Оксибутан как органическое соединение¶

Оксибутан — органическое соединение с брутто-формулой C₄H₁₀O, относящееся к классу предельных одноатомных спиртов (алканолов). Название образовано от корня «бутан», обозначающего четырёхуглеродный скелет, и префикса «окси-», указывающего на наличие гидроксильной группы −OH. В зависимости от положения гидроксила и строения углеродной цепи различают несколько изомерных соединений, объединяемых этим названием; наиболее употребительное из них — бутан-1-ол (н-бутиловый спирт). Оксибутаны представляют собой бесцветные жидкости с характерным спиртовым запахом, ограниченно растворимые в воде и хорошо растворимые в органических растворителях.

¶Номенклатура и изомерия

Термин «оксибутан» в равной степени применим ко всем изомерным спиртам состава C₄H₁₀O. Современная систематическая номенклатура ИЮПАК закрепляет за каждым изомером собственное название, тогда как обобщающее «оксибутан» чаще используется в учебной и переводной литературе, а также в некоторых отраслевых стандартах.

Изомерия оксибутанов обусловлена двумя факторами: положением гидроксильной группы в углеродной цепи и строением самого скелета (линейного или разветвлённого).

Все четыре соединения имеют одну и ту же молекулярную формулу, но различаются физическими свойствами и химической активностью. С ростом разветвления цепи температура кипения снижается, а растворимость в воде несколько возрастает.

¶Физические свойства

Оксибутаны — подвижные бесцветные жидкости. Бутан-1-ол кипит при 117,7 °C, бутан-2-ол — при 99,5 °C, изобутиловый спирт — при 107,9 °C, а трет-бутиловый спирт — при 82,4 °C. Плотность всех изомеров меньше плотности воды и лежит в пределах 0,78–0,81 г/см³.

Растворимость в воде умеренная: бутан-1-ол смешивается с водой ограниченно (около 7,7 г на 100 г воды при 20 °C), трет-бутиловый спирт растворим неограниченно. Все оксибутаны смешиваются со спиртами, эфирами, ацетоном и большинством углеводородов. Гидроксильная группа обусловливает способность образовывать водородные связи, что объясняет относительно высокие температуры кипения по сравнению с углеводородами той же молекулярной массы.

¶Химические свойства

Химическое поведение оксибутанов определяется гидроксильной группой и типом углеродного атома, с которым она связана.

• Кислотно-основные свойства. Спирты — очень слабые кислоты (pKa около 16–19) и слабые основания. С щелочными металлами они образуют алкоголяты, например бутан-1-олат натрия.
• Реакции замещения. При взаимодействии с галогеноводородами гидроксил замещается галогеном с образованием бутилгалогенидов. Третичный спирт реагирует наиболее легко, первичный — труднее.
• Дегидратация. В присутствии кислот при нагревании оксибутаны отщепляют воду, давая бутены; в мягких условиях возможно межмолекулярное взаимодействие с образованием простых эфиров (дибутиловый эфир).
• Окисление. Первичные спирты окисляются до бутаналя и далее до масляной кислоты, вторичные — до бутанона. Третичный спирт устойчив к окислению в обычных условиях.
• Этерификация. Со спиртами и кислотами оксибутаны образуют сложные эфиры, многие из которых применяются как растворители и ароматизаторы.

¶Получение

Основные промышленные и лабораторные способы получения оксибутанов:

1. Гидроформилирование пропилена (оксосинтез) с последующим гидрированием бутаналя — главный промышленный метод синтеза бутан-1-ола.
2. Гидрирование кротонового альдегида и других ненасыщенных карбонильных соединений.
3. Брожение углеводов под действием бактерий рода Clostridium — исторически первый способ, дающий смесь бутанола, ацетона и этанола (ацетоно-бутиловое брожение).
4. Гидролиз бутилгалогенидов в щелочной среде — лабораторный метод.
5. Реакция Гриньяра — взаимодействие реактивов на основе магния с карбонильными соединениями, позволяющее получать изомеры заданного строения.

¶Применение

Оксибутаны широко используются в промышленности и лабораторной практике.

• Растворители. Бутан-1-ол применяется в производстве лаков, красок, смол, чернил и клеёв, а также как экстрагент в фармацевтике.
• Промежуточные продукты. Бутанолы служат сырьём для синтеза сложных эфиров (бутилацетат, бутилбутират), пластификаторов, гербицидов и флотореагентов.
• Топливо и добавки. Бутанол рассматривается как перспективное биотопливо и компонент моторных топлив, поскольку имеет высокую теплоту сгорания и меньшее коррозионное воздействие по сравнению с этанолом.
• Косметика и бытовая химия. Изобутиловый и трет-бутиловый спирты входят в состав растворителей, лосьонов и средств бытовой химии.
• Лабораторная практика. Бутан-2-ол используется как растворитель в хроматографии и как реагент в органическом синтезе.

¶Безопасность и воздействие на организм

Оксибутаны относятся к умеренно токсичным веществам. Пары раздражают слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей, при высоких концентрациях вызывают головную боль, головокружение и сонливость. Бутан-1-ол и его изомеры легко воспламеняются: температура вспышки лежит в диапазоне 28–35 °C, что требует соблюдения мер пожарной безопасности при хранении и работе.

Трет-бутиловый спирт обладает более выраженным наркотическим действием и в больших дозах опасен при попадании внутрь. Предельно допустимая концентрация паров бутанола в воздухе рабочей зоны составляет порядка 10 мг/м³. При работе с оксибутанами применяют вытяжную вентиляцию, средства защиты кожи и глаз, а также избегают контакта с открытым огнём.

¶Распространение в природе

В свободном виде оксибутаны в природе встречаются редко, преимущественно в составе летучих фракций некоторых растений и продуктов брожения. Бутан-2-ол обнаружен в эфирных маслах и в продуктах метаболизма микроорганизмов. В промышленных масштабах соединения получают исключительно синтетически или путём контролируемого брожения.