Реакция гидратации
В химии реакция гидратации — это химическая реакция , в которой вещество соединяется с водой . В органической химии воду добавляют к ненасыщенному субстрату, которым обычно является алкен или алкин . Этот тип реакции используется в промышленности для производства этанола , изопропанола и бутан-2-ола . [1]
Органическая химия
[ редактировать ]Любое ненасыщенное органическое соединение подвержено гидратации.
Эпоксиды гликоля
[ редактировать ]Несколько миллионов тонн этиленгликоля ежегодно производятся путем гидратации оксирана , циклического соединения, также известного как оксид этилена :
- C 2 H 4 O + H 2 O → HO–CH 2 CH 2 –OH
Обычно используются кислотные катализаторы. [2]
Алкены
[ редактировать ]Общее химическое уравнение гидратации алкенов выглядит следующим образом:
- RRC=CH 2 + H 2 O → RRC(OH)-CH 3
Гидроксильная группа ( OH − ) присоединяется к одному углероду двойной связи и протону (H + ) добавляет к другому. Реакция сильно экзотермична. На первом этапе алкен действует как нуклеофил и атакует протон, следуя правилу Марковникова . На втором этапе H 2 O молекула связывается с другим, более сильно замещенным углеродом. Атом кислорода в этой точке имеет три связи и несет положительный заряд (т. е. молекула представляет собой оксоний ) . Приходит другая молекула воды и захватывает лишний протон. Эта реакция имеет тенденцию давать множество нежелательных побочных продуктов (например, диэтиловый эфир в процессе создания этанола ), и в своей простой форме, описанной здесь, она не считается очень полезной для производства спирта.
Применяются два подхода. Традиционно алкен обрабатывают серной кислотой с получением алкилсульфатных эфиров . В случае производства этанола этот этап можно записать:
- H 2 SO 4 + C 2 H 4 → C 2 H 5 -O-SO 3 H
Впоследствии этот эфир сульфата гидролизуется для регенерации серной кислоты и выделения этанола:
- C 2 H 5 -O-SO 3 H + H 2 O → H 2 SO 4 + C 2 H 5 OH
Этот двухэтапный путь называется «косвенным процессом».
В «прямом процессе» кислота протонирует алкен, и вода реагирует с этим зарождающимся карбокатионом, образуя спирт. Прямой процесс более популярен, поскольку он проще. Кислотные катализаторы включают фосфорную кислоту и несколько твердых кислот . [1] Вот пример механизма реакции гидратации 1-метилциклогексена в 1-метилциклогексанол:
Доступно множество альтернативных способов производства спиртов, включая реакцию гидроборирования-окисления , реакцию оксимеркурации-восстановления , гидратацию Мукаямы , восстановление кетонов и альдегидов, а также биологический метод ферментации .
Алкины
[ редактировать ]Гидраты ацетилена дают ацетальдегид: [3] В этом процессе обычно используются ртутные катализаторы, и на Западе его прекратили, но все еще практикуют в Китае. ртуть 2+ центр связывается со связью C≡C, которая затем подвергается атаке воды. Реакция
- Н 2 О + С 2 Н 2 → СН 3 СНО
Альдегиды и кетоны
[ редактировать ]Альдегиды и в некоторой степени даже кетоны гидратируются до геминальных диолов . Реакция особенно преобладает с формальдегидом, который в присутствии воды существует в основном в виде дигидроксиметана.
Концептуально подобные реакции включают гидроаминирование и гидроалкоксилирование , которые включают присоединение аминов и спиртов к алкенам.
Нитрилы
[ редактировать ]Нитрилы подвержены гидратации до амидов: RCN + H 2 O → RC(O)NH 2 Эта реакция требует катализаторов. Ферменты используются для промышленного производства акриламида из акрилонитрила . [4]
Неорганическая химия и химия материалов
[ редактировать ]Гидратация является важным процессом во многих других приложениях; Одним из примеров является производство портландцемента путем сшивания оксидов кальция и силикатов под действием воды. Гидратация – это процесс, посредством которого действуют осушители.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Фальбе, Юрген; Бахрманн, Гельмут; Липпс, Вольфганг; Майер, Дитер. «Спирты алифатические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a01_279 . ISBN 978-3527306732 . .
- ^ Зигфрид Ребсдат; Дитер Майер. «Этиленгликоль». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a10_101 . ISBN 978-3527306732 .
- ^ Марк Эккерт, Джеральд Флейшманн, Рейнхард Йира, Герман М. Болт, Клаус Голка «Ацетальдегид» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , 2006, Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a01_031.pub2 .
- ^ Банерджи, А.; Шарма, Р.; Банерджи, У. (2002). «ОТЗЫВАННАЯ СТАТЬЯ: Ферменты, разлагающие нитрил: текущее состояние и перспективы на будущее». Прикладная микробиология и биотехнология . 60 (1–2): 33–44. дои : 10.1007/s00253-002-1062-0 . ПМИД 12382040 . S2CID 44979676 . (Отозвано, см. два : 10.1007/s00253-016-7708-0 , PMID 27383608 , Часы втягивания )