Хімічні властивості етиленгліколю, характеристика. Двоатомний спирт. Ефіри етиленгліколю
Найвідоміші і приємним в житті людини і в промисловості речовини, що належать до категорії багатоатомних спиртів - це етиленгліколь і гліцерин. Їх дослідження і використання почалося кілька століть назад, але властивості цих органічних сполук багато в чому неповторні й унікальні, що робить їх незамінними і по сей день. Поліспирти використовують у багатьох хімічних синтезах, галузях промисловості і сферах людської життєдіяльності.
Перше «знайомство» з етиленгліколем і гліцерином: історія отримання
У 1859 році, за допомогою двухстадийного процесу взаємодії диброметану з ацетатом срібла і подальшої обробки їдким калі отриманого в першій реакції етіленглікольдіацетата, Шарль Вюрц вперше синтезував етиленгліколь. Деякий час по тому був розроблений метод прямого гідролізу диброметану, але в промислових масштабах на початку двадцятого століття двоатомний спирт 1,2-діоксіетан, він же - моноетиленгліколь, або просто гліколь, в США отримували за допомогою гідролізу етиленхлоргідрин.
На сьогоднішній день і в промисловості, і в лабораторії застосовують ряд інших методів, нових, більш економічних із сировинною і енергетичної точок зору, і екологічних, так як застосування реагентів, що містять або виділяють хлор, токсини, канцерогени та інші небезпечні для навколишнього середовища і людини речовини, скорочується в міру розвитку «зеленої» хімії.
Аптекарем Карлом Вільгельмом Шееле в 1779 році був відкритий гліцерин, а особливості складу з`єднання вивчив в 1836 році Теофіль Жуль Пелузій. Двома десятиліттями пізніше було встановлено і обгрунтовано будова молекули даного трьохатомної спирту в працях П`єра Ежена Марселея Вертіло і Шарля Вюрца. Нарешті, ще двадцять років по тому Шарль Фрідель провів повний синтез гліцерину. В даний час промисловість використовує два методи його отримання: через хлористий аліл з пропілену, а також через акролеин. Хімічні властивості етіленгіліколя, як і гліцерину, широко використовують в різних сферах хімічного виробництва.
Будова і структура з`єднання
В основі молекули лежить неграничний вуглеводневий скелет етилену, що складається з двох атомів карбону, в якому стався розрив подвійного зв`язку. На звільнені валентні місця у атомів вуглецю приєдналися дві гідроксильні групи. Формула етилену - З2Н4, після розриву кран зв`язку та приєднання гідроксильних груп (через кілька стадій) вона виглядає як С2Н4(ОН)2. Це і є етиленгліколь.
Відео: № 70. Органічна хімія. Тема 15. Спирти, алканоли. Частина 13. Хімічні властивості гліцерину
Молекулі етилену властива лінійна структура, в той час як двоатомний спирт має якусь подобу транс-конфігурціі в розміщенні гідроксильних груп по відношенню до вуглецевого остову і один до одного (в повній мірі цей термін застосовний до положення щодо кратного зв`язку). Така дислокація відповідає самому віддаленому розташуванню відрядив з функціональних груп, меншою енергії, а значить - максимальної стійкості системи. Попросту кажучи, одна ОН-група «дивиться» вгору, а інша - вниз. У той же час нестійкими є з`єднання з двома гидроксилами: при одному атомі карбону, образуясь в реакційній суміші, вони тут же дегидратируются, переходячи в альдегіди.
класифікаційна належність
Хімічні властивості етиленгліколю визначаються його походженням з групи багатоатомних спиртів, а саме підгрупи діолів, тобто з`єднань з двома гідроксильними фрагментами у сусідніх атомів карбону. Речовиною, також містить кілька ОН-заступників, є і гліцерин. Він має три спиртових функціональних групи і є найпоширенішим представником свого підкласу.
Багато з`єднання цього класу також отримують і використовують у хімічному виробництві для різних синтезів та інших цілей, але застосування етиленгліколю має більш серйозні масштаби і задіяно практично у всіх галузях промисловості. Це питання буде розглянуто нижче більш докладно.
Фізичні характеристики
Застосування етиленгліколю пояснюється наявністю ряду властивостей, які притаманні багатоатомним спиртів. Це відмінні риси, характерні тільки для даного класу органічних сполук.
Найважливіше з властивостей - це необмежена здатність змішуватися з Н2О. Вода + етиленгліколь дає розчин, що володіє унікальною характеристикою: температура його замерзання, в залежності від концентрації диола, нижче на 70 градусів, ніж у чистого дистиляту. Важливо відзначити, що залежність ця нелінійна, і після досягнення певного кількісного вмісту гліколю починається зворотний ефект - температура замерзання підвищується при збільшенні процентного вмісту речовини, що розчиняється. Ця особливість знайшла застосування в області виробництва різних антифризів, рідин «незамерзаек», які кристалізуються при вкрай низьких термічних характеристиках навколишнього середовища.
Крім як у воді, процес розчинення відмінно протікає в спирті і ацетоні, але не спостерігається в парафін, бензол, ефірах і тетрахлорметане. На відміну від свого алифатического родоначальника - такого газоподібної речовини, як етилен, етиленгліколь - це сиропоподібна, прозора, з незначним жовтим відтінком рідина, солодкувата на смак, з нехарактерним запахом, практично нелетка. Замерзання стовідсоткового етиленгліколю відбувається при - 12,6 градусах Цельсія, а кипіння - при +197,8. У нормальних умовах щільність становить 1,11 г / см3.
методи отримання
Етиленгліколь можна отримати декількома способами, деякі з них сьогодні мають лише історичне або препаративні значення, а інші активно використовуються людиною в промислових масштабах і не тільки. Дотримуючись в хронологічному порядку, розглянемо найважливіші.
Вище вже був описаний перший метод отримання етиленгліколю з диброметану. Формула етилену, подвійний зв`язок якого розірвана, а вільні валентності зайняті галогенами, - головного вихідної речовини в даній реакції - крім вуглецю і водню має в своєму складі два атома брому. Освіта проміжного з`єднання на першій ступені процесу можливо саме завдяки їх отщеплению, т. Е. Заміщенню ацетатно групами, які при подальшому гідролізі перетворюються в спиртові.
У процесі подальшого розвитку науки стало можливим отримання етиленгліколю прямим гідролізом будь-яких Етан, заміщених двома галогенами у сусідніх атомів карбону, за допомогою водних розчинів карбонатів металів з лужної групи або (менш екологічний реагент) Н2О і діоксиду свинцю. Реакція досить «трудомістка» і протікає лише при значно підвищених температурах і тиску, але це не завадило німцям в періоди світових воєн використовувати цей метод для виробництва етиленгліколю в промислових масштабах.
Свою роль в становленні органічної хімії зіграв і спосіб отримання етиленгліколю з етиленхлоргідрин шляхом його гідролізу вугільними солями металів лужної групи. При підвищенні температури реакції до 170 градусів вихід цільового продукту досягав 90%. Але був значний недолік - гліколь потрібно було якось витягувати з розчину солі, що безпосередньо пов`язане з рядом труднощів. Вчені вирішили це питання, розробивши метод з тим же вихідним речовиною, але розбивши процес на дві стадії.
Гідроліз етіленглікольацетатов, будучи раніше завершальною стадією методу Вюрца, став окремим способом, коли зуміли отримати вихідний реагент окисленням етилену в оцтової кислоти киснем, тобто без застосування дорогих і зовсім неекологічних з`єднань галогенів.
Відео: № 66. Органічна хімія. Тема 15. Спирти, алканоли. Частина 9. Двохатомні спирти - гликоли
Відомо також багато способів виробництва етиленгліколю шляхом окислення етилену гідроперекисів, перекису, органічними надкислотами в присутності каталізаторів (з`єднань осмію), хлоратом калію та ін. Також існують електрохімічні і радіаційно-хімічні методи.
Характеристика загальних хімічних властивостей
Хімічні властивості етиленгліколю визначаються його функціональними групами. У реакціях може брати участь один гідроксильний заступник або обидва, в залежності від умов процесу. Головна відмінність в реакційної здатності полягає в тому, що за рахунок наявності у багатоатомного спирту декількох гидроксилов і їх взаємного впливу проявляються сильніші кислотні властивості, ніж у одноатомних "побратимів". Тому в реакціях з лугами продуктами є солі (для гліколю - гликолятов, для гліцерину - гліцерати).
В хімічні властивості етиленгліколю, так само як і гліцерину, входять всі реакції спиртів з категорії одноатомних. Гліколь дає повні і неповні ефіри в реакціях з одноосновними кислотами, гликолятов, відповідно, утворюються з лужними металами, а при хімічному процесі з сильними кислотами або їх солями виділяється альдегід оцтової кислоти - за рахунок відщеплення від молекули атома водню.
Реакції з активними металами
Взаємодія етиленгліколю з активними металами (що стоять після водню в хімічному ряді напруженості) при підвищених температурах дає етиленгліколь відповідного металу, плюс виділяється водень.
Відео: № 75. Органічна хімія. Тема 15. Спирти, алканоли. Частина 18. Хімічні властивості фенолу
З2Н4(ОН)2 + Х З2Н4Про2Х, де Х - активний двовалентний метал.
якісна реакція на етиленгліколь
Відрізнити багатоатомний спирт від будь-якої іншої рідини можна за допомогою наочної реакції, характерної тільки для даного класу сполук. Для цього до безбарвному розчину спирту вливають свіжоосадженого гідроксид міді (2), що має характерний блакитний відтінок. При взаємодії змішаних компонентів спостерігається розчинення осаду і фарбування розчину в насичено синій колір - в результаті утворення гликолятов міді (2).
полімеризація
Хімічні властивості етиленгліколю мають велике значення для виробництва розчинників. Межмолекулярная дегідратація згаданої речовини, тобто відщеплення води від кожної з двох молекул гліколю і їх подальше об`єднання (одна гідроксильна група відщеплюється повністю, а від іншої відходить тільки водень), дає можливість отримання унікального органічного розчинника - діоксану, який часто використовується в органічній хімії, незважаючи на його високу токсичність.
Обмін гідроксилу на галоген
При взаємодії етиленгліколю з галогеноводородних кислотами спостерігається заміна гідроксильних груп відповідним галогеном. Ступінь заміщення залежить від мольної концентрації галогенводорода в реакційній суміші:
НО-СН2-СН2-ВІН + 2НХ Х-СН2-СН2-Х, де Х - хлор або бром.
отримання ефірів
У реакціях етиленгліколю з азотною кислотою (певної концентрації) і одноосновними органічними кислотами (мурашиної, оцтової, пропіонової, масляної, валеріанової і т. Д.) Відбувається утворення складних і, відповідно, простих моноефіри. При інших концентрація азотної кислоти - ді-і трінітроефіров гліколю. В якості каталізатора використовується сірчана кислота заданої концентрації.
Найважливіші похідні етиленгліколю
Цінними речовинами, які можна отримати з багатоатомних спиртів за допомогою нескладних хімічних реакцій (Описаних вище), є ефіри етиленгліколю. А саме: монометіловий і моноетиловий, формули яких - НО-СН2-СН2-О-СН3 і НО-СН2-СН2-О-С2Н5 відповідно. За хімічні властивості вони багато в чому схожі на гликоли, але, так само, як і будь-який інший клас сполук, мають унікальні реакційні особливості, властиві тільки їм:
- Монометілетіленгліколь є рідиною без кольору, але з характерним жахливу запахом, закипаючу при 124,6 градусах Цельсія, відмінно розчиняється в етанолі, інших органічних розчинниках і воді, значно більш летючу, ніж гліколь, і з щільністю, меншою, ніж у води (близько 0,965 г / см3).
- Діметілетіленгліколь - також рідина, але з менш характерним запахом, щільністю 0,935 г / см3, температурою закипання 134 градуса вище нуля і розчинність, порівняльної з попереднім гомологом.
Застосування ронгаліту і сульфованих жирових - так в загальному називають моноефіри етиленгліколю - досить поширене. Вони використовуються в якості реагентів і розчинників в органічному синтезі. Також застосовуються і їх Фізичні властивості для антикорозійних і антікрісталлізаціонних добавок в антифризи і моторні масла.
Області застосування і цінова політика продукционного ряду
Вартість на заводах і підприємствах, що займаються виробництвом і продажем подібних реактивів, коливається в середньому близько 100 рублів за кілограм такого хімічної сполуки, як етиленгліколь. Ціна залежить від чистоти речовини і максимального процентного вмісту цільового продукту.
Застосування етиленгліколю не обмежується якоюсь однією областю. Так, в якості сировини його використовують у виробництві органічних розчинників, штучних смол і волокон, рідин, замерзаючих при негативних температурах. Він задіяний у багатьох промислових галузях, таких як автомобільна, авіаційна, фармацевтична, електротехнічна, шкіряна, тютюнова. Незаперечно вагомо його значення для органічного синтезу.
Важливо пам`ятати, що гліколь - це токсична сполука, яка може завдати непоправної шкоди здоров`ю людини. Тому його зберігають в герметичних судинах з алюмінію або сталі з обов`язковим внутрішнім шаром, що захищає ємність від корозії, тільки в вертикальних положеннях і приміщеннях, не обладнаних опалювальними системами, але з хорошою вентиляцією. Термін - не більше п`яти років.
