Высокий уровень развития науки химии и инновационные технологии позволили применять различные способы получения спиртов. Статистические данные свидетельствуют о росте спроса на производство данных видов органических соединений в промышленных масштабах.
К спиртам относят вещества, химическая формула которых включает гидроксильные группы (ковалентно связанные атомы кислорода и водорода — НО).
В зависимости от количества гидроксилов выделяют:
- Одноатомные спирты — получают путем преобразования предельных углеводородов (алканов). Виды одноатомных органических соединений: пропанол 1 и 2; метанол; этанол и другие.
- Полиолы (многоатомные спирты), к которым относятся: двухатомные (гликоли). Диол этиленгликоль выделяют из этилена. Триол (глицерин) относится к трёхатомным спиртам.
Классифицируют органические соединения по виду углеводородных радикалов: предельные, непредельные, ароматические.
Различают по месту привязки гидроксильной группы в молекулярной цепи: первичные, вторичные и т. д.
Свойства зависят от всех элементов молекулярного строения в совокупности.
Химические способы получения спиртов
Получают двумя основными способами: химическим (синтетические спирты) и биохимическим (биоспирты).
От метода получения, исходного сырья зависят свойства вещества, его целевое использование в промышленном, пищевом производстве. Для первого вида основным сырьём служит древесина и нефтепродукты. Этанол, полученный из этих продуктов в качестве технического спирта, используют в химическом, промышленном производстве. Он содержит определённое количество вредных примесей.
Применение биохимического способа предполагает использование в качестве исходного сырья продуктов растительного происхождения. Этим способом получают медицинский, пищевой этанол.
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 спиртов из галогеноуглеводородов
Гидролиз галогенопроизводных происходит на основе реакции нуклеофильного замещения. Реагент на внешнем уровне молекулы имеет неопределённые пары электронов, которые отрываются и перестраивают молекулярную решётку.
Под воздействием паров воды, щелочного раствора (реагента), температуры, галоген замещается гидроксилом, образуется спиртосодержащее органическое соединение.
Щелочной гидролиз галогеноалкенов — промышленный способ получения технического этанола из этилена.
Можно ли пить медицинский спирт
Медицинский этиловый спирт считается антисептическим средством и его применяют только наружно. 95 %-я жидкость в чистом виде обожжет всю слизистую как ротовой полости, так и пищеварительного тракта.
Однако некоторые люди готовят из медицинского спирта водку, смешивая его с водой в соотношении 50:50. Добавляется продукт и в прочие лекарственные средства, в большей степени – настойки. Приобретая такие фармацевтические средства, обязательно убедитесь в том, что произведены они на официальном предприятии по изготовлению лекарств.
Чтобы не появилось зависимости к спиртному и побочных последствий, нужно знать, как правильно пить такие напитки. Обращайте внимание на производителя. Он должен быть известным и иметь положительные отзывы от потребителей. В составе продукта должны быть только натуральные компоненты. Это защитит покупателя от аллергических реакций.
Стоит помнить о том, что применять во внутрь можно только этиловый спирт, остальные виды данного продукта опасны для человека. Так как внешние характеристика и порой даже запах ничем не выдают, к примеру, технический спирт, необходимо знать, как различить эти продукты. Можно поджечь спирт, и тогда вы узнаете его состав. Техническая жидкость горит зеленым пламенем, этил – синим.
Получение спиртов из алкенов
Алкены — этиленовые углеводороды. К ним относят бутен, этилен, пропилен и т. д. Их молекулярная цепочка включает двойную связь атомов углерода (Н₂С).
Существует два основных способа получения алкенов:
- методом крекинга углеводородов (нефти и газа);
- методом дегидратации.
В зависимости от вида алкенов, в условиях высокой температуры (ориентировочно 300⁰С), давления (до 70 атмосфер) из водных растворов кислот образуются спирты. В промышленном производстве чаще в качестве реагента выступает ортофосфорная кислота.
Этот способ подходит для производства этилового и вторичных спиртов. К примеру из пропилена получают пропанол 2.
Спирты
Формула винного, или этилового, спирта (этанола) С2Н5ОН, несомненно, знакома многим даже совершенно далёким от химии людям. Это соединение, которое образуется при ферментативном брожении крахмала, глюкозы и фруктозы, в быту называют просто спиртом.
Получение вина путём сбраживания виноградного сока было освоено людьми уже несколько тысячелетий назад. Однако чистый спирт, содержащий лишь незначительное количество воды, выделили при перегонке вина только в XIII в. В Средние века стали известны многие свойства винного спирта, например горючесть (одно из его латинских названий — aqua ardens, что в переводе означает «огненная вода») и способность извлекать из листьев, плодов и кореньев содержащиеся в них биологически активные вещества и красители (полученные растворы в быту называют настойками). Алхимик Арнальдо из Вилановы упоминает спирт в числе медикаментов и противоядий.
Слово «спирт» происходит от древнего латинского названия этого вещества — spiritus vini («дух вина»). Этот термин до сих пор используется в медицине при записи рецептов. В XVI в. в западноевропейских языках, а в XVIII в. и в русском у винного спирта появилось название — алкоголь (араб. «ал-кугул»).
Безводный (абсолютный) этиловый спирт был впервые получен лишь в 1796 г. российским химиком Товием Егоровичем Ловицем и немецким ученым Иеремией Вениамином Рихтером. Для этой цели они применяли вещества, связывающие воду, например оксид кальция (негашёную известь). Абсолютный спирт легко поглощает влагу воздуха, поэтому его хранят в плотно закрытых сосудах.
Спирты (алкоголи) – это производные углеводородов, содержащие в молекуле одну или несколько гидроксильных групп – ОН у насыщенных атомов углерода.
Общая формула спиртов: R(OH)m, m≥1, где R – УВ радикал; m – число функциональных гидроксильных групп – ОН, которое определяет атомность спирта.
Классификация спиртов по строению УВ радикала:
Классификация спиртов по атомности:
Предельные одноатомные спирты (алканолы)
Общая формула: CnH2n+1OH, n≥1
Гомологический ряд
Изомерия и номенклатура
Первые два члена гомологического ряда – СН3ОН и С2Н5ОН – не имеют изомеров, относящихся к классу спиртов. Для остальных алканолов возможны 2 типа изомерии (в пределах своего класса):
— изомерия цепи (углеродного скелета);
— изомерия положения функциональной группы – ОН.
Спирты изомерны другому классу соединений – простым эфирам (R-O-R):
Электронное строение
Атомы углерода в алканолах находятся в состоянии sp3 -гибридизации. Молекулы алканолов представляют собой диполи. Они содержат полярные связи С—Н, С—О, О—Н. Дипольные моменты связей С → О и О ←Н направлены в сторону атома кислорода, поэтому атом «О» имеет частичный отрицательный заряд δ—, а атомы «С» и «Н» — частичные положительные заряды δ+. Полярность связи О—Н больше полярности связи С—О вследствие большей разности электроотрицательностей кислорода и водорода. Однако полярность и этой связи недостаточна для диссоциации ее с образованием ионов Н+. Поэтому спирты являются неэлектролитами.
Физические свойства
Полярность связи О—Н и наличие неподеленных пар электронов на атоме кислорода определяют физические свойства спиртов.
Температуры кипения спиртов больше температуры кипения соответствующих алканов с тем же числом атомов углерода. Это объясняется ассоциацией молекул спиртов вследствие образования межмолекулярных водородных связей.
Водородная связь — это особый вид связи, которая осуществляется при участии атома водорода гидроксильной или аминогруппы одной молекулы и атомами с большой электроотрицательностъю (О, N, F, Сl) другой молекулы. Чем большим положительным зарядом обладает атом водорода и чем больше способность другого атома отдавать свои неподеленные электронные пары, тем легче образуется водородная связь (ВС) и тем она прочнее.
Все алканолы легче воды, бесцветны, жидкие имеют резкий запах, твердые запаха не имеют. Метанол, этанол и пропанол неограниченно растворяются в воде, с увеличением числа углеродных атомов растворимость алканолов в воде уменьшается, высшие спирты не растворяются в воде.
Химические свойства
Химические свойства алканолов определяются особенностями их электронного строения: наличием в их молекулах полярных связей О-Н, С-О, С-Н. Для алканолов характерны реакции, которые идут с расщеплением этих связей: реакции замещения, отщепления, окисления.
I.Реакции замещения
1. Замещение атома водорода гидроксильной группы вследствие разрыва связи О-Н.
а) Взаимодействие с активными металлами с образованием алкоголятов металлов:
2C2H5O[H + 2Na → 2C2H5ONa + H2↑
Эти реакции протекают только в безводной среде; в присутствии воды алкоголяты полностью гидролизуются:
C2H5ONa + H2O → C2H5OH + NaOH
б) Взаимодействие с органическими и неорганическими кислотами с образованием сложных эфиров (реакции этерификации):
2. Замещение гидроксильной группы вследствие разрыва связи С-О.
а) Взаимодействие с галогеноводородами с образованием галогеналканов:
Следует отметить, что спирты можно превратить в галогенпроизводные действием и других реагентов, например хлоридов фосфора:
R – OH + PCl5 → R – Cl + POCl3 + HCl
б) Взаимодействие с аммиаком с образованием аминов.
Реакции идут при пропускании смеси паров спирта с аммиаком при 300oС над оксидом алюминия:
При избытке спирта алкильными радикалами могут замещаться 2 или 3 атома водорода в молекуле NН3:
II. Реакции отщепления
1.Дегидратация, т.е. отщепление воды
Дегидратация спиртов может быть двух типов: межмолектлярная и внутримолекулярная.
а) Межмолекулярная дегидратация спиртов с образованием простых эфиров R—O—R’. Эти реакции могут протекать с участием одного спирта или смеси двух и более спиртов:
б) Внутримолекулярная дегидратация спиртов с образованием алкенов. Протекает при более высокой температуре. В отличие от межмолекулярной дегидратации в процессе этих реакций происходит отщепление молекулы воды от одной молекулы спирта:
Первый член гомологического ряда алканолов – метанол СН3ОН – не вступает в реакции внутримолекулярной дегидратации.
Дегидратация вторичных и третичных спиртов происходит по правилу Зайцева:
2.Дегидрирование (разрыв связей О – Н и С – Н)
а) При дегидрировании первичных спиртов образуются альдегиды:
В организме человека этот процесс происходит под действием фермента (алкогольдегидрогеназы).
б) При дегидрировании вторичных спиртов образуются кетоны:
в) Третичные спирты не дегидрируются.
III. Реакции окисления
1.Горение (полное окисление)
Спирты горят на воздухе с выделением большого количества тепла:
С2Н5ОН + 3О2 → 2СО2 + 3Н2О
2.Неполное окисление под действием окислителей: кислорода воздуха в присутствии катализаторов (например, ), перманганата калия, дихромата калия и др.
Реакции неполного окисления спиртов по своим результатам аналогичны реакциям дегидрирования:
Способы получения алканолов
1.Гидратация алкенов
H2C=CH2 + H2O → CH3 – CH2OH
Кроме прямой гидратации этилена, существует также сернокислотная гидратация, протекающая в две стадии:
— на первой стадии этилен поглощается серной кислотой:
Н2С=СН2 + Н2SO4 → CH3 – CH2 – OSO3H,
— на второй стадии этилсерная кислота гидролизуется с образованием этилового спирта и серной кислоты:
CH3 – CH2 – OSO3H + H2O → CH3 – CH2 – OH + H2SO4
При гидратации гомологов этилена в соответствии с правилом Марковникова образуются вторичные или третичные спирты:
2.Гидролиз галогеналканов
При действии водного раствора NaOH атом галогена в галогеналкане замещается группой —ОН:
C2H5Cl + NaOH → C2H5OH + NaCl
Обратите внимание, что при действии спиртового раствора щелочи на галогеналканы происходит отщепление галогеноводорода и образование алкена (см. способы получения алкенов).
3. Гидрирование альдегидов и кетонов
Как уже было отмечено выше, дегидрирование спиртов по своей химической сущности является окислением. Обратная реакция — гидрирование альдегидов и кетонов — является, таким образом, их восстановлением.
В присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd, Со) альдегиды восстанавливаются до первичных спиртов, а кетоны — до вторичных спиртов:
4.Специфические методы получения метанола и этанола
СО + 2Н2 → СН3ОН
Этанол образуется при брожении (ферментации) углеводов – глюкозы или крахмала:
С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + 2СО2
Предельные многоатомные спирты
Свойства многоатомных спиртов рассмотрим на примере простейшего трехатомного спирта – глицерина, или пропантриола-1,2,3:
Физические свойства
Глицерин – вязкая, бесцветная, сладковатая на вкус нетоксичная жидкость с tокип.=230оС. Смешивается с водой во всех отношениях.
Химические свойства
I. Замещение атомов водорода гидроксильных групп
1.Как и одноатомные спирты, многоатомные спирты взаимодействуют со щелочными металлами; при этом могут образовываться моно-, ди- и тризамещенные продукты:
2.Наличие нескольких ОН-групп в молекулах многоатомных спиртов обусловливает увеличение подвижности и способности к замещению гидроксильных атомов водорода по сравнению с одноатомными спиртами. Поэтому, в отличие от алканолов, многоатомные спирты взаимодействуют с гидроксидами тяжелых металлов (например, с гидроксидом меди (II) Cu(OH)2. Продуктами этих реакций являются внутрикомплексные («хелатные») соединения, в молекулах которых атом тяжелого металла образует как обычные ковалентные связи Ме←О за счет замещения атомов водорода ОН-групп, так и донорно-акцепторные связи Ме ←О за счет неподеленных электронных пар атомов кислорода других ОН-групп:
Нерастворимый в воде Cu(OH)2 голубого цвета растворяется в глицерине с образованием ярко-синего раствора глицерата меди (II). Эта реакция является качественной реакцией на все многоатомные спирты.
3.Многоатомные спирты, как и одноатомные, взаимодействуют с органическими и неорганическими кислотами с образованием сложных эфиров:
II. Замещение гидроксильных групп
Наиболее известными реакциями этого типа является взаимодействие многоатомных спиртов с галогеноводородами. Например, при взаимодействии глицерина с хлороводородом ОН-группы последовательно замещаются атомами хлора:
Способы получения глицерина
1.Гидролиз жиров – основной способ получения глицерина:
Синтез из пропилена
В последнее время глицерин получают из пропилена. Существует несколько вариантов этого синтеза. По одному из них пропилен хлорируют при to = 440—500оС, полученный аллилхлорид гидролизуют раствором NaOH. На полученный в результате гидролиза аллиловый спирт действуют пероксидом водорода Н2О2, который в присутствии катализатора присоединяется к спирту по двойной связи с образованием глицерина. Весь процесс можно представить схемой:
Применение важнейших спиртов
В медицине С2Н5ОН применяется как дезинфицирующее средство и средство для компрессов, используется для приготовления экстрактов и настоек, как растворитель для многих лекарственных препаратов.
Скачать:
Скачать бесплатно реферат на тему: «Спирты» Спирты.docx (Одна Загрузка)
Скачать бесплатно реферат на тему: «Синтез этилового спирта» Синтез-этилового-спирта.docx (Одна Загрузка)
Скачать бесплатно реферат на тему: «Синтез метанола из оксида углерода и водорода» Синтез-метанола-из-оксида-углерода-и-водорода.docx (212 Загрузок)
Скачать рефераты по другим темам можно здесь
Похожее
Получение из простых алкенов и спиртов
Спиртосодержащие органические соединения получают в результате реакции гидроборирования. Первичное сырьё (алкены) под воздействием раствора перекиси водорода гидролизуются, получают спирты.
Гидратация — процесс сложный. Он происходит в два этапа:
- Сначала алкены вступают в реакцию с дибораном (вещество, включающее водород и бор), образуется вещества под названием «алкибораны».
- Промежуточное соединение вступает в реакцию со щелочным раствором перекиси водорода.
Гидроборирование — быстрый и удобный способ получения первичных спиртов. Подобный процесс происходит при нагревании вторичных спиртов, обработки их щелочными растворами перекисью водорода.
Получение спиртов из альдегидов и кетонов
Альдегиды и кетоны — вещества, в составе которых присутствует карбонильная группа (-СНО). У альдегидов –СНО связан с водородом и одним углеводородным радикалом. У кетонов 2 связи – СНО с радикалами.
Восстановление молекулы спирта происходит при нагревании с использованием никелевого катализатора. Реакция восстановления позволяет получать из альдегидов первичные спирты, из кетонов — вторичные.
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.
Получение спиртов из карбоновых кислот и сложных эфиров
Процесс превращения карбоновых кислот, сложных эфиров в спиртоорганические соединения основан на реакции гомологизации. В результате дополнения метиленовых групп к молекулам кислот, эфиров образуются гомолог, спирт. Катализаторами процесса выступают алюмогидрид лития.
Сложный процесс проходит в несколько этапов:
- Сначала в эфирную суспензию добавляется карбоновая кислота.
- Смесь охлаждается.
- Её разделяют на фракции при помощи кислот, щелочных растворов.
Характерно, что это процесс взаимообратный. Из спиртосодержащих веществ синтезируют карбоновые кислоты, сложные эфирные соединения.
Получение спиртов восстановлением эпоксидов и карбонильных соединений
Оксираны (эпоксиды) или эпоксидные соединения — простые эфиры циклической формы с атомом кислорода.
Под воздействием реагентов литийдиалкилкупратов происходит разрыв кольцевой структуры молекулы, образуются молекулы органических спиртосодержащих соединений.
Получение спиртов окислительными методами
Используется несколько методик преобразования ненасыщенных спиртов с использованием разных реагентов и апротонных растворителей. Последние способны растворять ионные реагенты.
Способы:
- окисление диоксидом марганца + органический растворитель;
- с использованием пентана, хлористого метилена;
- окислители на основе хрома (6 валентного), марганца (6-7 валентного).
Процент выхода зависит от типа используемого реагента.
Другие способы получения спиртов
Существуют и другой способ — биохимического брожения сырья растительного происхождения. Лучше всего для этих целей подходят продукты с высоким содержанием сахара, клетчатки, крахмала. Под воздействием дрожжей, отдельных видов бактерий, плесневых грибов происходит брожение массы.
В сусле углеводы биомассы разделяются на углекислый газ, воду и этанол. Методом дистилляции выделяют его из перебродившего сусла. После ректификации (очищения), чистота этанола составляет 95-100%. Класс пищевого спирта определяет степень очистки, исходное сырьё для его производства.
Множество способов получения спиртов обусловлено широким спектром спиртосодержащих соединений и их свойствами.
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.
