乙醛(英文名:acetaldehyde),又被称为醋醛,
分子式为CH₃CHO,是一种
醛类有机化合物。乙醛是一种无色、易燃、易挥发的液体,具有辛辣、刺激性的臭味。乙醛可溶于水,混溶于乙醇、
乙醚、
苯、
甲苯、
丙酮等有机
溶剂。由于乙醛含有
羰基基团,且与基相连的碳上具有𝛼氢,所以乙醛容易发生加成、氧化、还原等反应。乙醛是一种重要的化工
中间体,可通过氧化反应合成乙酸、
乙酸酐等化合物,还可以通过
缩合反应制得丁醇、
季戊四醇等化合物,还可以合成
DL-乳酸、
吡啶等化合物。乙醛对人体的眼、鼻、
呼吸道等有强烈的刺激作用,长时间接触可引发中毒。
发现历史
1774年,
瑞典化学家Scheele使用
二氧化锰、
硫酸和
乙醇反应,首次制得乙醛。1835年,
德国化学家Liebig制备得到了纯的乙醛,并确定了乙醛的
结构式。到了1881年,
俄罗斯化学家库切洛夫(M·Kucherov)将
乙炔通入硫酸溶液,发现了乙炔液相水合制备乙醛的方法,1916年,德国根据这一方法,建成了第一个乙炔水合生产乙醛的工厂。此后,乙醇氧化法和
乙烯直接氧化等方法也被用于工业上制备乙醛。
化学结构
乙醛是带有一个
羰基的
醛类化合物,乙醛分子由一个醛羰基和一个
甲基构成。乙醛甲基中的
碳以sp³
杂化轨道成键,和所有的
醛基化合物一样,乙醛羰基中的碳原子以三个sp²杂化轨道形成三个σ键,其中一个是和氧形成的,这三个键处于同一平面,碳原子的一个p轨道和氧原子的一个p轨道
重叠形成一个π键,与σ键所成的平面垂直,因此羰基的碳氧双键是由一个σ键和一个π键形成的。羰基中氧原子的
电负性大于碳原子,因此羰基是一个
极性基团,具有偶极矩,偶极矩的
负极在氧原子这一端,正极在碳原子这一端,因此羰基中的碳原子带有部分正电荷,氧原子带有部分负电荷。
羰基电子云分布的示意图如下:
理化性质
物理性质
乙醛是一种无色有刺激性臭味的液体,常温下密度为0.785 g/mL,
沸点为20.8℃,
熔点为-123.4 °C。乙醛可以溶于水,混溶于
乙醇、
乙醚、苯、
甲苯、
丙酮等有机
溶剂。乙醛的闪点是-38 ℃,自燃温度为175 °C。
化学性质
乙醛含有羰基,具有
醛类化合物的某些化学性质,可以发生亲核加成、氧化、还原等反应。乙醛的
甲基与羰基相连,因此甲基碳上的氢原子具有一定的活泼性,可以发生卤代、卤仿等
取代反应。
加成反应
乙醛与格氏试剂加成
有机镁试剂(格氏试剂)容易对含
羰基的化合物进行
亲核加成反应,在无水无氧的条件下,格氏试剂对乙醛的加成反应如下:
乙醛与亚硫酸氢钠加成
亚硫酸氢钠与乙醛反应可以生成一种溶于水的盐。该反应是一个
可逆反应,当向体系中加入酸或碱时,亚硫酸氢钠可以被除去,乙醛重新被
离解出来。因此该反应可用于乙醛的分离与提成。反应式如下:
乙醛与水加成
水是
亲核试剂,酸性条件下,乙醛与水加成可以形成
水合物CH₃CH(OH)₂,但是由于水合物上连接了两个
羟基,在
热力学上很不稳定,因此容易发生
可逆反应,重新变回乙醛。
乙醛与醇加成
在对甲苯磺酸、
氯化氢等酸性条件下,乙醛可以和醇发生反应生成缩醇。乙醛与醇的反应是分两步进行的,第一步是乙醛与醇生成半缩醇,半缩醇再次与醇反应得到缩醇。例如乙醛与
乙醇反应可以得到CH₃CH(OCH₂CH₃)₂。
乙醛与氰化物加成
在碱性条件下,乙醛可以和
氢氰酸发生
加成反应得到2-羟基丙腈。2-羟基丙经
水解可以生成
DL-乳酸。
Strecker反应是
羰基化合物与
氯化铵和
氰化钠反应生成𝜶-
氨基氰的反应,𝜶-氨基再经水解可以得到𝜶-氨基酸。例如乙醛与盐和金属氰化物反应可以制得𝜶-
β-氨基酸。
乙醛与氨及其衍生物加成
氨及其衍生物是一类常见的
亲核试剂,可以与乙醛发生
加成反应。由于加成后的产物不稳定,会失去一分子水得到
亚胺。反应的表达式如下:
乙醛与wittig试剂加成
乙醛与
维蒂希试剂(
磷叶立德)作用可以生成
烯烃和三
苯基氧化膦。反应的表达式如下:
其他加成反应
乙醛可以与烯烃发生
催化加成反应,反应可以得到二烷基酮化合物。例如,乙醛与
乙烯反应可以生成甲乙;乙醛与
环己烯可以得到甲基环己基
甲酮。
氧化反应
燃烧反应
乙醛易燃,反应式如下:
乙醛氧化为乙酸
乙醛在
氧气为
氧化剂的条件下,可以被氧化生成乙酸。反应的表达式如下:
乙醛氧化为过氧乙酸
过氧乙酸是化工生产中常用的
过氧化物,在
有机合成、医疗卫生、食品消毒等方面都有应用,乙醛通过液相一步氧化法,可以制得过氧乙酸。
乙醛的银镜反应
氢氧化二氨合银具有弱氧化性,可以将乙醛氧化为
乙酸铵,银镜反应的方程式如下:
在反应中,起氧化作用的是一价银离子,还原作用的是乙醛。
乙醛与氢氧化铜反应
乙醛可以与新制的氢氧化铜可以发生反应,产物是
冰醋、
氧化亚铜砖红色沉淀和水。反应方程式如下:
还原反应
乙醛在钯、铂、和铜等
加氢催化剂的作用下被还原成乙醇。例如用负载的
镍和铜可对乙醛进行气相加氢。
乙醛在浓盐酸回流的条件下,可以被
锌汞齐还原为乙烷。该反应被称为克莱门森(Clemmensen)还原反应。反应表达式如下:
取代反应
乙醛的𝛂-H具有活性,可以被
卤族元素原子取代发生卤代反应。反应的通式如下:
聚合反应
在室温下,使用
无机酸或酸性
交换树脂,乙醛可以聚合生成三聚乙醛;在0 ℃以下,用无水的
氯化氢处理乙醛可以得到四聚乙醛;在液体
乙烯中,使用
三氟化硼阴离子催化聚合可以得到白色非粘性的乙醛高聚物。
分解反应
乙醛在400 °C左右的高温下可以分解为
甲烷和
一氧化碳,除此以外,乙醛还可以发生光催化裂解以及
自由基诱导裂解等反应。
制备方法
乙烯法
乙烯法制备乙醛是指乙烯在
氯化钯催化剂的作用下氧化生成乙醛。该反应的表达式如下:
乙烯液相法制备乙醛的
反应机理如下:第一步反应是乙烯和氯化钯及水作用生成乙醛,氯化钯中的二价钯则被还原成金属钯。第二步反应是为了保证催化剂钯能继续参与催化循环,工业上采用往反应体系中加入
氯化铜的方式将金属钯氧化为二价钯,同时二价的氯化铜被还原为一价的
氯化亚铜。第三步反应则是氯化亚铜被
氧气氧化为氯化铜,从而完成整个
催化循环。
乙醇氧化法
乙醇氧化法制备乙醛的原理主要是乙醇在
银催化剂的作用下,与氧气反应,生产乙醛和水。反应方程式如下:
该反应是分为两步进行的,第一步是乙醇分解为乙醛和
氢气,第二步是氢气与氧气反应结合成水。
乙醇氧化生成乙醛的工艺流程如下:首先将新鲜乙醇和循环乙醇送入配料槽混合均匀,经换热器进入乙醇蒸发锅,同时送入空气,形成乙醇-空气-水蒸汽混合气体进入氧化炉。反应中生成的气体换热至接近室温进入
吸收塔,吸收下来的粗乙醛进入
精馏塔可得到纯度更高的乙醛。
乙醇氧化制备乙醛对原料的纯度有较高的要求。例如当乙醇中含有醛酮等杂质时则会发生树脂化反应,生成油状物聚积在
催化剂表面,引起催化剂失活。
乙醇脱氢法
脱氢法的反应方程式如下:
乙醇脱氢法制备乙醛的工艺流程与氧化法相似。乙醛
汽化后进入列管式反应器,在铬/铜催化剂的催化下,于常压、约270 ℃的高温下进行脱氢反应。乙醛的精制与氧化法类似,也是进入精馏塔精馏纯化。脱氢法所用的催化剂为添加了钴、铬、锌等金属的铜系催化剂,寿命较长但需要定期再生。
乙醇脱氢法制备乙醛的优点是反应温度相对较低,乙醛在体系中几乎没有分解副反应,也不会被氧化,不腐蚀设备,生产得到的乙醛浓度高,易分离。
从工艺费用来看,由于乙醇氧化法制备乙醛的反应是
放热反应,因此可以回收反应产生的热量用于产生蒸汽;而乙醇
脱氢法制备乙醛的反应过程是吸热的,因此需要加热,所以相比起来,脱氢法工艺所需要的工艺费用要高于氧化法。
乙醇生化法
乙醇的生化法制备乙醛指的是乙醇经生物发酵的方法合成乙醛。例如,在搅拌式发酵
反应器中,采用巴斯德毕赤酵母(能够利用甲醇作为碳源和能源的酵母菌)全
细胞生化法合成乙醛。
乙炔法
由乙炔制备乙醛主要分为乙炔液相水合法、乙炔气相水合法。
液相水合法
乙炔液相制备乙醛的主要机理是:乙炔通过含有汞盐的
硫酸水溶液发生水合反应合成乙醛。反应方程式如下:
该反应主要分为两步,第一步是乙炔与汞盐生产羟化汞
中间体,之后羟化汞中间体经一步
水解反应得到乙醛。
乙炔液相水合法的工艺如下:首先是将新的乙炔、循环乙炔和
蒸汽混合后送入乙炔水合器,得到了乙醛和一些副产物。从塔顶出来的产物进入
冷凝器,冷却的气体冷凝后变成冷凝液,冷凝液分层后,上层为粗乙醛进入
精馏塔,下层返回水合器。未冷却的气体,进入
吸收塔,用水吸收残留的乙醛,得到的尾气重新返回水合器。
乙炔液相水合法制备乙醛的
催化剂是由
硫酸汞和硫酸组成的,适量的硫酸和汞有利于乙炔的吸收,从而提高乙醛的产率。
气相水合法
乙炔气相水合法一般采用
流化床反应器,使用的催化剂为
磷酸盐类的固相催化剂,包括
磷酸铜、
磷酸镉、
磷酸二氢锌等。
其他方法
使用负载的催化剂,可以直接由
合成气(以
氢气、
一氧化碳为主要组分供化学合成用的一种原料气)制备乙醛。
低级烃类如
乙烷、丙烷等可以通过选择性氧化法合成乙醛。例如当使用焦磷酸锗为催化剂时,丙烷在400 ℃左右的高温下可以与
氧气反应生成乙醛。
应用领域
乙醛是一种重要的化工
中间体原料,通过乙醛的各种反应,可以得到一系列应用于各个领域的化工产品。
例如,乙醛通过与氧气作用,可以得到
冰醋、
乙酸酐、
过氧乙酸、
乙二醛和
乙醛酸等化合物。其中,乙酸、乙酸酐和过乙酸可以直接作为
有机合成原料参与反应;乙醛酸可以合成香料
香草醛;乙二醛可以继续经过一步或多步反应得到
苯并[a]芘二、
咪唑、二
甲基咪唑、
尿囊素等医药中间体。
乙醛通过与氨气反应可以得到
吡啶、𝛂-甲基吡啶、𝛃-甲基吡啶和𝛄-甲基吡啶。吡既可以作为反应原料,也可以作为反应
溶剂,在有机合成中具有重要的应用。𝛂-甲基吡啶和𝛃-甲基吡啶通过后续的反应可以得到
吡啶甲酸、2-
乙烯基吡啶和
烟酸等医药
中间体,𝛄-甲基吡啶通过反应得到的4-乙烯基吡啶可作为聚合物的
单体。
合成香料
以乙醛为原料可以合成甲基乙酰甲醇(
乙偶姻),乙偶姻具有令人愉快的奶油香气,是一种被广泛用于食品中的香料产品。该反应的表达式如下:
制备除氧剂
乙醛肟是一种无毒、价廉、除氧效果良好的水除氧剂,乙醛可以由乙醛和
羟胺反应制得。反应的表达式如下:
安全事宜
健康危害
乙醛侵入人体的方式主要有吸入、食入和经过皮肤进入三种。低浓度的乙醛可能会引发喉咙痛、咳嗽、
呼吸困难以及
支气管炎的症状;高浓度的吸入乙醛对人体有麻醉作用,可能会使人嗜睡、意识不清、
腹泻、肝和心肌脂肪性病变等,严重时甚至会致命。误食乙醛会出现胃肠道刺激等症状,有麻醉作用,对心、肝和肾都有一定的损失。乙醛对人体的皮肤有致敏作用,长期或反复接触会引发
皮炎和
结膜炎。长期接触乙醛会引发慢性中毒,症状与酒精中毒相似,具体症状有体重减轻、贫血、智力丧失和视听
幻觉等。乙醛还是人体内
乙醇代谢的中间产物,会刺激人体的
呼吸道,对人体有致畸性、致癌性和潜在致癌性,被
国际癌症研究机构(WHO-IARC)列为2B类致癌物质(对动物有明确致癌性,可能令人类致癌)。
急救与防护措施
皮肤接触到乙醛时,要立马脱掉被污染的衣物,先用大量的清水冲洗,再用肥皂水冲洗;当眼睛受到乙醛的刺激时,用立马提起眼睑,用大量的流动清水或
生理盐水冲洗并就医;对于误食乙醛的患者,要饮入足够量的温水,并喝肥皂水催吐并就医;对于吸入乙醛的患者,应立马脱离现场移至空气流通处,保持呼吸通畅,若
呼吸困难应立即输氧或人工呼吸并就医。
对于能接触到乙醛的工作人员,要在密闭操作、通风的环境内作业,实验环境要能提供安全淋浴和洗眼设备,当空气中乙醛浓度超标时,要佩戴
过滤式防毒面具。在实验环境内,一定要佩戴
化学安全防护眼镜,穿戴防静电的
实验服,手上要戴橡胶手套。
存储与运输
乙醛自身没有腐蚀性,但是容易被空气氧化成对金属有腐蚀性的
冰醋,因此乙醛的包装多采用
不锈钢或铝。实验室中乙醛多采用玻璃瓶装。乙醛的贮存要谨防发生危险,需要存放在阴凉、通风的仓库内,且储存温度最好不超过28
摄氏度。乙醛在储存过程中还需要隔绝热源和火种,避免日光照射。由于乙醛易被氧化,因此乙醛存储时要密封包装,杜绝与空气接触。乙醛在贮存时,应该与
氧化剂、氟、氯和
无机酸等易与乙醛反应的化合物分开存放。乙醛不应该长久放置贮存,时间以六个月左右为宜。
乙醛在运输时,应该被归类于具有
挥发性、可燃和有毒性物质,在可能泄露的地方用惰性气体抑制。乙醛在运输前应冷却并用
氮气保护输送,严禁用
橡胶管,以防橡胶管被乙醛溶化。在运输过程中严禁敞口,要露天密封包装,在搬运过程中要轻装轻放。
消防措施
引发火灾时,消防工作人员需在有防爆掩蔽处进行灭火操作,可使用抗溶性泡沫、
二氧化碳、
松软土、干石灰等进行灭火。
泄漏应急措施
当乙醛发生泄露时,应立即将泄露区人员撤离并封闭现场。立即切断火源,现场处理人员应做好防护措施,佩戴自给正压式呼吸器,穿好防护服,尽可能切断泄漏源防止其流入下水道等限制空间。
当乙醛发生小量泄漏时,可以用砂土等不燃材料
吸附吸收,也可以用大量水冲洗,冲洗后的废水稀释后可以排入废水系统。
当乙醛发生大量泄漏时,则需要构筑围堤或挖坑收容泄露液,还需要使用喷雾状水来冷却、稀释乙醛蒸汽,把现场的乙醛蒸汽稀释到不燃的程度,用防爆泵转移至专用收集器内,回收或直接运至废液处理处。
化学危险物品安全管理
《
危险化学安全管理条例》已经2002年1月9日国务院第52次常务会议通过,现予公布,自2002年3月15日起施行。