Yang paling terkenal dan digunakan dalam kehidupan manusia dan zat industri yang termasuk dalam kategori alkohol polihidrat adalah etilen glikol dan gliserin. Penelitian dan penggunaan mereka dimulai beberapa abad yang lalu, tetapi sifat-sifat senyawa organik ini dalam banyak hal tidak dapat ditiru dan unik, yang membuatnya sangat diperlukan hingga hari ini. Alkohol polihidrat digunakan dalam banyak sintesis kimia, industri, dan bidang kehidupan manusia.
Pertama "kenalan" dengan etilen glikol dan gliserin: sejarah memperoleh
Pada tahun 1859, melalui proses dua tahap mereaksikan dibromoetana dengan perak asetat dan kemudian mengolah etilena glikol diasetat yang diperoleh dalam reaksi pertama dengan kalium kaustik, Charles Wurtz pertama kali mensintesis etilen glikol. Beberapa waktu kemudian, metode hidrolisis langsung dibromoetana dikembangkan, tetapi pada skala industri pada awal abad kedua puluh, alkohol dihidrat 1, 2-dioksietana, juga dikenal sebagai monoetilen glikol, atau hanya glikol, di ASdiperoleh dengan hidrolisis etilen klorohidrin.
Saat ini, baik di industri maupun di laboratorium, sejumlah metode lain digunakan, baru, lebih ekonomis dari segi bahan baku dan energi, serta ramah lingkungan, karena penggunaan reagen yang mengandung atau melepaskan klorin, racun, karsinogen, dan zat berbahaya lainnya bagi lingkungan dan manusia, menurun seiring dengan perkembangan kimia "hijau".
Gliserin ditemukan oleh apoteker Carl Wilhelm Scheele pada tahun 1779, dan Theophile Jules Pelouze mempelajari komposisi senyawa tersebut pada tahun 1836. Dua dekade kemudian, struktur molekul alkohol trihidrat ini didirikan dan dibuktikan dalam karya Pierre Eugene Marseille Vertelot dan Charles Wurtz. Akhirnya, dua puluh tahun kemudian, Charles Friedel melakukan sintesis lengkap gliserol. Saat ini, industri menggunakan dua metode untuk produksinya: melalui alil klorida dari propilena, dan juga melalui akrolein. Sifat kimia etilen glikol, seperti gliserin, banyak digunakan di berbagai bidang produksi kimia.
Struktur dan struktur koneksi
Molekul ini didasarkan pada kerangka hidrokarbon tak jenuh dari etilen, yang terdiri dari dua atom karbon, di mana ikatan rangkap telah diputuskan. Dua gugus hidroksil ditambahkan ke situs valensi yang dikosongkan pada atom karbon. Rumus etilena adalah C2H4, setelah memutus ikatan derek dan menambahkan gugus hidroksil (setelah beberapa tahap) terlihat seperti C 2N4(OH)2. Itulah apa ituetilen glikol.
Molekul etilen memiliki struktur linier, sedangkan alkohol dihidrat memiliki semacam konfigurasi trans dalam penempatan gugus hidroksil dalam kaitannya dengan tulang punggung karbon dan satu sama lain (istilah ini sepenuhnya berlaku untuk posisi relatif terhadap ikatan ganda). Dislokasi seperti itu sesuai dengan lokasi hidrogen yang paling jauh dari gugus fungsi, energi yang lebih rendah, dan karenanya stabilitas maksimum sistem. Sederhananya, satu gugus OH melihat ke atas dan yang lainnya melihat ke bawah. Pada saat yang sama, senyawa dengan dua hidroksil tidak stabil: pada satu atom karbon, terbentuk dalam campuran reaksi, mereka segera mengalami dehidrasi, berubah menjadi aldehida.
Klasifikasi
Sifat kimia etilen glikol ditentukan oleh asalnya dari kelompok alkohol polihidrat, yaitu subkelompok diol, yaitu senyawa dengan dua fragmen hidroksil pada atom karbon tetangga. Zat yang juga mengandung beberapa substituen OH adalah gliserol. Ia memiliki tiga gugus fungsi alkohol dan merupakan anggota paling umum dari subkelasnya.
Banyak senyawa dari kelas ini juga diperoleh dan digunakan dalam produksi kimia untuk berbagai sintesis dan tujuan lain, tetapi penggunaan etilen glikol dalam skala yang lebih serius dan terlibat di hampir semua industri. Masalah ini akan dibahas secara lebih rinci di bawah ini.
Ciri fisik
Penggunaan etilen glikol karena adanya sejumlahsifat yang melekat pada alkohol polihidrat. Ini adalah ciri khas yang hanya menjadi ciri khas untuk kelas senyawa organik ini.
Properti yang paling penting adalah kemampuan tak terbatas untuk bercampur dengan H2O. Air + etilen glikol memberikan larutan dengan karakteristik unik: titik bekunya, tergantung pada konsentrasi diol, 70 derajat lebih rendah daripada distilat murni. Penting untuk dicatat bahwa ketergantungan ini tidak linier, dan setelah mencapai kandungan kuantitatif tertentu dari glikol, efek sebaliknya dimulai - titik beku naik dengan peningkatan persentase zat terlarut. Fitur ini telah diterapkan dalam produksi berbagai antibeku, cairan antibeku yang mengkristal pada karakteristik termal lingkungan yang sangat rendah.
Kecuali dalam air, proses pelarutan berlangsung dengan baik dalam alkohol dan aseton, tetapi tidak diamati pada parafin, benzena, eter, dan karbon tetraklorida. Tidak seperti nenek moyang alifatiknya - zat gas seperti etilena, etilen glikol adalah cairan transparan seperti sirup dengan sedikit warna kuning, rasanya manis, dengan bau yang tidak seperti biasanya, praktis tidak mudah menguap. Pembekuan 100% etilen glikol terjadi pada -12,6 derajat Celcius, dan mendidih pada +197,8. Dalam kondisi normal, densitasnya adalah 1,11 g/cm3.
Mendapatkan Metode
Etilen glikol dapat diperoleh dengan beberapa cara, beberapa di antaranya saat ini hanya memiliki signifikansi historis atau persiapan, sementara yang lainaktif digunakan oleh manusia dalam skala industri dan tidak hanya. Secara kronologis, mari kita lihat yang terpenting.
Metode pertama untuk mendapatkan etilen glikol dari dibromoetana telah dijelaskan di atas. Rumus etilen, ikatan rangkap yang diputus, dan valensi bebas ditempati oleh halogen, bahan awal utama dalam reaksi ini, selain karbon dan hidrogen, memiliki dua atom bromin dalam komposisinya. Pembentukan senyawa antara pada tahap pertama proses dimungkinkan justru karena eliminasinya, yaitu, penggantian oleh gugus asetat, yang, setelah hidrolisis lebih lanjut, berubah menjadi senyawa alkohol.
Dalam proses pengembangan ilmu lebih lanjut, menjadi mungkin untuk memperoleh etilena glikol dengan hidrolisis langsung dari setiap etana yang disubstitusi oleh dua halogen pada atom karbon tetangga, menggunakan larutan berair karbonat logam dari gugus alkali atau (kurang ramah lingkungan reagen ramah) H2 Oh dan timbal dioksida. Reaksi ini cukup "padat karya" dan hanya berlangsung pada suhu dan tekanan yang meningkat secara signifikan, tetapi ini tidak mencegah Jerman menggunakan metode ini selama perang dunia untuk memproduksi etilen glikol dalam skala industri.
Metode memperoleh etilen glikol dari etilen klorohidrin melalui hidrolisisnya dengan garam karbon dari logam golongan alkali juga memainkan perannya dalam pengembangan kimia organik. Dengan peningkatan suhu reaksi hingga 170 derajat, hasil produk target mencapai 90%. Tapi ada kelemahan yang signifikan - glikol entah bagaimana harus diekstraksi dari larutan garam, yang berhubungan langsung dengansejumlah kesulitan. Para ilmuwan memecahkan masalah ini dengan mengembangkan metode dengan bahan awal yang sama, tetapi membagi proses menjadi dua tahap.
Hidrolisis etilen glikol asetat, yang merupakan tahap akhir awal dari metode Wurtz, menjadi metode terpisah ketika mereka berhasil mendapatkan reagen awal dengan mengoksidasi etilen dalam asam asetat dengan oksigen, yaitu, tanpa menggunakan biaya mahal dan senyawa halogen yang sama sekali tidak ramah lingkungan.
Ada juga banyak cara untuk menghasilkan etilen glikol dengan mengoksidasi etilen dengan hidroperoksida, peroksida, perasam organik dengan adanya katalis (senyawa osmium), kalium klorat, dll. Ada juga metode elektrokimia dan radiasi-kimia.
Karakterisasi sifat kimia umum
Sifat kimia etilen glikol ditentukan oleh gugus fungsinya. Reaksi dapat melibatkan satu substituen hidroksil atau keduanya, tergantung pada kondisi proses. Perbedaan utama dalam reaktivitas terletak pada kenyataan bahwa karena adanya beberapa hidroksil dalam alkohol polihidrat dan pengaruh timbal baliknya, sifat asam yang lebih kuat dimanifestasikan daripada "saudara" monohidrat. Oleh karena itu, dalam reaksi dengan alkali, produknya adalah garam (untuk glikol - glikolat, untuk gliserol - gliserat).
Sifat kimia etilen glikol, serta gliserin, mencakup semua reaksi alkohol dari kategori monohidrat. Glikol memberikan ester penuh dan parsial dalam reaksi dengan asam monobasa, glikolat, masing-masing, dibentuk dengan logam alkali, dan ketikadalam proses kimia dengan asam kuat atau garamnya, aldehida asam asetat dilepaskan - karena eliminasi atom hidrogen dari sebuah molekul.
Reaksi dengan logam aktif
Reaksi etilen glikol dengan logam aktif (setelah hidrogen dalam seri kekuatan kimia) pada suhu tinggi menghasilkan etilen glikolat dari logam yang sesuai, ditambah hidrogen dilepaskan.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, di mana X adalah logam divalen aktif.
Reaksi kualitatif terhadap etilen glikol
Membedakan alkohol polihidrat dari cairan lain menggunakan reaksi visual yang hanya khas untuk kelas senyawa ini. Untuk melakukan ini, tembaga hidroksida (2) yang baru diendapkan, yang memiliki warna biru khas, dituangkan ke dalam larutan alkohol yang tidak berwarna. Ketika komponen campuran berinteraksi, endapan larut dan larutan berubah menjadi warna biru tua - sebagai akibat dari pembentukan tembaga glikolat (2).
Polimerisasi
Sifat kimia etilen glikol sangat penting untuk produksi pelarut. Dehidrasi antarmolekul dari zat yang disebutkan, yaitu, penghapusan air dari masing-masing dari dua molekul glikol dan kombinasi selanjutnya (satu gugus hidroksil dihilangkan sepenuhnya, dan hanya hidrogen yang dihilangkan dari yang lain), memungkinkan untuk memperoleh pelarut organik yang unik - dioksan, yang sering digunakan dalam kimia organik, meskipun toksisitasnya tinggi.
Pertukaran Hidroksike halogen
Ketika etilen glikol berinteraksi dengan asam hidrohalat, penggantian gugus hidroksil dengan halogen yang sesuai diamati. Derajat substitusi tergantung pada konsentrasi molar hidrogen halida dalam campuran reaksi:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, di mana X adalah klorin atau bromin.
Dapatkan Eter
Dalam reaksi etilen glikol dengan asam nitrat (dengan konsentrasi tertentu) dan asam organik monobasa (format, asetat, propionat, butirat, valerat, dll.), kompleks dan, karenanya, monoester sederhana terbentuk. Di tempat lain, konsentrasi asam nitrat adalah glikol di- dan trinitroester. Asam sulfat dengan konsentrasi tertentu digunakan sebagai katalis.
Turunan paling penting dari etilen glikol
Zat berharga yang dapat diperoleh dari alkohol polihidrat menggunakan reaksi kimia sederhana (dijelaskan di atas) adalah etilen glikol eter. Yaitu: monometil dan monoetil yang rumusnya adalah HO-CH2-CH2-O-CH3dan HO-CH2-CH2-O-C2N5 masing-masing. Dalam hal sifat kimia, mereka dalam banyak hal mirip dengan glikol, tetapi, seperti kelas senyawa lainnya, mereka memiliki fitur reaktif unik yang unik untuk mereka:
- Monomethylethylene glycol adalah cairan tidak berwarna, tetapi dengan bau khas yang menjijikkan, mendidih pada 124,6 derajat Celcius, sangat larut dalam etanol, lainnyapelarut organik dan air, jauh lebih mudah menguap daripada glikol, dan dengan densitas lebih rendah dari air (pada orde 0,965 g/cm3).
- Dimethylethylene glycol juga berupa cairan, tetapi dengan bau yang kurang khas, kepadatan 0,935 g/cm3, titik didih 134 derajat di atas nol dan kelarutan sebanding ke homolog sebelumnya.
Penggunaan selosol - sebutan umum etilena glikol monoeter - cukup umum. Mereka digunakan sebagai reagen dan pelarut dalam sintesis organik. Sifat fisiknya juga digunakan untuk aditif anti korosi dan anti kristalisasi pada antibeku dan oli motor.
Bidang aplikasi dan harga rangkaian produk
Biaya di pabrik dan perusahaan yang terlibat dalam produksi dan penjualan reagen tersebut rata-rata berfluktuasi sekitar 100 rubel per kilogram senyawa kimia seperti etilen glikol. Harga tergantung pada kemurnian zat dan persentase maksimum produk target.
Penggunaan etilen glikol tidak terbatas pada satu area saja. Jadi, sebagai bahan baku digunakan dalam produksi pelarut organik, resin dan serat buatan, cairan yang membeku pada suhu rendah. Ini terlibat dalam banyak industri seperti otomotif, penerbangan, farmasi, listrik, kulit, tembakau. Pentingnya untuk sintesis organik tidak dapat disangkal lagi.
Penting untuk diingat bahwa glikol adalahsenyawa beracun yang dapat menyebabkan kerusakan yang tidak dapat diperbaiki bagi kesehatan manusia. Oleh karena itu, disimpan dalam wadah tertutup yang terbuat dari aluminium atau baja dengan lapisan dalam wajib yang melindungi wadah dari korosi, hanya dalam posisi vertikal dan di ruangan yang tidak dilengkapi dengan sistem pemanas, tetapi dengan ventilasi yang baik. Jangka waktu - tidak lebih dari lima tahun.
