Las sustancias más famosas y utilizadas en la vida humana y en la industria que pertenecen a la categoría de alcoholes polihídricos son el etilenglicol y la glicerina. Su investigación y uso comenzaron hace varios siglos, pero las propiedades de estos compuestos orgánicos son en muchos sentidos inimitables y únicos, lo que los hace indispensables hasta el día de hoy. Los alcoholes polihídricos se utilizan en muchas síntesis químicas, industrias y áreas de la vida humana.
El primer "conocimiento" del etilenglicol y la glicerina: la historia de su obtención
En 1859, a través de un proceso de dos etapas de reacción de dibromoetano con acetato de plata y luego tratando el diacetato de etilenglicol obtenido en la primera reacción con potasa cáustica, Charles Wurtz sintetizó por primera vez etilenglicol. Tiempo después se desarrolló un método de hidrólisis directa del dibromoetano, pero a escala industrial a principios del siglo XX, el alcohol dihídrico 1,2-dioxietano, también conocido como monoetilenglicol, o simplemente glicol, en EE. UU.obtenido por hidrólisis de la clorhidrina de etileno.
Hoy en día, tanto en la industria como en el laboratorio, se utilizan una serie de otros métodos, nuevos, más económicos desde el punto de vista de las materias primas y de la energía, y respetuosos con el medio ambiente, ya que el uso de reactivos que contienen o liberan cloro, toxinas, carcinógenos y otras sustancias peligrosas para el medio ambiente y los seres humanos, está disminuyendo con el desarrollo de la química "verde".
La glicerina fue descubierta por el farmacéutico Carl Wilhelm Scheele en 1779, y Theophile Jules Pelouze estudió la composición del compuesto en 1836. Dos décadas más tarde, la estructura de la molécula de este alcohol trihídrico fue establecida y fundamentada en los trabajos de Pierre Eugene Marseille Vertelot y Charles Wurtz. Finalmente, veinte años después, Charles Friedel llevó a cabo la síntesis completa del glicerol. Actualmente, la industria utiliza dos métodos para su producción: a través de cloruro de alilo a partir de propileno, y también a través de acroleína. Las propiedades químicas del etilenglicol, como la glicerina, se utilizan ampliamente en varios campos de la producción química.
La estructura y la estructura de la conexión
La molécula se basa en un esqueleto de hidrocarburo insaturado de etileno, que consta de dos átomos de carbono, en el que se ha roto un doble enlace. Se agregaron dos grupos hidroxilo a los sitios de valencia vacantes en los átomos de carbono. La fórmula del etileno es C2H4, después de romper el enlace crane y agregar grupos hidroxilo (después de varias etapas) parece C2N4(OH)2. Eso es lo que esetilenglicol.
La molécula de etileno tiene una estructura lineal, mientras que el alcohol dihídrico tiene una especie de configuración trans en la ubicación de los grupos hidroxilo en relación con el esqueleto de carbono y entre sí (este término es totalmente aplicable a la posición relativa a el enlace múltiple). Tal dislocación corresponde a la ubicación más alejada de los hidrógenos de los grupos funcionales, menor energía y, por lo tanto, la máxima estabilidad del sistema. En pocas palabras, un grupo OH mira hacia arriba y el otro mira hacia abajo. Al mismo tiempo, los compuestos con dos hidroxilos son inestables: en un átomo de carbono, al formarse en la mezcla de reacción, se deshidratan inmediatamente y se convierten en aldehídos.
Clasificación
Las propiedades químicas del etilenglicol están determinadas por su origen en el grupo de los alcoholes polihídricos, es decir, el subgrupo de los dioles, es decir, compuestos con dos fragmentos de hidroxilo en átomos de carbono vecinos. Una sustancia que también contiene varios sustituyentes OH es el glicerol. Tiene tres grupos funcionales de alcohol y es el miembro más común de su subclase.
Muchos compuestos de esta clase también se obtienen y utilizan en la producción química para diversas síntesis y otros fines, pero el uso de etilenglicol es a una escala más seria y está involucrado en casi todas las industrias. Este problema se tratará con más detalle a continuación.
Características físicas
El uso de etilenglicol se debe a la presencia de una serie depropiedades inherentes a los alcoholes polihídricos. Estos son rasgos distintivos que son característicos solo para esta clase de compuestos orgánicos.
La más importante de las propiedades es la capacidad ilimitada de mezclarse con H2O. Agua + etilenglicol da una solución con una característica única: su punto de congelación, dependiendo de la concentración de diol, es 70 grados inferior al del destilado puro. Es importante tener en cuenta que esta dependencia no es lineal, y al alcanzar un cierto contenido cuantitativo de glicol, comienza el efecto contrario: el punto de congelación aumenta con un aumento en el porcentaje de la sustancia disuelta. Esta característica ha encontrado aplicación en la producción de diversos anticongelantes, líquidos anticongelantes que cristalizan a características térmicas extremadamente bajas del entorno.
Excepto en agua, el proceso de disolución procede bien en alcohol y acetona, pero no se observa en parafinas, bencenos, éteres y tetracloruro de carbono. A diferencia de su antepasado alifático, una sustancia gaseosa como el etileno, el etilenglicol es un líquido transparente similar a un jarabe con un ligero tinte amarillo, de sabor dulce, con un olor inusual, prácticamente no volátil. La congelación del etilenglicol al 100 % se produce a -12,6 grados Celsius y la ebullición a +197,8. En condiciones normales, la densidad es de 1,11 g/cm3.
Cómo obtener métodos
El glicol de etileno se puede obtener de varias maneras, algunas de las cuales hoy en día solo tienen importancia histórica o preparatoria, mientras que otrasutilizado activamente por el hombre a escala industrial y no solo. En orden cronológico, echemos un vistazo a los más importantes.
El primer método para obtener etilenglicol a partir de dibromoetano ya se ha descrito anteriormente. La fórmula del etileno, cuyo doble enlace está roto y las valencias libres están ocupadas por halógenos, el principal material de partida en esta reacción, además de carbono e hidrógeno, tiene dos átomos de bromo en su composición. La formación de un compuesto intermedio en la primera etapa del proceso es posible precisamente debido a su eliminación, es decir, su sustitución por grupos acetato que, tras una mayor hidrólisis, se convierten en alcohol.
En el proceso de mayor desarrollo de la ciencia, se hizo posible obtener etilenglicol por hidrólisis directa de cualquier etanos sustituidos por dos halógenos en átomos de carbono vecinos, utilizando soluciones acuosas de carbonatos metálicos del grupo alcalino o (menos ambientalmente reactivo amigable) H2 Oh y dióxido de plomo. La reacción requiere bastante "mano de obra" y procede solo a temperaturas y presiones significativamente elevadas, pero esto no impidió que los alemanes utilizaran este método durante las guerras mundiales para producir etilenglicol a escala industrial.
El método de obtención de etilenglicol a partir de etilenclorhidrina por su hidrólisis con sales carbonadas de metales del grupo alcalino también desempeñó un papel en el desarrollo de la química orgánica. Con un aumento en la temperatura de reacción a 170 grados, el rendimiento del producto objetivo alcanzó el 90%. Pero había un inconveniente importante: el glicol tenía que extraerse de alguna manera de la solución salina, que está directamente relacionado conuna serie de dificultades. Los científicos resolvieron este problema desarrollando un método con el mismo material de partida, pero dividiendo el proceso en dos etapas.
La hidrólisis del acetato de etilenglicol, siendo la primera etapa final del método de Wurtz, se convirtió en un método separado cuando lograron obtener el reactivo de partida oxidando etileno en ácido acético con oxígeno, es decir, sin el uso de costosos y compuestos halógenos totalmente no ambientales.
También hay muchas formas de producir etilenglicol oxidando etileno con hidroperóxidos, peróxidos, perácidos orgánicos en presencia de catalizadores (compuestos de osmio), clorato de potasio, etc. También existen métodos electroquímicos y de radiación química.
Caracterización de propiedades químicas generales
Las propiedades químicas del etilenglicol están determinadas por sus grupos funcionales. Las reacciones pueden involucrar un sustituyente hidroxilo o ambos, dependiendo de las condiciones del proceso. La principal diferencia en la reactividad radica en el hecho de que debido a la presencia de varios hidroxilos en un alcohol polihídrico y su influencia mutua, se manifiestan propiedades ácidas más fuertes que las de los "hermanos" monohídricos. Por lo tanto, en reacciones con álcalis, los productos son sales (para glicol - glicolatos, para glicerol - gliceratos).
Las propiedades químicas del etilenglicol, así como de la glicerina, incluyen todas las reacciones de los alcoholes de la categoría de monohídricos. El glicol da ésteres completos y parciales en reacciones con ácidos monobásicos, se forman glicolatos, respectivamente, con metales alcalinos, y cuandoen un proceso químico con ácidos fuertes o sus sales, se libera aldehído de ácido acético debido a la eliminación de un átomo de hidrógeno de una molécula.
Reacciones con metales activos
La reacción del etilenglicol con metales activos (después del hidrógeno en la serie de resistencia química) a temperaturas elevadas da etilenglicolato del metal correspondiente, además de que se libera hidrógeno.
C2N4(OH)2 + X → C2H4O2X, donde X es el metal divalente activo.
Reacción cualitativa al etilenglicol
Distinga el alcohol polihídrico de cualquier otro líquido utilizando una reacción visual que es característica solo para esta clase de compuestos. Para hacer esto, se vierte hidróxido de cobre recién precipitado (2), que tiene un tinte azul característico, en una solución incolora de alcohol. Cuando los componentes mezclados interactúan, el precipitado se disuelve y la solución adquiere un color azul intenso, como resultado de la formación de glicolato de cobre (2).
Polimerización
Las propiedades químicas del etilenglicol son de gran importancia para la producción de disolventes. La deshidratación intermolecular de dicha sustancia, es decir, la eliminación de agua de cada una de las dos moléculas de glicol y su posterior combinación (se elimina por completo un grupo hidroxilo y del otro sólo se elimina hidrógeno), permite obtener un solvente orgánico único: el dioxano, que a menudo se usa en química orgánica, a pesar de su alta toxicidad.
Intercambio de hidroxia halógeno
Cuando el etilenglicol interactúa con los ácidos hidrohálicos, se observa el reemplazo de los grupos hidroxilo por el correspondiente halógeno. El grado de sustitución depende de la concentración molar de haluro de hidrógeno en la mezcla de reacción:
HO-CH2-CH2-OH + 2HX → X-CH2 -CH2-X, donde X es cloro o bromo.
Obtener éter
En las reacciones del etilenglicol con ácido nítrico (de cierta concentración) y ácidos orgánicos monobásicos (fórmico, acético, propiónico, butírico, valérico, etc.), se forman monoésteres complejos y, en consecuencia, simples. En otros, la concentración de ácido nítrico es di- y trinitroésteres de glicol. El ácido sulfúrico de una determinada concentración se utiliza como catalizador.
Los derivados más importantes del etilenglicol
Los éteres de etilenglicol son sustancias valiosas que se pueden obtener a partir de alcoholes polihídricos mediante reacciones químicas simples (descritas anteriormente). A saber: monometilo y monoetilo, cuyas fórmulas son HO-CH2-CH2-O-CH3 y HO-CH2-CH2-O-C2N5 respectivamente. En términos de propiedades químicas, son similares en muchos aspectos a los glicoles, pero, como cualquier otra clase de compuestos, tienen características reactivas únicas que son exclusivas de ellos:
- El monometiletilenglicol es un líquido incoloro, pero con un olor desagradable característico, con un punto de ebullición de 124,6 grados centígrados, altamente soluble en etanol, otrosdisolventes orgánicos y agua, mucho más volátiles que el glicol, y con una densidad inferior a la del agua (del orden de 0,965 g/cm3).
- El dimetiletilenglicol también es líquido, pero con un olor menos característico, una densidad de 0,935 g/cm3, un punto de ebullición de 134 grados sobre cero y una solubilidad comparable al homólogo anterior.
El uso de cellosolves, como se denomina generalmente a los monoéteres de etilenglicol, es bastante común. Se utilizan como reactivos y disolventes en síntesis orgánica. Sus propiedades físicas también se utilizan para aditivos anticorrosión y anticristalización en anticongelantes y aceites de motor.
Campos de aplicación y precios de la gama de productos
El costo en las fábricas y empresas involucradas en la producción y venta de tales reactivos fluctúa en promedio alrededor de 100 rublos por kilogramo de un compuesto químico como el etilenglicol. El precio depende de la pureza de la sustancia y del porcentaje máximo del producto objetivo.
El uso de etilenglicol no se limita a un área determinada. Así, como materia prima se utiliza en la producción de solventes orgánicos, resinas y fibras artificiales, líquidos que se congelan a bajas temperaturas. Está involucrado en muchas industrias, como la automotriz, la aviación, la farmacéutica, la eléctrica, la del cuero y la tabacalera. Su importancia para la síntesis orgánica es innegablemente importante.
Es importante recordar que el glicol escompuesto tóxico que puede causar daños irreparables a la salud humana. Por lo tanto, se almacena en recipientes sellados de aluminio o acero con una capa interior obligatoria que protege el contenedor de la corrosión, solo en posiciones verticales y en habitaciones que no están equipadas con sistemas de calefacción, pero con buena ventilación. Plazo - no más de cinco años.
