Получение спиртов, применение, свойства. Способы получения спиртов

Автор Inventor September 16, 2015

Спирты распространены в природе. Большинство людей знакомы с этиловым спиртом (этанолом) - активным ингредиентом алкогольных напитков, но он является лишь одним из семейства органических соединений, известных как спирты. Получение их, прежде всего этилового (винного в результате ферментативного брожения виноградного сока стало одним из первых химических техпроцессов, освоенных человечеством.

Номенклатура спиртов

Спирты представляет собой органические соединения гидроксильной (ОН) функциональной группы с алифатическим атомом углерода. Поскольку ОН является принадлежностью молекул всех спиртов, их часто представляют как производными воды с общей формулой ROH, где R обозначает алкильную группу.

Получение спиртов метанола (СН₃ОН) и этанола (СН₃СН₂ОН), являющихся первыми двумя членами их гомологического ряда, является важной задачей химической промышленности многих стран. При содержании от одного до четырех атомов углерода их часто называют общими именами, в которых за названием алкильной группы следует слово спирт:

Можно видеть, что все четыре (две последние являются изомерами одного вещества) представленные выше молекулы спиртов содержат одну гидроксильную группу. По этому признаку все они относятся к классу одноатомных спиртов (бывают и двух-, трех, четырех- и многоатомные). Кроме того, все они являются производными предельных углеводородов из ряда алканов: метана, этана, пропана (названия спиртов получают добавлением к названию алкена окончания «-ол»). Поэтому их еще называют предельными одноатомными спиртами.

Одноатомные спирты

Получение, свойства (как физические, так и химические) этих соединений зависят от количества атомов углерода, присоединенных к его же атому, непосредственно связанному с группой ОН. Поэтому одноатомные спирты могут быть сгруппированы в три класса на этой основе.

Первичные спирты имеют молекулу, в которой один атом углерода, связанный с ОН-группой, присоединен к еще одному атому C. Их общая формула RCH₂ОН. Например, этанол – первичный спирт.

Вторичные спирты имеют в молекуле один атом углерода с ОН-группой, присоединенный к двум другими атомам C. Их общая формула R₂СНОН. К ним относятся пропиловый и изопропиловый спирты.

Третичные спирты содержат в молекуле атом углерода с ОН-группой, присоединенный к трем другими атомам C. Их общая формула R₃СОН.

Получение одноатомных спиртов в промышленности возможно целым рядом способов, которые будут рассмотрены ниже.

Метанол как продукт природного газа

Метанол получают смешиванием газа водорода и монооксида углерода при высоких температурах и давлениях (200 ат, 350 °C) в присутствии катализатора, состоящего из оксида цинка (ZnO) и оксида хрома (Cr₂ O₃) в качестве катализатора: 2H₂ + CO → CH₃OH.

При этом сырьем для получения реагентов являются природный газ и водяной пар, смешивая которые, получают синтез – газ, представляющий собой смесь CO и H₂.

Метанол является важным растворителем и используется в качестве автомобильного топлива, либо в виде чистой жидкости – в некоторых гоночных автомобилях, либо в качестве высокооктановой добавки в бензин. Получение и применение спиртов в мире, и в частности метанола, измеряется миллионами тонн. По итогам 2013 г. в мире было потреблено 66 млн т метанола, из них 65 % в Азии, 17 % - в Европе и 11 % - в США.

Получение предельных спиртов из алкенов

Многие простые весовые спирты, имеющие промышленное значение, производятся гидратацией (добавлением воды) алкенов (этилена, пропилена, бутена). Этанол, изопропанол, бутанол (вторичный и третичный) получают по этой реакции.

Известны прямой и косвенный способы получения спиртов гидратацией. Прямой позволяет избежать образования стабильных промежуточных продуктов, как правило, с помощью кислых катализаторов.

Катализатором обычно является фосфорная кислота, адсорбированная на пористом носителе, таком как силикагель или кизельгур. Этот катализатор был впервые использован для крупномасштабного производства этанола в США компанией "Шелл" в 1947 году. Реакцию проводят в присутствии пара высокого давления при 300 °C, причем между этиленом и паром поддерживается соотношение 1,0: 0,6.

Аналогичная реакция производства изопропилового спирта с катализаторов в виде серной кислоты выглядит следующим образом

Косвенный способ гидратации этилена

В косвенным способе, на практике впервые примененном в промышленном масштабе в 1930 году, но сегодня считающимся почти полностью устаревшим, реакция получения спиртов заключается в превращении алкена в сульфат эфиры, который затем гидролизуют. Традиционно алкен обрабатывают серной кислотой с получением алкильные сульфатных эфиров. В случае производства этанола, этот шаг может быть записан так: Н₂SO₄ + С₂ Н₄ → C₂H₅ -O-SO₃H

Впоследствии этот сульфат эфира гидролизуют до регенерации серной кислоты и освобождения этанола: С₂Н₅-O-SO₃H + H₂O → H₂SO₄ + С₂Н₅ОН.

Способы получения спиртов чрезвычайно разнообразны, но нижеописанный процесс, пожалуй, известен, хотя бы понаслышке каждому читателю.

Спиртовое брожение

Это биологический процесс, в котором молекулы, такие как глюкоза, фруктоза и сахароза, преобразуются в клеточную энергию с параллельным производством этанола и углекислого газа в качестве продуктов метаболизма. Брожение катализируется ферментами, содержащимися в дрожжах и протекает по сложному многоступенчатому механизму, которое включает в общем случае преобразование (на первом этапе) крахмала, содержащегося в растительных зернах, в глюкозу с последующим получением из нее этанола. Поскольку дрожжи выполняют это преобразование в отсутствие кислорода, спиртовое брожение считается анаэробным процессом.

Реакции получения спиртов брожением можно представить следующим образом:

Способы получения алкогольных напитков

Весь этанол, содержащийся в алкогольных напитках производится посредством ферментации, вызванной дрожжами.

Вино производится путем ферментации из натуральных сахаров, присутствующих в винограде; сидр получают аналогичной ферментацией природного сахара в яблоках и грушах, соответственно; и другие фруктовые вина производятся ферментацией сахаров в любых других видах фруктов. Бренди и коньячные спирты (например, сливовица) производятся при перегонке напитков, получаемых брожением фруктовых сахаров.

Медовые напитки производятся путем ферментации из натуральных сахаров, присутствующих в меде.

Пиво, виски, и водка производятся путем ферментации зерен крахмала, которые преобразуются в сахар под действием фермента амилазы, присутствующей в зерновых ядрах, подвергшихся солодовому проращиванию. Другие источники крахмала (например, картофель и не солодовое зерно) могут быть добавлены к смеси, так как амилаза будет действовать также и на их крахмал.

Рисовые вина (в том числе саке) получают путем брожения зерновых крахмалов, превращаемых в сахар грибками Aspergillus огугае.

Ром и некоторые другие напитки получают ферментацией и дистилляцией сахарного тростника. Ром, как правило, производится из продукта сахарного тростника – патоки.

Во всех случаях брожение должно происходить в сосуде, который позволяет двуокиси углерода выходить, но предотвращает приход наружного воздуха. Это нужно потому, что воздействие кислорода предотвращает образование этанола, а накопление диоксида углерода создает риск разрыва сосуда .

Реакция нуклеофильного замещения

Получение спиртов в лабораториях производится способами, которые используют в качестве исходных продуктов для реакций химические вещества самых разнообразных классов, от углеводородов до карбонильных соединений. Существует несколько способов, которые сводятся к нескольким основным реакциям.

Первичные галогеналканы реагируют с водными растворами щелочей NaOH или КОН, образуя, образуя, главным образом, первичные спирты в реакции нуклеофильного алифатического замещения. Когда, например, метилбромид реагирует с раствором едкого натра, то гидроксильные группы, образующинся при диссоциации щелочи, замещают ионы брома с образованием метанола.

Несколько реакций, позволяющих выполнять получение спиртов в лабораториях, приведены ниже.

Нуклеофильное присоединение.

Реактивы Гриньяра (соединения магния с алкилгалогенидами – иодидами или бромидами), а также металлоорганические соединения меди и лития реагируют с карбонильными группами (C=O) альдегидов с образованием первичных и вторичных спиртов в зависимости от механизма присоединения.Аналогичные реакции с кетонами приводят к третичным спиртам.

Реакция Барбье протекает между галогеналканом и карбонильной группой в качестве электрофильного субстрата в присутствии магния, алюминия, цинка, индия, олова или его солей. Продуктом реакции является первичный, вторичный или третичный спирт. Механизм ее протекания аналогичен реакции Гриньяра с той разницей, что реакция Барбье является синтезом в одном сосуде, тогда как реактив Гриньяра получают отдельно перед добавлением карбонильного соединения.

Являясь реакцией нуклеофильного присоединения, она происходит с относительно недорогими и водостойкими металлами или их соединениями в отличие от реагентов Гриньяра или органолитиевых реагентов. По этой причине возможно во многих случаях запускать ее в воде, что делает процесс частью зеленой химии. Реакция Барбье назван в честь Филиппа Барбье – учителя Виктора Гриньяра.

Реакция восстановления

Альдегиды или кетоны восстанавливаются до спиртов с боргидридом натрия (NaBH₄) или (после кислотной обработки) с литийалюминий гидридом (LiAlH).

В реакции Меервейна-Пондорфа-Верли (MPV) получение спиртов путем восстановления их из кетонов и альдегидов происходит с использованием алюминиевого алкоксидного катализатора. Достоинства MPV заключаются в ее высокой хемоселективности и использовании дешевого, экологически чистого металлического катализатора. Реакция была обнаружена Меервейном и Шмидтом, и независимо Верли в 1925 г. Они обнаружили, что смесь алюминиевого этоксида и этанола может восстановить альдегиды до их спиртов. Понндорф применил реакцию к кетонам и обновил катализатор до изопропилата алюминия (Al(O-i-Pr)₃, где i-Pr означает изопропиловую группу (CH(CH₃)₂). в целях получения изопропанола.

Общее уравнение получения спирта путем MPV-восстановления кетонов до спиртов выглядит так: