Alcoholes (del lat. spiritus - espíritu; alcoholes obsoletos , del árabe الكحول al -kukhul - polvo [1] ) - compuestos orgánicos que contienen uno o más grupos hidroxilo (hidroxilo, − O H ), directamente asociados con saturados (estar en un estado de hibridación sp³ ) átomo de carbono [2] . Los alcoholes se pueden considerar como derivados del agua ( H−O−H ) en los que un átomo de hidrógeno se reemplaza por un átomo orgánico grupo funcional : R−O−H .
En la nomenclatura de la IUPAC para compuestos en los que el grupo hidroxilo está unido a un átomo de carbono insaturado ( sp² -híbrido ), los nombres “ enoles ” (el hidroxilo está asociado con un enlace vinílico C=C) [3] y “ fenoles ” ( el hidroxilo está asociado con el benceno u otro anillo aromático) [4] .
Los alcoholes son una clase amplia y diversa de compuestos: son muy comunes en la naturaleza y, a menudo, realizan funciones importantes en los organismos vivos . Los alcoholes son compuestos importantes en términos de síntesis orgánica , no solo de interés como productos finales, sino también como productos intermedios con una serie de propiedades químicas únicas . Además, los alcoholes son productos industrialmente importantes y tienen la más amplia gama de usos tanto en la industria como en aplicaciones cotidianas .
La palabra alcohol proviene del árabe. الكحل ( al-kuḥl ) - " antimonio en polvo ". El concepto se origina en la técnica alquímica de reducir los productos químicos a un "polvo", que se suponía que era la esencia pura de una sustancia. Del mismo modo, el alcohol etílico es la esencia del vino, de ahí su nombre [1] . La palabra llegó al idioma ruso a través de él. Alcohol , netherl . alcohol u oporto. , español alcohol [5] . Sin embargo, en el idioma ruso , el homónimo de la palabra "alcohol" en el sentido de "polvo fino" también se ha conservado en forma de arcaísmo , al parecer, [6] .
La palabra alcohol apareció en ruso durante la época de Pedro I a través de la palabra inglesa espíritu , que, a su vez, provenía del latín spīritus - "aliento, espíritu, alma" [7] .
Los alcoholes se clasifican de la siguiente manera (los ejemplos se dan entre paréntesis) [8] :
Según la nomenclatura de la IUPAC , los nombres de los alcoholes simples se forman a partir de los nombres de los alcanos correspondientes con la adición del sufijo "-ol", cuya posición se indica mediante un número arábigo.
Reglas para construir los nombres de los alcoholes [9] :
Una bebida de hierbas intoxicante que contiene etanol ha sido conocida por la humanidad desde la antigüedad. Se cree que al menos 8000 años antes de nuestra era, las personas estaban familiarizadas con el efecto de las frutas fermentadas y, más tarde, con la ayuda de la fermentación , recibieron bebidas embriagantes que contenían etanol de frutas y miel [13] . Los hallazgos arqueológicos indican que la vinificación existía en Asia occidental desde el 5400-5000 a. mi. , y en el territorio de la China moderna , provincia de Henan , se encontraron evidencias de la producción de mezclas fermentadas a partir de arroz , miel, uvas y, posiblemente, otras frutas, a principios del Neolítico : de 6500 a 7000 años. antes de Cristo mi. [catorce]
Por primera vez, los químicos árabes obtuvieron alcohol del vino en los siglos VI y VII ; el método de obtención de alcohol está contenido en los registros del alquimista persa Ar-Razi [15] . En Europa , el alcohol etílico se obtuvo a partir de productos de fermentación en el siglo XI-XII , en Italia [16] .
El alcohol llegó por primera vez a Rusia en 1386, cuando la embajada genovesa lo trajo con el nombre de "aqua vita" y lo presentó a la corte del Gran Ducado [17] .
En 1661, el químico inglés Robert Boyle obtuvo por primera vez metanol por destilación de madera [18] . El etanol absoluto de su solución acuosa fue obtenido por primera vez en 1796 por el químico ruso T. E. Lovitz durante la destilación sobre potasa [16] [19] .
En 1842, el químico alemán J. G. Schiel descubrió que los alcoholes forman una serie homóloga , que difieren en algún valor constante. Sin embargo, se equivocó al describirlo como C 2 H 2 . Dos años más tarde, otro químico, Charles Gerard , estableció la diferencia homológica correcta CH 2 y predijo la fórmula y las propiedades del alcohol propílico desconocidas en ese momento [20] . En 1850, el químico inglés Alexander Williamson , estudiando la reacción de los alcoholatos con el yoduro de etilo , estableció que el alcohol etílico es un derivado del agua con un átomo de hidrógeno sustituido, confirmando experimentalmente la fórmula C 2 H 5 OH [21] . Por primera vez, la síntesis de etanol por la acción del ácido sulfúrico sobre el etileno fue realizada en 1854 por el químico francés Marcelin Berthelot [21] .
El primer estudio del alcohol metílico fue realizado en 1834 por los químicos franceses Jean-Baptiste Dumas y Eugène Peligot . Lo llamaron "alcohol metílico o de madera" porque se encontraba en la destilación seca de la madera [22] . La síntesis de metanol a partir de cloruro de metilo fue realizada por el químico francés Marcelin Berthelot en 1857 [23] . En 1855, también descubrió el alcohol isopropílico , obtenido por la acción del ácido sulfúrico sobre el propileno [24] .
Por primera vez, un alcohol terciario ( 2-metilpropanol-2 ) fue sintetizado en 1863 por el famoso químico ruso A. M. Butlerov , iniciando toda una serie de experimentos en esta dirección [21] .
El etilenglicol de alcohol dihídrico fue sintetizado por primera vez por el químico francés A. Wurz en 1856 [20] . La glicerina fue descubierta en las grasas naturales ya en 1783 por el químico sueco Karl Scheele , pero su composición fue descubierta recién en 1836, y la síntesis fue realizada a partir de la acetona en 1873 por Charles Friedel [25] .
Los alcoholes se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza tanto en forma libre como formando parte de ésteres .
El alcohol metílico se encuentra en pequeñas cantidades en algunas plantas, por ejemplo: perejil ( Heracleum ) [23] .
El alcohol etílico es un producto natural de la fermentación anaeróbica de alimentos que contienen carbohidratos orgánicos por levaduras del género Saccharomyces y bacterias Zimomonas y, a menudo, se forma en bayas y frutas ácidas. En este caso, los carbohidratos a través de una secuencia de reacciones enzimáticas llamadas glucólisis , se convierten en piruvato , que luego pasa a acetaldehído bajo la acción de la piruvato descarboxilasa . Este último entonces, en presencia de alcohol deshidrogenasa , acepta el equivalente reductor de la forma reducida de NAD (la reducción de NAD ocurre en una de las etapas de la glucólisis), lo que da etanol como producto final. Este proceso no solo es la causa de la acumulación de etanol en los objetos naturales, sino que también se utiliza activamente en la industria vinícola, cervecera y panadera [26] . Durante la fermentación, también se pueden formar otros alcoholes, por ejemplo, isopropanol , [27] butanol-1 [28] , butanodiol-2,3 [29] .
Los aceites esenciales de las partes verdes de muchas plantas contienen ( Z )-hexen-3-ol-1 (“alcohol de hoja”), lo que les confiere un olor característico [30] . Los alcoholes terpénicos también están muy representados en el mundo vegetal , muchos de los cuales son sustancias aromáticas , por ejemplo: borneol (componente de la madera del árbol de bornealcanfor), mentol (en menta , geranio ) [31] , geraniol [32] y citronelol [33] (componentes de los aceites esenciales florales ), fenhol (en la resina de coníferas y frutos de hinojo ), etc.
Los alcoholes tetracíclicos condensados (derivados de gonan ) están muy extendidos en los reinos animal y vegetal , los cuales tienen una alta actividad biológica y se incluyen en la clase de esteroides , por ejemplo, el colesterol , contenido en las células de casi todos los organismos vivos, especialmente animales [34] . Un grupo separado de esteroides consiste en alcoholes polihídricos biliares que se encuentran en la bilis de animales y humanos: bufol , colestantetrol , colestanpentol , mixinol , scymnol , quimerol , etc. [35]
En la naturaleza, existen varios derivados alcohólicos de los carbohidratos, por ejemplo, sorbitol (que se encuentra en las cerezas y las bayas de serbal ) [36] , manitol (en la ceniza) [37] , etc.
En 1959, el químico alemán Adolf Butenandt , mientras estudiaba el extracto de un gusano de seda hembra , descubrió un atrayente sexual llamado bombykol [38] . Un estudio posterior de las feromonas de insectos mostró que una parte significativa de estas feromonas está representada por alcoholes [38] .
Muchos alcoholes participan en importantes procesos bioquímicos que ocurren en un organismo vivo. Así, algunas vitaminas pertenecen a la clase de los alcoholes, por ejemplo, la vitamina A (retinol) [40] , la vitamina D ( ergocalciferol , etc.) [41] . Las hormonas esteroides , entre las que se encuentran los alcoholes ( estradiol , cortisol , etc.), intervienen en la regulación del metabolismo y de algunas funciones fisiológicas del organismo [42] .
La glicerina es la base de más de la mitad de los lípidos naturales , que son sus ésteres con ácidos grasos y son fuentes de energía para el organismo [43] . El glicerol también participa en la gluconeogénesis , el proceso de formación de glucosa en el hígado . En este caso, el glicerol, bajo la acción de las enzimas , se convierte en gliceraldehído-3-fosfato , que luego ingresa en la vía metabólica de la gluconeogénesis [44] . Un poliol fisiológicamente importante es el mioinositol .
Entre los alcoholes inferiores, desde el punto de vista fisiológico, el etanol es sin duda el de mayor interés . El etanol es un metabolito natural del cuerpo humano y normalmente está presente en la sangre en concentraciones muy bajas. Además, el etanol se puede ingerir con los alimentos. El etanol en el cuerpo humano se metaboliza principalmente en el hígado . Bajo la acción de la enzima citosólica alcohol deshidrogenasa , el etanol se oxida a acetaldehído , que luego es procesado por la aldehído deshidrogenasa mitocondrial en acetato . El acetato, después de la activación por la acil coenzima A sintetasa de cadena corta, puede degradarse aún más en el ciclo de Krebs [45] . El sistema oxidante de etanol microsomal , representado por el citocromo P450 y la catalasa , también juega un papel secundario en la utilización de etanol [39] . A una alta concentración de alcohol en la sangre, las enzimas no pueden hacer frente a la oxidación del acetaldehído a acetato, y el acetaldehído se acumula en el cuerpo, que es de 10 a 30 veces más tóxico que el etanol [46] , por lo que el cuerpo se envenena. la llamada. resaca _ En términos de valor energético para el cuerpo, el etanol (7 kcal/g) ocupa una posición intermedia entre los carbohidratos (4,1 kcal/g) y las grasas (9,3 kcal/g). La contribución del etanol al contenido calórico total de los alimentos en adultos no alcohólicos puede llegar al 12%. Sin embargo, el consumo de etanol como alimento y fuente de energía tiene una serie de desventajas desde el punto de vista bioquímico. Además de la formación de acetaldehído tóxico, tales desventajas incluyen el hecho de que el exceso de calorías que ingresan al cuerpo en forma de etanol solo puede almacenarse en grasas, ya que no existe la posibilidad de convertir el etanol en carbohidratos en el cuerpo humano [45] . Además, el etanol interrumpe otros procesos metabólicos : inhibe la gluconeogénesis (esta es la causa de la hipoglucemia cuando se toman grandes dosis de alcohol), acelera la producción de citoquinas , cambia la concentración de hormonas [47] . Las bebidas alcohólicas contienen muy pocas vitaminas y minerales, lo que también puede tener un impacto negativo en la salud. Además, el etanol de calidad alimentaria por sí mismo es mucho más caro que una cantidad equivalente de energía de azúcar [45] .
Los alcoholes saturados monohídricos introducen al cuerpo en un estado anestésico y también tienen un efecto tóxico [48] .
El alcohol metílico es un veneno fuerte (especialmente cuando se toma por vía oral) de acción nerviosa y cardiovascular con un efecto acumulativo pronunciado ; afecta los órganos de la visión hasta la ceguera total . En grandes dosis (30 go más) causa la muerte [49] .
El alcohol etílico tiene un efecto tóxico. Se absorbe rápidamente a través de la mucosa del estómago e intestino delgado, alcanzando una concentración máxima en sangre a los 60-90 minutos de su administración [50] . El etanol primero causa excitación y luego una fuerte depresión del sistema nervioso central (incluida la destrucción de las meninges); su uso conduce a la interrupción de las funciones más importantes del cuerpo, daño severo a órganos y sistemas. Tiene efectos embriotóxicos y teratogénicos [51] .
El alcohol isopropílico se parece al etanol en sus efectos tóxicos, causando depresión del sistema nervioso central y afectando los órganos internos. En alta concentración conduce al coma, convulsiones y muerte (alrededor de 3-4 g/kg) [52] .
Debido al uso generalizado de alcoholes simples en diversas industrias y, en particular, como solventes, su exposición por inhalación es peligrosa. Los efectos tóxicos agudos de los alcoholes, probados en ratas, se manifestaron en las siguientes concentraciones de inhalación:
El etilenglicol es altamente tóxico cuando se ingiere y afecta el sistema nervioso central y los riñones . La dosis letal es de 1,4 g/kg de peso corporal [54] .
Las moléculas de alcohol, como la molécula de agua , tienen una estructura angular. El ángulo R−O−H en la molécula de metanol es 108,5° [55] . El átomo de oxígeno del grupo hidroxilo se encuentra en estado de hibridación sp³ . Los alcoholes tienen puntos de fusión y ebullición sustancialmente más altos de lo que se esperaría de las propiedades físicas de los compuestos relacionados. Entonces, a partir de una serie de derivados monosustituidos del metano , el metanol tiene un punto de ebullición inusualmente alto, a pesar del peso molecular relativamente pequeño [56] :
Pesos moleculares y puntos de ebullición del metano y algunos de sus derivados [57]
Metano CH 4 |
Metanol CH3OH _ _ |
Clorometano CH 3 Cl |
Nitrometano CH 3 NO 2 |
Bromometano CH 3 Br | |
---|---|---|---|---|---|
Masa molar, g/mol | 16.04 | 32.04 | 50.48 | 61.04 | 94.94 |
Punto de ebullición, °C | −161,5 | 64.5 | −24,2 | 101.2 | 3.6 |
Los altos puntos de ebullición de los alcoholes se explican por la presencia de enlaces de hidrógeno intermoleculares [55] . La energía de un enlace de hidrógeno es mucho menor que la energía de un enlace químico covalente . Por ejemplo, para el metanol, la energía del enlace de hidrógeno es de 16,7 kJ / mol [58] , mientras que los enlaces C–H, C–O y O–H tienen energías de 391,7, 383,5 y 428,8 kJ / mol respectivamente [59]. . Sin embargo, la influencia de los puentes de hidrógeno sobre las propiedades físicas de los alcoholes es muy significativa.
Las moléculas de alcohol, que tienen dos enlaces polares C–O y O–H, tienen un momento dipolar ( ~ 5,3–6,0⋅10–30 C m ) [55] . Las cargas electrostáticas en la molécula de metanol son: en el átomo de carbono 0,297 e ; en el átomo de hidrógeno hidroxilo 0,431 e ; en el átomo de oxígeno −0.728 e [60] . Al mismo tiempo, la energía de ionización de los alcoholes es menor que la del agua (10,88 eV para el metanol frente a 12,61 eV para el agua) [61] , lo que se explica por el efecto donador de electrones del grupo alquilo.
La influencia del grupo hidroxilo es especialmente fuerte para compuestos con una pequeña cadena hidrocarbonada. Por ejemplo, el metanol y el etanol son infinitamente miscibles con agua y tienen densidades y puntos de ebullición bastante altos para su peso molecular, mientras que los alcoholes superiores son hidrofóbicos y difieren poco en propiedades de los hidrocarburos correspondientes [62] .
Algunas constantes físicas de alcoholes alifáticos saturados [63]Nombre | Fórmula | pb, °С | T.pl., °С | Densidad, kg / m 3 (20 ° С) | Índice de refracción, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
metanol | CH3OH _ _ | 64.7 | −97,78 | 791.5 | 1.32855 |
etanol | C2H5OH _ _ _ _ | 78.3 | −114,65 | 789.5 | 1.36139 |
Propanol-1 | C3H7OH _ _ _ _ | 97.2 | −124,10 | 803.5 | 1.38556 |
propanol-2 | CH 3 CH (CH 3 )OH | 82.5 | −87,95 | 786.2 | 1.37711 |
Butanol-1 | C4H9OH _ _ _ _ | 117.8 | −88,64 | 808.6 | 1.39929 |
2-metilpropanol-1 | ( CH3 ) 2CHCH2OH _ _ _ | 108.0 | −101.97 | 802.1 | 1.39549 |
Butanol-2 | CH 3 CH 2 CH (OH) CH 3 | 99.5 | −114,70 | 806.0 | 1.39240 [K 1] |
2-metilpropanol-2 | (CH 3 ) 2 C (OH) CH 3 | 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 |
octanol | C8H17OH _ _ _ _ | 195.1 | −16.30 | 822.7 | 1.42920 |
Nonanol | C9H19OH _ _ _ _ | 213.5 | −5.00 | 827.0 | 1.43325 |
Decanol | C10H21OH _ _ _ _ | 231.0 | 6.00 | 826.0 | 1.43660 |
Nombre | Fórmula | pb, °С | T.pl., °С | Densidad, kg / m 3 (20 ° С) | Índice de refracción, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
Propen-2-ol-1 | CH 2 \u003d CH CH 2 OH | 96,9 | −129 | 852.0 | 1.4133 |
Propin-2-ol-1 | CH≡CCH2OH _ _ | 113.6 | −48 | 948.5 | 1.4322 |
ciclohexanol | C6H11OH _ _ _ _ | 161.1 | 25.15 | 941.6 | 1.4648 |
Fenilcarbinol | C6H5CH2OH _ _ _ _ _ _ | 205.0 | −15,3 | 1041.9 | 1.5396 |
2-feniletanol | C 6 H 5 CH 2 CH 2 OH | 218.2 | −27,0 | 1020.2 | 1.5325 |
3-fenilpropen-2-ol-1 | C6H5CH = CHCH2OH _ _ _ _ | 256-258 | 34 | 1044.0 | 1.5819 |
2-furilcarbinol | ( C4H3O ) CH2OH _ _ _ | 155 | — | 1131.9 | 1.5324 |
Nombre | Fórmula | pb, °С | T.pl., °С | Densidad, kg / m 3 (20 ° С) | Índice de refracción, n D 20 |
---|---|---|---|---|---|
Glicerol | HOCH2CH ( OH ) CH2OH | 290 | veinte | 1260.4 | 1.4729 |
pentaeritritol | C( CH2OH ) 4 | 263.5 | 1397 | 1.548 | |
etilenglicol | OHCH2CH2OH _ _ _ _ | 197.85 | -12.6 | 1115.5 | 1.432 |
Los alcoholes se pueden hacer a partir de una amplia variedad de clases de compuestos tales como hidrocarburos , haloalcanos , aminas , compuestos de carbonilo , epóxidos . Básicamente, todos los métodos se reducen a reacciones de oxidación , reducción , adición y sustitución .
Los alcoholes se obtienen oxidando alcanos y cicloalcanos bajo la acción de oxidantes inorgánicos fuertes: ozono , permanganato de potasio , óxido de cromo (VI) , ácido crómico , dióxido de selenio , peróxido de hidrógeno , así como algunos perácidos. Debido a la posibilidad de una mayor oxidación de los alcoholes resultantes, el método solo es relevante para la obtención de alcoholes terciarios [65] .
La oxidación de alquenos es mucho más común en la práctica de laboratorio, especialmente para la producción de alcoholes dihídricos - dioles . Dependiendo de la elección del reactivo, la oxidación puede llevarse a cabo con diferente estereoselectividad : cuando los alquenos se tratan con tetróxido de osmio , permanganato de potasio , clorato de sodio , yodo con carboxilato de plata, se produce sin - hidroxilación; para llevar a cabo la anti -hidroxilación se utilizan peróxido de hidrógeno y perácidos, óxidos de molibdeno (VI) y tungsteno (VI), óxido de selenio (IV), etc. [66] .
Los alcoholes también se forman durante la reducción de aldehídos o cetonas bajo la acción de borohidruro de sodio en un solvente prótico, así como hidruro de litio y aluminio . La reducción de ésteres y ácidos carboxílicos también se lleva a cabo bajo la acción de hidruros complejos, generalmente hidruro de litio y aluminio, y conduce a alcoholes [67] .
La adición de agua a los alquenos catalizada por ácidos conduce a la formación de alcoholes. De acuerdo con la regla de Markovnikov , en esta reacción se forman más alcoholes sustituidos. En la práctica de laboratorio, se usa más a menudo una reacción de oximercuración-desmercuración similar pero más suave, así como una reacción de hidroboración-oxidación, lo que lleva a productos que no son consistentes con la regla de Markovnikov [68] .
Las reacciones de adición nucleófila de compuestos organometálicos ( acetilenuros , reactivos de Grignard , compuestos de cobre y organolitio, etc.) a compuestos carbonílicos también conducen a alcoholes, y si la adición se produce al formaldehído HCHO, entonces se forman alcoholes primarios, si a otros aldehídos , luego secundarios. alcoholes. La adición a cetonas da alcoholes terciarios. Los alcoholes terciarios también se pueden obtener agregando dos equivalentes de un compuesto organometálico a los ésteres .
Los alcoholes se pueden obtener tratando los haloalcanos con una solución alcalina . La reacción procede como una sustitución nucleófila y se acompaña de racemización (con un mecanismo monomolecular) o inversión de la configuración (con un mecanismo bimolecular). Un método preparatorio importante es la oxidación de haluros de alquilo con superóxido de potasio [69] .
En la industria, los alcoholes se obtienen mediante métodos químicos o métodos de producción bioquímicos.
El único método industrialmente importante para la síntesis de metanol es la reacción catalítica entre el monóxido de carbono (II) y el hidrógeno . La materia prima en la producción de metanol es el gas natural , que se purifica a partir de compuestos de azufre en la primera etapa del proceso (el azufre es un veneno para los catalizadores utilizados en la siguiente etapa). A continuación, se produce la conversión de vapor de gas natural en gas de síntesis (una mezcla de CO e hidrógeno ) que, tras la condensación del vapor de agua, se convierte en metanol sobre un catalizador mixto de cobre-zinc-cromo a una temperatura de 250 °C y una presión de hasta 10 MPa. El metanol así obtenido contiene agua e impurezas de otros alcoholes (etanol, propanol y superiores) y puede purificarse por destilación . El consumo mundial de metanol en 2015 ascendió a unos 70 millones de toneladas [70] .
El etanol y el propanol-2 se obtienen por hidratación de los alquenos correspondientes: etileno y propileno . En la industria se utilizan dos tipos de hidratación: ácido sulfúrico y catalítica. La hidratación con ácido sulfúrico incluye la absorción de etileno con ácido sulfúrico concentrado (94-98%) a una temperatura de 80 °C y una presión de 1,3-1,5 MPa y la posterior hidrólisis de los sulfoésteres resultantes con agua. El segundo método de hidratación se basa en el uso de ácido fosfórico depositado sobre gel de sílice u otro sustrato como catalizador . Una mezcla de agua desionizada y etileno se calienta a una temperatura de 300 °C bajo una presión de 6 a 8 MPa y el etanol resultante se purifica por destilación. Estos métodos permiten obtener etanol con un contenido de agua del 5% en masa. La preparación de etanol anhidro (99,9%) se basa en la eliminación azeotrópica de agua con benceno [71] . Según datos de 2003, la producción mundial de etanol solo por hidratación de etileno es de 6 millones de toneladas por año [72] .
La producción mundial de etanol combustible en 2015, según la Asociación de Combustibles Renovables, ascendió a alrededor de 77 millones de toneladas [73] .
Para la hidratación de propileno, se requieren condiciones más suaves. El proceso de ácido sulfúrico se lleva a cabo a temperatura ambiente y una concentración de ácido sulfúrico de 70 a 75 %, y la hidratación catalítica se realiza a 180 °C y 4 MPa. A veces se utiliza un catalizador de tungsteno (WO 3 SiO 2 , 250 °C y 25 MPa) para hidratar el propileno. La producción mundial de propanol-2 en 2008 fue de 1,8 millones de toneladas [74] [75] [76] [77] .
El etilenglicol , uno de los productos más importantes de la industria química, también es producido por la reacción de hidratación en la industria , producido en la cantidad de 19,9 millones de toneladas anuales [78] y utilizado en grandes cantidades para la producción de anticongelante y fibras . La materia prima de esta síntesis es el óxido de etileno obtenido por oxidación directa del etileno con oxígeno atmosférico. El óxido de etileno se convierte en etilenglicol calentando su mezcla con un exceso molar de 20 veces de agua a 200 °C sin catalizador. A continuación, el etilenglicol se separa del agua y de los productos de oligomerización como resultado de sucesivas rectificaciones [79] .
La producción industrial de propanol-1 se basa en la reacción de hidroformilación de etileno y posterior hidrogenación del propanol resultante . La hidroformilación se lleva a cabo a una temperatura de 90-130°C, una presión total de propileno, óxido de carbono(II) e hidrógeno igual a 2,8 MPa, y en presencia de 500 ppm de un catalizador de rodio . La segunda etapa procede a 110-150°C en un exceso de hidrógeno sobre varios catalizadores metálicos (se utilizan combinaciones de compuestos de cobre , zinc , níquel y cromo ) [74] . El volumen de producción mundial de propanol-1 en 2003 ascendió a 0,14 millones de toneladas [80] .
La glicerina se obtiene como subproducto de la conversión de grasas en ácidos grasos y ésteres metílicos de ácidos grasos . Este proceso es la base de la producción de biodiesel , con 100 kg de glicerol producidos por cada tonelada de biodiesel. Este método sintetiza anualmente 1,5 millones de toneladas de glicerol (2004), y según las previsiones, estos volúmenes crecerán debido al aumento del interés por los combustibles alternativos. Las grasas se hidrolizan a 220–260 °C y una presión de 2–6 MPa o se transesterifican con metanol. La descomposición de grasas bajo la acción de álcalis o carbonatos se utiliza en escala limitada, por ejemplo, en la fabricación de jabón [81] [82] [83] .
Los alcoholes grasos superiores se producen de varias formas, incluida la hidrogenólisis de ésteres metílicos de ácidos grasos obtenidos por transesterificación de grasas, así como la hidroformilación de alquenos y la oligomerización de etileno seguida de oxidación (método de Ziegler). 2,15 millones de toneladas de alcoholes grasos superiores se producen anualmente en el mundo (2003) [84] [85] .
Para algunos alcoholes, los métodos bioquímicos juegan un papel más importante en la síntesis industrial. En particular, los volúmenes de bioetanol producido superan significativamente los volúmenes de etanol sintético. La producción bioquímica de etanol se basa en la hidrólisis ácida o enzimática de materiales vegetales, seguida de la fermentación alcohólica anaeróbica (fermentación) de los carbohidratos resultantes por hongos de levadura ( Saccharomyces ) o algunos tipos de bacterias . En particular, las levaduras son microorganismos muy convenientes para un amplio uso industrial. La fermentación asistida por levadura se caracteriza por una alta selectividad , baja acumulación de subproductos, alto rendimiento de etanol, alta velocidad de proceso y buena tolerancia de la levadura a concentraciones elevadas de etanol y sustrato. Los carbohidratos fácilmente fermentables pueden servir como materia prima en este proceso, así como el almidón y otros sustratos orgánicos, que primero deben hidrolizarse a una forma fermentable. Cultivos de uso común ( remolacha azucarera , patatas , cereales ), productos forestales ( madera , paja ) o residuos agrícolas [86] .
La producción de biobutanol se basa en la fermentación de materias primas de carbohidratos utilizando la bacteria Clostridium acetobutylicum [87] .
Las propiedades químicas de los alcoholes están determinadas por la presencia de un grupo hidroxilo en ellos . Debido a que el grupo hidroxilo es polar , puede disociarse heterolíticamente , especialmente cuando es atacado por bases fuertes . Así, los alcoholes exhiben las propiedades de los ácidos débiles . Además, la alta electronegatividad del oxígeno determina la presencia de un átomo de carbono electrofílico y, en consecuencia, la capacidad de los alcoholes para sufrir reacciones de sustitución nucleófila bajo la acción de varios nucleófilos. Finalmente, el átomo de oxígeno del grupo hidroxilo es nucleófilo , por lo que los alcoholes pueden actuar como nucleófilos en reacciones de sustitución y adición . Además, los alcoholes se caracterizan por reacciones de oxidación .
Los alcoholes pueden exhibir propiedades tanto ácidas como básicas. Como ácidos débiles , los alcoholes se disocian en el enlace O − H para formar el ion alcóxido. Las características ácidas de los alcoholes se evalúan por la constante de acidez Ka .
En una solución acuosa, la acidez de los alcoholes disminuye con el aumento del peso molecular y la ramificación de la cadena hidrocarbonada. Esto está asociado con un aumento en el efecto inductivo positivo de los sustituyentes alquilo en esta serie y una disminución en la estabilidad del ion alcóxido resultante debido a la localización de una carga negativa en el átomo de oxígeno [88] .
En general, los sustituyentes atractores de electrones ( -NO 2 , -CN, -F, -Cl, -Br, -I, -OR, etc.) aumentan la acidez de los alcoholes (reducen el pK a ). Por el contrario, los sustituyentes donantes de electrones (por ejemplo, los sustituyentes alquilo) disminuyen la acidez de los alcoholes (aumentan el pKa ). Por lo tanto, el pKa del 2,2,2 - trifluoroetanol es 12,43 (frente a 15,9 para el etanol) y el del terc -butanol completamente fluorado es 5,4 (frente a 17,7 para el terc - butanol) [89] . La acidez comparativa de alcoholes y compuestos de otras clases se muestra esquemáticamente en la figura [90] .
Como ácidos débiles , los alcoholes reaccionan con álcalis , alcalinotérreos y algunos otros metales, y con bases fuertes , como hidruros metálicos o amidas , reactivos de Grignard [91] .
Propiedades básicas de los alcoholesLos alcoholes también pueden comportarse como bases de Lewis débiles , formando sales de alcoxonio con ácidos minerales fuertes, así como dando complejos donador-aceptor con ácidos de Lewis . Por lo general, tales reacciones no se detienen en esta etapa y conducen a la sustitución nucleófila del grupo hidroxilo o a la eliminación del agua .
La basicidad de los alcoholes se cuantifica por la constante de basicidad p K b o la constante de acidez asociada con ella del ácido conjugado p K a H + :
Los alcoholes son bases débiles y su basicidad aumenta con la longitud o la ramificación del radical hidrocarbonado en el grupo hidroxilo. Este efecto se observa debido al crecimiento del efecto inductivo positivo del radical en esta serie, por lo que aumenta la carga negativa en el átomo de oxígeno del grupo hidroxilo [92] .
El átomo de carbono conectado directamente al grupo hidroxilo tiene una carga positiva parcial, lo que hace posible que una partícula nucleófila ( ion haluro , amoníaco , alcohol, etc.) ataque a este átomo de carbono, reemplazando el grupo hidroxilo por esta partícula. El grupo hidroxilo es un grupo saliente pobre , por lo que generalmente se requiere una activación adicional.
En presencia de catalizadores ácidos ( alúmina , ácido sulfúrico , ácido fosfórico , etc.), los alcoholes pueden sufrir deshidratación para formar alquenos . Por ejemplo, la deshidratación del alcohol etílico da como resultado la formación de etileno . La reacción procede de acuerdo con la regla de Zaitsev , según la cual, tras la deshidratación, se forma un alqueno más estable , más sustituido en el doble enlace [96] .
La presencia de un grupo hidroxilo en un compuesto puede detectarse mediante varias reacciones químicas comunes.
Para el análisis cuantitativo de alcoholes se suelen utilizar métodos basados en la reacción de esterificación con anhídridos de ácidos carboxílicos, por ejemplo, acético , ftálico , y también dianhídrido piromelítico. El contenido de alcohol se determina por valoración del ácido resultante con hidróxido de sodio [102] .
Otro método de análisis es determinar la cantidad de grupos hidroxilo que pueden reaccionar con el yoduro de metilmagnesio. En este caso, el cálculo se realiza en función de la cantidad de metano liberado ( método Chugaev-Tserevitinov ).
Para los glicoles , se aplica el método redox, donde se utiliza ácido yódico como agente oxidante . El análisis se lleva a cabo mediante la reacción del ácido yódico HIO 3 resultante con yoduro de potasio y la posterior titulación del yodo liberado con tiosulfato de sodio [102] .
Los espectros de masas de los alcoholes alifáticos presentan picos débiles del ion molecular, mientras que para los alcoholes superiores y ramificados estos picos están prácticamente ausentes, ya que se produce una fragmentación de la molécula en grado significativo. La fragmentación suele estar asociada a la pérdida de una molécula de agua, así como a la eliminación del etileno . Para los alcoholes de cadena larga predomina la eliminación de agua, por lo que sus espectros de masas son similares a los de los alquenos . Para alcoholes primarios se observan picos m / z 31 ;
Métodos espectroscópicos IR para el análisis de alcoholesLos espectros IR de los alcoholes se caracterizan por dos tipos de intensas bandas de absorción características:
También hay bandas de absorción de intensidad media, que, por regla general, no tienen un significado decisivo: en el rango de 1450–1250 cm– 1 (vibraciones de flexión en el plano O–H) y 750–650 cm – 1 (fuera de -vibraciones de flexión del plano O–H) [104] .
Bandas de absorción características de alcoholes en la región infrarroja [104]
Tipos de enlaces y fluctuaciones | Rango, cm −1 | Descripción de la banda de absorción |
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O−H, vibraciones de estiramiento | ||
ROH, no asociado | 3650-3580 | Banda estrecha vista en soluciones diluidas o vapores |
ROH HOR, dímeros (enlace de hidrógeno) | 3550-3400 | Banda ancha que pierde intensidad al diluirse |
ROH···HOR···, polímeros | 3400-3200 | Franja ancha o serie de franjas |
С−O, vibraciones de estiramiento | ||
R 3 COH, alcoholes terciarios | 1210-1100 | Bandas de alta intensidad, disminuyendo con la dilución |
R 2 CHOH, alcoholes secundarios | 1125-1000 | |
RCH 2 OH, alcoholes primarios | 1075-1000 | |
O−H, vibraciones de flexión | ||
ROH | 1450-1250 750-650 |
Bandas anchas de intensidad media, sin importancia práctica |
La espectroscopía de RMN 1H es ampliamente utilizada para el análisis de alcoholes; sin embargo, los desplazamientos químicos de los protones del grupo hidroxilo ( δ , ppm) se ven significativamente afectados por la naturaleza del solvente y otros factores externos. Para alcoholes alifáticos y alicíclicos δ es 0,5-3,0 (en DMSO -d 6 : 4-6) [105] .
17 La espectroscopía O también se usa para estudiar alcoholes Una diferencia significativa en los cambios para alcoholes primarios (etanol: δ 5.9 ppm), secundarios (propanol-2: δ 39.8 ppm) y terciarios (2-metilpropanol -2: δ 62.3 ppm) relativos al agua H 2 17 O permite establecer o confirmar la estructura del compuesto en estudio [106] .
Espectro de RMN 1H de etanol
Espectro IR de etanol
Las áreas de uso de los alcoholes son numerosas y variadas, especialmente considerando la más amplia gama de compuestos pertenecientes a esta clase. Sin embargo, desde un punto de vista industrial, solo una pequeña cantidad de alcoholes hace una contribución significativa a la economía mundial global.
En el TOP 50 de 2002 de compuestos [K 3] producidos por la industria química de los EE . UU. , los alcoholes incluyen solo metanol (lugar 14) y etilenglicol (lugar 29) [107] . Los siguientes 50 compuestos químicos más importantes, según datos de 1999, incluyen alcohol isopropílico , alcohol n - butílico , etanol sintético , propilenglicol , dietilenglicol , 2-etilhexanol , butanodiol-1,4 , sorbitol y glicerina [108] .
El alcohol más común y usado en el mundo es el etanol . Su consumo mundial es de unos 65 millones de toneladas [K 4] . El consumo global total de otros alcoholes (excepto etanol) en varias áreas de uso es de aproximadamente 70 millones de toneladas (a partir de 2009) [K 5] .
La mayor parte del alcohol metílico se utiliza en la síntesis industrial de formaldehído por el método de oxidación catalítica de metanol a alta temperatura [K 6] [109] . Además, el terc -butil metil éter , el ácido acético se obtiene a partir del metanol ( proceso de Monsanto) [110] , N,N-dimetilanilina [111] , metilaminas [112] y clorometano [113] .
El etanol se utiliza comercialmente para producir éter dietílico (mediante deshidratación a 250 °C sobre Al 2 O 3 ) [114] , cloral [115] , acetaldehído [116] y acetato de etilo [117] .
El alcohol isopropílico se convierte en acetona mediante deshidrogenación catalítica en fase líquida sobre níquel Raney a 150°C [118] . El principal producto obtenido del butanol es el acrilato de butilo [119] .
Para fines de combustible, actualmente se utilizan tres alcoholes en volúmenes industriales: metanol , etanol y butanol-1 , lo que se debe principalmente a su disponibilidad comercial y la posibilidad de producción masiva a partir de materiales vegetales (excepto metanol [K 7] ). En este caso, es posible utilizar alcoholes en forma de combustible en estado puro, en forma de diversas mezclas con gasolina o gasóleo [120] , así como aditivos oxigenantes (hasta un 10 %) para aumentar el número de octano y reducir la toxicidad de los gases de escape [K 8] [121] [122] . Un área separada es el uso de metanol para la transesterificación de grasas en la producción de biodiesel [123] .
El alcohol combustible predominante es el etanol. Según los expertos, en 2009, el 80-90% de todo el alcohol etílico producido en el mundo se utilizó para estos fines y ascendió a 73,9 mil millones de litros (≈ 58 millones de toneladas) [124] [125] .
Las principales razones para el estudio activo de los alcoholes como combustible alternativo son [126] :
Al mismo tiempo, el uso masivo de los alcoholes anteriores como combustible para motores, además de razones puramente económicas, tiene una serie de desventajas [127] :
Entre los disolventes , se encuentran muy difundidos una amplia variedad de tipos de alcoholes: monohídricos ( metanol , propanol-2 ) y polihídricos ( etilenglicol , glicerina ); alifáticos ( etanol , butanol-1 ) y cíclicos ( ciclohexanol ). Los alcoholes son disolventes polares y se utilizan en diversas industrias [128] . El consumo mundial de alcoholes como disolventes (según datos de 2013) ascendió a unos 6,5 millones de toneladas [129] .
El alcohol más común entre los solventes es el etanol ; su consumo mundial para estos fines (según datos de 2009) supera los 3,5 millones de toneladas por año [130] . Otros solventes populares son el metanol y el isopropanol [76] con volúmenes de consumo de más de 1 millón de toneladas por año.
El uso de alcoholes como solventes incluye las siguientes instrucciones [131] :
Las materias primas más importantes en la producción de tensioactivos modernos para detergentes sintéticos son los alcoholes grasos superiores , a partir de los cuales, dependiendo del reactivo, se obtienen tensioactivos no iónicos o aniónicos [132] .
El volumen mundial de uso de alcoholes grasos superiores en la producción de tensioactivos en 2000 ascendió a 1,68 millones de toneladas [132] . En 2003, se produjeron alrededor de 2,5 millones de toneladas de tensioactivos a base de alcoholes grasos superiores [133] .
Materiales poliméricos y sus componentesLos alcoholes tienen usos importantes como monómeros de partida para la síntesis de materiales poliméricos por policondensación . Básicamente, a base de alcoholes, se sintetizan poliésteres y poliuretanos . Los ejemplos más importantes de tales polímeros sintéticos son el tereftalato de polietileno, el tereftalato de polibutileno , obtenidos a partir del ácido tereftálico y el etilenglicol o el 1,4-butanodiol, respectivamente. La policondensación de glicoles , glicerol o pentaeritritol con anhídrido ftálico produce resinas alquídicas , que son muy utilizadas para la fabricación de barnices y pinturas. Los poliuretanos se obtienen por policondensación de isocianatos con glicoles o alcoholes polihídricos [134] .
Los alcoholes también se utilizan para producir plastificantes de éster y diéster para polímeros [135] .
Fluidos hidráulicos y lubricantesPara obtener fluidos hidráulicos no inflamables se utilizan soluciones acuosas que contienen glicerina y etanol . El etilenglicol y los ésteres basados en él se utilizan ampliamente en la producción de líquidos de frenos [136] .
Muchos lubricantes modernos contienen alcoholes grasos superiores y sus ésteres debido a su baja toxicidad, alto punto de inflamación y evaporación sin rastro cuando se calientan. Estas propiedades se utilizan para aplicaciones domésticas, así como para casos en los que el efecto de enfriamiento de la superficie es más importante que las propiedades antifricción (por ejemplo, al taladrar, aserrar u otro trabajo con metales) [137] .
PesticidasA pesar de que los alcoholes alifáticos saturados no sustituidos tienen actividad fungicida o herbicida , su uso directo como plaguicidas no encuentra una amplia aplicación práctica. Una de las pocas direcciones es su uso como regulador del crecimiento de las plantas . El etanol , el etilenglicol y otros glicoles, algunos alcoholes grasos superiores tienen propiedades similares [138] .
Los alcoholes sustituidos con halógeno muestran una actividad mucho mayor y tienen actividad raticida , herbicida y fungicida . Por ejemplo, el fármaco glifluoro , que es una mezcla de 1,3-difluoropropanol-2 y 1-fluoro-3-cloropropanol-2, se usa para controlar roedores murinos y ardillas terrestres [139] .
Se observa una mayor actividad biológica en alcoholes insaturados y aromáticos. El alcohol alílico se usa como herbicida; muchos alcoholes insaturados superiores son feromonas de insectos. Algunos alcoholes bifenílicos aromáticos son acaricidas activos : dicofol , clorfenetol , proclonol [139] [140] .
Muchos alcoholes son intermediarios para la síntesis de varios pesticidas [141] . Por ejemplo, el metanol se utiliza en la producción de glifosato [142] , crotoxifos - alcohol α-metilbencílico [143] , piretroides de tercera generación - alcohol 3-fenoxibencílico [144] .
Además, los alcoholes se usan ampliamente como vehículos no acuosos para crear composiciones comerciales de plaguicidas [145] .
La base de todas las bebidas alcohólicas es el etanol , que se obtiene por fermentación de materias primas alimenticias: uvas, papas, trigo y otros productos que contienen almidón o azúcar. Además, el alcohol etílico se utiliza como componente de algunos alimentos y esencias aromáticas (saborizantes) , muy utilizados en la cocina, repostería, repostería, chocolatería, dulces, bebidas, helados, mermeladas, jaleas, compotas, mermeladas, etc. Sin embargo, el etanol es una lista de alcoholes utilizados en la industria alimentaria no limitada. Los alcoholes se pueden encontrar entre una amplia variedad de aditivos alimentarios , por ejemplo, la glicerina (E422) se utiliza como agente de retención de humedad, disolvente, espesante, separador [K 9] , formador de película [K 10] , agente de encapsulación. Varios alcoholes se utilizan como edulcorantes ( xilitol , manitol , sorbitol , eritritol ), aromatizantes ( mentol ), colorantes ( luteína ), etc. [147]
Perfumes, cosmeticos y productos de quimica domesticaLos alcoholes se utilizan ampliamente como sustancias aromáticas para composiciones en la industria de la perfumería y la cosmética y en la producción de fragancias para productos químicos domésticos y otros productos de consumo ( geraniol , nerol , citronelol , mentol , etc.). Además de aromatizantes, los alcoholes también se utilizan en productos de perfumería y cosmética para otros fines [148] :
El principal alcohol utilizado con fines médicos es el etanol . Se utiliza como antiséptico e irritante externo para la preparación de compresas y fricciones. El alcohol etílico se usa aún más para la preparación de varias tinturas, diluciones, extractos y otras formas de dosificación [149] .
El uso de alcoholes como drogas propias no es tan notorio, sin embargo, muchas drogas, por la presencia formal de un grupo hidroxilo, pueden atribuirse a la clase de compuestos orgánicos en consideración ( clembuterol , clorobutanol , manitol , estradiol , etc.). Por ejemplo, en la lista de los 10 medicamentos recetados estadounidenses más importantes en 2000, el albuterol , que contiene un grupo hidroxilo, ocupa el sexto lugar [150] .
En la actualidad, es difícil encontrar un área de la actividad práctica humana donde los alcoholes no se utilicen en una u otra función. Se pueden distinguir las siguientes áreas menores de uso:
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