Les substances les plus connues et utilisées dans la vie humaine et l'industrie appartenant à la catégorie des alcools polyhydriques sont l'éthylène glycol et la glycérine. Leur recherche et leur utilisation ont commencé il y a plusieurs siècles, mais les propriétés de ces composés organiques sont à bien des égards inimitables et uniques, ce qui les rend indispensables à ce jour. Les alcools polyhydriques sont utilisés dans de nombreuses synthèses chimiques, industries et domaines de la vie humaine.
La première "connaissance" de l'éthylène glycol et de la glycérine: l'histoire de l'obtention
En 1859, par un processus en deux étapes consistant à faire réagir du dibromoéthane avec de l'acétate d'argent, puis à traiter le diacétate d'éthylène glycol obtenu lors de la première réaction avec de la potasse caustique, Charles Wurtz a synthétisé pour la première fois de l'éthylène glycol. Quelque temps plus tard, une méthode d'hydrolyse directe du dibromoéthane a été développée, mais à l'échelle industrielle au début du XXe siècle, l'alcool dihydrique 1,2-dioxyéthane, également appelé monoéthylène glycol, ou simplement glycol, aux USA.obtenu par hydrolyse de la chlorohydrine d'éthylène.
Aujourd'hui, tant dans l'industrie qu'au laboratoire, un certain nombre d'autres méthodes sont utilisées, nouvelles, plus économiques du point de vue de la matière première et de l'énergie, et respectueuses de l'environnement, puisque l'utilisation de réactifs contenant ou libérant du chlore, toxines, cancérigènes et autres substances dangereuses pour l'environnement et l'homme, est en déclin avec le développement de la chimie "verte".
La glycérine a été découverte par le pharmacien Carl Wilhelm Scheele en 1779, et Théophile Jules Pelouze a étudié la composition du composé en 1836. Deux décennies plus tard, la structure de la molécule de cet alcool trihydrique a été établie et étayée dans les travaux de Pierre Eugène Marseille Vertelot et Charles Wurtz. Enfin, vingt ans plus tard, Charles Friedel réalise la synthèse complète du glycérol. Actuellement, l'industrie utilise deux méthodes pour sa production: par le chlorure d'allyle à partir de propylène, et aussi par l'acroléine. Les propriétés chimiques de l'éthylène glycol, comme la glycérine, sont largement utilisées dans divers domaines de la production chimique.
La structure et la structure de la connexion
La molécule est basée sur un squelette d'hydrocarbure insaturé d'éthylène, composé de deux atomes de carbone, dans lequel une double liaison a été rompue. Deux groupes hydroxyle ont été ajoutés aux sites de valence vacants au niveau des atomes de carbone. La formule de l'éthylène est C2H4, après avoir rompu la liaison grue et ajouté des groupes hydroxyle (après plusieurs étapes), cela ressemble à C2N4(OH)2. C'est ce que c'estéthylène glycol.
La molécule d'éthylène a une structure linéaire, tandis que l'alcool dihydrique a une sorte de configuration trans dans le placement des groupes hydroxyle par rapport au squelette carboné et entre eux (ce terme s'applique pleinement à la position par rapport à la liaison multiple). Une telle dislocation correspond à la localisation la plus éloignée des hydrogènes des groupements fonctionnels, à plus faible énergie, et donc à la stabilité maximale du système. En termes simples, un groupe OH lève les yeux et l'autre regarde vers le bas. Dans le même temps, les composés à deux hydroxyles sont instables: à un atome de carbone, se formant dans le mélange réactionnel, ils sont immédiatement déshydratés et se transforment en aldéhydes.
Classement
Les propriétés chimiques de l'éthylène glycol sont déterminées par son origine dans le groupe des alcools polyhydriques, à savoir le sous-groupe des diols, c'est-à-dire les composés avec deux fragments hydroxyle sur des atomes de carbone voisins. Une substance qui contient également plusieurs substituants OH est le glycérol. Il a trois groupes fonctionnels d'alcool et est le membre le plus courant de sa sous-classe.
De nombreux composés de cette classe sont également obtenus et utilisés dans la production chimique pour diverses synthèses et autres fins, mais l'utilisation de l'éthylène glycol est à une échelle plus sérieuse et est impliquée dans presque toutes les industries. Ce problème sera abordé plus en détail ci-dessous.
Caractéristiques physiques
L'utilisation de l'éthylène glycol est due à la présence d'un certain nombre depropriétés inhérentes aux alcools polyhydriques. Ce sont des traits distinctifs qui ne sont caractéristiques que pour cette classe de composés organiques.
La plus importante des propriétés est la possibilité illimitée de se mélanger avec H2O. L'eau + éthylène glycol donne une solution avec une caractéristique unique: son point de congélation, en fonction de la concentration en diol, est de 70 degrés inférieur à celui du distillat pur. Il est important de noter que cette dépendance n'est pas linéaire et qu'en atteignant une certaine teneur quantitative en glycol, l'effet inverse commence - le point de congélation augmente avec une augmentation du pourcentage de substance dissoute. Cette fonctionnalité a trouvé une application dans la production de divers antigels, liquides antigel qui cristallisent à des caractéristiques thermiques extrêmement basses de l'environnement.
Sauf dans l'eau, le processus de dissolution se déroule bien dans l'alcool et l'acétone, mais n'est pas observé dans les paraffines, les benzènes, les éthers et le tétrachlorure de carbone. Contrairement à son ancêtre aliphatique - une substance gazeuse telle que l'éthylène, l'éthylène glycol est un liquide transparent semblable à un sirop avec une légère teinte jaune, un goût sucré, avec une odeur inhabituelle, pratiquement non volatil. La congélation de 100 % d'éthylène glycol se produit à -12,6 degrés Celsius et l'ébullition à +197,8. Dans des conditions normales, la densité est de 1,11 g/cm3.
Obtenir des méthodes
L'éthylène glycol peut être obtenu de plusieurs manières, dont certaines n'ont aujourd'hui qu'une signification historique ou préparative, tandis que d'autresactivement utilisé par l'homme à l'échelle industrielle et pas seulement. Dans l'ordre chronologique, examinons les plus importantes.
La première méthode d'obtention d'éthylène glycol à partir de dibromoéthane a déjà été décrite ci-dessus. La formule de l'éthylène, dont la double liaison est rompue et les valences libres sont occupées par des halogènes, le principal matériau de départ de cette réaction, en plus du carbone et de l'hydrogène, a deux atomes de brome dans sa composition. La formation d'un composé intermédiaire à la première étape du processus est précisément possible grâce à son élimination, c'est-à-dire son remplacement par des groupes acétate qui, lors d'une hydrolyse supplémentaire, se transforment en groupes alcool.
Au cours du développement ultérieur de la science, il est devenu possible d'obtenir de l'éthylène glycol par hydrolyse directe de tout éthane substitué par deux halogènes sur des atomes de carbone voisins, en utilisant des solutions aqueuses de carbonates métalliques du groupe alcalin ou (moins écologiquement réactif amical) H2 Oh et le dioxyde de plomb. La réaction est assez "à forte intensité de main-d'œuvre" et ne se déroule qu'à des températures et des pressions significativement élevées, mais cela n'a pas empêché les Allemands d'utiliser cette méthode pendant les guerres mondiales pour produire de l'éthylène glycol à l'échelle industrielle.
La méthode d'obtention de l'éthylène glycol à partir de l'éthylène chlorhydrine par son hydrolyse avec des sels de carbone de métaux du groupe alcalin a également joué son rôle dans le développement de la chimie organique. Avec une augmentation de la température de réaction à 170 degrés, le rendement du produit cible a atteint 90%. Mais il y avait un inconvénient important - le glycol devait être extrait d'une manière ou d'une autre de la solution saline, qui est directement liée àun certain nombre de difficultés. Les scientifiques ont résolu ce problème en développant une méthode avec le même matériau de départ, mais en divisant le processus en deux étapes.
L'hydrolyse de l'acétate d'éthylène glycol, étant la dernière étape finale de la méthode Wurtz, est devenue une méthode distincte lorsqu'ils ont réussi à obtenir le réactif de départ en oxydant l'éthylène dans l'acide acétique avec de l'oxygène, c'est-à-dire sans utiliser de coûteux et composés halogénés totalement non environnementaux.
Il existe également de nombreuses façons de produire de l'éthylène glycol en oxydant l'éthylène avec des hydroperoxydes, des peroxydes, des peracides organiques en présence de catalyseurs (composés d'osmium), du chlorate de potassium, etc. Il existe également des méthodes électrochimiques et radiochimiques.
Caractérisation des propriétés chimiques générales
Les propriétés chimiques de l'éthylène glycol sont déterminées par ses groupes fonctionnels. Les réactions peuvent impliquer un substituant hydroxyle ou les deux, selon les conditions du procédé. La principale différence de réactivité réside dans le fait qu'en raison de la présence de plusieurs hydroxyles dans un alcool polyhydrique et de leur influence mutuelle, des propriétés acides plus fortes se manifestent que celles des "frères" monohydriques. Par conséquent, dans les réactions avec les alcalis, les produits sont des sels (pour le glycol - les glycolates, pour le glycérol - les glycérates).
Les propriétés chimiques de l'éthylène glycol, ainsi que de la glycérine, incluent toutes les réactions des alcools de la catégorie des monohydriques. Le glycol donne des esters complets et partiels dans les réactions avec les acides monobasiques, les glycolates, respectivement, se forment avec les métaux alcalins, et lorsquedans un processus chimique avec des acides forts ou leurs sels, l'aldéhyde de l'acide acétique est libéré - en raison de l'élimination d'un atome d'hydrogène d'une molécule.
Réactions avec des métaux actifs
La réaction de l'éthylène glycol avec des métaux actifs (après l'hydrogène dans la série de résistance chimique) à des températures élevées donne de l'éthylène glycolate du métal correspondant, plus de l'hydrogène est libéré.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, où X est le métal divalent actif.
Réaction qualitative à l'éthylène glycol
Distinguer l'alcool polyhydrique de tout autre liquide en utilisant une réaction visuelle qui n'est caractéristique que pour cette classe de composés. Pour ce faire, de l'hydroxyde de cuivre fraîchement précipité (2), qui a une teinte bleue caractéristique, est versé dans une solution incolore d'alcool. Lorsque les composants mélangés interagissent, le précipité se dissout et la solution prend une couleur bleu foncé - à la suite de la formation de glycolate de cuivre (2).
Polymérisation
Les propriétés chimiques de l'éthylène glycol sont d'une grande importance pour la production de solvants. La déshydratation intermoléculaire de la substance mentionnée, c'est-à-dire l'élimination de l'eau de chacune des deux molécules de glycol et leur combinaison ultérieure (un groupe hydroxyle est complètement éliminé et seul l'hydrogène est éliminé de l'autre), permet d'obtenir un solvant organique unique - le dioxane, qui est souvent utilisé en chimie organique, malgré sa forte toxicité.
Échange d'hydroxyà halogène
Lorsque l'éthylène glycol interagit avec les acides halohydriques, le remplacement des groupes hydroxyle par l'halogène correspondant est observé. Le degré de substitution dépend de la concentration molaire d'halogénure d'hydrogène dans le mélange réactionnel:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, où X est le chlore ou le brome.
Get Ether
Dans les réactions de l'éthylène glycol avec l'acide nitrique (d'une certaine concentration) et les acides organiques monobasiques (formique, acétique, propionique, butyrique, valérique, etc.), des monoesters complexes et, par conséquent, simples se forment. Dans d'autres, la concentration d'acide nitrique est en di- et trinitroesters de glycol. L'acide sulfurique d'une concentration donnée est utilisé comme catalyseur.
Les principaux dérivés de l'éthylène glycol
Les substances précieuses qui peuvent être obtenues à partir d'alcools polyhydriques à l'aide de réactions chimiques simples (décrites ci-dessus) sont les éthers d'éthylène glycol. A savoir: monométhyle et monoéthyle dont les formules sont HO-CH2-CH2-O-CH3 et HO-CH2-CH2-O-C2N5 respectivement. En termes de propriétés chimiques, ils sont à bien des égards similaires aux glycols, mais, comme toute autre classe de composés, ils ont des caractéristiques réactives uniques qui leur sont propres:
- Le monométhyléthylène glycol est un liquide incolore, mais avec une odeur dégoûtante caractéristique, bouillant à 124,6 degrés Celsius, très soluble dans l'éthanol, autreles solvants organiques et l'eau, beaucoup plus volatils que le glycol, et de densité inférieure à celle de l'eau (de l'ordre de 0,965 g/cm3).
- Le diméthyléthylène glycol est aussi un liquide, mais avec une odeur moins caractéristique, une densité de 0,935 g/cm3, un point d'ébullition de 134 degrés au-dessus de zéro et une solubilité comparable à l'homologue précédent.
L'utilisation de cellosolves - comme on appelle généralement les monoéthers d'éthylène glycol - est assez courante. Ils sont utilisés comme réactifs et solvants en synthèse organique. Leurs propriétés physiques sont également utilisées pour les additifs anti-corrosion et anti-cristallisation dans les antigels et les huiles moteur.
Domaines d'application et tarification de la gamme de produits
Le coût dans les usines et les entreprises impliquées dans la production et la vente de tels réactifs fluctue en moyenne d'environ 100 roubles par kilogramme d'un composé chimique tel que l'éthylène glycol. Le prix dépend de la pureté de la substance et du pourcentage maximum du produit cible.
L'utilisation de l'éthylène glycol n'est pas limitée à un seul domaine. Ainsi, en tant que matière première, il est utilisé dans la production de solvants organiques, de résines et de fibres artificielles, des liquides qui gèlent à basse température. Elle est impliquée dans de nombreuses industries telles que l'automobile, l'aviation, la pharmacie, l'électricité, le cuir, le tabac. Son importance pour la synthèse organique est indéniablement importante.
Il est important de se rappeler que le glycol estcomposé toxique qui peut causer des dommages irréparables à la santé humaine. Par conséquent, il est stocké dans des récipients scellés en aluminium ou en acier avec une couche intérieure obligatoire qui protège le récipient de la corrosion, uniquement en position verticale et dans des pièces non équipées de systèmes de chauffage, mais avec une bonne ventilation. Terme - pas plus de cinq ans.
