Etanolo: reazioni e metodi di sintesi
L’ etanolo CH3CH2OH anche noto come alcol etilico è il secondo membro della serie degli alcoli alifatici. E’ un liquido incolore, dall’odore piacevole ed è prodotto industrialmente in una soluzione al 95% m/m; stante la polarità della molecola l’etanolo è miscibile in acqua in tutte le proporzioni.
L’etanolo è utilizzato nella fabbricazione di bevande alcoliche come ad esempio Vodka, ecc, come solvente nell’industria dei coloranti e delle vernici, nella produzione di acetaldeide e acido acetico, come combustibile, come fluido nei termometri, e per preservare campioni biologici.
Reazioni
Combustione:
Esso brucia emettendo una fiamma azzurra non luminosa con produzione di anidride carbonica e acqua secondo la reazione:
C2H5OH + 3 O2 = 2 CO2 + 3 H2O
Ossidazione:
Può essere ossidato da agenti ossidanti quali bicromato di potassio o permanganato di potassio per dare l’etanale e, in presenza di un eccesso di ossidante dall’etanale si ottiene l’’acido etanoico secondo le reazioni:
3 C2H5OH + 16 H++ 2 Cr2O72-= 3 CH3COOH + 11 H2O + 4 Cr3+
5 C2H5OH + 12 H+ + 4 MnO4– = 5 CH3COOH + 11 H2O + 4 Mn2+
Quando l’etanolo viene riscaldato alla temperatura di 170°C in eccesso di acido solforico concentrato si forma l’etene:
C2H5OH → CH2=CH2 + H2O
Se la reazione avviene in eccesso di etanolo alla temperatura di 140°C si forma il dietiletere:
2 C2H5OH → CH3CH2OCH2CH3 + H2O
Reazione con il sodio
L’etanolo reagisce a temperatura ambiente con il sodio per dare etossido di sodio e idrogeno gassoso:
2 C2H5OH + 2 Na → 2 C2H5ONa + H2
L’etanolo può essere ossidato a etanale facendo passare i suoi vapori alla temperatura di 300 °C su un catalizzatore di rame:
C2H5OH → CH3CHO + H2 ΔH = + 82.5 kJ/mol
è accompagnata da reazioni collaterali:
2 C2H5OH → CH3COO CH2CH3 + 2 H2
2 C2H5OH → CH3 (CH2)3OH + H2O
C2H5OH + H2O → CH3COOH + 2 H2
Esterificazione
L’etanolo reagisce con gli acidi carbossilici in ambiente acido per dare un estere:
C2H5OH + CH3COOH CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2O
Alogenazione
L’etanolo reagisce con il pentacloruro di fosforo a temperatura ambiente per dare il cloroetano oltre che cloruro di idrogeno e cloruro di fosforile:
C2H5OH + PCl5 → C2H5Cl + HCl + POCl3
L’alogenazione dell’etanolo può verificarsi anche per reazione con HCl in presenza di zinco quale catalizzatore:
C2H5OH + HCl → C2H5Cl + H2O
Metodi di sintesi
I due più importanti metodi di sintesi industriali dell’etanolo consistono nella reazione dell’etene in presenza di vapore acqueo e nella fermentazione alcolica. Con il primo metodo si ottiene etanolo per uso industriale mentre con il secondo si ha etanolo usato per usi alimentari.
Reazione tra etene e vapore acqueo
La gran parte dell’etanolo usato nell’industria viene ottenuto dalla reazione:
CH2=CH2(g) + H2O(g) ⇌ C2H5OH + H2O
La reazione è esotermica
(ΔH = – 45 kJ/mol) e reversibile.
Tuttavia dalla reazione si ottiene solo il 5% di etanolo ad ogni passaggio attraverso il reattore. La resa viene aumentata al 95% sfruttando il Principio di Le Chatelier ovvero allontanando etanolo dal reattore e, tenendo conto della esotermicità della reazione abbassando la temperatura fino a 300°C.
Fermentazione
L’etanolo può essere ottenuto dalla decomposizione di composti organici tramite la fermentazione di melasse o di amido. Questo metodo tramite il quale si ottiene etanolo per usi alimentari è usato per la fabbricazione di alcol e bevande alcoliche come birra, vino, grappa, ecc,.
Fermentazione della melassa
La melassa è un sottoprodotto della canna da zucchero: dopo che la canna è stata pressata e sfibrata si ottiene un liquido che filtrato e decantato viene raffinato e cristallizzato; il residuo detto melassa contiene ancora un’alta percentuale di zuccheri non cristallizzabili che con successiva aggiunta di acqua passa alla fase di fermentazione
La soluzione diluita viene messa in grandi vasche di fermentazione a cui viene aggiunto il lievito. La temperatura è mantenuta a 330 K e la miscela viene lasciata riposare per un paio di giorni. L’enzima invertasi presente nel lievito, converte saccarosio in glucosio e fruttosio. Le zimasi convertono poi il glucosio e il fruttosio in etanolo ed anidride carbonica che viene fatta fuoriuscire dal recipiente di reazione.
La prima reazione catalizzata dall’invertasi è:
C12H22O11 + H2O → C6H12O6 (glucosio) + C6H12O6 (fruttosio)
La seconda reazione catalizzata dalle zimasi è:
C6H12O6 (glucosio o fruttosio) → 2 C2H5OH + 2 CO2
Fermentazione dell’amido
L’amido è un polisaccaride costituito da unità di glucosio legate tra loro per la maggior parte attraverso legami glucosidici α-1,4. Quando sono trattati con acqua calda si separano nei principali costituenti: l’amilosio che è solubile in acqua (10-20% in peso) e l’amilopectina che è insolubile (80-90% in peso).
L’amilosio contiene solo legami glucosidici α-1,4, mentre l’amilopectina contiene sia i legami glucosidici α-1,4 che i legami α-1,6 in rapporto approssimativamente di 20 a 1. L’amido può essere facilmente idrolizzato per via enzimatica o in presenza di acidi minerali, dando origine a glucosio che a sua volta può essere trasformato, per fermentazione, in etanolo.
La reazione prevede la conversione di amido in maltosio ad opera delle diastasi, gruppo di enzimi che catalizzano l’idrolisi dell’amido in maltosio.
Quest’ultimo è fermentato in presenza di lievito contenente la maltasi che trasforma il maltosio in glucosio. La zimasi presente nel lievito, converte il glucosio poi in etanolo e anidride carbonica.
La prima reazione che avviene ad opera delle diastasi è:
2 (C6H10O5)n + n H2O → n C12H22O11 (maltosio)
Nella seconda reazione catalizzata dalla maltasi il maltosio è convertito in glucosio:
C12H22O11 + H2O → C6H12O6 (glucosio)
La terza reazione catalizzata dalle zimasi è:
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2