Οι πιο γνωστές και χρησιμοποιούμενες στην ανθρώπινη ζωή και τη βιομηχανία ουσίες που ανήκουν στην κατηγορία των πολυϋδρικών αλκοολών είναι η αιθυλενογλυκόλη και η γλυκερίνη. Η έρευνα και η χρήση τους ξεκίνησε πριν από αρκετούς αιώνες, αλλά οι ιδιότητες αυτών των οργανικών ενώσεων είναι από πολλές απόψεις αμίμητες και μοναδικές, γεγονός που τις καθιστά απαραίτητες μέχρι σήμερα. Οι πολυϋδρικές αλκοόλες χρησιμοποιούνται σε πολλές χημικές συνθέσεις, βιομηχανίες και τομείς της ανθρώπινης ζωής.
Η πρώτη «γνωριμία» με την αιθυλενογλυκόλη και τη γλυκερίνη: το ιστορικό απόκτησης
Το 1859, μέσω μιας διαδικασίας δύο σταδίων αντίδρασης διβρωμοαιθανίου με οξικό άργυρο και στη συνέχεια επεξεργασίας της διοξικής αιθυλενογλυκόλης που ελήφθη στην πρώτη αντίδραση με καυστική ποτάσα, ο Charles Wurtz συνέθεσε για πρώτη φορά αιθυλενογλυκόλη. Λίγο καιρό αργότερα, αναπτύχθηκε μια μέθοδος άμεσης υδρόλυσης του διβρωμοαιθανίου, αλλά σε βιομηχανική κλίμακα στις αρχές του εικοστού αιώνα, διυδρική αλκοόλη 1, 2-διοξυαιθάνιο, επίσης γνωστή ως μονοαιθυλενογλυκόλη ή απλώς γλυκόλη, στις Η. Π. Α.λαμβάνεται με υδρόλυση αιθυλενοχλωροϋδρίνης.
Σήμερα, τόσο στη βιομηχανία όσο και στο εργαστήριο, χρησιμοποιούνται διάφορες άλλες μέθοδοι, νέες, πιο οικονομικές από άποψη πρώτων υλών και ενέργειας και φιλικές προς το περιβάλλον, αφού η χρήση αντιδραστηρίων που περιέχουν ή απελευθερώνουν χλώριο, τοξίνες, καρκινογόνες ουσίες και άλλες επικίνδυνες ουσίες για το περιβάλλον και τον άνθρωπο, μειώνεται με την ανάπτυξη της «πράσινης» χημείας.
Η Γλυκερίνη ανακαλύφθηκε από τον φαρμακοποιό Carl Wilhelm Scheele το 1779 και ο Theophile Jules Pelouze μελέτησε τη σύνθεση της ένωσης το 1836. Δύο δεκαετίες αργότερα, η δομή του μορίου αυτής της τριυδρικής αλκοόλης καθιερώθηκε και τεκμηριώθηκε στα έργα των Pierre Eugene Marseille Vertelot και Charles Wurtz. Τελικά, είκοσι χρόνια αργότερα, ο Charles Friedel πραγματοποίησε την πλήρη σύνθεση της γλυκερίνης. Επί του παρόντος, η βιομηχανία χρησιμοποιεί δύο μεθόδους για την παραγωγή της: μέσω αλλυλοχλωριδίου από προπυλένιο και επίσης μέσω ακρολεΐνης. Οι χημικές ιδιότητες της αιθυλενογλυκόλης, όπως η γλυκερίνη, χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους τομείς της χημικής παραγωγής.
Η δομή και η δομή της σύνδεσης
Το μόριο βασίζεται σε έναν ακόρεστο υδρογονανθρακικό σκελετό αιθυλενίου, που αποτελείται από δύο άτομα άνθρακα, στον οποίο έχει σπάσει ένας διπλός δεσμός. Δύο υδροξυλομάδες προστέθηκαν στις κενές θέσεις σθένους στα άτομα άνθρακα. Ο τύπος του αιθυλενίου είναι C2H4, αφού σπάσει τον δεσμό του γερανού και προσθέσει ομάδες υδροξυλίου (μετά από πολλά στάδια) μοιάζει με C2N4(OH)2. Αυτό είναιαιθυλενογλυκόλη.
Το μόριο αιθυλενίου έχει γραμμική δομή, ενώ η διυδρική αλκοόλη έχει ένα είδος trans διαμόρφωσης στην τοποθέτηση των ομάδων υδροξυλίου σε σχέση με τη ραχοκοκαλιά του άνθρακα και μεταξύ τους (αυτός ο όρος ισχύει πλήρως για τη θέση σε σχέση με ο πολλαπλός δεσμός). Μια τέτοια εξάρθρωση αντιστοιχεί στην πιο απομακρυσμένη θέση υδρογόνων από λειτουργικές ομάδες, χαμηλότερη ενέργεια, και ως εκ τούτου τη μέγιστη σταθερότητα του συστήματος. Με απλά λόγια, μια ομάδα OH κοιτάζει προς τα πάνω και η άλλη κοιτάζει κάτω. Ταυτόχρονα, οι ενώσεις με δύο υδροξύλια είναι ασταθείς: σε ένα άτομο άνθρακα, που σχηματίζεται στο μείγμα της αντίδρασης, αφυδατώνονται αμέσως και μετατρέπονται σε αλδεΰδες.
Ταξινόμηση
Οι χημικές ιδιότητες της αιθυλενογλυκόλης προσδιορίζονται από την προέλευσή της από την ομάδα των πολυϋδρικών αλκοολών, δηλαδή την υποομάδα των διολών, δηλαδή ενώσεις με δύο θραύσματα υδροξυλίου σε γειτονικά άτομα άνθρακα. Μια ουσία που περιέχει επίσης αρκετούς υποκαταστάτες ΟΗ είναι η γλυκερίνη. Έχει τρεις λειτουργικές ομάδες αλκοόλ και είναι το πιο κοινό μέλος της υποκατηγορίας του.
Πολλές ενώσεις αυτής της κατηγορίας λαμβάνονται επίσης και χρησιμοποιούνται στη χημική παραγωγή για διάφορους σκοπούς σύνθεσης και άλλους σκοπούς, αλλά η χρήση της αιθυλενογλυκόλης είναι σε πιο σοβαρή κλίμακα και εμπλέκεται σε όλες σχεδόν τις βιομηχανίες. Αυτό το θέμα θα συζητηθεί με περισσότερες λεπτομέρειες παρακάτω.
Φυσικά χαρακτηριστικά
Η χρήση αιθυλενογλυκόλης οφείλεται στην παρουσία ενός αριθμούιδιότητες που είναι εγγενείς στις πολυϋδρικές αλκοόλες. Αυτά είναι ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που είναι χαρακτηριστικά μόνο για αυτήν την κατηγορία οργανικών ενώσεων.
Η πιο σημαντική από τις ιδιότητες είναι η απεριόριστη ικανότητα ανάμειξης με H2O. Νερό + αιθυλενογλυκόλη δίνει ένα διάλυμα με ένα μοναδικό χαρακτηριστικό: το σημείο πήξης του, ανάλογα με τη συγκέντρωση της διόλης, είναι 70 βαθμούς χαμηλότερο από αυτό του καθαρού αποστάγματος. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτή η εξάρτηση είναι μη γραμμική και όταν επιτευχθεί μια ορισμένη ποσοτική περιεκτικότητα σε γλυκόλη, αρχίζει το αντίθετο αποτέλεσμα - το σημείο πήξης αυξάνεται με αύξηση του ποσοστού της διαλυμένης ουσίας. Αυτό το χαρακτηριστικό έχει βρει εφαρμογή στην παραγωγή διαφόρων αντιψυκτικών, αντιπαγωτικών υγρών που κρυσταλλώνονται σε εξαιρετικά χαμηλά θερμικά χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος.
Εκτός από το νερό, η διαδικασία διάλυσης προχωρά καλά στην αλκοόλη και την ακετόνη, αλλά δεν παρατηρείται στις παραφίνες, τα βενζόλια, τους αιθέρες και τον τετραχλωράνθρακα. Σε αντίθεση με τον αλειφατικό πρόγονό της - μια τέτοια αέρια ουσία όπως το αιθυλένιο, η αιθυλενογλυκόλη είναι ένα υγρό σαν σιρόπι, διαφανές με ελαφρά κίτρινη απόχρωση, γλυκιά στη γεύση, με αχαρακτήριστη οσμή, πρακτικά μη πτητικό. Η κατάψυξη της 100% αιθυλενογλυκόλης συμβαίνει στους -12,6 βαθμούς Κελσίου και ο βρασμός στους +197,8. Υπό κανονικές συνθήκες, η πυκνότητα είναι 1,11 g/cm3.
Λήψη μεθόδων
Η αιθυλενογλυκόλη μπορεί να ληφθεί με διάφορους τρόπους, μερικοί από τους οποίους σήμερα έχουν μόνο ιστορική ή προπαρασκευαστική σημασία, ενώ άλλοιχρησιμοποιείται ενεργά από τον άνθρωπο σε βιομηχανική κλίμακα και όχι μόνο. Με χρονολογική σειρά, ας ρίξουμε μια ματιά στα πιο σημαντικά.
Η πρώτη μέθοδος για τη λήψη αιθυλενογλυκόλης από διβρωμοαιθάνιο έχει ήδη περιγραφεί παραπάνω. Ο τύπος του αιθυλενίου, του οποίου ο διπλός δεσμός είναι σπασμένος, και τα ελεύθερα σθένη καταλαμβάνονται από αλογόνα, η κύρια πρώτη ύλη σε αυτή την αντίδραση, εκτός από άνθρακα και υδρογόνο, έχει δύο άτομα βρωμίου στη σύνθεσή του. Ο σχηματισμός μιας ενδιάμεσης ένωσης στο πρώτο στάδιο της διαδικασίας είναι δυνατός ακριβώς λόγω της εξάλειψής τους, δηλαδή αντικατάστασης από οξικές ομάδες, οι οποίες, μετά την περαιτέρω υδρόλυση, μετατρέπονται σε αλκοολούχα.
Στη διαδικασία περαιτέρω ανάπτυξης της επιστήμης, κατέστη δυνατή η λήψη αιθυλενογλυκόλης με άμεση υδρόλυση οποιωνδήποτε αιθανών που υποκαθίστανται από δύο αλογόνα σε γειτονικά άτομα άνθρακα, χρησιμοποιώντας υδατικά διαλύματα ανθρακικών μετάλλων από την αλκαλική ομάδα ή (λιγότερο περιβαλλοντικά φιλικό αντιδραστήριο) H2 Ω και διοξείδιο του μολύβδου. Η αντίδραση είναι αρκετά «εντατικής εργασίας» και προχωρά μόνο σε σημαντικά υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, αλλά αυτό δεν εμπόδισε τους Γερμανούς να χρησιμοποιήσουν αυτή τη μέθοδο κατά τη διάρκεια των παγκοσμίων πολέμων για να παράγουν αιθυλενογλυκόλη σε βιομηχανική κλίμακα.
Η μέθοδος λήψης αιθυλενογλυκόλης από αιθυλενοχλωροϋδρίνη με υδρόλυση με ανθρακικά άλατα μετάλλων αλκαλικής ομάδας έπαιξε επίσης το ρόλο της στην ανάπτυξη της οργανικής χημείας. Με αύξηση της θερμοκρασίας αντίδρασης στους 170 βαθμούς, η απόδοση του προϊόντος στόχου έφτασε το 90%. Αλλά υπήρχε ένα σημαντικό μειονέκτημα - η γλυκόλη έπρεπε να εξαχθεί με κάποιο τρόπο από το διάλυμα αλατιού, το οποίο σχετίζεται άμεσα μεμια σειρά από δυσκολίες. Οι επιστήμονες έλυσαν αυτό το πρόβλημα αναπτύσσοντας μια μέθοδο με το ίδιο αρχικό υλικό, αλλά χωρίζοντας τη διαδικασία σε δύο στάδια.
Η υδρόλυση οξικής αιθυλενογλυκόλης, που είναι το προγενέστερο τελικό στάδιο της μεθόδου Wurtz, έγινε ξεχωριστή μέθοδος όταν κατάφεραν να λάβουν το αρχικό αντιδραστήριο με οξείδωση αιθυλενίου σε οξικό οξύ με οξυγόνο, δηλαδή χωρίς τη χρήση ακριβών και εντελώς μη περιβαλλοντικές ενώσεις αλογόνου.
Υπάρχουν επίσης πολλοί τρόποι παραγωγής αιθυλενογλυκόλης με οξείδωση του αιθυλενίου με υδροϋπεροξείδια, υπεροξείδια, οργανικά υπεροξέα παρουσία καταλυτών (ενώσεις οσμίου), χλωρικό κάλιο κ.λπ. Υπάρχουν επίσης ηλεκτροχημικές μέθοδοι και μέθοδοι ακτινοβολίας.
Χαρακτηρισμός γενικών χημικών ιδιοτήτων
Οι χημικές ιδιότητες της αιθυλενογλυκόλης προσδιορίζονται από τις λειτουργικές της ομάδες. Οι αντιδράσεις μπορεί να περιλαμβάνουν έναν υδροξυλικό υποκαταστάτη ή και τους δύο, ανάλογα με τις συνθήκες της διαδικασίας. Η κύρια διαφορά στην αντιδραστικότητα έγκειται στο γεγονός ότι λόγω της παρουσίας πολλών υδροξυλίων σε μια πολυϋδρική αλκοόλη και της αμοιβαίας επιρροής τους, εκδηλώνονται ισχυρότερες όξινες ιδιότητες από αυτές των μονοϋδρικών "αδελφών". Επομένως, σε αντιδράσεις με αλκάλια, τα προϊόντα είναι άλατα (για γλυκόλη - γλυκολικά, για γλυκερίνη - γλυκερικά).
Οι χημικές ιδιότητες της αιθυλενογλυκόλης, καθώς και της γλυκερίνης, περιλαμβάνουν όλες τις αντιδράσεις των αλκοολών από την κατηγορία των μονοϋδρικών. Η γλυκόλη δίνει πλήρεις και μερικούς εστέρες σε αντιδράσεις με μονοβασικά οξέα, σχηματίζονται γλυκολικά αντίστοιχα με αλκαλικά μέταλλα και ότανσε μια χημική διαδικασία με ισχυρά οξέα ή τα άλατά τους, απελευθερώνεται αλδεΰδη οξικού οξέος - λόγω της αποβολής ενός ατόμου υδρογόνου από ένα μόριο.
Αντιδράσεις με ενεργά μέταλλα
Αντίδραση αιθυλενογλυκόλης με ενεργά μέταλλα (μετά το υδρογόνο στη σειρά χημικής αντοχής) σε υψηλές θερμοκρασίες δίνει αιθυλενογλυκολικό άλας του αντίστοιχου μετάλλου, συν απελευθερώνεται υδρογόνο.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, όπου X είναι το ενεργό δισθενές μέταλλο.
Ποιοτική αντίδραση στην αιθυλενογλυκόλη
Διακρίνετε την πολυϋδρική αλκοόλη από οποιοδήποτε άλλο υγρό χρησιμοποιώντας μια οπτική αντίδραση που είναι χαρακτηριστική μόνο για αυτήν την κατηγορία ενώσεων. Για να γίνει αυτό, το πρόσφατα καταβυθισμένο υδροξείδιο του χαλκού (2), το οποίο έχει μια χαρακτηριστική μπλε απόχρωση, χύνεται σε ένα άχρωμο διάλυμα αλκοόλης. Όταν τα μικτά συστατικά αλληλεπιδρούν, το ίζημα διαλύεται και το διάλυμα μετατρέπεται σε βαθύ μπλε χρώμα - ως αποτέλεσμα του σχηματισμού γλυκολικού χαλκού (2).
Πολυμερισμός
Οι χημικές ιδιότητες της αιθυλενογλυκόλης έχουν μεγάλη σημασία για την παραγωγή διαλυτών. Η διαμοριακή αφυδάτωση της αναφερόμενης ουσίας, δηλαδή η απομάκρυνση του νερού από καθένα από τα δύο μόρια γλυκόλης και ο επακόλουθος συνδυασμός τους (μια ομάδα υδροξυλίου εξαλείφεται πλήρως και μόνο το υδρογόνο απομακρύνεται από την άλλη), καθιστά δυνατή τη λήψη ένας μοναδικός οργανικός διαλύτης - διοξάνη, που χρησιμοποιείται συχνά στην οργανική χημεία, παρά την υψηλή τοξικότητά του.
ανταλλαγή υδροξυλίουσε αλογόνο
Όταν η αιθυλενογλυκόλη αλληλεπιδρά με υδραλογονικά οξέα, παρατηρείται αντικατάσταση των υδροξυλομάδων από το αντίστοιχο αλογόνο. Ο βαθμός υποκατάστασης εξαρτάται από τη μοριακή συγκέντρωση του υδραλογόνου στο μείγμα αντίδρασης:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, όπου το Χ είναι χλώριο ή βρώμιο.
Λήψη Ether
Στις αντιδράσεις αιθυλενογλυκόλης με νιτρικό οξύ (ορισμένης συγκέντρωσης) και μονοβασικά οργανικά οξέα (μυρμηκικό, οξικό, προπιονικό, βουτυρικό, βαλερικό κ.λπ.), σχηματίζονται σύνθετοι και, κατά συνέπεια, απλοί μονοεστέρες. Σε άλλες, η συγκέντρωση του νιτρικού οξέος είναι δι- και τρινιτροεστέρες γλυκόλης. Το θειικό οξύ μιας δεδομένης συγκέντρωσης χρησιμοποιείται ως καταλύτης.
Τα πιο σημαντικά παράγωγα της αιθυλενογλυκόλης
Πολύτιμες ουσίες που μπορούν να ληφθούν από πολυϋδρικές αλκοόλες χρησιμοποιώντας απλές χημικές αντιδράσεις (που περιγράφονται παραπάνω) είναι οι αιθέρες της αιθυλενογλυκόλης. Συγκεκριμένα: μονομεθύλιο και μονοαιθύλιο, οι τύποι των οποίων είναι HO-CH2-CH2-O-CH3 και HO-CH2-CH2-O-C2N5 αντίστοιχα. Όσον αφορά τις χημικές ιδιότητες, είναι από πολλές απόψεις παρόμοιες με τις γλυκόλες, αλλά, όπως κάθε άλλη κατηγορία ενώσεων, έχουν μοναδικά αντιδραστικά χαρακτηριστικά που είναι μοναδικά σε αυτές:
- Η μονομεθυλαιθυλενογλυκόλη είναι ένα άχρωμο υγρό, αλλά με χαρακτηριστική αποκρουστική οσμή, που βράζει στους 124,6 βαθμούς Κελσίου, πολύ διαλυτό σε αιθανόλη, άλλαοργανικοί διαλύτες και νερό, πολύ πιο πτητικό από τη γλυκόλη, και με πυκνότητα μικρότερη από αυτή του νερού (της τάξης των 0,965 g/cm3). Η
- Η διμεθυλαιθυλενογλυκόλη είναι επίσης υγρό, αλλά με λιγότερο χαρακτηριστική οσμή, πυκνότητα 0,935 g/cm3, σημείο βρασμού 134 μοίρες πάνω από το μηδέν και διαλυτότητα συγκρίσιμη στον προηγούμενο ομόλογο.
Η χρήση κυτταρινικών - όπως ονομάζονται γενικά οι μονοαιθέρες της αιθυλενογλυκόλης - είναι αρκετά συνηθισμένη. Χρησιμοποιούνται ως αντιδραστήρια και διαλύτες στην οργανική σύνθεση. Οι φυσικές τους ιδιότητες χρησιμοποιούνται επίσης για αντιδιαβρωτικά και αντικρυσταλλικά πρόσθετα σε αντιψυκτικά και λιπαντικά κινητήρα.
Πεδία εφαρμογής και τιμολόγηση της σειράς προϊόντων
Το κόστος σε εργοστάσια και επιχειρήσεις που συμμετέχουν στην παραγωγή και πώληση τέτοιων αντιδραστηρίων κυμαίνεται κατά μέσο όρο περίπου 100 ρούβλια ανά κιλό μιας τέτοιας χημικής ένωσης όπως η αιθυλενογλυκόλη. Η τιμή εξαρτάται από την καθαρότητα της ουσίας και το μέγιστο ποσοστό του προϊόντος-στόχου.
Η χρήση της αιθυλενογλυκόλης δεν περιορίζεται σε καμία περιοχή. Έτσι, ως πρώτη ύλη χρησιμοποιείται στην παραγωγή οργανικών διαλυτών, τεχνητών ρητινών και ινών, υγρών που παγώνουν σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ασχολείται με πολλούς κλάδους όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η αεροπορία, η φαρμακευτική, η ηλεκτρική, η δερμάτινη, η καπνοβιομηχανία. Η σημασία του για την οργανική σύνθεση είναι αναμφισβήτητα σημαντική.
Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι η γλυκόλη είναιτοξική ένωση που μπορεί να προκαλέσει ανεπανόρθωτη βλάβη στην ανθρώπινη υγεία. Επομένως, αποθηκεύεται σε σφραγισμένα δοχεία από αλουμίνιο ή χάλυβα με υποχρεωτική εσωτερική στρώση που προστατεύει το δοχείο από τη διάβρωση, μόνο σε κάθετες θέσεις και σε χώρους που δεν είναι εξοπλισμένοι με συστήματα θέρμανσης, αλλά με καλό αερισμό. Διάρκεια - όχι περισσότερο από πέντε χρόνια.
