2,3-Бутандиол и 1,3-Бутадиен: механизм синтеза, промышленное значение и химия превращения

Время чтения: 10 минут

Автор статьи: Редакция проекта Butandiol.ru

Дата размещения материала: 02-07-2026

2,3-Бутандиол: строение, свойства и пути получения

2,3-Бутандиол (C₄H₁₀O₂, молекулярная масса 90,12), вицинальный диол класса гликолей, где обе гидроксильные группы расположены на соседних атомах углерода. Регистрационный номер CAS 513-85-9. Это органическое вещество служит исходным сырьём для ряда промышленно значимых превращений.

Молекулярное строение и стереоизомерия 2,3-бутандиола

2,3-Бутандиол содержит два хиральных центра (C-2 и C-3), что порождает три стереоизомера: энантиомеры (2R,3R) и (2S,3S), а также мезо-форму (2R,3S). Стереоизомерия (Stereoisomerism) здесь проявляется в полной мере: энантиомеры вращают плоскополяризованный свет в противоположных направлениях, мезо-форма оптически неактивна. Хиральность (Chirality) центров C-2 и C-3 определяет доступность антипериплановой конформации при E2-элиминировании, что влияет на стереохимический исход дегидратации.

Физические и химические свойства 2,3-бутандиола

2,3-Бутандиол, бесцветная вязкая жидкость (Liquid), полностью смешивающаяся с водой. Основные физические константы:

Температура кипения: 180, 182 °C
Плотность: 1,0033 г/см³
Растворимость: неограниченная в воде
Температура вспышки: 85 °C

LD₅₀ (кролик, перорально): более 5000 мг/кг (PubChem CID 262)
Основная реакция, дегидратация с образованием бутенов, метилэтилкетона (кетон) или 1,3-бутадиена в зависимости от условий. Соединение несовместимо с окислителями.

Идентификационные данные 2,3-бутандиола

Основные способы получения 2,3-бутандиола

Биотехнологическое брожение. Бактерии Klebsiella pneumoniae и Bacillus subtilis конвертируют глюкозу по маршруту: глюкоза → пируват → ацетолактат → ацетоин → 2,3-бутандиол. Штамм K. oxytoca ΔldhA ΔpflB достигает 106,7 г/л (R,R)-продукта при выходе 0,40 г/г (Bioresource Technology, 2014). В качестве сырья используется патока, доступный углеродный субстрат из сахарного производства.
Химический гидролиз 2,3-эпоксибутана. Стереоспецифическое дигидроксилирование бутена-2 с OsO₄: цис-бутен-2 даёт мезо-форму, транс-бутен-2, рацемат (R,R)/(S,S).
Восстановление через ацетоин. Ацетоин восстанавливается до 2,3-бутандиола биологическими или химическими редуктантами; маршрут применяется для стереоселективного синтеза отдельных изомеров.

Природные источники 2,3-бутандиола

2,3-Бутандиол встречается в масле какао, корнях Ruta graveolens, сладкой кукурузе и испорченных мидиях. Во всех природных источниках доминирует (2R,3R)-конфигурация, это соответствует стереохимическому предпочтению бактериальных дегидрогеназ рода Bacillus.

1,3-Бутадиен: строение, реакционная способность и роль в химической индустрии

Глобальное производство 1,3-бутадиена в 2020 году превысило 14 миллионов тонн (IHS Markit CEH). Синтетический каучук (Synthetic rubber), прежде всего стирол-бутадиеновый (SBR) и полибутадиеновый, остаётся главным направлением его потребления в химической промышленности (Chemical industry).

Строение и электронная природа 1,3-бутадиена

Молекула 1,3-бутадиена (CH₂=CH-CH=CH₂) состоит из четырёх sp²-гибридизованных атомов углерода, лежащих в одной плоскости. Две двойные связи образуют сопряжённую π-систему: делокализация электронов снижает общую энергию молекулы и придаёт связи C2-C3 частичный двойной характер.
Молекула существует в двух конформациях. S-транс (двугранный угол 180°) термодинамически стабильнее. S-цис (двугранный угол 0°) необходима для реакций Дильса-Альдера. Именно сопряжение обусловливает уникальную реакционную способность: 1,4-присоединение, циклоприсоединение и полимеризацию.

Физические свойства 1,3-бутадиена

Температура кипения: -4,41 °C
Плотность (жидкость): 0,6149 г/см³
Температура вспышки: -85 °C
Пределы взрываемости в воздухе: 1,4, 16,3 об.%
Хранение: обязательно с ингибитором полимеризации (трет-бутилкатехол)
Классификация: подтверждённый канцероген IARC группа 1, ПДК рабочей зоны 100 мг/м³ (IARC Monographs Vol. 97)

Ключевые химические реакции 1,3-бутадиена

Полимеризация. Анионная полимеризация даёт полибутадиен, основу для производства шин. SBR (60% бутадиена + 40% стирола), крупнейший по объёму синтетический каучук в мире.
Реакция Дильса-Альдера ([4+2]). 1,3-Бутадиен в s-цис-конформации реагирует с диенофилами, образуя циклогексеновые производные. Применяется в синтезе адипонитрила.
1,2- и 1,4-присоединение. 1,2-продукт преобладает кинетически при низкой температуре; 1,4-продукт термодинамически предпочтителен при высокой температуре.
Хлорирование → хлоропрен → неопрен. Эмульсионная полимеризация хлоропрена (2-хлор-1,3-бутадиена) даёт маслостойкий каучук специального назначения.

1,4 бутандиол 99% (0,5 л.)

1 600

р.

Перейти в каталог

Приобретайте высококачественный 99% бутандиол, сделанный на заводах в Германии, Японии, Малайзии и Китае. Всегда в наличии большие партии 1,4 бутандиола на собственных складах в России. Наличие сертификатов качества на продукцию, быстрая доставка в любой город и накопительная система скидок на оптовые партии бутандиола.

Реакция получения 1,3-бутадиена из 2,3-бутандиола: механизм и условия

Двойная дегидратация 2,3-бутандиола, центральная трансформация этой статьи. При двух последовательных актах элиминирования воды из вицинального диола образуется сопряжённый диен 1,3-бутадиен. Температура (Temperature) как параметр реакции, кислотность катализатора и стереохимия субстрата совместно определяют состав продуктов.

Суммарное уравнение двойной дегидратации:

CH₃-CH(OH)-CH(OH)-CH₃ → CH₂=CH-CH=CH₂ + 2H₂O

Пошаговый механизм: E1 и E2 элиминирование

Механизм E1 (кислотный катализ): кислота протонирует одну из OH-групп, уход воды генерирует β-гидроксикарбокатион, затем второе элиминирование формирует сопряжённую диеновую систему.

Механизм E2 (согласованное элиминирование): при форсированных условиях возможен концертный маршрут с антипериплановым требованием. Мезо-форма (2R,3S) принимает нужную конформацию иначе, чем рацемат (2R,3R)/(2S,3S), что меняет стереохимию промежуточных бутенолов.

Влияние условий на выход и селективность

При дегидратации 2,3-бутандиола на фосфатных и алюминиевых катализаторах основным продуктом остаётся МЭК, а не 1,3-бутадиен. Для максимизации выхода бутадиена необходимы высокие температуры и газофазные условия (Applied Catalysis A, 2011).

Конкурирующие маршруты дегидратации 2,3-бутандиола

Из 2,3-бутандиола реализуются три основных маршрута в зависимости от условий:

Двойная дегидратация → 1,3-бутадиен + 2H₂O: высокая температура (300, 450 °C), газовая фаза, γ-Al₂O₃
Пинаколиновая перегруппировка → МЭК + H₂O: умеренная температура (165, 300 °C), кислотный катализатор; МЭК, ценный промышленный растворитель и компонент авиационного топлива
Дезоксидегидратация → бутены + H₂O: специфические условия с редокс-катализаторами; бутены могут далее дегидрироваться до 1,3-бутадиена

Побочные продукты и их минимизация

МЭК (бутанон): образуется при умеренных температурах; минимизация, повышение температуры выше 350 °C
Бутены: неполное двойное элиминирование; минимизация, оптимизация времени контакта
Продукты крекинга (C₁-C₃): выше 500 °C; минимизация, работа в окне 380, 450 °C

Для достижения чистоты бутадиена более 99% применяют экстрактивную ректификацию с полярными растворителями (ацетонитрил, N-метилпирролидон).

Закажите оптовую партию бутандиола у нас и получите прогрессивную скидку на объем заказа

Заполните форму или свяжитесь с нами любым удобным способом, мы расскажем вам про условия доставки и персональные условия

Сравнение промышленных методов получения 1,3-бутадиена

Метод Лебедева: дегидратация и дегидрирование этанола

С.В. Лебедев разработал процесс в 1928 году; промышленное производство запустилось в 1932 году в Ярославле и Воронеже (Green Chemistry, 2016). Каталитический пиролиз этанола при 450 °C над Al₂O₃/ZnO даёт выход 1,3-бутадиена около 70% при конверсии этанола около 42%.

Суммарное уравнение: 2 C₂H₅OH → CH₂=CH-CH=CH₂ + 2H₂O + H₂

Сегодня процесс Лебедева нерентабелен для крупнотоннажного производства из-за высоких энергозатрат, однако остаётся актуальным там, где биоэтанол доступен по конкурентной цене.

Крекинг нафты и дегидрирование C4-углеводородов

Паровой крекинг нафты обеспечивает около 95% мирового производства 1,3-бутадиена. Альтернативный маршрут, каталитическое дегидрирование н-бутана на алюмохромовых катализаторах при 500, 650 °C. В России около 45% производства бутадиена (~410 тыс. тонн/год) сосредоточено на предприятиях ПАО «СИБУР-Холдинг» (СИБУР, годовой отчёт).

Биотехнологический путь через 2,3-бутандиол

Биотехнологический маршрут строится на двух стадиях: микробная ферментация биомассы до 2,3-бутандиола, затем химическая дегидратация до 1,3-бутадиена. Компании Genomatica и Global Bioenergies ведут активные R&D-программы по коммерциализации этого пути. Биобазированные маршруты пока дороже нефтехимических аналогов из-за стоимости ферментации и выделения продукта, однако цены на нефтехимический бутадиен волатильны: китайский рынок в начале 2026 года показал рост почти вдвое за несколько месяцев (ChemAnalyst), что периодически сокращает ценовой разрыв.

Промышленное значение 1,3-бутадиена и его связь с 2,3-бутандиолом

Рынок 1,3-бутадиена в 2024 году превысил 42 миллиарда долларов США и, по прогнозам, достигнет 79 миллиардов к 2034 году при среднегодовом росте около 6,5% (Future Market Insights).

Исторический контекст: роль 2,3-бутандиола в годы Второй мировой войны

2,3-бутандиол в годы Второй мировой войны

В годы Второй мировой войны дефицит нефтяного сырья стимулировал масштабные программы по получению 2,3-бутандиола через ферментацию патоки с Bacillus polymyxa. Диол дегидратировали до 1,3-бутадиена, ключевого мономера для производства синтетического каучука, необходимого для выпуска шин и военного снаряжения. Тогда дефицит нефти был геополитическим; сегодня давление на нефтехимию создаёт климатическая повестка и ESG-требования инвесторов.

Синтетический каучук: полибутадиен и SBR

Полибутадиен с высоким содержанием цис-1,4-звеньев (более 96%) обладает максимальной эластичностью и морозостойкостью. SBR (60% бутадиена + 40% стирола), крупнейший по объёму синтетический каучук в мире, производимый эмульсионной или растворной полимеризацией. Биобазированный маршрут выстраивает цепочку: биомасса → 2,3-бутандиол (ферментация) → 1,3-бутадиен (дегидратация) → SBR (полимеризация) → шина.

Другие применения 1,3-бутадиена

АБС-пластик, корпуса электроники и автомобильные детали; бутадиеновый компонент обеспечивает ударопрочность
Нитрильный каучук (NBR), маслостойкие уплотнения и перчатки; сополимер бутадиена с акрилонитрилом
Адипонитрил → найлон-66: реакция Дильса-Альдера с HCN даёт адипонитрил для производства полиамидных волокон
Сульфолан, высокоселективный растворитель для экстрактивной ректификации ароматики; получают из бутадиена и SO₂

Применение 2,3-бутандиола в других отраслях

Растворители и типографские краски, компонент специальных печатных чернил
Парфюмерия, носитель ароматических компонентов и фиксатор запаха
Антифриз, гликолевая природа молекулы снижает точку замерзания водных растворов
Фармацевтика, носитель и стабилизатор активных субстанций
Устойчивое авиационное топливо (SAF), дегидратация до МЭК с последующим альдольным конденсированием и гидрированием даёт компоненты реактивного топлива

Практические рекомендации: лабораторный синтез 1,3-бутадиена из 2,3-бутандиола

Выбор катализатора и ключевые шаги синтеза

Два каталитических варианта принципиально различаются по условиям. γ-Al₂O₃ в газовой фазе при 380, 450 °C обеспечивает максимальный выход бутадиена. Концентрированная H₃PO₄ (85%) при 220, 240 °C проще в аппаратурном оформлении, но даёт больше МЭК.
Хотите воспроизвести синтез в лаборатории? Вот три шага, без которых не обойтись:

Осушка субстрата и катализатора. Выдержите 2,3-бутандиол над молекулярными ситами 4Å не менее 12 часов; прокалите γ-Al₂O₃ при 500 °C в течение 2 часов. Остаточная вода смещает селективность в сторону МЭК.
Контроль температуры. Выйдите на рабочую температуру 400 °C (±10 °C) со скоростью не более 5 °C/мин; контролируйте термопарой в слое катализатора. Температура ниже 300 °C даёт преимущественно МЭК.
Сбор и стабилизация продукта. Направьте газообразный поток через ловушку при -78 °C; добавьте трет-бутилкатехол (50, 100 ppm) к собранному бутадиену немедленно после синтеза, иначе самополимеризация засорит клапаны за несколько часов.

Профиль безопасности при работе с реагентами

2,3-Бутандиол: умеренная токсичность (LD₅₀ более 5000 мг/кг у кроликов), температура вспышки 85 °C, несовместим с окислителями. Нитриловые перчатки, защитные очки, вытяжной шкаф при нагреве выше 100 °C.

1,3-Бутадиен: взрывоопасный газ (пределы взрываемости 1,4, 16,3 об.%), температура вспышки -85 °C, подтверждённый канцероген IARC группа 1. Работать только в эффективном вытяжном шкафу с газоанализатором; исключить все источники искрообразования. При отравлении, немедленно вывести на свежий воздух и вызвать скорую помощь.

Три ошибки, которые чаще всего допускают в лаборатории

Недостаточная осушка реагентов снижает конверсию и смещает селективность в сторону МЭК. Осушите субстрат над молекулярными ситами и прокалите катализатор перед каждым опытом.
Температура ниже 300 °C переключает реакцию на пинаколиновую перегруппировку, и бутанон становится основным продуктом. Поднимите температуру зоны катализатора до 380, 420 °C и верифицируйте показания термопары.
Отсутствие охлаждаемой ловушки приводит к потере продукта и накоплению взрывоопасной атмосферы в лаборатории. Установите ловушку (-78 °C) и газовый мешок на выходе реактора до начала опыта.

Заключение

Двойная дегидратация 2,3-бутандиола до 1,3-бутадиена, химически обоснованный, но условие-чувствительный процесс: температура, кислотность катализатора и стереохимия субстрата совместно определяют, получит ли химик целевой диен или конкурирующий бутанон. Механизм E1 через β-гидроксикарбокатион и концертный E2-маршрут с антипериплановым требованием объясняют, почему мезо-форма и рацемат ведут себя по-разному в одних и тех же условиях.

Биотехнологическое производство 2,3-бутандиола через ферментацию уже достигло промышленных концентраций (более 100 г/л). Дальнейшее развитие маршрута определяется экономикой стадии дегидратации, масштабированием ферментационных процессов и регуляторным давлением в рамках климатической повестки.

Часто задаваемые вопросы

Как происходит превращение 2,3-бутандиола в 1,3-бутадиен?

Две молекулы воды последовательно отщепляются от 2,3-бутандиола с образованием сопряжённой диеновой системы CH₂=CH-CH=CH₂. Механизм включает протонирование OH-группы, образование β-гидроксикарбокатиона и второе элиминирование. При умеренных условиях преобладает пинаколиновая перегруппировка с образованием метилэтилкетона.

Какие катализаторы используются для дегидратации 2,3-бутандиола до 1,3-бутадиена?

Основные варианты: γ-Al₂O₃ в газовой фазе при 380, 450 °C и концентрированная H₃PO₄ (85%) при 220, 240 °C. Для максимизации выхода бутадиена предпочтителен γ-Al₂O₃ в газофазных условиях с временем контакта 0,5, 2 с.

Какие условия необходимы для реакции дегидратации 2,3-бутандиола?

Для двойной дегидратации с преимущественным образованием 1,3-бутадиена: температура 380, 450 °C (газовая фаза, γ-Al₂O₃) или 220, 240 °C (жидкая фаза, H₃PO₄), время контакта 0,5, 2 с, предварительно осушенный субстрат. Ниже 300 °C реакция даёт преимущественно МЭК.

В чём разница между бутандиолом-1,3 и бутандиолом-2,3?

Бутандиол-1,3 несёт OH-группы в положениях C-1 и C-3 и при дегидратации легче даёт 1,3-бутадиен при 200, 280 °C. Бутандиол-2,3 несёт обе OH-группы на соседних вторичных атомах C-2 и C-3 и при умеренных условиях преимущественно образует МЭК через пинаколиновую перегруппировку.

Какие побочные продукты образуются при получении 1,3-бутадиена из 2,3-бутандиола?

Основной побочный продукт, метилэтилкетон (МЭК) с селективностью до 90% при умеренных температурах. Дополнительно образуются бутены при неполном элиминировании и продукты крекинга (C₁-C₃) выше 500 °C. Очистку проводят экстрактивной ректификацией с полярными растворителями.

Как получают 2,3-бутандиол в промышленных масштабах?

Основной путь, микробная ферментация: бактерии Klebsiella pneumoniae и Bacillus subtilis конвертируют глюкозу или патоку до 2,3-бутандиола. Оптимизированные штаммы достигают концентрации 84, 107 г/л при выходе 0,40 г/г глюкозы. Химический путь через дигидроксилирование бутена-2 применяется для стереохимически чистых форм.

Токсичен ли 2,3-бутандиол и каковы меры безопасности при работе с ним?

2,3-Бутандиол умеренно токсичен (LD₅₀ более 5000 мг/кг у кроликов) и огнеопасен выше 85 °C. Несовместим с окислителями. При работе необходимы нитриловые перчатки, защитные очки и вытяжной шкаф. При попадании на кожу или в глаза, немедленное промывание водой.

Каковы основные области применения 1,3-бутадиена, получаемого из 2,3-бутандиола?

1,3-Бутадиен из любого источника направляется прежде всего на производство синтетических каучуков: полибутадиена и SBR для шин. Дополнительные применения: АБС-пластик, нитрильный каучук (NBR), хлоропрен/неопрен, адипонитрил для найлона-66 и сульфолан как промышленный растворитель.

Как стереоизомерия 2,3-бутандиола влияет на механизм реакции дегидратации?

Мезо-форма (2R,3S) и рацемат (2R,3R)/(2S,3S) принимают антипериплановую конформацию по-разному. По E1-механизму оба изомера реагируют через плоский карбокатион без стереохимических ограничений. При E2-условиях мезо-форма даёт преимущественно цис-бутенол, рацемат, транс-бутенол.

Каков выход реакции получения 1,3-бутадиена из 2,3-бутандиола?

При дегидратации на аморфных фосфатах алюминия при 250 °C конверсия субстрата достигает 100%, однако селективность по бутадиену составляет лишь 8, 26%, тогда как МЭК занимает 70, 78%. На γ-Al₂O₃ при 400 °C в газовой фазе доля бутадиена возрастает. Для сравнения: метод Лебедева даёт выход около 70%.