Реакция гидратации - Hydration reaction
В химии , А реакция гидратации является химической реакцией , в которой вещество в сочетании с водой. В органической химии вода добавляется к ненасыщенному субстрату, которым обычно является алкен или алкин . Этот тип реакции используется в промышленности для получения этанола , изопропанола и бутан-2-ола .
Органическая химия
Эпоксиды в гликоль
Несколько миллионов тонн этиленгликоля ежегодно производятся путем гидратации оксирана , циклического соединения, также известного как оксид этилена :
- С 2 Н 4 О + Н 2 О → НО – СН 2 СН 2 –ОН
Обычно используются кислотные катализаторы.
Алкенес
Для гидратации алкенов общее химическое уравнение реакции выглядит следующим образом:
- RRC = CH 2 в H 2 O / кислота → RRC (OH) -CH 3
Гидроксильная группа (ОН - ) прикрепляется к одному атому углерода двойной связи, и протона (Н + ) добавляет к другой углерода двойной связи. Реакция сильно экзотермична. На первом этапе алкен действует как нуклеофил и атакует протон, следуя правилу Марковникова . На втором этапе молекула H 2 O связывается с другим, более замещенным углеродом. Атом кислорода в этой точке имеет три связи и несет положительный заряд (т. Е. Молекула является оксонием ). Другая молекула воды приходит и забирает лишний протон. Эта реакция имеет тенденцию к образованию многих нежелательных побочных продуктов (например, диэтилового эфира в процессе создания этанола ) и в ее простой форме, описанной здесь, не считается очень полезной для производства спирта.
Используются два подхода. Традиционно алкен обрабатывают серной кислотой с получением сложных эфиров алкилсульфата . В случае производства этанола этот шаг можно записать:
- H 2 SO 4 + C 2 H 4 → C 2 H 5 -O-SO 3 H
Впоследствии этот сложный сульфатный эфир гидролизуется для регенерации серной кислоты и высвобождения 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, давая спирт. Прямой процесс более популярен, потому что он проще. Кислотные катализаторы включают фосфорную кислоту и несколько твердых кислот . Вот пример механизма реакции гидратации 1-метилциклогексена до 1-метилциклогексанола:
Многие альтернативные маршруты доступны для получения спиртов, в том числе реакции гидроборировании-окисления , в реакции oxymercuration-восстановительной , в гидратации Mukaiyama , восстановления кетонов и альдегидов и в качестве биологического метода ферментации .
Увлажнение других субстратов
Любое ненасыщенное органическое соединение подвержено гидратации. Гидраты ацетилена с образованием ацетальдегида: процесс, как правило, основан на использовании ртутных катализаторов и был прекращен на Западе, но все еще практикуется в Китае. Центр Hg 2+ связывается со связью C≡C, которая затем подвергается атаке воды. Реакция такая:
- Н 2 О + С 2 Н 2 → СН 3 СНО
Нитрилы гидратируются с образованием амидов:
- Н 2 О + RCN → RC (O) NH 2
Эта реакция используется при производстве акриламида .
Альдегиды и в некоторой степени даже кетоны гидратируются до геминальных диолов . Реакция особенно доминирует для формальдегида, который в присутствии воды существует в значительной степени как дигидроксиметан.
Концептуально подобные реакции включают гидроаминирование и гидроалкоксилирование, которые включают добавление аминов и спиртов к алкенам.
Неорганическая химия и химия материалов
Гидратация - важный процесс во многих других приложениях; одним из примеров является производство портландцемента путем сшивания оксидов и силикатов кальция, которое индуцируется водой. Гидратация - это процесс, в котором действуют осушители.
Ссылки
- ^ a b Фалбе, Юрген; Бахрманн, Гельмут; Липпс, Вольфганг; Майер, Дитер. «Спирты алифатические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. DOI : 10.1002 / 14356007.a01_279 ..
- ^ Зигфрид Ребсдат; Дитер Майер. "Этиленгликоль". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. DOI : 10.1002 / 14356007.a10_101 .
- ↑ Марк Экерт, Джеральд Флейшманн, Рейнхард Джира, Герман М. Болт, Клаус Голка «Ацетальдегид» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , 2006, Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a01_031.pub2 .