Отримання спиртів, застосування, властивості. Способи отримання спиртів

Спирти поширені в природі. Більшість людей знайомі з етиловим спиртом (етанолом) - активним інгредієнтом алкогольних напоїв, але він є лише одним з сімейства органічних сполук, відомих як спирти. Отримання їх, перш за все етилового (винного в результаті ферментативного бродіння виноградного соку стало одним з перших хімічних впровадження нових технологічних процесів, освоєних людством.

номенклатура спиртів

Спирти є органічні сполуки гідроксильної (ОН) функціональної групи з алифатическим атомом вуглецю. Оскільки ОН є приналежністю молекул всіх спиртів, їх часто уявляють як похідними води із загальною формулою ROH, де R позначає алкільних груп.

Отримання спиртів метанолу (СН₃ОН) і етанолу (СН₃СН₂ОН), що є першими двома членами їх гомологічного ряду, є важливим завданням хімічної промисловості багатьох країн. При утриманні від одного до чотирьох атомів вуглецю їх часто називають загальними іменами, в яких за назвою алкильной групи слід слово спирт:

Можна бачити, що всі чотири (дві останні є ізомерами одного речовини) представлені вище молекули спиртів містять одну гідроксильну групу. За цією ознакою всі вони відносяться до класу одноатомних спиртів (бувають і дво-, три-, чотири- і багатоатомні). Крім того, всі вони є похідними граничних вуглеводнів з ряду алканів: метану, етану, пропану (назви спиртів отримують додаванням до назви алкена закінчення «ол»). Тому їх ще називають граничними одноатомними спиртами.

одноатомні спирти

Отримання, властивості (як фізичні, так і хімічні) цих сполук залежать від кількості атомів вуглецю, приєднаних до його ж атому, безпосередньо пов`язаного з групою ОН. Тому одноатомні спирти можуть бути згруповані в три класи на цій основі.

• Первинні спирти мають молекулу, в якій один атом вуглецю, пов`язаний з ОН-групою, приєднаний до ще одного атома C. Їх загальна формула RCH₂ВІН. Наприклад, етанол - первинний спирт.

• Вторинні спирти мають в молекулі один атом вуглецю з ОН-групою, приєднаний до двох іншими атомам C. Їх загальна формула R₂СНОН. До них відносяться пропіловий і ізопропіловий спирти.

• Третинні спирти містять в молекулі атом вуглецю з ОН-групою, приєднаний до трьох іншими атомам C. Їх загальна формула R₃СОН.

Отримання одноатомних спиртів у промисловості можливо через безліч способів, які будуть розглянуті нижче.

Метанол як продукт природного газу

Метанол отримують змішуванням газу водню і монооксиду вуглецю при високих температурах і тисках (200 ат, 350 °C) в присутності каталізатора, що складається з оксиду цинку (ZnO) і оксиду хрому (Cr₂ O₃) В якості каталізатора: 2H₂ + CO - CH₃OH.

При цьому сировиною для отримання реагентів є природний газ і водяна пара, змішуючи які, отримують синтез - газ, який представляє собою суміш CO і H₂.

Метанол є важливим розчинником і використовується в якості автомобільного палива, або у вигляді чистої рідини - в деяких гоночних автомобілях, або в якості високооктанової добавки в бензин. Отримання і застосування спиртів в світі, і зокрема метанолу, вимірюється мільйонами тонн. За підсумками 2013 року в світі було спожито 66 млн т метанолу, з них 65% в Азії, 17% - в Європі і 11% - в США.

Отримання граничних спиртів з алкенів

Багато прості вагові спирти, що мають промислове значення, виробляються гидратацией (додаванням води) алкенів (етилену, пропілену, бутена). Етанол, ізопропанол, бутанол (вторинний і третинний) отримують по цій реакції.

Відомі прямий і непрямий способи отримання спиртів гидратацией. Прямий дозволяє уникнути утворення стабільних проміжних продуктів, як правило, за допомогою кислих каталізаторів.

Каталізатором зазвичай є фосфорна кислота, адсорбована на пористому носії, такому як силікагель або кизельгур. цей каталізатор був вперше використаний для великомасштабного виробництва етанолу в США компанією "Шелл" в 1947 році. Реакцію проводять в присутності пари високого тиску при 300 ° C, причому між етиленом і парою підтримується співвідношення 1,0: 0,6.

Аналогічна реакція виробництва ізопропілового спирту з каталізаторів у вигляді сірчаної кислоти виглядає наступним чином

Непрямий спосіб гідратації етилену

У непрямим способі, на практиці вперше застосований в промисловому масштабі в 1930 році, але сьогодні вважається майже повністю застарілим, реакція отримання спиртів полягає в перетворенні алкена в сульфат ефіри, який потім гідролізують. Традиційно алкен обробляють сірчаною кислотою з одержанням алкільні сульфатних ефірів. У разі виробництва етанолу, цей крок може бути записаний так: Н₂SO₄ + З₂ Н₄ - C₂H₅ -O-SO₃H

Згодом цей сульфат ефіру гидролизуют до регенерації сірчаної кислоти і звільнення етанолу: З₂Н₅-O-SO₃H + H₂O - H₂SO₄ + З₂Н₅ВІН.

Способи отримання спиртів надзвичайно різноманітні, але нижчеописаний процес, мабуть, відомий, хоча б з чуток кожному читачеві.

спиртове бродіння

Це біологічний процес, в якому молекули, такі як глюкоза, фруктоза і сахароза, перетворюються в клітинну енергію з паралельним виробництвом етанолу і вуглекислого газу в якості продуктів метаболізму. Бродіння каталізується ферментами, що містяться в дріжджах і протікає по складному багатоступінчатому механізму, яке включає в загальному випадку перетворення (на першому етапі) крохмалю, що міститься в рослинних зернах, в глюкозу з подальшим отриманням з неї етанолу. Оскільки дріжджі виконують це перетворення за відсутності кисню, спиртове бродіння вважається анаеробним процесом.

Реакції отримання спиртів бродінням можна представити таким чином:

Способи отримання алкогольних напоїв

Весь етанол, що міститься в алкогольних напоях проводиться за допомогою ферментації, викликаної дріжджами.

Вино виробляється шляхом ферментації з натуральних цукрів, присутніх в вінограде- сидр отримують аналогічної ферментацією природного цукру в яблуках і грушах, відповідно-і інші фруктові вина виробляються ферментацією цукрів в будь-яких інших видах фруктів. Бренді і коньячні спирти (наприклад, сливовиця) виробляються при перегонці напоїв, одержуваних бродінням фруктових цукрів.

Медові напої виробляються шляхом ферментації з натуральних цукрів, присутніх в меді.

Пиво, віскі, і горілка виробляються шляхом ферментації зерен крохмалю, які перетворюються в цукор під дією ферменту амілази, присутня в зернових ядрах, які зазнали солодового пророщування. Інші джерела крохмалю (наприклад, картопля і не солодове зерно) можуть бути додані до суміші, так як амілаза буде діяти також і на їх крохмаль.

Рисові вина (в тому числі саке) отримують шляхом бродіння зернових крохмалів, що перетворюються в цукор грибками Aspergillus огугае.

Ром і деякі інші напої отримують ферментацією і дистиляцією цукрової тростини. Ром, як правило, проводиться з продукту цукрової тростини - патоки.

У всіх випадках бродіння повинно відбуватися в посудині, який дозволяє двоокису вуглецю виходити, але запобігає прихід зовнішнього повітря. Це потрібно тому, що вплив кисню запобігає утворенню етанолу, а накопичення діоксиду вуглецю створює ризик розриву судини.

Реакція нуклеофільного заміщення

Отримання спиртів в лабораторіях проводиться способами, які використовують в якості вихідних продуктів для реакцій хімічні речовини найрізноманітніших класів, від вуглеводнів до карбонільних сполук. Існує кілька способів, які зводяться до кількох основних реакцій.

Первинні галогеналкани реагують з водними розчинами лугів NaOH або КОН, утворюючи, утворюючи, головним чином, первинні спирти в реакції нуклеофільного аліфатичного заміщення. Коли, наприклад, метилбромід реагує з розчином їдкого натру, то гідроксильні групи, образующінся при дисоціації лугу, заміщають іони брому з утворенням метанолу.

Кілька реакцій, що дозволяють виконувати отримання спиртів в лабораторіях, наведені нижче.

Нуклеофільне приєднання.

Реактиви Гриньяра (сполуки магнію з алкилгалогенидами - иодидами або бромидами), а також металоорганічні сполуки міді і літію реагують з карбонільними групами (C = O) альдегідів з утворенням первинних і вторинних спиртів в залежності від механізму прісоедіненія.Аналогічние реакції з кетонами призводять до третинним спиртів .

Реакція Барб`є протікає між галогеналканами і карбонільної групою в якості електрофільного субстрату в присутності магнію, алюмінію, цинку, індію, олова або його солей. Продуктом реакції є первинний, вторинний або третинний спирт. Механізм її протікання аналогічний реакції Гриньяра з тією різницею, що реакція Барб`є є синтезом в одній посудині, тоді як реактив Гриньяра отримують окремо перед додаванням карбонильного з`єднання. Будучи реакцією нуклеофільного приєднання, вона відбувається з відносно недорогими і водостійкими металами або їх сполуками на відміну від реагентів Гриньяра або органолітіевих реагентів. Тому можна в багатьох випадках запускати її в воді, що робить процес частиною зеленої хімії. Реакція Барб`є названий на честь Філіпа Барб`є - вчителя Віктора Гриньяра.

реакція відновлення

Альдегіди або кетони відновлюються до спиртів з боргідридом натрію (NaBH₄) Або (після кислотної обробки) з літійалюміній гидридом (LiAlH).

В реакції Меєрвейна-Пондорфа-Верлі (MPV) отримання спиртів шляхом відновлення їх з кетонів і альдегідів відбувається з використанням алюмінієвого алкоксідного каталізатора. Переваги MPV полягають в її високій хемоселектівності і використанні дешевого, екологічно чистого металевого каталізатора. Реакція була виявлена Меєрвейна і Шмідтом, і незалежно Верлі в 1925 р Вони виявили, що суміш алюмінієвого етоксид і етанолу може відновити альдегіди до їх спиртів. Понндорфа застосував реакцію до кетонам і оновив каталізатор до ізопропілата алюмінію (Al (O-i-Pr)₃, де i-Pr означає ізопропіловий групу (CH (CH₃)₂). з метою отримання изопропанола.

Загальне рівняння отримання спирту шляхом MPV-відновлення кетонів до спиртів виглядає так:

Це, звичайно, не все, що можна сказати щодо спиртів і їх властивостей, але загальне уявлення про них, сподіваємося, вам скласти вдалося.