Бутен и бутандиол: от строения молекулы до промышленного синтеза

Время чтения: 6 минут

Автор статьи: Автор

Дата размещения материала: 10-06-2026

Химическая природа бутена и бутандиола: структура и номенклатура

Структурные формулы изомеров бутена: 1-бутен, цис-2-бутен, транс-2-бутен, изобутилен (молекулярные диаграммы)

Бутены представляют собой класс алкенов с брутто-формулой C₄H₈, содержащих одну двойную связь C=C. Для этой формулы существуют три структурных изомера: бутен-1 (CH₂=CHCH₂CH₃), бутен-2 (CH₃CH=CHCH₃) и изобутилен, то есть 2-метилпропен ((CH₃)₂C=CH₂). В промышленной литературе бутены нередко называют «бутиленами», оба термина равнозначны.

Бутандиол относится к классу двухатомных алифатических спиртов с формулой C₄H₁₀O₂, несущих две гидроксильные группы. Четыре стабильных структурных изомера различаются положением групп OH: 1,2-бутандиол, 1,3-бутандиол, 1,4-бутандиол и 2,3-бутандиол. Позиция двойной связи в молекуле алкена непосредственно определяет, какой изомер диола образуется в ходе реакции, что принципиально важно для понимания механизмов синтеза и промышленных маршрутов.

Структурные изомеры бутена: 1-бутен, 2-бутен, изобутилен

Легальные способы применения бутандиола 1,4

Три структурных изомера бутена различаются положением двойной связи и пространственной конфигурацией, что напрямую влияет на их реакционную способность в синтезе диолов. Бутен-2 существует в двух геометрических формах: цис-2-бутен (заместители по одну сторону двойной связи) и транс-2-бутен (заместители по разные стороны). Эта геометрическая изомерия определяет стереохимический исход реакции дигидроксилирования.

1-бутен (CH₂=CHCH₂CH₃): температура кипения -6,3 °C; плотность при 25 °C равна 0,577 г/мл; практически нерастворим в воде, растворяется в бензоле, этаноле и диэтиловом эфире. Терминальная двойная связь обеспечивает высокую реакционную способность в реакциях присоединения, включая синтез 1,2-бутандиола через эпоксидный маршрут.
Цис-2-бутен (Z-CH₃CH=CHCH₃): температура кипения +3,7 °C; внутренняя двойная связь; при цис-дигидроксилировании даёт мезо-2,3-бутандиол.
Транс-2-бутен (E-CH₃CH=CHCH₃): температура кипения около +1 °C; при цис-дигидроксилировании даёт рацемическую смесь (R,R)/(S,S)-2,3-бутандиола.
Изобутилен (2-метилпропен, (CH₃)₂C=CH₂): температура кипения -6,9 °C; разветвлённая структура снижает доступность двойной связи для ряда реагентов, поэтому в синтезе бутандиолов он применяется значительно реже.

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.

Изомеры бутандиола: 1,2-, 1,3-, 1,4-, 2,3-бутандиол

Наибольшее промышленное значение среди четырёх изомеров имеет 1,4-бутандиол (1,4-БДО): на него приходится основная доля мирового производства и потребления в классе диолов C₄.

1,4-бутандиол представляет собой бесцветную гигроскопичную жидкость с молярной массой 90,12 г/моль, кристаллизующуюся при охлаждении ниже 20,2 °C. Показатель преломления n²⁰D составляет 1,4461; динамическая вязкость при 20 °C равна 84,9 мПа·с. 2,3-бутандиол представляет особый интерес как платформенная молекула для биотехнологии: его производство методом микробной ферментации активно исследуется.

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

Химическая связь между бутеном и бутандиолом: реакции и механизмы

Превращение алкена C₄H₈ в диол C₄H₁₀O₂ осуществляется несколькими принципиально различными путями. Выбор маршрута определяет как позиционный состав продукта, так и его стереохимию. Реакция дигидроксилирования обеспечивает прямое введение двух гидроксильных групп по двойной связи и остаётся основным лабораторным методом получения вицинальных диолов со стереоконтролем. Гидратация через эпоксидный интермедиат представляет собой стандартный промышленный маршрут к 1,2-бутандиолу.

Реакция дигидроксилирования бутена: механизм и катализаторы

Механизм цис-дигидроксилирования бутена с OsO₄: схема реакции с осматным эфиром как промежуточным соединением

Реакция дигидроксилирования делится на два стереохимически противоположных варианта. При цис-дигидроксилировании обе гидроксильные группы присоединяются к одной стороне двойной связи (syn-присоединение). Тетраоксид осмия OsO₄ в каталитическом количестве с ко-окислителем (например, H₂O₂) образует циклический осматный эфир, который затем гидролизуется до вицинального цис-диола. Холодный разбавленный раствор KMnO₄ в щелочной среде при 0 °C действует аналогичным образом через циклический интермедиат с syn-стереохимией. Горячий концентрированный KMnO₄ вызывает разрыв связи C=C, поэтому контроль температуры здесь критически важен.

При транс-дигидроксилировании (anti-присоединение) применяют надкислоты: эпоксидирование с последующим кислотным раскрытием эпоксида даёт транс-диол.

Реакционные схемы превращения изомеров бутена в бутандиолы

Какой бутен даёт какой бутандиол? Ответ определяется положением двойной связи и геометрией молекулы.

Схема 1. 1-бутен → 1,2-бутандиол
CH₂=CH-CH₂-CH₃ + OsO₄ (кат.) / H₂O₂ → HO-CH₂-CH(OH)-CH₂-CH₃
Продукт: (R,S)-1,2-бутандиол (рацемическая смесь)

Схема 2. Цис-2-бутен → мезо-2,3-бутандиол
(Z)-CH₃-CH=CH-CH₃ + KMnO₄ (хол., щел.) → CH₃-CH(OH)-CH(OH)-CH₃
Продукт: мезо-2,3-бутандиол (ахиральный)

Схема 3. Транс-2-бутен → рацемический 2,3-бутандиол
(E)-CH₃-CH=CH-CH₃ + OsO₄ (кат.) → CH₃-CH(OH)-CH(OH)-CH₃
Продукт: рацемическая смесь (2R,3R)- и (2S,3S)-2,3-бутандиола

Таким образом, бутен-1 даёт 1,2-бутандиол, тогда как оба изомера бутена-2 дают 2,3-бутандиол с различной стереохимией продукта. Позиция двойной связи в молекуле бутена однозначно определяет, какие атомы углерода несут гидроксильные группы в продукте.

Каталитическая гидратация бутена и эпоксидный маршрут к бутандиолам

Промышленный синтез 1,2-бутандиола из бутена-1 реализуется как двухстадийный процесс. На первой стадии бутен-1 эпоксидируют надкислотой или по HPPO-технологии (H₂O₂ в присутствии катализатора TS-1) до 1,2-эпоксибутана. На второй стадии эпоксид гидролизуют водой в присутствии разбавленной H₂SO₄ при 50, 100 °C. Выход 1,2-бутандиола по этому маршруту составляет 85, 90%. Региоселективность раскрытия эпоксида зависит от условий реакции: в кислой среде нуклеофил атакует более замещённый атом углерода, в щелочной среде атакуется менее замещённый.

Реакция Вакера-окисления и другие современные подходы

Реакция Вакера в классическом варианте представляет собой каталитическое окисление алкенов в присутствии PdCl₂ и CuCl₂. Для бутена-1 основным продуктом служит метилэтилкетон (МЭК), а не диол, что исключает прямой синтез бутандиола через Вакер-окисление в стандартных условиях. Тем не менее описаны Wacker-type процессы с Pd/Fe-катализом, где Fe(III)-цитрат выступает ко-катализатором и реокислителем Pd(0), а реакция протекает при мягких условиях (1 атм O₂). Рений- и молибденсодержащие системы рассматриваются в литературе как перспективные направления для окислительного катализа алкенов, хотя их промышленная реализация для синтеза бутандиолов остаётся на исследовательской стадии.

Предупреждение. 1,4-бутандиол в концентрации 15% и выше включён в Таблицу II Списка IV Перечня наркотических средств, психотропных веществ и их прекурсоров (Постановление Правительства РФ № 681 от 30.06.1998). Приобретение, хранение и использование требуют соответствующего разрешения. Вещество метаболизируется в организме до гамма-гидроксибутирата (ГГБ), оказывающего депрессивное действие на ЦНС.

Токсикологический профиль основных изомеров бутандиола

Центральный токсикологический факт для 1,4-бутандиола: в организме он метаболизируется до гамма-гидроксибутирата (ГГБ) с выраженным депрессивным действием на центральную нервную систему. Это определяет как регуляторный статус вещества, так и клиническую картину отравления. LD₅₀ при пероральном введении крысам составляет 1525 мг/кг, что соответствует категории умеренно токсичных веществ. Токсикологические профили 1,2- и 1,3-бутандиола менее изучены в части специфических метаболических путей; оба изомера проявляют раздражающее действие на кожу и слизистые при прямом контакте.

Основные меры предосторожности при работе с 1,4-бутандиолом:

СИЗ: химически стойкие перчатки (нитрил или неопрен), защитные очки; при работе с аэрозолями необходим респиратор с фильтром P2/P3.
Вентиляция: местная вытяжная вентиляция на рабочем месте, исключение накопления паров в замкнутых пространствах.
Хранение: плотно закрытая тара, изоляция от окислителей и источников воспламенения, температура не выше 30 °C.
При признаках угнетения ЦНС (сонливость, нарушение координации, потеря сознания) требуется немедленная госпитализация; специфический антидот отсутствует, лечение симптоматическое.

Хранение, транспортировка и нормативное регулирование в России

Оборот 1,4-бутандиола в России регулируется Постановлением Правительства РФ № 681 от 30.06.1998, которое относит его (в концентрации от 15%) к прекурсорам наркотических средств. Для организаций, работающих с этим веществом, обязательны лицензирование, ведение журналов учёта и соблюдение требований к хранению. При транспортировке вещество классифицируется как опасный груз; маркировка и документация оформляются согласно ДОПОГ и применимым российским транспортным регламентам.

Заключение: ключевые выводы о бутене и бутандиоле

Бутен как класс алкенов C₄H₈ служит структурной и реакционной основой для получения бутандиолов C₄H₁₀O₂. Позиция двойной связи в молекуле бутена определяет, какой изомер диола образуется: бутен-1 даёт 1,2-бутандиол, бутен-2 даёт 2,3-бутандиол с конфигурацией, зависящей от геометрии исходного алкена. Промышленный синтез 1,4-бутандиола реализуется преимущественно через процесс Реппе и гидрирование малеинового ангидрида, тогда как маршрут Mitsubishi от н-бутена и биотехнологические методы (Genomatica, ферментация) формируют долгосрочные тренды отрасли.

Часто задаваемые вопросы

Чем бутен отличается от бутандиола?

Бутен (C₄H₈) является алкеном с одной двойной связью C=C и не содержит гидроксильных групп. Бутандиол (C₄H₁₀O₂) представляет собой насыщенный двухатомный спирт с двумя группами OH. Бутен выступает исходным реагентом, а бутандиол получается в результате присоединения двух гидроксильных групп по двойной связи.

Как получить 1,4-бутандиол в лаборатории?

В лабораторных условиях 1,4-бутандиол получают гидрированием 2-бутин-1,4-диола или восстановлением производных янтарной кислоты боргидридом лития. Прямое дигидроксилирование бутена даёт 1,2- или 2,3-бутандиол в зависимости от изомера алкена, но не 1,4-изомер.

Какой изомер бутандиола наиболее востребован в промышленности?

1,4-бутандиол. На него приходится более 2,5 млн т мирового потребления в год. Он служит сырьём для производства ТГФ (около 40, 45%), ГБЛ (около 20%), PBS, TPU и PBT. Остальные изомеры производятся в значительно меньших объёмах и занимают специализированные ниши.

Является ли 1,4-бутандиол прекурсором в России?

Да. 1,4-бутандиол в концентрации 15% и выше включён в Таблицу II Списка IV Перечня наркотических средств и психотропных веществ (ПП РФ № 681 от 30.06.1998). Его оборот требует лицензирования, ведения учёта и соблюдения специальных условий хранения.

Какое сырьё дешевле для синтеза бутандиола?

Малеиновый ангидрид и н-бутен как фракция крекинга являются наиболее экономически доступным сырьём для 1,4-БДО на текущем рынке. Ацетилен (процесс Реппе) дороже в обращении из-за требований безопасности. Биотехнологическое сырьё (глюкоза) пока на 20, 30% дороже petroхимических маршрутов по себестоимости конечного продукта.

Чем 1,3-бутандиол отличается от 1,4-бутандиола по применению?

1,4-бутандиол является крупнотоннажным промышленным мономером для ТГФ, PBS, TPU и PBT. 1,3-бутандиол занимает нишевые рынки: косметика (увлажнитель, альтернатива пропиленгликолю) и спортивное питание (кетогенный субстрат). Температура кипения 1,3-БДО (207, 208 °C) ниже, чем у 1,4-изомера (228, 230 °C), что влияет на условия переработки.

Как из бутена получить бутандиол?

Из бутена-1 бутандиол получают эпоксидированием (бутен-1 → 1,2-эпоксибутан → 1,2-бутандиол, выход 85, 90%) или дигидроксилированием через OsO₄ либо холодный KMnO₄. Бутен-2 при дигидроксилировании даёт 2,3-бутандиол. Для промышленного получения 1,4-БДО н-бутен сначала дегидрируют до бутадиена, затем проводят ацетоксилирование и гидролиз по маршруту Mitsubishi.

Какая химическая реакция превращает бутен в бутандиол?

Основные реакции: дигидроксилирование (syn-присоединение двух OH по двойной связи через OsO₄ или KMnO₄) и эпоксидирование с последующим гидролизом эпоксида. Реакция Вакера (PdCl₂/CuCl₂) даёт кетон, а не диол, поэтому для прямого синтеза бутандиола она не применяется.

Какие условия реакции необходимы для превращения бутена в бутандиол?

Для дигидроксилирования с KMnO₄ нужны щелочная среда и температура 0, 5 °C. Для OsO₄ требуются каталитическое количество реагента, ко-окислитель (H₂O₂) и органический растворитель. Для промышленного эпоксидного маршрута на стадии гидролиза применяют разбавленную H₂SO₄ при 50, 100 °C.

Какие катализаторы используются для превращения бутена в бутандиол?

При дигидроксилировании применяют OsO₄ (каталитически, с ко-окислителем) и KMnO₄. При эпоксидном маршруте используют катализатор TS-1 (титансиликалит) для HPPO-процесса или надкислоты (м-ХПБК) в лаборатории. В промышленном маршруте Mitsubishi применяют Pd-содержащие катализаторы ацетоксилирования.

Каков механизм реакции дигидроксилирования бутена?

OsO₄ реагирует с двойной связью бутена через согласованное [3+2]-циклоприсоединение, образуя пятичленный циклический осматный эфир. Гидролиз эфира водой даёт цис-диол, а ко-окислитель (H₂O₂ или NMO) регенерирует Os(VI) до Os(VIII). KMnO₄ в холодной щелочной среде действует аналогично через циклический интермедиат с syn-стереохимией.