Le sostanze più famose e utilizzate nella vita umana e nell'industria appartenenti alla categoria degli alcoli polivalenti sono il glicole etilenico e la glicerina. La loro ricerca e il loro utilizzo sono iniziati diversi secoli fa, ma le proprietà di questi composti organici sono per molti versi inimitabili e uniche, il che li rende indispensabili ancora oggi. Gli alcoli poliidrici sono utilizzati in molte sintesi chimiche, industrie e aree della vita umana.
La prima "conoscenza" con glicole etilenico e glicerina: la storia dell'ottenimento
Nel 1859, attraverso un processo a due stadi di reazione del dibromoetano con acetato d'argento e quindi trattamento del diacetato di glicole etilenico ottenuto nella prima reazione con potassa caustica, Charles Wurtz sintetizzò per primo il glicole etilenico. Qualche tempo dopo si sviluppò un metodo di idrolisi diretta del dibromoetano, ma su scala industriale all'inizio del XX secolo, l'alcol diidrico 1,2-diossietano, noto anche come glicole monoetilenico, o semplicemente glicole, negli USAottenuto per idrolisi dell'etilene cloridrina.
Oggi, sia nell'industria che in laboratorio, vengono utilizzati numerosi altri metodi, nuovi, più economici dal punto di vista delle materie prime e dell'energia, e rispettosi dell'ambiente, poiché l'uso di reagenti contenenti o rilascianti cloro, tossine, agenti cancerogeni e altre sostanze pericolose per l'ambiente e l'uomo, sta diminuendo con lo sviluppo della chimica "verde".
La glicerina fu scoperta dal farmacista Carl Wilhelm Scheele nel 1779 e Theophile Jules Pelouze studiò la composizione del composto nel 1836. Due decenni dopo, la struttura della molecola di questo alcol trivalente è stata stabilita e confermata nelle opere di Pierre Eugene Marseille Vertelot e Charles Wurtz. Infine, vent'anni dopo, Charles Friedel realizzò la sintesi completa del glicerolo. Attualmente, l'industria utilizza due metodi per la sua produzione: attraverso il cloruro di allile dal propilene e anche attraverso l'acroleina. Le proprietà chimiche del glicole etilenico, come la glicerina, sono ampiamente utilizzate in vari campi della produzione chimica.
La struttura e la struttura della connessione
La molecola si basa su uno scheletro di idrocarburo insaturo di etilene, costituito da due atomi di carbonio, in cui è stato rotto un doppio legame. Due gruppi ossidrile sono stati aggiunti ai siti di valenza lasciati liberi dagli atomi di carbonio. La formula dell'etilene è C2H4, dopo aver rotto il legame gru e aver aggiunto gruppi ossidrilici (dopo diversi stadi) sembra C2N4(OH)2. Ecco cos'èglicole etilenico.
La molecola dell'etilene ha una struttura lineare, mentre l'alcool bivalente ha una sorta di configurazione trans nel posizionamento dei gruppi ossidrilici in relazione alla spina dorsale del carbonio e tra di loro (questo termine è pienamente applicabile alla posizione relativa a il legame multiplo). Tale dislocazione corrisponde alla posizione più remota degli idrogeni dai gruppi funzionali, a un'energia inferiore e quindi alla massima stabilità del sistema. In poche parole, un gruppo OH guarda in alto e l' altro guarda in basso. Allo stesso tempo, i composti con due idrossili sono instabili: ad un atomo di carbonio, formandosi nella miscela di reazione, vengono immediatamente disidratati, trasformandosi in aldeidi.
Classificazione
Le proprietà chimiche del glicole etilenico sono determinate dalla sua origine dal gruppo degli alcoli polivalenti, ovvero il sottogruppo dei dioli, cioè composti con due frammenti ossidrilici in atomi di carbonio vicini. Una sostanza che contiene anche diversi sostituenti OH è il glicerolo. Ha tre gruppi funzionali alcolici ed è il membro più comune della sua sottoclasse.
Molti composti di questa classe sono anche ottenuti e utilizzati nella produzione chimica per varie sintesi e altri scopi, ma l'uso del glicole etilenico è su scala più seria ed è coinvolto in quasi tutti i settori. Questo problema verrà discusso più dettagliatamente di seguito.
Caratteristiche fisiche
L'uso del glicole etilenico è dovuto alla presenza di un certo numero diproprietà inerenti agli alcoli polivalenti. Queste sono caratteristiche distintive che sono caratteristiche solo per questa classe di composti organici.
La più importante delle proprietà è la capacità illimitata di mixare con H2O. Acqua + glicole etilenico dà una soluzione con una caratteristica unica: il suo punto di congelamento, a seconda della concentrazione di diolo, è di 70 gradi inferiore a quello del distillato puro. È importante notare che questa dipendenza non è lineare e, al raggiungimento di un certo contenuto quantitativo di glicole, inizia l'effetto opposto: il punto di congelamento aumenta con un aumento della percentuale della sostanza disciolta. Questa caratteristica ha trovato applicazione nella produzione di vari liquidi antigelo, antigelo che cristallizzano a caratteristiche termiche dell'ambiente estremamente basse.
Tranne in acqua, il processo di dissoluzione procede bene in alcol e acetone, ma non si osserva in paraffine, benzeni, eteri e tetracloruro di carbonio. A differenza del suo antenato alifatico - una sostanza gassosa come l'etilene, il glicole etilenico è un liquido trasparente simile a uno sciroppo con una leggera sfumatura gialla, dal sapore dolciastro, con un odore insolito, praticamente non volatile. Il congelamento del glicole etilenico al 100% avviene a -12,6 gradi Celsius e l'ebollizione a +197,8 In condizioni normali, la densità è 1,11 g/cm3.
Metodi di acquisizione
Il glicole etilenico può essere ottenuto in diversi modi, alcuni dei quali oggi hanno solo un significato storico o preparatorio, mentre altriattivamente utilizzato dall'uomo su scala industriale e non solo. In ordine cronologico, diamo uno sguardo ai più importanti.
Il primo metodo per ottenere il glicole etilenico dal dibromoetano è già stato descritto sopra. La formula dell'etilene, il cui doppio legame è rotto, e le valenze libere sono occupate da alogeni, il principale materiale di partenza in questa reazione, oltre al carbonio e all'idrogeno, ha due atomi di bromo nella sua composizione. La formazione di un composto intermedio nella prima fase del processo è possibile proprio grazie alla loro eliminazione, cioè la sostituzione con gruppi acetato, che, dopo ulteriore idrolisi, si trasformano in alcolici.
Nel processo di ulteriore sviluppo della scienza, è diventato possibile ottenere il glicole etilenico mediante idrolisi diretta di eventuali etani sostituiti da due alogeni in atomi di carbonio vicini, utilizzando soluzioni acquose di carbonati metallici del gruppo alcalino o (meno ecologico reagente amichevole) H2 Oh e biossido di piombo. La reazione è abbastanza "favorevole" e procede solo a temperature e pressioni notevolmente elevate, ma ciò non ha impedito ai tedeschi di utilizzare questo metodo durante le guerre mondiali per produrre glicole etilenico su scala industriale.
Anche il metodo per ottenere glicole etilenico dall'etilene cloridrina mediante la sua idrolisi con sali di carbonio di metalli del gruppo alcalino ha svolto il suo ruolo nello sviluppo della chimica organica. Con un aumento della temperatura di reazione a 170 gradi, la resa del prodotto target ha raggiunto il 90%. Ma c'era uno svantaggio significativo: il glicole doveva essere in qualche modo estratto dalla soluzione salina, che è direttamente correlatauna serie di difficoltà. Gli scienziati hanno risolto questo problema sviluppando un metodo con lo stesso materiale di partenza, ma suddividendo il processo in due fasi.
L'idrolisi dell'acetato di glicole etilenico, essendo la prima fase finale del metodo Wurtz, divenne un metodo separato quando riuscirono a ottenere il reagente di partenza ossidando l'etilene in acido acetico con ossigeno, cioè senza l'uso di costosi e composti alogeni completamente non ambientali.
Ci sono anche molti modi per produrre glicole etilenico ossidando l'etilene con idroperossidi, perossidi, peracidi organici in presenza di catalizzatori (composti di osmio), clorato di potassio, ecc. Esistono anche metodi elettrochimici e radiazioni-chimici.
Caratterizzazione delle proprietà chimiche generali
Le proprietà chimiche del glicole etilenico sono determinate dai suoi gruppi funzionali. Le reazioni possono coinvolgere un sostituente ossidrile o entrambi, a seconda delle condizioni del processo. La principale differenza di reattività sta nel fatto che a causa della presenza di diversi idrossili in un alcol polivalente e della loro reciproca influenza, si manifestano proprietà acide più forti rispetto a quelle dei "fratelli" monoidrici. Pertanto, nelle reazioni con alcali, i prodotti sono sali (per glicole - glicolati, per glicerolo - glicerati).
Le proprietà chimiche del glicole etilenico, così come della glicerina, includono tutte le reazioni degli alcoli della categoria dei monoidrici. Il glicole dà esteri completi e parziali nelle reazioni con acidi monobasici, i glicoli, rispettivamente, si formano con metalli alcalini e quandoin un processo chimico con acidi forti o loro sali, viene rilasciata l'aldeide dell'acido acetico, a causa dell'eliminazione di un atomo di idrogeno da una molecola.
Reazioni con metalli attivi
La reazione del glicole etilenico con i metalli attivi (dopo l'idrogeno nella serie della forza chimica) a temperature elevate dà luogo al glicole etilenico del metallo corrispondente, più idrogeno viene rilasciato.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, dove X è il metallo bivalente attivo.
Reazione qualitativa al glicole etilenico
Distinguere l'alcool polivalente da qualsiasi altro liquido utilizzando una reazione visiva caratteristica solo per questa classe di composti. Per fare questo, l'idrossido di rame appena precipitato (2), che ha una caratteristica sfumatura blu, viene versato in una soluzione incolore di alcol. Quando i componenti misti interagiscono, il precipitato si dissolve e la soluzione assume un colore blu intenso - come risultato della formazione del glicolato di rame (2).
Polimerizzazione
Le proprietà chimiche del glicole etilenico sono di grande importanza per la produzione di solventi. La disidratazione intermolecolare della suddetta sostanza, cioè l'eliminazione dell'acqua da ciascuna delle due molecole di glicole e la loro successiva combinazione (un gruppo ossidrile viene completamente eliminato e dall' altro viene rimosso solo l'idrogeno), consente di ottenere un solvente organico unico, il diossano, che viene spesso utilizzato in chimica organica, nonostante la sua elevata tossicità.
Scambio di idrossiad alogeno
Quando il glicole etilenico interagisce con gli acidi idroalici, si osserva la sostituzione dei gruppi idrossilici con il corrispondente alogeno. Il grado di sostituzione dipende dalla concentrazione molare di alogenuro di idrogeno nella miscela di reazione:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, dove X è cloro o bromo.
Prendi Ether
Nelle reazioni del glicole etilenico con acido nitrico (di una certa concentrazione) e acidi organici monobasici (formico, acetico, propionico, butirrico, valerico, ecc.), si formano monoesteri complessi e, di conseguenza, semplici. In altri, la concentrazione di acido nitrico è glicole di- e trinitroesteri. L'acido solforico di una data concentrazione viene utilizzato come catalizzatore.
I più importanti derivati del glicole etilenico
Le sostanze preziose che possono essere ottenute da alcoli polivalenti utilizzando semplici reazioni chimiche (descritte sopra) sono gli eteri di glicole etilenico. Vale a dire: monometile e monoetile, le cui formule sono HO-CH2-CH2-O-CH3 e HO-CH2-CH2-O-C2N5 rispettivamente. In termini di proprietà chimiche, sono per molti versi simili ai glicoli, ma, come qualsiasi altra classe di composti, hanno caratteristiche reattive uniche che sono uniche per loro:
- Il glicole monometiletilenico è un liquido incolore, ma con un caratteristico odore disgustoso, bollente a 124,6 gradi Celsius, altamente solubile in etanolo, altrosolventi organici e acqua, molto più volatili del glicole e con una densità inferiore a quella dell'acqua (dell'ordine di 0,965 g/cm3).
- Anche il glicole dimetiletilenico è un liquido, ma con un odore meno caratteristico, una densità di 0,935 g/cm3, un punto di ebollizione di 134 gradi sopra lo zero e una solubilità paragonabile all'omologo precedente.
L'uso di cellosolve - come vengono generalmente chiamati i monoeteri di glicole etilenico - è abbastanza comune. Sono usati come reagenti e solventi nella sintesi organica. Le loro proprietà fisiche sono utilizzate anche per additivi anticorrosivi e anticristallizzazione negli oli antigelo e motore.
Campi di applicazione e prezzo della gamma di prodotti
Il costo nelle fabbriche e nelle imprese coinvolte nella produzione e vendita di tali reagenti oscilla in media di circa 100 rubli per chilogrammo di un composto chimico come il glicole etilenico. Il prezzo dipende dalla purezza della sostanza e dalla percentuale massima del prodotto target.
L'uso del glicole etilenico non è limitato a nessuna area. Quindi, come materia prima viene utilizzata nella produzione di solventi organici, resine e fibre artificiali, liquidi che congelano a basse temperature. È coinvolta in molti settori come quello automobilistico, aeronautico, farmaceutico, elettrico, della pelle, del tabacco. La sua importanza per la sintesi organica è innegabilmente importante.
È importante ricordare che il glicole lo ècomposto tossico che può causare danni irreparabili alla salute umana. Pertanto, viene stoccato in contenitori sigillati di alluminio o acciaio con uno strato interno obbligatorio che protegge il contenitore dalla corrosione, solo in posizioni verticali e in locali non dotati di sistemi di riscaldamento, ma con una buona ventilazione. Durata - non superiore a cinque anni.
