ที่มีชื่อเสียงและใช้กันมากที่สุดในชีวิตมนุษย์และสารในอุตสาหกรรมที่อยู่ในหมวดหมู่ของแอลกอฮอล์โพลีไฮดริกคือเอทิลีนไกลคอลและกลีเซอรีน การวิจัยและการใช้งานของพวกเขาเริ่มต้นขึ้นเมื่อหลายศตวรรษก่อน แต่คุณสมบัติของสารประกอบอินทรีย์เหล่านี้มีอยู่หลายประการที่เลียนแบบไม่ได้และมีเอกลักษณ์ ซึ่งทำให้ขาดไม่ได้มาจนถึงทุกวันนี้ โพลีไฮดริกแอลกอฮอล์ถูกนำมาใช้ในการสังเคราะห์ทางเคมี อุตสาหกรรม และด้านต่างๆ ของชีวิตมนุษย์
"ความคุ้นเคย" ครั้งแรกกับเอทิลีนไกลคอลและกลีเซอรีน: ประวัติของการได้รับ
ในปี พ.ศ. 2402 โดยผ่านกระบวนการสองขั้นตอนของการทำปฏิกิริยาไดโบรโมอีเทนกับซิลเวอร์อะซิเตท จากนั้นจึงบำบัดเอทิลีนไกลคอลไดอะซิเตตที่ได้รับในปฏิกิริยาแรกกับโปแตชโซดาไฟ Charles Wurtz สังเคราะห์เอทิลีนไกลคอลขึ้นเป็นครั้งแรก ต่อมาไม่นาน ได้มีการพัฒนาวิธีการไฮโดรไลซิสโดยตรงของไดโบรโมอีเทน แต่ในระดับอุตสาหกรรมในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 แอลกอฮอล์ไดไฮดริก 1, 2-ไดออกซีอีเทน หรือที่เรียกว่าโมโนเอทิลีนไกลคอลหรือเรียกง่ายๆ ว่าไกลคอลในสหรัฐอเมริกาได้จากกระบวนการไฮโดรไลซิสของเอทิลีน คลอโรไฮดริน
วันนี้ทั้งในอุตสาหกรรมและในห้องปฏิบัติการมีการใช้วิธีการอื่นๆ อีกหลายวิธี ใหม่ ประหยัดกว่าในแง่ของวัตถุดิบและพลังงาน และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เนื่องจากการใช้รีเอเจนต์ที่มีหรือปล่อยคลอรีน สารพิษ สารก่อมะเร็ง และสารอันตรายอื่นๆ สำหรับสิ่งแวดล้อมและมนุษย์ กำลังลดลงพร้อมกับการพัฒนาของสารเคมีที่ "เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม"
กลีเซอรีนถูกค้นพบโดยเภสัชกร Carl Wilhelm Scheele ในปี 1779 และ Theophile Jules Pelouze ศึกษาองค์ประกอบของสารประกอบในปี 1836 สองทศวรรษต่อมา โครงสร้างของโมเลกุลของแอลกอฮอล์ไตรไฮดริกนี้ได้รับการจัดตั้งขึ้นและพิสูจน์ได้ในผลงานของ Pierre Eugene Marseille Vertelot และ Charles Wurtz ในที่สุด ยี่สิบปีต่อมา Charles Friedel ได้ทำการสังเคราะห์กลีเซอรอลอย่างสมบูรณ์ ปัจจุบันอุตสาหกรรมใช้สองวิธีในการผลิต: ผ่านอัลลิลคลอไรด์จากโพรพิลีนและผ่านอะโครลีน คุณสมบัติทางเคมีของเอทิลีนไกลคอล เช่น กลีเซอรีน มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการผลิตสารเคมีต่างๆ
โครงสร้างและโครงสร้างการเชื่อมต่อ
โมเลกุลนี้ยึดตามโครงกระดูกไฮโดรคาร์บอนที่ไม่อิ่มตัวของเอทิลีน ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน 2 อะตอม ซึ่งพันธะคู่ถูกทำลาย หมู่ไฮดรอกซิลสองหมู่ถูกเติมไปยังตำแหน่งเวเลนซ์ที่ว่างที่อะตอมของคาร์บอน สูตรของเอทิลีนคือ C2H4 หลังจากทำลายพันธะของเครนและเพิ่มหมู่ไฮดรอกซิล (หลังจากหลายขั้นตอน) จะดูเหมือน C2N4(OH)2. นั่นแหละค่ะเอทิลีนไกลคอล
โมเลกุลเอทิลีนมีโครงสร้างเชิงเส้น ในขณะที่แอลกอฮอล์ไดไฮดริกมีโครงสร้างแบบทรานส์ในตำแหน่งของกลุ่มไฮดรอกซิลที่สัมพันธ์กับกระดูกสันหลังของคาร์บอนและซึ่งกันและกัน (คำนี้ใช้ได้กับตำแหน่งที่สัมพันธ์กับ พันธะพหุคูณ) ความคลาดเคลื่อนดังกล่าวสอดคล้องกับตำแหน่งที่ห่างไกลที่สุดของไฮโดรเจนจากกลุ่มการทำงาน พลังงานต่ำ และด้วยเหตุนี้ความเสถียรสูงสุดของระบบ พูดง่ายๆ คือ กลุ่ม OH กลุ่มหนึ่งเงยหน้าขึ้นและอีกกลุ่มมองลง ในเวลาเดียวกัน สารประกอบที่มีไฮดรอกซิลสองชนิดจะไม่เสถียร: ที่อะตอมของคาร์บอนหนึ่งอะตอม ก่อตัวขึ้นในส่วนผสมของปฏิกิริยา พวกมันจะถูกทำให้แห้งทันทีและกลายเป็นอัลดีไฮด์
การจำแนกประเภท
คุณสมบัติทางเคมีของเอทิลีนไกลคอลถูกกำหนดโดยต้นกำเนิดจากกลุ่มโพลีไฮดริกแอลกอฮอล์ คือกลุ่มย่อยของไดออล นั่นคือสารประกอบที่มีชิ้นส่วนไฮดรอกซิลสองชิ้นที่อะตอมของคาร์บอนข้างเคียง สารที่มีหมู่แทนที่ OH หลายตัวเช่นกันคือกลีเซอรอล มีกลุ่มควบคุมแอลกอฮอล์สามกลุ่มและเป็นสมาชิกสามัญที่สุดของคลาสย่อย
สารประกอบจำนวนมากในชั้นนี้ได้รับและใช้ในการผลิตสารเคมีเพื่อการสังเคราะห์ที่หลากหลายและเพื่อวัตถุประสงค์อื่นๆ แต่การใช้เอทิลีนไกลคอลนั้นรุนแรงกว่าและเกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมเกือบทั้งหมด ปัญหานี้จะถูกกล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติมด้านล่าง
ลักษณะทางกายภาพ
การใช้เอทิลีนไกลคอลเกิดจากการมีอยู่ของคุณสมบัติที่มีอยู่ในโพลีไฮดริกแอลกอฮอล์ สิ่งเหล่านี้เป็นลักษณะเฉพาะของสารประกอบอินทรีย์ประเภทนี้เท่านั้น
คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดคือความสามารถในการผสม H2O ได้ไม่จำกัด น้ำ + เอทิลีนไกลคอลให้สารละลายที่มีลักษณะเฉพาะ: จุดเยือกแข็ง ซึ่งขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของไดออลนั้นต่ำกว่าจุดกลั่นบริสุทธิ์ 70 องศา สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าการพึ่งพาอาศัยกันนี้ไม่เป็นเชิงเส้น และเมื่อไปถึงเนื้อหาเชิงปริมาณของไกลคอล ผลตรงกันข้ามจะเริ่มต้นขึ้น - จุดเยือกแข็งจะเพิ่มขึ้นตามเปอร์เซ็นต์ของสารที่ละลายน้ำเพิ่มขึ้น คุณลักษณะนี้ได้พบการประยุกต์ใช้ในการผลิตสารป้องกันการแข็งตัวต่างๆ ของเหลวป้องกันการแข็งตัวที่ตกผลึกที่ลักษณะทางความร้อนที่ต่ำมากของสิ่งแวดล้อม
ยกเว้นในน้ำ กระบวนการละลายจะดำเนินการได้ดีในแอลกอฮอล์และอะซิโตน แต่ไม่พบในพาราฟิน เบนซีน อีเธอร์ และคาร์บอนเตตระคลอไรด์ ซึ่งแตกต่างจากบรรพบุรุษของอะลิฟาติก - สารที่เป็นก๊าซเช่นเอทิลีน, เอทิลีนไกลคอลเป็นของเหลวใสคล้ายน้ำเชื่อมที่มีโทนสีเหลืองเล็กน้อย, มีรสหวาน, มีกลิ่นที่ไม่เคยมีมาก่อน, ไม่ระเหยในทางปฏิบัติ การแช่แข็งเอทิลีนไกลคอล 100% เกิดขึ้นที่ -12.6 องศาเซลเซียส และเดือดที่ +197.8 ภายใต้สภาวะปกติ ความหนาแน่นคือ 1.11 ก./ซม.3.
วิธีรับ
เอทิลีนไกลคอลหาได้หลายวิธี ซึ่งในปัจจุบันมีนัยสำคัญทางประวัติศาสตร์หรือเชิงเตรียมการเท่านั้น ในขณะที่อื่นๆมนุษย์ใช้อย่างแข็งขันในระดับอุตสาหกรรมและไม่เพียงเท่านั้น ตามลำดับเวลา เรามาดูสิ่งที่สำคัญที่สุดกัน
วิธีแรกในการรับเอธิลีนไกลคอลจากไดโบรโมอีเทนได้อธิบายไว้ข้างต้นแล้ว สูตรของเอทิลีนซึ่งพันธะคู่แตกสลาย และวาเลนซีอิสระถูกครอบครองโดยฮาโลเจน ซึ่งเป็นสารตั้งต้นหลักในปฏิกิริยานี้ นอกเหนือจากคาร์บอนและไฮโดรเจนแล้ว ยังมีอะตอมโบรมีนสองอะตอมในองค์ประกอบ การก่อตัวของสารประกอบขั้นกลางในขั้นตอนแรกของกระบวนการนั้นเป็นไปได้อย่างแม่นยำเนื่องจากการกำจัดออก กล่าวคือ แทนที่ด้วยกลุ่มอะซิเตต ซึ่งเมื่อไฮโดรไลซิสต่อไปจะกลายเป็นแอลกอฮอล์
ในกระบวนการพัฒนาวิทยาศาสตร์เพิ่มเติม เป็นไปได้ที่จะได้รับเอทิลีนไกลคอลโดยการไฮโดรไลซิสโดยตรงของอีเทนใดๆ ที่ถูกแทนที่ด้วยฮาโลเจนสองตัวที่อะตอมของคาร์บอนข้างเคียง โดยใช้สารละลายที่เป็นน้ำของคาร์บอเนตของโลหะจากกลุ่มอัลคาไลน์หรือ (เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมน้อยกว่า รีเอเจนต์ที่เป็นมิตร) H2 โอ้และตะกั่วไดออกไซด์ ปฏิกิริยาดังกล่าวค่อนข้าง "ใช้แรงงานมาก" และเกิดขึ้นเฉพาะที่อุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ แต่สิ่งนี้ไม่ได้ป้องกันชาวเยอรมันจากการใช้วิธีนี้ในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่งเพื่อผลิตเอทิลีนไกลคอลในระดับอุตสาหกรรม
วิธีการรับเอธิลีนไกลคอลจากเอทิลีนคลอโรไฮดรินโดยการไฮโดรไลซิสด้วยเกลือคาร์บอนของโลหะกลุ่มอัลคาไลก็มีบทบาทในการพัฒนาเคมีอินทรีย์เช่นกัน ด้วยการเพิ่มอุณหภูมิปฏิกิริยาเป็น 170 องศา ผลผลิตของผลิตภัณฑ์เป้าหมายถึง 90% แต่มีข้อเสียที่สำคัญคือต้องสกัดไกลคอลจากสารละลายเกลือซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับจำนวนของความยากลำบาก นักวิทยาศาสตร์แก้ไขปัญหานี้ด้วยการพัฒนาวิธีการด้วยวัสดุเริ่มต้นเดียวกัน แต่แบ่งกระบวนการออกเป็นสองขั้นตอน
เอทิลีนไกลคอลอะซิเตทไฮโดรไลซิสซึ่งเป็นขั้นตอนสุดท้ายของวิธี Wurtz ก่อนหน้านี้ กลายเป็นวิธีการแยกต่างหากเมื่อพวกเขาจัดการเพื่อให้ได้รีเอเจนต์เริ่มต้นโดยการออกซิไดซ์เอทิลีนในกรดอะซิติกด้วยออกซิเจน กล่าวคือ โดยไม่ต้องใช้ราคาแพงและ สารประกอบฮาโลเจนที่ไม่เป็นไปตามสิ่งแวดล้อมอย่างสมบูรณ์
นอกจากนี้ยังมีหลายวิธีในการผลิตเอทิลีนไกลคอลโดยออกซิไดซ์เอทิลีนด้วยไฮโดรเปอร์ออกไซด์ เปอร์ออกไซด์ เปอร์ออกไซด์อินทรีย์ต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา (สารประกอบออสเมียม) โพแทสเซียมคลอเรต ฯลฯ นอกจากนี้ยังมีวิธีเคมีไฟฟ้าและเคมีเชิงรังสี
ลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติทางเคมีทั่วไป
คุณสมบัติทางเคมีของเอทิลีนไกลคอลถูกกำหนดโดยหมู่ฟังก์ชันของมัน ปฏิกิริยาอาจเกี่ยวข้องกับหมู่แทนที่ไฮดรอกซิลหนึ่งหมู่หรือทั้งสองอย่าง ขึ้นอยู่กับสภาวะของกระบวนการ ความแตกต่างที่สำคัญในการเกิดปฏิกิริยาคือเนื่องจากการปรากฏตัวของไฮดรอกซิลหลายชนิดในแอลกอฮอล์โพลีไฮดริกและอิทธิพลซึ่งกันและกันคุณสมบัติที่เป็นกรดที่แรงกว่าจึงปรากฏออกมามากกว่า "พี่น้อง" โมโนไฮดริก ดังนั้นในการทำปฏิกิริยากับด่าง ผลิตภัณฑ์จึงเป็นเกลือ (สำหรับไกลคอล - ไกลโคเลต สำหรับกลีเซอรอล - กลีเซอเรต)
คุณสมบัติทางเคมีของเอทิลีนไกลคอลและกลีเซอรีน รวมถึงปฏิกิริยาทั้งหมดของแอลกอฮอล์จากหมวดหมู่โมโนไฮดริก ไกลคอลให้เอสเทอร์เต็มและบางส่วนในปฏิกิริยากับกรดโมโนเบสิก ไกลโคเลต ตามลำดับ จะเกิดกับโลหะอัลคาไลและเมื่อในกระบวนการทางเคมีด้วยกรดแก่หรือเกลือของกรดอะซิติก aldehyde จะถูกปล่อยออกมา - เนื่องจากการกำจัดอะตอมไฮโดรเจนออกจากโมเลกุล
ปฏิกิริยากับโลหะมีค่า
ปฏิกิริยาของเอทิลีนไกลคอลกับโลหะออกฤทธิ์ (หลังจากไฮโดรเจนในชุดความแรงทางเคมี) ที่อุณหภูมิสูงจะทำให้เอทิลีนไกลคอลของโลหะที่เกี่ยวข้องกัน บวกกับปล่อยไฮโดรเจน
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X โดยที่ X คือเมทัลไดวาเลนต์ที่ใช้งานอยู่
ปฏิกิริยาเชิงคุณภาพต่อเอทิลีนไกลคอล
แยกแยะโพลีไฮดริกแอลกอฮอล์จากของเหลวอื่น ๆ โดยใช้ปฏิกิริยาทางสายตาที่มีลักษณะเฉพาะสำหรับสารประกอบประเภทนี้เท่านั้น เมื่อต้องการทำเช่นนี้ คอปเปอร์ไฮดรอกไซด์ที่ตกตะกอนใหม่ (2) ซึ่งมีโทนสีน้ำเงินที่มีลักษณะเฉพาะ จะถูกเทลงในสารละลายแอลกอฮอล์ที่ไม่มีสี เมื่อส่วนประกอบผสมโต้ตอบกัน ตะกอนจะละลายและสารละลายจะกลายเป็นสีน้ำเงินเข้ม - อันเป็นผลมาจากการก่อตัวของคอปเปอร์ไกลโคเลต (2)
พอลิเมอไรเซชัน
คุณสมบัติทางเคมีของเอทิลีนไกลคอลมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตตัวทำละลาย การขาดน้ำระหว่างโมเลกุลของสารดังกล่าว กล่าวคือ การกำจัดน้ำออกจากโมเลกุลทั้งสองของไกลคอลแต่ละโมเลกุลและการรวมตัวที่ตามมา (กลุ่มไฮดรอกซิลถูกกำจัดโดยสิ้นเชิง และมีเพียงไฮโดรเจนเท่านั้นที่แยกออกจากกัน) ทำให้สามารถรับได้ ตัวทำละลายอินทรีย์ที่เป็นเอกลักษณ์ - ไดออกเซน ซึ่งมักใช้ในเคมีอินทรีย์ แม้ว่าจะมีความเป็นพิษสูง
แลกเปลี่ยนไฮดรอกซีเป็นฮาโลเจน
เมื่อเอทิลีนไกลคอลทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรฮาลิก จะสังเกตเห็นการแทนที่หมู่ไฮดรอกซิลด้วยฮาโลเจนที่สอดคล้องกัน ระดับของการแทนที่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของโมลของไฮโดรเจนเฮไลด์ในส่วนผสมของปฏิกิริยา:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X โดยที่ X คือคลอรีนหรือโบรมีน
รับอีเธอร์
ในปฏิกิริยาของเอทิลีนไกลคอลกับกรดไนตริก (ความเข้มข้นหนึ่ง) และกรดอินทรีย์โมโนเบสิก (ฟอร์มิก อะซิติก โพรพิโอนิก บิวทิริก วาเลอริก ฯลฯ) ซับซ้อนและด้วยเหตุนี้ จึงเกิดโมโนเอสเทอร์อย่างง่าย ที่อื่นๆ ความเข้มข้นของกรดไนตริกคือไกลคอลได- และไตรไนโตรเอสเทอร์ กรดซัลฟิวริกที่มีความเข้มข้นที่กำหนดจะใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
อนุพันธ์ที่สำคัญที่สุดของเอทิลีนไกลคอล
สารล้ำค่าที่หาได้จากโพลีไฮดริกแอลกอฮอล์โดยใช้ปฏิกิริยาเคมีอย่างง่าย (อธิบายไว้ข้างต้น) คือเอทิลีนไกลคอลอีเทอร์ กล่าวคือ: โมโนเมทิลและโมโนเอทิลซึ่งมีสูตรคือ HO-CH2-CH2-O-CH3 และ HO-CH2-CH2-O-C2N5 ตามลำดับ. ในแง่ของคุณสมบัติทางเคมี พวกมันมีความคล้ายคลึงกับไกลคอลหลายวิธี แต่เช่นเดียวกับสารประกอบประเภทอื่น ๆ พวกมันมีคุณสมบัติปฏิกิริยาที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะสำหรับพวกมัน:
- โมโนเมทิลเอทิลีนไกลคอลเป็นของเหลวไม่มีสี แต่มีกลิ่นเฉพาะตัวที่น่ารังเกียจ เดือดที่อุณหภูมิ 124.6 องศาเซลเซียส ละลายได้ดีในเอทานอล อื่นๆตัวทำละลายอินทรีย์และน้ำ ระเหยได้ง่ายกว่าไกลคอล และมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ (ตามลำดับ 0.965 g/cm3)
- ไดเมทิลเอทิลีนไกลคอลก็เป็นของเหลวเช่นกัน แต่มีกลิ่นเฉพาะตัวน้อยกว่า มีความหนาแน่น 0.935 g/cm3 จุดเดือด 134 องศาเหนือศูนย์และความสามารถในการละลายเทียบเท่า ไปก่อนหน้าที่คล้ายคลึงกัน
การใช้เซลโลโซลอล - โดยทั่วไปจะเรียกว่าโมโนอีเทอร์เอทิลีนไกลคอล - เป็นเรื่องธรรมดา ใช้เป็นสารรีเอเจนต์และตัวทำละลายในการสังเคราะห์สารอินทรีย์ คุณสมบัติทางกายภาพของพวกมันยังใช้สำหรับสารป้องกันการกัดกร่อนและป้องกันการตกผลึกในสารป้องกันการแข็งตัวและน้ำมันเครื่อง
ช่องการสมัครและราคาของผลิตภัณฑ์
ต้นทุนในโรงงานและสถานประกอบการที่เกี่ยวข้องกับการผลิตและการขายน้ำยาดังกล่าวมีความผันผวนโดยเฉลี่ยประมาณ 100 รูเบิลต่อกิโลกรัมของสารเคมีเช่นเอทิลีนไกลคอล ราคาขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ของสารและเปอร์เซ็นต์สูงสุดของสินค้าเป้าหมาย
การใช้เอทิลีนไกลคอลไม่ได้จำกัดอยู่แค่บริเวณใดบริเวณหนึ่ง ดังนั้นในฐานะที่เป็นวัตถุดิบจึงใช้ในการผลิตตัวทำละลายอินทรีย์ เรซินและเส้นใยเทียม ของเหลวที่แข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำ มันมีส่วนร่วมในหลายอุตสาหกรรมเช่นยานยนต์, การบิน, ยา, ไฟฟ้า, เครื่องหนัง, ยาสูบ ความสำคัญของการสังเคราะห์สารอินทรีย์มีความสำคัญอย่างปฏิเสธไม่ได้
สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าไกลคอลคือสารพิษที่สามารถก่อให้เกิดอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์อย่างไม่สามารถแก้ไขได้ ดังนั้นจึงถูกเก็บไว้ในภาชนะที่ปิดสนิทซึ่งทำจากอลูมิเนียมหรือเหล็กที่มีชั้นในบังคับซึ่งป้องกันภาชนะจากการกัดกร่อน เฉพาะในแนวตั้งและในห้องที่ไม่มีระบบทำความร้อน แต่มีการระบายอากาศที่ดี ระยะเวลา - ไม่เกินห้าปี
