Poznajemy alkohole

Budowa i podział alkoholi

Alkohole to substancje o ogólnym wzorze R-OH, gdzie R oznacza grupę węglowodorową, a  – OH to grupa hydroksylowa. Nie należy mylić alkoholi z fenolami (w fenolach podstawnik hydroksylowy jest połączony z pierścieniem aromatycznym). Obie grupy związków posiadają taki sam podstawnik, jednak ich właściwości są odmienne. Alkohole występują powszechnie w przyrodzie. Większość ludzi zna alkohol etylowy (etanol) jako aktywny składnik napojów alkoholowych, jednak to tylko jeden przykład z tej bardzo licznej rodziny związków organicznych. Należą do niej również substancje takie jak cholesterol czy węglowodany. Alkohole tworzą tzw. szereg homologiczny. Nazywamy tak grupę związków organicznych, gdzie każdy następny element różni się od poprzedniego o pewien stały fragment. Metanol i etanol są pierwszymi dwoma członami szeregu homologicznego alkoholi.

Podstawowy podział alkoholi odbywa się na podstawie ilości podstawników hydroksylowych połączonych z grupą węglowodorową. W zależności od tej ilości rozróżniamy:

• alkohole jednowodorotlenowe (monohydroksylowe). Przykłady alkoholi monohydroksylowych: metanol, butanol czy heksanol
• alkohole wielowodorotlenowe (polihydroksylowe), zawierające dwie lub więcej grup hydroksylowych. Wśród nich wyróżniamy, w zależności od liczby grup -OH tzw. diole, triole itd. Przykłady alkoholi polihydroksylowych: 1,2-etanodiol (glikol etylenowy), propano-1,2,3-triol (glicerol)

Alkohole klasyfikuje się również według rzędowości atomu węgla do którego przyłączona jest grupa hydroksylowa (-OH). W zależności od tego wyróżniamy alkohole pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowe.

Metody syntezy alkoholi

Sposobów otrzymywania alkoholi jest wiele. Sama synteza, prace związane z wdrażaniem innowacji czy opracowywanie wydajniejszych katalizatorów, są zagadnieniami niezwykle złożonymi, a procesy wymagają zapewnienia specyficznych warunków. Przemysłowo otrzymuje się je najczęściej w następujących reakcjach:

• bezpośrednia hydratacja alkenów
• synteza z alkenów metodą hydroksyrtęciowania
• synteza z alkenów metodą borowodorowania
• reakcja halogenoalkanów z jonami wodorotlenowymi

Na skale przemysłową najczęściej otrzymuje się metanol, etanol oraz alkohole wielowodorotlenowe takie jak glikol etylenowy i glicerol.

Metanol historycznie otrzymywano przez destylacje drewna. Stąd nazwa uzyskiwanego alkoholu to spirytus drzewny. Obecnie metanol otrzymuje się w syntetycznej reakcji katalitycznego uwodornienia tlenku węgla. Cały proces jest prowadzony pod zwiększonym ciśnieniem oraz w temperaturze wynoszącej 300-400 ᵒC.

Powszechnie etanol otrzymuje się w wyniku fermentacji alkoholowej surowców zawierających cukry (surowce roślinne, zawierające skrobię). Substrat jest przekształcany do odpowiedniej postaci, która może być poddana fermentacji alkoholowej. Powstały zacier odpędza się z etanolu. Końcowym etapem jest destylacja, gdzie otrzymuje się destylat o 80-90% zawartości alkoholu etylowego.

Alkohole polihydroksylowe, to związki wśród których największe znaczenie mają glikol etylenowy, glikol propylenowy oraz gliceryna. Glikol etylenowy oraz propylenowy powstają w procesie hydrolizy epoksydów. Gliceryna to produkt uboczny hydrolizy tłuszczów oraz propylenu lub akroleiny.

Właściwości

Grupa hydroksylowa, jej polarny charakter determinują właściwości chemiczne oraz fizyczne, jakimi odznaczają się alkohole. Podobnie jak woda, w stanie ciekłym tworzą między sobą wiązania wodorowe. Odpowiadają one za utrudnione parowanie cieczy, ponieważ cząsteczki ulegają asocjacji. Bezpośrednio determinuje to ich wysokie temperatury wrzenia, przykładowo dla etanolu wynosi ona 78,37 ᵒC. Metanol, etanol, a także propanole mieszają się z woda w dowolnym stosunku. Jednak rozpuszczalność kolejnego w szeregu homologicznym butanolu to tylko ok. 8 g/dm³. Im dłuższy łańcuch węglowodorowy, tym mniejsza rozpuszczalność. Większość alkoholi to ciecze o charakterystycznym zapachu. Natomiast te zawierające długie łańcuchy węglowodorowe w cząsteczkach są ciałami stałymi.

Alkohole to kwasy czy zasady?

Alkohole ulegają licznym i różnorodnym przemianom chemicznym. Gdy stworzymy środowisko bezwodne i doprowadzimy do reakcji odpowiedniego alkoholu i metalu, to w efekcie otrzymamy alkoholany, np. w etanolan sodu. Z chemicznego punktu widzenia są one silnymi zasadami (silniejszymi od wodorotlenków).

Natomiast oceniając w ten sam sposób alkohole jako grupę związków, powiemy, że są słabymi kwasami (słabszymi od H₂O). Przejawem tego jest tworzenie soli z metalami, czyli właśnie alkoholanów.

Alkoksylowane alkohole

Alkoksylowane alkohole to ciekawa grupa związków powierzchniowo czynnych (niejonowych), powstałych w wyniku syntezy alkoholi tłuszczowych, które są oksyetylenowane i/lub propoksylowane kwasami tłuszczowymi o różnym stopniu alkoksylacji.

Grupa PCC w swojej ofercie posiada aż 269 pozycji alkoksylowanych alkoholi. W zależności od parametrów mają różne cechy i zastosowania, a wśród nich znajdują się między innymi:

• odpowiednie do wielu zastosowań przemysłowych dzięki właściwościom myjącym, czyszczącym i piorącym,
• umożliwiające otrzymywanie pian wysoko elastycznych o bardzo dobrych gęstości i elastyczności,
• stosowane jako środek zwilżający w formulacjach dedykowanych dla przemysłu tekstylnego i metalurgicznego,
• wykorzystywane w przemyśle papierniczym ze względu na właściwości antypienne, niską temperaturę krzepnięcia oraz łatwość operowania.

Wyzwania związane z bezpieczeństwem

Chociaż produkty alkoholowe są wszechstronne i użyteczne, bezpieczne obchodzenie się z nimi może stanowić poważne wyzwanie. Należą one do związków niebezpiecznych, dlatego zachowanie szczególnej ostrożności jest niezbędne. Szczególnie powinno się zwrócić uwagę na poniższe aspekty:

• alkohole wykorzystywane w przemyśle jako surowce, półprodukty i produkty muszą być odpowiedniej jakości. Niedopuszczalne jest używanie i sprzedaż skażonych artykułów. Niezbędne jest zapewnienie bezpieczeństwa pracowników z nimi pracujących oraz klientów, którzy decydują się na zakup towaru.
• od syntezy aż po wysyłkę do konsumenta, alkohole muszą być w odpowiedni sposób przechowywane, aby wykluczyć ryzyko zanieszyczenia, bądź wycieku w trakcie transportu. Czynniki takie jak odpowiednia temperatura czy bliskość innych substancji chemicznych mogą w znaczący sposób wpłynąć na bezpieczeństwo. Logistyka wewnętrzna oraz zewnętrzna w produkcji i sprzedaży alkoholi, a także ich mieszanin jest kluczowa dla zapewnienia bezpieczeństwa.
• powstające odpady w trakcie produkcji, przemysłowego przetwarzania bądź indywidualnego użytkowania w laboratoriach, muszą być poddane utylizacji. Warto zwrócić się do wyspecjalizowanych firm, zajmujących się bezpieczną utylizacją odpadów chemicznych.

Przemysłowe wykorzystanie alkoholi

Najczęściej w przemyśle mamy odczynienia z takimi alkoholami jak etanol, metanol, izopropanol i gliceryna. Niezależnie od branży, wykorzystanie alkoholi jest duże. Poza wykorzystaniem konsumpcyjnym etanolu, powszechne zastosowania obejmują środki czyszczące, kosmetyki, paliwa, farmaceutyki, tekstylia oraz wiele innych. Znajdziemy je również w płynach przeciw zamarzaniu i tuszach.

Alkohole bardzo często wykorzystywane są jako rozpuszczalniki, szczególnie etanol, który jako stosunkowo bezpieczny może być stosowany do rozpuszczania wielu związków nierozpuszczalnych w wodzie.

Metanol to również popularny rozpuszczalnik, jednak jego przeważająca większość stosowana jest do syntezy innych związków chemicznych, np. metanalu (formaldehydu), kwasu etanowego czy estrów metylowych.

Zapoczątkowywane są również inne ścieżki wykorzystania produktów na bazie alkoholi. Podejmowane w Europie działania mające na celu zmniejszenie zużycia paliw kopalnych, skłaniają się do wykorzystania jako źródła energii bioalkoholi. Przewiduje się, że wzrost wykorzystania tego rodzaju paliwa jest nieunikniony.  Użycie destylatów alkoholowych do celów energetycznych jest racjonalnie uzasadnione w miejscach, gdzie występuje problem zanieczyszczonego powietrza, szczególnie w miejscowościach uzdrowiskowych oraz na terenach, gdzie zostały wprowadzone zakazy wykorzystywania paliw stałych, takich jak węgiel kamienny. Jednak trzeba pamiętać, że obecnie koszt wytworzenia energii lub ciepła z paliw na bazie alkoholi, nadal jest wyższy niż koszt energii uzyskiwany z paliw konwencjonalnych.

Przewiduje się, że segment zastosowań paliwowych będzie coraz bardziej lukratywny dla inwestycji i prognozuje się jego wzrost w najbliższym czasie, ze względu na zwiększone wykorzystanie etanolu jako paliwa silnikowego w przemyśle motoryzacyjnym. Alkohol etylowy spala się wytwarzając dwutlenek węgla i wodę. Może być stosowany samodzielnie lub jako mieszanina z benzyną. Najkorzystniej jest, gdy taka mieszanka zawiera 10-20% etanolu. Warto zwrócić uwagę, że wykorzystanie etanolu jako paliwa w motoryzacji może być korzystne dla krajów nie posiadających przemysłu naftowego. Etanol z powodzeniem wytwarza się w procesie fermentacji. Zaspokojenie potrzeb rynku paliwowego produktem alkoholowym z dużym prawdopodobieństwem może poskutkować obniżeniem importu benzyny.

 

Źródła:

1. Bochwica, A.W.A. Preparatyka Organiczna – Vogel.pdf. 2012, 1–54.
2. Maciej, M.; Żyjewska, U.; Siuda, T. Możliwości wykorzystania destylatów alkoholowych jako paliwa opałowego. Nafta-Gaz 2020, 76, 186–191, doi:10.18668/ng.2020.03.05.
3. Industrial-Grade Alcohols | SolvChem Available online: https://solvchem.com/products/alcohols/ (accessed on Jan 11, 2022).
4. Industrial Alcohols Market Size and Share | 2023 Available online: https://www.alliedmarketresearch.com/industrial-alcohols-market (accessed on Jan 11, 2022).
5. 14.2: Alcohols – Nomenclature and Classification – Chemistry LibreTexts Available online: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_Chemistry/The_Basics_of_GOB_Chemistry_(Ball_et_al.)/14%3A_Organic_Compounds_of_Oxygen/14.02%3A_Alcohols_-_Nomenclature_and_Classification (accessed on Jan 11, 2022).
6. Chemia organiczna by Przemysław Mastalerz (z-lib.org).pdf.
7. Uses of Alcohols – Chemistry LibreTexts Available online: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Supplemental_Modules_(Organic_Chemistry)/Alcohols/Properties_of_Alcohols/Uses_of_Alcohols (accessed on Jan 12, 2022).
8. Alkoxylated Alcohols – Cosmetic Ingredients | Phoenix Chemical, Inc. Available online: https://phoenix-chem.com/products/alkoxylated-alcohols/ (accessed on Jan 12, 2022).