Спирты: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция 9: "Спирты"

При замене атомов водорода в углеводородах на другой – кислород, азот, серу, галогена и других образуются функциональные производные углеводородов. При замене атома водорода на атом кислорода образуются кислородсодержащие органические соединения – именно о них и пойдет дальше речь. Кислород может быть в составе органического соединения в трех вариациях – C=O (двойная связь между кислородом и углеродом) и C-O-C (одинарная связь с каждым из двух атомов углерода) и C-O-H (одинарные связи с атомом углерода и водорода). Напомним, что валентность кислорода равна II.

Если в молекуле метана один из атомов водорода заменить на гидроксильную группу -OH – получится молекула метилового спирта.

Точно также, как метан является родоначальником гомологического ряда алканов – метанол образует гомологический ряд одноатомных предельных спиртов. Формула гомологического ряда одноатомных предельных спиртов – C_nH_{2n+2}O .

Важный момент – необходимо отличать два класса органических веществ, содержащих -OH -группу, - фенолы и спирты. В фенолах гидроксильная группа связана напрямую с бензольным кольцом, а у спиртов – с атомом углерода, который не входит в состав бензольного кольца.

9.1

9.2

Фенол – гидроксильная группа связана напрямую с бензольным кольцом

Спирт – гидроксильная группа связана не напрямую с бензольным кольцом

Признак классификации

Классы спиртов

Пример

Спирты

Количество гидроксильных групп

Одноатомные (одна гидроксильная группа)

9.3

Многоатомные (две и более гидроксильных групп)

9.4

По расположению гидроксильной группы в молекуле

Первичные спирты – гидроксильная группа связана с первичным атомом углерода (атом углерода, имеющий одну связь с другими атомами углерода)

H_3C-CH_2-OH

Вторичные спирты – гидроксильная группа связана со вторичным атомом углерода (атом углерода, имеющий две связи с другими атомами углерода)

9.5

Третичные спирты – гидроксильная группа связана с третичным атомом углерода (атом углерода, имеющий три связи с другими атомами углерода)

9.6

Для названия спиртов по номенклатуре ИЮПАК используется суффикс -ол-, при этом после суффикса через дефис записывается номер атома углерода, который связан с гидроксильной группой (цифра не нужна для метанола и этанола, поскольку для них не характерна изомерия положения функциональной группы). Для названия многоатомных спиртов используются приставки ди-, три-, тетра- и так далее, приставка записывается перед суффиксом -ол-.

Также важный момент касательно выбора главной цепи – главная цепь должна содержать атом углерода, связанный с функциональной группой, нумерация атомов углерода ведется с конца, ближайшего к функциональной группе. H_3C-CH_2-OH

Данный спирт содержит в главной цепи два атома углерода – получается, что его название – этанол. Также спирты часто называют, добавляя суффикс -овый к названию углеводородного радикала. Например, этот спирт будет называться этиловый спирт.

9.9 Данный спирт содержит гидроксильную группу, соединенную со вторым атомом углерода главной цепи. Этот спирт будет называться пропанол-2 или изопропиловый спирт.

9.10 Данный спирт содержит две гидроксильные группы, соединенные с первым и вторым атомами углерода главной цепи. Этот спирт будет называться пропандиол-1,2.

Для одноатомных предельных спиртов характерны следующие типы изомерии:

Изомерия углеродного скелета. Гидроксильная группа остается связанной с тем же атомом углерода, однако углеродный скелет изменяется. Примеры:

9.11 H_3C-CH_2-CH_2-CH_2-OH Изомерия функциональной группы. Гидроксильная группа может быть связана с разными атомами углерода, к примеру – бутанол-1 и бутанол-2. H_3C-CH_2-CH_2-CH_2-OH

9.14 Межклассовая изомерия. Одноатомные предельные спирты являются изомерами простым эфирам (о них речь пойдет чуть ниже, данный класс соединений содержит связь C-O-C ): H_3C-CH_2-OH CH_3-O-CH_3 Физические свойства спиртов зависят от количества атомов углерода в их молекулах. С ростом количества атомов углерода в спиртах:

Возрастают температуры кипения спиртов. Температура кипения метанола – 65 градусов Цельсия, температура кипения его ближайшего гомолога – этанола – 78 градусов.

Падает растворимость в воде. Низшие спирты (метанол, этанол) смешиваются с водой неограниченно, а вот следующие гомологи растворяются значительно хуже. К примеру, октанол с водой уже не смешивается совсем. Это связано с понижением полярности молекул спиртов.

Для легких спиртов характерен резкий специфический запах.

Химические свойства одноатомных спиртов.

Наличие гидроксильной группы наделяет спирты новыми химическими свойствами, поскольку теперь возможно проводить различные превращения с функциональной группой – замещать ее либо целиком, либо только атом водорода в ее составе. В целом, для производных углеводородов характерные химические свойства связаны именно с наличием функциональной группы.

Замещение водорода в гидроксильной группе (ОН)

Спирты реагируют с активными металлами – натрием и калием, при этом металл растворяется с выделением водорода. В первой реакции образуется этилат натрия, во второй – изопропилат калия. Данные вещества являются твердыми при стандартных условиях, легко переходят обратно в спирт под действием воды. 2H_3C-CH_2-OH + 2Na \rightarrow 2H_3C-CH_2-ONa + H_2\uparrow

9.18 Замещение гидроксильной группы на галоген (ОН)

При действии на спирт галогенводорода ( HCl или HBr ) гидроксильная группа замещается на атом галогена. H_3C-CH_2-OH + HBr \xrightarrow{H_2SO_4 \, конц} H_3C-CH_2-Br + H_2O

9.20 Дегидратация спиртов – отщепление воды.

При кипячении спирта в присутствии концентрированной серной или фосфорной кислоты от их молекул отщепляется вода, при это продукт реакции зависит от температуры, до которой нагревается реакционная смесь.

При сильном нагревании от одной молекулы спирта отщепляется молекула воды – происходит внутримолекулярная дегидратация. В ходе данной реакции образуется алкен. H_3C-CH_2-OH \xrightarrow{180^\circC, \, H_2SO_4 \, конц} H_2C=CH_2 + H_2O H_3C-CH_2-CH_2-CH_2-OH \xrightarrow{180^\circC, \, H_2SO_4 \, конц} H_2C=CH-CH_2-CH_3 + H_2O При нагревании реакционной смеси ниже 150 градусов – протекает межмолекулярная дегидратация – молекула воды отщепляется от двух молекул спиртов. При этом образуются простые эфиры, о которых уже шла речь в изомерии спиртов. Простые эфиры содержат связь C-O-C , называть их достаточно просто – нужно просто перечислить радикалы, входящие в их состав. К примеру, в ходе первой реакции образуется диметиловый эфир, а в ходе второй – диэтиловый эфир, последний используют в медицине при пломбировании зубов, поэтому его запах ассоциируется с кабинетом стоматолога. 2H_3C-OH \xrightarrow{140^\circC, \, H_2SO_4 \, конц} CH_3-O-CH_3 + H_2O 2H_3C-CH_2-OH \xrightarrow{140^\circC, \, H_2SO_4 \, конц} H_3C-CH_2-O-CH_2-CH_3 + H_2O Горение спиртов.

Спирты легко сгорают в кислороде, при этом выделяется достаточно большое количество теплоты, на основании этой реакции используются лабораторные спиртовки. Д. И. Менделеев, исследуя свойства смесей воды с этиловым спиртом показал, что такие смесь горят на воздухе при содержании более 50% спирта по объему. При сгорании спиртов образуются углекислый газ и вода. 2H_3C-(CH_2)_3-CH_2-OH + 15O_2 \xrightarrow{t^\circ} 10CO_2 + 12H_2O H_3C-CH_2-OH + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO_2 + 3H_2O Мягкое окисление спиртов.

Реакция горения является по своей сути реакцией окисления – кислород окисляет атомы углерода и водорода, образуются углекислый газ и вода. Менее сильные окислители, например, оксид меди(II), отщепляют от молекулы спирта два атома водорода – один от гидроксильной группы, другой – от атома углерода, с которой она связана. При этом, как и при любой реакции отщепления, на этом месте образуется кратная связь.

Так, при взаимодействии первичных спиртов с оксидом меди(II) образуются альдегиды, содержащие в своем составе связь C=O на конце цепи, а при взаимодействии вторичных спиртов образуются кетоны – содержащие аналогичную функциональную группу, однако в середине цепи. Третичные спирты в эту реакцию не вступают. При этом медь восстанавливается до простого вещества.

9.27 9.28 Способы получения и применение спиртов.

Для получения спиртов применяют несколько различных способов, при этом для наиболее важных для различных отраслей промышленности – метанола и этанола применяют некоторые специфические способы.

Спирты применяются в огромном количестве отраслей промышленности – производство сложных эфиров, производство парфюмерии и косметики, производство карбоновых кислот, производство лаков и красок, растворителей, лекарственных средств и многих других отраслях. Этанол входит в состав алкогольных напитков, при этом в пиве содержится от 4 до 9% процентов этанола, в вине – от 10 до 18%, более крепкие напитки содержат от 30% и более.

Спирты, следующие за этанолом, являются чрезвычайно ядовитыми, как и метанол. Этанол обладает наркотическим действием, чрезмерное употребление этанола может привести к летальному исходу.

Спирты можно получить следующими способами:

Замещение галогенов на ОН-группу. При взаимодействии галогенпроизводных углеводородов с водным раствором щелочи (гидроксида натрия NaOH , гидроксида калия KOH ) образуются спирты, при этом галоген замещается на ОН-группу.

9.29 H_3C-CH_2-Cl + KOH_{водн р-р} \rightarrow H_3C-CH_2-OH + KCl Гидратация алкенов. При взаимодействии алкенов с водой в присутствии концентрированной серной кислоты – образуется спирт по правилу Марковникова. H_2C=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H_2SO_4} H_3C-CH_2-OH

9.32 Получение метанола в промышленности. Метанол образуется при взаимодействии угарного газа с водородом, их смесь называется синтез-газ. Ежегодное производство метанола составляет миллионы тонн, из него получают много лекарств, красителей, полимеров, а также он используется в качестве красителя. Однако он ЧРЕЗВЫЧАЙНО ядовит. 25 мл метанола приводит к летальному исходу. CO + 2H_2 \xrightarrow{t^\circ, \, p, \, кат} H_3C-OH Получение этанола в промышленности. Наиболее известный способ получения этилового спирта – брожение глюкозы под действием микроорганизмов – дрожжей. Сырьем для производства этанола может выступать виноград, пшеница, кукуруза, рожь. C_6H_{12}O_6 \longrightarrow 2CH_3CH_2OH + 2CO_2\uparrow Многоатомные спирты

Многоатомные спирты содержат в своем составе несколько гидроксильных групп, из-за чего их молекулы способны образовывать большее количество водородных связей, и внешне они представляют собой вязкие бесцветные жидкости с высокими температурами кипения.

Двухатомные спирты иначе называют гликолями, простейшим из них является этандиол-1,2 или этиленгликоль.

9.35 Этиленгликоль представляет собой бесцветную вязкую жидкость, очень ядовитую. Этиленгликоль смешивается с водой в любых соотношениях, при этом водные растворы этиленгликоля не кристаллизуются, именно поэтому его добавляют в состав незамерзающих жидкостей – антифриз, тосол. Также этиленгликоль применяется как растворитель и при производстве лавсана.

Простейший устойчивый трехатомный спирт – пропантриол-1,2,3 или глицерин. Глицерин также представляет собой бесцветную вязкую жидкость, которая смешивается с водой в любых соотношениях. Глицерин был впервые получен из животных и растительных жиров.

9.36 Благодаря своим свойствам глицерин широко применяется в косметической, пищевой, фармацевтической, химической промышленности. А также глицерин иногда добавляют в ликеры и кондитерские изделия, чтобы избежать их засахаривания.

Химические свойства многоатомных спиртов похожи на химические свойства одноатомных спиртов.

1. Замещение водорода в гидроксильной группе (ОН)

9.37 9.38 2. Замещение гидроксильной группы на галоген (ОН)

9.39 9.40 3. Взаимодействие с азотной кислотой. В ходе данной реакции образуется тринитроглицерин или же тринитрат глицерина. Это вещество в чистом виде взрывоопасно, к примеру, так получают динамит, который был впервые получен шведским химиком Альфредом Нобелем. В виде 1%-ного раствора он используется как сосудорасширяющее средство при стенокардии.

9.41 В отличие от одноатомных спиртов, этиленгликоль и глицерин могут реагировать не только с активными металлами, но и с гидроксидами тяжелых металлов, к примеру, с гидроксидом меди(II). Эта реакция является качественной и позволяет определить наличие многоатомного спирта.

При добавлении этиленгликоля или глицерина к свежеполученному осадку гидроксида меди(II) – Cu(OH)_2 образуется окрашенный ярко-синий раствор, а осадок растворяется. Для данной реакции уравнение записываться не будет, вместо этого воспользуемся схемой:

CH_2(OH)-CH_2(OH)_2+Cu(OH)_2 \rightarrow Синее окрашивание 9.42