Die bekanntesten und im menschlichen Leben und in der Industrie verwendeten Substanzen, die zur Kategorie der mehrwertigen Alkohole gehören, sind Ethylenglykol und Glycerin. Ihre Erforschung und Nutzung begann bereits vor mehreren Jahrhunderten, doch die Eigenschaften dieser organischen Verbindungen sind in vielerlei Hinsicht unnachahmlich und einzigartig, was sie bis heute unverzichtbar macht. Mehrwertige Alkohole werden in vielen chemischen Synthesen, Industrien und Bereichen des menschlichen Lebens verwendet.
Die erste "Bekanntschaft" mit Ethylenglykol und Glycerin: Die Geschichte der Gewinnung
Im Jahr 1859 synthetisierte Charles Wurtz durch einen zweistufigen Prozess, bei dem Dibromethan mit Silberacetat umgesetzt und das in der ersten Reaktion erh altene Ethylenglykoldiacetat mit Ätzkali behandelt wurde, erstmals Ethylenglykol. Einige Zeit später wurde ein Verfahren zur direkten Hydrolyse von Dibromethan entwickelt, jedoch im industriellen Maßstab zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts der zweiwertige Alkohol 1,2-Dioxyethan, in den USA auch als Monoethylenglykol oder einfach Glykol bekannterh alten durch Hydrolyse von Ethylenchlorhydrin.
Heute werden sowohl in der Industrie als auch im Labor eine Reihe anderer Verfahren eingesetzt, neue, rohstoff- und energetisch sparsamere und umweltfreundlichere, seit der Verwendung von chlorh altigen oder chlorabgebenden Reagenzien, Toxine, Karzinogene und andere gefährliche Substanzen für die Umwelt und den Menschen, nimmt mit der Entwicklung der "grünen" Chemie ab.
Glycerin wurde 1779 vom Apotheker Carl Wilhelm Scheele entdeckt, und Theophile Jules Pelouze untersuchte 1836 die Zusammensetzung der Verbindung. Zwei Jahrzehnte später wurde die Struktur des Moleküls dieses dreiwertigen Alkohols in den Arbeiten von Pierre Eugene Marseille Vertelot und Charles Wurtz festgestellt und belegt. Endlich, zwanzig Jahre später, führte Charles Friedel die vollständige Synthese von Glycerin durch. Derzeit verwendet die Industrie zwei Methoden für ihre Herstellung: durch Allylchlorid aus Propylen und auch durch Acrolein. Die chemischen Eigenschaften von Ethylenglykol werden wie Glycerin in verschiedenen Bereichen der chemischen Produktion weit verbreitet verwendet.
Die Struktur und Struktur der Verbindung
Das Molekül basiert auf einem ungesättigten Kohlenwasserstoffgerüst von Ethylen, bestehend aus zwei Kohlenstoffatomen, bei dem eine Doppelbindung aufgebrochen wurde. An die frei gewordenen Valenzstellen an den Kohlenstoffatomen wurden zwei Hydroxylgruppen angefügt. Die Formel von Ethylen ist C2H4, nach Aufbrechen der Kranichbindung und Hinzufügen von Hydroxylgruppen (nach mehreren Stufen) sieht es aus wie C2N4(OH)2. Das ist esEthylenglykol.
Das Ethylenmolekül hat eine lineare Struktur, während der zweiwertige Alkohol eine Art trans-Konfiguration in der Anordnung der Hydroxylgruppen in Bezug auf das Kohlenstoffgerüst und zueinander aufweist (dieser Begriff ist vollständig anwendbar auf die Position relativ zu die Mehrfachbindung). Eine solche Versetzung entspricht dem am weitesten entfernten Ort von Wasserstoffen von funktionellen Gruppen, niedrigerer Energie und daher der maximalen Stabilität des Systems. Einfach ausgedrückt, eine OH-Gruppe schaut nach oben und die andere nach unten. Gleichzeitig sind Verbindungen mit zwei Hydroxylgruppen instabil: An einem Kohlenstoffatom, das in der Reaktionsmischung gebildet wird, werden sie sofort dehydriert und verwandeln sich in Aldehyde.
Klassifizierung
Die chemischen Eigenschaften von Ethylenglykol werden durch seine Herkunft aus der Gruppe der mehrwertigen Alkohole bestimmt, nämlich der Untergruppe der Diole, also Verbindungen mit zwei Hydroxylfragmenten an benachbarten Kohlenstoffatomen. Eine Substanz, die auch mehrere OH-Substituenten enthält, ist Glycerin. Es hat drei funktionelle Alkoholgruppen und ist das häufigste Mitglied seiner Unterklasse.
Viele Verbindungen dieser Klasse werden auch gewonnen und in der chemischen Produktion für verschiedene Synthese- und andere Zwecke verwendet, aber die Verwendung von Ethylenglykol findet in einem ernsteren Umfang statt und ist in fast allen Industriezweigen involviert. Dieses Problem wird weiter unten ausführlicher besprochen.
Körperliche Eigenschaften
Die Verwendung von Ethylenglykol beruht auf dem Vorhandensein einer Reihe vonEigenschaften, die mehrwertigen Alkoholen innewohnen. Dies sind Unterscheidungsmerkmale, die nur für diese Klasse organischer Verbindungen charakteristisch sind.
Die wichtigste Eigenschaft ist die uneingeschränkte Mischbarkeit mit H2O. Wasser + Ethylenglykol ergibt eine Lösung mit einer einzigartigen Eigenschaft: Ihr Gefrierpunkt liegt je nach Diolkonzentration um 70 Grad niedriger als der von reinem Destillat. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Abhängigkeit nicht linear ist und bei Erreichen eines bestimmten quantitativen Glykolgeh alts der gegenteilige Effekt einsetzt - der Gefrierpunkt steigt mit zunehmendem Prozentsatz der gelösten Substanz. Dieses Merkmal hat Anwendung bei der Herstellung verschiedener Frostschutzmittel und Frostschutzflüssigkeiten gefunden, die bei extrem niedrigen thermischen Eigenschaften der Umgebung kristallisieren.
Außer in Wasser verläuft der Auflösungsprozess in Alkohol und Aceton gut, wird aber in Paraffinen, Benzolen, Ethern und Tetrachlorkohlenstoff nicht beobachtet. Im Gegensatz zu seinem aliphatischen Vorfahren - einer gasförmigen Substanz wie Ethylen - ist Ethylenglykol eine sirupartige, transparente Flüssigkeit mit leicht gelblicher Tönung, süßlichem Geschmack, uncharakteristischem Geruch, praktisch nicht flüchtig. 100 % Ethylenglykol gefriert bei -12,6 °C und siedet bei +197,8 °C. Unter normalen Bedingungen beträgt die Dichte 1,11 g/cm3.
Getting-Methoden
Ethylenglykol kann auf verschiedene Weise gewonnen werden, von denen einige heute nur noch historische oder präparative Bedeutung haben, andere dagegenaktiv vom Menschen im industriellen Maßstab genutzt und nicht nur. Schauen wir uns die wichtigsten in chronologischer Reihenfolge an.
Die erste Methode zur Gewinnung von Ethylenglykol aus Dibromethan wurde bereits oben beschrieben. Die Formel des Ethylens, dessen Doppelbindung gebrochen ist und dessen freie Valenzen durch Halogene besetzt sind, hat bei dieser Reaktion neben Kohlenstoff und Wasserstoff als Hauptausgangsstoff zwei Bromatome in seiner Zusammensetzung. Die Bildung einer Zwischenverbindung in der ersten Stufe des Prozesses ist gerade aufgrund ihrer Eliminierung möglich, d. h. Ersatz durch Acetatgruppen, die sich bei weiterer Hydrolyse in Alkoholgruppen umwandeln.
Im Zuge der Weiterentwicklung der Wissenschaft wurde es möglich, Ethylenglykol durch direkte Hydrolyse beliebiger Ethane, die an benachbarten Kohlenstoffatomen durch zwei Halogene substituiert sind, unter Verwendung wässriger Lösungen von Metallcarbonaten aus der alkalischen Gruppe oder (weniger umweltfreundlich freundliches Reagenz) H2 Oh und Bleidioxid. Die Reaktion ist ziemlich "arbeitsintensiv" und läuft nur bei deutlich erhöhten Temperaturen und Drücken ab, was die Deutschen jedoch nicht daran hinderte, diese Methode während der Weltkriege zur Herstellung von Ethylenglykol im industriellen Maßstab einzusetzen.
Das Verfahren zur Gewinnung von Ethylenglykol aus Ethylenchlorhydrin durch dessen Hydrolyse mit Kohlenstoffsalzen von Alkalimetallen spielte auch seine Rolle in der Entwicklung der organischen Chemie. Bei einer Erhöhung der Reaktionstemperatur auf 170 Grad erreichte die Ausbeute an Zielprodukt 90 %. Aber es gab einen erheblichen Nachteil - das Glykol musste irgendwie aus der Salzlösung extrahiert werden, was in direktem Zusammenhang damit stehteine Reihe von Schwierigkeiten. Wissenschaftler lösten dieses Problem, indem sie eine Methode mit demselben Ausgangsmaterial entwickelten, den Prozess jedoch in zwei Phasen aufteilten.
Die Ethylenglykolacetat-Hydrolyse, die frühere Endstufe der Wurtz-Methode, wurde zu einer separaten Methode, als es ihnen gelang, das Ausgangsreagenz durch Oxidation von Ethylen in Essigsäure mit Sauerstoff zu erh alten, dh ohne die Verwendung von teuren und völlig umweltfreundliche Halogenverbindungen.
Es gibt auch viele Möglichkeiten, Ethylenglykol herzustellen, indem Ethylen mit Hydroperoxiden, Peroxiden, organischen Persäuren in Gegenwart von Katalysatoren (Osmiumverbindungen), Kaliumchlorat usw. oxidiert wird. Es gibt auch elektrochemische und strahlenchemische Verfahren.
Charakterisierung allgemeiner chemischer Eigenschaften
Die chemischen Eigenschaften von Ethylenglykol werden durch seine funktionellen Gruppen bestimmt. Die Reaktionen können in Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen einen Hydroxylsubstituenten oder beide umfassen. Der Hauptunterschied in der Reaktivität liegt darin, dass sich durch das Vorhandensein mehrerer Hydroxylgruppen in einem mehrwertigen Alkohol und deren gegenseitige Beeinflussung stärkere Säureeigenschaften zeigen als bei einwertigen „Brüdern“. Bei Reaktionen mit Alkalien entstehen daher Salze (bei Glykol - Glykolaten, bei Glycerin - Glycerate).
Die chemischen Eigenschaften von Ethylenglykol sowie Glycerin umfassen alle Reaktionen von Alkoholen aus der Kategorie der einwertigen. Glykol ergibt Voll- und Partialester bei Reaktionen mit einbasigen Säuren, Glykolate bzw. werden mit Alkalimetallen gebildet, und wennBei einem chemischen Prozess mit starken Säuren oder deren Salzen wird Essigsäurealdehyd freigesetzt - durch die Absp altung eines Wasserstoffatoms aus einem Molekül.
Reaktionen mit aktiven Metallen
Reaktion von Ethylenglycol mit aktiven Metallen (nach Wasserstoff in der chemischen Festigkeitsreihe) bei erhöhten Temperaturen ergibt Ethylenglycolat des entsprechenden Metalls, außerdem wird Wasserstoff freigesetzt.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, wobei X das aktive zweiwertige Metall ist.
Qualitative Reaktion auf Ethylenglykol
Unterscheiden Sie mehrwertigen Alkohol von jeder anderen Flüssigkeit anhand einer visuellen Reaktion, die nur für diese Klasse von Verbindungen charakteristisch ist. Dazu wird frisch gefälltes Kupferhydroxid (2), das einen charakteristischen Blaustich hat, in eine farblose Alkohollösung gegossen. Wenn die gemischten Komponenten zusammenwirken, löst sich der Niederschlag auf und die Lösung nimmt eine tiefblaue Farbe an - als Folge der Bildung von Kupferglykolat (2).
Polymerisation
Die chemischen Eigenschaften von Ethylenglykol sind für die Herstellung von Lösungsmitteln von großer Bedeutung. Die intermolekulare Dehydratisierung der genannten Substanz, dh die Eliminierung von Wasser aus jedem der beiden Glykolmoleküle und deren anschließende Kombination (eine Hydroxylgruppe wird vollständig eliminiert und nur Wasserstoff wird von der anderen entfernt), ermöglicht den Erh alt ein einzigartiges organisches Lösungsmittel - Dioxan, das trotz seiner hohen Toxizität häufig in der organischen Chemie verwendet wird.
Hydroxyaustauschzu Halogen
Wenn Ethylenglykol mit Halogenwasserstoffsäuren wechselwirkt, wird der Ersatz von Hydroxylgruppen durch das entsprechende Halogen beobachtet. Der Substitutionsgrad hängt von der molaren Konzentration an Halogenwasserstoff im Reaktionsgemisch ab:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, wobei X Chlor oder Brom ist.
Ether erh alten
Bei den Reaktionen von Ethylenglykol mit Salpetersäure (bestimmter Konzentration) und einbasigen organischen Säuren (Ameisen-, Essig-, Propion-, Butter-, Valeriansäure usw.) entstehen komplexe und dementsprechend einfache Monoester. Bei anderen ist die Konzentration von Salpetersäure Glykoldi- und -trinitroester. Als Katalysator dient Schwefelsäure einer bestimmten Konzentration.
Die wichtigsten Derivate des Ethylenglykols
Wertstoffe, die durch einfache chemische Reaktionen (wie oben beschrieben) aus mehrwertigen Alkoholen gewonnen werden können, sind Ethylenglykolether. Nämlich: Monomethyl und Monoethyl, deren Formeln HO-CH2-CH2-O-CH3 sind und HO-CH2-CH2-O-C2N5 bzw. In Bezug auf die chemischen Eigenschaften ähneln sie Glykolen in vielerlei Hinsicht, aber wie jede andere Klasse von Verbindungen haben sie einzigartige reaktive Eigenschaften, die für sie einzigartig sind:
- Monomethylethylenglykol ist eine farblose Flüssigkeit, aber mit einem charakteristischen ekelhaften Geruch, siedet bei 124,6 Grad Celsius, ist sehr gut löslich in Ethanol, Sonstigesorganische Lösungsmittel und Wasser, viel flüchtiger als Glykol und mit einer geringeren Dichte als Wasser (in der Größenordnung von 0,965 g/cm3).
- Dimethylethylenglykol ist ebenfalls eine Flüssigkeit, jedoch mit einem weniger charakteristischen Geruch, einer Dichte von 0,935 g/cm3, einem Siedepunkt von 134 Grad über Null und einer vergleichbaren Löslichkeit zum vorherigen Homolog.
Die Verwendung von Cellosolven - wie Ethylenglykolmonoether allgemein genannt werden - ist weit verbreitet. Sie werden als Reagenzien und Lösungsmittel in der organischen Synthese verwendet. Ihre physikalischen Eigenschaften werden auch für Antikorrosions- und Antikristallisationsadditive in Frostschutzmitteln und Motorölen genutzt.
Einsatzgebiete und Preisgest altung der Produktpalette
Die Kosten in Fabriken und Unternehmen, die an der Herstellung und dem Verkauf solcher Reagenzien beteiligt sind, schwanken im Durchschnitt um 100 Rubel pro Kilogramm einer solchen chemischen Verbindung wie Ethylenglykol. Der Preis richtet sich nach der Reinheit der Substanz und dem maximalen Anteil des Zielprodukts.
Die Verwendung von Ethylenglykol ist nicht auf einen bestimmten Bereich beschränkt. Als Rohstoff wird es also zur Herstellung von organischen Lösungsmitteln, Kunstharzen und Fasern verwendet, Flüssigkeiten, die bei niedrigen Temperaturen gefrieren. Es ist in vielen Branchen wie Automobil, Luftfahrt, Pharma, Elektro, Leder, Tabak tätig. Seine Bedeutung für die organische Synthese ist unbestreitbar gewichtig.
Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass Glykol istgiftige Verbindung, die die menschliche Gesundheit irreparabel schädigen kann. Daher wird es in verschlossenen Behältern aus Aluminium oder Stahl mit einer obligatorischen Innenschicht, die den Behälter vor Korrosion schützt, nur in senkrechter Lage und in Räumen ohne Heizung, aber mit guter Belüftung gelagert. Laufzeit - nicht länger als fünf Jahre.
