Метанол (также называемый метиловым спиртом и древесным спиртом , среди прочих названий) — органическое химическое соединение и простейший алифатический спирт с химической формулой C H 3 O H ( метильная группа , связанная с гидроксильной группой , часто сокращенно обозначаемая как MeOH ). Это легкая, летучая , бесцветная и легковоспламеняющаяся жидкость с характерным спиртовым запахом, похожим на запах этанола (питьевого спирта), но более токсичная, чем последний. [17] Метанол получил название древесного спирта , потому что когда-то его производили в основном путем деструктивной перегонки древесины . Сегодня метанол в основном производится в промышленных масштабах путем гидрирования оксида углерода . [18]
Метанол состоит из метильной группы, связанной с полярной гидроксильной группой. С более чем 20 миллионами тонн, производимых ежегодно, 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 в нормальных, здоровых людях. Одно исследование обнаружило среднее значение 4,5 ppm в выдыхаемом воздухе испытуемых. [19] Среднее эндогенное количество метанола у людей 0,45 г/д может быть усвоено из пектина , содержащегося во фруктах; один килограмм яблок производит до 1,4 г пектина (0,6 г метанола.) [20]
Метанол вырабатывается анаэробными бактериями и фитопланктоном . [21] [22]
Метанол также в больших количествах встречается в областях звездообразования в космосе и используется в астрономии как маркер таких областей. Он обнаруживается по его спектральным эмиссионным линиям. [23]
В 2006 году астрономы, использующие массив радиотелескопов MERLIN в обсерватории Джодрелл-Бэнк, обнаружили большое облако метанола в космосе диаметром 0,463 тераметра (288 миллионов миль). [24] [25] В 2016 году астрономы обнаружили метанол в планетообразующем диске вокруг молодой звезды TW Гидры , используя радиотелескоп Atacama Large Millimeter Array . [26]
В процессе бальзамирования древние египтяне использовали смесь веществ, включая метанол, который они получали пиролизом древесины . Чистый метанол, однако, был впервые выделен в 1661 году Робертом Бойлем , когда он получил его путем перегонки самшита ( buxus ). [27] Позже он стал известен как «пироксилиновый спирт». 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 из греческого methy = «спиртовая жидкость» + hȳlē = «лес, древесина, древесина, материал». «Метилен» обозначал «радикал» , который содержал около 14% водорода по весу и один атом углерода. Это был бы CH2 , но в то время считалось, что атомный вес углерода всего в шесть раз больше , чем у водорода, поэтому они дали формулу как CH. [ 28] Затем они назвали древесный спирт (l'esprit de bois) «бигидратом метилен» (бигидратом, потому что они думали, что формула была C4H8O4 или ( CH ) 4 (H2O ) 2 ) . Термин «метил» был получен примерно в 1840 году путем обратного образования из «метилен», а затем применялся для описания «метилового спирта». Он был сокращен до «метанола» в 1892 году Международной конференцией по химической номенклатуре . [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 диоксид углерода и водород могут реагировать для получения метанола. [9] Немецкие химики Альвин Митташ и Матиас Пьер, работавшие на Badische-Anilin & Soda-Fabrik (BASF), разработали способ преобразования синтез-газа (смеси оксида углерода , диоксида углерода и водорода ) в метанол и получили патент. По словам Боццано и Маненти, процесс BASF был впервые использован в Лойне , Германия, в 1923 году. Рабочие условия состояли из «высоких» температур (от 300 до 400 °C) и давлений (от 250 до 350 атм) с катализатором из оксида цинка / хрома . [30]
Патент США 1,569,775 ( US 1569775 ) был подан 4 сентября 1924 года и выдан 12 января 1926 года компании BASF; в этом процессе использовался катализатор из оксида 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 ICI в конце 1960-х годов US 3326956 с давно истекшим сроком действия патента на технологию.
Во время Второй мировой войны метанол использовался в качестве топлива в нескольких немецких военных ракетах под названием M-Stoff , а также в смеси примерно 50/50 с гидразином , известной как C-Stoff .
Использование метанола в качестве моторного топлива привлекло внимание во время нефтяных кризисов 1970-х годов . К середине 1990-х годов в США было представлено более 20 000 метаноловых « гибких топливных транспортных средств » (FFV), способных работать на метаноле или бензине. Кроме того, низкие уровни метанола смешивались с бензиновым топливом, продаваемым в Европе в течение большей части 1980-х и начала 1990-х годов. Автопроизводители прекратили производство метаноловых FFV к концу 1990-х годов, переключив свое внимание на транспортные средства, работающие на этаноле. Хотя программа метаноловых FFV имела технический успех, рост цен на метанол в середине-конце 1990-х годов в период резкого падения цен на бензин 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 появился как предшественник исходных химикатов уксусной кислоты и уксусного ангидрида . Эти процессы включают синтез уксусной кислоты Monsanto , процесс Cativa и процесс получения уксусного ангидрида Tennessee Eastman .
Метанол в первую очередь преобразуется в формальдегид, который широко используется во многих областях, особенно в полимерах . Преобразование включает окисление:
Уксусную кислоту можно получить из метанола.
Метанол и изобутен объединяются, чтобы получить метил- трет -бутиловый эфир (МТБЭ). МТБЭ является основным октаноповышителем в бензине.
Конденсация метанола для получения углеводородов и даже ароматических систем является основой нескольких технологий, связанных с газом в жидкости . К ним относятся метанол в углеводороды (MtH), метанол в бензин (MtG), метанол в олефины (MtO) и метанол в пропилен (MtP). Эти преобразования катализируются цеолитами как гетерогенными катализаторами . Процесс MtG был когда-то коммерциализирован в Мотунуи в Новой Зеландии. [34] [35]
Европейская директива о качестве топлива позволяет производителям топлива смешивать до 3% метанола с равным количеством сорастворителя с бензином, продаваемым в Европе. По оценкам, в 2019 году Китай использовал до 7 миллионов тонн метанола в качестве транспортного топлива, что составляет более 5% его топливного пула. [36]
Метанол является предшественником большинства простых метиламинов , метилгалогенидов и метиловых эфиров. [18] Метиловые эфиры производятся из метанола, включая переэтерификацию жиров и производство биодизеля посредством переэтерификации . [37] [38]
Метанол является перспективным энергоносителем , поскольку в жидком состоянии его легче хранить, чем водород и природный газ. Однако его энергетическая плотность ниже, чем у метана , на кг. Его энергетическая плотность сгорания составляет 15,6 МДж / л ( LHV ), тогда как у этанола она составляет 24, а у бензина — 33 МДж/л.
Дополнительными преимуществами метанола являются его легкая биоразлагаемость и низкая токсичность для окружающей среды. Он не сохраняется ни в аэробной (присутствие кислорода), ни в анаэробной (отсутствие кислорода) среде. Период полураспада метанола в грунтовых водах составляет всего от одного до семи дней, в то время как многие распространенные компоненты бензина имеют период полураспада в сотни дней (например, бензол от 10 до 730 дней). Поскольку метанол смешивается с водой и биоразлагаем, маловероятно, что он будет накапливаться в грунтовых водах, поверхностных водах, воздухе или почве. [39]
Метанол иногда используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания . Он сгорает, образуя углекислый газ и воду:
Метаноловое топливо было предложено для наземного транспорта. Главное преимущество метаноловой экономики заключается в том, что ее можно адаптировать к бензиновым двигателям внутреннего сгорания с минимальными изменениями в двигателях и в инфраструктуре, которая доставляет и хранит жидкое топливо. Однако его плотность энергии меньше, чем у бензина, что означает, что потребуются более частые заправки. Однако он эквивалентен сверхвысокооктановому бензину по мощности, и большинство современных компьютерно-управляемых систем впрыска топлива уже могут его использовать. [40]
Метанол — это альтернативное топливо для судов, которое помогает судоходной отрасли соответствовать все более строгим нормам выбросов. Он значительно снижает выбросы оксидов серы (SOx), оксидов азота (NOx) и твердых частиц. Метанол может использоваться с высокой эффективностью в морских дизельных двигателях после небольших модификаций с использованием небольшого количества пилотного топлива (двойное топливо). [41] [42]
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, который находится под давлением все более строгих экологических норм. [43]
Топливные элементы на основе прямого метанола уникальны тем, что работают при низких температурах и атмосферном давлении, что позволяет значительно уменьшить их размеры. [44] [45] Это, в сочетании с относительно простым и безопасным хранением и обработкой метанола, может открыть возможность для бытовой электроники , работающей на топливных элементах , такой как ноутбуки и мобильные телефоны. [46]
Метанол также широко используется в качестве топлива в походных и лодочных горелках. Метанол хорошо горит в горелке без давления, поэтому спиртовые горелки часто очень просты, иногда немного больше чашки для хранения топлива. Это отсутствие сложности делает их фаворитами туристов, которые проводят много времени в дикой природе. Аналогично, спирт можно превратить в гель, чтобы снизить риск утечки или разливания, как в случае с брендом " Sterno ".
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 водометаноловой смеси .
Метанол используется как денатурант для этанола, продукт известен как «денатурированный спирт» или «метилированный спирт». Это широко использовалось во время сухого закона в США , чтобы воспрепятствовать потреблению контрафактного алкоголя, и в конечном итоге привело к нескольким смертям. [47]
Метанол используется в качестве растворителя и антифриза в трубопроводах и в жидкости для омывателя ветрового стекла . Метанол использовался в качестве охлаждающей жидкости-антифриза в автомобилях в начале 1900-х годов. [48] С мая 2018 года метанол был запрещён в ЕС для использования в мытье или размораживании ветрового стекла из-за его риска употребления человеком [49] [50] в результате отравлений метанолом в Чешской Республике в 2012 году . [51]
На некоторых очистных сооружениях в сточные воды добавляется небольшое количество метанола , чтобы обеспечить источник углерода для денитрифицирующих бактерий , которые преобразуют нитраты в газообразный азот и снижают нитрификацию чувствительных водоносных горизонтов .
Метанол используется в качестве обесцвечивающего агента при электрофорезе в полиакриламидном геле .
Окись углерода и водород реагируют на катализаторе, образуя метанол. Сегодня наиболее широко используемый катализатор — это смесь оксидов меди и цинка , нанесенная на оксид алюминия , впервые использованная ICI в 1966 году. При давлении 5–10 МПа (50–100 атм) и температуре 250 °C (482 °F) реакция
характеризуется высокой селективностью (>99,8%). При производстве синтез-газа из метана на каждый моль оксида углерода выделяется три моля водорода, тогда как при синтезе расходуется всего два моля газообразного водорода на моль оксида углерода. Одним из способов борьбы с избытком водорода является введение диоксида углерода в реактор синтеза метанола, где он также реагирует с образованием метанола согласно уравнению
С точки зрения механизма процесс происходит путем первоначального превращения CO в CO2 , который затем гидрируется : [52 ]
где побочный продукт H 2 O рециркулируется посредством реакции конверсии водяного газа
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 . [53] Главное преимущество этого процесса заключается в том, что можно использовать захваченный CO 2 и водород, полученные в результате электролиза , что устраняет зависимость от ископаемого топлива.
Каталитическое превращение метана в метанол осуществляется ферментами, включающими метанмонооксигеназы . Эти ферменты являются оксигеназами со смешанной функцией, т.е. оксигенация сопряжена с образованием воды [54] и НАД + : [55]
Были охарактеризованы как Fe-, так и Cu-зависимые ферменты. [55] Были предприняты интенсивные, но в основном бесплодные попытки имитировать эту реактивность. [56] [57] Метанол окисляется легче, чем исходный метан, поэтому реакции, как правило, не являются селективными. Существуют некоторые стратегии, позволяющие обойти эту проблему. Примерами являются системы Шилова и цеолиты, содержащие Fe и Cu. [58] Эти системы не обязательно имитируют механизмы, используемые металлоферментами , но черпают из них некоторое вдохновение. Активные центры могут существенно отличаться от тех, которые известны в ферментах. Например, в ферменте sMMO предполагается двухъядерный активный центр, тогда как в Fe-цеолите предполагается одноядерное железо ( альфа-кислород ). [59]
Глобальные выбросы метанола заводами оцениваются в 180–250 миллионов тонн в год. [60] Это в два-три раза больше, чем промышленное производство метанола человеком.
По состоянию на 2023 год 0,2% мирового производства метанола производится способами, которые имеют относительно низкий уровень выбросов парниковых газов; это известно как «зеленый» метанол. [61] Большая часть зеленого метанола производится путем газификации биомассы . [61] Синтез-газ производится путем газификации биомассы и далее преобразуется в зеленый метанол. [62]
Другой метод производства зеленого метанола включает в себя объединение водорода, углекислого газа и катализатора под высоким давлением и температурой. [61] Чтобы классифицироваться как зеленый метанол, водород должен быть зеленым водородом , который производится с использованием возобновляемой электроэнергии. [61] Кроме того, углекислый газ в этом процессе должен быть продуктом улавливания и хранения углерода или прямого улавливания воздуха или биомассы недавнего происхождения. [61] Некоторые определения зеленого метанола указывают, что углекислый газ должен быть улавлен во время сжигания биоэнергии . [63]
Метанол доступен в продаже в различных классах чистоты. Коммерческий метанол обычно классифицируется в соответствии с классами чистоты ASTM A и AA. Как класс A, так и класс AA содержат 99,85% метанола по весу. Метанол класса "AA" также содержит следовые количества этанола. [30]
Метанол для химического использования обычно соответствует классу AA. Помимо воды, типичные примеси включают ацетон и этанол (которые очень трудно отделить перегонкой). УФ-видимая спектроскопия является удобным методом обнаружения ароматических примесей. Содержание воды можно определить титрованием по Карлу-Фишеру .
Метанол легко воспламеняется. Его пары немного тяжелее воздуха и могут перемещаться к удаленному источнику возгорания и воспламеняться. Пожары метанола следует тушить сухими химикатами , углекислым газом , распыленной водой или спиртоустойчивой пеной. [12] Пламя метанола невидимо при дневном свете.
Прием всего лишь 10 мл (0,34 жидких унций США) чистого метанола может вызвать постоянную слепоту из-за разрушения зрительного нерва . 30 мл (1,0 жидких унций США) потенциально смертельны. [64] Средняя летальная доза составляет 100 мл (3,4 жидких унций США), т. е . 1–2 мл/кг веса тела чистого метанола. [65] Референтная доза для метанола составляет 0,5 мг/кг в день. [66] [67] Токсические эффекты начинаются через несколько часов после приема, и антидоты часто могут предотвратить необратимые повреждения. [64] Из-за сходства как по внешнему виду, так и по запаху с этанолом (алкоголем в напитках) или изопропиловым спиртом , их трудно различить. [68]
Метанол токсичен по двум механизмам. Во-первых, метанол может быть смертельным из-за воздействия на центральную нервную систему, действуя как депрессант центральной нервной системы таким же образом, как отравление этанолом . Во-вторых, в процессе отравления он метаболизируется в муравьиную кислоту (которая присутствует в виде формиат-иона) через формальдегид в процессе, инициируемом ферментом алкогольдегидрогеназой в печени . [ 69] Метанол преобразуется в формальдегид через алкогольдегидрогеназу (АДГ), а формальдегид преобразуется в муравьиную кислоту (формиат) через альдегиддегидрогеназу (АЛДГ). Превращение в формиат через АЛДГ происходит полностью, без обнаруживаемого остаточного формальдегида. [70] Формиат токсичен, потому что он ингибирует митохондриальную цитохром с-оксидазу , вызывая гипоксию на клеточном уровне и метаболический ацидоз , среди множества других метаболических нарушений. [71]
Вспышки отравления метанолом происходили в основном из-за загрязнения употребляемого алкоголя . Это более распространено в развивающихся странах . [72] Тем не менее, в 2013 году в Соединенных Штатах произошло более 1700 случаев. Чаще всего это взрослые мужчины. [73] Результаты могут быть хорошими при раннем лечении. [74] Токсичность метанола была описана еще в 1856 году. [75]
Из-за своих токсичных свойств метанол часто используется в качестве денатурирующей добавки для этанола, производимого для промышленного использования. Это добавление метанола освобождает промышленный этанол (обычно известный как « денатурированный спирт » или «метилированный спирт») от акцизного налогообложения спиртных напитков в США и других странах.
Метоксид — это органический анион, который является сопряженным основанием метанола. ... Это сопряженное основание метанола.
p. 398: 15. Спирты и фенолы названы по углеводородам, из которых они получены, с окончанием
-ol
(например, пентанол, пентенол и т. д.).