Производство на алкохоли, приложение, свойства. Методи за получаване на алкохоли

Алкохолите са често срещани в природата. Повечето хора са запознати с това етилов алкохол (етанол) е активна съставка в алкохолните напитки, но е само едно от семейството на органични съединения, известни като алкохоли. Първият от тях е предимно етил (вино в резултат на ензимна ферментация на гроздов сок, е един от първите химически процеси, овладяни от човечеството.

Номенклатура на алкохолите

Алкохолите представляват органични съединения хидроксилна (ОН) функционална група с алифатен въглероден атом. Тъй като ОН е член на молекулите на всички алкохоли, те често са представени като производни на вода с обща формула ROH, където R означава алкилова група.

Производството на метанолови алкохоли (СН3ОН) и етанол (СН3СН2ОН), които са първите два члена на техните хомоложни серии, е важна задача на химическата промишленост в много страни. Когато съдържат от един до четири въглеродни атома, те често се наричат ​​общи имена, в които името на алкиловата група е последвано от думата алкохол:

Може да се види, че всичките четири (последните два са изомери на едно вещество) горните алкохолни молекули съдържат една хидроксилна група. На тази основа, всички те принадлежат към класа на едноатомните алкохоли (има и две, три, четири и многоатомни). В допълнение, те са всички производни на наситени въглеводороди от редица алкани: метан, етан, пропан (наименованията на алкохолите се получават чрез добавяне към наименованието на алкена на края "-ol"). Следователно, те се наричат ​​също маргинални едноатомни алкохоли.

Еднолични алкохоли

Производството, свойствата (физически и химически) на тези съединения зависят от броя на въглеродните атоми, свързани с неговия атом, директно свързани с ОН групата. Следователно, на тази основа могат да бъдат групирани едноатомни алкохоли в три класа.

• Първичните алкохоли имат молекула, в която един въглероден атом, свързан с ОН група, е свързан с друг атом С. Тяхната обща формула е RCH2OH. Например, етанолът е първичен алкохол.

• Вторичните алкохоли имат един въглероден атом в молекулата с ОН група, свързана с два други атома С, тяхната обща формула е R2CHOH. Те включват пропилови и изопропилови алкохоли.

• Третичните алкохоли съдържат в молекулата въглероден атом с ОН група, свързана с три други С атоми, като тяхната обща формула е R3COH.

Получаването на едноосновните алкохоли в промишлеността е възможно по редица начини, които ще бъдат разгледани по-долу.

Метанол като продукт на природен газ

Метанолът се получава чрез смесване на газ от водород и въглероден монооксид при високи температури и налягане (200 при, 350 ° С). в присъствието на катализатор, състоящ се от цинков оксид (ZnO) и хромов оксид (Cr203) като катализатор: 2H2 + CO → CH3OH.

В този случай суровината за производството на реагенти е природен газ и водна пара, смесвайки която произвежда синтетичен газ, който е смес от СО и Н2.

Метанолът е важен разтворител и се използва като автомобилно гориво, или като чиста течност - в някои състезателни автомобили, или като високооктанова добавка към бензина. Производството и употребата на алкохоли в света, и по-специално метанолът, се измерват в милиони тонове. В края на 2013 г. 66 милиона тона метанол бяха консумирани в световен мащаб, от които 65% в Азия, 17% в Европа и 11% в САЩ.

Получаване на крайни алкохоли от алкени

Много прости тегловни алкохоли с промишлено значение се получават чрез хидратиране (чрез добавяне на вода) на алкени (етилен, пропилен, бутен). Етанол, изопропанол, бутанол (вторичен и третичен) се получават чрез тази реакция.

Известни са преки и непреки методи за производство на алкохоли чрез хидратация. Директно ви позволява да избегнете образуването на стабилни междинни продукти, обикновено с помощта на киселинни катализатори.

Катализаторът обикновено е фосфорна киселина, адсорбирани върху порест носител като силикагел или кизелгур. Този катализатор за първи път е използван за широкомащабно производство на етанол в САЩ от Shell през 1947 г. Реакцията се провежда в присъствието на пара под високо налягане при 300 ° С, при съотношение 1.0: 0.6 между етилен и пара.

Подобна реакция при получаването на изопропилов алкохол с катализатори във формата сярна киселина изглежда така

Непряк метод на хидратация на етилен

По непряк начин, на практика за първи път прилаган в индустриален мащаб през 1930 г., но днес се счита, че е почти напълно остарял, реакцията за производство на алкохоли е да се превърнат алкените в сулфатни естери, които след това се хидролизират. Традиционно, алкенът се обработва със сярна киселина, за да се получат алкилсулфатни естери. В случая на производство на етанол, тази стъпка може да бъде написана както следва: H ₂ SO ₄ + C ₂ H ₄ → C ₂ H ₅ -O-SO ₃ H

След това, този сулфатен естер се хидролизира, докато се регенерира сярна киселина и се освободи етанол: C2H5-O-S03H + H20> H2SO4 + C2H5OH.

Методите за производство на алкохоли са изключително разнообразни, но процесът, описан по-долу, вероятно е известен поне от слухове на всеки читател.

Алкохолна ферментация

Това е биологичен процес, при който молекули като глюкоза, фруктоза и захароза се превръщат в клетъчна енергия с паралелно производство на етанол и въглероден диоксид като продукти на метаболизма. Ферментацията се катализира от ензими, съдържащи се в дрождите, и преминава през сложен многоетапен механизъм, който обикновено включва превръщане (на първия етап) на нишесте, съдържащо се в растителни зърна в глюкоза, последвано от производството на етанол от него. Тъй като дрождите извършват тази трансформация в отсъствието на кислород, алкохолната ферментация се счита за анаеробен процес.

Реакциите на ферментация на алкохоли могат да бъдат представени, както следва:

Начини за получаване на алкохолни напитки

Целият етанол, съдържащ се в алкохолните напитки, се получава чрез ферментация, причинена от дрожди.

Виното се получава чрез ферментация на естествените захари, присъстващи в гроздето; Ябълковицата се получава чрез аналогична ферментация на естествена захар съответно в ябълки и круши; и други плодови вина се произвеждат чрез ферментация на захари във всички други видове плодове. Ракии и спиртни напитки от ракия (например сливова ракия) се произвеждат чрез дестилиране на напитки, получени чрез ферментация на плодови захари.

Медните напитки се произвеждат чрез ферментация от естествените захари, присъстващи в меда.

Бира, уиски и водка се произвеждат чрез ферментация на зърна от нишесте, които се превръщат в захар чрез действието на ензима амилаза, която се намира в зърнените зърна, които са преминали през малцоване. Към сместа могат да се добавят и други източници на нишесте (например картофи и зърна без малц), тъй като амилазата също ще действа върху нишестето.

Оризовите вина (включително сакето) се произвеждат чрез ферментация на зърнено нишесте, превърнато в захар от Asugi Aspergillus ogugae.

Ромът и някои други напитки се получават чрез ферментация и дестилация на захарна тръстика. Ромът обикновено се приготвя от захарна тръстика - меласа.

Във всички случаи, ферментацията трябва да се извършва в съд, който позволява на въглеродния диоксид да избяга, но предотвратява навлизането на външен въздух. Това е необходимо, тъй като действието на кислорода предотвратява образуването на етанол, а натрупването на въглероден диоксид създава риск от скъсване на съда.

Реакция на нуклеофилно заместване

Алкохолите се произвеждат в лаборатории чрез методи, които използват химически вещества от голямо разнообразие от класове, от въглеводороди до карбонилни съединения, като изходни продукти за реакции. Има няколко начина, които се свеждат до няколко основни реакции.

Първичните халогеналкани реагират с водни разтвори на алкални NaOH или КОН, образувайки, основно, първични алкохоли в реакцията на нуклеофилно алифатно заместване. Когато, например, метилбромид реагира с разтвор на натриев хидроксид, хидроксилните групи, образувани по време на дисоциацията на алкали, заместват бромните йони с образуването на метанол.

Няколко реакции, които позволяват производството на алкохоли в лабораториите, са изброени по-долу.

Нуклеофилно прибавяне.

Реактивите на Гринярд (магнезиеви съединения с алкилхалогениди - йодиди или бромиди), както и органометалните съединения на медта и лития реагират с карбонилни групи (С = О) на алдехиди, за да образуват първични и вторични алкохоли, в зависимост от механизма на добавяне. ,

Реакцията Барбие протича между халоген-алкан и карбонилна група като електрофилен субстрат в присъствието на магнезий, алуминий, цинк, индий, калай или неговите соли. Продуктът от реакцията е първичен, вторичен или третичен алкохол. Механизмът му е подобен на реакцията на Grignard, с тази разлика, че реакцията на Barbier е синтез в един съд, докато реактивът Grignard се приготвя отделно преди добавянето на карбонилното съединение. Като реакция на нуклеофилно присъединяване, тя се среща с относително евтини и водоустойчиви метали или техни съединения, за разлика от реактивите на Гринярд или органолитиевите реагенти. Поради тази причина е възможно в много случаи да се работи с вода, което прави процеса част от зелената химия. Реакцията Барби е кръстена на Филип Барбие, учител на Виктор Гринярд.

Реакция на възстановяване

Алдехидите или кетоните се редуцират до алкохоли с натриев борохидрид (NaBH4) или (след третиране с киселина) с литиев алуминиев хидрид (LiAlH).

В реакцията на Meerwein-Pondorf-Wehrli (MPV), производството на алкохоли чрез редуцирането им от кетони и алдехиди става при използване на алуминиев алкоксиден катализатор. Предимствата на MPV са неговата висока химиоселективност и използването на евтин, екологично чист метален катализатор. Реакцията е открита от Meerwein и Schmidt и независимо Verli през 1925 г. Те откриват, че смес от алуминиев етоксид и етанол може да редуцира алдехидите до техните алкохоли. Ponndorf прилага реакцията към кетони и актуализира катализатора до алуминиев изопропилат (Al (Oi-Pr) ₃ , където i-Pr е изопропиловата група (СН (СНЗ) ₂ ). за да се получи изопропанол.

Общото уравнение за получаване на алкохол чрез MPV редукция на кетони до алкохоли е както следва:

Това, разбира се, не е всичко, което може да се каже за алкохолите и техните свойства, но се надяваме, че сте успели да получите обща представа за тях.