De mest berømte og brugte stoffer i menneskers liv og industri, der tilhører kategorien polyvalente alkoholer, er ethylenglycol og glycerin. Deres forskning og brug begyndte for flere århundreder siden, men egenskaberne af disse organiske forbindelser er på mange måder uforlignelige og unikke, hvilket gør dem uundværlige den dag i dag. Polyvalente alkoholer bruges i mange kemiske synteser, industrier og områder af menneskelivet.
Det første "bekendtskab" med ethylenglycol og glycerin: historien om at opnå
I 1859, gennem en to-trins proces med at reagere dibromethan med sølvacetat og derefter behandle ethylenglycoldiacetatet opnået i den første reaktion med kaustisk kaliumchlorid, syntetiserede Charles Wurtz først ethylenglycol. Nogen tid senere blev en metode til direkte hydrolyse af dibromethan udviklet, men i industriel skala i begyndelsen af det tyvende århundrede, divalent alkohol 1, 2-dioxyethan, også kendt som monoethylenglycol, eller blot glycol, i USAopnået ved hydrolyse af ethylenchlorhydrin.
I dag, både i industrien og i laboratoriet, anvendes en række andre metoder, nye, mere økonomiske ud fra et råvare- og energisynspunkt og miljøvenlige, da brugen af reagenser, der indeholder eller afgiver klor, toksiner, kræftfremkaldende stoffer og andre farlige stoffer for miljøet og mennesker, er faldende med udviklingen af "grøn" kemi.
Glycerin blev opdaget af farmaceuten Carl Wilhelm Scheele i 1779, og Theophile Jules Pelouze studerede sammensætningen af forbindelsen i 1836. To årtier senere blev strukturen af molekylet af denne trivalente alkohol etableret og underbygget i Pierre Eugene Marseille Vertelots og Charles Wurtz's værker. Endelig, tyve år senere, udførte Charles Friedel den fuldstændige syntese af glycerol. I øjeblikket bruger industrien to metoder til sin produktion: gennem allylchlorid fra propylen og også gennem acrolein. De kemiske egenskaber af ethylenglycol, ligesom glycerin, er meget udbredt inden for forskellige områder af kemisk produktion.
Strukturen og strukturen af forbindelsen
Molekylet er baseret på et umættet kulbrinteskelet af ethylen, bestående af to kulstofatomer, hvori en dobbeltbinding er blevet brudt. To hydroxylgrupper blev tilføjet til de forladte valenssteder ved carbonatomerne. Formlen for ethylen er C2H4, efter brud på kranbindingen og tilføjelse af hydroxylgrupper (efter flere trin) ser det ud som C2N4(OH)2. Det er, hvad det erethylenglycol.
Ethylenmolekylet har en lineær struktur, mens den divalente alkohol har en slags trans-konfiguration i placeringen af hydroxylgrupper i forhold til kulstofrygraden og til hinanden (dette udtryk er fuldt anvendeligt for positionen ift. multipelbindingen). En sådan dislokation svarer til den fjerneste placering af hydrogener fra funktionelle grupper, lavere energi og dermed systemets maksimale stabilitet. Enkelt sagt, en OH-gruppe ser op, og den anden ser ned. Samtidig er forbindelser med to hydroxylgrupper ustabile: ved et carbonatom, der dannes i reaktionsblandingen, dehydreres de øjeblikkeligt og bliver til aldehyder.
Klassificering
De kemiske egenskaber af ethylenglycol er bestemt af dets oprindelse fra gruppen af polyvalente alkoholer, nemlig undergruppen af dioler, det vil sige forbindelser med to hydroxylfragmenter ved nabocarbonatomer. Et stof, der også indeholder flere OH-substituenter, er glycerol. Den har tre funktionelle alkoholgrupper og er det mest almindelige medlem af sin underklasse.
Mange forbindelser af denne klasse opnås og bruges også i kemisk produktion til forskellige syntese og andre formål, men brugen af ethylenglycol er i en mere seriøs skala og er involveret i næsten alle industrier. Dette problem vil blive diskuteret mere detaljeret nedenfor.
Fysiske karakteristika
Brugen af ethylenglycol skyldes tilstedeværelsen af en rækkeegenskaber, der er iboende i polyvalente alkoholer. Disse er karakteristiske træk, der kun er karakteristiske for denne klasse af organiske forbindelser.
Den vigtigste af egenskaberne er den ubegrænsede mulighed for at blande med H2O. Vand + ethylenglycol giver en opløsning med en unik egenskab: dens frysepunkt, afhængigt af diolkoncentrationen, er 70 grader lavere end for rent destillat. Det er vigtigt at bemærke, at denne afhængighed er ikke-lineær, og når et vist kvantitativt indhold af glykol er nået, begynder den modsatte effekt - frysepunktet stiger med en stigning i procentdelen af det opløste stof. Denne funktion har fundet anvendelse i produktionen af forskellige frostvæsker, anti-frostvæsker, der krystalliserer ved ekstremt lave termiske egenskaber i miljøet.
Undtagen i vand forløber opløsningsprocessen godt i alkohol og acetone, men observeres ikke i paraffiner, benzener, ethere og carbontetrachlorid. I modsætning til sin alifatiske forfader - sådan et gasformigt stof som ethylen, er ethylenglycol en siruplignende, gennemsigtig væske med en let gul nuance, sødlig i smagen, med en ukarakteristisk lugt, praktisk t alt ikke-flygtig. Nedfrysning af 100 % ethylenglycol sker ved -12,6 grader Celsius og koger ved +197,8. Under normale forhold er massefylden 1,11 g/cm3.
Få metoder
Ethylenglycol kan fås på flere måder, hvoraf nogle i dag kun har historisk eller præparativ betydning, mens andreaktivt brugt af mennesket i industriel skala og ikke kun. Lad os tage et kig på de vigtigste i kronologisk rækkefølge.
Den første metode til at opnå ethylenglycol fra dibromethan er allerede blevet beskrevet ovenfor. Formlen for ethylen, hvis dobbeltbinding er brudt, og de frie valenser er optaget af halogener, det vigtigste udgangsmateriale i denne reaktion, udover kulstof og hydrogen, har to bromatomer i sin sammensætning. Dannelsen af en mellemforbindelse på det første trin af processen er mulig netop på grund af deres eliminering, dvs. erstatning med acetatgrupper, som ved yderligere hydrolyse bliver til alkoholgrupper.
I processen med videreudvikling af videnskaben blev det muligt at opnå ethylenglycol ved direkte hydrolyse af ethaner substitueret med to halogener ved tilstødende carbonatomer ved at bruge vandige opløsninger af metalcarbonater fra den alkaliske gruppe eller (mindre miljømæssigt venligt reagens) H2 Oh og blydioxid. Reaktionen er ret "arbejdskrævende" og forløber kun ved væsentligt forhøjede temperaturer og tryk, men det forhindrede ikke tyskerne i at bruge denne metode under verdenskrigene til at producere ethylenglycol i industriel skala.
Metoden til at opnå ethylenglycol fra ethylen-chlorhydrin ved dets hydrolyse med carbons alte af alkaligruppemetaller spillede også sin rolle i udviklingen af organisk kemi. Med en stigning i reaktionstemperaturen til 170 grader nåede udbyttet af målproduktet 90%. Men der var en væsentlig ulempe - glykolen skulle på en eller anden måde ekstraheres fra s altopløsningen, som er direkte relateret tilen række vanskeligheder. Forskere løste dette problem ved at udvikle en metode med det samme udgangsmateriale, men opdele processen i to trin.
Ethylenglycolacetathydrolyse, der er det tidligere sidste trin af Wurtz-metoden, blev en separat metode, da det lykkedes at opnå startreagenset ved at oxidere ethylen i eddikesyre med oxygen, det vil sige uden brug af dyre og fuldstændig umiljøvenlige halogenforbindelser.
Der er også mange måder at fremstille ethylenglycol på ved at oxidere ethylen med hydroperoxider, peroxider, organiske persyrer i nærværelse af katalysatorer (osmiumforbindelser), kaliumchlorat osv. Der er også elektrokemiske og strålingskemiske metoder.
Karakterisering af generelle kemiske egenskaber
De kemiske egenskaber af ethylenglycol bestemmes af dets funktionelle grupper. Reaktionerne kan involvere én hydroxylsubstituent eller begge, afhængigt af procesbetingelserne. Hovedforskellen i reaktivitet ligger i det faktum, at på grund af tilstedeværelsen af flere hydroxyler i en polyvalent alkohol og deres gensidige påvirkning manifesteres stærkere sure egenskaber end monovalente "brødre". Derfor er produkterne i reaktioner med alkalier s alte (for glycol - glycolater, for glycerol - glycerater).
De kemiske egenskaber af ethylenglycol, såvel som glycerin, omfatter alle reaktioner af alkoholer fra kategorien monovalente. Glykol giver fulde og partielle estere i reaktioner med monobasiske syrer, glykolater dannes henholdsvis med alkalimetaller, og nåri en kemisk proces med stærke syrer eller deres s alte frigives eddikesyrealdehyd - på grund af eliminering af et brintatom fra et molekyle.
Reaktioner med aktive metaller
Reaktion af ethylenglycol med aktive metaller (efter brint i den kemiske styrkeserie) ved forhøjede temperaturer giver ethylenglycolat af det tilsvarende metal, plus at der frigives brint.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, hvor X er det aktive divalente metal.
Kvalitativ reaktion på ethylenglycol
Skelne polyvalent alkohol fra enhver anden væske ved hjælp af en visuel reaktion, der kun er karakteristisk for denne klasse af forbindelser. For at gøre dette hældes frisk udfældet kobberhydroxid (2), som har en karakteristisk blå farvetone, i en farveløs opløsning af alkohol. Når de blandede komponenter interagerer, opløses bundfaldet, og opløsningen bliver til en dyb blå farve - som følge af dannelsen af kobberglykolat (2).
Polymerisation
Ethylenglykols kemiske egenskaber er af stor betydning for fremstillingen af opløsningsmidler. Den intermolekylære dehydrering af det nævnte stof, det vil sige elimineringen af vand fra hvert af de to glykolmolekyler og deres efterfølgende kombination (den ene hydroxylgruppe er fuldstændig elimineret, og kun hydrogen fjernes fra den anden), gør det muligt at opnå et unikt organisk opløsningsmiddel - dioxan, som ofte bruges i organisk kemi på trods af dets høje toksicitet.
Hydroxy-børstil halogen
Når ethylenglycol interagerer med hydrohalogensyrer, observeres erstatningen af hydroxylgrupper med det tilsvarende halogen. Substitutionsgraden afhænger af den molære koncentration af hydrogenhalogenid i reaktionsblandingen:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, hvor X er klor eller brom.
Få Ether
I reaktionerne af ethylenglycol med salpetersyre (af en vis koncentration) og monobasiske organiske syrer (myresyre, eddikesyre, propionsyre, smørsyre, baldriansyre osv.) dannes komplekse og følgelig simple monoestere. I andre tilfælde er koncentrationen af salpetersyre glycoldi- og trinitroestere. Svovlsyre af en given koncentration bruges som katalysator.
De vigtigste derivater af ethylenglycol
Værdifulde stoffer, der kan opnås fra polyvalente alkoholer ved hjælp af simple kemiske reaktioner (beskrevet ovenfor), er ethylenglycolethere. Nemlig: monomethyl og monoethyl, hvis formler er HO-CH2-CH2-O-CH3 og HO-CH2-CH2-O-C2N5 hhv. Med hensyn til kemiske egenskaber ligner de på mange måder glykoler, men som enhver anden klasse af forbindelser har de unikke reaktive egenskaber, der er unikke for dem:
- Monomethylethylenglycol er en farveløs væske, men med en karakteristisk modbydelig lugt, kogende ved 124,6 grader Celsius, meget opløselig i ethanol, andreorganiske opløsningsmidler og vand, meget mere flygtige end glycol og med en densitet, der er lavere end vands (i størrelsesordenen 0,965 g/cm3).
- Dimethylethylenglycol er også en væske, men med en mindre karakteristisk lugt, en massefylde på 0,935 g/cm3, et kogepunkt på 134 grader over nul og en sammenlignelig opløselighed til den forrige homolog.
Anvendelsen af cellosolver - som ethylenglycolmonoethere generelt kaldes - er ret almindelig. De bruges som reagenser og opløsningsmidler i organisk syntese. Deres fysiske egenskaber bruges også til anti-korrosions- og anti-krystallisationsadditiver i frostvæske og motorolier.
Anvendelsesområder og prissætning af produktsortimentet
Omkostningerne på fabrikker og virksomheder involveret i produktion og salg af sådanne reagenser svinger i gennemsnit omkring 100 rubler pr. kilogram af en sådan kemisk forbindelse som ethylenglycol. Prisen afhænger af stoffets renhed og den maksimale procentdel af målproduktet.
Brugen af ethylenglycol er ikke begrænset til et enkelt område. Så som råmateriale bruges det til fremstilling af organiske opløsningsmidler, kunstige harpikser og fibre, væsker, der fryser ved lave temperaturer. Det er involveret i mange industrier såsom bilindustrien, luftfart, farmaceutisk, elektrisk, læder, tobak. Dets betydning for organisk syntese er unægtelig tungtvejende.
Det er vigtigt at huske, at glykol ergiftig forbindelse, der kan forårsage uoprettelig skade på menneskers sundhed. Derfor opbevares det i forseglede beholdere lavet af aluminium eller stål med et obligatorisk indre lag, der beskytter beholderen mod korrosion, kun i lodrette positioner og i rum, der ikke er udstyret med varmesystemer, men med god ventilation. Løbetid – ikke mere end fem år.
