Alcooli (din lat. spiritus - spirit; alcooli învechiți , din arabă الكحول al -kukhul - pulbere [1] ) - compuși organici care conțin una sau mai multe grupări hidroxil (hidroxil, − O H ), direct asociate cu saturate (fiind într-un stare de sp ³-hibridare ) atom de carbon [2] . Alcoolii pot fi considerați ca derivați ai apei ( H−O−H ) în care un atom de hidrogen este înlocuit cu un organic grupa functionala : R−O−H .
În nomenclatura IUPAC pentru compușii în care gruparea hidroxil este legată de un atom de carbon nesaturat ( sp² -hibrid ), denumirile „ enoli ” (hidroxilul este asociat cu o legătură vinil C=C) [3] și „ fenoli ” ( hidroxil este asociat cu benzen sau alt inel aromatic) [4] .
Alcoolii sunt o clasă vastă și diversă de compuși: sunt foarte comune în natură și îndeplinesc adesea funcții importante în organismele vii . Alcoolii sunt compuși importanți în ceea ce privește sinteza organică , nu doar de interes ca produse finite, ci și ca intermediari cu o serie de proprietăți chimice unice . În plus, alcoolii sunt produse importante din punct de vedere industrial și au cea mai largă gamă de utilizări atât în industrie, cât și în aplicațiile de zi cu zi .
Cuvântul alcool provine din arabă. الكحل ( al-kuḥl ) - „ antimoniu sub formă de pulbere ”. Conceptul provine din tehnica alchimică de reducere a substanțelor chimice la o „pulbere”, care trebuia să fie esența pură a unei substanțe. În mod similar, alcoolul etilic este esența vinului, de unde și denumirea acestuia [1] . Cuvântul a ajuns în limba rusă prin el. Alcool , netherl . alcool sau port. , spaniolă alcool [5] . Totuși, în limba rusă , omonimul cuvântului „alcool” în sensul „pulbere fină” a fost păstrat și sub formă de arhaism , se pare, [6] .
Cuvântul alcool a apărut în rusă în timpul lui Petru I prin cuvântul englezesc spirit , care, la rândul său, provenea din latinescul spīritus - „respirație, spirit, suflet” [7] .
Alcoolurile sunt clasificate după cum urmează (exemplele sunt date între paranteze) [8] :
Conform nomenclaturii IUPAC , denumirile alcoolilor simpli sunt formate din numele alcanilor corespunzători cu adăugarea sufixului „-ol”, a cărui poziție este indicată printr-o cifră arabă.
Reguli pentru construirea denumirilor de alcooli [9] :
O băutură amețitoare din plante care conține etanol este cunoscută omenirii din cele mai vechi timpuri. Se crede că cu cel puțin 8000 de ani înaintea erei noastre, oamenii erau familiarizați cu efectul fructelor fermentate, iar mai târziu, cu ajutorul fermentației , au primit băuturi îmbătătoare care conțineau etanol din fructe și miere [13] . Descoperirile arheologice indică faptul că vinificația a existat în Asia de Vest încă din anii 5400-5000 î.Hr. e. , iar pe teritoriul Chinei moderne , provincia Henan , s-au găsit dovezi ale producției de amestecuri fermentate din orez , miere, struguri și, eventual, alte fructe, în neoliticul timpuriu : de la 6500 la 7000 de ani. î.Hr e. [paisprezece]
Pentru prima dată, alcoolul din vin a fost obținut în secolele VI-VII de către chimiștii arabi; metoda de obținere a alcoolului este cuprinsă în evidențele alchimistului persan Ar-Razi [15] . În Europa , alcoolul etilic a fost obținut din produse de fermentație în secolele XI-XII , în Italia [16] .
Alcoolul a venit pentru prima dată în Rusia în 1386, când ambasada genoveză l-a adus cu ei sub numele de „aqua vita” și l-a prezentat curții mari-ducale [17] .
În 1661, chimistul englez Robert Boyle a obținut pentru prima dată metanol prin distilarea lemnului [18] . Etanolul absolut din soluția sa apoasă a fost obținut pentru prima dată în 1796 de chimistul rus T. E. Lovitz în timpul distilării pe potasiu [16] [19] .
În 1842, chimistul german J. G. Schiel a descoperit că alcoolii formează o serie omoloagă , care diferă printr-o valoare constantă. Cu toate acestea, el a greșit când a descris-o ca fiind C2H2 . Doi ani mai târziu, un alt chimist Charles Gerard a stabilit diferența omologică corectă CH 2 și a prezis formula și proprietățile alcoolului propilic necunoscute la acel moment [20] . În 1850, chimistul englez Alexander Williamson , studiind reacția alcoolaților cu iodură de etil , a stabilit că alcoolul etilic este un derivat al apei cu un atom de hidrogen substituit, confirmând experimental formula C 2 H 5 OH [21] . Pentru prima dată, sinteza etanolului prin acțiunea acidului sulfuric asupra etilenei a fost realizată în 1854 de chimistul francez Marcelin Berthelot [21] .
Primul studiu al alcoolului metilic a fost realizat în 1834 de chimiștii francezi Jean-Baptiste Dumas și Eugène Peligot . Ei l-au numit „alcool metilic sau lemnos” pentru că a fost găsit în distilarea uscată a lemnului [22] . Sinteza metanolului din clorură de metil a fost realizată de chimistul francez Marcelin Berthelot în 1857 [23] . În 1855, a descoperit și alcoolul izopropilic , obținut prin acțiunea acidului sulfuric asupra propilenei [24] .
Pentru prima dată, un alcool terțiar ( 2-metilpropanol-2 ) a fost sintetizat în 1863 de celebrul chimist rus A. M. Butlerov , inițiind o serie întreagă de experimente în această direcție [21] .
Alcoolul dihidroxilic etilenglicolul a fost sintetizat pentru prima dată de chimistul francez A. Wurtz în 1856 [20] . Glicerina a fost descoperită în grăsimi naturale încă din 1783 de către chimistul suedez Karl Scheele , dar compoziția sa a fost descoperită abia în 1836, iar sinteza a fost realizată din acetonă în 1873 de Charles Friedel [25] .
Alcoolii sunt larg răspândiți în natură atât sub formă liberă, cât și ca parte a esterilor .
Alcoolul metilic se găsește în cantități mici la unele plante, de exemplu: hogweed ( Heracleum ) [23] .
Alcoolul etilic este un produs natural al fermentației anaerobe a alimentelor care conțin carbohidrați organici de către drojdiile din genul Saccharomyces și bacteriile Zimomonas și se formează adesea în fructe de pădure și fructe. În acest caz, carbohidrații printr-o secvență de reacții enzimatice numite glicoliză , se transformă în piruvat , care apoi trece în acetaldehidă sub acțiunea piruvat decarboxilazei . Apoi, acesta din urmă, în prezența alcool-dehidrogenazei , acceptă echivalentul reductiv al formei reduse de NAD (reducerea NAD are loc la una dintre etapele glicolizei), care dă etanol ca produs final. Acest proces nu este doar cauza acumulării de etanol în obiectele naturale, ci este utilizat activ și în vinificație, fabricarea berii și industria de panificație [26] . În timpul fermentației, se pot forma și alți alcooli, de exemplu, izopropanol , [27] butanol-1 [28] , butandiol-2,3 [29] .
Uleiurile esențiale din părțile verzi ale multor plante conțin ( Z )-hexen-3-ol-1 („alcool de frunze”), ceea ce le conferă un miros caracteristic [30] . Alcoolii terpenici sunt , de asemenea, foarte larg reprezentați în lumea plantelor , dintre care multe sunt substanțe parfumate , de exemplu: borneol (componentă a lemnului arborelui borneocamfor), mentol (în mentă , mușcate ) [31] , geraniol [32] și citronellol [33] (componente ale uleiurilor esențiale florale ), fenhol (în rășina de conifere și fructe de fenicul ), etc.
Alcoolii tetraciclici condensați (derivați gonani ) sunt larg răspândiți în regnurile animal și vegetal , care au activitate biologică ridicată și sunt incluși în clasa steroizilor , de exemplu, colesterolul , conținut în celulele aproape tuturor organismelor vii, în special animale [34] . Un grup separat de steroizi este format din alcooli polihidroxici biliari care se găsesc în bila animalelor și oamenilor: bufol , colestantetrol , colestanpentol , mixinol , scymnol , chimerol etc. [35]
În natură, există diferiți derivați alcoolici ai carbohidraților, de exemplu, sorbitol (găsit în cireșe și fructe de pădure ) [36] , manitol (în cenușă) [37] , etc.
În 1959, chimistul german Adolf Butenandt , în timp ce studia extractul unei femele de vierme de mătase , a descoperit un atractant sexual numit bombykol [38] . Studii ulterioare ale feromonilor de insecte au arătat că o parte semnificativă a acestor feromoni este reprezentată de alcooli [38] .
Mulți alcooli participă la procese biochimice importante care au loc într-un organism viu. Deci, unele vitamine aparțin clasei de alcooli, de exemplu, vitamina A (retinol) [40] , vitamina D ( ergocalciferol , etc.) [41] . Hormonii steroizi , printre care se numără alcoolii ( estradiol , cortizol etc.), sunt implicați în reglarea metabolismului și a unor funcții fiziologice ale organismului [42] .
Glicerina stă la baza a mai mult de jumătate din lipidele naturale , care sunt esterii săi cu acizi grași și sunt surse de energie pentru organism [43] . Glicerolul este, de asemenea, implicat în gluconeogeneză - procesul de formare a glucozei în ficat . În acest caz, glicerolul sub acțiunea enzimelor este transformat în gliceraldehidă-3-fosfat , care apoi intră pe calea metabolică a gluconeogenezei [44] . Un poliol important din punct de vedere fiziologic este mio- inozitol .
Dintre alcoolii inferiori, din punct de vedere al fiziologiei, etanolul prezintă, fără îndoială, cel mai mare interes . Etanolul este un metabolit natural din corpul uman și este prezent în mod normal în sânge la concentrații foarte scăzute. De asemenea, etanolul poate fi ingerat cu alimente. Etanolul din corpul uman este metabolizat în principal în ficat . Sub acțiunea enzimei citosolice alcool dehidrogenază , etanolul este oxidat în acetaldehidă , care este ulterior procesată de aldehida dehidrogenază mitocondrială în acetat . Acetatul, după activarea de către acil coenzima A sintetaza cu lanț scurt, poate fi degradat în continuare în ciclul Krebs [45] . Sistemul microzomal de oxidare a etanolului, reprezentat de citocromul P450 și catalază , joacă, de asemenea, un rol secundar în utilizarea etanolului [39] . La o concentrație mare de alcool în sânge, enzimele nu pot face față oxidării acetaldehidei în acetat, iar acetaldehida se acumulează în organism, care este de 10-30 de ori mai toxică decât etanolul [46] , din cauza căruia organismul este otrăvit, asa numitul. mahmureala . În ceea ce privește valoarea energetică pentru organism, etanolul (7 kcal/g) ocupă o poziție intermediară între carbohidrați (4,1 kcal/g) și grăsimi (9,3 kcal/g). Contribuția etanolului la conținutul total de calorii al alimentelor la adulții nealcoolici poate fi de până la 12%. Cu toate acestea, consumul de etanol ca aliment și sursă de energie are o serie de dezavantaje din punct de vedere biochimic. Pe lângă formarea de acetaldehidă toxică, astfel de dezavantaje includ faptul că excesul de calorii care intră în organism sub formă de etanol poate fi stocat numai în grăsimi, deoarece nu există posibilitatea de a transforma etanolul în carbohidrați în corpul uman [45] . În plus, etanolul perturbă alte procese metabolice : inhibă gluconeogeneza (aceasta este cauza hipoglicemiei atunci când se iau doze mari de alcool), accelerează producția de citokine , modifică concentrația de hormoni [47] . Băuturile alcoolice conțin foarte puține vitamine și minerale, care pot avea și un impact negativ asupra sănătății. De asemenea, etanolul de calitate alimentară este mult mai scump decât o cantitate echivalentă în energie de zahăr [45] .
Alcoolii saturați monohidric introduc organismul într- o stare asemănătoare anestezicului și au, de asemenea, un efect toxic [48] .
Alcoolul metilic este o otravă puternică (mai ales atunci când este administrată pe cale orală) cu acțiune nervoasă și cardiovasculară, cu efect cumulativ pronunțat ; afectează organele vederii până la orbire completă . În doze mari (30 g sau mai mult) provoacă moartea [49] .
Alcoolul etilic are un efect toxic. Se absoarbe rapid prin membrana mucoasă a stomacului și a intestinului subțire, atingând o concentrație maximă în sânge la 60-90 de minute de la administrare [50] . Etanolul provoacă mai întâi excitare, iar apoi o depresie accentuată a sistemului nervos central (inclusiv distrugerea meningelor); utilizarea sa duce la perturbarea celor mai importante funcții ale corpului, leziuni severe ale organelor și sistemelor. Are efecte embriotoxice și teratogene [ 51] .
Alcoolul izopropilic seamănă cu etanolul în efectele sale toxice, provocând deprimarea sistemului nervos central și afectând organele interne. În concentrație mare duce la comă, convulsii și deces (aproximativ 3-4 g/kg) [52] .
Datorită utilizării pe scară largă a alcoolilor simpli în diverse industrii și, în special, ca solvenți, expunerea lor prin inhalare este periculoasă. Efectele toxice acute ale alcoolilor, testate pe șobolani, s-au manifestat în următoarele concentrații prin inhalare:
Etilenglicolul este foarte toxic atunci când este ingerat, afectând sistemul nervos central și rinichii . Doza letală este de 1,4 g/kg greutate corporală [54] .
Moleculele de alcool, ca și molecula de apă , au o structură unghiulară. Unghiul R−O−H în molecula de metanol este de 108,5° [55] . Atomul de oxigen al grupării hidroxil este într-o stare de sp³ -hibridare . Alcoolii au puncte de topire și de fierbere substanțial mai mari decât ar fi de așteptat din proprietățile fizice ale compușilor înrudiți. Deci, dintr-un număr de derivați monosubstituiți ai metanului , metanolul are un punct de fierbere neobișnuit de ridicat, în ciuda greutății moleculare relativ mici [56] :
Greutățile moleculare și punctele de fierbere ale metanului și ale unor derivați ai acestuia [57]
Metan CH4 _ |
Metanol CH3OH _ _ |
Clormetan CH3CI _ _ |
Nitrometan CH3NO2 _ _ _ |
Brometan CH 3 Br | |
---|---|---|---|---|---|
Masa molara, g/mol | 16.04 | 32.04 | 50,48 | 61.04 | 94,94 |
Punct de fierbere, °C | −161,5 | 64,5 | −24,2 | 101.2 | 3.6 |
Punctele ridicate de fierbere ale alcoolilor se explică prin prezența legăturilor de hidrogen intermoleculare [55] . Energia unei legături de hidrogen este mult mai mică decât energia unei legături chimice covalente . De exemplu, pentru metanol, energia legăturii de hidrogen este de 16,7 kJ / mol [58] , în timp ce legăturile C–H, C–O și O–H au energii de 391,7, 383,5 și, respectiv, 428,8 kJ / mol [ 59] . Cu toate acestea, influența legăturilor de hidrogen asupra proprietăților fizice ale alcoolilor este foarte semnificativă.
Moleculele de alcool, având două legături polare C–O și O–H, au un moment dipol ( ~ 5,3–6,0⋅10–30 C m ) [55] . Sarcinile electrostatice din molecula de metanol sunt: pe atomul de carbon 0,297 e ; pe atomul de hidrogen hidroxil 0,431 e ; pe atomul de oxigen −0.728 e [60] . În același timp, energia de ionizare a alcoolilor este mai mică decât cea a apei (10,88 eV pentru metanol față de 12,61 eV pentru apă) [61] , ceea ce se explică prin efectul donator de electroni al grupării alchil.
Influența grupării hidroxil este deosebit de puternică pentru compușii cu un lanț hidrocarburic mic. De exemplu, metanolul și etanolul sunt miscibili la infinit cu apa și au densități și puncte de fierbere destul de mari pentru greutatea lor moleculară, în timp ce alcoolii superiori sunt hidrofobi și diferă puțin în proprietăți de hidrocarburile corespunzătoare [62] .
Unele constante fizice ale alcoolilor alifatici saturați [63]Nume | Formulă | bp, °С | T. pl., °С | Densitate, kg / m 3 (20 ° С) | Indicele de refracție, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
metanol | CH3OH _ _ | 64,7 | −97,78 | 791,5 | 1,32855 |
etanol | C2H5OH _ _ _ _ | 78.3 | −114,65 | 789,5 | 1,36139 |
Propanol-1 | C3H7OH _ _ _ _ | 97,2 | −124,10 | 803,5 | 1,38556 |
Propanol-2 | CH3CH ( CH3 ) OH | 82,5 | −87,95 | 786,2 | 1,37711 |
Butanol-1 | C4H9OH _ _ _ _ | 117,8 | −88,64 | 808,6 | 1,39929 |
2-Metilpropanol-1 | ( CH3 ) 2CHCH2OH _ _ _ | 108,0 | −101,97 | 802.1 | 1,39549 |
Butanol-2 | CH3CH2CH ( OH ) CH3 _ | 99,5 | −114,70 | 806,0 | 1,39240 [K 1] |
2-Metilpropanol-2 | (CH3 ) 2C ( OH) CH3 | 82,9 | 25.82 | 765,2 [K 2] | 1,38779 |
Pentanol-1 | C5H11OH _ _ _ _ | 138,0 | −77,59 | 813,3 | 1,40999 |
hexanol | C6H13OH _ _ _ _ | 157.1 | -47,40 | 821,7 | 1,41816 |
heptanol | C7H15OH _ _ _ _ | 176,3 | −32,80 | 824,0 | 1,42351 |
Octanol | C8H17OH _ _ _ _ | 195,1 | −16.30 | 822,7 | 1,42920 |
Nonanol | C9H19OH _ _ _ _ | 213,5 | −5,00 | 827,0 | 1,43325 |
Decanol | C10H21OH _ _ _ _ | 231,0 | 6.00 | 826,0 | 1,43660 |
Nume | Formulă | bp, °С | T. pl., °С | Densitate, kg / m 3 (20 ° С) | Indicele de refracție, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
Propen-2-ol-1 | CH 2 \u003d CHCH 2 OH | 96,9 | −129 | 852,0 | 1,4133 |
Propin-2-ol-1 | CH≡CCH2OH _ _ | 113,6 | −48 | 948,5 | 1,4322 |
Ciclohexanol | C6H11OH _ _ _ _ | 161.1 | 25.15 | 941,6 | 1,4648 |
Fenilcarbinol | C6H5CH2OH _ _ _ _ _ _ | 205,0 | −15.3 | 1041,9 | 1,5396 |
2-feniletanol | C6H5CH2CH2OH _ _ _ _ _ _ _ _ | 218,2 | −27,0 | 1020,2 | 1,5325 |
3-fenilpropen-2-ol-1 | C6H5CH = CHCH2OH _ _ _ _ | 256-258 | 34 | 1044,0 | 1,5819 |
2-furilcarbinol | ( C4H30 ) CH20H _ _ _ | 155 | — | 1131,9 | 1,5324 |
Nume | Formulă | bp, °С | T. pl., °С | Densitate, kg / m 3 (20 ° С) | Indicele de refracție, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
Glicerol | HOCH2CH ( OH ) CH2OH | 290 | douăzeci | 1260,4 | 1,4729 |
Pentaeritritol | C( CH2OH ) 4 | 263,5 | 1397 | 1.548 | |
etilen glicol | OHCH2CH2OH _ _ _ _ | 197,85 | -12,6 | 1115,5 | 1.432 |
Alcoolii pot fi obținuti dintr-o mare varietate de clase de compuși, cum ar fi hidrocarburi , haloalcani , amine , compuși carbonilici , epoxizi . Practic, toate metodele se reduc la reacții de oxidare , reducere , adăugare și substituție .
Alcoolii se obțin prin oxidarea alcanilor și cicloalcanilor sub acțiunea agenților oxidanți anorganici puternici: ozon , permanganat de potasiu , oxid de crom (VI) , acid cromic , dioxid de seleniu , peroxid de hidrogen , precum și unii peracizi. Datorită posibilității de oxidare ulterioară a alcoolilor rezultați, metoda este relevantă doar pentru obținerea de alcooli terțiari [65] .
Oxidarea alchenelor este mult mai frecventă în practica de laborator, în special pentru producerea de alcooli dihidridici - dioli . În funcție de alegerea reactivului, oxidarea poate fi efectuată cu stereoselectivitate diferită : atunci când alchenele sunt tratate cu tetroxid de osmiu , permanganat de potasiu , clorat de sodiu , iod cu carboxilat de argint, are loc hidroxilarea ; pentru efectuarea antihidroxilării se folosesc peroxid de hidrogen și peracizi, oxizi de molibden (VI) și wolfram (VI), oxid de seleniu (IV) etc. [66] .
Alcoolii se formează și în timpul reducerii aldehidelor sau cetonelor sub acțiunea borohidrurii de sodiu într-un solvent protic, precum și hidrură de litiu și aluminiu . Reducerea esterilor și acizilor carboxilici se realizează și sub acțiunea hidrurilor complexe, de obicei hidrură de litiu aluminiu, și duce la alcooli [67] .
Adăugarea de apă catalizată de acid la alchene duce la formarea de alcooli. În conformitate cu regula lui Markovnikov , în această reacție se formează mai mulți alcooli substituiți. În practica de laborator, se folosește mai des o reacție de oximercurare-demercurare similară, dar mai blândă, precum și o reacție de hidroborare-oxidare, conducând la produse care nu sunt conforme cu regula Markovnikov [68] .
Reacțiile de adiție nucleofilă ale compușilor organometalici ( acetilenide , reactivi Grignard , compuși de cupru și organolitiu etc.) la compușii carbonilici conduc, de asemenea, la alcooli, iar dacă adiția are loc la formaldehidă HCHO, atunci se formează alcooli primari, dacă la alte aldehide , atunci secundare. alcooli. Adăugarea la cetone dă alcooli terțiari. Alcoolii terțiari pot fi obținuți și prin adăugarea a doi echivalenți ai unui compus organometalic la esteri .
Alcoolii pot fi obținuți prin tratarea haloalcanilor cu o soluție alcalină . Reacția decurge ca o substituție nucleofilă și este însoțită de racemizare (cu un mecanism monomolecular) sau inversare a configurației (cu un mecanism bimolecular). O metodă preparativă importantă este oxidarea halogenurilor de alchil cu superoxid de potasiu [69] .
În industrie, alcoolii se obțin prin metode chimice sau metode de producție biochimice.
Singura metodă importantă din punct de vedere industrial pentru sinteza metanolului este reacția catalitică dintre monoxidul de carbon (II) și hidrogen . Materia primă în producția de metanol este gazul natural , care este purificat din compușii sulfului în prima etapă a procesului (sulful este o otravă pentru catalizatorii utilizați în etapa următoare). Apoi, are loc conversia cu abur a gazului natural în gaz de sinteză (un amestec de CO și hidrogen ), care, după condensarea vaporilor de apă, este transformat în metanol pe un catalizator mixt cupru-zinc-crom la o temperatură de 250 ° C și o presiune de până la 10 MPa. Metanolul astfel obtinut contine apa si impuritati ale altor alcooli (etanol, propanol si superior) si poate fi purificat prin distilare . Consumul mondial de metanol în 2015 s-a ridicat la aproximativ 70 de milioane de tone [70] .
Etanolul și propanol-2 se obțin prin hidratarea alchenelor corespunzătoare - etilenă și propilenă . În industrie se folosesc două tipuri de hidratare: acid sulfuric și catalitic. Hidratarea acidului sulfuric include absorbția etilenei cu acid sulfuric concentrat (94-98%) la o temperatură de 80 ° C și o presiune de 1,3-1,5 MPa și hidroliza ulterioară a sulfoestrilor rezultați cu apă. A doua metodă de hidratare se bazează pe utilizarea acidului fosforic depus pe silicagel sau alt substrat ca catalizator . Un amestec de apă deionizată și etilenă este încălzit la o temperatură de 300°C sub o presiune de 6-8 MPa, iar etanolul rezultat este purificat prin distilare. Aceste metode fac posibilă obținerea etanolului care conține 5% apă în masă. Prepararea etanolului anhidru (99,9%) se bazează pe îndepărtarea azeotropă a apei cu benzen [71] . Conform datelor din 2003, producția mondială de etanol numai prin hidratarea etilenei este de 6 milioane de tone pe an [72] .
Producția mondială de etanol combustibil în 2015, conform Renewable Fuel Association, s-a ridicat la aproximativ 77 de milioane de tone [73] .
Pentru hidratarea propilenei, sunt necesare condiții mai blânde. Procesul de acid sulfuric se desfășoară la temperatura camerei și o concentrație de acid sulfuric de 70–75%, iar hidratarea catalitică are loc la 180°C și 4 MPa. Uneori se foloseşte un catalizator de wolfram ( WO3Si02 , 250 °C şi 25 MPa) pentru hidratarea propilenei. Producția mondială de propanol-2 în 2008 a fost de 1,8 milioane de tone [74] [75] [76] [77] .
Etilenglicolul , unul dintre cele mai importante produse ale industriei chimice, este produs și prin reacția de hidratare în industrie , produs în cantitate de 19,9 milioane de tone anual [78] și utilizat în cantități mari pentru producerea de antigel și fibre . Materia prima pentru aceasta sinteza este oxidul de etilena obtinut prin oxidarea directa a etilenei cu oxigenul atmosferic. Oxidul de etilenă este transformat în etilen glicol prin încălzirea amestecului său cu un exces molar de apă de 20 de ori până la 200 ° C fără catalizator. Etilenglicolul este apoi separat de apă și de produșii de oligomerizare ca urmare a rectificărilor succesive [79] .
Producția industrială de propanol-1 se bazează pe reacția de hidroformilare a etilenei și hidrogenarea ulterioară a propanalului rezultat . Hidroformilarea se efectuează la o temperatură de 90–130°C, o presiune totală de propilenă, oxid de carbon (II) și hidrogen egală cu 2,8 MPa și în prezența a 500 ppm de catalizator de rodiu . A doua etapă se desfășoară la 110-150°C într-un exces de hidrogen pe diverși catalizatori metalici (se folosesc combinații de compuși de cupru , zinc , nichel și crom ) [74] . Volumul producției mondiale de propanol-1 în 2003 a fost de 0,14 milioane de tone [80] .
Glicerina este obținută ca produs secundar al conversiei grăsimilor în acizi grași și esteri metilici ai acizilor grași . Acest proces stă la baza producției de biomotorină , cu 100 kg de glicerol produse pentru fiecare tonă de biomotorină. Această metodă sintetizează 1,5 milioane de tone de glicerol anual (2004), iar conform previziunilor, aceste volume vor crește datorită creșterii interesului pentru combustibilii alternativi. Grăsimile sunt hidrolizate la 220–260°C și o presiune de 2–6 MPa sau transesterificate cu metanol. Descompunerea grăsimilor sub acțiunea alcalinelor sau carbonaților este utilizată la scară limitată, de exemplu, la fabricarea săpunului [81] [82] [83] .
Alcoolii grași superiori sunt produși în mai multe moduri, inclusiv hidrogenoliza esterilor metilici ai acizilor grași obținuți prin transesterificarea grăsimilor, precum și hidroformilarea alchenelor și oligomerizarea etilenei urmată de oxidare (metoda Ziegler). 2,15 milioane de tone de alcooli grasi mai mari sunt produse anual în lume (2003) [84] [85] .
Pentru unii alcooli, metodele biochimice joacă un rol mai important în sinteza industrială. În special, volumele de bioetanol produs depășesc semnificativ volumele de etanol sintetic. Producția biochimică de etanol se bazează pe hidroliza acidă sau enzimatică a materialelor vegetale, urmată de fermentarea alcoolică anaerobă (fermentarea) carbohidraților rezultați de către ciupercile de drojdie ( Saccharomyces ) sau unele tipuri de bacterii . În special, drojdiile sunt microorganisme foarte convenabile pentru uz industrial pe scară largă. Fermentarea asistată de drojdie se caracterizează prin selectivitate ridicată , acumulare scăzută de produse secundare, randament ridicat de etanol, viteză mare de proces și toleranță bună a drojdiei la concentrații ridicate de etanol și substrat. Carbohidrații ușor fermentabili pot servi drept materii prime în acest proces, precum și amidonul și alte substraturi organice, care trebuie mai întâi hidrolizate într-o formă fermentabilă. Culturi utilizate în mod obișnuit ( sfeclă de zahăr , cartofi , cereale ), produse forestiere ( lemn , paie ) sau deșeuri agricole [86] .
Producția de biobutanol se bazează pe fermentarea materiilor prime carbohidrate folosind bacteria Clostridium acetobutylicum [87] .
Proprietățile chimice ale alcoolilor sunt determinate de prezența unei grupări hidroxil în ei . Deoarece gruparea hidroxil este polară , se poate disocia heterolitic , în special atunci când este atacată de baze puternice . Astfel, alcoolii prezintă proprietățile acizilor slabi . În plus, electronegativitatea ridicată a oxigenului determină prezența unui atom de carbon electrofil și, în consecință, capacitatea alcoolilor de a suferi reacții de substituție nucleofilă sub acțiunea unui număr de nucleofili. În cele din urmă, atomul de oxigen al grupării hidroxil este nucleofil , astfel încât alcoolii pot acționa ca nucleofili în reacțiile de substituție și adiție . De asemenea, alcoolii se caracterizează prin reacții de oxidare .
Alcoolii pot prezenta atât proprietăți acide, cât și bazice. Ca acizi slabi , alcoolii se disociază la legătura O - H pentru a forma ionul alcoxid. Caracteristicile acide ale alcoolilor sunt evaluate prin constanta de aciditate K a .
Într-o soluție apoasă, aciditatea alcoolilor scade odată cu creșterea greutății moleculare și ramificarea lanțului de hidrocarburi. Acest lucru este asociat cu o creștere a efectului inductiv pozitiv al substituenților alchil din această serie și o scădere a stabilității ionului alcoxid rezultat datorită localizării unei sarcini negative pe atomul de oxigen [88] .
În general, substituenții atrăgătoare de electroni (-NO 2 , -CN, -F, -Cl, -Br, -I, -OR etc.) măresc aciditatea alcoolilor (reduc pKa ). Dimpotrivă, substituenții donatori de electroni (de exemplu, substituenții alchil) scad aciditatea alcoolilor (crește pKa ) . Astfel, pKa al 2,2,2 - trifluoretanolului este 12,43 (față de 15,9 pentru etanol), iar cel al terț-butanolului complet fluorurat este de 5,4 (împotrivă 17,7 pentru terț -butanol) [89] . Aciditatea comparativă a alcoolilor și compușilor din alte clase este prezentată schematic în figura [90] .
Ca acizi slabi , alcoolii reacţionează cu alcaline , alcalino-pământoase şi alte metale şi cu baze tari , cum ar fi hidruri sau amide metalice , reactivii Grignard [91] .
Proprietățile de bază ale alcoolilorAlcoolii se pot comporta, de asemenea, ca bazele Lewis slabe , formând săruri de alcoxoniu cu acizi minerali puternici, precum și dând complexe donor-acceptator cu acizii Lewis . De obicei, astfel de reacții nu se opresc în această etapă și conduc la substituția nucleofilă a grupării hidroxil sau la eliminarea apei .
Bazicitatea alcoolilor se cuantifică prin constanta de bazicitate p K b sau constanta de aciditate asociată acesteia a acidului conjugat p K a H + :
Alcoolii sunt baze slabe și bazicitatea lor crește odată cu lungimea sau ramificarea radicalului hidrocarbură la grupa hidroxil. Acest efect se observă datorită creșterii efectului inductiv pozitiv al radicalului din această serie, datorită căruia sarcina negativă asupra atomului de oxigen al grupării hidroxil crește [92] .
Atomul de carbon conectat direct la gruparea hidroxil are o sarcină parțială pozitivă, ceea ce face posibil ca o particulă nucleofilă ( ion halogenură , amoniac , alcool etc.) să atace acest atom de carbon, înlocuind gruparea hidroxil cu această particulă. Gruparea hidroxil este o grupare slabă , deci este necesară de obicei activare suplimentară.
În prezența catalizatorilor acizi ( alumină , acid sulfuric , acid fosforic etc.), alcoolii pot suferi deshidratare pentru a forma alchene . De exemplu, deshidratarea alcoolului etilic are ca rezultat formarea etilenei . Reacția se desfășoară în conformitate cu regula lui Zaitsev , conform căreia, la deshidratare, se formează o alchenă mai stabilă , mai substituită la legătura dublă [96] .
Prezența unei grupări hidroxil într-un compus poate fi detectată prin mai multe reacții chimice comune.
Pentru analiza cantitativă a alcoolilor, se folosesc de obicei metode bazate pe reacția de esterificare cu anhidride de acid carboxilic, de exemplu, dianhidridă acetică , ftalică și, de asemenea, piromelitică. Conținutul de alcool se determină prin titrarea acidului rezultat cu hidroxid de sodiu [102] .
O altă metodă de analiză este determinarea cantității de grupări hidroxil care pot reacționa cu iodura de metilmagneziu. În acest caz, calculul se efectuează în funcție de cantitatea de metan eliberată ( metoda Chugaev-Tserevitinov ).
Pentru glicoli , este aplicabilă metoda redox, unde acidul iod este utilizat ca agent oxidant . Analiza se efectuează prin reacția acidului iod HIO 3 rezultat cu iodură de potasiu și titrarea ulterioară a iodului eliberat cu tiosulfat de sodiu [102] .
Spectrele de masă ale alcoolilor alifatici au vârfuri slabe ale ionului molecular, în timp ce pentru alcoolii superiori și ramificati aceste vârfuri sunt practic absente, deoarece fragmentarea moleculei are loc într-o măsură semnificativă. Fragmentarea este de obicei asociată cu pierderea unei molecule de apă, precum și cu eliminarea etilenei . Pentru alcoolii cu lanț lung, predomină eliminarea apei, astfel încât spectrele lor de masă sunt similare cu cele ale alchenelor . Pentru alcoolii primari se observă vârfuri m / z 31 ;
Metode spectroscopice IR pentru analiza alcoolilorSpectrele IR ale alcoolilor sunt caracterizate de două tipuri de benzi de absorbție caracteristice intense:
Există, de asemenea, benzi de absorbție de intensitate medie, care, de regulă, nu au o semnificație decisivă: în intervalul 1450–1250 cm– 1 (vibrații de îndoire în plan O–H) și 750–650 cm – 1 (în afara -vibrații de încovoiere plană O–H) [104] .
Benzile caracteristice de absorbție ale alcoolilor în regiunea infraroșu [104]
Tipuri de legături și fluctuații | Interval, cm −1 | Descrierea benzii de absorbție |
---|---|---|
O−H, vibrații de întindere | ||
ROH, neasociat | 3650-3580 | Banda îngustă observată în soluții sau vapori diluați |
ROH HOR, dimeri (legături de hidrogen) | 3550-3400 | Bandă largă care își pierde din intensitate atunci când este diluată |
ROH···HOR···, polimeri | 3400-3200 | Dună largă sau serie de dungi |
С−O, vibrații de întindere | ||
R3COH , alcooli terțiari | 1210-1100 | Benzi de intensitate ridicată, care scad odată cu diluarea |
R2CHOH , alcooli secundari | 1125-1000 | |
RCH2OH , alcooli primari | 1075-1000 | |
O−H, vibrații de încovoiere | ||
ROH | 1450-1250 750-650 |
Benzi largi de intensitate medie, nu de importanță practică |
Spectroscopia 1H RMN este utilizată pe scară largă pentru analiza alcoolilor; cu toate acestea, deplasările chimice ale protonilor grupării hidroxil ( 5 , ppm) sunt afectate semnificativ de natura solventului și de alți factori externi. Pentru alcoolii alifatici și aliciclici 5 este 0,5-3,0 (în DMSO -d 6 : 4-6) [105] .
Spectroscopia 17 O este, de asemenea, utilizată pentru a studia alcoolii O diferență semnificativă în deplasări pentru alcoolii primari (etanol: δ 5,9 ppm), secundari (propanol-2: δ 39,8 ppm) și terțiari (2-metilpropanol -2: δ 62,3 ppm) relativ la apă H 2 17 O vă permite să stabiliți sau să confirmați structura compusului studiat [106] .
Spectrul 1H RMN al etanolului
Spectrul IR al etanolului
Domeniile de utilizare a alcoolilor sunt numeroase si variate, mai ales avand in vedere cea mai larga gama de compusi apartinand acestei clase. Cu toate acestea, din punct de vedere industrial, doar un număr mic de alcooli aduc o contribuție semnificativă la economia mondială globală.
În TOP 50 pentru 2002 al compușilor [K 3] produși de industria chimică din SUA , alcoolii includ doar metanolul (locul 14) și etilenglicolul (locul 29) [107] . Următorii 50 de compuși chimici cei mai importanți, conform datelor din 1999, includ alcool izopropilic , alcool n - butilic , etanol sintetic , propilen glicol , dietilen glicol , 2-etilhexanol , butandiol-1,4 , sorbitol și glicerină [108] .
Cel mai comun și folosit alcool din lume este etanolul . Consumul său mondial este de aproximativ 65 de milioane de tone [K 4] . Consumul total global de alți alcooli (cu excepția etanolului) în diferite domenii de utilizare este de aproximativ 70 de milioane de tone (din 2009) [K 5] .
Ponderea principală a alcoolului metilic este utilizată în sinteza industrială a formaldehidei prin metoda oxidării catalitice la temperatură înaltă a metanolului [K 6] [109] . În plus, terț -butil metil eter , acid acetic este obținut din metanol ( procesul Monsanto) [110] , N,N-dimetilanilină [111] , metilamine [112] și clormetan [113] .
Etanolul este utilizat comercial pentru a produce dietil eter (prin deshidratare la 250°C peste Al 2 O 3 ) [114] , cloral [115] , acetaldehidă [116] și acetat de etil [117] .
Alcoolul izopropilic este transformat în acetonă prin dehidrogenare catalitică în fază lichidă pe nichel Raney la 150°C [118] . Principalul produs obținut din butanol este acrilatul de butii [119] .
În scopuri de combustibil, trei alcooli sunt utilizați în prezent în volume industriale: metanol , etanol și butanol-1 , ceea ce se datorează în primul rând disponibilității lor comerciale și posibilității producției în masă din materiale vegetale (cu excepția metanolului [K 7] ). În acest caz, este posibil să se utilizeze alcooli sub formă de combustibil în formă pură, sub formă de diverse amestecuri cu benzină sau motorină [120] , precum și aditivi oxigenați (până la 10%) pentru a crește cifra octanică și reduce toxicitatea gazelor de eșapament [K 8] [121] [122] . O zonă separată este utilizarea metanolului pentru transesterificarea grăsimilor în producția de biodiesel [123] .
Alcoolul combustibil predominant este etanolul. Potrivit experților, în 2009, 80-90% din tot alcoolul etilic produs în lume a fost folosit în aceste scopuri și s-a ridicat la 73,9 miliarde de litri (≈ 58 de milioane de tone) [124] [125] .
Principalele motive pentru studiul activ al alcoolilor ca combustibil alternativ sunt [126] :
În același timp, utilizarea în masă a alcoolilor de mai sus ca combustibil pentru motor, pe lângă motive pur economice, are o serie de dezavantaje [127] :
Dintre solvenți , sunt răspândite o mare varietate de tipuri de alcooli: monohidroxici ( metanol , propanol-2 ) și polihidroxici ( etilen glicol , glicerina ); alifatice ( etanol , butanol-1 ) și ciclice ( ciclohexanol ). Alcoolii sunt solvenți polari și sunt utilizați în diverse industrii [128] . Consumul global de alcooli ca solvenți (conform datelor din 2013) s-a ridicat la circa 6,5 milioane de tone [129] .
Cel mai comun alcool dintre solvenți este etanolul - consumul său global în aceste scopuri (conform datelor din 2009) depășește 3,5 milioane de tone pe an [130] . Alți solvenți populari sunt metanolul și izopropanolul [76] cu volume de consum de peste 1 milion de tone pe an.
Utilizarea alcoolilor ca solvenți include următoarele direcții [131] :
Cele mai importante materii prime în producerea surfactanților moderni pentru detergenți sintetici sunt alcoolii grași superiori , din care, în funcție de reactiv, se obțin surfactanți neionici sau anionici [132] .
Volumul mondial de utilizare a alcoolilor grași superiori în producția de surfactanți s-a ridicat în anul 2000 la 1,68 milioane de tone [132] . În 2003, aproximativ 2,5 milioane de tone de surfactanți au fost produse pe baza de alcooli grasi mai mari [133] .
Materiale polimerice și componentele acestoraAlcoolii au utilizări importante ca monomeri de pornire pentru sinteza materialelor polimerice prin policondensare . Practic, pe baza de alcooli se sintetizeaza poliesteri si poliuretani . Cele mai importante exemple de astfel de polimeri sintetici sunt tereftalatul de polietilen, tereftalatul de polibutilenă , obținut din acid tereftalic și , respectiv, etilenglicol sau 1,4-butandiol . Policondensarea glicolilor , glicerolului sau pentaeritritolului cu anhidridă ftalică produce rășini alchidice , care sunt utilizate pe scară largă pentru fabricarea de lacuri și vopsele. Poliuretanii se obțin prin policondensarea izocianaților cu glicoli sau alcooli polihidroxilici [134] .
Alcoolii sunt, de asemenea, folosiți pentru a produce plastifianți esteri și diester pentru polimeri [135] .
Fluide hidraulice și lubrifianțiPentru a obține fluide hidraulice neinflamabile, se folosesc soluții apoase care conțin glicerină și etanol . Etilenglicolul și esterii pe bază de acesta sunt utilizați pe scară largă în producerea lichidelor de frână [136] .
Mulți lubrifianți moderni conțin alcooli grași mai mari și esterii lor datorită toxicității scăzute, punctului de aprindere ridicat și evaporării fără urme atunci când sunt încălzite. Aceste proprietăți sunt utilizate pentru aplicații casnice, precum și pentru cazurile în care efectul de răcire a suprafeței este mai important decât proprietățile anti-fricțiune (de exemplu, la găurire, tăiere sau alte prelucrari ale metalelor) [137] .
PesticideÎn ciuda faptului că alcoolii alifatici saturați nesubstituiți au activitate fungicidă sau erbicidă , utilizarea lor directă ca pesticide nu își găsește o aplicație practică largă. Una dintre puținele direcții este utilizarea lor ca regulator de creștere a plantelor . Etanolul , etilenglicolul și alți glicoli, unii alcooli grași superiori au proprietăți similare [138] .
Alcoolii substituiți cu halogeni prezintă o activitate mult mai mare și au activitate raticid , erbicid și fungicid . De exemplu, medicamentul glifluor , care este un amestec de 1,3-difluorpropanol-2 și 1-fluor-3-cloropropanol-2, este utilizat pentru a controla rozătoarele murine și veverițele de pământ [139] .
Activitate biologică mai mare se observă la alcoolii nesaturați și aromatici. Alcoolul alilic este folosit ca erbicid; mulți alcooli nesaturați superiori sunt feromonii de insecte. Unii alcooli bifenilici aromatici sunt acaricide active : dicofol , clorfenetol , proclonol [139] [140] .
Mulți alcooli sunt intermediari pentru sinteza diferitelor pesticide [141] . De exemplu, metanolul este utilizat în producerea de glifosat [142] , crotoxifos - alcool α-metilbenzilic [143] , piretroizi de generația a treia - alcool 3-fenoxibenzilic [144] .
De asemenea, alcoolii sunt utilizați pe scară largă ca purtător neapos pentru a crea compoziții comerciale de pesticide [145] .
Baza tuturor băuturilor alcoolice este etanolul , care este obținut prin fermentarea materiilor prime alimentare - struguri, cartofi, grâu și alte produse care conțin amidon sau zahăr. În plus, alcoolul etilic este folosit ca component al unor esențe alimentare și aromatice (arome) , utilizate pe scară largă în gătit, copt, cofetărie, ciocolată, dulciuri, băuturi, înghețată, gemuri, jeleuri, gemuri, gemuri etc. Cu toate acestea, etanolul este o listă de alcooli folosiți în industria alimentară nu este limitată. Alcoolii pot fi găsiți într-o mare varietate de aditivi alimentari , de exemplu, glicerina (E422) este utilizată ca agent de reținere a umidității, solvent, agent de îngroșare, separator [K 9] , formator de peliculă [K 10] , agent de încapsulare. O serie de alcooli sunt utilizați ca îndulcitori ( xilitol , manitol , sorbitol , eritritol ), arome ( mentol ), coloranți ( luteină ), etc. [147]
Parfumuri, cosmetice și produse chimice de uz casnicAlcoolii sunt folosiți pe scară largă ca substanțe parfumate pentru compoziții în industria parfumeriei și cosmeticelor și în producția de parfumuri pentru produse chimice de uz casnic și alte produse de consum ( geraniol , nerol , citronelol , mentol etc.). Pe lângă arome, alcoolii sunt utilizați și în parfumerie și produse cosmetice în alte scopuri [148] :
Principalul alcool folosit în scopuri medicale este etanolul . Este folosit ca antiseptic extern și iritant pentru prepararea compreselor și a fricțiunilor. Alcoolul etilic este și mai utilizat pentru prepararea diferitelor tincturi, diluții, extracte și alte forme de dozare [149] .
Utilizarea alcoolilor ca medicamente adecvate nu este atât de vizibilă, cu toate acestea, multe medicamente, prin prezența formală a unei grupări hidroxil, pot fi atribuite clasei de compuși organici în cauză ( clenbuterol , clorobutanol , manitol , estradiol etc.). De exemplu, în lista celor mai importante 10 medicamente eliberate pe bază de rețetă din SUA în 2000, albuterolul , care conține o grupă hidroxil, ocupă locul 6 [150] .
În prezent, este dificil să găsești o zonă de activitate practică umană în care alcoolii să nu fie folosiți într-un rol sau altul. Se pot distinge următoarele domenii minore de utilizare:
Dicționare și enciclopedii |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Clase de compuși organici | |
---|---|
hidrocarburi | |
Conținând oxigen | |
Conținând azot | |
Sulf | |
Conțin fosfor | |
haloorganic | |
organosiliciu | |
Organoelement | |
Alte clase importante |