Спирты - крупная группа органических химических веществ. Она включает подклассы одноатомных и многоатомных спиртов, а также все вещества комбинированного строения: альдегидоспирты, производные фенола, биологические молекулы. Эти вещества вступают в множество типов реакций как по гидроксильной группе, так и по атому углерода, несущему ее. Эти химические свойства спиртов следует изучить детально.
Виды спиртов
В веществах спиртов содержится гидроксильная группа, присоединенная к несущему углеродному атому. В зависимости от количества атомов углерода, с которыми соединен несущий С, спирты делятся на:
- первичные (соединенные с концевым углеродом);
- вторичные (соединены с одной гидроксильной группой, одним водородом и двумя углеродными атомами);
- третичные (соединены с тремя углеродными атомами и одной гидроксильной группой);
- смешанные (многоатомные спирты, в которых имеются гидроксильные группы у вторичных, первичных или третичных углеродных атомов).
Также спирты делятся в зависимости от количества гидроксильных радикалов на одноатомные и многоатомные. Первые содержат только одну гидроксильную группу у несущего углеродного атома, к примеру, этанол. Многоатомные спирты содержат две и более гидроксильные группы у разных несущих углеродных атомов.
Химические свойства спиртов: таблица
Наиболее удобно подать интересующий нас материал посредством таблицы, которая отражает общие принципы реакционной способности спиртов.
Реакционная связь, тип реакции | Реагент | Продукт |
Связь О-Н, замещение | Активный металл, гидрид активного металла, щелочь или амиды активных металлов | Алкоголяты |
Связь С-О и О-Н, межмолекулярная дегидратация | Спирт при нагревании в кислой среде | Простой эфир |
Связь С-О и О-Н, внутримолекулярная дегидратация | Спирт при нагревании над концентрированной серной кислотой | Непредельный углеводород |
Связь С-О, замещение | Галогеноводород, тионилхлорид, квазифосфониевая соль, галогениды фосфора | Галогеналканы |
Связь С-О - окисление | Доноры кислорода (перманганат калия) с первичным спиртом | Альдегид |
Связь С-О - окисление | Доноры кислорода (перманганат калия) с вторичным спиртом | |
Молекула спирта | Кислород (горение) | Углекислый газ и вода. |
Реакционная способность спиртов
Благодаря наличию в молекуле одноатомного спирта углеводородного радикала - связи С-О и связи О-Н - данный класс соединений вступает в многочисленные химические реакции. Они определяют химические свойства спиртов и зависят от реакционной способности вещества. Последняя, в свою очередь, зависит от длины углеводородного радикала, присоединенного у несущему углеродному атому. Чем он больше, тем ниже полярность связи О-Н, из-за чего реакции, идущие с отщеплением водорода от спирта, будет протекать медленнее. Это же снижает константу диссоциации упомянутого вещества.
Химические свойства спиртов также зависят от количества гидроксильных групп. Одна смещает электронную плотность на себя вдоль сигма-связей, что увеличивает реакционную способность по О-Н группе. Поскольку это поляризует связь С-О, то реакции с ее разрывом идут активнее у спиртов, у которых имеется две и более О-Н групп. Потому многоатомные спирты, химические свойства которых более многочисленные, охотнее вступают в реакции. Также они содержат несколько спиртовых групп, из-за чего свободно могут вступать в реакции по каждой из них.
Типичные реакции одноатомных и многоатомных спиртов
Типичные химические свойства спиртов проявляются только в реакции с активными металлами, их основаниями и гидридами, кислотами Льюиса. Также типичными являются взаимодействия с галогенводородами, галогенидами фосфора и прочими компонентами с получением галогеналканов. Также спирты являются и слабыми основаниями, потому вступают в реакции с кислотами, образуя при этом галогенводороды и сложные эфиры неорганических кислот.
Простые эфиры образуются из спиртов при межмолекулярной дегидратации. Эти же вещества вступают в реакции дегидрирования с образованием альдегидов из первичного спирта и кетонов из вторичного. Третичные спирты в подобные реакции не вступают. Также химические свойства этилового спирта (и других спиртов) оставляют возможность полного их окисления кислородом. Это простая реакция горения, сопровождающаяся выделением воды с углекислым газом и некоторого количества тепла.
Реакции по атому водорода связи О-Н
Химические свойства одноатомных спиртов допускают разрыв связи О-Н и отщепление водорода. Эти реакции протекают при взаимодействии с активными металлами и их основаниями (щелочами), с гидридами активных металлов, а также с кислотами Льюиса.
Также спирты активно вступают в реакции со стандартными органическими и неорганическими кислотами. В данном случае продуктов реакции является сложный эфир или галогенуглеводород.
Реакции синтеза галогеналканов (по связи С-О)
Галогеналканы - это типичные соединения, которые могут быть получены из спиртов при протекании нескольких типов химических реакций. В частности, химические свойства одноатомных спиртов позволяют вступать во взаимодействие с галогенводородами, с галогенидами трех- и пятивалентного фосфора, квазифосфониевыми солями, тионилхлоридом. Также галогеналканы из спиртов могут быть получены промежуточным путем, то есть синтезом алкилсульфоната, который позже вступит в реакцию замещения.
Пример первой реакции с галогенводородом указан на графическом приложении выше. Здесь бутиловый спирт реагирует с хлоридом водорода с образованием хлорбутана. В общем, класс соединений, содержащих хлор и углеводородный насыщенный радикал, называется алкилхлоридом. Побочным продуктом химического взаимодействия является вода.
Реакции с получением алкилхлорида (йодида, бромида или фторида) достаточно многочисленные. Типичный пример - взаимодействие с трибромидом фосфора, пентахлоридом фосфора и прочими соединениями данного элемента и его галогенидов, перхлоридов и перфторидов. Они протекают по механизму нуклеофильного замещения. С тионилхлоридом спирты реагируют также с образованием хлоралкана и выделением SO 2 .
Наглядно химические свойства одноатомных предельных спиртов, содержащих насыщенный углеводородный радикал, представлены в виде реакций на иллюстрации ниже.
Спирты легко взаимодействуют с квазифосфониевой солью. Однако данная реакция наиболее выгодна при протекании у одноатомных вторичных и третичных спиртов. Они региоселективны, позволяют "имплантировать" галогеновую группу в строго определенное место. Продукты таких реакций получаются с высокой массовой долей выхода. А многоатомные спирты, химические свойства которых несколько отличаются от таковых у одноатомных, могут изомеризоваться в ходе реакции. Потому получение целевого продукта затрудняется. Пример реакции на изображении.
Внутримолекулярная и межмолекулярная дегидратация спиртов
Гидроксильная группа, расположенная у несущего углеродного атома, может отщепляться при помощи сильных акцепторов. Так протекают реакции межмолекулярной дегидратации. При взаимодействии одной молекулы спирта с другой в растворе концентрированной серной кислоты молекула воды отщепляется от обеих гидроксильных групп, радикалы которых соединяются в молекулу простого эфира. При межмолекулярной дегидратации этаналя можно получить диоксан - продукт дегидратации по четырем гидроксильным группам.
При внутримолекулярной дегидратации продуктом является алкен.
Видеоурок 2:
Фенол: Химические свойства
Лекция: Характерные химические свойства предельных одноатомных и многоатомных спиртов, фенола
Спирты и фенолы
В зависимости от типа углеводородного радикала, а также в некоторых случаях особенностей прикрепления группы -ОН к этому углеводородному радикалу соединения с гидроксильной функциональной группой разделяют на спирты и фенолы.
Существует подразделение органических соединений на спирты и фенолы. За основу данного деления берется тип углеводородного радикала и особенности прикрепления к нему -ОН-групп.
Спирты (алканолы) - производные предельных и непредельных углеводородов, в которых ОН-группа соединена с углеводородным радикалом без непосредственного присоединения к ароматическому кольцу.
Фенолы - органические вещества, имеющие в структуре ОН-группы, непосредственно присоединенные к ароматическому кольцу.
Названные особенности положения ОН-групп, существенно влияют на различие свойств спиртов и фенолов. В соединениях фенола связь О-Н более полярна в сравнении со спиртами. Это повышает подвижность атома водорода в ОН-группе. У фенолов значительно ярче, чем у спиртов, выражены кислотные свойства.
Классификация спиртовСуществует несколько классификаций спиртов. Так, по характеру углеводородного радикала спирты подразделяются на:
- Предельные , содержащие только предельные углеводородные радикалы. В их молекулах один или несколько атомов водорода замещены ОН-группой, к примеру:
Этандиол-1,2 (этиленгликоль)
- Непредельные , содержащие между атомами углерода двойные или тройные связи, к примеру:
Пропен-2-ол-1 (аллиловый спирт)
- Ароматические , содержащие в молекуле бензольное кольцо и ОН-группу, которые связаны друг с другом через атомы углерода, к примеру:
Фенилметанол (бензиловый спирт)
По атомности, т.е. числу ОН-групп , спирты делятся на:
- Одноатомные , к примеру:
- Двухатомные (гликоли) , к примеру:
Трехатомные , к примеру:
Многоатомные , содержащие более трех ОН-групп, к примеру:
По характеру связи атома углерода и ОН-группы спирты подразделяются на:
- Первичные , в которых ОН-группа связана с первичным атомом углерода, к примеру:
- Вторичные , в которых ОН-группа связана со вторичным атомом углерода, к примеру:
Третичны е , в которых ОН-группа связана с третичным атомом углерода, к примеру:
Кодификатор ЕГЭ по химии требует от вас знания химических свойств предельных одноатомных и многоатомных спиртов, рассмотрим их.
Химические свойства предельных одноатомных спиртов
1. Реакции замещения
Взаимодействие с щелочными, щелочноземельными металлами , в результате образуются алкоголяты металлов и выделяется водород. К примеру, при взаимодействии этилового спирта и натрия образуется этилат натрия:
2C 2 H 5 OH+ 2Na→ 2C 2 H 5 ONa+ H2
Важно помнить следующее правило для данной реакции: спирты не должны содержать воду, иначе образование алкоголятов станет невозможным, поскольку они легко гидролизуются.
Реакция этерификации , т.е. взаимодействие спиртов с органическими и кислородсодержащими неорганическими кислотами приводит к образованию сложных эфиров. Данная реакция катализируется сильными неорганическими кислотами. К примеру, взаимодействие этанола с уксусной кислотой образует этилацетат (уксусно-этиловый эфир):
Механизм реакции этерификации выглядит так:
Это обратимая реакция, поэтому для смещения равновесия в сторону образования сложного эфира, реакцию проводят при нагревании, а также в присутствии концентрированной серной кислоты как водоотнимающего вещества.
Взаимодействие спиртов с галогеноводородами . При действии на спирты галогеноводородных кислот происходит замещение гидроксильной группы на атом галогена. В результате такой реакции образуются галогеналканы и вода. К примеру:
C 2 H 5 OH+ HCl → C 2 H 5 Cl+ H 2 O.
Это обратимая реакция.
2. Реакции элиминирования (отщепления)
Дегидратация спиртов бывает межмолекулярной и внутримолекулярной.
При межмолекулярной одна молекула воды образуется в результате отщепления атома водорода от одной молекулы спирта и гидроксильной группы - от другой молекулы. В результате образуются простые эфиры (R-O-R). Условиями реакции являются присутствие концентрированной серной кислоты и нагревание 140 0 C:
С 2 Н 5 ОC 2 H 5 → C 2 H 5 -O-C 2 H 5 +H 2 O
Дегидратация этанола с этанолом привела к образованию диэтилового эфира (этоксиэтана) и воды.
СН 3 ОC 2 H 5 → CH 3 -O-C 2 H 5 +H 2 O
Дегидратация метанола с этанолом привела к образованию метилэтилового эфира (метоксиэтана) и воды.
Внутримолекулярная дегидратация спиртов в отличии от межмолекулярной протекает следующим образом: одна молекула воды отщепляется от одной молекулы спирта:
Для проведения данного типа дегидратации требуется сильное нагревание. В результате из одной молекулы спирта образуется одна молекула алкена и одна молекула воды.
Поскольку молекула метанола содержит только один атом углерода, для него невозможна внутримолекулярная дегидратация. При межмолекулярной дегидратации метанола возможно образование только простого эфира (CH 3 -O-CH 3):
2CH 3 OH → CH 3 -O-CH 3 + H 2 O.
Необходимо помнить, что в случае дегидратации несимметричных спиртов внутримолекулярное отщепление воды будет протекать в соответствии с правилом Зайцева, то есть водород будет отщепляться от наименее гидрированного атома углерода.
Дегидрирование спиртов:
а) Дегидрирование первичных спиртов при нагревании в присутствии металлической меди приводит к образованию альдегидов:
б) В случае вторичных спиртов аналогичные условия приведут к образованию кетонов:
в) Третичные спирты дегидрированию не подвергаются.
3. Реакции окисления
Горение . Спирты легко вступают в реакцию горения. При этом образуется большое количество тепла:
2СН 3 - ОН + 3O 2 → 2CO 2 + 4H 2 O + Q.
Окисление спиртов происходит в присутствии катализаторов Cu, Cr и др. при нагревании. Окисление происходит и в присутствии хромовой смеси (H 2 SO 4 + K 2 Cr 2 O 7) или перманганата магния (KMnO 4). Первичные спирты образуют альдегиды, к примеру:
C 2 H 5 OH+ CuO → CH 3 COH + Cu + + H 2 O.
В результате получили уксусный альдегид (этаналь, ацетальдегид), медь, воду. Если образовавшийся альдегид не удалить из реакционной среды, образуются соответствующая кислота.
Вторичные спирты в этих же условиях образуют кетоны:
Для третичных спиртов реакция окисления не характерна.
Химические свойства многоатомных спиртов
Многоатомные спирты являются более сильными кислотами, чем одноатомные.
Для многоатомных спиртов характерны такие же, как и для одноатомных, реакции с щелочными, щелочноземельными металлами. При этом в молекуле спирта замещается разное число атомов водорода ОН-групп. В результате образуются соли. К примеру:
Поскольку многоатомные спирты обладают кислотными свойствами больше одноатомных, то они охотно реагируют не только с металлами, но и с их гидроксидами тяжелых металлов. Реакция с гидроксидом меди 2 является качественной реакцией на многоатомные спирты. Голубой осадок при взаимодействии с многоатомным спиртом переходит в ярко синий раствор.
- Реакция этерификации, т.е. взаимодействие с органическими и кислородсодержащими неорганическими кислотами с образованием сложных эфиров:
C 6 H 5 ONa + CH 3 COCl → C 6 H 5 OCOCH 3 + NaCl
Спирты – это производные углеводородов, в молекулах которых содержится одна или несколько гидроксильных ОН – групп, связанных с насыщенным атомом углерода.
Номенклатура: систематическая – к названию соответствующего углеводорода добавляют окончание – ол, цифрой указывают положение ОН-группы; применяют тривиальные названия.
КЛАССИФИКАЦИЯ
По числу ОН – групп спирты делятся на
● одноатомные
● двухатомные (диолы) 
● трехатомные (триолы)
● многоатомные (полиолы)
В зависимости от положения ОН-групп различают
● первичные
● вторичные
● третичные
В зависимости от природы радикала R различают
● насыщенные
● ненасыщенные
● ароматические
● алициклические
Изомерия
1. Углеродного скелета
2. Положение функциональной группы:
3. Межклассовая изомерия (спирты изомерны классу простых эфиров)
§3. Способы получения одноатомных спиртов .
1. Гидратация алкенов
В зависимости от строения непредельного углеводорода могут образовываться первичные, вторичные и третичные спирты:
этилен этанол
пропилен 2-пропанол
метилпропен 2-метил-2-пропанол
2. Гидролиз галогенпроизводных; осуществляется под действием водного р-ра щелочи:
3. Гидролиз сложных эфиров:
4. Восстановление карбонильных соединений:
5. Некоторые специфические методы получения:
а) получение метанола из синтез-газа (давление – 50 – 150атм, температура – 200 - 300°С, катализаторы – оксиды цинка, хрома, алюминия):
б) получение этанола брожением сахаров:
Физические свойства
Метиловый спирт – бесцветная жидкость с характерным спиртовым запахом,
Т кип. = 64,7 о С, горит бледным пламенем. Сильно ядовит.
Этиловый спирт – бесцветная жидкость с характерным спиртовым запахом,
Т кип. =78,3 о С
Спирты С 1 – С 11 – жидкости, С 12 и выше – твердые вещества.
спирты С 4 – С 5 имеют удушливый сладковатый запах;
высшие спирты запаха не имеют.
Относительная плотность меньше 1, т.е. легче воды.
Низшие спирты (до С 3) с водой смешиваются в любых соотношениях.
С увеличением углеводородного радикала растворимость в воде уменьшается, возрастает гидрофобность молекулы.
Спирты способны к межмолекулярной ассоциации:
В связи с этим температуры кипения и плавления у спиртов выше, чем у соответствующих углеводородов и галогенпроизводных.
Способность этилового спирта к образованию водородных связей лежит в основе его антисептических свойств.
§5. Химические свойства одноатомных спиртов .
Характерные реакции спиртов определяются наличием в их молекуле гидроксильной группы, которая обуславливает их значительную реакционную способность.
1. Взаимодействие с щелочными металлами:
Алкоголяты металлов R-ОМе – бесцветные твердые вещества, легко гидролизуются водой. Являются сильными основаниями.
2.Основные свойства
3.Образование простых эфиров:
4.Образование сложных эфиров
с неорганическими кислотами:
с органическими кислотами:
5.Реакция спиртов с галогенводородами:
Использование галогенидов фосфора:
6. Реакции дегидратации спиртов.
Отщепление воды от спиртов происходит в присутствии кислот или над катализаторами при повышенной температуре.
Дегидратация спиртов протекает согласно эмпирическому правилу Зайцева: предпочтительно водород отщепляется от наименее гидрогенизированного β-углеродного атома.
1) Дегидратация первичных спиртов протекает в жестких условиях:
2) Дегидратация вторичных спиртов:
3) Дегидратация третичных спиртов:
7.Окисление (окислители – КМnО 4 , К 2 Сr 2 О 7 в кислой среде)
8.Дегидрирование спиртов:
Двухатомные спирты (диолы)
Способы получения.
1. Окисление этилена
2. Гидролиз дигалогенпроизводного
Физические свойства:
Этиленгликоль – вязкая бесцветная жидкость сладкая на вкус, растворяется в воде; безводный этиленгликоль гигроскопичен.
Химические свойства
Реакции в основном аналогичны реакциям одноатомных спиртов, причем реакции могут протекать по одной или по двум гидроксильным группам.
1. Кислотные свойства; этиленгликоль более сильная кислота, чем этанол
(рК а = 14,8). Образование гликолятов
2. Реакции замещения на галогены
3. Образование простых эфиров
4. Дегидратация
5. Окисление
Трехатомные спирты (триолы)
Способы получения.
1. Гидролиз жиров
2. Из аллилхлорида
Физические свойства:
Глицерин – вязкая жидкость со сладким вкусом. Не ограничено растворим в воде, этаноле; не растворяется в эфире, безводный глицерин гигроскопичен (поглощает до 40% влаги из воздуха).
Химические свойства
Реакции в основном аналогичны реакциям одноатомных спиртов, причем реакции могут протекать по одной, по двум или сразу по трем гидроксильным группам.
1. Кислотные свойства; глицерин более сильная кислота, чем этанол и этиленгликоль. рК а = 13, 5.
С гидроксидом меди образует хелатный комплекс:
2. Реакции замещения
3. Дегидратация
Применение спиртов
Метанол и этанол используются в качестве растворителей, а так же как исходные вещества в синтезе органических веществ. Этанол применяют в фармации для приготовления настоек, экстрактов; в медицине – как антисептик.
Этиленгликоль применяют для получение синтетических полиэфирных волокон (например, лавсан), а так же в качестве антифриза (50%-ный р-р) – незамерзающая жидкость для охлаждения двигателей внутреннего сгорания.
Глицерин используется как компонент косметических препаратов и мазей. Тринитрат глицерина – лекарственный препарат при лечении стенокардии.
Тринитрат глицерина применяют в производстве взрывчатых веществ (динамит).
Использование глицерина в пищевой и текстильной промышленности.
Содержание статьи
СПИРТЫ (алкоголи) – класс органических соединений, содержащих одну или несколько группировок С–ОН, при этом гидроксильная группа ОН связана с алифатическим атомом углерода (соединения, у которых атом углерода в группировке С–ОН входит в состав ароматического ядра, называются фенолами)
Классификация спиртов разнообразна и зависит от того, какой признак строения взят за основу.
1. В зависимости от количества гидроксильных групп в молекуле спирты делят на:
а) одноатомные (содержат одну гидроксильную ОН-группу), например, метанол СН 3 ОН, этанол С 2 Н 5 ОН, пропанол С 3 Н 7 ОН
б) многоатомные (две и более гидроксильных групп), например, этиленгликоль
HO–СH 2 –CH 2 –OH, глицерин HO–СH 2 –СН(ОН)–CH 2 –OH, пентаэритрит С(СН 2 ОН) 4 .
Соединения, в которых у одного атома углерода есть две гидроксильных группы, в большинстве случаев нестабильны и легко превращаются в альдегиды, отщепляя при этом воду: RCH(OH) 2 ® RCH=O + H 2 O
2. По типу атома углерода, с которым связана группа ОН, спирты делят на:
а) первичные, у которых ОН-группа связана с первичным атомом углерода. Первичным называют атом углерода (выделен красным цветом), связанный всего с одним углеродным атомом. Примеры первичных спиртов – этанол СH 3 –C H 2 –OH, пропанол СH 3 –CH 2 –C H 2 –OH.
б) вторичные, у которых ОН-группа связана с вторичным атомом углерода. Вторичный атом углерода (выделен синим цветом) связан одновременно с двумя атомами углерода, например, вторичный пропанол, вторичный бутанол (рис. 1).
Рис. 1. СТРОЕНИЕ ВТОРИЧНЫХ СПИРТОВ
в) третичные, у которых ОН-группа связана с третичным атомом углерода. Третичный углеродный атом (выделен зеленым цветом) связан одновременно с тремя соседними атомами углерода, например, третичный бутанол и пентанол (рис. 2).
Рис. 2. СТРОЕНИЕ ТРЕТИЧНЫХ СПИРТОВ
В соответствии с типом углеродного атома присоединенную к нему спиртовую группу также называют первичной, вторичной или третичной.
У многоатомных спиртов, содержащих две или более ОН-групп, могут присутствовать одновременно как первичные, так и вторичные НО-группы, например, в глицерине или ксилите (рис. 3).
Рис. 3. СОЧЕТАНИЕ В СТРУКТУРЕ МНОГОАТОМНЫХ СПИРТОВ ПЕРВИЧНЫХ И ВТОРИЧНЫХ ОН-ГРУПП .
3. По строению органических групп, связанных ОН-группой, спирты подразделяют на предельные (метанол, этанол, пропанол), непредельные, например, аллиловый спирт СН 2 =СН–СН 2 –ОН, ароматические (например, бензиловый спирт С 6 Н 5 СН 2 ОН), содержащие в составе группы R ароматическую группу.
Непредельные спирты, у которых ОН-группа «примыкает» к двойной связи, т.е. связана с атомом углерода, участвующим одновременно в образовании двойной связи (например, виниловый спирт СН 2 =СН–ОН), крайне нестабильны и сразу же изомеризуются (см .ИЗОМЕРИЗАЦИЯ) в альдегиды или кетоны :
CH 2 =CH–OH ® CH 3 –CH=O
Номенклатура спиртов.
Для распространенных спиртов, имеющих простое строение, используют упрощенную номенклатуру: название органической группы преобразуют в прилагательное (с помощью суффикса и окончания «овый ») и добавляют слово «спирт»:
В том случае, когда строение органической группы более сложное, используют общие для всей органической химии правила. Названия, составленные по таким правилам, называют систематическими. В соответствии с этими правилами, 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 (рис. 4):
Рис. 4. СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ НАЗВАНИЯ СПИРТОВ . Функциональные (ОН) и замещающие (СН 3) группы, а также соответствующие им цифровые индексы выделены различающимися цветами.
Систематические названия простейших спиртов составляют по тем же правилам: метанол, этанол, бутанол. Для некоторых спиртов сохранились тривиальные (упрощенные) названия, сложившиеся исторически: пропаргиловый спирт НСє С–СН 2 –ОН, глицерин HO–СH 2 –СН(ОН)–CH 2 –OH, пентаэритрит С(СН 2 ОН) 4 , фенетиловый спирт С 6 Н 5 –CH 2 –CH 2 –OH.
Физические свойства спиртов.
Спирты растворимы в большинстве органических растворителей, первые три простейших представителя – метанол, этанол и пропанол, а также третичный бутанол (Н 3 С) 3 СОН – смешиваются с водой в любых соотношениях. При увеличении количества атомов С в органической группе начинает сказываться гидрофобный (водоотталкивающий) эффект, растворимость в воде становится ограниченной, а при R, содержащем свыше 9 атомов углерода, практически исчезает.
Благодаря наличию ОН-групп между молекулами спиртов возникают водородные связи.
Рис. 5. ВОДОРОДНЫЕ СВЯЗИ В СПИРТАХ (показаны пунктиром)
В результате у всех спиртов более высокая температура кипения, чем у соответствующих углеводородов, например, Т. кип. этанола +78° С, а Т. кип. этана –88,63° С; Т. кип. бутанола и бутана соответственно +117,4° С и –0,5° С.
Химические свойства спиртов.
Спирты отличаются разнообразными превращениями. Реакции спиртов имеют некоторые общие закономерности: реакционная способность первичных одноатомных спиртов выше, чем вторичных, в свою очередь, вторичные спирты химически более активны, чем третичные. Для двухатомных спиртов, в том случае, когда ОН-группы находятся у соседних атомов углерода, наблюдается повышенная (в сравнении с одноатомными спиртами) реакционная способность из-за взаимного влияния этих групп. Для спиртов возможны реакции, проходящие с разрывом как С–О, так и О–Н – связей.
1. Реакции, протекающие по связи О–Н.
При взаимодействии с активными металлами (Na, K, Mg, Al) спирты проявляют свойства слабых кислот и образуют соли, называемые алкоголятами или алкоксидами:
2CH 3 OH + 2Na ® 2CH 3 OK + H 2
Алкоголяты химически не стабильны и при действии воды гидролизуются с образованием спирта и гидроксида металла:
C 2 H 5 OК + H 2 O ® C 2 H 5 OH + КOH
Эта реакция показывает, что спирты в сравнении с водой представляют собой более слабые кислоты (сильная кислота вытесняет слабую), кроме того, при взаимодействии с растворами щелочей спирты не образуют алкоголяты. Тем не менее, в многоатомных спиртах (в том случае, когда ОН-группы присоединены к соседним атомам С) кислотность спиртовых групп намного выше, и они могут образовывать алкоголяты не только при взаимодействии с металлами, но и со щелочами:
HO–CH 2 –CH 2 –OH + 2NaOH ® NaO–CH 2 –CH 2 –ONa + 2H 2 O
Когда в многоатомных спиртах НО-группы присоединены к не соседствующим атомам С, свойства спиртов близки к одноатомным, поскольку взаимовлияние НО-групп не проявляется.
При взаимодействии с минеральными или органическими кислотами спирты образуют сложные эфиры – соединения, содержащие фрагмент R–O–A (А – остаток кислоты). Образование сложных эфиров происходит и при взаимодействии спиртов с ангидридами и хлорангидридами карбоновых кислот (рис. 6).
При действии окислителей (К 2 Cr 2 O 7 , KMnO 4) первичные спирты образуют альдегиды, а вторичные – кетоны (рис.7)
Рис. 7. ОБРАЗОВАНИЕ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ ПРИ ОКИСЛЕНИИ СПИРТОВ
Восстановление спиртов приводит к образованию углеводородов, содержащих то же количество атомов С, что молекула исходного спирта (рис.8).
Рис. 8. ВОССТАНОВЛЕНИЕ БУТАНОЛА
2. Реакции, протекающие по связи С–О.
В присутствии катализаторов или сильных минеральных кислот происходит дегидратация спиртов (отщепление воды), при этом реакция может идти в двух направлениях:
а) межмолекулярная дегидратация с участием двух молекул спирта, при этом связи С–О у одной из молекул разрываются, в результате образуются простые эфиры – соединения, содержащие фрагмент R–О–R (рис. 9А).
б) при внутримолекулярной дегидратации образуются алкены - углеводороды с двойной связью. Часто оба процесса – образование простого эфира и алкена – протекают параллельно (рис. 9Б).
В случае вторичных спиртов при образовании алкена возможны два направления реакции (рис. 9В), преимущественное направление то, при котором в процессе конденсации отщепляется водород от наименее гидрогенизированного атома углерода (отмечен цифрой 3), т.е. окруженного меньшим количеством атомов водорода (в сравнении с атомом 1). Показанные на рис. 10 реакции используют для получения алкенов и простых эфиров.
Разрыв связи С–О в спиртах происходит также при замещении ОН-группы галогеном, или аминогруппой (рис. 10).
Рис. 10. ЗАМЕНА ОН-ГРУППЫ В СПИРТАХ ГАЛОГЕНОМ ИЛИ АМИНОГРУППОЙ
Реакции, показанные на рис. 10, используют для получения галогенуглеводородов и аминов.
Получение спиртов.
Некоторые из показанных выше реакций (рис. 6,9,10) обратимы и при изменении условий могут протекать в противоположном направлении, приводя к получению спиртов, например при гидролизе сложных эфиров и галогенуглеводородов (рис.11А и Б, соответственно), а также гидратацией алкенов – присоединением воды (рис.11В).
Рис. 11. ПОЛУЧЕНИЕ СПИРТОВ ГИДРОЛИЗОМ И ГИДРАТАЦИЕЙ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Реакция гидролиза алкенов (рис. 11, схема В) лежит в основе промышленного производства низших спиртов, содержащих до 4 атомов С.
Этанол образуется и при так называемом спиртовом брожении сахаров, например, глюкозы С 6 Н 12 О 6 . Процесс протекает в присутствии дрожжевых грибков и приводит к образованию этанола и СО 2:
С 6 Н 12 О 6 ® 2С 2 Н 5 ОН + 2СО 2
Брожением можно получить не более чем 15%-ный водный раствор спирта, поскольку при более высокой концентрации спирта дрожжевые грибки погибают. Растворы спирта более высокой концентрации получают перегонкой.
Метанол получают в промышленности восстановлением монооксида углерода при 400° С под давлением 20–30 МПа в присутствии катализатора, состоящего из оксидов меди, хрома, и алюминия:
СО + 2 Н 2 ® Н 3 СОН
Если вместо гидролиза алкенов (рис. 11) проводить окисление, то образуются двухатомные спирты (рис. 12)
Рис. 12. ПОЛУЧЕНИЕ ДВУХАТОМНЫХ СПИРТОВ
Применение спиртов.
Способность спиртов участвовать в разнообразных химических реакциях позволяет их использовать для получения всевозможных органических соединений: альдегидов, кетонов, карбоновых кислот простых и сложных эфиров, применяемых в качестве органических растворителей, при производстве полимеров, красителей и лекарственных препаратов.
Метанол СН 3 ОН используют как растворитель, а также в производстве формальдегида, применяемого для получения фенолформальдегидных смол, в последнее время метанол рассматривают как перспективное моторное топливо. Большие объемы метанола используют при добыче и транспорте природного газа. Метанол – наиболее токсичное соединение среди всех спиртов, смертельная доза при приеме внутрь – 100 мл.
Этанол С 2 Н 5 ОН – исходное соединение для получения ацетальдегида, уксусной кислоты, а также для производства сложных эфиров карбоновых кислот, используемых в качестве растворителей. Кроме того, этанол – основной компонент всех спиртных напитков, его широко применяют и в медицине как дезинфицирующее средство.
Бутанол используют как растворитель жиров и смол, кроме того, он служит сырьем для получения душистых веществ (бутилацетата, бутилсалицилата и др.). В шампунях он используется как компонент, повышающий прозрачность растворов.
Бензиловый спирт С 6 Н 5 –CH 2 –OH в свободном состоянии (и в виде сложных эфиров) содержится в эфирных маслах жасмина и гиацинта. Он обладает антисептическими (обеззараживающими) свойствами, в косметике он используется как консервант кремов, лосьонов, зубных эликсиров, а в парфюмерии - как душистое вещество.
Фенетиловый спирт С 6 Н 5 –CH 2 –CH 2 –OH обладает запахом розы , содержится в розовом масле, его используют в парфюмерии.
Этиленгликоль HOCH 2 –CH 2 OH используют в производстве пластмасс и как антифриз (добавка, снижающая температуру замерзания водных растворов), кроме того, при изготовлении текстильных и типографских красок .
Диэтиленгликоль HOCH 2 –CH 2 OCH 2 –CH 2 OH используют для заполнения тормозных гидравлических приспособлений, а также в текстильной промышленности при отделке и крашении тканей.
Глицерин HOCH 2 –CH(OH)–CH 2 OH применяют для получения полиэфирных глифталевых смол, кроме того, он является компонентом многих косметических препаратов. Нитроглицерин (рис. 6) – основной компонент динамита, применяемого в горном деле и железнодорожном строительстве в качестве взрывчатого вещества.
Пентаэритрит (HOCH 2) 4 С применяют для получения полиэфиров (пентафталевые смолы), в качестве отвердителя синтетических смол, как пластификатор поливинилхлорида, а также в производстве взрывчатого вещества тетранитропентаэритрита.
Многоатомные спирты ксилит НОСН2–(СНОH)3–CН2ОН и сорбит НОСН2– (СНОН)4–СН2OН имеют сладкий вкус, их используют вместо сахара в производстве кондитерских изделий для больных диабетом и людей страдающих от ожирения. Сорбит содержится в ягодах рябины и вишни .
Михаил Левицкий
Спирты не обладают ярко выраженными кислотными или основными свойствами. Как сами спирты, так и их водные растворы не проводят электрический ток в заметной степени. Так как алкильная группа является донором электронов, то электронная плотность на атоме кислорода повышена и диссоциация связи О-Н проходит еще в меньшей степени, чем в молекуле воды:
Благодаря доступности и способности вступать в многочисленные химические реакции спирты играют громадную роль в различных, в том числе в промышленных, синтезах.
Реакции, в которые вступают спирты, можно разбить на следующие группы.
1. Реакции, идущие с участием атома водорода гидроксильной группы.
2. Реакции, происходящие с замещением или отщеплением всей гидроксильной группы.
3. Реакции окисления, в которых одновременно принимают участие гидроксильная группа, α-водородные атомы или даже соседние связи углерод - углерод.
1. Реакции, идущие с участием атома водорода гидроксильной группы
Атом водорода гидроксила обладает определенной подвижностью и способен к легкому замещению.
А) Замещение атома водорода в гидроксиле метал лом.
Вещества, получающиеся в результате такого замещения называются алкоголятами:
Алкоголяты, образуемые метиловым спиртом, называют метилатами, образуемые этиловым спиртом - этилатами и т. д.
Алкоголяты - твердые вещества, легко растворимые в спирте. Алкоголяты натрия - нестойкие соединения, быстро темнеют (осмоляются) на воздухе, особенно при нагревании. Наиболее устойчив метилат натрия. В присутствии следов влаги алкоголяты натрия разлагаются, и вновь образуется спирт:
Реакция образования алкоголята иллюстрирует сходство спиртов с водой. Низшие спирты (СН 3 ОН, С 2 Н 5 ОН) реагируют с натрием бурно, средние - слабо, а высшие реагируют лишь при нагревании. Алкоголяты образуются при действии на спирты и других активных металлов, например магния, алюминия. В реакции образования алкоголята спирт проявляет свойства слабой кислоты.
Б) Замещение атома водорода в гидроксиле ацильной группой с образованием сложных эфиров.
При взаимодействии спиртов с органическими кислотами (лучше в присутствии следов сильных кислот) получаются сложные эфиры:
Реакция образования сложных эфиров называется реакцией этерификации. Реакция этерификации обратима: вода в присутствии кислот или щелочей разлагает сложные эфиры с образованием исходных веществ - кислоты и спирта. Такое гидролитическое разложение сложных эфиров называется реакцией гидролиза. Реакция этерификации, а также образующиеся в результате ее эфиры имеют очень важное промышленное значение.
2. Реакции, идущие с замещением или отщеплением всей гидроксильной группы
Гидроксильная группа спирта в некоторых реакциях обладает известной подвижностью и может замещаться или отщепляться.
А) Замещение гидроксила на галоген с образованием гадогенопроизводных углеводородов.
Обычно реакция осуществляется при действии на спирты галогенидов фосфора или серы, а также галогеноводородов:
Реакция взаимодействия спирта с галогенопроизводными кислотами обратима. Чтобы добиться большего выхода, т. е. сдвинуть равновесие вправо, необходимо удалять из реакционной смеси воду. Поэтому реакцию ведут в присутствии водоотнимающих веществ, например концентрированной серной кислоты, или же в безводный спирт пропускают газообразный галогеноводород. Чтобы уменьшить количество присутствующей воды, удобнее брать не галогеноводородную кислоту, а ее соль и выделять из нее сухой галогеноводород действием концентрированной серной кислоты.
Б) Образование олефинов путем отщепления воды
При нагревании спирта с большим количеством крепкой серной кислоты или хлоридом цинка, а так же при пропускании паров спирта при 350-500 °С через трубку с оксидом алюминия происходит реакция дегидратации (отнятие воды) и образуются этиленовые углеводороды. Так, например, из этилового спирта получается этилен:
Образование молекулы воды происходит за счет гидроксила и атома водорода у соседнего атома углерода (реакция β-элиминирования).
Легче всего дегидратируются третичные, потом вторичные и затем уже первичные спирты. В спиртах сложного строения преимущественно отщепляется третичный (3-водородный атом, гораздо в меньшей степени - вторичный, и практически не отщепляется первичный (правило Зайцева):
В) Межмолекулярная дегидратация.
При нагревании избытка спирта с серной кислотой или при пропускании паров спирта через порошкообразный безводный сульфат алюминия при 200°С наряду с этиленовыми углеводородами получаются и простые эфиры:
Г) Замена гидроксида на аминогруппу. В жестких условиях (300 °С, оксид алюминия) гидроксильная группа спиртов может быть заменена на аминогруппу с образованием первичных аминов:
Реакция осложняется образованием вторичных (R 2 NН) и третичных (R 3 N) аминов в результате взаимодействия спирта с уже образовавшимися аминами.
Реакции окисления, в которых одновременно принимают участие гидроксильная группа, α -водородные атомы или даже соседние связи углерод - углерод
А) Отщепление водорода (дегидрогенизация, дегидрирование ).
При пропускании паров спирта при 200-300°С над мелко раздробленной медью или серебром первичные спирты превращаются в альдегиды, а вторичные - в кетоны. Реакция идет с выделением водорода:
Б) Окисление спиртов.
Окисление обычно проводят сильными окислителями, например К 2 Сг 2 0 7 + Н 2 SО 4 или КМп0 4 + + Н 2 SО 4 . При окислении спиртов действие окислителя направляется на тот углеродный атом, который уже связан с гидроксильной группой. Следовательно, в зависимости от того, какой спирт окисляется - первичный, вторичный или третичный, получаются различные продукты окисления.
При окислении вторичных спиртов образуются кетоны:
Окисление первичных спиртов происходит аналогично, но так как в первичных спиртах у углеродного атома, связанного с гидроксилом, на один атом водорода больше, чем во вторичных, то продуктами окисления в этом случае являются альдегиды:
Эту реакцию трудно осуществить с высоким выходом из-за легкой окисляемости образовавшегося альдегида до соответствующей карбоновой кислоты.