Спирты – производные углеводородов, содержащие функциональную группу ОН (гидроксил). Спирты, в которых имеется одна группа ОН, называются одноатомными, а спирты с несколькими группами ОН - многоатомными.
Названия некоторых распространенных спиртов приведены в табл. 9.
По строению различают спирты первичные, вторичные и третичные, в зависимости от того, при каком атоме углерода (первичном, вторичном или третичном) находится группа ОН:
Одноатомные спирты – бесцветные жидкости (до Cl 2 Н 25 ОН), растворимые в воде. Простейший спирт - метанол СН 3 ОН чрезвычайно ядовит. С увеличением молярной массы температура кипения спиртов повышается.
Молекулы жидких одноатомных спиртов ROH ассоциированы за счет водородных связей:
(эти связи аналогичны водородным связям в чистой воде).
При растворении в воде молекулы ROH образуют водородные связи с молекулами воды:
Водные растворы спиртов ROH имеют нейтральную среду; другими словами, спирты практически не диссоциируют в водном растворе ни по кислотному, ни по основному типу.
Химические свойства одноатомных спиртов обусловлены присутствием в них функциональной группы ОН.
Водород группы ОН в спиртах может замещаться на металл:
Этанолаты и производные других спиртов (алкоголяты) легко гидролизуются:
Группу ОН в спиртах можно заместить на Cl или Br:
При действии на спирты водоотнимающих средств, например концентрированной H 2 SO 4 , происходит межмолекулярная дегидратация:
Продукт реакции - диэтиловый эфир (С 2 Н 5) 2 O – относится к классу простых эфиров .
В более жестких условиях дегидратация становится внутримолекулярной и образуется соответствующий алкен:
Многоатомные спирты рассмотрим на примере простейших представителей двух– и трехатомных спиртов:
При комнатной температуре они – бесцветные вязкие жидкости с температурами кипения 198 и 290 °C соответственно, неограниченно смешиваются с водой. Этиленгликоль ядовит.
Химические свойства многоатомных спиртов подобны свойствам спиртов ROH. Так, в этиленгликоле одну или две группы ОН можно заместить на галоген:
Кислотные свойства многоатомных спиртов проявляются в том, что (в отличие от одноатомных спиртов) водород группы ОН замещается на металл под действием не только металлов, но и гидроксидов металлов:
(стрелками в формуле гликолята меди показано образование ковалентных связей медь – кислород по донорно-акцепторному механизму).
Аналогично реагирует с гидроксидом меди (II) глицерин:
Гликолят и глицерат меди (II), имеющие ярко-синюю окраску, позволяют качественно обнаруживать многоатомные спирты.
Получение одноатомных спиртов в промышленности – гидратация алкенов в присутствии катализаторов (H 2 SO 4 , Al 2 O 3), причем присоединение воды к несимметричным алкенам происходит по правилу Марковникова:
(способ получения вторичного спирта), или присоединение к алкенам СО и Н 2 в присутствии кобальтового катализатора (процесс называется гидрофоржилирование):
(способ получения первичного спирта ).
В лаборатории (а иногда и в промышленности ) спирты получают взаимодействием галогенпроизводных углеводородов с водой или водным раствором щелочи при нагревании:
Этанол С 2 Н 5 ОН образуется также при спиртовом брожении сахаристых веществ, например глюкозы:
Этиленгликоль получают в двухстадийном процессе:
а) окисление этилена:
б) гидратация этиленоксида:
Глицерин ранее получали омылением жиров (см. 20.3), современный трехстадийный способ – постепенное окисление пропена (приведена только схема процесса):
Спирты используют как сырье в органическом синтезе, в качестве растворителей (для лаков, красок и т. п.), а также в бумажной, полиграфической, парфюмерной, фармакологической и пищевой промышленности.
Простые эфиры – класс органических соединений, содержащих мостиковый атом кислорода – О– между двумя углеводородными радикалами: R – О-R". Самый известный и широко применяемый простой эфир – диэтиловый эфир С 2 Н 5 -О – С 2 Н 5 . Бесцветная, легкоподвижная жидкость с характерным («эфирным») запахом, в лабораторной практике его называют просто эфиром. Почти не смешивается с водой, t кип = 34,51 °C. Пар эфира воспламеняется на воздухе. Получают диэтиловый эфир при межмолекулярной дегидратации этанола (см. выше), основное применение – растворитель.
Фенолы – это спирты, в которых группа ОН непосредственно связана с бензольным кольцом. Простейший представитель - фенол С 6 Н 5 -ОН. Белые (розовеющие на свету) кристаллы с сильным запахом, t пл = 41 °C. Вызывает ожоги кожи, ядовит.
Для фенола характерна значительно большая кислотность, чем для ациклических спиртов. Вследствие этого фенол в водном растворе легко реагирует с гидроксидом натрия:
Отсюда тривиальное название фенола - карболовая кислота.
Отметим, что группа ОН в феноле никогда не замещается ни на какие другие группы или атомы, но делает более подвижными атомы водорода бензольного кольца. Так, фенол легко реагирует с бромом в воде и азотной кислотой, образуя соответственно 2,4,6-трибромфенол (I) и 2,4,6-тринитрофенол (II, традиционное название - пикриновая кислота):
Фенол в промышленности получают нагреванием хлорбензола с раствором гидроксида натрия под давлением при 250 °C:
Фенол применяют в качестве сырья для производства пластмасс и смол, полупродуктов для лакокрасочной и фармацевтической промышленности, как дезинфицирующее средство.
10.2. Альдегиды и кетоны
Альдегиды и кетоны – это производные углеводородов, содержащие функциональную карбонильную группу СО . В альдегидах карбонильная группа связана с атомом водорода и одним радикалом, а в кетонах с двумя радикалами.
Общие формулы:
Названия распространенных веществ этих классов приведены в табл. 10.
Метаналь – бесцветный газ с резким удушающим запахом, хорошо растворим в воде (традиционное название 40 %-ного раствора- формалин), ядовит. Последующие члены гомологического ряда альдегидов – жидкости и твердые вещества.
Простейший кетон – пропанон-2, более известный под названием ацетон, при комнатной температуре – бесцветная жидкость с фруктовым запахом, t кип = 56,24 °C. Хорошо смешивается с водой.
Химические свойства альдегидов и кетонов обусловлены присутствием в них карбонильной группы СО; они легко вступают в реакции присоединения, окисления и конденсации.
В результате присоединения водорода к альдегидам образуются первичные спирты:
При восстановлении водородом кетонов образуются вторичные спирты:
Реакция присоединения гидросульфита натрия используется для выделения и очистки альдегидов, так как продукт реакции малорастворим в воде:
(действием разбавленных кислот такие продукты превращаются в альдегиды).
Окисление альдегидов проходит легко под действием кислорода воздуха (продукты – соответствующие карбоновые кислоты). Кетоны сравнительно устойчивы к окислению.
Альдегиды способны участвовать в реакциях конденсации . Так, конденсация формальдегида с фенолом протекает в две стадии. Вначале образуется промежуточный продукт, являющийся фенолом и спиртом одновременно:
Затем промежуточный продукт реагирует с другой молекулой фенола, и в результате получается продукт поликонденсации - фенолформальдегидная смола:
Качественная реакция на альдегидную группу – реакция «серебряного зеркала», т. е. окисление группы С(Н)O с помощью оксида серебра (I) в присутствии гидрата аммиака:
Аналогично протекает реакция с Cu(ОН) 2 , при нагревании появляется красный осадок оксида меди (I) Cu 2 O.
Получение : общий способ для альдегидов и кетонов – дегидрирование (окисление) спиртов. При дегидрировании первичных спиртов получают альдегиды , а при дегидрировании вторичных спиртов – кетоны . Обычно дегидрирование протекает при нагревании (300 °C) над мелкораздробленной медью:
При окислении первичных спиртов сильными окислителями (перманганат калия, дихромат калия в кислотной среде) процесс трудно остановить на стадии получения альдегидов; альдегиды легко окисляются до соответствующих кислот:
Более подходящим окислителем является оксид меди (II):
Ацетальдегид в промышленности получают по реакции Кучерова (см. 19.3).
Наибольшее применение из альдегидов имеют метаналь и этаналь. Метаналь используют для производства пластмасс (фенопластов), взрывчатых веществ, лаков, красок, лекарств. Этаналь – важнейший полупродукт при синтезе уксусной кислоты и бутадиена (производство синтетического каучука). Простейший кетон – ацетон используют в качестве растворителя различных лаков, ацетатов целлюлозы, в производстве кинофотопленки и взрывчатых веществ.
10.3. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры. Жиры
Карбоновые кислоты – это производные углеводородов, содержащие функциональную группу СООН (карбоксил).
Формулы и названия некоторых распространенных карбоновых кислот приведены в табл. 11.
Традиционные названия кислот НСООН (муравьиная), СН 3 СООН (уксусная), С 6 Н 5 СООН (бензойная) и (СООН) 2 (щавелевая) рекомендуется использовать вместо их систематических названий.
Формулы и названия кислотных остатков приведены в табл. 12.
Для составления названий солей этих карбоновых кислот (а также их сложных эфиров, см. ниже) обычно используются традиционные названия, например:
Низшие карбоновые кислоты – бесцветные жидкости с резким запахом. При увеличении молярной массы температура кипения возрастает.
Карбоновые кислоты обнаружены в природе:
Простейшие карбоновые кислоты растворимы в воде, обратимо диссоциируют в водном растворе с образованием катионов водорода:
и проявляют общие свойства кислот:
Важное практическое значение имеет взаимодействие карбоновых кислот со спиртами (подробнее см. ниже):
Отметим, что кислота НСООН вступает в реакцию «серебряного зеркала» как альдегиды:
и разлагается под действием водоотнимающих реактивов:
Получение:
Окисление альдегидов:
Окисление углеводородов:
Кроме того, муравьиную кислоту получают по схеме:
а уксусную кислоту – по реакции:
Применяют муравьиную кислоту как протраву при крашении шерсти, консервант фруктовых соков, отбеливатель, дезинфекционный препарат. Уксусную кислоту используют как сырье в промышленном синтезе красителей, медикаментов, ацетатного волокна, негорючей кинопленки, органического стекла. Натриевые и калиевые соли высших карбоновых кислот – основные компоненты мыла.
Сложные эфиры – продукты обменного взаимодействия карбоновых кислот со спиртами. Это взаимодействие называется реакцией этерификации:
Механизм реакции этерификации был установлен при использовании спирта, меченного изотопом 18 O; этот кислород после реакции оказался в составе эфира (а не воды):
Следовательно, в отличие от реакции нейтрализации неорганической кислоты щелочью (Н + + ОН - = Н 2 O), в реакции этерификации карбоновая кислота всегда отдает группу ОН , спирт – атом Н (образуется вода). Реакция этерификации обратима; она лучше протекает в кислотной среде, обратная реакция (гидролиз, омыление) – в щелочной среде.
Формулы и названия распространенных сложных эфиров приведены в табл. 13.
Среди сложных эфиров есть бесцветные низкокипящие горючие жидкости с фруктовым запахом, например:
Используются сложные эфиры как растворители для лаков, красок и нитратов целлюлозы, носители фруктовых ароматов в пищевой промышленности.
Сложные эфиры трехатомного спирта – глицерина и высших карбоновых кислот (в общем виде RCOOH), например с формулами и названиями:
носят названия жиров. Примером жира будет смешанный сложный эфир глицерина и этих кислот:
Чем выше содержание остатков олеиновой кислоты (или других ненасыщенных кислот), тем ниже температура плавления жира. Жидкие при комнатной температуре жиры называются маслами. Путем гидрогенизации, т. е. присоединения водорода по двойной связи, масла превращают в твердые жиры (например, растительное масло – в маргарин). Реакция этерификации (образования жира) обратима:
Прямая реакция лучше идет в кислотной среде, обратная реакция – гидролиз, или омыление, жира – в щелочной среде; при пищеварении жир омыляется (расщепляется) с помощью ферментов.
10.4. Углеводы
Углеводы (сахара ) – важнейшие природные соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Углеводы подразделяются на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды не подвергаются гидролизу, а остальные углеводы при кипячении в присутствии кислот расщепляются до моносахаридов.
Моносахариды (и все другие углеводы) относятся к полифункциональным соединениям. В молекуле моносахарида имеются функциональные группы разных типов: группы ОН (спиртовая функция) и группы СО (альдегидная или кетонная функция). Поэтому различают альдозы (альдегидоспирты, спиртоальдегиды) и кетозы (кетоноспирты, спиртокетоны).
Важнейший представитель альдоз - глюкоза:
а представитель кетоз - фруктоза:
Глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар) являются структурными изомерами, их молекулярная формула С 6 Н 12 O 6 .
Глюкозу можно отличить от фруктозы так же, как любой альдегид от кетона, – по реакции «серебряного зеркала» в аммиачном растворе Ag 2 O:
Этерификация глюкозы и фруктозы (например, уксусной кислотой) приводит к образованию сложных эфиров по всем пяти группам ОН (заменяются на ОСОСН 3).
Однако не все реакции, характерные для альдегидов, протекают с глюкозой; например, не идет реакция присоединения с участием гидросульфита натрия. Причина в том, что молекула глюкозы может существовать в трех изомерных формах, из которых две формы (? и?) – циклические . В растворе все три формы находятся в состоянии равновесия, причем открытая (альдегидная) форма, приведенная выше, содержится в наименьшем количестве:
Циклические формы глюкозы не содержат альдегидной группы. Они отличаются друг от друга только пространственным расположением атома Н и группы ОН у атома углерода C 1 (рядом с кислородом в цикле):
Дисахариды образуются из двух молекул моносахаридов путем межмолекулярной дегидратации. Так, сахароза (обычный сахар) C 12 Н 22 О 11 является продуктом соединения остатков глюкозы и фруктозы за счет отщепления воды:
При гидролизе в кислотной среде сахароза вновь переходит в моносахариды:
Получившаяся смесь - инвертный сахар – содержится в мёде. При 200 °C сахароза, теряя воду, превращается в бурую массу (карамель).
Полисахариды – крахмал и целлюлоза (клетчатка) – продукты поликонденсации (межмолекулярной дегидратации) соответственно?– и?-форм глюкозы, их общая формула (С 6 Н 10 О 5) n . Степень полимеризации крахмала составляет 1000–6000, а целлюлозы 10 000-14 000. Целлюлоза – наиболее распространенное в природе органическое вещество (в древесине массовая доля целлюлозы доходит до 75 %). Крахмал (легче) и целлюлоза (труднее) подвергаются гидролизу (условия: H 2 SO 4 или НCl, > 100 °C); конечный продукт – глюкоза.
Большое практическое значение имеют сложные эфиры целлюлозы с уксусной кислотой:
Их используют в производстве искусственного ацетатного волокна и кинофотопленок.
Примеры заданий частей А, В1-2. Для соединения с формулой
правильное название – это
1) 2-метилпропанол-2
2) 2,2-диметилэтанол
3) пропилэтиловый эфир
4) этилпропиловый эфир
3-4. Для соединения с формулой
правильное название – это
1) 1,1-диметилпропановая кислота
2) 3-метилбутановая кислота
3) 2-метилпропаналь
4) диметилэтаналь
5. Правильное название вещества CH 3 COOCH 2 CH 3 – это
1) метилацетат
2) этилацетат
3) метилформиат
4) этилформиат
6. Водородные связи образуются между молекулами соединений
3) уксусная кислота
4) ацетальдегид
7. Для состава С 4 Н 8 O 2 названия структурных изомеров из класса сложных эфиров – это
1) пропилформиат
2) диэтиловый эфир
3) этилацетат
4) метилпропионат
8-11. Формула соединения с названием
8. сахароза
9. крахмал
10. фруктоза
11. клетчатка
отвечает составу
1) С 6 Н 12 O 6
2) (С 6 Н 10 О 5) n
3) Cl 2 Н 22 О n
12. Для предельных одноатомных спиртов характерные реакции – это
1) гидролиз
2) гидратация
3) этерификация
4) дегидратация
13. Молекула конечного продукта реакции между фенолом и бромом в воде содержит общее число атомов всех элементов, равное
14-17. В уравнении реакции
14. окисления этанола оксидом меди (II)
15. бромирования фенола
16. межмолекулярной дегидратации этанола
17. нитрования фенола
сумма коэффициентов равна
18. В реакции этерификации группа ОН отщепляется от молекулы
2) альдегида
4) кислоты
19. С помощью хлорофилла в зеленом растении образуются
1) кислород
3) глюкоза
20-21. Химические свойства глюкозы, характерные для
20. спиртов
21. альдегидов
проявляются в реакции
1) спиртового брожения
2) «серебряного зеркала»
3) этерификации
4) нейтрализации
22-24. При нагревании с водой в присутствии H 2 SO 4 углевода
22. крахмал
23. целлюлоза
24. сахароза
после окончания гидролиза получают
2) фруктозу
3) глюконовую кислоту
4) глюкозу
25. Способы получения этанола – это
1) гидратация этена
2) брожение глюкозы
3) восстановление этаналя
4) окисление этаналя
26. Способы получения этиленгликоля – это
1) окисление этена
2) гидратация этена
3) действие щелочи на 1,2-С 2 Н 4 Cl 2
4) гидратация этина
27. Способы получения муравьиной кислоты – это
1) окисление метана
2) окисление фенола
3) окисление метанола
4) реакция СН 3 ОН с СО
28. Для синтеза уксусной кислоты используют соединения
1) С 2 Н 5 ОН
29. Метанол применяется в производстве
1) пластмасс
2) каучуков
3) бензинов
4) жиров и масел
30. Для распознавания фенола (в смеси с бутанолом-1) используют
1) индикатор и раствор щелочи
2) бромную воду
3) гидроксид меди (II)
4) аммиачный раствор оксида серебра (I)
31. Для распознавания в своих растворах глицерина, уксусной кислоты, ацетальдегида и глюкозы подходит один и тот же реактив
3) H 2 SO 4 (конц.)
4) Ag 2 O (в р-ре NH 3)
32. Органическое вещество – продукт гидратации ацетилена, которое вступает в реакцию «серебряного зеркала», а при восстановлении образует этанол, – это
1) ацетальдегид
2) уксусная кислота
33. Продукты А, Б, и В в схеме реакций СO 2 + Н 2 O > фотосинтез А > брожение – СO 2 Б > HCOOH B
– это соответственно
2) глюкоза
3) пропановая кислота
4) этилформиат
34. Фенол будет участвовать в процессах:
1) дегидратации
2) бромирования
3) изомеризации
4) нейтрализации
5) нитрования
6) «серебряного зеркала»
35. Возможно протекание реакций:
1) твердый жир + водород >…
2) муравьиная кислота + формальдегид >…
3) метанол + оксид меди (II) >…
4) сахароза + вода (в конц. H 2 SO 4) >…
5) метаналь + Ag 2 O (в р-ре NH 3) >…
6) этиленгликоль + NaOH (р-р) >…
36. Для промышленного синтеза фенолформальдегидной смолы следует взять набор реагентов
1) С 6 Н 6 , НС(Н)O
2) С 6 Н 6 , СН 3 С(Н)O
3) С 6 Н 5 ОН, НС(Н)O
4) С 6 Н 5 ОН, СН 3 С(Н)O
Образование галогеналканов при взаимодействии спиртов с галогеноводородами - обратимая реакция. Поэтому понятно, что спирты могут быть получены при гидролизе галогеналканов - реакции этих соединений с водой:
Многоатомные спирты можно получить при гидролизе галогеналканов, содержащих более одного атома галогена в молекуле. Например:
Гидратация алкенов
Гидратация алкенов - присоединение воды по π — связи молекулы алкена, например:
Гидратация пропена приводит в соответствии с правилом Марковникова к образованию вторичного спирта - пропанола-2:
Гидрирование альдегидов и кетонов
Окисление спиртов в мягких условиях приводит к образованию альдегидов или кетонов. Очевидно, что спирты могут быть получены при гидрировании (восстановлении водородом, присоединении водорода) альдегидов и кетонов:
Окисление алкенов
Гликоли, как уже отмечалось, могут быть получены при окислении алкенов водным раствором перманганата калия. Например, этиленгликоль (этандиол-1,2) образуется при окислении этилена (этена):
Специфические способы получения спиртов
1. Некоторые спирты получают характерными только для них способами. Так, метанол в промышленности получают реакцией взаимодействия водорода с оксидом углерода (II) (угарным газом) при повышенном давлении и высокой температуре на поверхности катализатора (оксида цинка):
Необходимую для этой реакции смесь угарного газа и водорода, называемую также «синтез-газ», получают при пропускании паров воды над раскаленным углем:
2. Брожение глюкозы . Этот способ получения этилового (винного) спирта известен человеку с древнейших времен:
Основными способами получения кислородсодержащих соединений (спиртов) являются: гидролиз галогеналканов, гидратация алкенов, гидрирование альдегидов и кетонов, окисление алкенов, а также получение метанола из «синтез-газа» и сбраживание сахаристых веществ.
Способы получения альдегидов и кетонов
1. Альдегиды и кетоны могут быть получены окислением или дегидрированием спиртов . При окислении или дегидрировании первичных спиртов могут быть получены альдегиды, а вторичных спиртов - кетоны:
3CH 3 –CH 2 OH + K 2 Cr 2 O 7 + 4H 2 SO 4 = 3CH 3 –CHO + K 2 SO 4 + Cr 2 (SO 4) 3 + 7H 2 O
2. Реакция Кучерова. Из ацетилена в результате реакции получается уксусный альдегид, из гомологов ацетилена - кетоны:
3. При нагревании кальциевых или бариевых солей карбоновых кислот образуются кетон и карбонат металла:
Способы получения карбоновых кислот
1. Карбоновые кислоты могут быть получены окислением первичных спиртов или альдегидов :
3CH 3 –CH 2 OH + 2K 2 Cr 2 O 7 + 8H 2 SO 4 = 3CH 3 –COOH + 2K 2 SO 4 + 2Cr 2 (SO 4) 3 + 11H 2 O
5CH 3 –CHO + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 =5CH 3 –COOH + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O,
3CH 3 –CHO + K 2 Cr 2 O 7 + 4H 2 SO 4 = 3CH 3 –COOH + Cr 2 (SO 4) 3 + K 2 SO 4 + 4H 2 O,
CH 3 –CHO + 2OH CH 3 –COONH 4 + 2Ag + 3NH 3 + H 2 O.
Но при окислении метаналя аммиачным раствором оксида серебра, образуется карбонат аммония, а не муравьиная кислота:
HCHО + 4OH = (NH 4) 2 CO 3 + 4Ag + 6NH 3 + 2H 2 O.
2. Ароматические карбоновые кислоты образуются при окислении гомологов бензола :
5C 6 H 5 –CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4 = 5C 6 H 5 COOH + 6MnSO 4 + 3K 2 SO 4 + 14H 2 O,
5C 6 H 5 –C 2 H 5 + 12KMnO 4 + 18H 2 SO 4 = 5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 12MnSO 4 + 6K 2 SO 4 + 28H 2 O,
C 6 H 5 –CH 3 + 2KMnO 4 = C 6 H 5 COOK + 2MnO 2 + KOH + H 2 O
3. Гидролиз различных производных карбоновых кислот также приводит к получению кислот. Так, при гидролизе сложного эфира образуются спирт и карбоновая кислота. Реакции этерификации и гидролиза, катализируемой кислотой, обратимы:
4. Гидролиз сложного эфира под действием водного раствора щелочи протекает необратимо, в этом случае из сложного эфира образуется не кислота, а ее соль:
1.
2. Спирты.
А) Классификация. Определение.
Б) Изомерия и номенклатура
В) Получение спиртов
Г) Физические и химические свойства. Качественные реакции спиртов.
Д) Применение. Влияние на окружающую среду и здоровье человека.
Классификация кислородсодержащих органических соединений
1. Спирты – это кислородсодержащие органические соединения, содержащие в своем составе гидроксильную группу.
2. Альдегиды характеризуются наличием альдегидной группы:
4. Карбоновые кислоты отличает от других кислородсодержащих органических соединений карбоксильная группа.
5. Эфиры: а) простые R-O-R` б) сложные
Химические свойства этих соединений определяются наличием в их молекулах различных функциональных групп.
Класс соединений | Функциональная группа | Название функциональной группы |
гидроксильная |
||
Альдегиды | альдегидная |
|
карбонильная |
||
Карбоновые кислоты | карбоксильная |
Спирты – это кислородсодержащие производные углеводородов, в которых гидроксигруппа присоединяется к углеводородному радикалу.
Спирты классифицируются:
Ø по характеру углеродного атома, связанного с гидроксигруппой
а) первичные спирты – ОН-группа в таких соединениях связана с первичным атомом углерода
б) вторичные спирты – гидроксигруппа связана с вторичным атомом углерода
в) третичные спирты – гидроксигруппа в третичных спиртах связана с третичным углеродным атомом.
Ø по числу гидроксигрупп в молекуле спирта
а) одноатомные спирты содержат в молекуле одну ОН-группу, все представленные выше соединения являются одноатомными.
б) двухатомные – в состав таких спиртов входит две гидроксигруппы, например этиленгликоль (входит в состав незамерзающих растворов – антифризов)
https://pandia.ru/text/78/359/images/image009_3.gif" width="118" height="48 src=">
Ø по строению радикала, связанного с функциональной группой
а) насыщенные СН3-СН2-ОН (этанол)
б) ненасыщенные СН2=СН-СН2-ОН (2-пропен-1-ол)
в) ароматические Водород" href="/text/category/vodorod/" rel="bookmark">водорода в метаноле, по их старшинству с прибавлением слова-основы карбинол.
Номенклатура ИЮПАК
Согласно номенклатуре ИЮПАК:
В качестве главной цепи выбирают ту, в которой содержится наибольшее число гидроксигрупп и радикалов.
Нумерацию цепи начинают с того конца, ближе к которому находится старший заместитель – в нашем случае ОН-группа.
Название спирта строится от названия соответствующего алкана, с которым связана гидроксигруппа. Чтобы показать, что соединение относится к классу спиртов добавляется окончание –ол.
Т. к. спиртам характерна изомерия положения гидроксигруппы, то она обозначается цифрой.
Если в молекуле несколько гидроксигрупп, то их число обозначается греческими приставками (ди-, три-) Эта приставка ставится перед окончанием –ол цифрой показывается их расположение.
Например, спирты состава С4Н9ОН имеют следующее строение и названия по номенклатуре ИЮПАК.
1) соединения с нормальной цепью
2) соединения с разветвленной цепью
Таким способом называют и более сложные соединения:
Эту реакцию и ее механизм мы подробно изучили в I модуле.
Следующий промышленный способ получения спиртов – гидрирование СО.
Смесь оксида углерода (II) с водородом подвергается нагреванию. При использовании разных катализаторов продукты отличаются по составу, это иллюстрирует схема представленная ниже.
Гидролиз галогенпроизводных алканов.
Гидролиз осуществляется действием воды или водным раствором щелочей, при нагревании. Легче всего реакция проходит для первичных галогенпроизводных.
Восстановление карбонильных соединений
Альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и их производные (сложные эфиры) легко восстанавливаются до спиртов.
Восстановителем альдегидов и кетонов служит молекулярный водород, катализатором – никель, платина или палладий. Для восстановления эфиров используется атомарный водород, который получается при непосредственном взаимодействии натрия со спиртом.
Из уравнений видно, что из альдегидов и карбоновых кислот получаются первичные спирты, кетоны являются исходными веществами для вторичных спиртов. Так получают спирты в лабораторных условиях. Однако получить третичные спирты таким способом нельзя. Их получают способом, представленным ниже.
Взаимодействие реактивов Гриньяра с карбонильными соединениями.
Синтезы на основе реактивов Гриньяра являются надежным лабораторным способом получения спиртов.
При использовании в качестве карбонильного соединения муравьиного альдегида продуктом реакции будет первичный спирт.
Другие альдегиды приводят к образованию вторичных спиртов.
Из кетонов в таких синтезах получаются третичные спирты.
Чтобы понять, как осуществляются подобные превращения, необходимо рассмотреть электронные эффекты в реагирующих молекулах: за счет высокой электроотрицательности атома кислорода, электронная плотность смещается в сторону кислорода от углеродного атома карбонильной группы (-М-эффект). В молекуле реактива Гриньяра частично отрицательный заряд оказывается на атоме углерода, положительный – на магнии за счет положительного индуктивного эффекта (+I-эффект).
Ферментативный способ
Это сбраживание сахаристых веществ. Этанол получают брожением в присутствии дрожжей. Сущность брожения заключается том, что получаемая из крахмала глюкоза под действием ферментов распадается на спирт и СО2. результат этого процесса выражается схемой:
Физические свойства
Низкомолекулярные спирты (С1-С3) являются жидкостями с характерными запахом и вкусом и смешиваются с водой в любых соотношениях.
Температуры кипения спиртов не превышают 100°С, однако они выше чем температуры кипения эфиров или углеводородов, с такой же молекулярной массой.
Причиной этого являются межмолекулярные водородные связи, возникающие между водородными и кислородными атомами гидроксильных групп различных молекул спирта (происходит с участием неподеленных пар электронов кислорода).
Хорошая растворимость спиртов в воде объясняется образованием водородных связей между молекулами спирта и воды.
Спирты с С11 и выше – твердые вещества.
Химические свойства спиртов.
Химические свойства спиртов обусловлены присутствием гидроксигруппы. Поэтому для спиртов характерны реакции:
1) с разрывом связи –СО-Н
2) с разрывом связи С-ОН
3) реакции окисления
1. Кислотно-основные свойства спиртов.
Спирты являются амфотерными соединениями. Они способны выступать в роли как кислот, так и оснований.
Они проявляют кислотные свойства при взаимодействии со щелочными металлами и щелочами. Водород гидроксила замещается на металл с образованием алкоголятов (которые легко разлагаются водой).
2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2
этилат натрия
Спирты более слабые кислоты, чем вода. Их кислотные свойства в убывают в следующем порядке: СН3ОН < СН3СН2ОН < (СН3)2СНОН < (СН3)3СОН. Т. е. разветвление углеродного скелета снижает кислотные свойства.
Свойства оснований спирт проявляют по отношению к кислотам. Сильнее минеральные кислоты протонируют атом кислорода ОН-группы:
Спирты – нуклеофильные реагенты.
Реакции с карбонильными соединениями.
Спирты легко реагируют с карбоновыми кислотами, с образованием сложного эфира, такая реакция называется реакцией этерификации. Эта реакция обратима. Молекула воды образуется за счет отщепления ОН-группы от карбоновой кислоты и протона от молекулы спирта. Катализатором служит сильная минеральная кислота.
метиловый эфир уксусной кислоты
Реакции с неорганическими кислотами.
Взаимодействие спиртов с неорганическими кислотами также приводит к образованию сложных эфиров (но уже неорганических кислот).
серноэтиловый эфир
Нуклеофильное замещение гидроксигруппы .
Дегидратация спиртов.
Дегидратация спиртов протекает под действием сильных минеральных кислот (серной, ортофосфорной), при нагревании.
Отщепление может проходить внутримолекулярно . Рассмотрим механизм на примере бутанола-2: сначала происходит протонирование молекулы спирта водородом кислоты, затем отщепление воды от оксониевого иона с образованием алкил-катиона и быстрое отщепление протона с образованием алкена .
В случае отщепления Н2О применяется правило Марковникова. Это дает возможность переходить от одних спиртов к другим. Например, возможен переход от изобутилового спирта к трет-бутиловому (напишите самостоятельно)
Межмолекулярная дегидратация .
В случае межмолекулярной дегидратации продуктами реакции являются простые эфиры. Реакция протекает в тех же условиях, но отличается температурным режимом.
Окисление
Окислению подвергаются все спирт, но легче всего первичные.
Первичные спирты окисляются до альдегидов и далее до карбоновых кислот (на этой реакции основан метаболизм в организме).
Вторичные спирты в таких реакциях дают кетоны, третичные окисляются с расщеплением С-С-связи и образованием смеси кетонов и кислот.
Качественные реакции на спирты.
Как было сказано ранее, спирты могут реагировать с разрывом связей
–С –ОН и СО – Н. В качественном анализе используются и те и другие реакции.
1. Ксантогеновая проба – это наиболее чувствительная реакция на спиртовую группу. Спирт смешивают с сероуглеродом, добавляют кусочек КОН, слегка нагревают и приливают раствор CuSO4 голубого цвета. При положительной реакции возникает коричневая окраска ксантогената меди.
2 Проба Льюиса .
В реакции используется смесь концентрированной соляной кислоты и хлорида цинка. Эта реакция используется как аналитический метод установления типа спирта: является ли он первичным, вторичным или третичным.
Третичные спирты реагируют почти мгновенно с выделением тепла и образованием маслянистого слоя галогеналкана.
Вторичные реагируют в течение 5 мин (также образуется маслянистый слой).
Первичные спирты при комнатной температуре не реагируют, но вступают в реакцию при нагревании.
Применение спиртов.
Метанол применяют для производства формальдегида, уксусной кислоты, растворителя в производстве лаков и красок, служит полупродуктом для синтеза красителей, фармацевтических препаратов, душистых веществ. Сильный яд.
Этанол – сильный антисептик (в хирургии для мытья рук хирурга и инструментов) и хороший растворитель. Используется для производства дивинила (компонент каучука), хлороформа, этилового эфира (используется в медицине). Некоторое количество спирта идет на употребление в пищевой промышленности (изготовление пропитки, ликеров).
н-Пропанол применяют для производства пестицидов, лекарств, растворителя для восков, смол различной природы.
Влияние на здоровье человека. Механизм действия спиртов.
Одноатомные спирты – наркотики. Их токсичность возрастает с увеличением числа атомов углерода.
Метиловый спирт – сильный нервный и сосудистый яд, снижает насыщаемость крови кислородом. Метанол принятый внутрь взывает опьянение и тяжелое отравление сопровождаемое потерей зрения.
Метанол в пищеварительном тракте окисляется в токсичнее продукт – формальдегид и муравьиную кислоту, которые в небольших количествах взывают тяжелые отравления организма и смерть:
Этиловый спирт – наркотик, взывает паралич нервной системы.
Попадая в организм человека, спирт действует сначала возбуждающе, а затем угнетающе на ЦНС, притупляет чувствительность, ослабляет функцию головного мозга, значительно ухудшает реакцию.
Главной причиной поражения организма этанолом является образование ацетальдегида, который оказывает токсическое воздействие и взаимодействует со многими метаболитами. Ацетальдегид образуется в результате действия фермента алкогольдегидрогеназы (содержится в печени).
Пропиловый спирт действует на организм аналогично этиловому, но сильнее последнего.
Кислород придает органическим веществам целый комплекс характерных свойств.
Кислород двухвалентен, имеет две валентные электронные пары и характеризуется высокой электроотрицателыюстью (х = 3,5). Между атомами углерода и кислорода образуются прочные химические связи, что видно уже на примере молекул С0 2 . Одинарная связь С-0 (£ св = 344 кДж/моль) почти так же прочна, как связь С-С (Е са = 348 кДж/моль), а двойная связь С=0 (Е св = 708 кДж/моль) существенно прочнее, чем связь С=С (Е св = = 620 кДж/моль). Поэтому в молекулах органических веществ обычны превращения, ведущие к образованию двойных связей С=0. По этой же причине неустойчива угольная кислота:
Гидроксогруппа, находящаяся при двойной связи, превращается в окси- группу (см. выше).
Кислород придаст полярность молекулам органических веществ. Между молекулами усиливается притяжение, значительно повышаются температуры плавления и кипения. При обычных условиях среди кислородсодержащих веществ очень мачо газов - только эфир СН 3 ОСН 3 , формальдегид СН 2 0 и оксид этилена СН 2 СН 2 0.
Кислород способствует образованию водородных связей и как донор, и как акцептор водорода. Водородные связи усиливают притяжение молекул, а в случае достаточно сложных молекул придают им определенную пространственную структуру. Влияние полярности и водородных связей на свойства вещества видно на примере углеводорода, кетона и спирта
Полярностью и образованием водородных связей обусловлена хорошая растворимость кислородсодержащих органических веществ в воде.
Кислород в той или иной мере придает органическим веществам кислотные свойства. Кроме класса кислот, свойства которых очевидны из названия, кислотные свойства проявляют фенолы и спирты.
Еще одно общее свойство кислородсодержащих веществ заключается в легкой окисляемости атома углерода, связанного одновременно с кислородом и водородом. Это очевидно из следующих цепочек реакций, которые обрываются при потере углеводом последнего атома водовода:
содержит оксигруппу и считается гетерофункциональной кислотой.
Спирты и простые эфиры
Название целого класса органических веществ спирты (от лат. "spiritus" - дух) происходит от "действующего начала" смеси, получающейся при сбраживании плодовых соков и других систем, содержащих сахар. Это действующее начало - винный спирт, этанол С2Н5ОН, отделяется от воды и нелетучих растворенных веществ при перегонке смеси. Другое название спирта - алкоголь - арабского происхождения.
Спиртами называются органические соединения, в которых имеется гидроксогруппа, связанная с $р 3 -атомом углерода углеводородного радикала.
Спирты можно также рассматривать как продукты замещения одного атома водорода в воде на углеводородный радикал. Спирты образуют гомологические ряды (табл. 22.5), различающиеся по природе радикалов и числу гидроксогрупп.
Таблица 22.5
Некоторые гомологические ряды спиртов
"Тликолями и глицеринами называются полифункциональные спирты с ОН-группами у соседних атомов углерода.
Гидроксогруппа при ненасыщенных атомах углерода неустойчива, так как превращается в карбонильную группу. Виниловый спирт находится в ничтожном количестве в равновесии с альдегидом:
Есть вещества, в которых гидроксогруппа связана с я/г-атомом углерода ароматического кольца, по они рассматриваются в качестве особого класса соединений - фенолов.
В спиртах возможна изомерия углеродного скелета и положения функциональной группы. У непредельных спиртов возникает также изомерия положения кратной связи и пространственная изомерия. Изомерны спиртам соединения класса простых эфиров. Среди спиртов различают разновидности, называемые первичными, вторичными и третичными спиртами. Это связано с характером углеродного атома, при котором находится функциональная группа.
Пример 22.12. Напишите формулы первичного, вторичного и третичного спиртов с четырьмя атомами углерода.
Решение.
Рассмотрим подробнее гомологический ряд предельных спиртов. Первые 12 членов этого ряда представляют собой жидкости. Метанол, этанол и пропанол смешиваются с водой в любых соотношениях вследствие структурного сходства с водой. Далее по гомологическому ряду растворимость спиртов уменьшается, так как большие (по числу атомов) углеводородные радикалы все сильнее вытесняются из водной среды, подобно углеводородам. Это свойство называют гидрофобностъю. В противоположность радикалу гидроксогруппа притягивается к воде, образуя водородную связь с водой, т.е. проявляет гидрофильность. У высших спиртов (пять и более атомов углерода) проявляется свойство поверхностной активности - способность концентрироваться у поверхности воды за счет выталкивания гидрофобного радикала (рис. 22.3).
Рис. 22.3.
Поверхностно-активные вещества обволакивают капли жидкостей и способствуют образованию устойчивых эмульсий. На этом основано действие моющих средств. Поверхностную активность могут проявлять не только спирты, но и вещества других классов.
Большинство растворимых в воде спиртов ядовиты. К наименее ядовитым относятся этанол и глицерин. Но, как известно, этанол опасен тем, что вызывает привыкание человека к его употреблению. Простейший из спиртов метанол похож на этанол по запаху, но крайне ядовит. Известно множество случаев отравления людей в результате ошибочного приема внутрь
метанола вместо этанола. Этому способствует и огромный объем промышленного применения метанола. Простейший двухатомный спирт этиленгликоль С 2 Н 4 (ОН) 2 в большом количестве используется для производства полимерных волокон. Раствор его применяется в качестве антифриза для охлаждения автомобильных двигателей.
Получение спиртов. Рассмотрим несколько общих способов.
1. Гидролиз галогенпроизводных углеводородов. Реакции проводят в щелочной среде:
Пример 22.13. Напишите реакции получения этиленгликоля методом гидролиза галогенпроизводных, взяв исходное вещество этилен.
2. Присоединение воды к алкенам. Наибольшее значение имеет реакция присоединения воды к этилену с образованием этанола. Реакция достаточно быстро идет при высокой температуре, но при этом равновесие сильно смещается влево и понижается выход спирта. Поэтому необходимо создание высокого давления и применение катализатора, позволяющего достичь той же скорости процесса при более низкой температуре (подобно условиям синтеза аммиака). Этанол получают гидратацией этилена при -300°С и давлении 60-70 атм:
Катализатором служит фосфорная кислота, нанесенная на оксид алюминия.
3. Имеются особые способы получения этанола и метанола. Первый получается широко известным биохимическим способом сбраживания углеводов, которые сначала расщепляются до глюкозы:
Метанол получают синтетическим путем из неорганических веществ:
Реакцию проводят при 200-300°С и давлении 40- 150 атм с применением сложного катализатора Си0/2п0/А1 2 0 3 /Сг 2 0 3 . Важность этого промышленного процесса понятна из того, что ежегодно производится более 14 млн т метанола. Он используется главным образом в органическом синтезе для метилирования органических веществ. Приблизительно в таком же количестве производится и этанол.
Химические свойства спиртов. Спирты могут горсть и окисляться. Смесь этилового спирта с углеводородами иногда используется в качестве горючего для автомобильных двигателей. Окисление спиртов без нарушения углеродной структуры сводится к потере водорода и присоединению атомов кислорода. В промышленных процессах пары спиртов окисляются кислородом. В растворах спирты окисляются перманганатом калия, дихроматом калия и другими окислителями. Из первичного спирта при окислении получается альдегид:
При избытке окислителя альдегид сразу же окисляется до органической кислоты:
Вторичные спирты окисляются до кетонов:
Третичные спирты могут окисляться только в жестких условиях с частичной деструкцией углеродного скелета.
Кислотные свойства. Спирты реагируют с активными металлами с выделением водорода и образованием производных с общим названием алкоксиды (метоксиды, этоксиды и т.д.):
Реакция идет более спокойно, чем аналогичная реакция с водой. Выделяющийся водород не загорается. Этим способом уничтожают остатки натрия после химических экспериментов. Реакция такого рода означает, что спирты проявляют кислотные свойства. Это следствие полярности связи О-Н. Однако спирт практически не реагирует со щелочью. Данный факт позволяет уточнить силу кислотных свойств спиртов: это более слабые кислоты, чем вода. Этоксид натрия практически полностью гидролизуется с образованием раствора спирта и щелочи. Несколько сильнее кислотные свойства гликолей и глицеринов вследствие взаимного индуктивного эффекта ОН-групп.
Многоатомные спирты образуют комплексные соединения с ионами некоторых ^/-элементов. В щелочной среде ион меди замещает сразу два иона водорода в молекуле глицерина с образованием комплекса синего цвета:
При повышении концентрации ионов Н + (для этого добавляют кислоту) равновесие смещается влево и окраска исчезает.
Реакции нуклеофильного замещения гидроксогруппы. Спирты реагируют с хлороводородом и другими галогеноводородами:
Реакция катализируется ионом водорода. Сначала Н + присоединяется к кислороду, акцептируя его электронную пару. В этом проявляются основные свойства спирта:
Образующийся ион неустойчив. Он не может быть выделен из раствора в составе твердой соли подобно иону аммония. Присоединение Н + вызывает дополнительное смещение электронной пары от углерода к кислороду, что облегчает атаку нуклеофильной частицы на углерод:
Связь углерода с хлорид-ионом усиливается по мере разрыва связи углерода с кислородом. Реакция заканчивается освобождением молекулы воды. Однако реакция обратима, и при нейтрализации хлороводорода равновесие смещается влево. Происходит гидролиз.
Гидроксогруппа в спиртах замещается также в реакциях с кислородсодержащими кислотами с образованием эфиров. Глицерин с азотной кислотой образует нитроглицерин , применяемый как средство, снимающее спазмы сосудов сердца:
Из формулы понятно, что традиционное название вещества неточно, так как фактически это нитрат глицерина - эфир азотной кислоты и глицерина.
При нагревании этанола с серной кислотой одна молекула спирта выступает как нуклеофильный реагент по отношению к другой. В результате реакции образуется простой эфир этоксиэтан:
На схеме выделены некоторые атомы, чтобы легче было проследить их переход в продукты реакции. Одна молекула спирта сначала присоединяет катализатор - ион Н + , а кислородный атом другой молекулы передает электронную пару углероду. После отщепления воды и диссоциации Н 4 получается молекула простого эфира. Эту реакцию называют еще межмолекулярной дегидратацией спирта. Есть также метод получения простых эфиров с разными радикалами:
Простые эфиры более летучие вещества, чем спирты, так как между их молекулами не образуются водородные связи. Этанол кипит при 78°С, а его изомер эфир СН3ОСН3 - при -23,6°С. Простые эфиры не гидролизуются до спиртов при кипячении с растворами щелочей.
Дегидратация спиртов. Спирты могут разлагаться с отщеплением воды так же, как разлагаются галоген производные углеводородов с отщеплением гало- геноводорода. В получении спиртов из алкена и воды (см. выше) присутствует и обратная реакция элиминирования воды. Разница в условиях присоединения и отщепления воды заключается в том, что присоединение идет под давлением при избытке паров воды относительно алкена, а отщепление происходит от отдельно взятого спирта. Такая дегидратация называется внутримолекулярной. Она идет также в смеси спирта с серной кислотой при ~150°С.
Установите соответствие между реагирующими веществами и углеродсодержащим продуктом, который образуется при взаимодействии этих веществ: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
Запишите в таблицу номера выбранных веществ под соответствующими буквами.
Ответ: 5462
Пояснение:
А) 2CH 3 COOH + Na 2 S = 2CH 3 COONa + H 2 S
Уксусная кислота, она же этановая, имеет формулу CH 3 COOH. В результате ее взаимодействия с основными и амфотерными оксидами/гидроксидами, а также при взаимодействии с солями других более слабых кислот образуются соли уксусной кислоты. Соли, а также сложные эфиры уксусной кислоты называют ацетатами или этаноатами. В нашем случае соль CH 3 COONa может быть названа как ацетат натрия или этаноат натрия.
Б) HCOOH + NaOH = HCOONa + H 2 O
Муравьиная кислота, она же метановая, имеет формулу HCOOH. В результате ее взаимодействия с основными и амфотерными оксидами/гидроксидами, а также при взаимодействии с солями других более слабых кислот образуются соли муравьиной кислоты. Соли, а также сложные эфиры муравьиной кислоты называют формиатами или метаноатами. В нашем случае соль HCOONa может быть названа как формиат натрия или метаноат натрия.
В) Муравьиная кислота, несмотря на малые размеры своей молекулы, содержит в своем составе сразу две функциональные группы — альдегидную и карбоксильную:
В связи с этим с гидроксидом меди она может реагировать двояко: и по типу альдегида, и по типу простой карбоновой кислоты. По типу кислоты, т.е. с образованием соли, муравьиная кислота реагирует с гидроксидом меди без нагревания. При этом образуется формиат , или метаноат , меди:
2HCOOH + Cu(OH) 2 = (HCOO) 2 Cu + 2H 2 O (без нагревания)
Для того чтобы муравьиная кислота проявила в реакции с гидроксидом меди свойства альдегида, реакцию следует проводить при нагревании. В таком случае будет протекать реакция, являющаяся качественной для альдегидов. Гидроксид меди частично восстанавливается альдегидной группой, и образуется кирпично-красный осадок оксида меди (I):
HCOOH + 2Cu(OH) 2 = Cu 2 O + CO 2 + 3H 2 O
Г) Спирты способны реагировать с щелочными и щелочноземельными металлами. При этом выделяется водород и образуется соответствующий алкоголят металла. При использовании этилового спирта (этанола) и натрия соответственно образуются этилат натрия и водород:
2C 2 H 5 OH + 2Na = 2C 2 H 5 ONa + H 2