polihidričnim alkoholima. Ovo su karakteristične karakteristike koje su karakteristične samo za ovu klasu organskih jedinjenja.
Najvažnije od svojstava je neograničena mogućnost miješanja sa H2O. Voda + etilen glikol daje rastvor sa jedinstvenom karakteristikom: njegova tačka smrzavanja, u zavisnosti od koncentracije diola, je 70 stepeni niža od one kod čistog destilata. Važno je napomenuti da je ova ovisnost nelinearna, a kada se postigne određeni kvantitativni sadržaj glikola, počinje suprotan efekat - tačka smrzavanja raste s povećanjem procenta otopljene tvari. Ova karakteristika je našla primenu u proizvodnji raznih antifriza, tečnosti protiv smrzavanja koje kristališu pri ekstremno niskim termičkim karakteristikama okoline.
Osim u vodi, proces rastvaranja teče dobro u alkoholu i acetonu, ali se ne opaža u parafinima, benzenima, eterima i tetrahloridu ugljenika. Za razliku od svog alifatskog pretka - takve plinovite tvari kao što je etilen, etilen glikol je prozirna tekućina nalik sirupu s blago žutom nijansom, slatkastog okusa, s nekarakterističnim mirisom, praktički neisparljiva. Zamrzavanje 100% etilen glikola se dešava na -12,6 stepeni Celzijusa, a ključanje na +197,8 U normalnim uslovima, gustina je 1,11 g/cm3.
Metode dobijanja
Etilen glikol se može dobiti na nekoliko načina, od kojih neki danas imaju samo istorijski ili preparativni značaj, dok drugikoje čovjek aktivno koristi u industrijskim razmjerima i ne samo. Hronološkim redom, pogledajmo najvažnije.
Prva metoda za dobijanje etilen glikola iz dibrometana je već opisana gore. Formula etilena, čija je dvostruka veza prekinuta, a slobodne valencije zauzimaju halogeni, glavni polazni materijal u ovoj reakciji, pored ugljika i vodika, u svom sastavu ima i dva atoma broma. Formiranje intermedijarnog jedinjenja u prvoj fazi procesa moguće je upravo zbog njihove eliminacije, odnosno zamjene acetatnim grupama, koje se daljom hidrolizom pretvaraju u alkoholne.
U procesu daljeg razvoja nauke, postalo je moguće dobiti etilen glikol direktnom hidrolizom bilo kog etana supstituisanog sa dva halogena na susednim atomima ugljenika, korišćenjem vodenih rastvora metalnih karbonata iz alkalne grupe ili (manje ekološki prihvatljivih). prijateljski reagens) H2 Oh i olovni dioksid. Reakcija je prilično "radno intenzivna" i odvija se samo na značajno povišenim temperaturama i pritiscima, ali to nije spriječilo Nijemce da koriste ovu metodu tokom svjetskih ratova za proizvodnju etilen glikola u industrijskim razmjerima.
Metoda dobijanja etilen glikola iz etilen hlorhidrina njegovom hidrolizom sa ugljeničnim solima metala alkalne grupe takođe je odigrala svoju ulogu u razvoju organske hemije. Sa povećanjem temperature reakcije na 170 stepeni, prinos ciljnog proizvoda dostigao je 90%. Ali postojao je značajan nedostatak - glikol se morao nekako izvući iz otopine soli, što je direktno povezano sniz poteškoća. Naučnici su rešili ovaj problem tako što su razvili metodu sa istim početnim materijalom, ali su proces podelili u dve faze.
Etilen glikol acetat hidroliza, kao ranija završna faza Wurtz metode, postala je posebna metoda kada su uspjeli dobiti početni reagens oksidacijom etilena u octenoj kiselini kisikom, odnosno bez upotrebe skupih i potpuno neekološka jedinjenja halogena.
Takođe, postoji mnogo načina za proizvodnju etilen glikola oksidacijom etilena hidroperoksidima, peroksidima, organskim perkiselinama u prisustvu katalizatora (osmijevih jedinjenja), kalijum hlorata, itd. Postoje i elektrohemijske i radijaciono-hemijske metode.
Karakterizacija opštih hemijskih svojstava
Hemijska svojstva etilen glikola određuju njegove funkcionalne grupe. Reakcije mogu uključivati jedan hidroksilni supstituent ili oba, ovisno o uvjetima procesa. Glavna razlika u reaktivnosti leži u činjenici da se zbog prisustva više hidroksila u polihidričnom alkoholu i njihovog međusobnog utjecaja ispoljavaju jača kiselinska svojstva od monohidrične "braće". Dakle, u reakcijama sa alkalijama proizvodi su soli (za glikol - glikolati, za glicerol - glicerati).
Hemijska svojstva etilen glikola, kao i glicerina, uključuju sve reakcije alkohola iz kategorije monohidričnih. Glikol daje pune i parcijalne estre u reakcijama sa jednobaznim kiselinama, glikolati nastaju sa alkalnim metalima, a kadau hemijskom procesu s jakim kiselinama ili njihovim solima oslobađa se aldehid octene kiseline - zbog eliminacije atoma vodika iz molekule.
Reakcije s aktivnim metalima
Reakcija etilen glikola sa aktivnim metalima (nakon vodonika u seriji hemijske jačine) na povišenim temperaturama daje etilen glikolat odgovarajućeg metala, plus se oslobađa vodonik.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, gdje je X aktivni dvovalentni metal.
Kvalitativna reakcija na etilen glikol
Razlikujte polihidrični alkohol od bilo koje druge tečnosti pomoću vizuelne reakcije koja je karakteristična samo za ovu klasu jedinjenja. Da biste to učinili, svježe istaloženi bakar hidroksid (2), koji ima karakterističnu plavu nijansu, sipa se u bezbojnu otopinu alkohola. Kada pomiješane komponente stupe u interakciju, talog se rastvara i otopina postaje tamnoplava - kao rezultat stvaranja bakarnog glikolata (2).
Polimerizacija
Hemijska svojstva etilen glikola su od velike važnosti za proizvodnju rastvarača. Intermolekularna dehidracija pomenute supstance, odnosno eliminacija vode iz svake od dve molekule glikola i njihova naknadna kombinacija (jedna hidroksilna grupa je potpuno eliminisana, a iz druge se uklanja samo vodik), omogućava dobijanje jedinstveni organski rastvarač - dioksan, koji se često koristi u organskoj hemiji, uprkos svojoj visokoj toksičnosti.
Hydroxy exchangedo halogena
Kada etilen glikol interaguje sa halogenovodonična kiselina, primećuje se zamena hidroksilnih grupa odgovarajućim halogenom. Stupanj supstitucije ovisi o molarnoj koncentraciji halogenovodonika u reakcijskoj smjesi:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, gdje je X klor ili brom.
Nabavite Eter
U reakcijama etilen glikola sa azotnom kiselinom (određene koncentracije) i jednobaznim organskim kiselinama (mravlja, sirćetna, propionska, maslačna, valerinska itd.), nastaju složeni i, shodno tome, jednostavni monoesteri. Kod drugih, koncentracija dušične kiseline je glikol di- i trinitroester. Kao katalizator koristi se sumporna kiselina određene koncentracije.
Najvažniji derivati etilen glikola
Vrijedne tvari koje se mogu dobiti iz polihidričnih alkohola jednostavnim kemijskim reakcijama (opisanim gore) su etilen glikol eteri. Naime: monometil i monoetil, čije su formule HO-CH2-CH2-O-CH3 i HO-CH2-CH2-O-C2N5 respektivno. U pogledu hemijskih svojstava, oni su na mnogo načina slični glikolima, ali, kao i svaka druga klasa jedinjenja, imaju jedinstvene reaktivne karakteristike koje su im jedinstvene:
- Monometiletilen glikol je bezbojna tečnost, ali sa karakterističnim odvratnim mirisom, ključa na 124,6 stepeni Celzijusa, visoko rastvorljiva u etanolu, dr.organski rastvarači i voda, mnogo isparljiviji od glikola, i sa gustinom manjom od vode (reda 0,965 g/cm3).
- Dimetiletilen glikol je takođe tečnost, ali sa manje karakterističnim mirisom, gustine od 0,935 g/cm3, tačke ključanja od 134 stepena iznad nule i uporedive rastvorljivosti na prethodni homolog.
Upotreba celosolva - kako se općenito nazivaju monoeteri etilen glikola - prilično je uobičajena. Koriste se kao reagensi i rastvarači u organskoj sintezi. Njihova fizička svojstva se također koriste za antikorozivne i antikristalizirajuće aditive u antifrizu i motornim uljima.
Područja primjene i cijene asortimana
Trošak u fabrikama i poduzećima uključenim u proizvodnju i prodaju takvih reagensa varira u prosjeku oko 100 rubalja po kilogramu takvog hemijskog jedinjenja kao što je etilen glikol. Cijena zavisi od čistoće supstance i maksimalnog procenta ciljanog proizvoda.
Upotreba etilen glikola nije ograničena ni na jednu oblast. Dakle, kao sirovina koristi se u proizvodnji organskih rastvarača, veštačkih smola i vlakana, tečnosti koje se smrzavaju na niskim temperaturama. Uključen je u mnoge industrije kao što su automobilska, zrakoplovna, farmaceutska, električna, kožarska, duhanska. Njegova važnost za organsku sintezu je neosporno velika.
Važno je zapamtiti da je glikolotrovni spoj koji može uzrokovati nepopravljivu štetu ljudskom zdravlju. Zbog toga se skladišti u zatvorenim posudama od aluminijuma ili čelika sa obaveznim unutrašnjim slojem koji štiti kontejner od korozije, samo u vertikalnim položajima i u prostorijama koje nisu opremljene sistemima za grejanje, ali sa dobrom ventilacijom. Rok trajanja - ne duži od pet godina.
