В химии реакция гидратации — это химическая реакция , в которой вещество соединяется с водой . В органической химии воду добавляют к ненасыщенному субстрату, которым обычно является алкен или алкин . Этот тип реакции используется в промышленности для производства этанола , изопропанола и бутан-2-ола . [1]
Любое ненасыщенное органическое соединение подвержено гидратации.
Несколько миллионов тонн этиленгликоля ежегодно производятся путем гидратации оксирана , циклического соединения, также известного как оксид этилена :
Обычно используются кислотные катализаторы. [2]
Общее химическое уравнение гидратации алкенов выглядит следующим образом:
К одному углероду двойной связи присоединяется гидроксильная группа (ОН–), а к другому – протон ( Н + ) . 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 сильно замещенным углеродом. Атом кислорода в этой точке имеет три связи и несет положительный заряд (т. е. молекула представляет собой оксоний ). Приходит другая молекула воды и захватывает лишний протон. Эта реакция имеет тенденцию давать множество нежелательных побочных продуктов (например, диэтиловый эфир в процессе создания этанола ), и в своей простой форме, описанной здесь, она не считается очень полезной для производства спирта.
Применяются два подхода. Традиционно алкен обрабатывают серной кислотой с получением алкилсульфатных эфиров . В случае производства этанола этот этап можно записать:
Впоследствии этот эфир сульфата 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 зарождающимся карбокатионом, образуя спирт. Прямой процесс более популярен, поскольку он проще. Кислотные катализаторы включают фосфорную кислоту и несколько твердых кислот . [1] Вот пример механизма реакции гидратации 1-метилциклогексена в 1-метилциклогексанол:
Доступно множество альтернативных способов производства спиртов, включая реакцию гидроборирования-окисления , реакцию оксимеркурации-восстановления , гидратацию Мукаямы , восстановление кетонов и альдегидов, а также биологический метод ферментации .
Гидраты ацетилена дают ацетальдегид: [3] Этот процесс обычно основан на ртутных катализаторах, его производство прекращено на Западе, но все еще практикуется в Китае. Центр Hg 2+ связывается связью C≡C, которая затем подвергается атаке воды. Реакция
Альдегиды и в некоторой степени даже кетоны гидратируются до геминальных диолов . Реакция особенно преобладает с формальдегидом, который в присутствии воды существует в основном в виде дигидроксиметана.
Концептуально подобные реакции включают гидроаминирование и гидроалкоксилирование , которые включают присоединение аминов и спиртов к алкенам.
Нитрилы склонны к гидратации до амидов: RCN + H 2 O → RC(O)NH 2 Для этой реакции необходимы катализаторы. Ферменты используются для промышленного производства акриламида из акрилонитрила . [4]
Гидратация является важным процессом во многих других приложениях; Одним из примеров является производство портландцемента путем сшивания оксидов кальция и силикатов под действием воды. Гидратация – это процесс, посредством которого действуют осушители.
