معروف ترین و مورد استفاده در زندگی و صنعت بشر مواد متعلق به دسته الکل های پلی هیدرویک اتیلن گلیکول و گلیسیرین هستند. تحقیقات و استفاده از آنها چندین قرن پیش آغاز شده است، اما خواص این ترکیبات آلی از بسیاری جهات تکرار نشدنی و منحصر به فرد است که آنها را تا به امروز ضروری می کند. الکل های پلی هیدریک در بسیاری از سنتز شیمیایی، صنایع و زمینه های زندگی انسان استفاده می شود.
اولین "آشنایی" با اتیلن گلیکول و گلیسیرین: تاریخچه بدست آوردن
در سال 1859، از طریق یک فرآیند دو مرحله ای واکنش دی برومواتان با استات نقره و سپس درمان دی استات اتیلن گلیکول به دست آمده در اولین واکنش با پتاس سوزاننده، چارلز ورتز برای اولین بار اتیلن گلیکول را سنتز کرد. مدتی بعد، روشی برای هیدرولیز مستقیم دی بروموتان توسعه یافت، اما در مقیاس صنعتی در آغاز قرن بیستم، الکل دی هیدریک 1، 2-دی اکسی اتان، همچنین به عنوان مونواتیلن گلیکول، یا به سادگی گلیکول، در ایالات متحده شناخته شد.به دست آمده از هیدرولیز اتیلن کلروهیدرین.
امروزه هم در صنعت و هم در آزمایشگاه از تعدادی روش دیگر استفاده می شود که از نظر مواد اولیه و انرژی به صرفه تر و سازگار با محیط زیست هستند زیرا از معرف های حاوی یا آزاد کننده کلر استفاده می شود. سموم، مواد سرطان زا و سایر مواد خطرناک برای محیط زیست و انسان، با توسعه شیمی "سبز" رو به کاهش است.
گلیسیرین توسط داروساز کارل ویلهلم شیل در سال 1779 کشف شد و تئوفیل ژول پلوز ترکیب این ترکیب را در سال 1836 مطالعه کرد. دو دهه بعد، ساختار مولکول این الکل سه‌هیدریک در آثار پیر یوجین مارسی ورتلو و چارلز ورتز ثابت شد. سرانجام، بیست سال بعد، چارلز فریدل سنتز کامل گلیسرول را انجام داد. در حال حاضر صنعت برای تولید خود از دو روش استفاده می کند: از طریق آلیل کلرید از پروپیلن و همچنین از طریق آکرولئین. خواص شیمیایی اتیلن گلیکول، مانند گلیسیرین، به طور گسترده در زمینه های مختلف تولید مواد شیمیایی استفاده می شود.
ساختار و ساختار اتصال
این مولکول بر اساس یک اسکلت هیدروکربنی غیراشباع اتیلن است که از دو اتم کربن تشکیل شده است که در آن یک پیوند دوگانه شکسته شده است. دو گروه هیدروکسیل به مکان‌های ظرفیت خالی در اتم‌های کربن اضافه شد. فرمول اتیلن C2H4 است، پس از شکستن پیوند جرثقیل و افزودن گروه های هیدروکسیل (پس از چندین مرحله) به نظر می رسد C.2N4(OH)2. همین استاتیلن گلیکول.
مولکول اتیلن دارای ساختار خطی است، در حالی که الکل دی هیدروکسی دارای نوعی پیکربندی ترانس در قرارگیری گروه های هیدروکسیل در رابطه با ستون فقرات کربن و یکدیگر است (این اصطلاح کاملاً برای موقعیت نسبت به یکدیگر قابل استفاده است. پیوند چندگانه). چنین جابجایی مربوط به دورترین مکان هیدروژن ها از گروه های عاملی، انرژی کمتر و در نتیجه حداکثر پایداری سیستم است. به زبان ساده، یک گروه OH به بالا و دیگری به پایین نگاه می کند. در عین حال، ترکیبات دارای دو هیدروکسیل ناپایدار هستند: در یک اتم کربن، که در مخلوط واکنش تشکیل می شود، بلافاصله آب می شوند و به آلدئید تبدیل می شوند.
طبقه بندی
خواص شیمیایی اتیلن گلیکول با منشأ آن از گروه الکل‌های پلی‌هیدریک، یعنی زیر گروه دیول‌ها، یعنی ترکیباتی با دو قطعه هیدروکسیل در اتم‌های کربن همسایه تعیین می‌شود. ماده ای که حاوی چندین جایگزین OH نیز می باشد گلیسرول است. این دارای سه گروه عملکردی الکل است و رایج ترین عضو زیر کلاس خود است.
ترکیبات زیادی از این دسته نیز به دست می آید و در تولید شیمیایی برای مصارف مختلف سنتز و دیگر استفاده می شود، اما استفاده از اتیلن گلیکول در مقیاس جدی تری است و تقریباً در همه صنایع دخیل است. این موضوع در ادامه با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.
ویژگی های فیزیکی
استفاده از اتیلن گلیکول به دلیل وجود تعدادی ازخواصی که در الکل های پلی هیدریک وجود دارد. اینها ویژگی‌های متمایزی هستند که فقط برای این دسته از ترکیبات آلی مشخص می‌شوند.
مهمترین خواص، توانایی نامحدود در ترکیب با H2O است. آب + اتیلن گلیکول محلولی با یک ویژگی منحصر به فرد می دهد: نقطه انجماد آن بسته به غلظت دیول 70 درجه کمتر از تقطیر خالص است. توجه به این نکته مهم است که این وابستگی غیر خطی است و با رسیدن به مقدار کمی گلیکول، اثر معکوس شروع می شود - با افزایش درصد ماده محلول، نقطه انجماد افزایش می یابد. این ویژگی در تولید انواع ضد یخ، مایعات ضد یخ که در ویژگی های حرارتی بسیار پایین محیط متبلور می شوند، کاربرد پیدا کرده است.
به جز در آب، فرآیند انحلال در الکل و استون به خوبی پیش می رود، اما در پارافین ها، بنزن ها، اترها و تتراکلرید کربن مشاهده نمی شود. اتیلن گلیکول بر خلاف جد آلیفاتیک خود - ماده گازی مانند اتیلن، مایعی شربت مانند و شفاف با رنگ زرد ملایم، طعم شیرین، با بوی نامشخص، عملاً غیر فرار است. انجماد اتیلن گلیکول 100% در 12.6- درجه سانتیگراد و جوشش در 197.8+ رخ می دهد. در شرایط عادی، چگالی 1.11 گرم در سانتی متر است3. است.
روشهای دریافت
اتیلن گلیکول را می توان از راه های مختلفی به دست آورد، برخی از آنها امروزه فقط اهمیت تاریخی یا آماده سازی دارند، در حالی که دیگرانبه طور فعال توسط انسان در مقیاس صنعتی و نه تنها استفاده می شود. به ترتیب زمانی، بیایید نگاهی به مهمترین آنها بیاندازیم.
اولین روش برای به دست آوردن اتیلن گلیکول از دی برومواتان قبلاً در بالا توضیح داده شده است. فرمول اتیلن که پیوند دوگانه آن شکسته شده و ظرفیت های آزاد توسط هالوژن ها اشغال شده است، ماده اولیه اصلی در این واکنش علاوه بر کربن و هیدروژن، دارای دو اتم برم نیز در ترکیب خود می باشد. تشکیل یک ترکیب میانی در مرحله اول فرآیند دقیقاً به دلیل حذف آنها امکان پذیر است، یعنی جایگزینی با گروه های استات، که پس از هیدرولیز بیشتر، به الکل تبدیل می شوند.
در روند توسعه بیشتر علم، به دست آوردن اتیلن گلیکول با هیدرولیز مستقیم هر اتان جایگزین شده توسط دو هالوژن در اتم های کربن همسایه، با استفاده از محلول های آبی کربنات های فلزی از گروه قلیایی یا (کمتر از نظر زیست محیطی) ممکن شد. معرف دوستانه) H2 اوه و دی اکسید سرب. این واکنش کاملاً "کار فشرده" است و فقط در دماها و فشارهای بسیار بالا ادامه می یابد، اما این امر مانع از استفاده آلمانی ها از این روش در طول جنگ های جهانی برای تولید اتیلن گلیکول در مقیاس صنعتی نشد.
روش به دست آوردن اتیلن گلیکول از اتیلن کلروهیدرین با هیدرولیز آن با نمک های کربنی فلزات گروه قلیایی نیز نقش خود را در توسعه شیمی آلی ایفا کرد. با افزایش دمای واکنش به 170 درجه، بازده محصول مورد نظر به 90 درصد رسید. اما یک اشکال قابل توجه وجود داشت - گلیکول باید به نحوی از محلول نمک استخراج می شد که مستقیماً بهتعدادی از مشکلات دانشمندان این مشکل را با توسعه روشی با همان ماده اولیه حل کردند، اما این فرآیند را به دو مرحله تقسیم کردند.
هیدرولیز اتیلن گلیکول استات، که مرحله نهایی اولیه روش ورتز بود، زمانی که توانستند معرف اولیه را با اکسید کردن اتیلن در اسید استیک با اکسیژن، یعنی بدون استفاده از روش های گران قیمت، به دست آورند، به روشی جداگانه تبدیل شد. ترکیبات هالوژن کاملاً غیر محیطی.
همچنین راههای زیادی برای تولید اتیلن گلیکول با اکسید کردن اتیلن با هیدروپراکسیدها، پراکسیدها، پراسیدهای آلی در حضور کاتالیزورها (ترکیبات اوسمیوم)، کلرات پتاسیم و غیره وجود دارد. روشهای الکتروشیمیایی و تشعشعی-شیمیایی نیز وجود دارد.
ویژگی های شیمیایی عمومی
خواص شیمیایی اتیلن گلیکول توسط گروه های عاملی آن تعیین می شود. بسته به شرایط فرآیند، واکنش ها ممکن است شامل یک جایگزین هیدروکسیل یا هر دو باشد. تفاوت اصلی در واکنش پذیری در این واقعیت نهفته است که به دلیل وجود چندین هیدروکسیل در یک الکل چند هیدروکسی و تأثیر متقابل آنها، خواص اسیدی قوی تری نسبت به "برادران" مونوهیدریک آشکار می شود. بنابراین، در واکنش با قلیاها، محصولات نمک هستند (برای گلیکول - گلیکولات، برای گلیسرول - گلیسرات).
خواص شیمیایی اتیلن گلیکول و همچنین گلیسیرین شامل تمام واکنش های الکل ها از دسته مونوهیدریک می شود. گلیکول در واکنش با اسیدهای مونوبازیک استرهای کامل و جزئی می دهد، گلیکولات ها به ترتیب با فلزات قلیایی تشکیل می شوند و زمانی کهدر یک فرآیند شیمیایی با اسیدهای قوی یا نمک آنها، اسید استیک آلدئید آزاد می شود - به دلیل حذف یک اتم هیدروژن از یک مولکول.
واکنش با فلزات فعال
واکنش اتیلن گلیکول با فلزات فعال (پس از هیدروژن در سری قدرت شیمیایی) در دماهای بالا اتیلن گلیکولات فلز مربوطه را به همراه هیدروژن آزاد می کند.
C2N4(OH)۲ + X → C2H4O2X، که در آن X فلز دو ظرفیتی فعال است.
واکنش کیفی به اتیلن گلیکول
الکل پلی هیدریک را با استفاده از واکنش بصری که فقط برای این دسته از ترکیبات مشخص است از هر مایع دیگری متمایز کنید. برای انجام این کار، هیدروکسید مس تازه رسوب شده (2) که دارای رنگ آبی مشخص است، در محلول بی رنگ الکل ریخته می شود. هنگامی که اجزای مخلوط با هم تعامل می کنند، رسوب حل می شود و محلول به رنگ آبی تیره تبدیل می شود - در نتیجه تشکیل گلیکولات مس (2).
پلیمریزاسیون
خواص شیمیایی اتیلن گلیکول برای تولید حلال ها از اهمیت بالایی برخوردار است. کم آبی بین مولکولی ماده مذکور، یعنی حذف آب از هر یک از دو مولکول گلیکول و ترکیب بعدی آنها (یک گروه هیدروکسیل به طور کامل حذف می شود و فقط هیدروژن از دیگری حذف می شود) امکان بدست آوردن یک حلال آلی منحصر به فرد - دی اکسان، که اغلب در شیمی آلی استفاده می شود، با وجود سمیت بالا.
تبادل هیدروکسیبه هالوژن
هنگامی که اتیلن گلیکول با اسیدهای هیدروهالیک برهمکنش می کند، جایگزینی گروه های هیدروکسیل با هالوژن مربوطه مشاهده می شود. درجه جانشینی به غلظت مولی هیدروژن هالید در مخلوط واکنش بستگی دارد:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X، که در آن X کلر یا برم است.
دریافت اتر
در واکنش های اتیلن گلیکول با اسید نیتریک (با غلظت معین) و اسیدهای آلی تک بازی (فرمیک، استیک، پروپیونیک، بوتیریک، والریک و غیره)، مونو استرهای پیچیده و بر این اساس ساده تشکیل می شوند. در برخی دیگر، غلظت اسید نیتریک گلیکول دی و تری نیترو استر است. اسید سولفوریک با غلظت معین به عنوان کاتالیزور استفاده می شود.
مهمترین مشتقات اتیلن گلیکول
مواد با ارزشی که می توان از الکل های پلی هیدریک با استفاده از واکنش های شیمیایی ساده (که در بالا توضیح داده شد) به دست آورد، اترهای اتیلن گلیکول هستند. یعنی: مونو متیل و مونو اتیل که فرمول آنها HO-CH2-CH2-O-CH3 و HO-CH2-CH2-O-C2N 5 به ترتیب. از نظر خواص شیمیایی، آنها از بسیاری جهات شبیه گلیکول ها هستند، اما، مانند هر دسته دیگر از ترکیبات، ویژگی های واکنشی منحصر به فردی دارند که منحصر به آنها است:
- مونومی متیل اتیلن گلیکول مایعی بی رنگ، اما با بوی مشمئزکننده است که در دمای 124.6 درجه سانتیگراد می جوشد، بسیار محلول در اتانول و غیرهحلال‌های آلی و آب، بسیار فرارتر از گلیکول، و با چگالی کمتر از آب (در حدود 0.965 گرم در سانتی‌متر3).
- دی متیل اتیلن گلیکول نیز یک مایع است، اما با بوی مشخصه کمتر، چگالی 0.935 گرم در سانتی متر3، نقطه جوش 134 درجه بالای صفر و حلالیت قابل مقایسه به همولوگ قبلی.
استفاده از سلوسول ها - به عنوان کلی اتیلن گلیکول مونو اترها - بسیار رایج است. آنها به عنوان معرف و حلال در سنتز آلی استفاده می شوند. از خواص فیزیکی آنها برای افزودنی های ضد خوردگی و ضد تبلور در روغن های ضد یخ و موتور نیز استفاده می شود.
زمینه های کاربرد و قیمت گذاری طیف محصولات
هزینه کارخانه ها و شرکت های درگیر در تولید و فروش چنین معرف هایی به طور متوسط حدود 100 روبل در هر کیلوگرم از ترکیب شیمیایی مانند اتیلن گلیکول در نوسان است. قیمت به خلوص ماده و حداکثر درصد محصول مورد نظر بستگی دارد.
استفاده از اتیلن گلیکول به هیچ منطقه ای محدود نمی شود. بنابراین، به عنوان یک ماده خام در تولید حلال‌های آلی، رزین‌های مصنوعی و الیاف، مایعاتی که در دماهای پایین یخ می‌زنند، استفاده می‌شود. در بسیاری از صنایع مانند خودروسازی، هوانوردی، داروسازی، برق، چرم، دخانیات فعالیت دارد. اهمیت آن برای سنتز آلی غیرقابل انکار است.
مهم است که به یاد داشته باشید که گلیکول استترکیب سمی که می تواند آسیب های جبران ناپذیری به سلامت انسان وارد کند. بنابراین، آن را در ظروف مهر و موم شده ساخته شده از آلومینیوم یا فولاد با یک لایه داخلی اجباری که ظرف را از خوردگی محافظت می کند، فقط در موقعیت های عمودی و در اتاق هایی که مجهز به سیستم گرمایشی نیستند، اما با تهویه خوب ذخیره می شود. مدت - حداکثر پنج سال.
