Метанол (также называемый , среди прочего, метиловым спиртом и древесным спиртом ) представляет собой органическое химическое соединение и простейший алифатический спирт с химической формулой CH 3 OH ( метильная группа , связанная с гидроксильной группой , часто сокращенно MeOH ). Это легкая, летучая , бесцветная и легковоспламеняющаяся жидкость с характерным спиртовым запахом, похожим на запах этанола (питьевого спирта). [17] Метанол получил название древесного спирта , потому что когда-то его производили главным образом путем деструктивной перегонки древесины . Сегодня метанол в основном производят в промышленных масштабах путем гидрирования монооксида углерода . [18]
Метанол состоит из метильной группы, связанной с полярной гидроксильной группой. Ежегодно производится более 20 миллионов тонн, и он используется в качестве прекурсора для других товарных химикатов , включая формальдегид , уксусную кислоту , метил-трет-бутиловый эфир , метилбензоат , анизол , пероксикислоты , а также множество более специализированных химикатов. [18]
Небольшие количества метанола присутствуют у нормальных, здоровых людей. Одно исследование показало, что в выдыхаемом воздухе испытуемых среднее значение составляет 4,5 частей на миллион . [19] Среднее количество эндогенного метанола у людей, составляющее 0,45 г/день, может метаболизироваться из пектина , содержащегося во фруктах; из одного килограмма яблока получается до 1,4 г пектина (0,6 г метанола.) [20]
Метанол вырабатывается анаэробными бактериями и фитопланктоном . [21] [22]
Метанол также содержится в обильных количествах в областях звездообразования в космосе и используется в астрономии в качестве маркера таких регионов. Его обнаруживают по спектральным эмиссионным линиям. [23]
В 2006 году астрономы, используя массив радиотелескопов MERLIN в обсерватории Джодрелл-Бэнк, обнаружили большое облако метанола в космосе диаметром 463 тераметра (288 миллиардов миль). [24] [25] В 2016 году астрономы обнаружили метанол в планетообразующем диске вокруг молодой звезды TW Гидры с помощью радиотелескопа с большой миллиметровой решеткой в Атакаме . [26]
В процессе бальзамирования древние египтяне использовали смесь веществ, в том числе метанол, который они получали в результате пиролиза древесины. Однако чистый метанол был впервые выделен в 1661 году Робертом Бойлем , когда он получил его путем перегонки самшита (самшита). [27] Позже он стал известен как «пироксальный дух». В 1834 году французские химики Жан-Батист Дюма и Эжен Пелиго определили его элементный состав. [28]
Они также ввели слово «метилен» в органическую химию, образовав его от греческого methy = «спиртовая жидкость» + hşlē = «лес, древесина, древесина, материал». «Метилен» обозначал «радикал» , который содержал около 14% водорода по массе и содержал один атом углерода. Это будет CH 2 , но в то время считалось, что атомный вес углерода всего в шесть раз превышает атомный вес водорода, поэтому они дали формулу CH. [28] Затем они назвали древесный спирт (l'esprit de bois) «бигидратом метилена» (бигидратом, потому что они думали, что формула - C 4 H 8 O 4 или (CH) 4 (H 2 O) 2 ). Термин «метил» был получен примерно в 1840 году путем обратного образования слова «метилен» и затем был применен для описания «метилового спирта». В 1892 году на Международной конференции по химической номенклатуре это слово было сокращено до «метанол» . [29] Суффикс -ил , который в органической химии образует названия углеродных групп , происходит от слова метил .
Французский химик Поль Сабатье представил первый процесс , который можно было использовать для синтетического производства метанола, в 1905 году. Этот процесс предполагал, что двуокись углерода и водород могут вступать в реакцию с образованием метанола. [9] Немецкие химики Алвин Митташ и Матиас Пьер, работающие в компании Badische-Anilin & Soda-Fabrik (BASF), разработали средство для преобразования синтез-газа (смесь монооксида углерода , углекислого газа и водорода ) в метанол и получили патент . По словам Боззано и Маненти, процесс BASF был впервые использован в Леуне , Германия, в 1923 году. Рабочие условия включали «высокие» температуры (от 300 до 400 °C) и давления (от 250 до 350 атм) с катализатором на основе оксида цинка / хрома. . [30]
Заявка на патент США № 1569775 ( US 1569775 ) была подана 4 сентября 1924 г. и выдана 12 января 1926 г. компании BASF; В процессе использовался катализатор из оксидов хрома и марганца в чрезвычайно жестких условиях: давление от 50 до 220 атм и температура до 450 ° C. Современное производство метанола стало более эффективным за счет использования катализаторов (обычно медных), способных работать при более низких давлениях. Современный процесс получения метанола низкого давления (LPM) был разработан компанией ICI в конце 1960-х годов (США 3326956), срок действия патента на технологию уже давно истек.
Во время Второй мировой войны метанол использовался в качестве топлива в нескольких немецких военных ракетных конструкциях под названием M-Stoff и в смеси примерно 50/50 с гидразином , известной как C-Stoff .
Использование метанола в качестве моторного топлива привлекло внимание во время нефтяного кризиса 1970-х годов . К середине 1990-х годов в США было введено более 20 000 метаноловых « автомобилей с гибким топливом » (FFV), способных работать на метаноле или бензине. начало 1990-х годов. К концу 1990-х годов автопроизводители прекратили производство метанольных автомобилей FFV, переключив свое внимание на автомобили, работающие на этаноле. Хотя программа метанола FFV имела технический успех, рост цен на метанол в середине-конце 1990-х годов, в период падения цен на бензиновые насосы, снизил интерес к метанольному топливу . [31]
В начале 1970-х годов компания Mobil разработала процесс производства бензинового топлива из метанола. [32]
Между 1960-ми и 1980-ми годами метанол стал предшественником химического сырья - уксусной кислоты и уксусного ангидрида . Эти процессы включают синтез уксусной кислоты Монсанто , процесс Катива и процесс ангидрида уксусной кислоты Теннесси Истмана .
Метанол в первую очередь преобразуется в формальдегид, который широко используется во многих областях, особенно в производстве полимеров . Преобразование влечет за собой окисление:
Уксусную кислоту можно получить из метанола.
Метанол и изобутен объединяют с образованием метил- трет -бутилового эфира (МТБЭ). МТБЭ является основным средством повышения октанового числа бензина.
Конденсация метанола для производства углеводородов и даже ароматических систем лежит в основе нескольких технологий, связанных с преобразованием газа в жидкости . К ним относятся превращение метанола в углеводороды (MtH), метанола в бензин (MtG), метанола в олефины (MtO) и метанола в пропилен (MtP). Эти превращения катализируются цеолитами как гетерогенными катализаторами . Процесс MtG когда-то был коммерциализирован в Мотунуи в Новой Зеландии. [34] [35]
Европейская директива по качеству топлива позволяет производителям топлива смешивать до 3% метанола с равным количеством сорастворителя с бензином, продаваемым в Европе. Китай использует более 4,5 миллиардов литров метанола в год в качестве транспортного топлива в смесях низкого уровня для обычных транспортных средств и смесей высокого уровня в транспортных средствах, предназначенных для использования метанола. [ нужна цитата ]
Метанол является предшественником большинства простых метиламинов , метилгалогенидов и метиловых эфиров. [18] Метиловые эфиры производятся из метанола, включая переэтерификацию жиров и производство биодизельного топлива посредством переэтерификации . [36] [37]
Метанол является многообещающим энергоносителем , поскольку в жидком виде его легче хранить, чем водород и природный газ. Однако его энергетическая плотность ниже, чем у метана на кг. Его плотность энергии сгорания составляет 15,6 МДж / л ( LHV ), тогда как у этанола – 24, а у бензина – 33 МДж/л.
Дополнительными преимуществами метанола являются его высокая биоразлагаемость и низкая токсичность для окружающей среды. Он не сохраняется ни в аэробной (с наличием кислорода), ни в анаэробной (без кислорода) среде. Период полураспада метанола в грунтовых водах составляет всего от одного до семи дней, в то время как период полураспада многих обычных компонентов бензина составляет сотни дней (например, у бензола - 10–730 дней). Поскольку метанол смешивается с водой и биоразлагаем, его накопление в грунтовых и поверхностных водах, воздухе или почве маловероятно. [38]
Метанол иногда используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания . При горении образуется углекислый газ и вода:
Метаноловое топливо было предложено для наземного транспорта. Главное преимущество экономики метанола заключается в том, что ее можно адаптировать к бензиновым двигателям внутреннего сгорания с минимальными модификациями двигателей и инфраструктуры, которая доставляет и хранит жидкое топливо. Однако его энергетическая плотность меньше, чем у бензина, а это означает, что потребуется более частая заправка. Однако по мощности он эквивалентен сверхвысокооктановому бензину, и большинство современных систем впрыска топлива с компьютерным управлением уже могут его использовать. [39]
Метанол — альтернативное топливо для судов, которое помогает судоходной отрасли соблюдать все более строгие нормы выбросов. Это значительно снижает выбросы оксидов серы (SOx), оксидов азота (NOx) и твердых частиц. Метанол может с высокой эффективностью использоваться в судовых дизелях после небольших модификаций с использованием небольшого количества пилотного топлива (двухтопливное). [40] [41]
В Китае метанол используется в качестве топлива для промышленных котлов, которые широко используются для выработки тепла и пара для различных промышленных применений и отопления жилых помещений. Его использование вытесняет уголь, на который оказывают давление все более строгие экологические нормы. [42]
Топливные элементы с прямым метанолом уникальны тем, что работают при низких температурах и атмосферном давлении, что позволяет им значительно миниатюризироваться. [43] [44] Это, в сочетании с относительно простым и безопасным хранением и обращением с метанолом, может открыть возможность создания бытовой электроники на топливных элементах , такой как портативные компьютеры и мобильные телефоны. [45]
Метанол также широко используется в печах для кемпинга и лодок. Метанол хорошо горит в горелке без давления, поэтому спиртовые печи часто очень простые, иногда чуть больше чашки для топлива. Отсутствие сложности делает их фаворитами туристов, которые проводят продолжительное время в дикой природе. Точно так же алкоголь можно загущать, чтобы снизить риск протечки или разлива, как в случае с маркой « Стерно ».
Метанол смешивается с водой и впрыскивается в высокопроизводительные дизельные и бензиновые двигатели для увеличения мощности и снижения температуры всасываемого воздуха в процессе, известном как впрыск водометанола .
Метанол используется в качестве денатуранта этанола, продукт известен как «денатурированный спирт» или «метиловый спирт». Это широко использовалось во время запрета в США, чтобы препятствовать употреблению контрабандных спиртных напитков, и в конечном итоге привело к нескольким смертям. [46]
Метанол используется в качестве растворителя и антифриза в трубопроводах и жидкости омывателя ветрового стекла . Метанол использовался в качестве антифриза для охлаждающей жидкости автомобилей в начале 1900-х годов. [47] По состоянию на май 2018 года метанол был запрещен в ЕС для использования при мытье или размораживании ветровых стекол из-за риска его потребления человеком [48] [49] в результате отравлений метанолом в Чехии в 2012 году . [50]
На некоторых станциях очистки сточных вод в сточные воды добавляется небольшое количество метанола, чтобы обеспечить источник углерода для денитрифицирующих бактерий , которые преобразуют нитраты в газообразный азот и уменьшают нитрификацию чувствительных водоносных горизонтов .
Метанол используется в качестве обесцвечивающего агента при электрофорезе в полиакриламидном геле .
Оксид углерода и водород реагируют над катализатором с образованием метанола. Сегодня наиболее широко используемым катализатором является смесь оксидов меди и цинка , нанесенная на оксид алюминия , впервые использованная ICI в 1966 году. При 5–10 МПа (50–100 атм) и 250 °C (482 °F) реакция
характеризуется высокой селективностью (>99,8%). При производстве синтез-газа из метана на каждый моль оксида углерода образуется три моля водорода, тогда как при синтезе расходуется только два моля газообразного водорода на моль оксида углерода. Одним из способов борьбы с избытком водорода является введение углекислого газа в реактор синтеза метанола, где он тоже реагирует с образованием метанола по уравнению
С точки зрения механизма, процесс происходит путем первоначального превращения CO в CO 2 , который затем гидрируется : [51]
где побочный продукт H 2 O рециркулируется посредством реакции конверсии вода-газ
Это дает общую реакцию
что то же самое, что указано выше. В процессе, тесно связанном с производством метанола из синтез-газа, можно напрямую использовать подачу водорода и CO 2 . [52] Основное преимущество этого процесса заключается в том, что можно использовать улавливаемый CO 2 и водород, полученный в результате электролиза , устраняя зависимость от ископаемого топлива.
Каталитическое превращение метана в метанол осуществляется ферментами, в том числе метанмонооксигеназами . Эти ферменты представляют собой оксигеназы со смешанными функциями, т.е. оксигенация сопровождается выработкой воды [53] и НАД + : [54].
Охарактеризованы как Fe-, так и Cu-зависимые ферменты. [54] Интенсивные, но в основном бесплодные усилия были предприняты, чтобы подражать этой реакции. [55] [56] Метанол легче окисляется, чем исходный метан, поэтому реакции, как правило, не являются селективными. Существуют некоторые стратегии, позволяющие обойти эту проблему. Примеры включают системы Шилова и железо- и медь-содержащие цеолиты. [57] Эти системы не обязательно имитируют механизмы, используемые металлоферментами , но черпают из них некоторое вдохновение. Активные центры могут существенно отличаться от известных в ферментах. Например, в ферменте sMMO предполагается двуядерный активный центр , тогда как в Fe-цеолите предполагается моноядерное железо ( альфа-кислород ). [58]
Глобальные выбросы метанола заводами оцениваются от 180 до 250 миллионов тонн в год. [59] Это в два-три раза больше, чем искусственное промышленное производство метанола.
По состоянию на 2023 год 0,2% мирового производства метанола будет производиться способами, обеспечивающими относительно низкие выбросы парниковых газов; это известно как «зеленый» метанол. [60] Большая часть зеленого метанола производится путем газификации биомассы . [60] Сингаз производится путем газификации биомассы и далее преобразуется в зеленый метанол. [61]
Другой метод производства зеленого метанола включает объединение водорода, углекислого газа и катализатора при высокой температуре и давлении. [60] Чтобы быть классифицированным как «зеленый метанол», водород должен быть «зеленым» водородом , который производится с использованием возобновляемой электроэнергии. [60] Кроме того, диоксид углерода в этом процессе должен быть продуктом улавливания и хранения углерода или прямого улавливания из воздуха или биомассы недавнего происхождения. [60] В некоторых определениях зеленого метанола указывается, что углекислый газ должен улавливаться во время сжигания биоэнергии . [62]
Метанол коммерчески доступен в различных степенях чистоты. Коммерческий метанол обычно классифицируется по классам чистоты А и АА по ASTM. Чистота как класса А, так и класса АА составляет 99,85% метанола по весу. Метанол марки «АА» также содержит следовые количества этанола. [30]
Метанол для химического использования обычно соответствует классу АА. Помимо воды, к типичным примесям относятся ацетон и этанол (которые очень трудно отделить перегонкой). УФ-видимая спектроскопия — удобный метод обнаружения ароматических примесей. Содержание воды можно определить титрованием по Карлу-Фишеру .
Метанол легко воспламеняется. Его пары немного тяжелее воздуха и могут добраться до удаленного источника возгорания и воспламениться. Пожары метанола следует тушить сухими химикатами , углекислым газом , распылением воды или спиртостойкой пеной. [12] Пламя метанола невидимо при дневном свете.
Употребление всего лишь 10 мл (0,34 жидких унций США) чистого метанола может вызвать необратимую слепоту из-за разрушения зрительного нерва . 30 мл (1,0 жидких унций США) потенциально смертельны. [63] Средняя смертельная доза составляет 100 мл (3,4 жидких унции США), т.е. 1–2 мл/кг массы тела чистого метанола. [64] Референтная доза метанола составляет 0,5 мг/кг в день. [65] [66] Токсические эффекты начинаются через несколько часов после приема внутрь, и противоядия часто могут предотвратить необратимый ущерб. [63] Из-за сходства внешнего вида и запаха с этанолом (алкоголем в напитках), их трудно различить; то же самое относится и к денатурированному спирту , фальсифицированным спиртным напиткам или алкогольным напиткам очень низкого качества.
Метанол токсичен по двум механизмам. Во-первых, метанол может быть смертельным из-за воздействия на центральную нервную систему, действуя как депрессант центральной нервной системы так же, как отравление этанолом . Во-вторых, в процессе интоксикации он метаболизируется до муравьиной кислоты (которая присутствует в виде формиат-иона) через формальдегид в процессе, инициируемом ферментом алкогольдегидрогеназой в печени . [67] Метанол превращается в формальдегид посредством алкогольдегидрогеназы (ADH), а формальдегид превращается в муравьиную кислоту (формиат) посредством альдегиддегидрогеназы (ALDH). Преобразование в формиат посредством АЛДГ происходит полностью, без остатка формальдегида. [68] Формиат токсичен, поскольку он ингибирует митохондриальную цитохром-с-оксидазу , вызывая гипоксию на клеточном уровне и метаболический ацидоз , среди множества других метаболических нарушений. [69]
Вспышки отравлений метанолом происходили преимущественно из-за загрязнения питьевого спирта . Это более распространено в развивающихся странах . [70] Тем не менее в 2013 году в США произошло более 1700 случаев. Заболевшими часто являются взрослые мужчины. [71] Результаты могут быть хорошими при раннем лечении. [72] Токсичность метанола была описана еще в 1856 году. [73]
Из-за своих токсичных свойств метанол часто используется в качестве денатурирующей добавки к этанолу, производимому для промышленного использования. Добавление метанола освобождает промышленный этанол (широко известный как « денатурированный спирт » или «метиловый спирт») от акцизного налога на спиртные напитки в США и других странах.
Метоксид – это органический анион, который является сопряженным основанием метанола. ... Это сопряженное основание метанола.
п. 398: 15. Спирты и фенолы названы в честь углеводорода, из которого они получены, оканчивающегося суффиксом
ол
(например, пентанол, пентенол и т. д.).