Пропанол
Общие сведения
Пропанол (пропиловый спирт) представляет собой органическое соединение, относящееся к гомологическому ряду предельных алифатических одноатомных спиртов. Химическая формула данного соединения — C3H7OH. При нормальных физических условиях пропанол представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, обладающую характерным, достаточно резким спиртовым запахом, который практически не отличим от запаха этилового спирта. Вещество характеризуется высокой горючестью и огнеопасностью, однако процесс его горения протекает чисто, с полным окислением до углекислого газа и воды, без образования сажи или копоти. Пропанол обладает высокой растворяющей способностью: он неограниченно смешивается с водой, а также хорошо растворяется в большинстве распространенных органических растворителей, таких как этанол, диэтиловый эфир, ацетон и бензол. Физиологическое воздействие пропанола на живые организмы выражено сильнее, чем у его младших гомологов, что делает его весьма токсичным веществом, требующим строгого контроля при использовании.
Классификация
Классификация пропанола базируется на явлении структурной изомерии углеродного скелета, а именно на положении гидроксильной группы (-OH) в молекуле. В связи с этим выделяют два основных изомера. Первым является 1-пропанол (н-пропиловый спирт), в котором гидроксильная группа присоединена к первичному (крайнему) атому углерода. Вторым изомером выступает 2-пропанол (изопропиловый спирт, изопропанол), в структуре которого гидроксильная группа связана со вторичным (центральным) атомом углерода. Оба соединения имеют идентичную молекулярную массу и брутто-формулу, однако различаются по своим физико-химическим свойствам, реакционной способности и путям метаболизма в биологических системах.
Способы получения
В промышленном органическом синтезе для каждого из изомеров пропанола разработаны специфические крупнотоннажные методы получения. 1-пропанол в незначительных количествах образуется естественным путем в качестве побочного продукта в процессах спиртового брожения углеводов, входя в состав так называемых сивушных масел. В промышленных же масштабах основным методом его синтеза является гидроформилирование этилена, получаемого из нефтехимического сырья. Процесс заключается во взаимодействии этилена с синтез-газом (смесью угарного газа и водорода), в результате чего первоначально образуется пропаналь (пропионовый альдегид). На следующей стадии пропаналь подвергается каталитическому гидрированию (присоединению дополнительного водорода), что приводит к образованию целевого 1-пропанола.
Основным способом получения изопропилового спирта (2-пропанола), в том числе на территории России, является сернокислотная гидратация пропилена — газа, извлекаемого в процессе крекинга нефти. В ходе данной реакции молекула воды присоединяется к двойной связи пропилена по правилу Марковникова. Альтернативным промышленным методом синтеза изопропанола является прямое каталитическое гидрирование ацетона водородом, которое протекает в присутствии медно-никель-хромитовых катализаторов. Также применяется метод прямого окисления соответствующих низших алканов кислородом воздуха.
Свойства
Физические свойства изомеров пропанола имеют ряд особенностей. Изопропиловый спирт способен образовывать с водой нераздельно кипящую азеотропную смесь при концентрации спирта около 88 процентов. Температура кипения такой смеси составляет 87,9 градуса Цельсия, что немного ниже температуры кипения азеотропа этилового спирта. Важной физической характеристикой пропанола является его относительно низкая летучесть по сравнению с метанолом и этанолом. Газообразные пары пропанола тяжелее воздуха, из-за чего они хуже испаряются, что несколько снижает риск острых ингаляционных отравлений при небольших разливах, хотя значительные площади розлива все равно требуют немедленной ликвидации и интенсивного проветривания.
Химические свойства 1-пропанола типичны для первичных одноатомных спиртов. Он вступает в реакции замещения с галогенами, образуя галогеналканы, а также взаимодействует с активными металлами с образованием алкоголятов. Важнейшей реакцией является этерификация: при взаимодействии 1-пропанола с уксусной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты синтезируется пропилацетат, имеющий важное промышленное значение. Аналогичным образом, при кипячении с муравьиной кислотой образуется пропилформиат. Под действием сильных окислителей, таких как хромовый ангидрид или смесь бихромата калия с серной кислотой, 1-пропанол окисляется сначала до пропаналя, а затем до пропионовой кислоты с выходом целевого продукта около 50 процентов. Вторичный спирт, 2-пропанол, при каталитическом дегидрировании превращается в кетон — ацетон. Способность к дегидратации позволяет получать из пропанола соответствующие алкены, в частности, пропилен.
Физиологические и токсикологические свойства пропанола требуют особого внимания. Пропанол является сильным ядом, оказывающим глубокое угнетающее воздействие на центральную нервную систему. Токсичность пропилового спирта превышает токсичность этанола в 3–6 раз, приближаясь по степени опасности к метанолу. При попадании в организм млекопитающих он вызывает состояние сильного алкогольного опьянения, которое наступает примерно в 10 раз быстрее и интенсивнее, чем от этилового спирта. Употребление всего 100 граммов пропанола оказывает на организм действие, эквивалентное воздействию одного литра водки, что приводит к быстрому отключению сознания. Именно эта особенность парадоксальным образом снижает частоту летальных исходов от передозировки: человек теряет сознание до того, как успевает выпить смертельную дозу, составляющую около 500 граммов. Метаболизм пропанола в организме протекает тяжело: 1-пропанол окисляется до токсичной пропионовой кислоты, а изопропиловый спирт ферментативно дегидрируется, превращаясь в ацетон. Период биологического полураспада изопропанола достигает 8 часов, что сопровождается тяжелейшим отравлением, сильной головной болью и длительным угнетением функций центральной нервной системы.
Применение
Спектр промышленного применения пропанола чрезвычайно широк. 1-пропанол используется преимущественно в химической индустрии в качестве универсального растворителя для полиамидных восков, типографских чернил, природных и синтетических смол. Он выступает в роли эффективного обезжиривателя металлов и алкилирующего агента в синтезе пропионовой кислоты, пропилацетата, пропиламида и различных пестицидов. Теоретически, благодаря высокому октановому числу, 1-пропанол мог бы применяться в качестве моторного топлива, однако его использование в бензобаках экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости производства по сравнению с традиционными фракциями прямой перегонки нефти.
Изопропиловый спирт (2-пропанол) нашел колоссальное применение в медицине и фармакологии, став полноценной заменой этиловому спирту в сфере обеззараживания. Стандартный 75-процентный водный раствор изопропанола является высокоэффективным антисептиком для обработки рук, операционных поверхностей и пораженных дерматитом участков кожи, причем его бактерицидная активность превосходит таковую у этанола. Широко применяется изопропанол в косметике и парфюмерии: благодаря плохой летучести, его ядовитые пары не накапливаются в опасных концентрациях при нанесении на кожу. Изопропанол входит в состав стеклоочистителей, антифризов и бытовой химии, отлично растворяет эфирные масла, алкалоиды, некоторые виды пластмасс и резины. В высокотехнологичных отраслях он применяется для очистки оптического волокна при сварке, в газовой хроматографии, при обслуживании сложной оргтехники, а также в биологических и генетических исследованиях для экстракции ДНК. Кроме того, изопропанол является ценным сырьем для обратного синтеза ацетона, пероксида водорода, изопропилацетата и изопропиламина.