أشهر المواد المستخدمة في حياة الإنسان والصناعة التي تنتمي إلى فئة الكحولات المتعددة الهيدرات هي الإيثيلين جلايكول والجلسرين. بدأ بحثهم واستخدامهم منذ عدة قرون ، لكن خصائص هذه المركبات العضوية لا تُضاهى وفريدة من نوعها من نواح كثيرة ، مما يجعلها لا غنى عنها حتى يومنا هذا. تستخدم الكحولات متعددة الهيدروكسيل في العديد من الصناعات والتركيبات الكيميائية ومجالات الحياة البشرية.
أول "التعارف" مع الإيثيلين جلايكول والجلسرين: تاريخ الحصول على
في عام 1859 ، من خلال عملية من مرحلتين من تفاعل ثنائي برومو الإيثان مع أسيتات الفضة ثم معالجة ثنائي أسيتات الإيثيلين جليكول الذي تم الحصول عليه في التفاعل الأول مع البوتاس الكاوية ، قام تشارلز وورتز أولاً بتصنيع الإيثيلين جلايكول. بعد مرور بعض الوقت ، تم تطوير طريقة للتحلل المائي المباشر لثاني برومو الإيثان ، ولكن على نطاق صناعي في بداية القرن العشرين ، كان الكحول ثنائي الهيدروجين 1 ، 2-ديوكسي إيثان ، المعروف أيضًا باسم أحادي إيثيلين جلايكول ، أو ببساطة جليكول ، في الولايات المتحدةتم الحصول عليها عن طريق التحلل المائي لإيثيلين كلوروهيدرين.
اليوم ، سواء في الصناعة أو في المختبر ، يتم استخدام عدد من الطرق الأخرى ، جديدة ، أكثر اقتصادا من وجهة نظر المواد الخام والطاقة ، وصديقة للبيئة ، منذ استخدام الكواشف التي تحتوي على الكلور أو تطلقه ، والسموم والمواد المسرطنة وغيرها من المواد الخطرة على البيئة والبشر ، آخذ في الانخفاض مع تطور الكيمياء "الخضراء".
اكتشف الصيدلاني Carl Wilhelm Scheeleالجلسرين في عام 1779 ، ودرس ثيوفيل جولز بيلوز تركيبة المركب في عام 1836. بعد عقدين من الزمان ، تم إنشاء هيكل جزيء هذا الكحول ثلاثي الهيدروجين وإثباته في أعمال بيير يوجين مرسيليا فيرتلوت وتشارلز وورتز. أخيرًا ، بعد عشرين عامًا ، أجرى تشارلز فريدل التوليف الكامل للجليسرول. حاليًا ، تستخدم الصناعة طريقتين لإنتاجها: من خلال كلوريد الأليل من البروبيلين ، وأيضًا من خلال الأكرولين. تستخدم الخصائص الكيميائية لغليكول الإيثيلين ، مثل الجلسرين ، على نطاق واسع في مختلف مجالات الإنتاج الكيميائي.
هيكل وهيكل الاتصال
يعتمد الجزيء على هيكل هيدروكربوني غير مشبع من الإيثيلين ، يتكون من ذرتين من الكربون ، حيث تم كسر رابطة مزدوجة. تمت إضافة مجموعتين من الهيدروكسيل إلى مواقع التكافؤ التي تم إخلاؤها عند ذرات الكربون. صيغة الإيثيلين هي C2H4، بعد كسر رابطة الرافعة وإضافة مجموعات الهيدروكسيل (بعد عدة مراحل) يبدو C2N4(OH)2. هذا ما هو عليهجلايكول الإيثيلين.
جزيء الإيثيلين له بنية خطية ، بينما يحتوي الكحول ثنائي الهيدروكسيل على نوع من التكوين العابر في وضع مجموعات الهيدروكسيل فيما يتعلق بالعمود الفقري للكربون وبعضها البعض (هذا المصطلح قابل للتطبيق تمامًا على الموضع بالنسبة إلى السندات المتعددة). يتوافق هذا الخلع مع أبعد موقع للهيدروجين من المجموعات الوظيفية ، والطاقة المنخفضة ، وبالتالي أقصى استقرار للنظام. ببساطة ، تنظر إحدى مجموعات OH إلى الأعلى بينما تنظر الأخرى إلى الأسفل. في نفس الوقت ، المركبات التي تحتوي على هيدروكسيل غير مستقرة: في ذرة كربون واحدة ، تتشكل في خليط التفاعل ، يتم تجفيفها على الفور ، وتتحول إلى ألدهيدات.
التصنيف
يتم تحديد الخواص الكيميائية للإيثيلين جلايكول من خلال أصله من مجموعة الكحولات متعددة الهيدروكسيل ، أي المجموعة الفرعية للديول ، أي المركبات التي تحتوي على جزأين من الهيدروكسيل في ذرات الكربون المجاورة. مادة تحتوي أيضًا على العديد من بدائل OH هي الجلسرين. يحتوي على ثلاث مجموعات وظيفية كحولية وهو العضو الأكثر شيوعًا في فئته الفرعية.
يتم أيضًا الحصول على العديد من مركبات هذه الفئة واستخدامها في الإنتاج الكيميائي لتخليق مختلف ولأغراض أخرى ، ولكن استخدام جلايكول الإيثيلين على نطاق أكثر جدية ويشارك في جميع الصناعات تقريبًا. ستتم مناقشة هذه المسألة بمزيد من التفصيل أدناه.
الخصائص الفيزيائية
يرجع استخدام الإيثيلين جلايكول إلى وجود عدد منالخصائص الكامنة في الكحوليات متعددة الهيدروكسيل. هذه سمات مميزة مميزة فقط لهذه الفئة من المركبات العضوية.
أهم الخصائص هي القدرة غير المحدودة على الاختلاط مع H2O. يعطي الماء + جلايكول الإيثيلين محلولًا بخاصية فريدة: درجة التجمد ، اعتمادًا على تركيز الديول ، أقل بمقدار 70 درجة من نواتج التقطير النقية. من المهم ملاحظة أن هذا الاعتماد غير خطي ، وعند الوصول إلى محتوى كمي معين من الجليكول ، يبدأ التأثير المعاكس - ترتفع نقطة التجمد مع زيادة النسبة المئوية للمادة الذائبة. وجدت هذه الميزة تطبيقًا في إنتاج العديد من مضادات التجمد ، والسوائل المضادة للتجمد التي تتبلور في الخصائص الحرارية المنخفضة للغاية للبيئة.
باستثناء الماء ، تتم عملية الذوبان بشكل جيد في الكحول والأسيتون ، ولكن لا يتم ملاحظتها في البارافين والبنزين والإيثرات ورابع كلوريد الكربون. على عكس سلفه الأليفاتي - مادة غازية مثل الإيثيلين ، فإن الإيثيلين جلايكول عبارة عن سائل شراب شفاف مع صبغة صفراء خفيفة ، حلوة الذوق ، مع رائحة غير معيّنة ، غير متطايرة عمليًا. يحدث تجميد 100٪ من جلايكول الإيثيلين عند -12.6 درجة مئوية ، والغليان عند +197.8. في ظل الظروف العادية ، تكون الكثافة 1.11 جم / سم3.
الحصول على الأساليب
يمكن الحصول على جلايكول الإيثيلين بعدة طرق ، بعضها اليوم له أهمية تاريخية أو تحضيرية فقط ، بينما البعض الآخريستخدمه الإنسان بنشاط على نطاق صناعي وليس فقط. بترتيب زمني ، دعونا نلقي نظرة على أهمها.
تم بالفعل وصف الطريقة الأولى للحصول على جلايكول الإيثيلين من ثنائي برومو إيثان أعلاه. صيغة الإيثيلين ، الرابطة المزدوجة مكسورة ، وتشغل الهالوجينات التكافؤات الحرة ، وهي مادة البداية الرئيسية في هذا التفاعل ، بالإضافة إلى الكربون والهيدروجين ، في تكوينها ذرتان من البروم. يكون تكوين مركب وسيط في المرحلة الأولى من العملية ممكنًا على وجه التحديد بسبب إزالته ، أي الاستبدال بمجموعات الأسيتات ، والتي ، عند مزيد من التحلل المائي ، تتحول إلى مجموعات كحولية.
في عملية التطوير الإضافي للعلم ، أصبح من الممكن الحصول على جلايكول الإيثيلين عن طريق التحلل المائي المباشر لأي إيثان يتم استبداله بواسطة هالوجين في ذرات الكربون المجاورة ، باستخدام المحاليل المائية للكربونات المعدنية من المجموعة القلوية أو (أقل بيئيًا) كاشف صديق) H2أوه وثاني أكسيد الرصاص. رد الفعل "كثيف العمالة" ولا يستمر إلا في درجات حرارة وضغوط مرتفعة بشكل ملحوظ ، لكن هذا لم يمنع الألمان من استخدام هذه الطريقة أثناء الحروب العالمية لإنتاج جلايكول الإيثيلين على نطاق صناعي.
طريقة الحصول على جلايكول الإيثيلين من الإيثيلين كلوروهيدرين عن طريق التحلل المائي مع أملاح الكربون من معادن المجموعة القلوية لعبت دورها أيضًا في تطوير الكيمياء العضوية. مع زيادة درجة حرارة التفاعل إلى 170 درجة ، وصل مردود المنتج المستهدف إلى 90٪. ولكن كان هناك عيب كبير - كان يجب استخراج الجليكول بطريقة ما من محلول الملح ، والذي يرتبط ارتباطًا مباشرًا بـعدد من الصعوبات. حل العلماء هذه المشكلة من خلال تطوير طريقة بنفس مادة البداية ، ولكن تقسيم العملية إلى مرحلتين.
التحلل المائي لخلات الإيثيلين جليكول ، كونها المرحلة الأخيرة المبكرة من طريقة Wurtz ، أصبحت طريقة منفصلة عندما تمكنوا من الحصول على كاشف البدء عن طريق أكسدة الإيثيلين في حمض الأسيتيك بالأكسجين ، أي بدون استخدام مواد باهظة الثمن و مركبات هالوجين غير بيئية تماما.
هناك أيضًا العديد من الطرق لإنتاج جلايكول الإيثيلين عن طريق أكسدة الإيثيلين مع هيدروبيروكسيدات ، بيروكسيدات ، فوق حموضة عضوية في وجود محفزات (مركبات الأوزميوم) ، كلورات البوتاسيوم ، إلخ. هناك أيضًا طرق كهروكيميائية وكيميائية إشعاعية.
توصيف الخصائص الكيميائية العامة
يتم تحديد الخصائص الكيميائية للإيثيلين جلايكول من خلال مجموعاته الوظيفية. قد تشتمل التفاعلات على بديل هيدروكسيل واحد أو كليهما ، اعتمادًا على ظروف العملية. يكمن الاختلاف الرئيسي في التفاعلية في حقيقة أنه نظرًا لوجود العديد من الهيدروكسيل في كحول متعدد الهيدروكسيل وتأثيرها المتبادل ، تظهر خصائص حمضية أقوى من تلك الخاصة بـ "الأخوة" أحادية الماء. لذلك ، في التفاعلات مع القلويات ، تكون المنتجات عبارة عن أملاح (للجليكول - الجليكولات ، الجلسرين - الجلسرات).
الخصائص الكيميائية للإيثيلين جلايكول ، وكذلك الجلسرين ، تشمل جميع تفاعلات الكحول من فئة أحادي الهيدرات. يعطي الجليكول استرات كاملة وجزئية في تفاعلات مع الأحماض أحادية القاعدة ، وتتشكل الجليكولات ، على التوالي ، من معادن قلوية ، ومتىفي عملية كيميائية باستخدام أحماض قوية أو أملاحها ، يتم تحرير ألدهيد حمض الأسيتيك - بسبب إزالة ذرة الهيدروجين من الجزيء.
التفاعلات مع المعادن النشطة
تفاعل جلايكول الإيثيلين مع المعادن النشطة (بعد الهيدروجين في سلسلة القوة الكيميائية) عند درجات حرارة مرتفعة يعطي جلايكولات الإيثيلين من المعدن المقابل ، بالإضافة إلى إطلاق الهيدروجين.
C2N4(OH)2+ X → C 2H4O2X ، حيث X هو المعدن ثنائي التكافؤ النشط.
رد فعل نوعي للإيثيلين جلايكول
تمييز الكحول متعدد الهيدروكسيل عن أي سائل آخر باستخدام تفاعل بصري مميز فقط لهذه الفئة من المركبات. للقيام بذلك ، يتم سكب هيدروكسيد النحاس المترسب حديثًا (2) ، والذي له صبغة زرقاء مميزة ، في محلول كحول عديم اللون. عندما تتفاعل المكونات المختلطة ، يذوب الراسب ويتحول المحلول إلى اللون الأزرق الغامق - نتيجة تكوين النحاس جلايكولات (2).
البلمرة
الخصائص الكيميائية للإيثيلين جلايكول لها أهمية كبيرة في إنتاج المذيبات. التجفاف بين الجزيئات للمادة المذكورة ، أي إزالة الماء من كل جزيء من جزيئي الجليكول وتركيبهما اللاحق (يتم التخلص من مجموعة هيدروكسيل واحدة تمامًا ، ويتم إزالة الهيدروجين فقط من الأخرى) ، مما يجعل من الممكن الحصول على مذيب عضوي فريد من نوعه - ديوكسان ، والذي يستخدم غالبًا في الكيمياء العضوية ، على الرغم من سميته العالية.
الصرف الهيدروكسيللهالوجين
عندما يتفاعل جلايكول الإيثيلين مع الأحماض المائية ، يُلاحظ استبدال مجموعات الهيدروكسيل بالهالوجين المقابل. تعتمد درجة الاستبدال على التركيز المولي لهاليد الهيدروجين في خليط التفاعل:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2-CH2-X ، حيث X هي الكلور أو البروم.
احصل على الأثير
في تفاعلات جلايكول الإيثيلين مع حمض النيتريك (بتركيز معين) والأحماض العضوية أحادية القاعدة (الفورميك ، الخليك ، البروبيونيك ، الزبد ، الفاليريك ، إلخ) ، معقدة ، وبالتالي ، يتم تشكيل أحاديات بسيطة. في حالات أخرى ، يكون تركيز حمض النيتريك هو جليكول دي- وثلاثي نيتروستر. يستخدم حمض الكبريتيك بتركيز معين كعامل مساعد.
أهم مشتقات الإيثيلين جلايكول
المواد القيمة التي يمكن الحصول عليها من الكحولات متعددة الهيدروكسيل باستخدام تفاعلات كيميائية بسيطة (موصوفة أعلاه) هي إيثر جلايكول الإيثيلين. وهي: monomethyl و monoethyl ، والصيغ منها هي HO-CH2-CH2-O-CH3 و HO-CH2-CH2-O-C2N5على التوالي. من حيث الخصائص الكيميائية ، فهي تشبه من نواح كثيرة الجليكول ، ولكنها ، مثل أي فئة أخرى من المركبات ، لها خصائص تفاعلية فريدة من نوعها:
- Monomethylethylene glycol هو سائل عديم اللون ، ولكن برائحة مميزة مثيرة للاشمئزاز ، حيث يغلي عند 124.6 درجة مئوية ، وقابل للذوبان بدرجة عالية في الإيثانول ، وغير ذلكالمذيبات العضوية والماء ، أكثر تطايرًا من الجليكول ، وبكثافة أقل من كثافة الماء (بترتيب 0.965 جم / سم3).
- ثنائي ميثيل إيثيلين جلايكول هو أيضًا سائل ، ولكن برائحة أقل تميزًا ، بكثافة 0.935 جم / سم3، نقطة غليان تبلغ 134 درجة فوق الصفر وقابلية للذوبان قابلة للمقارنة إلى التجانس السابق.
استخدام المذيبات السليلوزية - كما يُطلق عليها عمومًا أحادي الإيثيلين جلايكول - شائع جدًا. يتم استخدامها ككواشف ومذيبات في التخليق العضوي. تُستخدم خواصها الفيزيائية أيضًا في المواد المضافة المضادة للتآكل ومقاومة التبلور في زيوت المحركات ومضادات التجمد.
مجالات التطبيق والتسعير لمجموعة المنتجات
التكلفة في المصانع والشركات المشاركة في إنتاج وبيع هذه الكواشف تتقلب في المتوسط حوالي 100 روبل لكل كيلوغرام من مركب كيميائي مثل الإيثيلين جلايكول. السعر يعتمد على نقاء المادة والنسبة المئوية القصوى للمنتج المستهدف
لا يقتصر استخدام الإيثيلين جلايكول على منطقة واحدة. لذلك ، يتم استخدامه كمواد خام في إنتاج المذيبات العضوية والراتنجات الاصطناعية والألياف والسوائل التي تتجمد عند درجات حرارة منخفضة. وتشارك في العديد من الصناعات مثل السيارات والطيران والأدوية والكهرباء والجلود والتبغ. لا يمكن إنكار أهميتها للتخليق العضوي.
من المهم أن نتذكر أن الجلايكول هومركب سام يمكن أن يسبب ضررًا لا يمكن إصلاحه لصحة الإنسان. لذلك ، يتم تخزينها في أوعية محكمة الغلق مصنوعة من الألومنيوم أو الفولاذ بطبقة داخلية إلزامية تحمي الحاوية من التآكل ، فقط في أوضاع رأسية وفي غرف غير مجهزة بأنظمة تدفئة ولكن ذات تهوية جيدة. المدة - لا تزيد عن خمس سنوات.
