Применение этанола. Этанол - что это? Свойства этанола

Основной способ синтеза этанола - гидратация этилена: сер­нокислотная в жидкой фазе и прямая водяным паром на твер­дом катализаторе.

Сернокислотный метод открыт А.М. Бутлеровым и состоит из четырех стадий:

‣‣‣ абсорбция этилена серной кислотой с образованием серно­кислотных эфиров;

‣‣‣ гидролиз эфиров с образованием спирта;

‣‣‣ выделœение спирта и его ректификация;

‣‣‣ концентрирование серной кислоты.

Взаимодействие этилена с серной кислотой состоит из двух этапов - растворение этилена в серной кислоте и образование эфиров:

При умеренных температурах реакция практически необра­тима, но при повышении температуры превращение смещается влево. Оптимальная температура процесса 340-350 К или при­мерно 75 °С.

Гидролиз этил- и диэтилсульфата протекает по уравнению:

Кроме базовых, из диэтилсульфата образуется диэтиловый эфир, ацетальдегид, а также наблюдается полимеризация этиле­на. Температура 95-105°С, длительность гидролиза 30 мин.

Прямая каталитическая гидратация этилена перегретым во­дяным паром основана на двусторонней реакции, протекающей с изменением объёма и выделœением теплоты. Этот метод более экономичен по сравнению с сернокислотным.

Взаимодействие происходит по уравнению

Оптимальные условия проведения процесса с высокой сте­пенью превращения и конверсии следующие: температура 55-95 °С, давление 7-8 МПа, объёмная скорость парогазовой смеси 1800-1200 ч" 1 . Степень конверсии за один цикл синтеза состав­ляет 4-5%. Процесс проводят по циркуляционной схеме. Опти­мальное молярное соотношение Н 2 О:С 2 Н 4 = 0,6:1. Катализато­ром служит фосфорная кислота. Вследствие заметной летучести фосфорной кислоты и постепенного снижения активности ка­тализатора было предложено инжектировать тонкораспыленную кислоту при вводе парообразной смеси в контактный аппарат. Синтез этанола - процесс сложный, состав конечной смеси: этиловый спирт - 95%, диэтиловый эфир - 2%, ацетальдегид -1%, полимеры и др.
Размещено на реф.рф
- 2%.

При ректификации спирта-сырца примеси хорошо отделяются.

Метод прямой гидратации имеет и некоторые недостатки: крайне важно сть применения высококонцентрированного этилена; малая степень превращения этилена за один проход по схе­ме, что вызывает повышенный расход электроэнергии.

Рис. 3 Технологическая схема производства этилового спирта каталитической гидратацией этилена в газопаровой фазе:

1 - циркуляционный компрессор; 2, 3 - теплообменники-рекуператоры тепло­ты; 4 - теплообменник-подогреватель; 5 - гидратор; 6 - нейтрализатор; 7 - на­сос для подачи подщелаченного раствора Н^РО^, 8, 9 - котлы-утилизаторы теп­лоты; 10, 12 - сепараторы высокого давления; 11, 14 - холодильники; 13 -скруббер.

/- свежий этилен; II - пар (10 МПа); III - водно-спиртовой конденсат со ще­лочью; IV- пар; V - отдувка; VI - вода; VII - водный конденсат; VIII - водно-спиртовой конденсат на ректификацию

Рециркулирующий газ смешивают со свежим этиленом, он проходит теплообменники 2, 3 и подогреватель 4. Далее его смешивают в заданном соотношении с паром высокого давле­ния и подают в реактор гидратации 5, который представляет собой цилиндрическую колонну с зернистыми катализаторами, футерованную красной медью или угольными брикетами. Газ в аппаратах 2, 3 подогревается за счёт теплоты потока, выходя­щего из гидратора 5, а в аппарате 4 - глухим паром.

Реакционную смесь, выходящую из реактора с температурой 300-305 °С, нейтрализуют и охлаждают до 235 °С путем впрыска в нее подщелаченного водно-спиртового конденсата͵ охлаждают до 145 °С в теплообменнике 3, котлах-утилизаторах 8, 9 и на­правляют в сепаратор 10. Газ из сепаратора 10 через теплооб­менник 2 и холодильник 11 подают в сепаратор 12, затем в скруббер 13, где из него при 35 °С водой отмывают несконден­сировавшийся спирт. Водно-спиртовой конденсат из сепарато­ров 10 и 12 передают в отделœение ректификации.

Важно заметить, что для сохранения активности катализатора в исходную смесь добавляют небольшое количество фосфорной кислоты.

СИНТЕЗ ЭТАНОЛА - понятие и виды. Классификация и особенности категории "СИНТЕЗ ЭТАНОЛА" 2017, 2018.

Этанол - что это за вещество? Каково его применение и как оно производится? Этанол более известен всем под иным названием - спирт. Конечно, это не совсем правильное обозначение. Но между тем, именно под словом «спирт» мы и подразумеваем «этанол». Еще наши предки знали о его существовании. Они получали его путем процесса брожения. В ход шли различные продукты от злаков до ягод. Но в полученной браге, именно так называли в старину спиртные напитки, количество этанола не превышало 15 процентов. Чистый спирт смогли выделить только после того, как изучили процессы дистилляции.

Этанол - что это?

Этанол - это одноатомный спирт. При нормальных условиях он представляет собой летучую, бесцветную, легковоспламеняющуюся жидкость, обладающую специфическим запахом и вкусом. Этанол нашел широкое применение в промышленности, медицине и быту. Он является прекрасным дезинфицирующим средством. Спирт используется как топливо и в качестве растворителя. Но больше всего формула этанола С2Н5ОН известна любителям алкогольных напитков. Именно в этой сфере это вещество нашло широкое применение. Но не стоит забывать и о том, что спирт как действующий компонент алкогольных напитков является сильным депрессантом. Это психоактивное вещество способно угнетать центральную нервную систему и вызывать сильную зависимость.

В наше время сложно найти отрасль промышленности, где не использовался бы этанол. Трудно перечислить все, чем так полезен спирт. Но более всего его свойства оценили в фармацевтике. Этанол - главный компонент практически всех лекарственных настоек. Многие «бабушкины рецепты» для лечения людских недугов основываются на этом веществе. Оно вытягивает из растений все полезные вещества, накапливая их. Это свойство спирта нашло применение и при изготовлении домашних травяных и ягодных настоек. И хотя это и алкогольные напитки, но в умеренных количествах они приносят пользу здоровью.

Польза этанола

Формула этанола известна всем еще со школьных уроков по химии. Но вот в чем польза этого химического вещества, так сразу ответит не каждый. В действительности сложно представить отрасль промышленности, где не использовался бы спирт. Прежде всего, этанол применяют в медицине как мощнейшее дезинфицирующее средство. Им обрабатывают операционную поверхность и раны. Спирт губительно действует практически на все группы микроорганизмов. Но применяется этанол не только в хирургии. Он незаменим для изготовления лекарственных экстрактов и настоек.

В малых дозах спирт полезен для организма человека. Он способствует разжижению крови, улучшению кровообращения и расширению сосудов. Он даже применяется для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний. Этанол способствует налаживанию работы желудочно-кишечного тракта. Но только в действительно малых дозах.

В особых случаях психотропное действие спирта может заглушить самые сильные боли. Этанол нашел применение и в косметологии. Благодаря своим ярко выраженным антисептическим свойствам он включен в состав практически всех очищающих лосьонов для проблемной и жирной кожи.

Вред этанола

Этанол - спирт, получаемый путем брожения. При чрезмерном употреблении он способен вызывать сильнейшие токсикологические отравления и даже кому. Это вещество входит в состав алкогольных напитков. Спирт вызывает сильнейшую психологическую и физическую зависимость. Алкоголизм принято считать болезнью. Вред этанола сразу ассоциируют со сценами безудержного пьянства. Неумеренное употребление напитков, содержащих спирт, приводит не только к пищевым отравлениям. Все гораздо сложнее. При частом распитии алкоголя поражаются практически все системы органов. От кислородного голодания, которое вызывает этанол, погибают в большом количестве клетки головного мозга. Происходит На первых стадиях ослабевает память. Затем у человека развиваются заболевания почек, печени, кишечника, желудка, сосудов и сердца. У мужчин наблюдается потеря потенции. На последних стадиях у алкоголика выявляется деформация психики.

История спирта

Этанол - что это за вещество и как его получили? Далеко не все знают, что его использовали еще с доисторических времен. Он входил в состав алкогольных напитков. Правда, концентрация его была небольшой. Но между тем, следы алкоголя были найдены в Китае на 9000-летней керамике. Это однозначно говорит о том, что люди еще в эпоху неолита выпивали содержащие алкоголь напитки.

Первый случай был зарегистрирован в 12 веке в Салерно. Правда, это была водно-спиртовая смесь. Чистый же этанол выделил Иоганн Тобиас Ловиц в 1796 году. Он использовал метод фильтрации через активированный уголь. Получение этанола этим способом долго оставалось единственным методом. Формулу спирта вычислил Николо-Теодор де Соссюра, а описал его как углеродное соединение Антуан Лавуазье. В 19-20 веках многие ученые занимались изучением этанола. Были изучены все его свойства. В настоящее время он получил широкое распространение и применяется практически во всех сферах человеческой деятельности.

Получение этанола путем спиртового брожения

Пожалуй, самый известный способ получения этанола - это спиртовое брожение. Оно возможно только при использовании органических продуктов, которые содержат большое количество углеводов, например винограда, яблок, ягод. Еще один важный компонент, чтобы брожение протекало активно - это наличие дрожжей, ферментов и бактерий. Так же выглядит переработка картофеля, кукурузы, риса. Для получения топливного спирта используют сахар-сырец, который вырабатывают из тростника. Реакция довольно сложна. В результате брожения получается раствор, который содержит не более 16% этанола. Более высокую концентрацию получить не удается. Это объясняется тем, что в более насыщенных растворах дрожжи выжить не способны. Таким образом, полученный этанол необходимо подвергнуть процессам очистки и концентрирования. Обычно используют процессы дистилляции.

Чтобы получить этанол, используют вид дрожжей Saccharomyces cerevisiae различных штаммов. В принципе, все они способны активизировать данный процесс. В качестве питательного субстрата можно применять древесные опилки или как альтернативу - раствор, полученный из них.

Топливо

Многие знают о свойствах, которыми обладает этанол. Что это алкоголь или дезинфицирующее вещество, тоже широко известно. Но спирт еще является и топливом. Его используют в ракетных двигателях. Известный факт - во время Первой мировой войны 70% водный этанол применяли как топливо для первой в мире немецкой баллистической ракеты - «Фау-2».

В настоящее время спирт получил большее распространение. В качестве топлива он применяется в двигателях внутреннего сгорания, для нагревательных приборов. В лабораториях его заливают в спиртовки. Каталитическое окисление этанола используют для производства грелок, как военных, так и туристических. Спирт с ограничением применяют в смеси с жидким нефтяным топливом в силу его гигроскопичности.

Этанол в химической промышленности

Широко применение этанола в химической промышленности. Он служит сырьем для производства таких веществ, как диэтиловый эфир, уксусная кислота, хлороформ, этилен, ацетальдегид, тетраэтилсвинец, этилацетат. В лакокрасочной промышленности этанол широко используют как растворитель. Спирт является основным компонентом стеклоомывателей и антифризов. Применяется спирт и в бытовой химии. Он входит в состав моющих и чистящих средств. Особенно часто он встречается в качестве компонента в жидкостях для ухода за сантехникой и стеклом.

Этиловый спирт в медицине

Этиловый спирт можно отнести к антисептикам. Он губительно воздействует практически на все группы микроорганизмов. Он разрушает клетки бактерий и микроскопических грибов. Применение этанола в медицине носит практически повсеместный характер. Это прекрасное подсушивающее и обеззараживающее средство. Благодаря дубящим свойствам спирт (96%) используют для обработки операционных столов и рук хирурга.

Этанол - растворитель лекарственных препаратов. Он широко применяется для изготовления настоек и экстрактов из лекарственных трав и прочего растительного сырья. Минимальная концентрация спирта в подобных веществах не превышает 18 процентов. Часто этанол используют в качестве консерванта.

Этиловый спирт прекрасно применяется и для растираний. Во время лихорадки он производит охлаждающий эффект. Очень часто спирт используют для согревающих компрессов. При этом он абсолютно безопасен, на коже не остается покраснений и ожогов. Кроме того, этанол применяется как пеногаситель при подаче искусственным путем кислорода во время вентиляции легких. Также спирт является компонентом общей анестезии, которую могут применять в случае дефицита медикаментов.

Как ни странно, но этанол медицинский используется в качестве противоядия при отравлении токсичными спиртами, например метанолом или этиленгликолем. Обусловлено его действие тем, что при наличии нескольких субстратов фермент алкогольдегидрогеназа осуществляет только конкурентное окисление. Именно благодаря этому после незамедлительного приема этанола вслед за токсичным метанолом или этиленгликолем наблюдается уменьшение текущей концентрации отравляющих организм метаболитов. Для метанола это муравьиная кислота и формальдегид, а для этиленгликоля - щавелевая кислота.

Пищевая промышленность

Итак, как получить этанол, было известно еще нашим предкам. Но наиболее широкое применение он получил только в 19-20 веках. Наряду с водой, этанол является основой практически всех спиртных напитков, в первую очередь водки, джина, рома, коньяка, виски, пива. В небольших количествах спирт обнаруживается и в напитках, которые получают путем брожения, например в кефире, кумысе, квасе. Но к алкоголю их не причисляют, так как концентрация спирта в них очень мала. Так, содержание в свежем кефире этанола не превышает 0,12%. Но если он отстоится, то концентрация может повыситься до 1%. В квасе этилового спирта чуть более (до 1,2%). Больше всего алкоголя содержится в кумысе. В свежем молочном продукте его концентрация - от 1 до 3%, а в отстоявшемся доходит до 4,5%.

Этиловый спирт - хороший растворитель. Это свойство позволяет использовать его в пищевой промышленности. Этанол является растворителем для ароматизаторов. Кроме того, он может использоваться в качестве консерванта для хлебобулочных изделий. Он зарегистрирован как пищевая добавка Е1510. Этанол имеет энергетическую ценность 7,1 ккал/гр.

Действие этанола на организм человека

Во всем мире налажено производство этанола. Это ценное вещество используется во многих сферах жизни человека. являются лекарством. Пропитанные этим веществом салфетки используют как дезинфицирующее средство. Но вот какое влияние этанол оказывает на наш организм при попадании внутрь? Полезен ли он или вреден? Эти вопросы требуют детального изучения. Всем известно, что человечество потребляло алкогольные напитки веками. Но только в прошлом столетии проблема алкоголизма приобрела масштабные размеры. Наши предки употребляли брагу, медовуху и даже ныне столь популярное пиво, но все эти напитки содержали слабый процент этанола. Поэтому нанести существенный вред здоровью они не могли. Но после того как Дмитрий Иванович Менделеев разбавил спирт с водой в определенных пропорциях, все изменилось.

В настоящее время алкоголизм - это проблема практически всех стран мира. Попадая в организм, спирт оказывает патологическое воздействие практически на все органы без исключения. В зависимости от концентрации, дозы, пути попадания и длительности воздействия этанол может проявить токсическое и наркотическое действие. Он способен нарушать работу сердечно-сосудистой системы, способствует возникновению заболеваний пищеварительного тракта, в том числе и язвы желудка и 12-типерстной кишки. Под наркотическим действием подразумевается способность спирта вызывать ступор, нечувствительность к болевым ощущениям и угнетение функций центральной нервной системы. Кроме того, у человека возникает алкогольное возбуждение, очень быстро он становится зависимым. В отдельных случаях чрезмерное употребление этанола может вызвать кому.

Что же происходит в нашем организме, когда мы пьем алкогольные напитки? Молекула этанола способна поражать ЦНС. Под действием спирта происходит выделение гормона эндорфина в прилежащем ядре, а у людей с явно выраженным алкоголизмом и в орбитофронтальной коре. Но, тем не менее, несмотря на это, этанол не признан наркотическим веществом, хотя он и проявляет все соответствующие действия. Этиловый спирт не был внесен в международный список контролируемых веществ. И это спорный вопрос, потому как в определенных дозах, а именно 12 грамм вещества на 1 килограмм массы тела, этанол приводит сначала к острому отравлению, а затем и смерти.

Какие заболевания вызывает этанол?

Сам раствор этанола не является канцерогеном. Но вот его основной метаболит - ацетальдегид - токсичное и мутагенное вещество. Помимо этого, он еще и обладает канцерогенными свойствами и провоцирует развитие онкологических заболеваний. Его качества исследовались в лабораторных условиях на подопытных животных. Эти научные работы привели к весьма интересным, но в то же время настораживающим результатам. Оказывается, ацетальдегид - не просто канцероген, он способен повреждать ДНК.

Длительное употребление алкогольных напитков может вызывать у человека такие заболевания, как гастрит, цирроз печени, язва 12-типерстной кишки, рак желудка, пищевода, тонкой и прямой кишки, сердечно-сосудистые заболевания. Регулярное попадание этанола в организм может спровоцировать оксидативное повреждение нейронов мозга. Вследствие повреждения они погибают. Злоупотребление напитками, содержащими спирт, приводит к алкоголизму и клинической смерти. У людей, регулярно распивающих алкоголь, риск развития инфаркта и инсульта повышается в разы.

Но это еще не все свойства этанола. Это вещество является естественным метаболитом. В малых количествах оно может синтезироваться в тканях человеческого организма. Его называют истинным Также оно продуцируется в результате расщепления углеводной пищи в желудочно-кишечном тракте. Такой этанол называют «условно эндогенным алкоголем». Может ли обычный алкотестер определить спирт, который синтезировался в организме? Теоретически это возможно. Его количество редко превышает 0,18 промилле. Это значение находится на нижней границе самых современных измерительных приборов.

Рисунок 2.1 - Схема прибора для получения этилацетата

Синтез осуществляют в приборе, изображенном на рисунке 2.1. В колбу Вюрца емкостью 100мл, снабженную капельной воронкой и соединительную с нисходящим холодильником, вливают 2,5 мл этилового спирта и затем осторожно при перемешивании приливают 1,5 мл концентрированной серной кислоты. Колбу закрывают пробкой, в которую вставлена капельная воронка. И нагревают на масляной (или металлической) бане до 140° С (термометр погружен в баню).

В колбу из капельной воронки постепенно приливают смесь из 2 мл этилового спирта и 4,5 мл ледяной уксусной кислоты. Приливание следует вести с такой же скоростью, с какой отгоняется образующий эфир. По окончании реакции (после прекращения отгона эфира) погон переносят в делительную воронку и взбалтывают с концентрированным раствором соды для удаления уксусной кислоты.

Отделяют верхний эфирный слой и встряхивают его с насыщенным раствором хлористого кальция (для удаления спирта, который дает с хлористым кальцием кристаллическое молекулярное соединение СаCl 2 * C 2 H 5 OH, нерастворимое в уксусноэтиловом эфире).

Отделив эфир, сушат его прокаленным хлористым кальцием и перегоняют на водяной бане из колбы с дефлегматором. При температуре 71-75° С будет отгоняться смесь спирта и этилацетата, при 75-78° С переходит практически чистый уксусноэтиловый эфир. Выход составляет 20 г (65 % теоретического) .

Могилев 2012

Цель работы

Теоретическое введение

Ацилирование

ацильными соединениями .

-овая и слова кислота

Ацилированием спиртов

реакция этерификации ).

нуклеофильного замещения
метода меченых атомов

Стадия II (лимитирующая)
Стадия III.
Стадия IV.

присоединения-отщепления

Так, как реакция этерификации

Переэтерификация

Межмолекулярная дегидратация

Фенолы

ацилированием

Ход работы:

Обработка результатов:

Уравнения основных реакций :

Уравнения побочных реакций :

Молекулярная масса = 88

t кип= 77,15 °С

t пл. = -83,6°С

Схема установки

Рисунок 1 – Установка для синтеза
с одновременным прибавлением реагента и отгонкой продукта реакции

1 – реакционная колба; 2 – насадка Вюрца; 3 – капельная воронка; 4 – термометры; 5 – холодильник Либиха; 6 – аллонж; 7 – приемная колба;
8 – электроплитка; 9 – штативы.

СИНТЕЗ УКСУСНОЭТИЛОВОГО ЭФИРА

Лабораторная работа № 1

по дисциплине «Органическая химия»

Специальность 1 49 01 02 «Технология хранения и переработки животного сырья»

Специализация 1 49 01 02 01 «Технология мяса и мясных продуктов»

Могилев 2012

Цель работы : выделение и очистка уксусноэтилового эфира, подтверждение состава и строения уксусноэтилового эфира. Получить этилацетат, исходя из 50 см 3 95%-ого этилового спирта.

Особенности синтеза уксусноэтилового эфира

Уксусноэтиловый эфир получается при нагревании уксусной кислоты с этиловым спиртом в присутствии концентрированной серной кислоты:

Серная кислота (точнее - ионы водорода, образующиеся при ее диссоциации) каталитически ускоряют процесс, а кроме того, являясь водуотнимающим средством, она способствует более полному протеканию реакции. (Серная кислота как катализатор этого процесса предложена В. В. Марковниковым в 1873 г.)

Реакция этерификации обратима *1 ; поэтому при проведении ее обычно приходится принимать меры к тому, чтобы сместить равновесие в нужном направлении. В данном случае, так как уксусноэтиловый эфир легколетуч, то отгонка его из реакционной смеси по мере его образования обуславливает смещение равновесия рассматриваемой реакции вправо и практически полное его протекание.

Вместе с уксусноэтиловым эфиром отгоняется некоторое количество спирта; поэтому спирт приходится брать в избытке и выход продукта рассчитывать на взятое количество уксусной кислоты. Вследствие неизбежных потерь эфира в процессе его очистке (в силу его летучести и хорошей растворимости в воде) практический выход обычно не превышает 70% от теоретического.

Теоретическое введение

Ацилирование - введение ацильного остатка RCO- (ацила) в состав органического соединения, как правило, путём замещения атома водорода. В зависимости от атома, к которому присоединяется ацильный остаток, выделяют C-ацилирование, N-ацилирование, O-ацилирование.

Органические карбоновые кислоты характеризуются наличием карбоксильной группы -COOH или -СO 2 H. Все производные карбоновых кислот содержат ацильную группу R-CO-. По этой причине их часто называют также ацильными соединениями .

К основным производным карбоновых кислот (ацильным соединениям) относятся:

хлорангидриды кислот ангидриды сложные эфиры амиды нитрилы

Карбоксильная группа формально состоит из карбонильной и гидроксильной групп, однако, взаимодействие между ними до такой степени изменяет поведение каждой из них, что в единстве они уже представляют собой новую функциональную группу, обладающую своими собственными свойствами.

По числу карбоксильных групп различают одно-, двух-, трех- и вообще многоосновные кислоты. Карбоновые кислоты могут быть предельными (насыщенными) - карбоксил связан с алкилом, - непредельными (ненасыщенными) - карбоксил связан с непредельным радикалом и ароматическими - карбоксил связан с ароматическим радикалом.

Для карбоновых кислот чаще всего используются традиционные названия. По систематической номенклатуре кислоты называют по соответствующим углеводородам с добавлением окончания -овая и слова кислота , причем счет атомов цепи начинается от карбоксильной группы.

Гидроксильная группа в карбоновых кислотах образует водородные связи, причем более прочные, чем в спиртах. Кроме того, в карбоновых кислотах в образовании водородной связи может участвовать карбонильная группа. В твердом и жидком состоянии кислоты существуют в основном в виде димеров:

Такие димерные структуры сохраняются даже в газообразном состоянии и в растворах в воде. Способность карбоновых кислот образовывать водородные связи с водой обусловливает растворимость низших кислот в воде. По мере увеличения длины углеродной цепи растворимость кислот в воде быстро уменьшается.

Свойства кислот обусловлены наличием в них карбоксильной группы, состоящей из гидроксильной и карбонильной групп. Степень диссоциации карбоновых кислот в воде относительно не велика. Тем не менее, карбоновые кислоты на много порядков сильнее, чем спирты.

Основной реакцией карбонильных соединений является реакция нуклеофильного присоединения, протекающая по механизму:

Ацильная группа включает карбонильную группу. Реакции ацильных соединений проходят по механизму нуклеофильного присоединения - элиминирования:

Реакционная способность ацильных соединений зависит от основности уходящей группы. По реакционной способности их можно расположить в следующий ряд:

Приведенный порядок реакционной способности ацильных соединений позволяет судить о том, какие из них могут быть получены из данного ацильного соединения, а какие нет. Менее реакционноспособные ацильные соединения могут быть получены из более реакционоспособных, обратные же реакции, или затруднены или требуют особых условий.

Вследствие электроноакцепторного действия бензольного кольца, фенолы являются более слабыми нуклеофилами, чем спирты, поэтому они не ацилируются карбоновыми кислотами. Для ацилирования используются более сильные ацилирующие средства: ангидриды и галогенангидриды карбоновых кислот. Реакция катализируется основаниями: гидроксидами щелочных металлов или пиридином (метод Шоттена-Баумана).

Ацилированием спиртов получают сложные эфиры, ацилирование аминов приводит к образованию алкил(арил)амидов карбоновых кислот, что часто использцется для защиты аминогруппы в многостадийных синтезах. Реакция ацилирования успешно применяется для установления числа гидроксильных групп в многоатомных спиртах, углеводах и других гидроксилсодержащих соединениях.

Одним из примеров реакции ацилирования является получение сложных эфиров карбоновых кислот взаимодействием кислоты со спиртом (реакция этерификации ).

Образование сложных эфиров при взаимодействии карбоновых кислот со спиртами (этерификация) происходит в условиях кислотного катализа как реакция нуклеофильного замещения . При этом в молекуле карбоновой кислоты RCOOH замещается гидроксильная группа -ОН на группу -OR" от молекулы спирта R"OH (в приведенном ниже примере R" = C 2 H 5).
То, что гидроксил отщепляется именно от молекулы кислоты доказано с помощью метода меченых атомов . Если молекула исходного спирта содержит изотоп кислорода 18 O, то этот "меченый атом" оказывается в молекуле сложного эфира.

Реакция включает несколько обратимых стадий.

Стадия I. Активация карбоновой кислоты под действием катализатора – сильной кислоты (например, конц. H 2 SO 4), превращающей нейтральную молекулу в карбокатион.
Стадия II (лимитирующая) . Нуклеофильное присоединение спирта к карбокатиону.
Стадия III. Миграция протона H + и формирование хорошей уходящей группы H 2 O.
Стадия IV. Отщепление воды и катализатора (H +) от неустойчивого продукта присоединения с образованием cложного эфира.

Данный процесс классифицируют как реакцию присоединения-отщепления , т.к. сначала образуются продукты нуклеофильного присоединения (стадия II), которые затем вследствие неустойчивости отщепляют "хорошую уходящую группу" (воду).

Процесс можно ускорить, добавляя сильные кислоты (серную, безводный HCl, сульфокислоты). Скорость этерификации карбоновой кислоты увеличивается с ростом кислотности, т.е. с ростом положительного заряда на карбонильном атоме углерода,

Поэтому такие сильные кислоты, как муравьиная, щавелевая реагируют со спиртами довольно быстро и в отсутствии катализатора.

Сильно влияют на процесс этерификации пространственные факторы. С ростом объема алкильных групп, связанных с карбоксильной группой а также со спиртовым гидроксилом, скорость этерификации падает. Поэтому разветвленные алифатические и ароматические карбоновые кислоты вступают в реакцию медленно и дают небольшие выходы эфира. Реакция прямой этерификации дает хорошие результаты (~60%) для первичных спиртов и низкомолекулярных кислот. Чаще всего она применяется для получения эфиров уксусной кислоты и метилового или этилового спирта. Вторичные спирты дают около 40% выхода эфира. Эфиры третичных спиртов получают лишь с очень низкими выходами, так как минеральные кислоты, используемые в качестве катализатора, дегидратируют третичные спирты в олефины.

Реакция прямой этерификации ­­­­- обратимая реакция. Если взять кислоту и спирт в эквимолярном соотношении, то в начале реакции, согласно закона действующих масс, скорость прямой реакции выше скорости обратной реакции. По мере накопления эфира скорость обратной реакции растет, а скорость прямой уменьшается и наступает момент динамического равновесия, при котором количество молекул образующегося эфира и воды и количество молекул спирта и кислоты, получающихся в единицу времени равны.

Равновесие можно сдвинуть вправо, используя 5-10 кратный избыток более дешевого исходного вещества (им обычно является спирт) или постоянно удаляя из реакционной смеси продукты реакции- воду или сложный эфир (при синтезе низкокипящих сложных эфиров отгоняют эфир, при получении высококипящих эфиров удаляют воду).

Реакция гидролиза, или омыления . Так, как реакция этерификации является обратимой, поэтому в присутствии кислот протекает обратная реакция гидролиза:

Реакция гидролиза катализируется и щелочами; в этом случае гидролиз необратим, так как получающаяся кислота со щелочью образует соль:

Эфиры получают и переэтерификацией более доступных эфиров:

Переэтерификация представляет собой равновесную реакцию.

Внутримолекулярная дегидратация спиртов с образованием алкенов идет в присутствии концентрированной серной кислоты при нагревании выше 140 °С. Например:

дегидратация идет преимущественно в направлении I, т.е. по правилу Зайцева – с образованием более замещенного алкена (водород отщепляется от менее гидрогенизированного атома углерода).

Межмолекулярная дегидратация спиртов происходит при температуре ниже 140 °С с образованием простых эфиров:

Фенолы - ароматические соединения общей формулы Ar(OH), в которых ароматическое ядро непосредственно связано с гидроксильной группой (Ar-арены).

Сложные эфиры фенолов получают ацилированием с помощью сильных ацилирующих агентов – ангидридов (в присутствии фосфорной кислоты) и хлорангидридов (используют феноляты), этерификация под действием карбоновых кислот не происходит.

Сложные эфиры могут быть как жидкими, так и твердыми веществами в зависимости от молекулярного веса образующих их кислоты и спирта. Сложные эфиры низших и средних гомологов – летучие жидкости с характерным, часто приятным запахом. Многие из них являются носителями запаха различных плодов, овощей и фруктов. Сложные эфиры труднее растворимы в воде, чем образующие их спирты и кислоты. Так, этиловый спирт и уксусная кислота смешиваются с водой во всех отношениях, тогда как уксусноэтиловый эфир трудно растворим в воде. В органических растворителях сложные эфиры растворяются хорошо.

Ход работы:

В колбу Вюрца (250 см 3) , снабженную воронкой и соединенную с холодильником Либиха (Приложение В, рис.5), влили 5 см 3 этилового спирта и 5 см 3 концентрированной серной кислоты и нагрели на электрической плитке с закрытой спиралью до 110-120°С. (На этом этапе не следует сильно перегревать смесь спирта с серной кислотой, так как это может привести к разложению и обугливанию спирта и выделению едких паров диоксида серы (IV). Место капельной воронки на этом этапе заменяет термометр. Как только эта температура была достигнута, начали постепенно приливать из капельной воронки смесь 40 см 3 ледяной уксусной кислоты и 40 см 3 спирта с такой скоростью, с какой отгоняется образующийся эфир, при этом должна поддерживаться температура (110-120°С), так как при более высокой температуре образуется диэтиловый эфир.

После окончания реакции содержимое приемника переноесли в делительную воронку и промывли концентрированным раствором соды для удаления уксусной кислоты (проба на лакмус). Раствор углекислого натрия следует прибавлять постепенно, так как жидкость сильно вспенивается выделяющимся диоксидом углерода. Затем отделили нижний водный слой, а верхний эфирный слой встряхнули с насыщенным раствором хлористого кальция (8г хлористого кальция в
8 см 3 воды) для удаления непрореагировавшего спирта (с первичными спиртами хлористый кальций дает кристаллическое молекулярное соединение
СаСl 2 ×2С 2 Н 5 ОН, которое нерастворимо в уксусноэтиловом эфире).

Снова отделили верхний эфирный слой и высушили его безводным сернокислым натрием (не менее 2-х часов). После высушивания эфир перегнали на водяной бане из колбы Вюрца с водяным холодильником (рисунок1). При
71-75 °С будет отгоняться смесь спирта и уксусноэтилового эфира, а при 75-78 °С – сравнительно чистый уксусноэтиловый эфир.

Обработка результатов:

Уравнения основных реакций :

Уравнения побочных реакций :

Свойства синтезируемого вещества по литературным данным:

Молекулярная масса = 88

t кип= 77,15 °С

t пл. = -83,6°С

Этилацеат мало растворим в воде. Среди органических растворителей этилацетат бесконечно растворим в ацетоне, этаноле, эфире.

Органическая химия зародилась как химия природных соединений, выделенных из организмов животного и растительного происхождения. Заполнение различных классов веществ природными соединениями носит случайный характер и определяется биосинтезом (Карцова А. А. , 2005).

Первая задача органического синтеза – искусственное получение полезных веществ путем копирования природных структур. Этому предшествует стадия выделения природного соединения, изучение его свойств и, наконец, сам органический синтез - воспроизведение в исследовательской лаборатории того, что создано в лаборатории природы. Ну, а затем надо пойти дальше – синтезировать то, что в природе отсутствует.

Ежедневно в мире синтезируется 100 тыс. новых химических соединений, 97 % из которых приходится на долю органических веществ.

Я же решила рассмотреть синтез этилацетата по реакции этерификации.

Этилацетат – это уксусноэтиловый эфир, который находит широкое применение в медицине и ветенарии, в полиграфической промышленности; в качестве растворителя для придания необходимой консистенции краске, отвердителя для закрепления краски, мебельного лака. А также применяется как экстрагент органических соединений из водных растворов, желатинизирующее средство в производстве взрывчатых веществ; входит в состав промышленного термасвариваемого клея. Мировой объем производства этилацетата 0,45-0,5 млн. т в год (1986) (Рид Р. и др. , 1982)

Одним из способов в промышленности этилацетата является этерификация уксусной кислоты этанолом при 110-115° С в присутствии серной кислоты.

Поэтому цель моей работы было проведение синтеза этилацетата по реакции этерификации и изучение его свойства.

Хлористый кальций

Синтез осуществляют в приборе, изображенном на рисунке. В колбу Вюрца емкостью 100мл, снабженную капельной воронкой и соединительную с нисходящим холодильником, вливают 2,5 мл этилового спирта и затем осторожно при перемешивании приливают 1,5 мл концентрированной серной кислоты. Колбу закрывают пробкой, в которую вставлена капельная воронка. И нагревают на масляной (или металлической) бане до 140° С (термометр погружен в баню). В колбу из капельной воронки постепенно приливают смесь из 2 мл этилового спирта и 4,5 мл ледяной уксусной кислоты. Приливание следует вести с такой же скоростью, с какой отгоняется образующий эфир. По окончании реакции (после прекращения отгона эфира) погон переносят в делительную воронку и взбалтывают с концентрированным раствором соды для удаления уксусной кислоты. Отделяют верхний эфирный слой и встряхивают его с насыщенным раствором хлористого кальция (для удаления спирта, который дает с хлористым кальцием кристаллическое молекулярное соединение СаCl2 * C2H5OH, нерастворимое в уксусноэтиловом эфире). Отделив эфир, сушат его прокаленным хлористым кальцием и перегоняют на водяной бане из колбы с дефлегматором. При температуре 71-75° С будет отгоняться смесь спирта и этилацетата, при 75-78° С переходит практически чистый уксусноэтиловый эфир. Выход составляет 20 г (65 % теоретического) (Голодников Г. В. , Мандельштам, 1976).

Результаты

1. Механизм реакции.

В основе получения этилацетата лежит реакция этерификации, в результате которой сложный эфир образуется при нагревании до 140-150 0С уксусной кислоты с этиловым спиртом в присутствии катализатора – серной кислоты.

Общее уравнение реакции

Роль катализатора заключается в протонировании карбонильного кислорода: при этом карбонильный атом углерода становится более положительным и более «уязвимым» по отношению к атаке нуклеофильного агента, которым является молекула спирта. Образующийся вначале катион присоединяет молекулу спирта за счет неподеленных электронов кислородного атома, давая катион:

Катион в результате отщепления протона образует молекулу сложного эфира;

Использование метода «меченых атомов» дало возможность решить вопрос о месте разрыва связей при реакции этерификации. Оказалось, что обычно молекула воды образуется из гидроксила кислоты и водорода спирта. Следовательно, в молекуле кислоты разрывается связь между ацилом и гидроксилом, а в молекуле спирта – связь водорода с кислородом. Такой именно вывод следует из результатов работы по этерификации бензойной кислоты метанолом, содержащим тяжелый изотоп кислорода О18. Полученный сложный эфир содержал в своем составе указанный изотоп кислорода:

Присутствие О18 установлено сжиганием образца эфира и анализом образующихся продуктов сгорании (СО2 и Н2О) на присутствие тяжелого изотопа кислорода (Тюкавкина Н. А. , Бауков Ю. И. , 2004).

Реакция этерификации – обратимый процесс, поэтому во избежание гидролиза полученного продукта, эфир отгоняли с использованием прямого холодильника.

Гидролиз сложных эфиров представляет собой реакцию, обратную реакции их преобразования. Гидролиз может быть осуществлен как в кислой, так и в щелочной среде. Для кислого гидролиза сложных эфиров справедливо все, что было сказано выше применительно к реакции этерификации, об обратимости и механизме процесс, о методах смещения равновесия. Щелочной гидролиз сложных эфиров проходит через следующие стадии:

Практически щелочной гидролиз сложных эфиров проводят в присутствии едких щелочей КОН, NaOH, а также гидроокисей щелочноземельных металлов Ва(ОН)2, Са(ОН)2. Образующиеся при гидролизе кислоты связываются в виде солей соответствующих металлов, поэтому гидроокиси приходится брать по крайней мере в эквивалентном отношении со сложным эфиром. Обычно используют избыток основания. Выделение кислот из их солей осуществляется с помощью сильных минеральных кислот.

При проведении синтеза возможно установление химического равновесия. Согласно принципу Ле-Шателье, чтобы сместить равновесие в сторону образования продукта реакции приливание смеси этилового спирта и ледяной уксусной кислоты проводили с такой же скоростью, с какой отгонялся образующий эфир. Температура синтеза не превышала 150 0С.

При повышении температуры выше указанного значения возможно протекание реакции внутримолекулярной дегидратации:

В результате эксперимента была получена бесцветная с жидкость с характерным запахом. После прекращения выделения эфира полученный продукт переносили в делительную воронку и взбалтывали с концентрированным раствором соды для удаления уксусной кислоты.

Для удаления спирта верхний эфирный слой отделяли и встряхивали его с насыщенным раствором хлористого кальция. Этиловый спирт дает с хлористым кальцием кристаллическое молекулярное соединение состава СаCl2*C2H5OH, нерастворимое в уксусноэтиловом эфире. Отделив эфир, сушили его прокаленным хлористым кальцием.

2. Результаты исследования.

Был рассчитан выход (%) этилацетата в реакции. Согласно закону сохранения массы и энергии теоретический выход эфира составляет 6,3 г (7,0 мл). В результате синтеза было получено 4,5 мл (4,05 г) этилацетата. Выход продукта реакции (этилового эфира уксусной кислоты) равен 64,29 %.

Для идентификации и определения чистоты полученного этилацетата определили угол преломления с помощью рефрактометра. Согласно литературным данным чистый уксусноэтиловый эфир имеет угол преломления, равный 1, 3722. (Рид Р. и др. , 1982). В нашем случае угол преломления этилацетата составил 1,3718 . Данное значение близко к справочным данным, что свидетельствует о достаточной степени чистоты полученного продукта.

Этилацетат (этиловый эфир уксусной кислоты) 88 0,9 1,3722 1,3718 64,29

В результате проведенного синтеза (этерификации уксусной кислоты этиловым спиртом в присутствии серной кислоты при температуре 140 – 150 0С) был получен сложный эфир – этилацетат, который представлял собой прозрачную жидкость с характерным запахом. Для идентификации продукта измерили угол преломления этилацетата (1,3718), который близок к справочным данным. Выход этилового эфира уксусной кислоты составил 64,29%.