Alkoholy (z lat. spiritus - lihovina; zastaralé alkoholy , z arabštiny الكحول al -kukhul - prášek [ 1] ) - organické sloučeniny obsahující jednu nebo více hydroxylových skupin (hydroxyl, −OH ), přímo spojené s nasyceným (jsou v a stav sp 3-hybridizace ) atom uhlíku [2] . Alkoholy lze považovat za deriváty vody ( H−O−H ) , ve kterých je jeden atom vodíku nahrazen organickou funkční skupina : R−O−H .
V nomenklatuře IUPAC pro sloučeniny, ve kterých je hydroxylová skupina vázána k nenasycenému ( sp² -hybridnímu ) atomu uhlíku, jsou názvy „ enoly “ (hydroxylová skupina je spojena s vinylovou vazbou C=C) [3] a „ fenoly “ ( hydroxyl je spojen s benzenem nebo jiným aromatickým kruhem) [4] .
Alkoholy jsou rozsáhlou a různorodou třídou sloučenin: jsou v přírodě velmi běžné a často plní důležité funkce v živých organismech . Alkoholy jsou důležité sloučeniny z hlediska organické syntézy , zajímavé nejen jako konečné produkty, ale také jako meziprodukty s řadou jedinečných chemických vlastností . Kromě toho jsou alkoholy průmyslově důležité produkty a mají nejširší rozsah použití jak v průmyslu, tak v každodenních aplikacích .
Slovo alkohol pochází z arabštiny. الكحل ( al-kuḥl ) - "práškový antimon ". Koncept pochází z alchymistické techniky redukce chemikálií na „prášek“, který měl být čistou podstatou látky. Podobně je ethylalkohol esencí vína, odtud jeho název [1] . Přes něj se slovo dostalo do ruského jazyka . Alkohol , netherl . alkohol nebo portské. , španělština alkohol [5] . V ruském jazyce se však homonymum slova „alkohol“ ve významu „jemný prášek“ zachovalo také ve formě archaismu , zjevně [6] .
Slovo alkohol se v ruštině objevilo v době Petra I. prostřednictvím anglického slova spirit , které zase pocházelo z latinského spīritus – „dech, duch, duše“ [7] .
Alkoholy jsou klasifikovány následovně (příklady jsou uvedeny v závorkách) [8] :
Podle názvosloví IUPAC jsou názvy jednoduchých alkoholů tvořeny z názvů odpovídajících alkanů s přidáním přípony „-ol“, jejíž pozice je označena arabskou číslicí.
Pravidla pro konstrukci názvů alkoholů [9] :
Opojný bylinný nápoj s obsahem etanolu zná lidstvo již od starověku. Předpokládá se, že minimálně 8000 let před naším letopočtem byli lidé obeznámeni s účinkem fermentovaného ovoce a později pomocí fermentace přijímali opojné nápoje obsahující etanol z ovoce a medu [13] . Archeologické nálezy naznačují, že vinařství existovalo v západní Asii již v letech 5400-5000 před naším letopočtem. E. a na území moderní Číny , provincie Henan , byly nalezeny důkazy o výrobě fermentovaných směsí z rýže , medu, hroznů a možná i jiného ovoce v raném neolitu : od 6500 do 7000 let. před naším letopočtem E. [čtrnáct]
Poprvé byl alkohol z vína získán v 6.-7. století arabskými chemiky; způsob získávání alkoholu je obsažen v záznamech perského alchymisty Ar-Raziho [15] . V Evropě se ethylalkohol získával z fermentačních produktů v XI-XII století , v Itálii [16] .
Alkohol se do Ruska poprvé dostal v roce 1386, kdy jej janovské velvyslanectví přineslo s sebou pod názvem „aqua vita“ a předložilo velkovévodskému dvoru [17] .
V roce 1661 anglický chemik Robert Boyle poprvé získal metanol destilací dřeva [18] . Absolutní etanol z jeho vodného roztoku poprvé získal v roce 1796 ruský chemik T. E. Lovitz při destilaci nad potaší [16] [19] .
V roce 1842 německý chemik J. G. Schiel objevil, že alkoholy tvoří homologní řadu , lišící se určitou konstantní hodnotou. Mýlil se však, když jej popsal jako C 2 H 2 . O dva roky později jiný chemik Charles Gerard stanovil správný homologický rozdíl CH 2 a předpověděl v té době neznámý vzorec a vlastnosti propylalkoholu [20] . V roce 1850 anglický chemik Alexander Williamson , který studoval reakci alkoholátů s ethyljodidem , zjistil, že ethylalkohol je derivát vody s jedním substituovaným atomem vodíku, experimentálně potvrdil vzorec C 2 H 5 OH [21] . Syntézu ethanolu působením kyseliny sírové na ethylen poprvé provedl v roce 1854 francouzský chemik Marcelin Berthelot [21] .
První studii metylalkoholu provedli v roce 1834 francouzští chemici Jean-Baptiste Dumas a Eugène Peligot . Říkali mu „methyl nebo dřevný alkohol“, protože se nacházel při suché destilaci dřeva [22] . Syntézu methanolu z methylchloridu provedl francouzský chemik Marcelin Berthelot v roce 1857 [23] . V roce 1855 také objevil isopropylalkohol , získaný působením kyseliny sírové na propylen [24] .
Poprvé byl terciární alkohol ( 2-methylpropanol-2 ) syntetizován v roce 1863 slavným ruským chemikem A. M. Butlerovem , čímž byla zahájena celá řada experimentů v tomto směru [21] .
Dvojsytný alkohol ethylenglykol poprvé syntetizoval francouzský chemik A. Wurtz v roce 1856 [20] . Glycerin objevil v přírodních tucích již v roce 1783 švédský chemik Karl Scheele , ale jeho složení bylo objeveno až v roce 1836 a syntézu provedl z acetonu v roce 1873 Charles Friedel [25] .
Alkoholy jsou v přírodě široce distribuovány jak ve volné formě, tak jako součást esterů .
Metylalkohol se v malém množství vyskytuje v některých rostlinách, např.: bolševník ( Heracleum ) [23] .
Ethylalkohol je přírodní produkt anaerobní fermentace potravin obsahujících organické sacharidy kvasinkami rodu Saccharomyces a bakteriemi Zimomonas a často se tvoří v kyselých bobulích a ovoci. V tomto případě se sacharidy prostřednictvím sekvence enzymatických reakcí nazývaných glykolýza mění na pyruvát , který pak působením pyruvátdekarboxylázy přechází na acetaldehyd . Ten pak v přítomnosti alkoholdehydrogenázy přijímá redukční ekvivalent redukované formy NAD (k redukci NAD dochází v jednom ze stupňů glykolýzy), čímž se získá ethanol jako konečný produkt. Tento proces je nejen příčinou hromadění etanolu v přírodních objektech, ale aktivně se využívá i ve vinařství, pivovarnictví a pekařském průmyslu [26] . Při fermentaci mohou vznikat i jiné alkoholy, například isopropanol , [27] butanol-1 [28] , butandiol-2,3 [29] .
Esenciální oleje zelených částí mnoha rostlin obsahují ( Z ) -hexen -3-ol-1 („lístový alkohol“), který jim dodává charakteristický zápach [30] . V rostlinném světě jsou také velmi široce zastoupeny terpenové alkoholy , z nichž mnohé jsou vonné látky , např. borneol (složka dřeva stromu borneokáfru), mentol (v mátě , pelargónii ) [31] , geraniol [32] a citronellol [33] (složky květinových silic ), fenhol (v pryskyřici jehličnatých stromů a plodů fenyklu ) atd.
V živočišné a rostlinné říši jsou rozšířeny kondenzované tetracyklické alkoholy (deriváty gonanů ) , které mají vysokou biologickou aktivitu a řadí se do třídy steroidů , například cholesterol , obsažený v buňkách téměř všech živých organismů, zejména zvířat [34] . Samostatnou skupinu steroidů tvoří žlučové vícesytné alkoholy nacházející se ve žluči zvířat a lidí: bufol , cholestantetrol , cholestanpentol , mixinol , scymnol , chimerol aj. [35]
V přírodě existují různé alkoholové deriváty sacharidů, například sorbitol (nachází se v třešních a jeřabinách ) [36] , mannitol (v jasanu) [ 37] atd.
V roce 1959 německý chemik Adolf Butenandt při studiu extraktu ze samice bource morušového objevil sexuální atraktant zvaný bombykol [38] . Další studium hmyzích feromonů ukázalo, že významnou část těchto feromonů představují alkoholy [38] .
Mnoho alkoholů se účastní důležitých biochemických procesů probíhajících v živém organismu. Některé vitamíny tedy patří do třídy alkoholů, například vitamín A (retinol) [40] , vitamín D ( ergokalciferol atd.) [41] . Steroidní hormony , mezi které patří alkoholy ( estradiol , kortizol aj.), se podílejí na regulaci metabolismu a některých fyziologických funkcí organismu [42] .
Glycerin je základem více než poloviny přírodních lipidů , což jsou jeho estery s mastnými kyselinami a jsou pro tělo zdrojem energie [43] . Glycerol se také podílí na glukoneogenezi - procesu tvorby glukózy v játrech . V tomto případě se glycerol působením enzymů přeměňuje na glyceraldehyd-3-fosfát , který pak vstupuje do metabolické dráhy glukoneogeneze [44] . Fyziologicky důležitým polyolem je myo -inositol .
Mezi nižšími alkoholy je z hlediska fyziologie nepochybně největší zájem o ethanol . Ethanol je přirozený metabolit v lidském těle a je normálně přítomen v krvi ve velmi nízkých koncentracích. Etanol lze také požívat s jídlem. Ethanol se v lidském těle metabolizuje především v játrech . Působením cytosolového enzymu alkoholdehydrogenázy dochází k oxidaci ethanolu na acetaldehyd , který je dále mitochondriální aldehyddehydrogenázou zpracováván na acetát . Acetát může být po aktivaci acylkoenzymem A syntetázou s krátkým řetězcem dále degradován v Krebsově cyklu [45] . Sekundární roli ve využití ethanolu hraje také mikrosomální etanol-oxidující systém, reprezentovaný cytochromem P450 a katalázou [39] . Při vysoké koncentraci alkoholu v krvi si enzymy nedokážou poradit s oxidací acetaldehydu na acetát a v těle se hromadí acetaldehyd, který je 10–30x toxičtější než etanol [46] , kvůli kterému dochází k otravě organismu, takzvaný. kocovina . Z hlediska energetické hodnoty pro tělo zaujímá ethanol (7 kcal/g) střední pozici mezi sacharidy (4,1 kcal/g) a tuky (9,3 kcal/g). Příspěvek etanolu k celkovému obsahu kalorií v potravinách u dospělých bez alkoholu může být až 12 %. Spotřeba etanolu jako potravinového a energetického zdroje má však z biochemického hlediska řadu nevýhod. Kromě tvorby toxického acetaldehydu k takovým nevýhodám patří skutečnost, že přebytečné kalorie, které se do těla dostanou ve formě etanolu, mohou být uloženy pouze v tucích, protože v lidském těle neexistuje možnost přeměny etanolu na sacharidy [45] . Etanol navíc narušuje další metabolické procesy: inhibuje glukoneogenezi (to je příčinou hypoglykémie při požití velkých dávek alkoholu), urychluje produkci cytokinů , mění koncentraci hormonů [47] . Alkoholické nápoje obsahují velmi málo vitamínů a minerálů, což může mít také negativní dopad na zdraví. Také potravinářský etanol je sám o sobě mnohem dražší než energeticky ekvivalentní množství cukru [45] .
Monohydrické nasycené alkoholy uvádějí tělo do stavu podobného anestetiku a mají také toxický účinek [48] .
Metylalkohol je silný jed (zejména při perorálním podání) s nervovým a kardiovaskulárním účinkem s výrazným kumulativním účinkem ; postihuje zrakové orgány až do úplné slepoty . Ve velkých dávkách (30 g a více) způsobuje smrt [49] .
Ethylalkohol má toxický účinek. Rychle se vstřebává přes sliznici žaludku a tenkého střeva, maximální koncentrace v krvi dosahuje 60–90 minut po podání [50] . Ethanol nejprve způsobí excitaci a poté prudkou depresi centrálního nervového systému (včetně zničení mozkových blan); jeho použití vede k narušení nejdůležitějších funkcí těla, vážnému poškození orgánů a systémů. Má embryotoxické a teratogenní účinky [51] .
Isopropylalkohol se svými toxickými účinky podobá etanolu, způsobuje depresi centrálního nervového systému a ovlivňuje vnitřní orgány. Při vysoké koncentraci vede ke kómatu, křečím a smrti (asi 3–4 g/kg) [52] .
Vzhledem k širokému použití jednoduchých alkoholů v různých průmyslových odvětvích a zejména jako rozpouštědel je jejich inhalační expozice nebezpečná. Akutní toxické účinky alkoholů, testované na krysách, se projevily v následujících inhalačních koncentracích:
Ethylenglykol je při požití vysoce toxický a ovlivňuje centrální nervový systém a ledviny . Smrtelná dávka je 1,4 g/kg tělesné hmotnosti [54] .
Molekuly alkoholu, stejně jako molekula vody , mají hranatou strukturu. Úhel R−O−H v molekule methanolu je 108,5° [55] . Atom kyslíku hydroxylové skupiny je ve stavu sp 3-hybridizace . Alkoholy mají podstatně vyšší teploty tání a varu, než by se dalo očekávat z fyzikálních vlastností příbuzných sloučenin. Takže z řady monosubstituovaných derivátů methanu má methanol neobvykle vysoký bod varu, navzdory relativně malé molekulové hmotnosti [56] :
Molekulární hmotnosti a body varu metanu a některých jeho derivátů [57]
Metan CH 4 |
Methanol CH30H _ _ |
Chlormethan CH3Cl _ _ |
Nitromethan CH3NO2 _ _ _ |
Brommethan CH3Br _ _ | |
---|---|---|---|---|---|
Molární hmotnost, g/mol | 16.04 | 32.04 | 50,48 | 61,04 | 94,94 |
Bod varu, °C | −161,5 | 64,5 | −24.2 | 101,2 | 3.6 |
Vysoké teploty varu alkoholů se vysvětlují přítomností mezimolekulárních vodíkových vazeb [55] . Energie vodíkové vazby je mnohem nižší než energie kovalentní chemické vazby . Například pro methanol je energie vodíkové vazby 16,7 kJ / mol [58] , zatímco vazby C–H, C–O a O–H mají energie 391,7, 383,5 a 428,8 kJ / mol [59] . . Vliv vodíkových vazeb na fyzikální vlastnosti alkoholů je však velmi významný.
Molekuly alkoholu, které mají dvě polární vazby C–O a O–H, mají dipólový moment ( ~ 5,3–6,0⋅10–30 C m ) [55] . Elektrostatické náboje v molekule methanolu jsou: na atomu uhlíku 0,297 e ; na hydroxylovém atomu vodíku 0,431 e ; na atomu kyslíku −0,728 e [60] . Ionizační energie alkoholů je zároveň nižší než energie vody (10,88 eV pro methanol oproti 12,61 eV pro vodu) [61] , což je vysvětleno efektem donoru elektronů alkylové skupiny.
Vliv hydroxylové skupiny je zvláště silný u sloučenin s malým uhlovodíkovým řetězcem. Například methanol a ethanol jsou nekonečně mísitelné s vodou a mají poměrně vysoké hustoty a body varu pro svou molekulovou hmotnost, zatímco vyšší alkoholy jsou hydrofobní a svými vlastnostmi se liší jen málo od odpovídajících uhlovodíků [62] .
Některé fyzikální konstanty alifatických nasycených alkoholů [63]název | Vzorec | bp, °С | T. pl., °С | Hustota, kg / m 3 (20 ° С) | Index lomu, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
methanol | CH3OH _ _ | 64,7 | −97,78 | 791,5 | 1,32855 |
ethanol | C2H5OH _ _ _ _ | 78,3 | −114,65 | 789,5 | 1,36139 |
Propanol-1 | C3H7OH _ _ _ _ | 97,2 | −124,10 | 803,5 | 1,38556 |
Propanol-2 | CH3CH ( CH3 ) OH | 82,5 | −87,95 | 786,2 | 1,37711 |
Butanol-1 | C4H9OH _ _ _ _ | 117,8 | −88,64 | 808,6 | 1,39929 |
2-Methylpropanol-1 | ( CH3 ) 2CHCH2OH _ _ _ | 108,0 | −101,97 | 802.1 | 1,39549 |
Butanol-2 | CH3CH2CH ( OH ) CH3 _ | 99,5 | −114,70 | 806,0 | 1,39240 [K 1] |
2-Methylpropanol-2 | (CH3 ) 2C (OH ) CH3 | 82,9 | 25,82 | 765,2 [K 2] | 1,38779 |
Pentanol-1 | C5H11OH _ _ _ _ | 138,0 | −77,59 | 813,3 | 1,40999 |
Hexanol | C6H13OH _ _ _ _ | 157,1 | -47,40 | 821,7 | 1,41816 |
heptanol | C7H15OH _ _ _ _ | 176,3 | −32,80 | 824,0 | 1,42351 |
Oktanol | C8H17OH _ _ _ _ | 195,1 | −16:30 | 822,7 | 1,42920 |
nonanol | C9H19OH _ _ _ _ | 213,5 | −5,00 | 827,0 | 1,43325 |
Dekanol | C10H21OH _ _ _ _ | 231,0 | 6:00 | 826,0 | 1,43660 |
název | Vzorec | bp, °С | T. pl., °С | Hustota, kg / m 3 (20 ° С) | Index lomu, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
Propen-2-ol-1 | CH2 \ u003d CHCH2OH _ | 96,9 | −129 | 852,0 | 1,4133 |
Propin-2-ol-1 | CH≡CCH2OH _ _ | 113,6 | −48 | 948,5 | 1,4322 |
cyklohexanol | C6H11OH _ _ _ _ | 161,1 | 25.15 | 941,6 | 1,4648 |
fenylkarbinol | C6H5CH2OH _ _ _ _ _ _ | 205,0 | −15.3 | 1041,9 | 1,5396 |
2-Fenylethanol | C6H5CH2CH2OH _ _ _ _ _ _ _ _ | 218,2 | −27,0 | 1020,2 | 1,5325 |
3-Fenylpropen-2-ol-1 | C6H5CH = CHCH2OH _ _ _ _ | 256-258 | 34 | 1044,0 | 1,5819 |
2-furylkarbinol | ( C4H30 ) CH20H _ _ _ | 155 | — | 1131,9 | 1,5324 |
název | Vzorec | bp, °С | T. pl., °С | Hustota, kg / m 3 (20 ° С) | Index lomu, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
Glycerol | HOCH2CH ( OH ) CH2OH | 290 | dvacet | 1260,4 | 1,4729 |
pentaerythritol | C( CH20H ) 4 | 263,5 | 1397 | 1,548 | |
ethylenglykol | OHCH2CH2OH _ _ _ _ | 197,85 | -12.6 | 1115,5 | 1,432 |
Alkoholy mohou být vyrobeny z široké škály tříd sloučenin, jako jsou uhlovodíky , halogenalkany , aminy , karbonylové sloučeniny , epoxidy . V podstatě všechny metody spadají do oxidačních , redukčních , adičních a substitučních reakcí .
Alkoholy se získávají oxidací alkanů a cykloalkanů působením silných anorganických oxidačních činidel: ozonu , manganistanu draselného , oxidu chromitého , kyseliny chromové , oxidu seleničitého , peroxidu vodíku a některých perkyselin. Vzhledem k možnosti další oxidace vzniklých alkoholů je metoda relevantní pouze pro získání terciárních alkoholů [65] .
Oxidace alkenů je v laboratorní praxi mnohem běžnější, zejména pro výrobu dvojmocných alkoholů - diolů . V závislosti na volbě činidla může být oxidace prováděna s různou stereoselektivitou : když jsou alkeny zpracovány oxidem osmičelým , manganistanem draselným , chlorečnanem sodným , jodem karboxylátem stříbrným, dochází k syn - hydroxylaci; k provádění antihydroxylace se používá peroxid vodíku a perkyseliny, oxidy molybdenu (VI) a wolframu (VI), oxid selenu (IV) atd. [66] .
Alkoholy se také tvoří při redukci aldehydů nebo ketonů působením borohydridu sodného v protickém rozpouštědle, stejně jako lithiumaluminiumhydridu . Redukce esterů a karboxylových kyselin se také provádí za působení komplexních hydridů, obvykle lithiumaluminiumhydridu, a vede k alkoholům [67] .
Kyselina katalyzovaná adice vody k alkenům vede k tvorbě alkoholů. V souladu s Markovnikovovým pravidlem se při této reakci tvoří více substituovaných alkoholů. V laboratorní praxi se častěji používá podobná, ale mírnější oxymerkurační-demerkurační reakce, stejně jako hydroborační-oxidační reakce, vedoucí k produktům, které nejsou v souladu s Markovnikovovým pravidlem [68] .
Nukleofilní adiční reakce organokovových sloučenin ( acetylenidy , Grignardova činidla , sloučeniny mědi a organolithné atd.) na karbonylové sloučeniny vedou také k alkoholům, a pokud dojde k adici na formaldehyd HCHO, pak se tvoří primární alkoholy, pokud na jiné aldehydy , pak sekundární alkoholy. Přidáním ke ketonům vznikají terciární alkoholy. Terciární alkoholy lze také získat přidáním dvou ekvivalentů organokovové sloučeniny k esterům .
Alkoholy lze získat úpravou halogenalkanů alkalickým roztokem . Reakce probíhá jako nukleofilní substituce a je doprovázena racemizací (s monomolekulárním mechanismem) nebo změnou konfigurace (s bimolekulárním mechanismem). Důležitou preparativní metodou je oxidace alkylhalogenidů superoxidem draselným [69] .
V průmyslu se alkoholy získávají pomocí chemických metod nebo biochemických výrobních metod.
Jedinou průmyslově důležitou metodou pro syntézu methanolu je katalytická reakce mezi oxidem uhelnatým a vodíkem . Surovinou při výrobě metanolu je zemní plyn , který se v první fázi procesu čistí od sloučenin síry (síra je jed pro katalyzátory používané v další fázi). Dále dochází k parní přeměně zemního plynu na syntézní plyn (směs CO a vodíku ), který se po kondenzaci vodní páry přemění na methanol na směsném katalyzátoru měď-zinek-chrom při teplotě 250 °C a tlak do 10 MPa. Takto získaný methanol obsahuje vodu a nečistoty jiných alkoholů (ethanol, propanol a vyšší) a lze jej čistit destilací . Světová spotřeba metanolu v roce 2015 činila asi 70 milionů tun [70] .
Ethanol a propanol-2 se získávají hydratací odpovídajících alkenů - ethylenu a propylenu . V průmyslu se používají dva typy hydratace: kyselina sírová a katalytická. Hydratace kyseliny sírové zahrnuje absorpci ethylenu koncentrovanou kyselinou sírovou (94-98%) při teplotě 80 °C a tlaku 1,3-1,5 MPa a následnou hydrolýzu vzniklých sulfoesterů vodou. Druhý způsob hydratace je založen na použití kyseliny fosforečné nanesené na silikagelu nebo jiném substrátu jako katalyzátoru . Směs deionizované vody a etylenu se zahřeje na teplotu 300°C pod tlakem 6–8 MPa a vzniklý ethanol se čistí destilací. Tyto metody umožňují získat ethanol obsahující 5 % hmotnostních vody. Příprava bezvodého ethanolu (99,9 %) je založena na azeotropickém odstraňování vody benzenem [71] . Podle údajů z roku 2003 je světová produkce etanolu samotnou hydratací etylenu 6 milionů tun ročně [72] .
Světová produkce palivového etanolu v roce 2015 podle Renewable Fuel Association činila asi 77 milionů tun [73] .
Pro hydrataci propylenu jsou vyžadovány mírnější podmínky. Proces s kyselinou sírovou se provádí při pokojové teplotě a koncentraci kyseliny sírové 70–75 % a katalytická hydratace probíhá při 180 °C a 4 MPa. Někdy se k hydrataci propylenu používá wolframový katalyzátor (WO 3 SiO 2 , 250 °C a 25 MPa). Světová produkce propanolu-2 v roce 2008 byla 1,8 milionu tun [74] [75] [76] [77] .
Hydratační reakcí v průmyslu se vyrábí také etylenglykol , jeden z nejvýznamnějších produktů chemického průmyslu , ročně se ho vyrábí v množství 19,9 mil. tun [78] a ve velkém se používá k výrobě nemrznoucích směsí a vláken . Surovinou pro tuto syntézu je ethylenoxid získaný přímou oxidací ethylenu vzdušným kyslíkem. Ethylenoxid se přemění na ethylenglykol zahříváním jeho směsi s 20násobným molárním přebytkem vody na 200 °C bez katalyzátoru. Ethylenglykol je pak oddělen od vody a produktů oligomerace jako výsledek postupných rektifikací [79] .
Průmyslová výroba propanolu-1 je založena na reakci hydroformylace ethylenu a následné hydrogenaci výsledného propanalu . Hydroformylace se provádí při teplotě 90–130 °C, celkovém tlaku propylenu, oxidu uhelnatého a vodíku rovném 2,8 MPa a v přítomnosti 500 ppm rhodiového katalyzátoru. Druhý stupeň probíhá při 110-150°C v přebytku vodíku na různých kovových katalyzátorech (používají se kombinace sloučenin mědi , zinku , niklu a chrómu ) [74] . Objem světové produkce propanolu-1 v roce 2003 činil 0,14 mil. tun [80] .
Glycerin se získává jako vedlejší produkt přeměny tuků na mastné kyseliny a metylestery mastných kyselin . Tento proces je základem výroby bionafty , přičemž na každou tunu bionafty se vyrábí 100 kg glycerolu. Touto metodou se syntetizuje 1,5 milionu tun glycerolu ročně (2004) a podle prognóz budou tyto objemy růst díky nárůstu zájmu o alternativní paliva. Tuky jsou hydrolyzovány při 220–260°C a tlaku 2–6 MPa nebo transesterifikovány methanolem. Štěpení tuků působením alkálií nebo uhličitanů se v omezené míře využívá např. při výrobě mýdla [81] [82] [83] .
Vyšší mastné alkoholy se vyrábějí několika způsoby, včetně hydrogenolýzy methylesterů mastných kyselin získaných transesterifikací tuků, stejně jako hydroformylace alkenů a oligomerace ethylenu s následnou oxidací (Zieglerova metoda). Ročně se na světě vyrobí 2,15 milionu tun vyšších mastných alkoholů (2003) [84] [85] .
U některých alkoholů hrají v průmyslové syntéze důležitější roli biochemické metody. Zejména objemy vyrobeného bioetanolu výrazně převyšují objemy syntetického etanolu. Biochemická výroba etanolu je založena na kyselé nebo enzymatické hydrolýze rostlinných materiálů s následnou anaerobní alkoholovou fermentací (fermentací) vzniklých sacharidů kvasinkovými houbami ( Saccharomyces ) nebo některými druhy bakterií . Zejména kvasinky jsou velmi vhodné mikroorganismy pro široké průmyslové použití. Kvasinková fermentace se vyznačuje vysokou selektivitou , nízkou akumulací vedlejších produktů, vysokým výtěžkem etanolu, vysokou rychlostí procesu a dobrou tolerancí kvasinek vůči zvýšeným koncentracím etanolu a substrátu. Jako suroviny v tomto procesu mohou sloužit snadno fermentovatelné sacharidy, stejně jako škrob a další organické substráty, které je nutné nejprve hydrolyzovat na fermentovatelnou formu. Běžně používané plodiny ( cukrová řepa , brambory , obiloviny ), lesní produkty ( dřevo , sláma ) nebo zemědělský odpad [86] .
Výroba biobutanolu je založena na fermentaci sacharidových surovin pomocí bakterií Clostridium acetobutylicum [87] .
Chemické vlastnosti alkoholů jsou určeny přítomností hydroxylové skupiny v nich . Protože hydroxylová skupina je polární , může se heterolyticky oddělit , zvláště když je napadena silnými bázemi . Alkoholy tedy vykazují vlastnosti slabých kyselin . Kromě toho vysoká elektronegativita kyslíku určuje přítomnost elektrofilního atomu uhlíku, a tedy i schopnost alkoholů podléhat nukleofilním substitučním reakcím působením řady nukleofilů. Konečně, atom kyslíku hydroxylové skupiny je nukleofilní , takže alkoholy mohou působit jako nukleofily při substitučních a adičních reakcích . Alkoholy se také vyznačují oxidačními reakcemi .
Alkoholy mohou vykazovat jak kyselé, tak zásadité vlastnosti. Jako slabé kyseliny se alkoholy disociují na vazbě O − H za vzniku alkoxidového iontu. Kyselé vlastnosti alkoholů se hodnotí konstantou kyselosti K a .
Ve vodném roztoku se kyselost alkoholů snižuje s nárůstem molekulové hmotnosti a rozvětvením uhlovodíkového řetězce. To je spojeno se zvýšením pozitivního indukčního účinku alkylových substituentů v této řadě a snížením stability výsledného alkoxidového iontu v důsledku lokalizace negativního náboje na atomu kyslíku [88] .
Obecně platí, že substituenty přitahující elektrony (-NO 2 , -CN, -F, -Cl, -Br, -I, -OR atd.) zvyšují kyselost alkoholů (snižují pKa ) . Naopak substituenty poskytující elektrony (například alkylové substituenty) snižují kyselost alkoholů (zvyšují pKa ) . PKa 2,2,2 -trifluorethanolu je tedy 12,43 (oproti 15,9 pro ethanol) a pKa plně fluorovaného terc - butanolu je 5,4 (proti 17,7 pro terc - butanol) [89] . Srovnávací kyselost alkoholů a sloučenin jiných tříd je schematicky znázorněna na obrázku [90] .
Jako slabé kyseliny reagují alkoholy s alkáliemi , kovy alkalických zemin a některými dalšími kovy a se silnými zásadami , jako jsou hydridy nebo amidy kovů , Grignardova činidla [91] .
Základní vlastnosti alkoholůAlkoholy se také mohou chovat jako slabé Lewisovy zásady , tvořit alkoxoniové soli se silnými minerálními kyselinami a také poskytovat donor-akceptorové komplexy s Lewisovými kyselinami . Typicky se takové reakce v této fázi nezastaví a vedou k nukleofilní substituci hydroxylové skupiny nebo eliminaci vody .
Zásaditost alkoholů je kvantifikována konstantou zásaditosti p K b nebo konstantou kyselosti s ní spojenou konjugované kyseliny p K a H + :
Alkoholy jsou slabé báze a jejich zásaditost roste s délkou nebo rozvětvením uhlovodíkového radikálu na hydroxylové skupině. Tento efekt je pozorován v důsledku růstu pozitivního indukčního účinku radikálu v této řadě, díky kterému se zvyšuje negativní náboj na atomu kyslíku hydroxylové skupiny [92] .
Atom uhlíku přímo spojený s hydroxylovou skupinou má částečný kladný náboj, který umožňuje nukleofilní částici ( halogenidový iont, amoniak , alkohol atd.) napadnout tento atom uhlíku a nahradit hydroxylovou skupinu touto částicí. Hydroxylová skupina je špatně odstupující skupina , takže je obvykle nutná další aktivace.
V přítomnosti kyselých katalyzátorů ( oxid hlinitý , kyselina sírová , kyselina fosforečná atd.) mohou alkoholy podléhat dehydrataci za vzniku alkenů . Například dehydratace ethylalkoholu vede k tvorbě ethylenu . Reakce probíhá podle Zaitsevova pravidla , podle kterého při dehydrataci vzniká stabilnější alken , více substituovaný na dvojné vazbě [96] .
Přítomnost hydroxylové skupiny ve sloučenině může být detekována několika běžnými chemickými reakcemi.
Pro kvantitativní analýzu alkoholů se obvykle používají metody založené na esterifikační reakci s anhydridy karboxylových kyselin, např. octovou , ftalovou a také pyromellitdianhydridem. Obsah alkoholu se stanoví titrací vzniklé kyseliny hydroxidem sodným [102] .
Další metodou analýzy je stanovení množství hydroxylových skupin, které mohou reagovat s methylmagnesiumjodidem. V tomto případě se výpočet provádí podle množství uvolněného metanu ( metoda Chugaev-Tserevitinov ).
Pro glykoly je použitelná redoxní metoda, kde se jako oxidační činidlo používá kyselina jodová . Analýza se provádí reakcí vzniklé kyseliny jodové HIO 3 s jodidem draselným a následnou titrací uvolněného jódu thiosíranem sodným [102] .
Hmotnostní spektra alifatických alkoholů mají slabé píky molekulárního iontu, zatímco u vyšších a rozvětvených alkoholů tyto píky prakticky chybí, protože dochází ve značné míře k fragmentaci molekuly. Fragmentace je obvykle spojena se ztrátou molekuly vody, stejně jako eliminací ethylenu . U alkoholů s dlouhým řetězcem převažuje eliminace vody, takže jejich hmotnostní spektra jsou podobná jako u alkenů . Pro primární alkoholy jsou pozorovány píky m / z 31 ;
IR spektroskopické metody pro analýzu alkoholůIR spektra alkoholů jsou charakterizována dvěma typy intenzivních charakteristických absorpčních pásů:
Existují také absorpční pásy střední intenzity, které zpravidla nemají rozhodující význam: v rozmezí 1450–1250 cm – 1 (ohybové vibrace v rovině O–H) a 750–650 cm – 1 (mimo -rovinné ohybové vibrace O–H) [104] .
Charakteristické absorpční pásy alkoholů v infračervené oblasti [104]
Typy odkazů a fluktuace | Rozsah, cm −1 | Popis absorpčního pásma |
---|---|---|
O−H, natahovací vibrace | ||
ROH, nepřidruženo | 3650-3580 | Úzký pás viditelný ve zředěných roztocích nebo parách |
ROH HOR, dimery (vodíková vazba) | 3550-3400 | Široký pás, který při zředění ztrácí intenzitu |
ROH···HOR···, polymery | 3400-3200 | Široký pruh nebo řada pruhů |
С−O, natahovací vibrace | ||
R3COH , terciární alkoholy | 1210-1100 | Pásy vysoké intenzity, klesající s ředěním |
R 2 CHOH, sekundární alkoholy | 1125-1000 | |
RCH 2 OH, primární alkoholy | 1075-1000 | |
O−H, ohybové vibrace | ||
ROH | 1450-1250 750-650 |
Široká pásma střední intenzity, nemají praktický význam |
1H NMR spektroskopie je široce používána pro analýzu alkoholů, avšak chemické posuny protonů hydroxylové skupiny ( δ , ppm) jsou významně ovlivněny povahou rozpouštědla a dalšími vnějšími faktory. Pro alifatické a alicyklické alkoholy je 5 0,5-3,0 (v DMSO - d6 : 4-6 ) [105] .
Ke studiu alkoholů se také používá spektroskopie 17 O. Významný rozdíl v posunech pro primární (ethanol: δ 5,9 ppm), sekundární (propanol-2: δ 39,8 ppm) a terciární alkoholy (2-methylpropanol -2: δ 62,3 ppm) relativní do vody H 2 17 O umožňuje stanovit nebo potvrdit strukturu zkoumané sloučeniny [106] .
' H NMR spektrum ethanolu
IR spektrum ethanolu
Oblasti použití alkoholů jsou četné a rozmanité, zejména s ohledem na nejširší škálu sloučenin patřících do této třídy. Z průmyslového hlediska však pouze malý počet alkoholů významně přispívá ke globální světové ekonomice.
V TOP 50 za rok 2002 sloučenin [K 3] vyrobených americkým chemickým průmyslem alkoholy zahrnují pouze metanol (14. místo) a ethylenglykol (29. místo) [107] . Dalších 50 nejdůležitějších chemických sloučenin podle údajů z roku 1999 zahrnuje isopropylalkohol , n - butylalkohol , syntetický ethanol , propylenglykol , diethylenglykol , 2-ethylhexanol , butandiol-1,4 , sorbitol a glycerin [108] .
Nejrozšířenějším a nejpoužívanějším alkoholem na světě je etanol . Jeho světová spotřeba je asi 65 milionů tun [K 4] . Celková celosvětová spotřeba ostatních alkoholů (kromě etanolu) v různých oblastech použití je asi 70 milionů tun (stav k roku 2009) [K 5] .
Hlavní podíl metylalkoholu se využívá při průmyslové syntéze formaldehydu metodou vysokoteplotní katalytické oxidace methanolu [K 6] [109] . Kromě toho se terc - butylmethylether , kyselina octová získává z methanolu ( proces Monsanto) [110] , N,N-dimethylanilin [111] , methylaminy [112] a chlormethan [113] .
Ethanol se komerčně používá k výrobě diethyletheru (dehydratací při 250 °C nad Al 2 O 3 ) [114] , chloralu [115] , acetaldehydu [116] a ethylacetátu [117] .
Isopropylalkohol je přeměněn na aceton katalytickou dehydrogenací v kapalné fázi na Raneyově niklu při 150 °C [118] . Hlavním produktem získaným z butanolu je butylakrylát [119] .
Pro palivové účely se v současnosti v průmyslových objemech používají tři alkoholy: methanol , etanol a butanol-1 , což je dáno především jejich komerční dostupností a možností hromadné výroby z rostlinných materiálů (kromě metanolu [K 7] ). V tomto případě je možné použít alkoholy ve formě paliva v jeho čisté formě, ve formě různých směsí s benzínem nebo motorovou naftou [120] , jakož i okysličující přísady (až 10 %) za účelem zvýšení oktanové číslo a snížit toxicitu výfukových plynů [K 8] [121] [122] . Samostatnou oblastí je využití metanolu pro transesterifikaci tuků při výrobě bionafty [123] .
Převládajícím palivovým alkoholem je etanol. Podle odborníků bylo v roce 2009 pro tyto účely použito 80-90 % veškerého etylalkoholu vyrobeného na světě a činilo 73,9 miliard litrů (≈ 58 milionů tun) [124] [125] .
Hlavní důvody pro aktivní studium alkoholů jako alternativního paliva jsou [126] :
Masové používání výše uvedených alkoholů jako motorového paliva má přitom kromě čistě ekonomických důvodů řadu nevýhod [127] :
Mezi rozpouštědly je rozšířena široká škála typů alkoholů: jednosytné ( methanol , propanol-2 ) a vícesytné ( ethylenglykol , glycerin ); alifatické ( ethanol , butanol-1 ) a cyklické ( cyklohexanol ). Alkoholy jsou polární rozpouštědla a používají se v různých průmyslových odvětvích [128] . Globální spotřeba alkoholů jako rozpouštědel (podle údajů z roku 2013) činila asi 6,5 milionu tun [129] .
Nejrozšířenějším alkoholem mezi rozpouštědly je etanol - jeho celosvětová spotřeba pro tyto účely (podle údajů z roku 2009) přesahuje 3,5 milionu tun ročně [130] . Dalšími oblíbenými rozpouštědly jsou methanol a isopropanol [76] se spotřebou více než 1 milion tun ročně.
Použití alkoholů jako rozpouštědel zahrnuje následující pokyny [131] :
Nejdůležitější surovinou při výrobě moderních povrchově aktivních látek pro syntetické detergenty jsou vyšší mastné alkoholy , ze kterých se v závislosti na činidle získávají neiontové nebo aniontové povrchově aktivní látky [132] .
Světový objem použití vyšších mastných alkoholů při výrobě povrchově aktivních látek v roce 2000 činil 1,68 mil. tun [132] . V roce 2003 bylo vyrobeno asi 2,5 milionu tun povrchově aktivních látek na bázi vyšších mastných alkoholů [133] .
Polymerní materiály a jejich složkyAlkoholy mají důležité použití jako výchozí monomery pro syntézu polymerních materiálů polykondenzací . V zásadě se na bázi alkoholů syntetizují polyestery a polyuretany . Nejdůležitějšími příklady takových syntetických polymerů jsou polyethylentereftalát , polybutylentereftalát , získaný z kyseliny tereftalové a ethylenglykolu nebo 1,4-butandiolu . Polykondenzací glykolů , glycerolu nebo pentaerythritolu s ftalanhydridem vznikají alkydové pryskyřice , které jsou široce používány pro výrobu laků a barev. Polyuretany se získávají polykondenzací isokyanátů s glykoly nebo vícesytnými alkoholy [134] .
Alkoholy se také používají k výrobě esterových a diesterových změkčovadel pro polymery [135] .
Hydraulické kapaliny a mazivaK získání nehořlavých hydraulických kapalin se používají vodné roztoky obsahující glycerin a etanol . Ethylenglykol a estery na jeho bázi jsou široce používány při výrobě brzdových kapalin [136] .
Mnoho moderních maziv obsahuje vyšší mastné alkoholy a jejich estery kvůli jejich nízké toxicitě, vysokému bodu vzplanutí a bezstopovému odpařování při zahřátí. Tyto vlastnosti se využívají jak pro domácí aplikace, tak i pro případy, kdy je efekt chlazení povrchu důležitější než vlastnosti proti tření (například při vrtání, řezání nebo jiném zpracování kovů) [137] .
PesticidyNavzdory skutečnosti, že nesubstituované nasycené alifatické alkoholy mají fungicidní nebo herbicidní aktivitu, jejich přímé použití jako pesticidů nenachází široké praktické uplatnění. Jedním z mála směrů je jejich použití jako regulátoru růstu rostlin . Ethanol , ethylenglykol a další glykoly, některé vyšší mastné alkoholy mají podobné vlastnosti [138] .
Halogenem substituované alkoholy vykazují mnohem větší aktivitu a mají raticidní , herbicidní a fungicidní aktivitu. Například lék glyfluor , což je směs 1,3-difluorpropanolu-2 a 1-fluor-3-chlorpropanolu-2, se používá k hubení myších hlodavců a syslů [139] .
Vyšší biologická aktivita je pozorována u nenasycených a aromatických alkoholů. Allylalkohol se používá jako herbicid, mnohé vyšší nenasycené alkoholy jsou hmyzí feromony. Některé aromatické bifenylalkoholy jsou aktivními akaricidy : dikofol , chlorfenetol , proklonol [139] [140] .
Mnoho alkoholů je meziprodukty pro syntézu různých pesticidů [141] . Například methanol se používá při výrobě glyfosátu [142] , krotoxyfos - α-methylbenzylalkoholu [143] , pyrethroidů třetí generace - 3-fenoxybenzylalkoholu [144] .
Alkoholy jsou také široce používány jako nevodný nosič pro vytvoření komerčních kompozic pesticidů [145] .
Základem všech alkoholických nápojů je etanol , který se získává fermentací potravinářských surovin - hroznů, brambor, pšenice a dalších škrobových nebo cukr obsahujících produktů. Kromě toho se ethylalkohol používá jako složka některých potravin a aromatických esencí (ochucovadel) , široce používaných ve vaření, pečení cukrovinek, čokolády, sladkostí, nápojů, zmrzliny, džemů, želé, džemů, džemů atd. je seznam alkoholů používaných v potravinářském průmyslu není omezen. Alkoholy lze nalézt mezi širokou škálou potravinářských přídatných látek , například glycerin (E422) se používá jako činidlo zadržující vlhkost, rozpouštědlo, zahušťovadlo, separátor [K 9] , filmotvorný prostředek [K 10] , zapouzdřovací činidlo. Řada alkoholů se používá jako sladidla ( xylitol , mannitol , sorbitol , erythritol ), aromata ( mentol ), barviva ( lutein ) atd. [147]
Parfémy, kosmetika a chemikálie pro domácnostAlkoholy jsou poměrně široce používány jako vonné látky do kompozic v parfumérském a kosmetickém průmyslu a při výrobě vonných látek pro domácí chemii a další spotřební zboží ( geraniol , nerol , citronellol , mentol atd.). Kromě aromatizace se alkoholy používají také v parfumerii a kosmetických výrobcích pro jiné účely [148] :
Hlavním alkoholem používaným pro lékařské účely je ethanol . Používá se jako vnější antiseptikum a dráždidlo k přípravě obkladů a obkladů. Ethylalkohol je ještě více využíván pro přípravu různých tinktur, ředění, extraktů a dalších lékových forem [149] .
Použití alkoholů jako správných drog není tak nápadné, nicméně mnoho drog, formální přítomností hydroxylové skupiny, lze přičíst třídě uvažovaných organických sloučenin ( clenbuterol , chlorbutanol , mannitol , estradiol atd.). Například v seznamu 10 nejdůležitějších léků na předpis v USA v roce 2000 je albuterol , který obsahuje hydroxylovou skupinu, na 6. místě [150] .
V současné době je obtížné najít oblast lidské praktické činnosti, kde by se alkoholy nepoužívaly v té či oné roli. Lze rozlišit následující menší oblasti použití:
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Třídy organických sloučenin | |
---|---|
uhlovodíky | |
Obsahující kyslík | |
Obsahující dusík | |
Síra | |
S obsahem fosforu | |
halogenorganické | |
organokřemičitý | |
Organoelement | |
Další důležité třídy |