Гликоли и многоатомные спирты

Строение и общие свойства гликолей и многоатомных спиртов

Гликоли и многоатомные спирты представляют собой органические соединения, содержащие в молекуле две или более гидроксильных групп (–ОН), связанных с различными углеродными атомами. Гликоли относятся к двухатомным спиртам, а многоатомные спирты — к соединениям, содержащим три и более гидроксильных групп. Эти вещества обладают высокой реакционной способностью и занимают важное место в нефтехимической промышленности как промежуточные продукты синтеза полимеров, пластификаторов, растворителей и антифризов.

Классификация и номенклатура

В зависимости от числа гидроксильных групп различают:

1. Двухатомные спирты (гликоли) – этиленгликоль HO–CH₂–CH₂–OH, пропиленгликоль CH₃–CH(OH)–CH₂OH и др.
2. Трёхатомные спирты – глицерин HO–CH₂–CH(OH)–CH₂OH.
3. Многоатомные спирты с четырьмя и более гидроксильными группами – пентаэритрит C(CH₂OH)₄, сорбит C₆H₁₄O₆ и др.

Систематические названия образуются по тем же правилам, что и у одноатомных спиртов, с добавлением суффиксов «-диол», «-триол» и т. д. в зависимости от числа гидроксильных групп.

Физические свойства

Гликоли и многоатомные спирты представляют собой вязкие, бесцветные жидкости или кристаллические вещества с высокой температурой кипения. Их физические свойства определяются способностью к образованию обширной сети водородных связей. Благодаря этому гликоли обладают высокой гигроскопичностью и хорошо растворимы в воде, спиртах и других полярных растворителях. Этиленгликоль имеет температуру кипения 197 °C и плотность 1,113 г/см³ при 20 °C, что выше, чем у одноатомных спиртов аналогичной молекулярной массы.

Химические свойства

Реакционная способность гликолей во многом определяется наличием двух или более гидроксильных групп. Они способны вступать в реакции:

1. Образование простых и сложных эфиров — взаимодействие с кислотами или их ангидридами приводит к замещению гидроксильных групп, образуя эфиры, применяемые как пластификаторы и растворители.
2. Окисление — под действием мягких окислителей образуются альдегиды и кетоны, при дальнейшем окислении — кислоты. Например, окисление этиленгликоля даёт щавелевую кислоту.
3. Дегидратация — при нагревании в присутствии кислотных катализаторов гликоли теряют воду с образованием ненасыщенных спиртов или альдегидов (этиленгликоль → ацетальдегид).
4. Взаимодействие с галогеноводородами — замещение гидроксильных групп на атомы галогена с образованием дигалогеналканов, используемых как промежуточные продукты в органическом синтезе.

Получение гликолей в нефтехимии

Основным сырьём для синтеза гликолей служат олефины, получаемые при паровом крекинге нефтяных углеводородов.

Этиленгликоль получают гидратацией оксида этилена:

CH₂–CH₂ + ½O₂ → CH₂–CH₂O (оксид этилена) CH₂–CH₂O + H₂O → HO–CH₂–CH₂–OH

Реакция протекает в присутствии кислотных или основных катализаторов при умеренной температуре. Применение избыточного количества воды позволяет увеличить выход этиленгликоля и снизить образование полиэтиленгликолей.

Пропиленгликоль получают аналогично, гидратацией оксида пропилена:

CH₃–CH–CH₂ + ½O₂ → CH₃–CH(O)–CH₂O CH₃–CH(O)–CH₂O + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₂OH

Кроме того, гликоли могут образовываться при гидрировании альдегидов и кетонов, содержащих карбонильные группы, или при взаимодействии хлоргидринов с щёлочами.

Получение многоатомных спиртов

Глицерин является одним из наиболее важных представителей многоатомных спиртов. В нефтехимии его получают в процессе гидролиза жиров или как побочный продукт синтеза биодизеля. Также существует промышленный способ получения глицерина из пропилена через стадию хлоргидрина и последующую гидролизную обработку:

CH₃–CH=CH₂ → CH₂Cl–CH(OH)–CH₂Cl → HO–CH₂–CH(OH)–CH₂OH

Пентаэритрит получают конденсацией формальдегида с ацетальдегидом в щелочной среде, а сорбит — каталитическим гидрированием глюкозы.

Применение

Этиленгликоль широко используется как компонент антифризов и охлаждающих жидкостей, благодаря низкой температуре замерзания его водных растворов. Он служит сырьём для производства полиэфирных смол, полиэтилентерефталата (ПЭТФ), а также растворителем и пластификатором.

Пропиленгликоль применяется в пищевой и фармацевтической промышленности как безопасный растворитель и увлажнитель, а также в производстве ненасыщенных полиэфирных смол.

Глицерин имеет широкое применение в производстве косметики, лекарственных препаратов, взрывчатых веществ (нитроглицерин), синтетических смол и как промежуточное соединение в органическом синтезе.

Пентаэритрит используется при производстве алкидных смол, синтетических масел, взрывчатых веществ (пентаэритриттетранин), а также в качестве стабилизатора полимеров.

Значение в нефтехимии

Гликоли и многоатомные спирты занимают важное место в нефтехимическом комплексе как продукты глубокой переработки углеводородного сырья. Их производство иллюстрирует переход от простых олефинов к многофункциональным органическим соединениям, являющимся основой для синтеза полимеров, синтетических волокон, пластификаторов и поверхностно-активных веществ. Высокая экономическая эффективность этих процессов достигается благодаря комплексной переработке сырья и применению катализаторов, обеспечивающих высокие выходы целевых продуктов при минимальных побочных реакциях.

Современные технологии ориентированы на экологически безопасные методы получения гликолей — окисление алкенов кислородом воздуха в присутствии серебряных катализаторов и селективное гидрирование альдегидов с использованием катализаторов на основе меди, никеля или родия. Развитие таких процессов обеспечивает устойчивость нефтехимической промышленности и способствует рациональному использованию углеводородных ресурсов.