Знакомство со спиртами

Строение и классификация спиртов

Спирты — это вещества с общей формулой R-OH, где R обозначает гидрокарбильную группу, а -OH — гидроксильную группу. Спирты не следует путать с фенолами (в фенолах гидроксильный заместитель присоединен к ароматическому кольцу). Обе группы соединений имеют один и тот же заместитель, но их свойства различны. Спирты широко распространены в природе. Большинству людей известен этиловый спирт (этанол) как активный ингредиент алкогольных напитков, но это всего лишь один пример из этого большого семейства органических соединений. Оно также включает такие вещества, как холестерин и углеводы. Спирты образуют так называемый гомологический ряд. Это то, что мы называем группой органических соединений, где каждый следующий элемент отличается от предыдущего некоторым постоянным фрагментом. Метанол и этанол являются первыми двумя членами гомологического ряда спиртов.

Основная классификация спиртов основана на количестве гидроксильных заместителей, присоединенных к углеводородной группе. В зависимости от этого количества различают:

• одноатомные (моногидроксильные) спирты. Примеры одноатомных спиртов: метанол, бутанол или гексанол
• Многоатомные спирты (полигидроксиспирты), содержащие две и более гидроксильных групп. Среди них мы различают в зависимости от числа -ОН- групп так называемые диолы, триолы и др. Примеры многоатомных спиртов: 1,2-этандиол (этиленгликоль), пропан-1,2,3-триол (глицерин)

Спирты также классифицируют по порядку атома углерода, к которому присоединена гидроксильная (-ОН) группа. В зависимости от этого различают первичные, вторичные и третичные спирты.

Методы синтеза спиртов

Существует много способов получения спиртов. Сам синтез, работа, связанная с внедрением инноваций, или создание более эффективных катализаторов – вопросы чрезвычайно сложные, и их процессы требуют обеспечения специфических условий. В промышленности их чаще всего получают в следующих реакциях:

• прямая гидратация алкенов
• синтез из алкенов методом обработки гидроксидом ртути
• синтез из алкенов методом гидроборирования
• реакция галогеналканов с гидроксид-ионами

В промышленных масштабах наиболее распространенными являются метанол, этанол и многоатомные спирты, такие как этиленгликоль и глицерин.

Метанол исторически получали методом сухой перегонки древесины. Отсюда и название полученного спирта – древесный спирт. В настоящее время метанол получают с помощью синтетической реакции каталитического гидрирования монооксида углерода. Весь процесс осуществляется под повышенным давлением и при температуре 300-400°С.

Обычно этанол получают путем спиртового брожения сахаросодержащего сырья (растительного сырья, содержащего крахмал). Субстрат преобразуется в подходящую форму, которую можно подвергнуть спиртовому брожению. Полученное сусло очищается от этанола. Последним этапом является дистилляция, при которой получают дистиллят с содержанием этанола 80-90%.

Полигидроксиспирты представляют собой соединения, среди которых наиболее важными являются этиленгликоль, пропиленгликоль и глицерин. Этиленгликоль и пропиленгликоль получают в процессе гидролиза эпоксидов. Глицерин является побочным продуктом гидролиза жиров и пропилена или акролеина.

Характеристики

Гидроксильная группа и ее полярный характер определяют химические и физические свойства спиртов. Как и вода, они образуют водородные связи друг с другом в жидком состоянии. Они ответственны за затрудненное испарение жидкости, которое происходит в связи со связыванием молекул. Это напрямую определяет их высокие температуры кипения, например для этанола она составляет 78,37°С. Метанол, этанол, а также пропанолы смешиваются с водой в любых соотношениях. Однако растворимость следующего в гомологическом ряду бутанола составляет всего около 8 г/дм³. Чем длиннее углеводородная цепь, тем ниже растворимость. Большинство спиртов представляют собой жидкости с характерным запахом. С другой стороны, те, которые содержат в своих молекулах длинные углеводородные цепи, являются твердыми телами.

Спирты это кислоты или основания?

Спирты претерпевают многочисленные и разнообразные химические изменения. Когда мы создадим безводную среду и приведем в реакцию соответствующий спирт и металл, мы получим алкоголяты, например, этилат натрия. Химически они являются сильными основаниями (сильнее, чем гидроксиды).

Однако при оценке таким же образом спиртов как группы соединений мы скажем, что они являются слабыми кислотами (слабее H₂O). Проявлением этого является образование солей с металлами, т. е. алкоголятов.

Алкоксилированные спирты

Алкоксилированные спирты представляют собой интересную группу поверхностно-активных (неионогенных) веществ, полученных в результате синтеза жирных спиртов, которые этоксилированы и/или пропоксилированы жирными кислотами с различной степенью алкоксилирования.

Группа РСС предлагает целых 269 наименований алкоксилированных спиртов. В зависимости от харктеристик они имеют разные функции и области применения, в том числе:

• подходят для многих промышленных применений благодаря моющим, очищающим и моющим свойствам,
• позволяют получить высокоэластичные пены с очень хорошей плотностью и гибкостью,
• используются в качестве смачивающего агента в рецептурах, предназначенных для текстильной и металлургической промышленности,
• используются в бумажной промышленности в связи с антипенными свойствами, низкой температурой затвердевания и простотой в обращении.

Проблемы, связанные с безопасностью

Хотя продукты, содержащие спирт, универсальны и полезны, безопасное обращение с ними может вызвать проблемы. Они относятся к опасным соединениям, поэтому требуют особо осторожного обращения. Особое внимание следует уделить следующим аспектам:

• спирты, используемые в промышленности в качестве сырья, полуфабрикатов и продуктов, должны быть надлежащего качества. Использование и продажа загрязненных и зараженных продуктов недопустимы. Необходимо обеспечить безопасность работающих с ними сотрудников и клиентов, решивших приобрести товар.
• от синтеза до отправки потребителю спирты должны храниться надлежащим образом, чтобы избежать риска загрязнения или утечки во время транспортировки. Такие факторы, как соответствующая температура или контакт с другими химическими веществами могут существенно повлиять на безопасность. Внутренняя и внешняя логистика при производстве и реализации спиртов, а также их смесей является залогом обеспечения безопасности.
• отходы, образующиеся в процессе производства, промышленной переработки или индивидуального использования в лабораториях, должны быть утилизированы. Стоит обратиться в специализированные компании, занимающиеся безопасной утилизацией химических отходов.

Промышленное использование спиртов

Чаще всего в промышленности мы имеем дело с такими спиртами, как этанол, метанол, изопропанол и глицерин. Независимо от отрасли, применение спиртов широко распространено. Кроме пищевого использования этанола, его повсеместное использование включает чистящие средства, косметику, топливо, фармацевтические препараты, текстиль и многое другое. Мы также можем найти его в антифризе и тушах для ресниц.

Спирты очень часто используют в качестве растворителей, особенно этанол, который, будучи относительно безопасным, может быть использован для растворения многих нерастворимых в воде соединений.

Метанол также является популярным растворителем, но в большинстве случаев он используется для синтеза других химических соединений, например, метаналя (формальдегида), этановой кислоты или метиловых эфиров.

Сейчас также появляются и другие пути использования спиртосодержащих продуктов. Принятые в Европе меры по сокращению потребления ископаемого топлива, как правило, направлены на использование биоспиртов в качестве источника энергии. Прогнозируется, что рост использования этого вида топлива неизбежен. Использование спиртовых дистиллятов в энергетических целях рационально оправдано в местах, где существует проблема загрязнения атмосферного воздуха, особенно в городах-курортах и в районах, где запрещено использование твердого топлива, например каменного угля. Однако стоит помнить, что в настоящее время стоимость производства энергии или тепла из топлива на основе спирта все еще выше, чем стоимость энергии, полученной из обычных видов топлива.

Ожидается, что сегмент применения топлива будет становиться все более привлекательным для инвестиций и прогнозируется его рост в ближайшем будущем в связи с расширением использования этанола в качестве моторного топлива в автомобильной промышленности. Этиловый спирт сгорает с образованием углекислого газа и воды. Его можно использовать отдельно или в смеси с бензином. Наиболее предпочтительно, когда такая смесь содержит 10-20% этанола. Стоит отметить, что использование этанола в качестве топлива в автомобильной промышленности может быть выгодным для стран, не имеющих нефтяной промышленности. Этанол успешно производится в процессе ферментации. Удовлетворение потребности топливного рынка спиртосодержащей продукцией с большой долей вероятности может привести к сокращению импорта бензина.

 

Источники:

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).