Alkoholer (fra lat. spiritus - spiritus; forældede alkoholer , fra arabisk الكحول al -kukhul - pulver [1] ) - organiske forbindelser indeholdende en eller flere hydroxylgrupper (hydroxyl, - O H ), direkte forbundet med mættet ( værende i en tilstand af sp 3 -hybridisering ) carbonatom [2] . Alkoholer kan betragtes som derivater af vand ( H−O−H ) , hvor et brintatom er erstattet af et organisk funktionel gruppe : R−O−H .
I IUPAC-nomenklaturen for forbindelser, hvori hydroxylgruppen er bundet til et umættet ( sp ²-hybrid ) carbonatom, er navnene " enoler " (hydroxyl er forbundet med en vinyl C=C-binding) [3] og " phenoler " ( hydroxyl er forbundet med benzen eller en anden aromatisk ring) [4] .
Alkoholer er en stor og forskelligartet klasse af forbindelser: de er meget almindelige i naturen og udfører ofte vigtige funktioner i levende organismer . Alkoholer er vigtige forbindelser med hensyn til organisk syntese , ikke kun af interesse som slutprodukter, men også som mellemprodukter med en række unikke kemiske egenskaber . Derudover er alkoholer industrielt vigtige produkter og har det bredeste anvendelsesområde både i industrien og i hverdagen .
Ordet alkohol kommer fra arabisk. الكحل ( al-kuḥl ) - "pulveriseret antimon ". Konceptet stammer fra den alkymistiske teknik med at reducere kemikalier til et "pulver", som skulle være den rene essens af et stof. På samme måde er ethylalkohol essensen af vin, deraf navnet [1] . Ordet kom ind i det russiske sprog gennem ham. Alkohol , nederland . alkohol eller portvin. , spansk alkohol [5] . Men i det russiske sprog er homonymet af ordet "alkohol" i betydningen "fint pulver" også blevet bevaret i form af arkaisme , tilsyneladende, [6] .
Ordet alkohol optrådte på russisk under Peter I 's tid gennem det engelske ord spirit , som igen kom fra det latinske spīritus - "ånde, ånd, sjæl" [7] .
Alkoholer er klassificeret som følger (eksempler er givet i parentes) [8] :
Ifølge IUPAC-nomenklaturen er navnene på simple alkoholer dannet ud fra navnene på de tilsvarende alkaner med tilføjelsen af suffikset "-ol", hvis position er angivet med et arabisk tal.
Regler for konstruktion af navne på alkoholer [9] :
En berusende urtedrik, der indeholder ethanol , har været kendt af menneskeheden siden oldtiden. Det menes, at man mindst 8000 år før vor tidsregning kendte til virkningen af fermenterede frugter, og senere modtog de ved hjælp af gæring berusende drikke indeholdende ethanol fra frugter og honning [13] . Arkæologiske fund tyder på, at vinfremstilling fandtes i Vestasien så tidligt som 5400-5000 f.Kr. e. , og på det moderne Kinas territorium , Henan- provinsen , blev der fundet beviser for produktionen af fermenterede blandinger fra ris , honning, druer og muligvis andre frugter, i den tidlige neolitiske æra : fra 6500 til 7000 år. f.Kr e. [fjorten]
For første gang blev alkohol fra vin opnået i det 6.-7. århundrede af arabiske kemikere; metoden til at opnå alkohol er indeholdt i den persiske alkymist Ar-Razis optegnelser [15] . I Europa blev ethylalkohol opnået fra fermenteringsprodukter i XI-XII århundrede , i Italien [16] .
Alkohol kom først til Rusland i 1386, da den genovesiske ambassade bragte det med sig under navnet "aqua vita" og præsenterede det for storhertugdomstolen [17] .
I 1661 opnåede den engelske kemiker Robert Boyle første gang methanol ved destillation af træ [18] . Absolut ethanol fra dets vandige opløsning blev først opnået i 1796 af den russiske kemiker T. E. Lovitz under destillation over kaliumchlorid [16] [19] .
I 1842 opdagede den tyske kemiker J. G. Schiel, at alkoholer danner en homolog serie , der adskiller sig med en eller anden konstant værdi. Han tog dog fejl ved at beskrive det som C 2 H 2 . To år senere etablerede en anden kemiker Charles Gerard den korrekte homologiske forskel CH 2 og forudsagde formlen og egenskaberne for propylalkohol ukendt på det tidspunkt [20] . I 1850 fastslog den engelske kemiker Alexander Williamson , der studerede reaktionen mellem alkoholater og ethyliodid , at ethylalkohol er et derivat af vand med et substitueret hydrogenatom, hvilket eksperimentelt bekræftede formlen C 2 H 5 OH [21] . For første gang blev syntesen af ethanol ved virkningen af svovlsyre på ethylen udført i 1854 af den franske kemiker Marcelin Berthelot [21] .
Den første undersøgelse af methylalkohol blev lavet i 1834 af de franske kemikere Jean-Baptiste Dumas og Eugène Peligot . De kaldte det "methyl- eller træalkohol", fordi det blev fundet i tør destillation af træ [22] . Syntesen af methanol ud fra methylchlorid blev udført af den franske kemiker Marcelin Berthelot i 1857 [23] . I 1855 opdagede han også isopropylalkohol , opnået ved virkningen af svovlsyre på propylen [24] .
For første gang blev en tertiær alkohol ( 2-methylpropanol-2 ) syntetiseret i 1863 af den berømte russiske kemiker A. M. Butlerov , hvilket indledte en hel række eksperimenter i denne retning [21] .
Den divalente alkohol ethylenglycol blev først syntetiseret af den franske kemiker A. Wurtz i 1856 [20] . Glycerin blev opdaget i naturlige fedtstoffer allerede i 1783 af den svenske kemiker Karl Scheele , men dets sammensætning blev først opdaget i 1836, og syntesen blev udført ud fra acetone i 1873 af Charles Friedel [25] .
Alkoholer er vidt udbredt i naturen både i fri form og som en del af estere .
Methylalkohol findes i små mængder i nogle planter, for eksempel: bjørneklo ( Heracleum ) [23] .
Ethylalkohol er et naturligt produkt af den anaerobe gæring af organiske kulhydratholdige fødevarer af gær af slægten Saccharomyces og bakterierne Zimomonas og dannes ofte i sure bær og frugter. I dette tilfælde bliver kulhydrater gennem en sekvens af enzymatiske reaktioner kaldet glykolyse til pyruvat , som derefter går over i acetaldehyd under påvirkning af pyruvatdecarboxylase . Sidstnævnte accepterer derefter, i nærvær af alkoholdehydrogenase , den reduktive ækvivalent af den reducerede form af NAD (reduktion af NAD sker på et af stadierne af glykolyse), hvilket giver ethanol som slutproduktet. Denne proces er ikke kun årsagen til akkumulering af ethanol i naturlige genstande, men bruges også aktivt i vinfremstilling, brygning og bageindustrien [26] . Under gæringen kan der også dannes andre alkoholer, for eksempel isopropanol , [27] butanol-1 [28] , butandiol-2,3 [29] .
De æteriske olier i de grønne dele af mange planter indeholder ( Z )-hexen-3-ol-1 ("bladalkohol"), hvilket giver dem en karakteristisk lugt [30] . Terpenalkoholer er også meget bredt repræsenteret i planteverdenen , hvoraf mange er duftstoffer , for eksempel: borneol (bestanddel af træet på borneocamphortræet), menthol (i mynte , geranium ) [31] , geraniol [32] og citronellol [33] (bestanddele af æteriske blomsterolier ), fenhol (i harpiksen fra nåletræer og fennikelfrugter ) osv.
Kondenserede tetracykliske alkoholer ( gonan- derivater) er udbredt i dyre- og planteriget , som har høj biologisk aktivitet og er inkluderet i klassen af steroider , for eksempel kolesterol , indeholdt i cellerne i næsten alle levende organismer, især dyr [34] . En separat gruppe af steroider består af galde polyvalente alkoholer, der findes i galden hos dyr og mennesker: bufol , cholestantetrol , cholestanpentol , mixinol , scymnol , chimerol , etc. [35]
I naturen findes der forskellige alkoholderivater af kulhydrater, for eksempel sorbitol (findes i kirsebær og rognebær ) [36] , mannitol ( i aske) [37] osv.
I 1959 opdagede den tyske kemiker Adolf Butenandt , mens han studerede ekstraktet af en hunlig silkeorm , et sextiltrækkende middel kaldet bombykol [38] . Yderligere undersøgelser af insektferomoner viste, at en betydelig del af disse feromoner er repræsenteret af alkoholer [38] .
Mange alkoholer deltager i vigtige biokemiske processer, der forekommer i en levende organisme. Så nogle vitaminer tilhører klassen af alkoholer, for eksempel A- vitamin (retinol) [40] , D-vitamin ( ergocalciferol , etc.) [41] . Steroidhormoner , blandt hvilke der er alkoholer ( østradiol , cortisol , etc.), er involveret i reguleringen af stofskiftet og nogle fysiologiske funktioner i kroppen [42] .
Glycerin er grundlaget for mere end halvdelen af naturlige lipider , som er dets estere med fedtsyrer og er energikilder for kroppen [43] . Glycerol er også involveret i gluconeogenese - processen med glukosedannelse i leveren . I dette tilfælde omdannes glycerol under påvirkning af enzymer til glyceraldehyd-3-phosphat , som derefter kommer ind i den metaboliske vej af gluconeogenese [44] . En fysiologisk vigtig polyol er myo -inositol .
Blandt de lavere alkoholer, set fra et fysiologisk synspunkt, er ethanol utvivlsomt af størst interesse . Ethanol er en naturlig metabolit i menneskekroppen og er normalt til stede i blodet i meget lave koncentrationer. Ethanol kan også indtages sammen med mad. Ethanol i menneskekroppen metaboliseres primært i leveren . Under påvirkning af det cytosoliske enzym alkoholdehydrogenase oxideres ethanol til acetaldehyd , som videreforarbejdes af mitokondriel aldehyddehydrogenase til acetat . Acetat, efter aktivering af kortkædet acylcoenzym A-syntetase, kan nedbrydes yderligere i Krebs-cyklussen [45] . Det mikrosomale ethanoloxiderende system, repræsenteret ved cytochrom P450 og katalase , spiller også en sekundær rolle i udnyttelsen af ethanol [39] . Ved en høj koncentration af alkohol i blodet kan enzymer ikke klare oxidationen af acetaldehyd til acetat, og acetaldehyd ophobes i kroppen, som er 10-30 gange mere giftigt end ethanol [46] , hvorved kroppen forgiftes, den såkaldte. tømmermænd . Med hensyn til energiværdi for kroppen indtager ethanol (7 kcal/g) en mellemposition mellem kulhydrater (4,1 kcal/g) og fedtstoffer (9,3 kcal/g). Ethanols bidrag til det samlede kalorieindhold i fødevarer hos ikke-alkoholiske voksne kan være så højt som 12 %. Forbruget af ethanol som fødevare- og energikilde har dog en række ulemper set ud fra et biokemisk synspunkt. Ud over dannelsen af giftig acetaldehyd omfatter sådanne ulemper det faktum, at overskydende kalorier, der kommer ind i kroppen i form af ethanol, kun kan lagres i fedtstoffer, da der ikke er mulighed for at omdanne ethanol til kulhydrater i den menneskelige krop [45] . Derudover forstyrrer ethanol andre metaboliske processer: hæmmer gluconeogenese (dette er årsagen til hypoglykæmi , når man tager store doser alkohol), accelererer produktionen af cytokiner , ændrer koncentrationen af hormoner [47] . Alkoholiske drikke indeholder meget få vitaminer og mineraler, hvilket også kan have en negativ indvirkning på helbredet. Ethanol af fødevarekvalitet i sig selv er også meget dyrere end en energiækvivalent mængde sukker [45] .
Monovalente mættede alkoholer introducerer kroppen i en bedøvelseslignende tilstand og har også en toksisk virkning [48] .
Methylalkohol er en stærk gift (især når den tages oralt) af nervøs og kardiovaskulær virkning med en udtalt kumulativ virkning ; påvirker synsorganerne op til fuldstændig blindhed . I store doser (30 g eller mere) forårsager døden [49] .
Ethylalkohol har en giftig virkning. Det absorberes hurtigt gennem slimhinden i maven og tyndtarmen og når en maksimal koncentration i blodet 60-90 minutter efter administrationen [50] . Ethanol forårsager først excitation og derefter en skarp depression af centralnervesystemet (herunder ødelæggelse af hjernehinderne); dets brug fører til forstyrrelse af kroppens vigtigste funktioner, alvorlig skade på organer og systemer. Det har embryotoksiske og teratogene virkninger [51] .
Isopropylalkohol ligner ethanol i sin toksiske virkning, hvilket forårsager depression af centralnervesystemet og påvirker indre organer. I høj koncentration fører til koma, kramper og død (ca. 3-4 g/kg) [52] .
På grund af den udbredte brug af simple alkoholer i forskellige industrier og især som opløsningsmidler er deres indåndingseksponering farlig. De akutte toksiske virkninger af alkoholer, testet på rotter, manifesterede sig i følgende inhalationskoncentrationer:
Ethylenglycol er meget giftigt, når det indtages, hvilket påvirker centralnervesystemet og nyrerne . Den dødelige dosis er 1,4 g/kg kropsvægt [54] .
Alkoholmolekyler har ligesom vandmolekylet en vinkelstruktur. R−O−H-vinklen i methanolmolekylet er 108,5° [55] . Oxygenatomet i hydroxylgruppen er i en tilstand af sp³ - hybridisering . Alkoholer har væsentligt højere smelte- og kogepunkter, end man ville forvente ud fra de fysiske egenskaber af beslægtede forbindelser. Så fra en række monosubstituerede derivater af methan har methanol et usædvanligt højt kogepunkt på trods af den relativt lille molekylvægt [56] :
Molekylvægte og kogepunkter for metan og nogle af dets derivater [57]
Metan CH 4 |
Methanol CH3OH _ _ |
Chlormethan CH3Cl _ _ |
Nitromethan CH 3 NO 2 |
Brommethan CH 3 Br | |
---|---|---|---|---|---|
Molær masse, g/mol | 16.04 | 32.04 | 50,48 | 61,04 | 94,94 |
Kogepunkt, °C | −161,5 | 64,5 | −24.2 | 101,2 | 3.6 |
De høje kogepunkter for alkoholer forklares ved tilstedeværelsen af intermolekylære hydrogenbindinger [55] . Energien af en brintbinding er meget lavere end energien af en kovalent kemisk binding . For methanol er hydrogenbindingsenergien for eksempel 16,7 kJ / mol [58] , mens C–H, C–O og O–H-bindingerne har energier på henholdsvis 391,7, 383,5 og 428,8 kJ / mol [ 59] . Imidlertid er indflydelsen af hydrogenbindinger på alkoholers fysiske egenskaber meget betydelig.
Alkoholmolekyler, der har to polære bindinger C–O og O–H, har et dipolmoment ( ~ 5,3–6,0⋅10–30 C m ) [55] . De elektrostatiske ladninger i methanolmolekylet er: på carbonatomet 0,297 e ; på hydroxylhydrogenatomet 0,431 e ; på oxygenatomet −0,728 e [60] . Samtidig er alkoholers ioniseringsenergi lavere end vands (10,88 eV for methanol mod 12,61 eV for vand) [61] , hvilket forklares med alkylgruppens elektrondonerende effekt.
Påvirkningen af hydroxylgruppen er især stærk for forbindelser med en lille carbonhydridkæde. For eksempel er methanol og ethanol uendeligt blandbare med vand og har ret høje densiteter og kogepunkter for deres molekylvægt, mens højere alkoholer er hydrofobe og afviger lidt i egenskaber fra de tilsvarende kulbrinter [62] .
Nogle fysiske konstanter af alifatiske mættede alkoholer [63]Navn | Formel | kp, °C | T. pl., °С | Massefylde, kg/m 3 (20 ° С) | Brydningsindeks, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
methanol | CH3OH _ _ | 64,7 | −97,78 | 791,5 | 1,32855 |
ethanol | 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-methylpropanol-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-methylpropanol-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 |
Navn | Formel | kp, °C | T. pl., °С | Massefylde, kg/m 3 (20 ° С) | Brydningsindeks, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
Propen-2-ol-1 | CH 2 \u003d CHCH 2 OH | 96,9 | -129 | 852,0 | 1,4133 |
Propyn-2-ol-1 | CH≡CCH2OH _ _ | 113,6 | −48 | 948,5 | 1,4322 |
Cyclohexanol | C6H11OH _ _ _ _ | 161,1 | 25.15 | 941,6 | 1,4648 |
Phenylcarbinol | C6H5CH2OH _ _ _ _ _ _ | 205,0 | −15.3 | 1041,9 | 1,5396 |
2-Phenylethanol | C6H5CH2CH2OH _ _ _ _ _ _ _ _ | 218,2 | −27,0 | 1020,2 | 1,5325 |
3-Phenylpropen-2-ol-1 | C6H5CH = CHCH2OH _ _ _ _ | 256-258 | 34 | 1044,0 | 1,5819 |
2-furylcarbinol | ( C4H3O ) CH2OH _ _ _ | 155 | — | 1131,9 | 1,5324 |
Navn | Formel | kp, °C | T. pl., °С | Massefylde, kg/m 3 (20 ° С) | Brydningsindeks, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
Glycerol | HOCH2CH ( OH ) CH2OH | 290 | tyve | 1260,4 | 1,4729 |
Pentaerythritol | C( CH2OH ) 4 | 263,5 | 1397 | 1.548 | |
ethylenglycol | OHCH2CH2OH _ _ _ _ | 197,85 | -12.6 | 1115,5 | 1.432 |
Alkoholer kan fremstilles af en lang række klasser af forbindelser såsom carbonhydrider , haloalkaner , aminer , carbonylforbindelser , epoxider . Grundlæggende kommer alle metoder ned til oxidations- , reduktions- , additions- og substitutionsreaktioner .
Alkoholer opnås ved at oxidere alkaner og cycloalkaner under påvirkning af stærke uorganiske oxidationsmidler: ozon , kaliumpermanganat , chrom (VI) oxid , chromsyre , selendioxid , hydrogenperoxid , samt nogle persyrer. På grund af muligheden for yderligere oxidation af de resulterende alkoholer er metoden kun relevant til at opnå tertiære alkoholer [65] .
Oxidation af alkener er meget mere almindelig i laboratoriepraksis, især til fremstilling af divalente alkoholer - dioler . Afhængigt af valget af reagens kan oxidation udføres med forskellig stereoselektivitet : når alkener behandles med osmiumtetroxid , kaliumpermanganat , natriumchlorat , jod med sølvcarboxylat forekommer syn - hydroxylering; til at udføre anti -hydroxylering anvendes hydrogenperoxid og persyrer, molybdæn (VI) og wolfram (VI) oxider, selen (IV) oxid osv. [66] .
Alkoholer dannes også under reduktionen af aldehyder eller ketoner under påvirkning af natriumborhydrid i et protisk opløsningsmiddel, såvel som lithiumaluminiumhydrid . Reduktionen af estere og carboxylsyrer udføres også under påvirkning af komplekse hydrider, sædvanligvis lithiumaluminiumhydrid, og fører til alkoholer [67] .
Den syrekatalyserede tilsætning af vand til alkener fører til dannelse af alkoholer. I overensstemmelse med Markovnikovs regel dannes flere substituerede alkoholer i denne reaktion. I laboratoriepraksis bruges en lignende, men mildere oxymercuration-demercuration-reaktion oftere, såvel som en hydroboration-oxidationsreaktion, hvilket fører til produkter, der ikke er i overensstemmelse med Markovnikov-reglen [68] .
Nukleofile additionsreaktioner af organometalliske forbindelser ( acetylenider , Grignard-reagenser , kobber- og organolithiumforbindelser osv.) til carbonylforbindelser fører også til alkoholer, og hvis tilsætningen sker til formaldehyd HCHO, dannes primære alkoholer, hvis til andre aldehyder , så sekundære alkoholer. Tilsætning til ketoner giver tertiære alkoholer. Tertiære alkoholer kan også opnås ved at tilsætte to ækvivalenter af en organometallisk forbindelse til estere .
Alkoholer kan opnås ved at behandle haloalkaner med en alkaliopløsning . Reaktionen forløber som en nukleofil substitution og er ledsaget af racemisering (med en monomolekylær mekanisme) eller konfigurationsvending (med en bimolekylær mekanisme). En vigtig præparativ metode er oxidation af alkylhalogenider med kaliumsuperoxid [69] .
I industrien fremstilles alkoholer ved hjælp af kemiske metoder eller biokemiske produktionsmetoder.
Den eneste industrielt vigtige metode til syntese af methanol er den katalytiske reaktion mellem carbon(II)monoxid og brint . Råmaterialet i produktionen af methanol er naturgas , som renses fra svovlforbindelser i første fase af processen (svovl er en gift for katalysatorer , der anvendes i næste fase). Dernæst sker dampomdannelsen af naturgas til syntesegas (en blanding af CO og brint ), som efter kondensering af vanddamp omdannes til methanol på en blandet kobber-zink-chrom-katalysator ved en temperatur på 250°C og et tryk på op til 10 MPa. Den således opnåede methanol indeholder vand og urenheder af andre alkoholer (ethanol, propanol og højere) og kan renses ved destillation . Verdensforbruget af methanol beløb sig i 2015 til omkring 70 millioner tons [70] .
Ethanol og propanol-2 opnås ved hydratisering af de tilsvarende alkener - ethylen og propylen . I industrien anvendes to typer hydrering: svovlsyre og katalytisk. Svovlsyrehydratisering omfatter absorption af ethylen med koncentreret svovlsyre (94-98%) ved en temperatur på 80 ° C og et tryk på 1,3-1,5 MPa og den efterfølgende hydrolyse af de resulterende sulfoestere med vand. Den anden metode til hydrering er baseret på anvendelsen af fosforsyre aflejret på silicagel eller andet substrat som katalysator . En blanding af deioniseret vand og ethylen opvarmes til en temperatur på 300°C under et tryk på 6-8 MPa, og den resulterende ethanol renses ved destillation. Disse metoder gør det muligt at opnå ethanol indeholdende 5 vægtprocent vand. Fremstillingen af vandfri ethanol (99,9%) er baseret på azeotrop fjernelse af vand med benzen [71] . Ifølge data fra 2003 er verdensproduktionen af ethanol alene ved ethylenhydrering 6 millioner tons om året [72] .
Verdensproduktionen af brændstofethanol i 2015 beløb sig ifølge Renewable Fuel Association til omkring 77 millioner tons [73] .
Til hydrering af propylen kræves mildere forhold. Svovlsyreprocessen udføres ved stuetemperatur og en svovlsyrekoncentration på 70-75%, og den katalytiske hydrering fortsætter ved 180°C og 4 MPa. Nogle gange bruges en wolframkatalysator (WO 3 SiO 2 , 250 °C og 25 MPa) til at hydratisere propylen. Verdensproduktionen af propanol-2 var i 2008 1,8 millioner tons [74] [75] [76] [77] .
Ethylenglycol , et af den kemiske industris vigtigste produkter, fremstilles også ved hydreringsreaktionen i industrien , produceret i mængden af 19,9 millioner tons årligt [78] og bruges i store mængder til fremstilling af frostvæske og fibre . Råmaterialet til denne syntese er ethylenoxid opnået ved direkte oxidation af ethylen med atmosfærisk oxygen. Ethylenoxid omdannes til ethylenglycol ved at opvarme dets blanding med et 20 gange molært overskud af vand til 200 °C uden katalysator. Ethylenglycol adskilles derefter fra vand og oligomeriseringsprodukter som et resultat af successive rektifikationer [79] .
Den industrielle produktion af propanol-1 er baseret på reaktionen af ethylenhydroformylering og efterfølgende hydrogenering af det resulterende propanal . Hydroformylering udføres ved en temperatur på 90-130°C, et samlet tryk af propylen, carbon(II)oxid og hydrogen svarende til 2,8 MPa og i nærværelse af 500 ppm af en rhodiumkatalysator . Det andet trin fortsætter ved 110-150°C i et overskud af hydrogen på forskellige metalkatalysatorer (kombinationer af kobber- , zink- , nikkel- og chromforbindelser anvendes ) [74] . Mængden af verdensproduktionen af propanol-1 udgjorde i 2003 0,14 millioner tons [80] .
Glycerin opnås som et biprodukt af omdannelsen af fedtstoffer til fedtsyrer og fedtsyremethylestere . Denne proces ligger til grund for produktionen af biodiesel , med 100 kg glycerol produceret for hvert ton biodiesel. Denne metode syntetiserer 1,5 millioner tons glycerol årligt (2004), og ifølge prognoser vil disse mængder vokse på grund af en stigning i interessen for alternative brændstoffer. Fedtstoffer hydrolyseres ved 220-260°C og et tryk på 2-6 MPa eller transesterificeres med methanol. Nedbrydningen af fedtstoffer under påvirkning af alkali eller karbonater anvendes i begrænset omfang, for eksempel ved fremstilling af sæbe [81] [82] [83] .
Højere fedtalkoholer fremstilles på flere måder, herunder hydrogenolyse af fedtsyremethylestere opnået ved transesterificering af fedtstoffer, samt hydroformylering af alkener og ethylenoligomerisering efterfulgt af oxidation (Ziegler-metoden). 2,15 millioner tons højere fedtalkoholer produceres årligt i verden (2003) [84] [85] .
For nogle alkoholer spiller biokemiske metoder en vigtigere rolle i industriel syntese. Især mængderne af produceret bioethanol overstiger væsentligt mængderne af syntetisk ethanol. Den biokemiske produktion af ethanol er baseret på sur eller enzymatisk hydrolyse af plantematerialer, efterfulgt af anaerob alkoholisk gæring (fermentering) af de resulterende kulhydrater af gærsvampe ( Saccharomyces ) eller nogle typer bakterier . Især gær er meget bekvemme mikroorganismer til bred industriel anvendelse. Gærassisteret gæring er karakteriseret ved høj selektivitet , lav akkumulering af biprodukter, højt ethanoludbytte, høj proceshastighed og god gærtolerance over for forhøjede ethanol- og substratkoncentrationer. Let fermenterbare kulhydrater kan tjene som råmaterialer i denne proces, såvel som stivelse og andre organiske substrater, som først skal hydrolyseres til en fermenterbar form. Almindeligt anvendte afgrøder ( sukkerroer , kartofler , korn ), skovbrugsprodukter ( træ , halm ) eller landbrugsaffald [86] .
Produktionen af biobutanol er baseret på fermentering af kulhydratråvarer ved hjælp af bakterien Clostridium acetobutylicum [87] .
Alkoholers kemiske egenskaber bestemmes af tilstedeværelsen af en hydroxylgruppe i dem . Fordi hydroxylgruppen er polær , kan den dissociere heterolytisk , især når den angribes af stærke baser . Alkoholer udviser således egenskaberne af svage syrer . Derudover bestemmer den høje elektronegativitet af oxygen tilstedeværelsen af et elektrofilt carbonatom og følgelig alkoholers evne til at gennemgå nukleofile substitutionsreaktioner under påvirkning af et antal nukleofiler. Endelig er oxygenatomet i hydroxylgruppen nukleofilt , så alkoholer kan fungere som nukleofiler i substitutions- og additionsreaktioner . Også alkoholer er karakteriseret ved oxidationsreaktioner .
Alkoholer kan udvise både sure og basiske egenskaber. Som svage syrer dissocierer alkoholer ved O - H-bindingen for at danne alkoxidionen. Syreegenskaberne for alkoholer vurderes ved surhedskonstanten Ka .
I en vandig opløsning falder surhedsgraden af alkoholer med en stigning i molekylvægten og forgrening af carbonhydridkæden. Dette er forbundet med en stigning i den positive induktive virkning af alkylsubstituenter i denne serie og et fald i stabiliteten af den resulterende alkoxidion på grund af lokaliseringen af en negativ ladning på oxygenatomet [88] .
Generelt øger elektrontiltrækkende substituenter (-NO2 , -CN, -F, -Cl, -Br, -I, -OR osv.) surhedsgraden af alkoholer (reducerer pKa ) . Tværtimod reducerer elektrondonerende substituenter (for eksempel alkylsubstituenter) surhedsgraden af alkoholer (forøger pKa ) . Således er pKa for 2,2,2 -trifluorethanol 12,43 (mod 15,9 for ethanol), og for fuldt fluoreret tert -butanol er 5,4 (mod 17,7 for tert -butanol) [89] . Den sammenlignende surhedsgrad af alkoholer og forbindelser af andre klasser er skematisk vist i figuren [90] .
Som svage syrer reagerer alkoholer med alkali , jordalkali og nogle andre metaller og med stærke baser , såsom metalhydrider eller amider , Grignard-reagenser [91] .
Grundlæggende egenskaber ved alkoholerAlkoholer kan også opføre sig som svage Lewis-baser , der danner alkoxoniumsalte med stærke mineralsyrer, samt giver donor-acceptor-komplekser med Lewis-syrer . Typisk stopper sådanne reaktioner ikke på dette stadium og fører til nukleofil substitution af hydroxylgruppen eller eliminering af vand .
Alkoholers basicitet kvantificeres af basicitetskonstanten p K b eller surhedskonstanten forbundet med den af konjugatsyren p K a H + :
Alkoholer er svage baser, og deres basicitet stiger med længden eller forgrening af carbonhydridgruppen ved hydroxylgruppen. Denne effekt observeres på grund af væksten af den positive induktive effekt af radikalet i denne serie, på grund af hvilken den negative ladning på oxygenatomet i hydroxylgruppen stiger [92] .
Kulstofatomet, der er direkte forbundet med hydroxylgruppen, har en delvis positiv ladning, hvilket gør det muligt for en nukleofil partikel ( halogenidion , ammoniak , alkohol osv.) at angribe dette kulstofatom og erstatte hydroxylgruppen med denne partikel. Hydroxylgruppen er en dårlig afgangsgruppe , så yderligere aktivering er normalt påkrævet.
I nærvær af sure katalysatorer ( aluminiumoxid , svovlsyre , phosphorsyre osv.), kan alkoholer undergå dehydrering og danne alkener . For eksempel resulterer dehydrering af ethylalkohol i dannelsen af ethylen . Reaktionen forløber i overensstemmelse med Zaitsevs regel , ifølge hvilken der ved dehydrering dannes en mere stabil alken , mere substitueret ved dobbeltbindingen [96] .
Tilstedeværelsen af en hydroxylgruppe i en forbindelse kan påvises ved flere almindelige kemiske reaktioner.
Til kvantitativ analyse af alkoholer anvendes sædvanligvis metoder baseret på omsætning af esterificering med carboxylsyreanhydrider, for eksempel eddikesyre , phthalsyre og også pyromellitsyredianhydrid. Alkoholindholdet bestemmes ved titrering af den resulterende syre med natriumhydroxid [102] .
En anden analysemetode er at bestemme mængden af hydroxylgrupper, der kan reagere med methylmagnesiumiodid. I dette tilfælde udføres beregningen i henhold til mængden af frigivet methan ( Chugaev-Tserevitinov-metoden ).
For glykoler er redoxmetoden anvendelig, hvor jodsyre anvendes som oxidationsmiddel . Analysen udføres ved omsætning af den resulterende iodsyre HIO 3 med kaliumiodid og efterfølgende titrering af det frigivne iod med natriumthiosulfat [102] .
Massespektrene af alifatiske alkoholer har svage toppe af den molekylære ion, mens for højere og forgrenede alkoholer er disse toppe praktisk talt fraværende, da fragmentering af molekylet forekommer i betydeligt omfang. Fragmentering er sædvanligvis forbundet med tabet af et vandmolekyle, såvel som eliminering af ethylen . For langkædede alkoholer dominerer vand-eliminering, så deres massespektre ligner dem for alkener . For primære alkoholer observeres toppe m / z 31 ;
IR-spektroskopiske metoder til analyse af alkoholerIR-spektrene for alkoholer er karakteriseret ved to typer intense karakteristiske absorptionsbånd:
Der er også absorptionsbånd af middel intensitet, som som regel ikke har nogen afgørende betydning: i området 1450–1250 cm– 1 (i-plan bøjningsvibrationer O–H) og 750–650 cm – 1 (udenfor -plane bøjningsvibrationer O–H) [104] .
Karakteristiske absorptionsbånd af alkoholer i det infrarøde område [104]
Linktyper og udsving | Rækkevidde, cm −1 | Absorptionsbåndbeskrivelse |
---|---|---|
O−H, strækkende vibrationer | ||
ROH, uassocieret | 3650-3580 | Smalbånd ses i fortyndede opløsninger eller dampe |
ROH HOR, dimerer (hydrogenbinding) | 3550-3400 | Bredt bånd, der mister intensitet, når det fortyndes |
ROH···HOR···, polymerer | 3400-3200 | Bred stribe eller serie af striber |
С−O, strækvibrationer | ||
R 3 COH, tertiære alkoholer | 1210-1100 | Bånd af høj intensitet, aftagende med fortynding |
R2CHOH , sekundære alkoholer | 1125-1000 | |
RCH 2 OH, primære alkoholer | 1075-1000 | |
O−H, bøjningsvibrationer | ||
ROH | 1450-1250 750-650 |
Brede bånd af middel intensitet, ikke af praktisk betydning |
1H NMR-spektroskopi er meget udbredt til analyse af alkoholer, men de kemiske skift af protonerne i hydroxylgruppen ( δ , ppm) er signifikant påvirket af opløsningsmidlets beskaffenhed og andre eksterne faktorer. For alifatiske og alicykliske alkoholer er δ 0,5-3,0 (i DMSO -d6 : 4-6 ) [105] .
17 O- spektroskopi bruges også til at studere alkoholer En signifikant forskel i skift for primære (ethanol: δ 5,9 ppm), sekundære (propanol-2: δ 39,8 ppm) og tertiære alkoholer (2-methylpropanol -2: δ 62,3 ppm) i forhold til til vand H 2 17 O giver dig mulighed for at etablere eller bekræfte strukturen af forbindelsen under undersøgelse [106] .
1H NMR-spektrum af ethanol
IR-spektrum af ethanol
Brugsområderne for alkoholer er talrige og varierede, især i betragtning af det bredeste udvalg af forbindelser, der tilhører denne klasse. Fra et industrielt synspunkt yder kun et lille antal alkoholer et væsentligt bidrag til den globale verdensøkonomi.
I TOP 50 for 2002 af forbindelser [K 3] fremstillet af den amerikanske kemiske industri omfatter alkoholer kun methanol (14. plads) og ethylenglycol (29. plads) [107] . De næste 50 vigtigste kemiske forbindelser omfatter ifølge data fra 1999 isopropylalkohol , n - butylalkohol , syntetisk ethanol , propylenglycol , diethylenglycol , 2-ethylhexanol , butandiol-1,4 , sorbitol og glycerin [108] .
Den mest almindelige og brugte alkohol i verden er ethanol . Dets verdensforbrug er omkring 65 millioner tons [K 4] . Det samlede globale forbrug af andre alkoholer (undtagen ethanol) i forskellige anvendelsesområder er omkring 70 millioner tons (pr. 2009) [K 5] .
Hovedandelen af methylalkohol bruges i den industrielle syntese af formaldehyd ved højtemperatur-katalytisk oxidation af methanol [K 6] [109] . Derudover fås tert - butylmethylether , eddikesyre fra methanol ( Monsanto-processen) [110] , N,N-dimethylanilin [111] , methylaminer [112] og chlormethan [113] .
Ethanol bruges kommercielt til at fremstille diethylether (ved dehydrering ved 250°C over Al 2 O 3 ) [114] , chloral [115] , acetaldehyd [116] og ethylacetat [117] .
Isopropylalkohol omdannes til acetone ved katalytisk væskefasedehydrogenering på Raney-nikkel ved 150°C [118] . Hovedproduktet opnået fra butanol er butylacrylat [119] .
Til brændstofformål anvendes i øjeblikket tre alkoholer i industrielle volumener: methanol , ethanol og butanol-1 , hvilket primært skyldes deres kommercielle tilgængelighed og muligheden for masseproduktion fra plantematerialer (undtagen methanol [K 7] ). I dette tilfælde er det muligt at bruge alkoholer i form af brændstof i sin rene form, i form af forskellige blandinger med benzin eller dieselbrændstof [120] , samt iltningsadditiver (op til 10%) for at øge oktantallet og reducere toksiciteten af udstødningsgasser [K 8] [121] [122] . Et særskilt område er brugen af methanol til transesterificering af fedtstoffer i produktionen af biodiesel [123] .
Den overvejende brændselsalkohol er ethanol. Ifølge eksperter blev 80-90 % af al ethylalkohol produceret i verden i 2009 brugt til disse formål og udgjorde 73,9 milliarder liter (≈ 58 millioner tons) [124] [125] .
Hovedårsagerne til den aktive undersøgelse af alkoholer som et alternativt brændstof er [126] :
Samtidig har masseanvendelsen af ovennævnte alkoholer som motorbrændstof, ud over rent økonomiske årsager, en række ulemper [127] :
Blandt opløsningsmidler er en lang række forskellige typer alkoholer udbredt: monovalente ( methanol , propanol-2 ) og polyvalente ( ethylenglycol , glycerin ); alifatisk ( ethanol , butanol-1 ) og cyklisk ( cyclohexanol ). Alkoholer er polære opløsningsmidler og bruges i forskellige industrier [128] . Det globale forbrug af alkoholer som opløsningsmidler (ifølge 2013-data) beløb sig til omkring 6,5 millioner tons [129] .
Den mest almindelige alkohol blandt opløsningsmidler er ethanol - dets globale forbrug til disse formål (ifølge 2009-data) overstiger 3,5 millioner tons om året [130] . Andre populære opløsningsmidler er methanol og isopropanol [76] med forbrugsmængder på mere end 1 million tons om året.
Brugen af alkoholer som opløsningsmidler omfatter følgende anvisninger [131] :
De vigtigste råvarer i produktionen af moderne overfladeaktive stoffer til syntetiske detergenter er højere fedtalkoholer , hvorfra der, afhængig af reagenset, opnås ikke -ioniske eller anioniske overfladeaktive stoffer [132] .
Verdensmængden af anvendelse af højere fedtalkoholer i produktionen af overfladeaktive stoffer beløb sig i 2000 til 1,68 millioner tons [132] . I 2003 blev der produceret omkring 2,5 millioner tons overfladeaktive stoffer baseret på højere fedtalkoholer [133] .
Polymere materialer og deres komponenterAlkoholer har vigtige anvendelser som startmonomerer til syntese af polymere materialer ved polykondensation . Dybest set, baseret på alkoholer, syntetiseres polyestere og polyurethaner . De vigtigste eksempler på sådanne syntetiske polymerer er polyethylenterephthalat , polybutylenterephthalat , opnået fra henholdsvis terephthalsyre og ethylenglycol eller 1,4-butandiol . Polykondensering af glycoler , glycerol eller pentaerythritol med phthalsyreanhydrid producerer alkydharpikser , som er meget udbredt til fremstilling af fernis og maling. Polyurethaner opnås ved polykondensation af isocyanater med glykoler eller polyvalente alkoholer [134] .
Alkoholer bruges også til at fremstille ester- og diester- blødgøringsmidler til polymerer [135] .
Hydraulikvæsker og smøremidlerFor at opnå ikke-brændbare hydrauliske væsker anvendes vandige opløsninger indeholdende glycerin og ethanol . Ethylenglycol og estere baseret på det bruges i vid udstrækning til fremstilling af bremsevæsker [136] .
Mange moderne smøremidler indeholder højere fedtalkoholer og deres estere på grund af deres lave toksicitet, høje flammepunkt og sporløse fordampning ved opvarmning. Disse egenskaber bruges til husholdningsbrug såvel som til tilfælde, hvor overfladekøleeffekten er vigtigere end antifriktionsegenskaber (for eksempel ved boring, savning eller anden metalbearbejdning) [137] .
PesticiderPå trods af det faktum, at usubstituerede mættede alifatiske alkoholer har fungicid eller herbicid aktivitet, finder deres direkte anvendelse som pesticider ikke bred praktisk anvendelse. En af de få retninger er deres brug som plantevækstregulator . Ethanol , ethylenglycol og andre glycoler, nogle højere fedtalkoholer har lignende egenskaber [138] .
Halogen-substituerede alkoholer viser meget større aktivitet og har raticid , herbicid og fungicid aktivitet. For eksempel bruges lægemidlet glyfluoro , som er en blanding af 1,3-difluorpropanol-2 og 1-fluor-3-chlorpropanol-2, til at bekæmpe murine gnavere og malede egern [139] .
Højere biologisk aktivitet observeres i umættede og aromatiske alkoholer. Allylalkohol bruges som et herbicid; mange højere umættede alkoholer er insektferomoner. Nogle aromatiske biphenylalkoholer er aktive acaricider : dicofol , chlorphenetol , proclonol [139] [140] .
Mange alkoholer er mellemprodukter til syntese af forskellige pesticider [141] . For eksempel bruges methanol til fremstilling af glyphosat [142] , crotoxyphos - α-methylbenzylalkohol [143] , tredje generations pyrethroider - 3-phenoxybenzylalkohol [144] .
Alkoholer er også almindeligt anvendt som en ikke-vandig bærer til at skabe kommercielle sammensætninger af pesticider [145] .
Grundlaget for alle alkoholholdige drikkevarer er ethanol , som opnås ved gæring af fødevarer råvarer - druer, kartofler, hvede og andre stivelsesholdige eller sukkerholdige produkter. Derudover bruges ethylalkohol som en komponent i nogle fødevarer og aromatiske essenser (smagsstoffer) , der er meget udbredt i madlavning, bagning af konfekture, chokolade, slik, drikkevarer, is, syltetøj, gelé, marmelade, syltetøj osv. Men ethanol er en liste alkoholer, der anvendes i fødevareindustrien er ikke begrænset. Alkoholer kan findes blandt en lang række fødevaretilsætningsstoffer , f.eks. bruges glycerin (E422) som et fugtbevarende middel, opløsningsmiddel, fortykningsmiddel, separator [K 9] , filmdanner [K 10] , indkapslingsmiddel. En række alkoholer bruges som sødestoffer ( xylitol , mannitol , sorbitol , erythritol ), smagsstoffer ( mentol ), farvestoffer ( lutein ) osv. [147]
Parfumer, kosmetik og husholdningskemikalierAlkoholer er ret udbredt som duftstoffer til sammensætninger i parfumeri- og kosmetikindustrien og til fremstilling af duftstoffer til husholdningskemikalier og andre forbrugerprodukter ( geraniol , nerol , citronellol , menthol osv.). Ud over smagsstoffer anvendes alkoholer også i parfumerier og kosmetiske produkter til andre formål [148] :
Den vigtigste alkohol, der anvendes til medicinske formål, er ethanol . Det bruges som et eksternt antiseptisk og irriterende middel til fremstilling af kompresser og rubdowns. Ethylalkohol er endnu mere udbredt til fremstilling af forskellige tinkturer, fortyndinger, ekstrakter og andre doseringsformer [149] .
Brugen af alkoholer som egnede stoffer er ikke så mærkbar, men mange stoffer, ved den formelle tilstedeværelse af en hydroxylgruppe, kan tilskrives den klasse af organiske forbindelser, der overvejes ( clenbuterol , chlorbutanol , mannitol , østradiol , etc.). For eksempel, på listen over 10 vigtigste amerikanske receptpligtige lægemidler i 2000, rangerer albuterol , som indeholder en hydroxylgruppe, 6. [150] .
På nuværende tidspunkt er det svært at finde et område med menneskelig praktisk aktivitet, hvor alkoholer ikke ville blive brugt i en eller anden rolle. Der kan skelnes mellem følgende mindre anvendelsesområder:
Ordbøger og encyklopædier |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Klasser af organiske forbindelser | |
---|---|
kulbrinter | |
Iltholdig | |
Nitrogenholdig | |
Svovl | |
Fosforholdig | |
halogenorganisk | |
organosilicium | |
Organoelement | |
Andre vigtige klasser |