Бутанол
Общие сведения
Бутанол (систематическое наименование по номенклатуре ИЮПАК — бутан-1-ол, тривиальное название — бутиловый спирт) представляет собой органическое соединение, относящееся к классу предельных алифатических одноатомных спиртов. Химическая формула вещества — C4H9OH. Впервые данное соединение было синтезировано в 1870 году выдающимся русским химиком Александром Михайловичем Зайцевым. При нормальных условиях бутанол представляет собой бесцветную, слегка вязкую и маслянистую жидкость, обладающую выраженным резким запахом сивушного масла. По своему физиологическому воздействию на организм человека бутанол проявляет свойства нейродепрессанта, вызывая состояние опьянения, сходное с действием этилового спирта, однако он является значительно более токсичным соединением, употребление которого внутрь категорически недопустимо и ведет к тяжелейшим отравлениям.
Классификация
В органической химии структурная изомерия спиртов, содержащих четыре атома углерода, обуславливает существование четырех изомеров бутилового спирта, различающихся строением углеродного скелета и положением гидроксильной группы.
Первым и наиболее востребованным в промышленности изомером является первичный бутиловый спирт — бутанол-1 (или нормальный бутанол). В его структуре гидроксильная группа присоединена к крайнему (первому) атому углерода в неразветвленной углеродной цепи.
Вторым важным изомером выступает вторичный бутиловый спирт — бутанол-2 (втор-бутиловый спирт). В данной молекуле гидроксильная группа локализована у второго атома углерода. Специфической особенностью бутанола-2 является наличие хирального центра: второй атом углерода связан с четырьмя различными заместителями. Вследствие этого бутанол-2 существует в виде двух пространственных оптических изомеров — R-бутанола и S-бутанола. В стандартных условиях синтеза и промышленного производства вещество образуется в виде рацемата — эквимолярной оптически неактивной смеси обоих энантиомеров.
Помимо нормальных спиртов, существуют изомеры с разветвленным углеродным скелетом: 2-метилпропанол-1, известный как изобутиловый спирт (или изобутанол), а также 2-метилпропанол-2, именуемый третичным бутиловым спиртом (трет-бутанолом).
Способы получения
Технологии производства бутанола зависят от конкретного изомера и базируются как на методах нефтехимического, так и микробиологического синтеза.
Для получения нормального бутилового спирта (бутанола-1) в промышленности широко применяется метод оксосинтеза (гидроформилирования) пропилена, получаемого при крекинге нефти. Реакция протекает в присутствии никель-кобальтовых катализаторов. Альтернативным химическим путем является синтез из ацетальдегида, который осуществляется с использованием медных, медно-хромовых или никелевых каталитических систем.
Особое историческое и современное значение имеет биологический способ синтеза бутанола-1, известный как ацетоно-бутиловое брожение. Массовое производство данным методом было запущено в 1910-х годах. Процесс основан на жизнедеятельности специфических анаэробных бактерий вида Clostridium acetobutylicum. В качестве сырья для ферментации используются различные виды биомассы, богатые углеводами: сахарный тростник, сахарная свекла, а также целлюлозосодержащие отходы. Выбор между нефтехимическим и биологическим (получение биобутанола) методами в промышленных масштабах напрямую коррелирует с мировыми ценами на углеводородное сырье: при удорожании нефти рентабельность биологического пути многократно возрастает. Полученный микробиологическим путем спирт подвергается многостадийной очистке, включающей фракционную перегонку и промывание раствором бисульфита натрия для удаления побочных продуктов метаболизма бактерий.
Синтез вторичного бутилового спирта (бутанола-2) в индустриальных масштабах осуществляется преимущественно путем каталитической гидратации бутилена-2. Процесс представляет собой присоединение молекулы воды к двойной углерод-углеродной связи алкена, где в качестве катализатора традиционно выступает концентрированная серная кислота.
В лабораторной практике для селективного получения бутанола-2 применяется реакция Гриньяра. Суть метода заключается во взаимодействии реактива Гриньяра (в частности, бромида этилмагния) с ацетальдегидом. Реакцию проводят в среде абсолютно сухих (безводных) эфирных растворителей — диэтилового эфира или тетрагидрофурана. Последующий гидролиз образовавшегося промежуточного магнийалкоголята приводит к выделению чистого целевого спирта.
Свойства
Бутанол-1 и бутанол-2 представляют собой легковоспламеняющиеся бесцветные жидкости. В отличие от низших спиртов (метанола и этанола), которые неограниченно смешиваются с водой, бутиловые спирты обладают ограниченной растворимостью в водной среде. При этом они превосходно растворяются в большинстве органических растворителей. Бутанол-1 обладает весьма специфическим и неприятным запахом сивушных масел, тогда как бутанол-2 имеет более мягкий и приятный аромат.
Химические свойства бутиловых спиртов определяются присутствием гидроксильной группы и типичны для алифатических спиртов: они способны вступать в реакции дегидратации, окисления с образованием соответствующих альдегидов или кетонов, а также образовывать сложные эфиры при взаимодействии с карбоновыми кислотами.
Токсикологические характеристики бутанола требуют соблюдения строгих мер безопасности при обращении с ним. Острая токсичность бутанола ниже, чем у метилового спирта (поражающего зрительный нерв), однако он значительно более ядовит по сравнению с этиловым спиртом. Пары бутилового спирта оказывают сильное раздражающее воздействие на слизистые оболочки дыхательных путей, конъюнктиву и роговицу глаз. При случайном или преднамеренном употреблении внутрь вещество вызывает тяжелую интоксикацию и глубокое отравление организма, способное привести к фатальным последствиям.
Применение
Спектр промышленного применения бутиловых спиртов чрезвычайно широк. Бутанол-1 является востребованным растворителем в лакокрасочной промышленности. Он выступает базовым сырьем для синтеза ценных пластификаторов, таких как дибутилфталат и трибутилфосфат, которые улучшают эластичность полимерных материалов. В сфере тонкого органического синтеза из него получают бутилацетат и бутилакрилат. В условиях глобального поиска альтернативных источников энергии бутанол-1 (биобутанол) рассматривается как перспективное моторное топливо. По своей энергоемкости он значительно ближе к традиционному бензину, чем биоэтанол, что позволяет использовать его в качестве эффективной топливной присадки (опыт применения которой начался в Великобритании) или в составе топливных элементов.
Бутанол-2 используется в качестве промышленного растворителя, однако его главное предназначение заключается в роли химического прекурсора для масштабного производства метилэтилкетона. Метилэтилкетон, синтезируемый путем дегидрирования бутанола-2, является мощным и универсальным растворителем, который массово входит в состав высокоэффективных бытовых чистящих средств и жидкостей для удаления старых лакокрасочных покрытий. Кроме того, благодаря своему приятному запаху, вторичный бутиловый спирт в ограниченных количествах может применяться в парфюмерной промышленности в качестве ароматизирующего компонента.