Метилформиат - летучее органическое соединение, которое находит широкое применение в промышленности и науке. Давайте разберемся в особенностях его строения и свойств.
Химическая формула и строение молекулы
По химической структуре метилформиат представляет собой метиловый эфир муравьиной кислоты. Его молекулярная формула - HCOOCH3. Это означает, что в состав входят:
- Один атом углерода
- Два атома кислорода
- Один атом водорода
- Одна метильная группа СН3
Схематично строение молекулы можно представить так:
| H | C | O |
| O | C | |
| H | H | |
| H |
Как видно из формулы и схемы, в молекуле присутствует одна карбоксильная группа -COOH и одна метокси-группа -OCH3. Именно наличие этих функциональных групп определяет химические свойства метилформиата.
Физические свойства
При нормальных условиях метилформиат представляет собой бесцветную летучую жидкость с резким неприятным запахом. Основные физические константы:
- Температура плавления: -99,8°C
- Температура кипения: +31,8°C
- Плотность: 0,97 г/см3
Легко растворяется в полярных органических растворителях (спирты, эфиры), а также в воде - растворимость составляет 30,4%.
Горючесть метилформиата довольно высокая. Температура вспышки - +21°C. При нагревании пары воспламеняются, температура самовозгорания 456°C. Концентрационные пределы воспламеняемости в воздухе - 5,5-21,8%.
Получение метилформиата
В лабораторных условиях метилформиат можно получить реакцией этерификации муравьиной кислоты метанолом:
HCOOH + CH3OH ⇄ HCOOCH3 + H2O
Однако выход таким способом невелик. Промышленные масштабы производства обеспечивает другая реакция - карбонилирование метанола оксидом углерода(II) в присутствии метилата натрия:
CH3OH + CO → HCOOCH3
Процесс ведут при температуре около 80°C и давлении 40-45 атм. Возможно также использование других щелочных катализаторов, например, метилата калия.
Химические свойства
Химическая активность метилформиата во многом определяется наличием реакционноспособных карбоксильной и метокси-групп. Рассмотрим основные реакции.
- Гидролиз. Происходит расщепление сложноэфирной связи с образованием муравьиной кислоты и метанола:
HCOOCH3 + H2O → HCOOH + CH3OH - Алкоголиз. Взаимодействие с другими спиртами, например:
HCOOCH3 + C2H5OH → HCOOC2H5 + CH3OH - Аминолиз. Присоединение аминов по карбоксильной группе:
HCOOCH3 + NH3 → HCONH2 + CH3OH - Гидрирование. Восстановление карбонильной группы:
HCOOCH3 + 2H → CH3OCH3 + H2O - Окисление. Окисление до муравьиной кислоты и углекислого газа:
HCOOCH3 + O → HCOOH + CO2
Как видим, при взаимодействии с другими реагентами метилформиат часто распадается на исходные метанол и муравьиную кислоту. Это обусловлено тем, что энергия его сложноэфирной связи довольно невелика.
Применение метилформиата
Уникальное сочетание свойств делает метилформиат востребованным веществом для самых разных областей. Он находит применение как:
- Растворитель и экстрагент жиров, минералов, растительных масел
- Прекурсор для синтеза других органических веществ
- Компонент чистящих средств, ингибитор коррозии металлов
- Вспенивающий агент при производстве пенополиуретанов
- Присадка к моторным маслам и топливам
- Фумигант и инсектицид в сельском хозяйстве
Особенно перспективно использование метилформиата для замены озоноразрушающих хладагентов по типу фреонов. Его можно применить на существующем оборудовании без модификации.
В пищевой промышленности муравьиная кислота разрешена к использованию в качестве консерванта E236.
Токсичность и меры предосторожности
Метилформиат относится к умеренно токсичным веществам (3 класс опасности). Его пары и жидкость оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки и кожные покровы, могут вызвать ожоги.
При вдыхании паров наблюдается кашель, першение в горле, удушье. Возможно угнетение центральной нервной системы. Хроническое воздействие может привести к аллергии.
Метилформиат легко воспламеняется, поэтому несоблюдение правил пожарной безопасности чревато риском возгорания и взрыва паров.
Чтобы максимально обезопасить работу, необходимо:
- Использовать защитную одежду, перчатки и очки
- Обеспечить хорошую вентиляцию помещений
- Не допускать контакта с открытым пламенем
- При разливе впитывать инертным материалом
Соблюдение правил безопасности позволяет максимально снизить риски при работе с этим полезным соединением.
Экологические аспекты
Одним из преимуществ метилформиата является его низкая токсичность для окружающей среды. В отличие от многих хлор- и фторсодержащих аналогов этот продукт не разрушает озоновый слой.
По данным исследований метилформиат легко разлагается в природных условиях, не накапливаясь в объектах окружающей среды. Продукты его трансформации (диоксид углерода и вода) не представляют угрозы для флоры и фауны.
Перспективы применения
Учитывая полезные свойства метилформиата, перспективным представляется его более широкое использование взамен традиционных фторхлоруглеродов в таких областях как:
- Производство теплоизоляционных пен материалов
- Системы кондиционирования и охлаждения
- Фармацевтическая и пищевая промышленность в качестве растворителя
Применение метилового эфира муравьиной кислоты взамен озонопазрушающих хладагентов и растворителей может дать существенный экологический эффект.
Синтез метилформиата из метана
Как уже отмечалось, одним из способов получения метилформиата является синтез из метанола. Однако теоретически этот процесс можно осуществить и из другого источника углерода - метана. Схематично реакция выглядит так:
CH4 + CO2 → HCOOCH3
Для ее реализации могут найти применение различные гомогенные и гетерогенные катализаторы - соединения Rh, Pd, Ru и других металлов, нанесенные на неорганические носители.
Таким образом открывается альтернативный путь синтеза ценного органического продукта из простых и дешевых веществ - метана и углекислого газа.
Применение метилформиата в органическом синтезе
Наличие в молекуле метилформиата различных функциональных групп определяет его реакционную способность и применимость в синтезе других органических соединений.
В частности под действием аммиака и аминов метилформиат может превращаться в формамиды:
HCOOCH3 + NH3 → HC(O)NH2 + CH3OH
А при гидрировании образуется диметиловый эфир:
HCOOCH3 + 2H2 → CH3OCH3 + H2O
Также перспективно использование метилформиата в качестве растворителя-носителя для проведения различных органических реакций, например, алкилирования ароматических соединений.
Реакция метилформиата с другими веществами
В зависимости от природы реагирующего вещества метилформиат может вступать в следующие реакции:
- С водой - происходит гидролиз сложного эфира до муравьиной кислоты и метанола
- Со спиртами - этерификация с образованием сложных эфиров
- С аммиаком и аминами - образуются амиды муравьиной кислоты
- С восстановителями (H2, металлы) - восстановление карбонильной группы до простых эфиров
- С окислителями - окисление до CO2 и муравьиной кислоты
Таким образом, какими веществами реагирует метилформиат - это широкий круг соединений, способных взаимодействовать с функциональными группами сложного эфира.
