Отримання спиртів, застосування, властивості. Способи одержання 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. Одержання їх, насамперед етилового (винного в результаті ферментативного бродіння виноградного соку стало одним з перших хімічних техпроцесів, освоєних людством.

Номенклатура спиртів

Спирти являє собою органічні сполуки гідроксильної (ВІН) функціональної групи з аліфатичних атомом вуглецю. Оскільки ВІН є приналежністю всіх молекул спиртів, їх часто представляють як похідними води із загальною формулою ROH, де R позначає алкільних груп. Отримання спиртів метанолу (СН 3 ВІН є) і етанолу (СН 3 СН 2 ВІН), які є першими двома членами їх гомологічного ряду, є важливим завданням хімічної промисловості багатьох країн. При зміст від одного до чотирьох атомів вуглецю їх часто називають загальними іменами, в яких за назвою алкільного групи слід слово спирт: Можна бачити, що всі чотири (дві останні є ізомерами однієї речовини) представлені вище молекули спиртів містять одну гідроксильну групу. За цією ознакою всі вони відносяться до класу одноатомних спиртів (бувають і двох-, трьох, чотирьох - 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

Одержання, властивості (як фізичні, так і хімічні) цих сполук залежать від кількості атомів вуглецю, приєднаних до його ж атому, безпосередньо пов'язаній з групою ВІН. Тому одноатомні спирти можуть бути згруповані в три класу на цій основі.

Первинні спирти мають молекулу, в якій один атом вуглецю, пов'язаний з ОН-групою, приєднаний до ще одного атому C. Їх загальна формула RCH 2 ВІН. Наприклад, етанол – первинний спирт.

Вторинні спирти мають у молекулі один атом вуглецю з ОН-групою, приєднаний до двох іншими атомів C. Їх загальна формула R 2 СНОН. До них відносяться пропіловий та ізопропіловий спирти.

Третинні спирти, що містять у молекулі атом вуглецю з ОН-групою, приєднаний до трьох іншими атомів C. Їх загальна формула R 3 СОН.

Отримання одноатомних спиртів в промисловості можливо цілим рядом 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) у присутності каталізатора, що складається з оксиду цинку (ZnO) і оксиду хрому (Cr 2 O 3 в якості каталізатора: 2H 2 + CO -> CH 3 OH. При цьому сировиною для отримання реагентів є природний газ і водяна пара, змішуючи які отримують синтез – газ, що представляє собою суміш CO і H 2 . Метанол є важливим розчинником і використовується в якості автомобільного палива, або у вигляді чистої рідини – в деяких гоночних автомобілях, або як високооктанової добавки в бензин. Отримання та застосування спиртів у світі, і зокрема метанолу, вимірюється мільйонами тонн. За підсумками 2013 р. у світі було спожито 66 млн т метанолу, з них 65 % в Азії, 17 % - в Європі і 11 % - у США.

Отримання граничних спиртів з алкенів

Багато прості вагові спирти, що мають промислове значення, виробляються гідратацією (додаванням води) алкенів (етилену, пропілену, бутена). Етанол, ізопропанол, бутанол (вторинний та третинний) отримують з цієї реакції. Відомі прямий і непрямий способи одержання спиртів гідратацією. 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 кізельгур. 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 пором підтримується співвідношення 10: 06. Аналогічна реакція виробництва ізопропілового спирту з каталізаторів у вигляді сірчаної кислоти виглядає наступним чином

Непрямий спосіб гідратації етилену

У непрямим способі, на практиці вперше застосовану в промисловому масштабі в 1930 році, але сьогодні вважається майже повністю застарілими, реакція одержання спиртів полягає в перетворенні алкена в сульфат ефіри, який потім гідролізують. Традиційно алкен обробляють сірчаною кислотою з отриманням алкільні сульфатних ефірів. У разі виробництва етанолу, цей крок може бути записаний так: Н 2 SO 4 + З 2 Н 4 -> C 2 H 5 -O-SO 3 H Згодом цей сульфат ефіру гідролізують до регенерації сірчаної кислоти та звільнення етанолу: З 2 Н 5 -O-SO 3 H + H 2 O -> H 2 SO 4 + З 2 Н 5 ВІН. Способи одержання спиртів надзвичайно різноманітні, але цей 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, який включає в загальному у разі перетворення (на першому етапі) крохмалю, що міститься в рослинних зернах, в глюкозу з подальшим отриманням з неї етанолу. Оскільки дріжджі виконують це перетворення у відсутність кисню, спиртове бродіння вважається анаеробним процесом. Реакції одержання спиртів бродінням можна представити наступним чином:

Способи отримання алкогольних напоїв

Весь етанол, що міститься в алкогольних напоях виробляється шляхом ферментації, викликаної дріжджами. Вино виробляється шляхом ферментації з натуральних цукрів, що містяться у винограді; сидр отримують аналогічної ферментацією природного цукру в яблуках і грушах, відповідно; і інші фруктові вина виробляються ферментації цукрів у 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, що містяться в меді. Пиво, віскі, горілка виробляються шляхом ферментації зерен крохмалю, які перетворюються в цукор під дією ферменту амілази, присутньої в зернових ядрах, які зазнали солодовому проращиванию. 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 (у тому числі саке) отримують шляхом бродіння зернових крохмалів, перетворюваних у цукор грибками Aspergillus огугае. Ром і деякі інші напої отримують ферментацією та дистиляцією цукрового очерету. Ром, як правило, проводиться з продукту цукрового очерету – 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 утворення 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, метилбромид реагує з розчином їдкого натру, то гідроксильні групи, образующинся при дисоціації лугу, заміщають іони брому з утворенням метанолу. Кілька реакцій, що дозволяють виконувати отримання спиртів в лабораторіях, наведені нижче.

Нуклеофильное приєднання.

Реактиви Гриньяра (з'єднання магнію з алкілгалогенідамі – иодидами або бромідами), а також металоорганічні сполуки міді і літію реагують з карбонильними групами (C=O) альдегідів з утворенням первинних і вторинних спиртів в залежності від механізму приєднання.Аналогічні реакції з кетонами призводять до третинним спиртів. Реакція Барб'є протікає між галогеналканом 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 одному посуді, тоді як реактив Гриньяра отримують окремо перед додаванням карбонільного з'єднання. Будучи реакцією нуклеофільного приєднання, вона відбувається з відносно недорогими і водостійкими металами або їх сполуками на відміну від реагентів Гриньяра або органолитиевих реагентів. З цієї причини можливе в багатьох випадках запускати її у воді, що робить процес частиною зеленої хімії. Реакція Барб'є названий на честь Пилипа Барб'є – вчителі Віктора Гриньяра.

Реакція відновлення

Альдегіди або кетони відновлюються до спиртів з боргідрідом натрію (NaBH 4 ) або (після кислотної обробки) з литийалюминий гідридом (LiAlH). В реакції Меервейна-Пондорфа-Верлі (MPV) отримання спиртів шляхом відновлення їх з кетонів та альдегідів відбувається з використанням алюмінієвого алкоксидного каталізатора. Переваги MPV полягають в її високій хемоселективности і використанні дешевого, екологічно чистого металевого каталізатора. Реакція була виявлена Меервейном і Шмідтом, і незалежно Верлі в 1925 р. Вони виявили, що суміш алюмінієвого этоксида і етанолу може відновити альдегіди до їх спиртів. Понндорф застосував реакцію до кетонам і оновив каталізатор до изопропилата алюмінію (Al(O-i-Pr) 3 , де i-Pr означає изопропиловую групу (CH(CH 3 ) 2 ). в цілях отримання ізопропанолу. 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.