Спирты

Карточка контроля знаний (скачать PDF 255КБ)

Спирты – производные углеводородов, в молекулах которых есть одна или несколько гидроксильных групп (ОН-), непосредственно связанных с атомом углерода в углеводородном радикале.

Классификация спиртов

Спирты классифицируются по разным структурным признакам:

1) По числу гидроксильных групп:

— одноатомные спирты – спирты, у которых имеется одна гидроксильная группа;

— многоатомные – спирты, имеющие несколько гидроксильных групп: например, двухатомные спирты (гликоли), трёхатомные спирты (глицерины) и т.д.;

2) В зависимости от насыщенности углеводородного заместителя:

— предельные (насыщенные) спирты, содержащие в молекуле лишь предельные углеводородные радикалы, например: метанол СН₃ОН, этанол CH₃ – CH₂OH.

— непредельные (ненасыщенные) спирты, содержащие в молекуле кратные (двойные и тройные) связи между атомами углерода, например:

пропен-2-ол-1 (аллиловый спирт) CH₂ = СН – CH₂OH.

— ароматические спирты, содержащие в молекуле бензольное кольцо и гидроксильную группу, связанные друг с другом не непосредственно, а через атомы углерода, например:

фенилметанол 2 - фенилэтанол

3) В зависимости от наличия или отсутствия цикла в углеводородном заместителе:

— ациклические (алифатические) спирты (этанол);

— алициклические спирты (циклогексанол).

4) В зависимости от числа заместителей при α-углеродном атоме:

— первичные спирты;

— вторичные спирты;

— третичные спирты.

У первичных спиртов гидроксильная группа находится у первого атома углерода, у вторичных - у второго и т.д.

Общая формула простых предельных (ациклических) одноатомных спиртов R - OH или C_nH_2n+1OH, где n – количество атомов углерода.

Номенклатура

При образовании названий спиртов к названию углеводорода, соответствующего спирту, добавляют (родовой) суффикс -ол. Цифрами после суффикса указывают положение гидроксильной группы в главной цепи, а префиксами (ди-, три , тетра- и т. д.) — их число. По радикало-функциональной номенклатуре название образуется от названия класса соединения (спирт) с добавлением названий радикалов, присоединённых к гидроксильной группе.

Например:

CH₃ОН метанол (метиловый спирт)

CH₂OH – CH₃ этанол (этиловый спирт)

CH₂OH – СН₂ОН этандиол -1;2 (этиленгликоль)

CH₂OH – СНОН – CH₂ОН пропантриол -1;2;3 (глицерин)

В том случае, когда строение органической группы более сложное, используют общие для всей органической химии правила: углеводородную цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположена ОН-группа. Далее используют эту нумерацию, чтобы указать положение различных заместителей вдоль основной цепи, в конце названия добавляют суффикс «ол» и цифру, указывающую положение ОН-группы:

Изомерия спиртов

1) Структурная изомерия

а) Положения функциональной группы (начинается с третьего члена гомологического ряда)

CH₂OH – СН₂ – CH₃ CH₃ – СНОН – CH₃

пропанол-1 (пропиловый спирт) пропанол-2 (изопропиловый спирт)

б) Изомерия углеродного скелета (начинается с четвертого члена гомологического ряда)

CH₂OH – СН₂ – CH₂ – СH₃CH₂OH – СН(СН₃) – СH₃

бутанол- 1 2-метилпропанол-1

в) Межклассовая изомерия (начинается со второго члена гомологического ряда) – спирты изомерны простым эфирам:

CH₂OH – СH₃ CH₃ – О – СH₃

этанол (этиловый спирт) диметиловый эфир

2) Пространственная изомерия – оптическая (зеркальная).

Например, бутанол-2 СH₃– CH(OH) – СH₂ – CH₃, в молекуле которого второй атом углерода (выделен цветом) связан с четырьмя различными заместителями, существует в форме двух зеркальных изомеров.

Физические свойства спиртов

Низшие и средние члены ряда предельных одноатомных спиртов, содержащие от одного до одиннадцати атомов углерода, – жидкости. Высшие спирты (начиная с С₁₂Н₂₅ОН) при комнатной температуре – твёрдые вещества. Низшие спирты имеют характерный алкогольный запах и жгучий вкус, хорошо растворимы в воде. Растворимость в воде зависит от молекулярной массы, чем она выше, тем спирт хуже растворяется воде. Так, низшие спирты (до пропанола) смешиваются с водой в любых пропорциях, а высшие практически не растворимы в ней. Например, октанол-1 растворяется лишь в пропорции 1 мл в 2 л воды. Температура кипения также возрастает с увеличением атомной массы, например, t_кип.СН₃ОН 65°С, а t_кип.С₂Н₅ОН 78°С. Чем выше температура кипения, тем ниже летучесть, т.е. вещество плохо испаряется. Данные физические свойства насыщенных спиртов с одной гидроксильной группой можно объяснить возникновением межмолекулярной водородной связи между отдельными молекулами самого соединения или спирта и воды.

Этиленгликоль – типичный представитель многоатомных спиртов. Его химическая формула CH₂OH–CH₂OH – двухатомный спирт. Это сладкая жидкость, которая способно отлично растворяться в воде в любых пропорциях. В химических реакциях может участвовать как одна гидроксильная группа (-OH), так и две одновременно. Растворы этиленгликоля широко применяются как антиобледенительное средство (антифризы). Раствор этиленгликоля замерзает при температуре -34⁰C, что в холодное время года может заменить воду, например для охлаждения автомобилей.

При всей пользе этиленгликоля нужно учитывать, это очень сильный яд!

Глицерин представляет собой вязкую бесцветную жидкость, сладковатую на вкус. Он очень хорошо растворим в воде, кипит при температуре 220 ⁰C. Его химическая формула CH₂OH–СНОН–CH₂OH – это трёхатомный спирт.

Строение спиртов

Спирты обладают аномально высокими температурами кипения по сравнению с алканами, простыми эфирами. Эти различия объясняются наличием межмолекулярных связей в молекулах спиртов. Атом кислорода в молекуле спирта обладает большой электроотрицательностью и оттягивает на себя электронную плотность от атома водорода, при этом на атоме водорода возникает частичный положительный заряд (δ⁺), а на атоме кислорода частично отрицательный (δ^-).

Поэтому атом водорода электростатически притягивается к атому кислорода другой молекулы и между ними возникает водородная связь. Молекулы связанные между собой водородными связями, образуют ассоциаты:

Образование ассоциатов как бы увеличивает массу спирта и понижает его летучесть. Для разрыва этих связей требуется дополнительная энергия, этим и объясняется высокие температуры кипения. Наибольшую склонность к образованию водородных связей проявляют первичные спирты. Для вторичных и особенно третичных спиртов способность к ассоциации снижается, так как образованию водородных связей препятствуют разветвленные углеводородные радикалы.

Химические свойства спиртов

1) Замещение – взаимодействие алканолов с активными металлами (щелочными и щелочноземельными металлами), продуктами реакции являются нестойкие соединения - алкоголяты, которые способные разлагаться водой:

2С₂Н₅ОН+ 2К → 2С₂Н₅ОК + Н₂

2) Взаимодействие с галогеноводородами:

С₂Н₅ОН + HBr → С₂Н₅Br + Н₂О

Третичные спирты реагируют быстро, вторичные и первичные – медленно.

3) Этерификация с органическими и неорганическими кислотами, в результате которой образуется эфир.

_Н+

С₂Н₅ОН + СН₃СООН ↔ СН₃СООС₂Н₅ + Н₂О

этилацетат

C₂H₅OH + HONO₂ ↔ C₂H₅ONO₂ + Н₂O

этилнитрат

4) Дегидратация. Данная реакция происходит при нагревании с водоотнимающими веществами (с помощью катализатора: Н₃РО₄ или H₂SO_4конц.). При сильном нагревании (t⁰> 140⁰C) происходит внутримолекулярная дегидратация по правилу Зайцева (при отщеплении воды от спирта атом водорода отрывается от наименее гидрированного атома углерода), итогом данной реакции является образование воды и ненасыщенного углеводорода. При более слабом нагревании (t⁰< 140⁰C) происходит межмолекулярной дегидратации продуктами реакции будут простые эфиры и вода.

а) Внутримолекулярная дегидратация

СН₃– СН₂– ОН → СН₂= СН₂ + Н₂О

б) Межмолекулярная дегидратация

2СН₃– СН₂– ОН → 2СН₃– СН₂– О– СН₂– СН₃ + Н₂О

5) Окисление спиртов

а) Горение

Как и большинство органических веществ спирты горят с образованием углекислого газа и воды:

C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O

При их горении выделяется много теплоты, которую часто используют в лабораториях (лабораторные горелки). Низшие спирты горят почти бесцветным пламенем, а у высших спиртов пламя имеет желтоватый цвет из-за неполного сгорания углерода.

б) Окисление

При действии окислителей (CuO, O₂(Cu катализатор), KMnO₄, K₂Cr₂O₇) получаются различные продукты и зависят от строения исходного спирта. Так, первичные спирты превращаются в альдегиды, вторичные - в кетоны, а третичные спирты устойчивы к действию окислителей.

СН₃– СН₂– ОН + CuO → Cu + H₂O + CH₃ – CH=O

СН₃– СНOH– CН₃ + CuO → Cu + H₂O + CH₃ – CO – CH₃

в) Каталитическое дегидрирование (t⁰, Cu)

СН₃– СН₂– ОН → H₂ + CH₃ – CH=O

СН₃– СНOH– CН₃ → H₂ + CH₃ – CO – CH₃

Свойства многоатомных спиртов похожи на одноатомные спирты, при этом различие в том, что реакция идёт не по одной к гидроксильной группе, а по нескольким сразу. Одно из основных отличий – многоатомные спирты легко вступают в реакцию с гидроксидом меди (II). При этом получается прозрачный раствор ярко- синего цвета. Именно этой реакцией можно выявлять наличие многоатомного спирта в каком-либо растворе.

С точки зрения практического применения наибольший интерес представляет реакция с азотной кислотой. Образующийся нитроглицерин и динитроэтиленгликоль используют в качестве взрывчатых веществ, а тринитроглицерин ещё и в медицине, как сосудорасширяющее средство.

глицерин тринитрат глицерина (нитроглицерин)

Получение спиртов

1. Самый общий способ получения спиртов, имеющий промышленное значение, – гидратация алкенов. Реакция идет при пропускании алкена с парами воды над фосфорнокислым катализатором:

СН₂= СН₂ + Н₂О → СН₃– СН₂– ОН

Из этилена получается этиловый спирт, из пропена – изопропиловый. Присоединение воды идет по правилу Марковникова, поэтому из первичных спиртов по данной реакции можно получить только этиловый спирт.

2. Гидролиз алкилгалогенидов под действием водных растворов щелочей:

R – Br + NaOH → R – OH + NaBr

По этой реакции можно получать первичные, вторичные и третичные спирты.

3. Восстановление карбонильных соединений (t⁰, Ni). При восстановлении альдегидов и сложных эфиров образуются первичные спирты, при восстановлении кетонов – вторичные:

R – CH=O + Н₂ → R – CH₂– OH

R – COО – R’ + 2Н₂ → R – СН₂ОН + R’– ОН

R – CO – R’ + Н₂ → R – CH(OH) – R’

Реакцию проводят, пропуская смесь паров альдегида, сложного эфира или кетона и водорода над никелевым катализатором.

4. Получение этанола спиртовым брожением глюкозы (дрожжи)

С₆Н₁₂О₆→ 2С₂Н₅ОН + 2СО₂↑.

5. Синтез метанола(t⁰, p, kat.)

CO + 2H₂↔ CH₃OH

Применение спиртов

1) Топливо.

2) Растворители и поверхностно-активные вещества.

Популярные растворители – изопропанол, этанол, метанол. Также используют многоатомные и циклические вещества: глицерин, циклогексанол, этиленгликоль.

Поверхностно-активные вещества производят из высших жирных спиртов. Полноценный уход за автомобилем, посудой, квартирой, одеждой возможен благодаря ПАВ.

3) Медицина.

Этанол в медицинской практике используют как антисептик. Его подсушивающее, обеззараживающее, дубящее свойства – причина использования для обработки рук медицинского персонала до работы с пациентом. Во время искусственной вентиляции легких этанол незаменим как пеногаситель. При нехватке медикаментозных средств становится компонентом общей анестезии. При отравлении этиленгликолем, метанолом этанол становится противоядием.

4) Парфюмерия и косметика.

5) Пищевая промышленность.