A többértékű alkoholok kategóriájába tartozó leghíresebb és az emberi életben és iparban használt anyagok az etilénglikol és a glicerin. Kutatásuk és felhasználásuk több évszázaddal ezelőtt kezdődött, de ezeknek a szerves vegyületeknek a tulajdonságai sok tekintetben utánozhatatlanok és egyediek, ami a mai napig nélkülözhetetlenné teszi őket. A többértékű alkoholokat a kémiai szintézisben, az iparban és az emberi élet számos területén használják.
Az első „ismerkedés” az etilénglikollal és a glicerinnel: a beszerzés története
1859-ben Charles Wurtz először etilénglikolt állított elő egy kétlépcsős eljárással, amelyben a dibróm-etánt ezüst-acetáttal reagáltatták, majd az első reakcióban kapott etilénglikol-diacetátot maró hamuzsírral kezelték. Nem sokkal később kidolgozták a dibróm-etán közvetlen hidrolízisének módszerét, de a huszadik század elején ipari méretekben az Egyesült Államokban a dihidroxi-alkoholt, 1,2-dioxietánt, más néven monoetilénglikolt vagy egyszerűen glikolt.etilén-klórhidrin hidrolízisével nyerik.
Ma már az iparban és a laboratóriumban is számos egyéb módszert alkalmaznak, új, nyersanyag és energia szempontjából gazdaságosabb, környezetbarát, hiszen a klórtartalmú vagy kibocsátó reagensek használata, toxinok, rákkeltő anyagok és más, a környezetre és az emberre veszélyes anyagok mennyisége csökken a „zöld” kémia fejlődésével.
A glicerint Carl Wilhelm Scheele gyógyszerész fedezte fel 1779-ben, Theophile Jules Pelouze pedig 1836-ban tanulmányozta a vegyület összetételét. Két évtizeddel később Pierre Eugene Marseille Vertelot és Charles Wurtz munkáiban megállapították és alátámasztották ennek a háromértékű alkoholnak a molekulájának szerkezetét. Végül húsz évvel később Charles Friedel végrehajtotta a glicerin teljes szintézisét. Jelenleg az ipar két módszert alkalmaz az előállítására: propilénből allil-kloriddal, valamint akroleinnel. Az etilénglikol kémiai tulajdonságait a glicerinhez hasonlóan széles körben alkalmazzák a vegyipari gyártás különböző területein.
A kapcsolat felépítése és szerkezete
A molekula egy telítetlen etilén szénhidrogénvázon alapul, amely két szénatomból áll, és amelyben egy kettős kötés megszakadt. A szénatomoknál két hidroxilcsoportot adtunk a megüresedett vegyértékhelyekhez. Az etilén képlete C2H4, a darukötés megszakítása és a hidroxilcsoportok hozzáadása után (több lépés után) úgy néz ki, mint C2N4(OH)2. Az az amietilénglikol.
Az etilénmolekula lineáris szerkezetű, míg a kétértékű alkohol egyfajta transz-konfigurációt mutat a hidroxilcsoportok szénvázhoz és egymáshoz viszonyított elhelyezésében (ez a kifejezés teljes mértékben érvényes a a többszörös kötés). Az ilyen diszlokáció megfelel a hidrogének legtávolabbi elhelyezkedésének a funkciós csoportoktól, alacsonyabb energiájú, és ezáltal a rendszer maximális stabilitásának. Egyszerűen fogalmazva, az egyik OH-csoport felfelé, a másik lefelé néz. Ugyanakkor a két hidroxilcsoportot tartalmazó vegyületek instabilak: egy szénatomnál a reakcióelegyben képződve azonnal kiszáradnak, és aldehidekké alakulnak.
Osztályozás
Az etilénglikol kémiai tulajdonságait az határozza meg, hogy a többértékű alkoholok csoportjából származott, nevezetesen a diolok alcsoportjából, vagyis olyan vegyületekből, amelyek szomszédos szénatomjain két hidroxilfragmens található. Több OH szubsztituenst is tartalmazó anyag a glicerin. Három alkohol funkciós csoportja van, és alosztályának leggyakoribb tagja.
Sok ebbe az osztályba tartozó vegyületet is előállítanak és felhasználnak vegyipari termelésben különféle szintézisekre és egyéb célokra, de az etilénglikol használata komolyabb léptékű, és szinte minden iparágban érintett. Ezt a problémát az alábbiakban részletesebben tárgyaljuk.
Fizikai jellemzők
Az etilénglikol használata számos vegyület jelenlétének köszönhetőolyan tulajdonságok, amelyek a többértékű alkoholokban rejlenek. Ezek olyan megkülönböztető jellemzők, amelyek csak a szerves vegyületek ezen osztályára jellemzőek.
A tulajdonságok közül a legfontosabb a H2O-val való korlátlan keverhetőség. A víz + etilénglikol egyedülálló tulajdonságú oldatot ad: fagyáspontja a diolkoncentrációtól függően 70 fokkal alacsonyabb, mint a tiszta desztillátumé. Fontos megjegyezni, hogy ez a függőség nem lineáris, és egy bizonyos mennyiségi glikoltartalom elérésekor az ellenkező hatás kezdődik - a fagyáspont az oldott anyag százalékos arányának növekedésével emelkedik. Ezt a funkciót különféle fagyállók, fagyálló folyadékok gyártásában találták meg, amelyek a környezet rendkívül alacsony termikus jellemzői mellett kristályosodnak ki.
A víz kivételével az oldódási folyamat jól megy végbe alkoholban és acetonban, de nem figyelhető meg paraffinokban, benzolokban, éterekben és szén-tetrakloridban. Az alifás ősétől eltérően - egy olyan gáznemű anyag, mint az etilén, az etilénglikol szirupszerű, átlátszó folyadék, enyhén sárga árnyalattal, édes ízű, jellegzetes szagú, gyakorlatilag nem illékony. A 100%-os etilénglikol megfagyása -12,6 Celsius-fokon, forráspontja pedig +197,8°C. Normál körülmények között a sűrűsége 1,11 g/cm3.
Módszerek beszerzése
Az etilénglikolt többféle módon is be lehet szerezni, ezek egy részének ma már csak történeti vagy preparatív jelentősége van, míg másoknakaz ember aktívan használja ipari méretekben, és nem csak. Időrendi sorrendben nézzük meg a legfontosabbakat.
Az etilénglikol dibróm-etánból történő előállításának első módszerét fentebb már leírtuk. Az etilén képlete, amelynek kettős kötése megszakad, és a szabad vegyértékeket halogének foglalják el, a reakció fő kiindulási anyaga a szén és a hidrogén mellett két brómatomot tartalmaz. A közbenső vegyület képződése az eljárás első szakaszában éppen azok eliminációja, azaz acetátcsoportokkal való helyettesítése révén lehetséges, amelyek további hidrolízis során alkoholossá alakulnak.
A tudomány további fejlődése során lehetővé vált etilénglikol előállítása bármely, a szomszédos szénatomokon két halogénnel szubsztituált etán közvetlen hidrolízisével, lúgos csoportból származó fém-karbonátok vizes oldatával vagy (kevésbé környezetkímélő) barátságos reagens) H2 Ó és ólom-dioxid. A reakció meglehetősen "munkaigényes", és csak jelentősen megemelt hőmérsékleten és nyomáson megy végbe, de ez nem akadályozta meg a németeket abban, hogy a világháborúk során ezt a módszert alkalmazzák etilénglikol ipari méretekben történő előállítására.
A szerves kémia fejlődésében szerepet játszott az a módszer is, amellyel etilén-glikolt nyernek etilén-klórhidrinből alkálifémek szénsóival végzett hidrolízissel. A reakcióhőmérséklet 170 fokra emelésével a céltermék kitermelése elérte a 90%-ot. De volt egy jelentős hátránya - a glikolt valahogyan ki kellett vonni a sóoldatból, ami közvetlenül kapcsolódikszámos nehézség. A tudósok úgy oldották meg ezt a problémát, hogy kidolgoztak egy módszert ugyanazzal a kiindulási anyaggal, de a folyamatot két szakaszra bontották.
Az etilénglikol-acetátos hidrolízis, a Wurtz-módszer korábbi utolsó szakasza, akkor vált külön módszerré, amikor sikerült a kiindulási reagenst ecetsavban oxigénnel oxidálva etilént nyerniük, azaz drága, ill. teljesen környezetbarát halogénvegyületek.
Sokféleképpen lehet etilénglikolt előállítani úgy, hogy az etilént hidroperoxidokkal, peroxidokkal, szerves persavakkal katalizátorok (ozmiumvegyületek), kálium-klorát stb. jelenlétében oxidálják. Léteznek elektrokémiai és sugárkémiai módszerek is.
Általános kémiai tulajdonságok jellemzése
Az etilénglikol kémiai tulajdonságait funkciós csoportjai határozzák meg. A reakciók az eljárás körülményeitől függően egy hidroxil-szubsztituenst vagy mindkettőt tartalmazhatnak. A fő különbség a reakciókészségben abban rejlik, hogy egy többértékű alkoholban több hidroxilcsoport jelenléte és egymásra hatásuk következtében erősebb savas tulajdonságok nyilvánulnak meg, mint az egyértékű "testvérek". Ezért a lúgokkal való reakciók során a termékek sók (glikolnál - glikolátok, glicerinnél - glicerátok).
Az etilénglikol, valamint a glicerin kémiai tulajdonságai magukban foglalják az egyértékű alkoholok kategóriájába tartozó összes reakciót. A glikol egybázisú savakkal való reakciók során teljes és részleges észtereket ad, alkálifémekkel glikolátok képződnek, és amikorerős savakkal vagy sóikkal végzett kémiai folyamat során ecetsav-aldehid szabadul fel - a hidrogénatom molekulából való eltávolítása miatt.
Reakciók aktív fémekkel
Etilénglikol reakciója aktív fémekkel (a kémiai szilárdsági sorozatban a hidrogén után) megemelt hőmérsékleten a megfelelő fém etilénglikolátját eredményezi, valamint hidrogén szabadul fel.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, ahol X az aktív kétértékű fém.
Minőségi reakció etilénglikolra
A többértékű alkoholt minden más folyadéktól megkülönböztetheti vizuális reakcióval, amely csak erre a vegyületosztályra jellemző. Ehhez a frissen kicsapott réz-hidroxidot (2), amelynek jellegzetes kék árnyalata van, színtelen alkohololdatba öntik. Amikor a kevert komponensek kölcsönhatásba lépnek, a csapadék feloldódik, és az oldat mélykék színűvé válik - a réz-glikolát képződése következtében (2).
Polimerizáció
Az etilénglikol kémiai tulajdonságai nagy jelentőséggel bírnak az oldószerek előállításában. Az említett anyag intermolekuláris dehidratációja, vagyis a víz eltávolítása a glikol mindkét molekulájából, majd ezek kombinációja (az egyik hidroxilcsoport teljesen megszűnik, a másikból pedig csak a hidrogén távozik) lehetővé teszi, hogy megkapjuk. egyedülálló szerves oldószer - a dioxán, amelyet magas toxicitása ellenére gyakran használnak a szerves kémiában.
Hidroxicserehalogénre
Amikor az etilénglikol kölcsönhatásba lép hidrogén-halogenidekkel, megfigyelhető a hidroxilcsoportok megfelelő halogénnel való helyettesítése. A szubsztitúció mértéke a reakcióelegyben lévő hidrogén-halogenid moláris koncentrációjától függ:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, ahol X klór vagy bróm.
Get Ether
Az etilénglikol és a salétromsav (bizonyos koncentrációjú) és egybázisú szerves savak (hangya-, ecetsav, propionsav, vajsav, valerián stb.) reakciói során komplex és ennek megfelelően egyszerű monoészterek képződnek. Más esetekben a salétromsav koncentrációja glikol-di- és trinitro-észterek. Adott koncentrációjú kénsavat használnak katalizátorként.
Az etilénglikol legfontosabb származékai
Az etilénglikol-éterek értékes anyagok, amelyek többértékű alkoholokból egyszerű kémiai reakciókkal nyerhetők (lásd fent). Nevezetesen: monometil és monoetil, amelyek képlete HO-CH2-CH2-O-CH3 és HO-CH2-CH2-O-C2N5 rendre. Kémiai tulajdonságaikat tekintve sok tekintetben hasonlítanak a glikolokhoz, de a többi vegyületcsoporthoz hasonlóan egyedi reaktív tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek csak rájuk jellemzőek:
- A monometil-etilénglikol színtelen, de jellegzetes undorító szagú folyadék, forráspontja 124,6 Celsius fok, etanolban jól oldódik, egyébszerves oldószerek és víz, sokkal illékonyabb, mint a glikol, és sűrűsége kisebb, mint a vízé (nagyságrendileg 0,965 g/cm3).
- A dimetil-etilénglikol szintén folyékony, de kevésbé jellegzetes szagú, sűrűsége 0,935 g/cm3, forráspontja 134 fokkal nulla feletti és oldhatósága hasonló az előző homológhoz.
A celloszolvok – ahogy általában etilénglikol-monoétereket neveznek – használata meglehetősen gyakori. Reagensként és oldószerként használják a szerves szintézisekben. Fizikai tulajdonságaikat fagyálló és motorolajok korrózió- és kristályosodásgátló adalékaihoz is felhasználják.
A termékskála alkalmazási területei és árai
Az ilyen reagensek gyártásával és értékesítésével foglalkozó gyárak és vállalkozások költségei átlagosan körülbelül 100 rubel/kg körül mozognak az ilyen kémiai vegyület, például az etilénglikol esetében. Az ár az anyag tisztaságától és a céltermék maximális százalékától függ.
Az etilénglikol használata nem korlátozódik egyetlen területre sem. Nyersanyagként tehát szerves oldószerek, műgyanták és szálak, alacsony hőmérsékleten megfagyó folyadékok előállításához használják. Számos iparágban vesz részt, mint például az autóipar, a repülés, a gyógyszeripar, az elektromosság, a bőripar, a dohányipar. Jelentősége a szerves szintézisben tagadhatatlanul nagy.
Fontos emlékezni arra, hogy a glikol azmérgező vegyület, amely helyrehozhatatlan károkat okozhat az emberi egészségben. Ezért alumíniumból vagy acélból készült, lezárt edényekben, kötelező belső réteggel, amely megvédi a tartályt a korróziótól, csak függőleges helyzetben és olyan helyiségekben tárolják, amelyek nem rendelkeznek fűtési rendszerrel, de jó szellőzést biztosítanak. Lejárati idő – legfeljebb öt év.
