Ацетон
Общие сведения
Ацетон представляет собой органическое соединение, являющееся простейшим и важнейшим представителем класса алифатических кетонов. Химический состав данного вещества был установлен в 1832 году. Само название «ацетон» было предложено в 1848 году немецким химиком Леопольдом Гмелином и этимологически восходит к латинскому слову «acetum», что означает «уксус». Это связано с тем, что ацетон, уксусный альдегид и уксусная кислота генетически связаны в единый ряд химических превращений; в частности, на протяжении длительного времени именно из ацетона в промышленности синтезировали уксусную кислоту. Ацетон имеет колоссальное значение для современной химической индустрии: мировое производство этого соединения достигает семи миллионов тонн в год и имеет тенденцию к непрерывному росту. Вещество также имеет важное биологическое значение, поскольку в норме присутствует в малых количествах в крови и моче млекопитающих и человека, являясь одним из компонентов так называемых кетоновых тел, образующихся в процессе обмена веществ.
Классификация
Согласно систематической номенклатуре Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), ацетон носит название пропанон или пропанон-2. Молекула состоит из трехуглеродного скелета, в котором центральный атом углерода образует двойную связь с атомом кислорода, формируя характерную для данного класса соединений карбонильную группу, связанную с двумя метильными радикалами. Наличие карбонильной группы и подвижных атомов водорода в альфа-положениях определяет высокую реакционную способность молекулы и ее классификационное отнесение к типичным алифатическим кетонам.
Способы получения
Исторически первыми методами синтеза ацетона являлись процессы сухой перегонки. При коксовании древесины образовывался древесный уксус, который нейтрализовали известью. Полученный в результате ацетат кальция подвергали сухой перегонке с получением ацетона. В настоящее время данный метод не применяется из-за крайне низкого выхода целевого продукта и большого количества образующихся примесей.
Существовали также биологические методы синтеза, основанные на ацетоно-бутиловом брожении углеводов под действием специфических бактерий рода клостридиум. В отличие от дрожжей, продуцирующих этиловый спирт, данные микроорганизмы вырабатывали смесь бутилового спирта, этилового спирта и ацетона. Тем не менее, выход ацетона при таком микробиологическом синтезе оставался небольшим.
Резкий скачок в развитии технологий производства ацетона произошел в период Первой мировой войны, когда он потребовался в огромных количествах для производства химического оружия — хлорацетона. В Германии был разработан метод массового получения ацетона путем пропускания паров уксусной кислоты над катализатором из церия. Также применялся метод прямого синтеза из ацетилена.
В современной химической промышленности доминирующим методом является получение ацетона в качестве сопутствующего продукта при синтезе фенола из бензола. Процесс состоит из нескольких стадий. Первоначально бензол алкилируется пропеном с образованием изопропилбензола (кумола). Затем кумол подвергается окислению кислородом воздуха по реакции Удриса — Сергеева с образованием гидропероксида кумола. На заключительной стадии гидропероксид расщепляется под действием серной кислоты на фенол и ацетон. Несмотря на использование высокотоксичных реагентов и интермедиатов, этот кумольный метод является основным в мире.
Альтернативным современным способом является окисление изопропилового спирта (изопропанола). Реакцию проводят в паровой фазе при температуре около 450 градусов Цельсия в присутствии металлических катализаторов, таких как медь, никель, платина или серебро. Использование серебряного катализатора позволяет достичь выхода ацетона на уровне 90 процентов.
Широкое распространение получил также метод прямого окисления пропена, получаемого из нефтехимического сырья. Процесс ведут в жидкой фазе под давлением до 100 атмосфер и высокой температуре. В качестве катализатора выступает хлорид палладия в среде растворов солей палладия, меди и железа. Этот метод обеспечивает высокий выход ацетона непосредственно из пропена.
Свойства
При нормальных условиях ацетон представляет собой бесцветную, весьма подвижную и легколетучую жидкость со специфическим резким запахом, который воспринимается человеком как неприятный. Соединение обладает исключительной растворяющей способностью: оно смешивается в любых соотношениях с водой, диэтиловым эфиром, бензолом, метанолом и этанолом, а также способно растворять множество органических веществ. Одной из главных физических опасностей ацетона является его высокая летучесть и воспламеняемость. Пары ацетона быстро распространяются в воздухе, образуя легковоспламеняющиеся и взрывоопасные смеси даже при небольших концентрациях газа.
Химические свойства ацетона весьма многообразны и обусловлены наличием карбонильной группы и альфа-метильных групп. Карбонильная группа легко подвергается реакциям восстановления: амальгамы магния или цинка восстанавливают ацетон до пинакона. Сам ацетон при определенных условиях способен выступать в роли окислителя, например, превращая спирты в кетоны в присутствии алкоголятов алюминия. Под действием таких сильных окислителей, как хромовый ангидрид, молекула ацетона полностью разрушается до углекислого газа и воды.
Реакции нуклеофильного присоединения по карбонильной группе протекают достаточно легко. Присоединение синильной кислоты приводит к образованию ацетонциангидрина. Взаимодействие с хлороформом дает хлорэтон, а бисульфиты образуют соответствующие кристаллические продукты присоединения. Под действием пероксида водорода ацетон превращается в пероксиды циклического строения (мономерные, димерные или тримерные структуры). Реакция ацетона с аммиаком и водородом в присутствии никелевого или медного катализатора при давлении 10 атмосфер и температуре 150 градусов Цельсия приводит к образованию аминов.
Реакции по альфа-положению идут через стадию образования енола и енолят-иона. При воздействии на ацетон металлического натрия или амида натрия образуются соли — ацетоннатрий. Взаимодействие с галогенами приводит к замещению атомов водорода в метильных группах; например, реакция с хлором дает хлороформ, а с йодом в щелочной среде — йодоформ.
Ацетон склонен к разнообразным реакциям конденсации. В щелочной среде две молекулы ацетона конденсируются с образованием диацетонового спирта. При отщеплении воды (кротоновая самоконденсация) образуется форон. Конденсация трех молекул ацетона с отщеплением молекул воды приводит к замыканию цикла с образованием ароматического углеводорода — 1,3,5-триметилбензола (мезитилена). Термическое разложение (пиролиз) ацетона приводит к образованию высокореакционного кетена.
Для качественного обнаружения ацетона в аналитической и токсикологической химии применяют йодоформную пробу и пробу Легаля. При добавлении к исследуемому раствору аммиака и йодной настойки образование характерного желтого осадка йодоформа с типичным запахом и кристаллами в форме шестилучевых звезд свидетельствует о наличии ацетона. Проба Легаля заключается во взаимодействии ацетона с нитропруссидом натрия, что приводит к появлению интенсивного красного окрашивания раствора за счет образования комплексных соединений с железом.
Токсикологические свойства ацетона выражены в меньшей степени, чем у формальдегида или бензола. Ацетон относится к малоопасным, но ядовитым веществам. В организме человека кетоновые тела (включая ацетон) постоянно образуются в процессе метаболизма и частично выводятся с мочой и выдыхаемым воздухом. Однако при нарушениях обмена веществ, таких как тяжелые формы сахарного диабета или длительное голодание, концентрация ацетона резко возрастает, что приводит к самоотравлению организма (дыхание и моча приобретают выраженный запах ацетона).
Экзогенное отравление парами ацетона вызывает раздражение слизистых оболочек, а при длительном вдыхании может привести к токсической пневмонии и отеку легких. Вещество обладает слабым наркотическим действием. При случайном употреблении внутрь наблюдается состояние опьянения, сопровождающееся болями в животе. Хотя отравления редко бывают смертельными и лечатся стандартными методами (промывание желудка, усиленный диурез), высокие дозы ацетона способны вызывать токсический гепатит и поражение почек, вплоть до развития комы. Ацетон выводится из организма сравнительно медленно и способен накапливаться в тканях.
Применение
Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам и экономической доступности ацетон находит широчайшее применение как в промышленности, так и в быту. Главным образом он используется в качестве универсального растворителя. Ацетон применяют при производстве лакокрасочных материалов, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, клеев для кинопленок, а также для очистки поверхностей в производственных процессах и удаления монтажной пены. В лабораторной практике ацетон является незаменимым средством для мытья химической посуды благодаря его низкой стоимости, малой токсичности и способности быстро испаряться без остатка. При проведении реакций окисления перманганатом калия ацетон часто выступает в качестве среды (растворителя).
Важной специфической областью применения является хранение и транспортировка газообразного ацетилена. Поскольку сжатый ацетилен чрезвычайно взрывоопасен, баллоны заполняют пористым материалом, пропитанным ацетоном. Один литр ацетона способен безопасно растворить в себе до 250 литров ацетилена.
В тонком органическом и промышленном синтезе ацетон выступает ценным исходным сырьем (прекурсором). Из него синтезируют уксусный ангидрид, кетен, диацетоновый спирт, метилметакрилат. Особое значение имеет синтез бисфенола А (дифенилпропана), который в дальнейшем служит основным строительным блоком для масштабного производства поликарбонатов, полиуретанов, пластмасс и эпоксидных смол.
Следует отметить, что технический ацетон часто содержит примеси воды и спиртов. Для удаления воды (сушки) его выдерживают и перегоняют над безводным поташом, поскольку использование многих других осушителей с данным веществом неэффективно или опасно. В связи с тем, что ацетон может использоваться в нелегальных схемах синтеза наркотических средств, в ряде государств (включая Российскую Федерацию) он при высокой концентрации внесен в списки прекурсоров наркотических и психотропных веществ, что требует строгого контроля, учета и ведения специальных журналов расходов в лабораториях и на производствах.