Alkoholok (a lat. spiritus - alkohol szóból; elavult alkoholok , arabul الكحول al -kukhul - por [1] ) - szerves vegyületek , amelyek egy vagy több hidroxilcsoportot (hidroxil, − O H ) tartalmaznak, és közvetlenül kapcsolódnak a telítetthez sp ³-hibridizációs állapot ) szénatom [2] . Az alkoholok a víz származékainak ( H-O-H ) tekinthetők , amelyekben egy hidrogénatomot szerves anyag helyettesít funkciós csoport : R−O−H .
Az olyan vegyületek IUPAC-nómenklatúrájában , amelyekben a hidroxilcsoport telítetlen ( sp ²-hibrid ) szénatomhoz kapcsolódik, az „ enolok ” elnevezések (a hidroxil egy vinil C=C kötéssel társul) [3] és „ fenolok ” ( a hidroxilcsoport benzolhoz vagy más aromás gyűrűhöz kapcsolódik) [4] .
Az alkoholok a vegyületek hatalmas és változatos osztályát alkotják: nagyon gyakoriak a természetben , és gyakran töltenek be fontos funkciókat az élő szervezetekben . Az alkoholok a szerves szintézis szempontjából fontos vegyületek , nem csak végtermékként, hanem számos egyedi kémiai tulajdonsággal rendelkező intermedierként is érdekesek . Ezenkívül az alkoholok iparilag fontos termékek , és mind az iparban, mind a mindennapi alkalmazásokban a legszélesebb körben alkalmazhatók .
Az alkohol szó arabból származik . الكحل ( al-kuḥl ) - "porított antimon ". A koncepció abból az alkímiai technikából ered, hogy a vegyi anyagokat "porrá" redukálják, aminek az anyag tiszta esszenciájának kellett volna lennie. Hasonlóképpen az etil-alkohol a bor esszenciája, innen ered a neve [1] . A szó rajta keresztül került az orosz nyelvbe . Alkohol , Hollandia . alkohol vagy portói. , spanyol alkohol [5] . Az orosz nyelvben azonban az "alkohol" szó homonimája "finom por" jelentésében archaizmus formájában is megmaradt , [6] .
Az alkohol szó az oroszban I. Péter idejében jelent meg az angol spirit szó révén , amely viszont a latin spīritus - "lélegzet, szellem, lélek" -ből származik [7] .
Az alkoholokat a következőképpen osztályozzák (zárójelben adunk példákat) [8] :
Az IUPAC-nómenklatúra szerint az egyszerű alkoholok nevei a megfelelő alkánok nevéből jönnek létre az "-ol" utótag hozzáadásával , amelynek helyét egy arab szám jelzi.
Az alkoholok nevének megalkotásának szabályai [9] :
Az emberiség ősidők óta ismert egy etanolt tartalmazó, bódító gyógynövényital . Úgy tartják, legalább 8000 évvel korunk előtt ismerték az emberek az erjesztett gyümölcsök hatását, majd az erjesztés segítségével gyümölcsből és mézből etanolt tartalmazó bódító italokat kaptak [13] . A régészeti leletek azt mutatják, hogy Nyugat-Ázsiában már Kr.e. 5400-5000 -ben létezett borászat . e. , és a modern Kína területén , Henan tartományban bizonyítékot találtak rizsből , mézből, szőlőből és esetleg más gyümölcsökből fermentált keverékek előállítására a korai neolitikumban : 6500-7000 év között. időszámításunk előtt e. [tizennégy]
Először a 6-7. században szereztek alkoholt a borból arab vegyészek; az alkohol megszerzésének módját Ar-Razi perzsa alkimista [15] feljegyzései tartalmazzák . Európában az etil-alkoholt fermentációs termékekből nyerték a XI-XII. században , Olaszországban [ 16 ] .
Az alkohol először 1386-ban került Oroszországba, amikor a genovai követség "aqua vita" néven hozta magával és bemutatta a nagyhercegi udvarnak [17] .
1661-ben Robert Boyle angol kémikus először nyert metanolt fa desztillálásával [18] . Vizes oldatából abszolút etanolt először T. E. Lovitz orosz kémikus nyert 1796-ban hamuzsír feletti desztilláció során [16] [19] .
1842-ben a német kémikus, J. G. Schiel felfedezte, hogy az alkoholok homológ sorozatot alkotnak , amelyek valamilyen állandó értékben különböznek egymástól. Azonban tévedett, amikor C 2 H 2 -nek írta le . Két évvel később egy másik kémikus, Charles Gerard megállapította a helyes CH 2 homológiai különbséget, és megjósolta az akkor még ismeretlen propil-alkohol képletét és tulajdonságait [20] . 1850-ben Alexander Williamson angol kémikus alkoholátok etil-jodiddal való reakcióját tanulmányozva megállapította, hogy az etil-alkohol egy szubsztituált hidrogénatomot tartalmazó víz származéka, kísérletileg megerősítve a C 2 H 5 OH képletet [21] . Először 1854-ben Marcelin Berthelot francia kémikus hajtotta végre az etanol szintézisét kénsav és etilén hatására [21] .
A metil-alkohollal kapcsolatos első tanulmányt 1834-ben Jean-Baptiste Dumas és Eugène Peligot francia kémikusok végezték . "Metil- vagy faalkohol"-nak nevezték, mert a fa száraz desztillációjában találták meg [22] . A metanol szintézisét metil-kloridból Marcelin Berthelot francia kémikus végezte 1857-ben [23] . 1855-ben felfedezte az izopropil-alkoholt is , amelyet kénsav és propilén hatására nyernek [24] .
Először 1863-ban állított elő tercier alkoholt ( 2-metil-propanol-2 ) a híres orosz kémikus, A. M. Butlerov , ezzel egy egész sor kísérletet indított ebben az irányban [21] .
A kétértékű alkohol etilénglikolt először A. Wurtz francia kémikus szintetizálta 1856-ban [20] . A glicerint a természetes zsírokban már 1783-ban fedezte fel Karl Scheele svéd kémikus , de összetételét csak 1836-ban fedezték fel, a szintézist acetonból 1873-ban Charles Friedel [25] végezte .
Az alkoholok széles körben elterjedtek a természetben mind szabad formában, mind észterek részeként .
A metil-alkohol kis mennyiségben megtalálható egyes növényekben, például: disznófűben ( Heracleum ) [23] .
Az etil-alkohol a Saccharomyces nemzetséghez tartozó élesztőgombák és a Zimomonas baktériumok által szerves szénhidrátot tartalmazó élelmiszerek anaerob fermentációjának természetes terméke, és gyakran savanyú bogyókban és gyümölcsökben képződik. Ebben az esetben a szénhidrátok a glikolízisnek nevezett enzimatikus reakciósorozaton keresztül piruváttá alakulnak , amely azután piruvát-dekarboxiláz hatására acetaldehiddé alakul át . Az utóbbi ezután alkohol-dehidrogenáz jelenlétében elfogadja a NAD redukált formájának reduktív ekvivalensét (a NAD redukciója a glikolízis egyik szakaszában megy végbe), ami etanolt ad végtermékként. Ez a folyamat nemcsak az etanol természetes tárgyakban való felhalmozódásának oka, hanem a borkészítésben, a sörfőzésben és a sütőiparban is aktívan alkalmazzák [26] . Az erjedés során más alkoholok is képződhetnek, például izopropanol , [27] butanol-1 [28] , butándiol-2,3 [29] .
Számos növény zöld részének illóolajai ( Z )-hexen-3-ol-1-et („levélalkohol”) tartalmaznak, ami jellegzetes szagot ad nekik [30] . A terpénalkoholok is igen széles körben képviseltetik magukat a növényvilágban , amelyek közül sok illatos anyag , például: borneol (a borneokamfor fa fájának alkotórésze), mentol ( mentában , muskátliban ) [31] , geraniol [32] és citronellol [33] (virág illóolajok összetevői ), fenhol (tűlevelű fák és édeskömény gyümölcseinek gyantájában ) stb.
A kondenzált tetraciklusos alkoholok ( gonánszármazékok ) széles körben elterjedtek az állat- és növényvilágban , amelyek nagy biológiai aktivitással rendelkeznek, és a szteroidok osztályába tartoznak , például a koleszterin , amely szinte minden élő szervezet sejtjében található, különösen az állatokban [34]. . A szteroidok külön csoportját alkotják az állatok és az emberek epében található többértékű epealkoholok: bufol , kolesztantetrol , kolesztanpentol , mixinol , scymnol , kimerol stb. [35]
A természetben a szénhidrátok különféle alkoholszármazékai találhatók, például a szorbit ( meggyben és a berkenyebogyóban található ) [36] , a mannit (hamuban) [37] stb.
1959-ben Adolf Butenandt német kémikus egy nőstény selyemhernyó kivonatának tanulmányozása közben fedezte fel a bombykol nevű szexuális vonzerőt [38] . A rovarferomonok további vizsgálata kimutatta, hogy ezeknek a feromonoknak jelentős részét az alkoholok képviselik [38] .
Sok alkohol részt vesz az élő szervezetben végbemenő fontos biokémiai folyamatokban. Tehát egyes vitaminok az alkoholok osztályába tartoznak, például az A- vitamin (retinol) [40] , a D- vitamin ( ergokalciferol stb.) [41] . A szteroid hormonok , köztük az alkoholok ( ösztradiol , kortizol stb.), részt vesznek az anyagcsere szabályozásában és a szervezet egyes élettani funkcióiban [42] .
A glicerin a természetes lipidek több mint felének alapja , amelyek zsírsavakkal alkotott észterei , és a szervezet energiaforrásai [43] . A glicerin a glükoneogenezisben is részt vesz – a májban a glükóz képződésének folyamatában . Ebben az esetben a glicerin enzimek hatására glicerinaldehid-3-foszfáttá alakul , amely azután belép a glükoneogenezis metabolikus útjába [44] . Fiziológiailag fontos poliol a mioinozitol .
A rövid szénláncú alkoholok közül fiziológiai szempontból kétségtelenül az etanol a legérdekesebb . Az etanol az emberi szervezet természetes metabolitja, és általában nagyon alacsony koncentrációban van jelen a vérben. Ezenkívül az etanol étellel is lenyelhető. Az emberi szervezetben az etanol elsősorban a májban metabolizálódik . Az alkohol-dehidrogenáz citoszol enzim hatására az etanol acetaldehiddé oxidálódik , amit a mitokondriális aldehid-dehidrogenáz tovább dolgoz fel acetáttá . Az acetát rövid szénláncú acil-koenzim-A szintetázzal történő aktiválása után tovább bontható a Krebs-ciklusban [45] . A mikroszomális etanol-oxidáló rendszer, amelyet a citokróm P450 és a kataláz képvisel, szintén másodlagos szerepet játszik az etanol hasznosításában [39] . A vérben magas alkoholkoncentráció esetén az enzimek nem tudnak megbirkózni az acetaldehid acetáttá történő oxidációjával, és az acetaldehid felhalmozódik a szervezetben, amely 10-30-szor mérgezőbb, mint az etanol [46] , ami miatt a szervezet mérgezett, az úgynevezett. másnaposság . A szervezet energiaértékét tekintve az etanol (7 kcal/g) köztes helyet foglal el a szénhidrátok (4,1 kcal/g) és a zsírok (9,3 kcal/g) között. Az etanol hozzájárulása az élelmiszer teljes kalóriatartalmához alkoholmentes felnőtteknél akár 12% is lehet. Az etanol élelmiszer- és energiaforrásként való fogyasztása azonban biokémiai szempontból számos hátránnyal jár. A mérgező acetaldehid képződése mellett az ilyen hátrányok közé tartozik, hogy a szervezetbe etanol formájában bekerülő kalóriák feleslegét csak a zsírokban lehet raktározni, mivel az emberi szervezetben nincs lehetőség az etanol szénhidráttá alakítására [45] . Ezenkívül az etanol más anyagcsere - folyamatokat is megzavar: gátolja a glükoneogenezist (ez a hipoglikémia oka nagy adag alkoholfogyasztás esetén), felgyorsítja a citokinek termelését , megváltoztatja a hormonok koncentrációját [47] . Az alkoholos italok nagyon kevés vitamint és ásványi anyagot tartalmaznak, ami szintén negatív hatással lehet az egészségre. Ezenkívül az élelmiszer-minőségű etanol önmagában sokkal drágább, mint egy energia-egyenértéknyi cukor [45] .
Az egyértékű telített alkoholok érzéstelenítő -szerű állapotba hozzák a szervezetet, és toxikus hatásuk is van [48] .
A metil-alkohol erős méreg (különösen orálisan bevéve), idegrendszeri és szív- és érrendszeri hatással, kifejezett kumulatív hatással ; a látószerveket a teljes vakságig érinti . Nagy dózisban (30 g vagy több) halált okoz [49] .
Az etil-alkohol mérgező hatású. Gyorsan felszívódik a gyomor és a vékonybél nyálkahártyáján keresztül, és a beadás után 60-90 perccel éri el maximális koncentrációját a vérben [50] . Az etanol először gerjesztést, majd a központi idegrendszer éles depresszióját okozza (beleértve az agyhártya elpusztítását is); használata a szervezet legfontosabb funkcióinak megzavarásához, a szervek és rendszerek súlyos károsodásához vezet. Embriotoxikus és teratogén hatása van [51] .
Az izopropil-alkohol mérgező hatásaiban hasonlít az etanolra, ami a központi idegrendszer depresszióját okozza és a belső szervekre is hatással van. Magas koncentrációban kómához, görcsökhöz és halálhoz vezet (kb. 3-4 g/kg) [52] .
Az egyszerű alkoholok széles körben elterjedt, különböző iparágakban , és különösen oldószerként való felhasználása miatt belélegzésük veszélyes. Az alkoholok patkányokon tesztelt akut toxikus hatása a következő inhalációs koncentrációkban nyilvánult meg:
Az etilén-glikol lenyelve rendkívül mérgező, károsítja a központi idegrendszert és a veséket . A halálos dózis 1,4 g/ttkg [54] .
Az alkoholmolekulák, akárcsak a vízmolekulák , szögletes szerkezetűek. Az R−O−H szög a metanol molekulában 108,5° [55] . A hidroxilcsoport oxigénatomja sp3 - hibridizált állapotban van . Az alkoholok olvadáspontja és forráspontja lényegesen magasabb, mint a rokon vegyületek fizikai tulajdonságai alapján várható lenne. Tehát a metán számos monoszubsztituált származéka közül a metanol szokatlanul magas forrásponttal rendelkezik, annak ellenére, hogy viszonylag kicsi a molekulatömege [56] :
A metán és egyes származékainak molekulatömege és forráspontja [57]
Metán CH 4 |
Metanol CH 3OH _ |
Klór- metán CH 3 Cl |
Nitrometán CH 3 NO 2 |
Bróm-metán CH 3 Br | |
---|---|---|---|---|---|
Moláris tömeg, g/mol | 16.04 | 32.04 | 50.48 | 61.04 | 94,94 |
Forráspont, °C | −161,5 | 64.5 | −24.2 | 101.2 | 3.6 |
Az alkoholok magas forráspontja az intermolekuláris hidrogénkötések jelenlétével magyarázható [55] . A hidrogénkötés energiája sokkal kisebb, mint a kovalens kémiai kötésé . Például a metanol esetében a hidrogénkötés energiája 16,7 kJ / mol [58] , míg a C–H, C–O és O–H kötések energiája rendre 391,7, 383,5 és 428,8 kJ / mol [59] . A hidrogénkötések hatása azonban az alkoholok fizikai tulajdonságaira igen jelentős.
A két poláris kötést (C–O és O–H) tartalmazó alkoholmolekulák dipólusmomentuma ( ~ 5,3–6,0⋅10–30 C m ) [55] . A metanol molekulában az elektrosztatikus töltések: a szénatomon 0,297 e ; a hidroxil-hidrogénatomon 0,431 e ; az oxigénatomon −0,728 e [60] . Ugyanakkor az alkoholok ionizációs energiája kisebb, mint a vízé (10,88 eV metanolnál, szemben 12,61 eV víznél) [61] , ami az alkilcsoport elektrondonor hatásával magyarázható.
A hidroxilcsoport hatása különösen erős a kis szénhidrogénláncú vegyületeknél. Például a metanol és az etanol korlátlanul elegyedik vízzel, és molekulatömegükhöz képest meglehetősen nagy sűrűséggel és forrásponttal rendelkeznek, míg a magasabb alkoholok hidrofóbok és tulajdonságaiban alig különböznek a megfelelő szénhidrogénektől [62] .
Az alifás telített alkoholok néhány fizikai állandója [63]Név | Képlet | bp, °С | T. pl., ° С | Sűrűség, kg / m 3 (20 ° С) | Törésmutató, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
metanol | CH3OH _ _ | 64.7 | −97,78 | 791,5 | 1,32855 |
etanol | C2H5OH _ _ _ _ | 78.3 | −114,65 | 789,5 | 1,36139 |
Propanol-1 | C3H7OH _ _ _ _ | 97.2 | −124.10 | 803.5 | 1,38556 |
Propanol-2 | CH3CH ( CH3 ) OH | 82.5 | −87,95 | 786.2 | 1.37711 |
Butanol-1 | C4H9OH _ _ _ _ | 117.8 | −88,64 | 808.6 | 1,39929 |
2-Metil-propanol-1 | ( CH3 ) 2CHCH2OH _ _ _ | 108,0 | −101,97 | 802.1 | 1,39549 |
Butanol-2 | CH3CH2CH ( OH ) CH3 _ | 99,5 | −114,70 | 806.0 | 1,39240 [K 1] |
2-Metil-propanol-2 | (CH 3 ) 2 C (OH) CH 3 | 82.9 | 25.82 | 765,2 [K 2] | 1,38779 |
Pentanol-1 | C5H11OH _ _ _ _ | 138,0 | −77.59 | 813.3 | 1.40999 |
Hexanol | C6H13OH _ _ _ _ | 157.1 | -47.40 | 821,7 | 1,41816 |
Heptanol | C7H15OH _ _ _ _ | 176.3 | −32.80 | 824,0 | 1,42351 |
Octanol | C8H17OH _ _ _ _ | 195.1 | −16.30 | 822,7 | 1.42920 |
Nonanol | C9H19OH _ _ _ _ | 213,5 | −5.00 | 827,0 | 1,43325 |
Decanol | C10H21OH _ _ _ _ | 231,0 | 6.00 | 826,0 | 1,43660 |
Név | Képlet | bp, °С | T. pl., ° С | Sűrűség, kg / m 3 (20 ° С) | Törésmutató, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
Propen-2-ol-1 | CH 2 \ u003d CHCH 2OH | 96.9 | −129 | 852.0 | 1,4133 |
Propyn-2-ol-1 | CH≡CCH2OH _ _ | 113.6 | −48 | 948,5 | 1,4322 |
Ciklohexanol | C6H11OH _ _ _ _ | 161.1 | 25.15 | 941,6 | 1.4648 |
Fenilkarbinol | C6H5CH2OH _ _ _ _ _ _ | 205,0 | −15.3 | 1041,9 | 1,5396 |
2-Feniletanol | C6H5CH2CH2OH _ _ _ _ _ _ _ _ | 218.2 | −27,0 | 1020.2 | 1,5325 |
3-Fenil-propen-2-ol-1 | C6H5CH = CHCH2OH _ _ _ _ | 256-258 | 34 | 1044,0 | 1,5819 |
2-furil-karbinol | (C 4 H 3 O) CH 2OH | 155 | — | 1131,9 | 1,5324 |
Név | Képlet | bp, °С | T. pl., ° С | Sűrűség, kg / m 3 (20 ° С) | Törésmutató, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
Glicerin | HOCH2CH ( OH ) CH2OH | 290 | húsz | 1260,4 | 1.4729 |
Pentaeritrit | C( CH2OH ) 4 | 263,5 | 1397 | 1.548 | |
etilén-glikol | OHCH2CH2OH _ _ _ _ | 197,85 | -12.6 | 1115,5 | 1.432 |
Az alkoholok sokféle vegyületcsoportból állíthatók elő, például szénhidrogénekből , halogén -alkánokból , aminokból , karbonilvegyületekből , epoxidokból . Alapvetően minden módszer oxidációs , redukciós , addíciós és szubsztitúciós reakciókra vonatkozik .
Az alkoholokat alkánok és cikloalkánok oxidációjával állítják elő erős szervetlen oxidálószerek hatására: ózon , kálium-permanganát , króm(VI)-oxid , krómsav , szelén-dioxid , hidrogén-peroxid , valamint egyes persavak. A keletkező alkoholok további oxidációjának lehetősége miatt a módszer csak tercier alkoholok előállításánál releváns [65] .
Az alkének oxidációja sokkal gyakoribb a laboratóriumi gyakorlatban, különösen a kétértékű alkoholok - diolok előállításánál . A kiválasztott reagenstől függően az oxidációt különböző sztereoszelektivitással lehet végrehajtani : ha alkéneket ozmium-tetroxiddal , kálium-permanganáttal , nátrium-kloráttal , jóddal ezüst-karboxiláttal kezelünk, szin - hidroxiláció lép fel; az antihidroxilezés végrehajtásához hidrogén - peroxidot és persavakat, molibdén (VI) és volfrám (VI) oxidokat, szelén (IV) oxidot stb. használnak [66] .
Alkoholok keletkeznek az aldehidek vagy ketonok redukciója során is nátrium-bór-hidrid hatására protikus oldószerben, valamint lítium-alumínium-hidridben . Az észterek és karbonsavak redukciója szintén komplex hidridek, általában lítium-alumínium-hidrid hatására megy végbe , és alkoholokhoz vezet [67] .
A víz savkatalizált addíciója az alkénekhez alkoholok képződéséhez vezet. Markovnikov szabályának megfelelően ebben a reakcióban több szubsztituált alkohol képződik. A laboratóriumi gyakorlatban gyakrabban alkalmaznak hasonló, de enyhébb oximerkurációs-demerkurációs reakciót, valamint hidroborációs-oxidációs reakciót, ami olyan termékekhez vezet, amelyek nem felelnek meg a Markovnikov-szabálynak [68] .
Fémorganikus vegyületek ( acetilenidok , Grignard-reagensek , réz- és szerves lítiumvegyületek stb.) karbonilvegyületekhez való nukleofil addíciós reakciói szintén alkoholokhoz vezetnek, ha pedig formaldehidhez (HCHO) kerül sor, akkor primer alkoholok keletkeznek, ha más aldehidekhez , akkor szekunder alkoholok. alkoholok. A ketonokhoz hozzáadva tercier alkoholokat kapunk. A tercier alkoholokat úgy is előállíthatjuk, hogy két ekvivalens fémorganikus vegyületet adunk az észterekhez .
Az alkoholokat halogénalkánok lúgos oldattal történő kezelésével lehet előállítani . A reakció nukleofil szubsztitúcióként megy végbe, és racemizálódás (monomolekuláris mechanizmussal) vagy konfiguráció megfordítása (bimolekuláris mechanizmussal) kíséri. Fontos preparatív módszer az alkil-halogenidek kálium-szuperoxiddal történő oxidációja [69] .
Az iparban az alkoholokat kémiai módszerekkel vagy biokémiai termelési módszerekkel állítják elő.
A metanol szintézisének egyetlen iparilag fontos módszere a szén(II)-monoxid és a hidrogén közötti katalitikus reakció . A metanol előállításánál a nyersanyag a földgáz , amelyet a folyamat első szakaszában kénvegyületekből tisztítanak meg (a kén a következő szakaszban használt katalizátorok mérgezője). Ezt követően a földgáz gőzzel szintézisgázzá ( CO és hidrogén keveréke ) megy végbe, amely a vízgőz kondenzációja után metanollá alakul át vegyes réz-cink-króm katalizátoron 250 °C hőmérsékleten. 10 MPa nyomásig. Az így kapott metanol vizet és egyéb alkoholok szennyeződéseit (etanol, propanol és magasabb) tartalmaz, és desztillációval tisztítható . A világ metanolfogyasztása 2015-ben körülbelül 70 millió tonna volt [70] .
Az etanolt és a propanol-2- t a megfelelő alkének - etilén és propilén - hidratálásával állítják elő . Az iparban kétféle hidratálást alkalmaznak: kénsavat és katalitikust. A kénsavas hidratálás magában foglalja az etilén tömény kénsavval (94-98%) történő abszorpcióját 80 ° C-on és 1,3-1,5 MPa nyomáson, majd a kapott szulfoészterek vízzel történő hidrolízisét . A hidratálás második módszere szilikagélre vagy más szubsztrátumra felvitt foszforsav katalizátorként történő felhasználásán alapul . Ionmentesített víz és etilén keverékét 300°C-ra melegítik 6-8 MPa nyomáson, és a keletkező etanolt desztillációval tisztítják. Ezek a módszerek lehetővé teszik 5 tömegszázalék vizet tartalmazó etanol előállítását. A vízmentes etanol (99,9%) előállítása a víz benzollal történő azeotróp eltávolításán alapul [71] . A 2003-as adatok szerint a világ csak etilén-hidratálással előállított etanol termelése évi 6 millió tonna [72] .
A Megújuló Üzemanyag Szövetség adatai szerint 2015-ben a világ üzemanyag-etanol-termelése körülbelül 77 millió tonnát tett ki [73] .
A propilén hidratálásához enyhébb körülmények szükségesek. A kénsavas eljárás szobahőmérsékleten, 70-75%-os kénsavkoncentráció mellett történik, a katalitikus hidratálás 180°C-on és 4 MPa-on megy végbe. Néha wolfram katalizátort (WO 3 SiO 2 , 250 °C és 25 MPa) használnak a propilén hidratálására. A propanol-2 világtermelése 2008-ban 1,8 millió tonna volt [74] [75] [76] [77] .
Az etilénglikol , a vegyipar egyik legfontosabb terméke, az iparban is hidratációs reakcióval keletkezik, évente 19,9 millió tonna mennyiségben [78] keletkezik, és nagy mennyiségben fagyálló és szálak előállítására használják fel . A szintézis nyersanyaga az etilén-oxid , amelyet az etilén légköri oxigénnel történő közvetlen oxidációjával nyernek. Az etilén -oxidot úgy alakítják etilénglikollá, hogy keverékét 20-szoros moláris feleslegben lévő vízzel 200 °C-ra melegítik katalizátor nélkül. Az etilénglikolt ezután az egymást követő rektifikációk eredményeként elválasztják a víztől és az oligomerizációs termékektől [79] .
A propanol-1 ipari előállítása az etilén hidroformilezésének és a kapott propanal ezt követő hidrogénezésének reakcióján alapul . A hidroformilezést 90–130°C hőmérsékleten, 2,8 MPa propilén, szén(II)-oxid és hidrogén össznyomáson, 500 ppm ródiumkatalizátor jelenlétében végezzük . A második szakasz 110-150 °C-on, hidrogénfeleslegben megy végbe különféle fémkatalizátorokon ( réz- , cink- , nikkel- és krómvegyületek kombinációit alkalmazzák ) [74] . A propanol-1 világtermelésének volumene 2003-ban 0,14 millió tonna volt [80] .
A glicerint a zsírok zsírsavakká és zsírsav- metilészterekké való átalakulásának melléktermékeként nyerik . Ez a folyamat alapozza meg a biodízel előállítását, és minden tonna biodízelhez 100 kg glicerint állítanak elő. Ezzel a módszerrel évente 1,5 millió tonna glicerint szintetizálnak (2004), és az előrejelzések szerint ezek a mennyiségek növekedni fognak az alternatív üzemanyagok iránti érdeklődés növekedése miatt. A zsírokat 220–260°C-on és 2–6 MPa nyomáson hidrolizálják, vagy metanollal átészterezik . A zsírok lúgok vagy karbonátok hatására történő lebontását korlátozott mértékben alkalmazzák, például a szappangyártásban [81] [82] [83] .
A magasabb zsíralkoholokat többféleképpen állítják elő, ideértve a zsírok átészterezésével kapott zsírsav-metil-észterek hidrogenolízisét , valamint az alkének hidroformilezését és az etilén oligomerizálását, amelyet oxidáció követ (Ziegler-módszer). Évente 2,15 millió tonna magasabb zsíralkoholt állítanak elő a világon (2003) [84] [85] .
Egyes alkoholok esetében a biokémiai módszerek fontosabb szerepet játszanak az ipari szintézisben. Különösen az előállított bioetanol mennyisége jelentősen meghaladja a szintetikus etanol mennyiségét. Az etanol biokémiai előállítása a növényi anyagok savas vagy enzimatikus hidrolízisén alapul , amit a keletkező szénhidrátok anaerob alkoholos fermentációja (fermentációja) követ élesztőgombák ( Saccharomyces ) vagy bizonyos típusú baktériumok által . Az élesztők különösen alkalmas mikroorganizmusok széles körű ipari felhasználásra. Az élesztővel segített fermentációt nagy szelektivitás , alacsony melléktermék-felhalmozódás, magas etanolhozam, nagy folyamatsebesség és jó élesztőtűrő képesség jellemzi a megnövekedett etanol- és szubsztrátkoncentrációkkal szemben. Ebben a folyamatban nyersanyagként szolgálhatnak a könnyen fermentálható szénhidrátok, valamint a keményítő és más szerves szubsztrátok, amelyeket először fermentálható formává kell hidrolizálni. Általánosan használt növények ( cukorrépa , burgonya , gabonafélék ), erdészeti termékek ( fa , szalma ) vagy mezőgazdasági hulladékok [86] .
A biobutanol előállítása szénhidrát alapanyagok fermentációján alapul, a Clostridium acetobutylicum baktérium segítségével [87] .
Az alkoholok kémiai tulajdonságait a bennük lévő hidroxilcsoport határozza meg . Mivel a hidroxilcsoport poláris , heterolitikusan disszociálhat , különösen, ha erős bázisok támadják meg . Így az alkoholok a gyenge savak tulajdonságait mutatják . Ezenkívül az oxigén nagy elektronegativitása meghatározza az elektrofil szénatom jelenlétét, és ennek megfelelően az alkoholok azon képességét, hogy számos nukleofil hatására nukleofil szubsztitúciós reakciókon menjenek keresztül . Végül a hidroxilcsoport oxigénatomja nukleofil , így az alkoholok nukleofilként működhetnek a szubsztitúciós és addíciós reakciókban . Ezenkívül az alkoholokat oxidációs reakciók jellemzik .
Az alkoholok savas és bázikus tulajdonságokat is mutathatnak. Gyenge savakként az alkoholok az O - H kötésnél disszociálva alkoxidiont képeznek. Az alkoholok savas tulajdonságait a K a savassági állandóval értékeljük .
Vizes oldatban az alkoholok savassága csökken a molekulatömeg növekedésével és a szénhidrogénlánc elágazásával. Ez összefüggésben van az alkil-szubsztituensek pozitív induktív hatásának növekedésével ebben a sorozatban, és az így létrejövő alkoxidion stabilitásának csökkenésével az oxigénatom negatív töltése miatt [88] .
Általában az elektronszívó szubsztituensek (-NO 2 , -CN, -F, -Cl, -Br, -I, -OR stb.) növelik az alkoholok savasságát (csökkentik a pK a -t ). Ezzel szemben az elektrondonor szubsztituensek (például alkil-szubsztituensek) csökkentik az alkoholok savasságát (növelik a pKa -t ). Így a 2,2,2 - trifluor -etanol pKa -értéke 12,43 (az etanol 15,9-ével szemben), a teljesen fluorozott terc -butanolé pedig 5,4 (a terc - butanol 17,7-ével szemben) [89] . Az alkoholok és más osztályokba tartozó vegyületek összehasonlító savasságát a [90] ábra mutatja sematikusan .
Gyenge savakként az alkoholok reakcióba lépnek lúgokkal , alkáliföldfémmel és néhány más fémmel, valamint erős bázisokkal , például fémhidridekkel vagy -amidokkal , Grignard-reagensekkel [91] .
Az alkoholok alapvető tulajdonságaiAz alkoholok gyenge Lewis-bázisként is viselkedhetnek , erős ásványi savakkal alkoxónium-sókat képezve, valamint donor-akceptor komplexeket képezhetnek Lewis-savakkal . Az ilyen reakciók általában nem állnak le ebben a szakaszban, és a hidroxilcsoport nukleofil szubsztitúciójához vagy a víz eliminációjához vezetnek .
Az alkoholok bázikusságát a p K b bázikussági állandóval vagy a konjugált sav p K a H + savassági állandójával határozzuk meg :
Az alkoholok gyenge bázisok, és bázikusságuk növekszik a hidroxilcsoport szénhidrogéncsoportjának hosszával vagy elágazásával. Ez a hatás a gyök pozitív induktív hatásának növekedése miatt figyelhető meg ebben a sorozatban, aminek következtében megnő a hidroxilcsoport oxigénatomjának negatív töltése [92] .
A hidroxilcsoporthoz közvetlenül kapcsolódó szénatom részleges pozitív töltéssel rendelkezik, ami lehetővé teszi, hogy egy nukleofil részecske ( halogenidion , ammónia , alkohol stb.) megtámadja ezt a szénatomot, és ezzel a részecskével helyettesítse a hidroxilcsoportot. A hidroxilcsoport gyenge kilépőcsoport , ezért általában további aktiválásra van szükség.
Savas katalizátorok ( alumínium- oxid , kénsav , foszforsav stb.) jelenlétében az alkoholok dehidratálódhatnak, és alkének keletkezhetnek . Például az etil-alkohol kiszáradása etilén képződését eredményezi . A reakció Zaicev szabálya szerint megy végbe, amely szerint a dehidratáció során egy stabilabb, a kettős kötésnél jobban szubsztituált alkén képződik [96] .
A hidroxilcsoport jelenléte egy vegyületben számos általános kémiai reakcióval kimutatható.
Az alkoholok kvantitatív elemzésére általában karbonsav-anhidridekkel, például ecetsavval , ftálsavval , valamint piromellit-dianhidriddel való észterezési reakción alapuló módszereket alkalmaznak. Az alkoholtartalmat a kapott sav nátrium-hidroxiddal történő titrálásával határozzuk meg [102] .
Egy másik elemzési módszer a metil-magnézium-jodiddal reagálni képes hidroxilcsoportok mennyiségének meghatározása. Ebben az esetben a számítást a felszabaduló metán mennyisége szerint végezzük ( Chugaev-Tserevitinov módszer ).
A glikolok esetében a redox módszer alkalmazható, ahol jódsavat használnak oxidálószerként . Az elemzést a keletkező HIO 3 jódsav kálium-jodiddal való reagáltatásával , majd a felszabaduló jód nátrium-tioszulfáttal történő titrálásával végezzük [102] .
Az alifás alkoholok tömegspektrumában a molekulaion gyenge csúcsai vannak, míg a magasabb és elágazó láncú alkoholoknál ezek a csúcsok gyakorlatilag hiányoznak, mivel a molekula fragmentációja jelentős mértékben megy végbe. A töredezettség általában a vízmolekula elvesztésével, valamint az etilén eltávolításával jár . A hosszú szénláncú alkoholoknál a vízelvonás dominál, így tömegspektrumuk hasonló az alkénekéhez . A primer alkoholok esetében m / z 31 csúcsok figyelhetők meg ;
IR spektroszkópiai módszerek alkoholok elemzéséreAz alkoholok infravörös spektrumát kétféle intenzív karakterisztikus abszorpciós sáv jellemzi:
Vannak közepes intenzitású abszorpciós sávok is, amelyeknek általában nincs döntő jelentősége: 1450-1250 cm - 1 tartományban (síkbeli hajlítási rezgések O-H) és 750-650 cm - 1 (kifelé) -síkhajlító rezgések O–H) [104] .
Az alkoholok jellemző abszorpciós sávjai az infravörös tartományban [104]
Linktípusok és fluktuációk | Tartomány, cm −1 | Az abszorpciós sáv leírása |
---|---|---|
O−H, nyújtó rezgések | ||
ROH, nem társított | 3650-3580 | Keskeny sáv látható híg oldatokban vagy gőzökben |
ROH HOR, dimerek (hidrogénkötés) | 3550-3400 | Széles sáv, amely hígításkor elveszti intenzitását |
ROH···HOR···, polimerek | 3400-3200 | Széles csík vagy csíkok sorozata |
С−O, nyújtó rezgések | ||
R3 COH , tercier alkoholok | 1210-1100 | Nagy intenzitású, hígulással csökkenő sávok |
R 2 CHOH, szekunder alkoholok | 1125-1000 | |
RCH 2 OH, primer alkoholok | 1075-1000 | |
O−H, hajlító rezgések | ||
ROH | 1450-1250 750-650 |
Közepes intenzitású széles sávok, gyakorlati jelentőséggel nem bírnak |
Az 1H NMR spektroszkópiát széles körben alkalmazzák alkoholok elemzésére, azonban a hidroxilcsoport protonjainak kémiai eltolódását ( δ , ppm) jelentősen befolyásolja az oldószer jellege és egyéb külső tényezők. Az alifás és aliciklusos alkoholok δ értéke 0,5-3,0 ( DMSO - d6 :4-6-ban) [ 105] .
Az alkoholok vizsgálatára 17O spektroszkópiát is alkalmaznak .. Jelentős különbség van a primer (etanol: δ 5,9 ppm), a szekunder (propanol-2: δ 39,8 ppm) és a tercier alkoholok (2-metilpropanol -2: δ 62,3 ppm) relatív eltolódásaiban vízhez H 2 17 O lehetővé teszi a vizsgált vegyület szerkezetének megállapítását vagy megerősítését [106] .
Az etanol1H - NMR-spektruma
Az etanol infravörös spektruma
Az alkoholok felhasználási területei sokrétűek és változatosak, különös tekintettel az ebbe az osztályba tartozó vegyületek legszélesebb körére. Ipari szempontból azonban csak kis számú alkohol járul hozzá jelentős mértékben a globális világgazdasághoz.
Az Egyesült Államok vegyipara által előállított vegyületek [K 3] 2002. évi TOP 50 -ében az alkoholok között csak a metanol (14. hely) és az etilénglikol (29. hely) szerepel [107] . A következő 50 legfontosabb kémiai vegyület az 1999-es adatok szerint az izopropil-alkohol , n - butil-alkohol , szintetikus etanol , propilénglikol , dietilénglikol , 2-etil-hexanol , butándiol-1,4 , szorbit és glicerin [108] .
A világon a legelterjedtebb és használt alkohol az etanol . Világfelhasználása körülbelül 65 millió tonna [K 4] . Az egyéb alkoholok (az etanol kivételével) teljes globális fogyasztása különböző felhasználási területeken körülbelül 70 millió tonna (2009-ben) [K 5] .
A metil-alkohol legnagyobb részét a formaldehid ipari szintézisében használják fel a metanol magas hőmérsékletű katalitikus oxidációjával [K 6] [109] . Ezenkívül a terc -butil- metil-étert , az ecetsavat metanolból nyerik ( Monsanto eljárás) [110] , N,N-dimetil-anilin [111] , metil -aminok [112] és klór -metán [113] .
Az etanolt kereskedelmi forgalomban használják dietil-éter (250 °C-on, Al 2 O 3 feletti dehidratálással ) [114] , klorál [115] , acetaldehid [116] és etil-acetát [117] előállítására .
Az izopropil -alkoholt katalitikus folyadékfázisú dehidrogénezéssel Raney-nikkelen 150 °C -on acetonná alakítják [118] . A butanolból nyert fő termék a butil-akrilát [119] .
Üzemanyagként jelenleg három alkoholt használnak ipari mennyiségben: a metanolt , az etanolt és a butanol-1- et, ami elsősorban kereskedelmi elérhetőségüknek és a növényi anyagokból történő tömeggyártás lehetőségének köszönhető (kivéve a metanolt [K 7] ). Ebben az esetben az alkoholok tiszta formában üzemanyag formájában, benzinnel vagy dízel üzemanyaggal való különféle keverékek formájában [120] , valamint oxigenizáló adalékok (maximum 10%) használhatók a növekedés növelése érdekében. az oktánszámot és csökkenti a kipufogógázok toxicitását [K 8] [121] [122] . Külön terület a metanol felhasználása zsírok átészterezésére a biodízel gyártása során [123] .
A túlnyomórészt üzemanyag alkohol az etanol. Szakértők szerint 2009-ben a világon előállított összes etil-alkohol 80-90%-át erre a célra használták fel, és ez 73,9 milliárd liter (≈ 58 millió tonna) volt [124] [125] .
Az alkoholok, mint alternatív üzemanyagok aktív tanulmányozásának fő okai a következők [126] :
Ugyanakkor a fenti alkoholok tömeges motorüzemanyagként való felhasználása a pusztán gazdasági okok mellett számos hátránnyal is jár [127] :
Az oldószerek közül az alkoholok sokféle fajtája elterjedt: egyértékű ( metanol , propanol-2 ) és többértékű ( etilénglikol , glicerin ); alifás ( etanol , butanol-1 ) és ciklikus ( ciklohexanol ). Az alkoholok poláris oldószerek, és különféle iparágakban használják [128] . Az alkoholok oldószerként való globális felhasználása (2013-as adatok szerint) körülbelül 6,5 millió tonnát tett ki [129] .
Az oldószerek közül a legelterjedtebb alkohol az etanol – globális fogyasztása erre a célra (2009-es adatok szerint) meghaladja az évi 3,5 millió tonnát [ 130] . További népszerű oldószerek a metanol és az izopropanol [76] , amelyek fogyasztása meghaladja az évi 1 millió tonnát .
Az alkoholok oldószerként való felhasználása a következő utasításokat tartalmazza [131] :
A szintetikus mosószerek modern felületaktív anyagainak gyártásánál a legfontosabb alapanyagok a magasabb zsíralkoholok , amelyekből a reagenstől függően nemionos vagy anionos felületaktív anyagokat nyernek [132] .
2000-ben a felületaktív anyagok gyártásában a magasabb zsíralkoholok világszintű felhasználása 1,68 millió tonnát tett ki [132] . 2003-ban körülbelül 2,5 millió tonna felületaktív anyagot állítottak elő magasabb zsíralkoholok alapján [133] .
Polimer anyagok és összetevőikAz alkoholok kiindulási monomerekként fontos szerepet töltenek be polimer anyagok polikondenzációval történő szintézisében . Alapvetően alkoholok alapján poliésztereket és poliuretánokat szintetizálnak . Az ilyen szintetikus polimerek legfontosabb példái a tereftálsavból és etilénglikolból vagy 1,4-butándiolból nyert polietilén-tereftalát , polibutilén -tereftalát . A glikolok , glicerin vagy pentaeritrit ftálsavanhidriddel történő polikondenzációja alkidgyantákat eredményez , amelyeket széles körben használnak lakkok és festékek gyártásához. A poliuretánokat izocianátok glikolokkal vagy többértékű alkoholokkal való polikondenzációjával állítják elő [134] .
Az alkoholokat polimerek észter- és diészter lágyítóinak előállítására is használják [135] .
Hidraulikafolyadékok és kenőanyagokA nem gyúlékony hidraulikafolyadékok előállításához glicerint és etanolt tartalmazó vizes oldatokat használnak . Az etilénglikolt és az arra épülő észtereket széles körben alkalmazzák a fékfolyadékok gyártásában [136] .
Sok modern kenőanyag tartalmaz magasabb zsíralkoholokat és ezek észtereit alacsony toxicitásuk, magas lobbanáspontjuk és hevítés közbeni nyomtalan párolgásuk miatt. Ezeket a tulajdonságokat háztartási alkalmazásokhoz használják, valamint olyan esetekben, amikor a felülethűtő hatás fontosabb, mint a súrlódásgátló tulajdonságok (például fúrásnál, fűrészelésnél vagy más fémmegmunkálásnál) [137] .
Növényvédő szerekAnnak ellenére, hogy a szubsztituálatlan telített alifás alkoholok fungicid vagy herbicid hatásúak, peszticidként való közvetlen alkalmazásuk nem talál széles körű gyakorlati alkalmazást. A kevés irányok egyike a növényi növekedés szabályozóként való felhasználása . Az etanol , az etilénglikol és más glikolok, egyes magasabb zsíralkoholok hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek [138] .
A halogénnel szubsztituált alkoholok sokkal nagyobb aktivitást mutatnak, és rasticid , gyomirtó és gombaölő hatásúak. Például a glifluor hatóanyagot , amely 1,3-difluor-propanol-2 és 1-fluor-3-klór-propanol-2 keveréke, rágcsálók és ürgék elleni védekezésre használják [139] .
Magasabb biológiai aktivitás figyelhető meg a telítetlen és aromás alkoholokban. Az allil-alkoholt gyomirtó szerként használják; sok magasabb telítetlen alkohol rovarferomon. Egyes aromás bifenil-alkoholok aktív akaricidek : dikofol , klórfenetol , proklonol [139] [140] .
Számos alkohol köztiterméke különféle peszticidek szintézisének [141] . Például a metanolt glifozát [142] , krotoxifosz - α-metilbenzil-alkohol [143] , harmadik generációs piretroidok - 3-fenoxibenzil-alkohol [144] előállításához használják .
Ezenkívül az alkoholokat széles körben használják nem vizes hordozóként peszticidek kereskedelmi összetételének előállításához [145] .
Minden alkoholos ital alapja az etanol , amelyet élelmiszer-alapanyagok - szőlő, burgonya, búza és más keményítő- vagy cukortartalmú termékek - fermentálásával nyernek. Ezenkívül az etil-alkoholt egyes élelmiszerek és aromás esszenciák (aromaanyagok) összetevőjeként használják, széles körben használják főzéshez, édességek sütéséhez, csokoládéhoz, édességekhez, italokhoz, fagylaltokhoz, lekvárokhoz, zselékhez, dzsemekhez, lekvárokhoz stb. Az etanol azonban az élelmiszeriparban használt alkoholok listája nem korlátozott. Az alkoholok sokféle élelmiszer-adalékanyag között megtalálhatók , például a glicerint (E422) nedvességmegtartó szerként, oldószerként, sűrítőszerként, elválasztóként [K 9] , filmképzőként [K 10] , kapszulázóként használják. Számos alkoholt használnak édesítőszerként ( xilit , mannit , szorbit , eritrit ), ízesítőként ( mentol ), színezékként ( lutein ) stb. [147]
Parfümök, kozmetikumok és háztartási vegyszerekAz alkoholokat meglehetősen széles körben használják illatanyagként az illatszer- és kozmetikai iparban, valamint háztartási vegyszerek és egyéb fogyasztási cikkek ( geraniol , nerol , citronellol , mentol stb.) illatanyagaiban. Az alkoholokat az ízesítésen kívül más célokra is használják illatszerekben és kozmetikai termékekben [148] :
Az orvosi célokra használt fő alkohol az etanol . Külső fertőtlenítőként és irritálóként használják borogatások és borogatások készítéséhez. Az etil-alkoholt még szélesebb körben használják különféle tinktúrák, hígítások, kivonatok és egyéb adagolási formák készítésére [149] .
Az alkoholok megfelelő gyógyszerként való alkalmazása nem annyira feltűnő, azonban sok gyógyszer a hidroxilcsoport formális jelenléte miatt a vizsgált szerves vegyületek osztályába sorolható ( clenbuterol , klór -butanol , mannit , ösztradiol stb.). Például 2000-ben a 10 legfontosabb amerikai vényköteles gyógyszer listáján a hidroxilcsoportot tartalmazó albuterol a 6. helyen áll [150] .
Jelenleg nehéz olyan területet találni az emberi gyakorlati tevékenységnek, ahol az alkoholokat ne használnák fel egyik vagy másik szerepben. A következő kisebb felhasználási területek különböztethetők meg:
Szótárak és enciklopédiák |
| |||
---|---|---|---|---|
|
A szerves vegyületek osztályai | |
---|---|
szénhidrogének | |
Oxigén tartalmú | |
Nitrogén tartalmú | |
Kén | |
Foszfor tartalmú | |
haloorganikus | |
szerves szilícium |
|
Szerves elem | |
További fontos osztályok |