В химии реакция гидратации — это химическая реакция , в которой вещество соединяется с водой . В органической химии вода добавляется к ненасыщенному субстрату, который обычно является алкеном или алкином . Этот тип реакции используется в промышленности для получения этанола , изопропанола и бутан-2-ола . [1]
Любое ненасыщенное органическое соединение подвержено гидратации.
Ежегодно путем гидратации оксирана , циклического соединения, также известного как оксид этилена , производится несколько миллионов тонн этиленгликоля :
Обычно используются кислотные катализаторы. [2]
Общее химическое уравнение гидратации алкенов имеет следующий вид:
Гидроксильная группа (OH − ) присоединяется к одному углероду двойной связи, а протон (H + ) присоединяется к другому. 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 высокозамещенным углеродом. Атом кислорода в этой точке имеет три связи и несет положительный заряд (т. е. молекула является оксонием ) . Появляется еще одна молекула воды и забирает дополнительный протон. Эта реакция имеет тенденцию давать много нежелательных побочных продуктов (например, диэтиловый эфир в процессе создания этанола ) и в своей простой форме, описанной здесь, не считается очень полезной для производства спирта.
Применяются два подхода. Традиционно алкен обрабатывают серной кислотой, чтобы получить алкилсульфатные эфиры . В случае производства этанола этот шаг можно записать:
Затем этот сульфатный эфир гидролизуется для регенерации серной кислоты и выделения этанола:
Этот двухэтапный путь называется «косвенным процессом».
В «прямом процессе» кислота протонирует алкен, и вода реагирует с этим начальным карбокатионом, давая спирт. Прямой процесс более популярен, потому что он проще. Кислотные катализаторы включают фосфорную кислоту и несколько твердых кислот . [1] Вот пример механизма реакции гидратации 1-метилциклогексена в 1-метилциклогексанол:
Существует множество альтернативных путей получения спиртов, включая реакцию гидроборирования-окисления , реакцию оксимеркурирования-восстановления , гидратацию Мукаямы , восстановление кетонов и альдегидов, а также биологический метод ферментации .
Ацетилен гидратируется, давая ацетальдегид: [3] Процесс обычно основан на ртутных катализаторах 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
Альдегиды и в некоторой степени даже кетоны гидратируются в геминальные диолы . Реакция особенно доминирует для формальдегида, который в присутствии воды существует в значительной степени как дигидроксиметан.
Концептуально схожие реакции включают гидроаминирование и гидроалкоксилирование , которые включают добавление аминов и спиртов к алкенам.
Нитрилы восприимчивы к гидратации в амиды: RCN + H 2 O → RC(O)NH 2 Эта реакция требует катализаторов. Ферменты используются для коммерческого производства акриламида из акрилонитрила . [4]
Гидратация является важным процессом во многих других применениях; одним из примеров является производство портландцемента путем сшивания оксидов кальция и силикатов, которое вызывается водой. Гидратация является процессом, посредством которого функционируют осушители.
