Как составить структурную формулу спирта

Спирты (алкоголи) – это углеводороды, строение которых отражается наличием по крайней мере одной гидроксильной группы –ОН, присоединенной к углеводородной цепи. Далее детально рассмотрим какова классификация, строение, изомерия и номенклатура спиртов.

Классификация спиртов

Классификация по строению связанной с ОН – группой углеводородной цепи:

• Предельные спирты. Гидроксильная группа связанна насыщенной углеродной цепью, например, этанол, изопропанол, третбутанол, вторбутанол: 

• Непредельные спирты. Гидроксильная группа связанна с углеродной цепью, в составе которой имеется одна или несколько кратных связей, например, аллиловый и пропаргиловый спирты: 

• Ароматические спирты. Группа – CH₂OH связанна с ароматической структурой, например, бензиловый спирт, 1-фенилэтанол-1, 2-метил-2-фенилпропанол: 

Классификация по количеству ОН – групп в молекуле

• Одноатомные спирты. В молекуле присутствует только одна гидроксильная группа, например, третбутанол, пропинол, бензиловый спирт (структурные формулы представлены выше).

• Многоатомные спирты. В молекуле присутствует более двух гидроксильных групп, например, этиленгликоль (1,2-этандиол), глицерин (1,2,3-пропантриол), пинакон (2,3-диметилбутандиол-2,3): 

Многоатомные спирты, в молекуле которых каждая группа – ОН соединена с различными атомами углерода стабильны.

Если две ОН – группы находятся у одного атома углерода, то такие соединения не отличаются стабильностью. В этом случае происходит отщепление молекулы воды и переход в более устойчивый альдегид.

Молекул спиртов, в которых у одного атома углерода находятся одновременно три ОН – группы не существуют.

Классификация спиртов по характеру связанного с гидроксильной группой углеродного атома

• Первичные. ОН — группа связана с первичным атомом углерода (т.е. связанным еще с одним атомом углерода), например, пентанол-1, 2-метилбутанол-1: 

• Вторичные. ОН — группа связана со вторичным атомом углерода (атом углерода связан с двумя другими атомами углерода), например, втор-пропанол, втор-бутанол, 1,2-диметилбутанол-1: 

• Третичные. ОН-группа связана с третичным атомом углерода (связанным с тремя другими атомами углерода), например, трет-бутанол, 1,1,2-триметилбутанол-1: 

Гидроксильные группы аналогично называют первичной, вторичной и третичной.

Молекулы многоатомных спиртов одновременно могут содержать и первичные и вторичные группы ОН, например, в глицерине две ОН – группы – первичные и одна вторичная.

Общая молекулярная формула спиртов:

• Насыщенные одноатомные спирты — C_nH_2n+1OH
• Ненасыщенные одноатомные спирты (одна двойная связь) – C_nH_2n-1OH
• Многоатомные насыщенные спирты — C_nH_2n+1(OH)_k, где k – целое число более 2.

Строение спиртов

В молекуле предельного спирта атомы углерода и кислорода находятся в состоянии sp³ – гибридизации.

Две гибридные орбитали атома кислорода заняты неподеленными электронными парами, две другие свободны для связывания с другими атомами: 

Для примера приведем строение этанола:

Угол Н-С-Н составляет 109,5°, С-O-H – 108,9° (в молекуле воды угол Н-О-Н равен 104,5°).

Изомерия и номенклатура спиртов

Изомерия спиртов зависит от строения углеродной цепи (изомерия углеродного скелета) и положения —ОН в цепи (функциональная изомерия). Кроме этого, для них характерна межклассовая изомерия (спирты изомерны простым эфирам).
Например, соединение состава С₄Н₁₀О имеет следующие изомеры: 

Как и другие органические соединения, спирты называют как по правилам рациональной номенклатуры (как замещенные метилового спирта — карбuнола), так и номенклатуры ИЮПАК. Для некоторых из них существуют тривиальные названия.

Наиболее часто используется систематическая номенклатура ИЮПАК. В общем виде, используя правила этой номенклатуры, название можно построить в несколько этапов:

• Назвать самую длинную углеродную цепь, содержащую атом углерода, несущий группу —OH.
• Отбросить окончание -ан от названия соответствующего алкана и добавить суффикс -ол. Если гидроксильных групп несколько, до добавить числительное, показывающее количество ОН-групп (-диол, -триол и т.д.)
• Найти и пронумеровать самую длинную углеродную цепь, начиная с конца, ближайшего к группе —OH.
• При необходимости указать положение группы -OH.
• Назвать заместители, указать их количество и положение.

Например, назовем следующие соединения: 

Самая длинная цепочка состоит из девяти атомов углерода, поэтому название корня – нона, суффикс -ол.

Группа —ОН находится у четвертого углеродного атома – нонанол — 4.

Также в данном соединении присутствует метильная и этильная группы у четвертого и шестого атомов углерода соответственно, а также атом хлора у третьего атома углерода.

Таким образом, полное название по системе IUPAC – 4-метил-6-этил-3-хлорнонанол-4

Нумеруем самую длинную цепочку с ближайшего к гидроксильной группе конца.

Она состоит из восьми атомов углерода, поэтому название корня – окта, суффикс -диол, т.к. в соединении содержится две ОН-группы.

Группы —ОН находятся у третьего и пятого углеродных атомов, значит это – октандиол – 3,5.

Также в данном соединении присутствуют две метильные группы у пятого и шестого атомов углерода.

Итак, полное название по систематической номенклатуре IUPAC – 5,6-диметилоктандиол-3,5.

В таблице ниже приведены тривиальные названия некоторых спиртов, названия по рациональной и систематической номенклатурам:

CharChem
^:

Система описания химических формул для WEB.

Одноатомные предельные спирты

Спиртами называют производные углеводородов общей формулы RОН, где R – углеводородный радикал. Формула спирта получается из формулы соответствующего алкана заменой атома Н на группу ОН: RН  RОН.
Вывести химическую формулу спиртов можно иначе, включая атом кислорода О между атомами
С–Н молекулы углеводорода:

RН  RОН, СН₃–Н  СН₃–О–Н.

Гидроксильная группа ОН является функциональной группой спиртов. То есть группа ОН – особенность спиртов, она обусловливает главные физические и химические свойства этих соединений.

Общая формула одноатомных предельных спиртов – С_nH_2n+1OH.

Названия спиртов получают из названий углеводородов с таким же числом атомов С, как в спирте, добавлением суффикса —ол-. Например:

Название спиртов как производных соответствующих алканов характерно для соединений с линейной цепью. Положение группы ОН в них – при крайнем или при внутреннем атоме
С – указывают цифрой после названия:

Названия спиртов – производных разветвленных углеводородов – составляют обычным образом. Выбирают главную углеродную цепь, которая должна включать атом С, соединенный с группой ОН. Нумеруют атомы С главной цепи таким образом, чтобы углерод с группой ОН получил меньший номер:

Название cоставляют, начиная с цифры, указывающей положение заместителя в главной углеродной цепи: «3-метил…» Затем называют главную цепь: «3-метилбутан…» Наконец добавляют суффикс —ол-(название группы ОН) и цифрой указывают атом углерода, с которым связана группа ОН: «3-метилбутанол-2».
Если заместителей при главной цепи несколько, их перечисляют последовательно, указывая цифрой положение каждого. Повторяющиеся заместители в названии записывают с помощью приставок «ди-», «три-», «тетра-» и т.д. Например:

Изомерия спиртов. Изомеры спиртов имеют одинаковую молекулярную формулу, но разный порядок соединения атомов в молекулах.
Два вида изомерии спиртов:
1) изомерия углеродного скелета;
2) изомерия положения гидроксильной группы в молекуле.
Представим изомеры спирта С₅Н₁₁ОН этих двух видов в линейно-уголковой форме записи:

По числу атомов С, связанных со спиртовым (–С–ОН) углеродом, т.е. соседних с ним, спирты называют первичными (один сосед С), вторичными (два С) и третичными (три С-заместителя при углероде –С–ОН). Например:

Задача. Составьте по одному изомеру спиртов молекулярной формулы С₆Н₁₃ОН с главной углеродной цепью:

а) С₆, б) С₅, в) С₄, г) С₃

Решение

1) Записываем главные углеродные цепи с заданным числом атомов С, оставляя место для атомов Н (их укажем позже):

а) С–С–С–С–С–С; б) С–С–С–С–С; в) С–С–С–С; г) С–С–С.

2) Произвольно выбираем место присоединения группы ОН к главной цепи и при внутренних атомах С указываем углеродные заместители:

В примере г) нет возможности разместить три заместителя СН₃– при атоме С-2 главной цепи. У спирта С₆Н₁₃ОН нет изомеров с трехуглеродной главной цепью.

3) Расставляем атомы Н при углеродах главной цепи изомеров а)–в), руководствуясь валентностью углерода С(IV), и называем соединения:

1. Подчеркните химические формулы предельных одноатомных спиртов:

СН₃ОН, С₂Н₅ОН, СН₂=СНСН₂ОН, СНССН₂ОН, С₃Н₇ОН,

СН₃СНО, С₆Н₅СН₂ОН, С₄Н₉ОН, С₂Н₅ОС₂Н₅, НОСН₂СН₂ОН.

4. Составьте структурные формулы изомеров спиртов общей формулы С₆Н₁₃ОН:
а) первичного; б) вторичного; в) третичного. Назовите эти спирты.

 Получение спиртов

Низкомолекулярные спирты – метанол СН₃ОН, этанол С₂Н₅ОН, пропанол С₃Н₇ОН, а также изопропанол (СН₃)₂СНОН – бесцветные подвижные жидкости со специфическим алкогольным запахом. Высокие температуры кипения: 64,7 °С – СН₃ОН, 78 °С – С₂Н₅ОН, 97 °С – н-С₃Н₇ОН и 82 °С – (СН₃)₂СНОН – обусловлены межмолекулярной водородной связью, существующей в спиртах. Спирты С₍₁₎–С₍₃₎ смешиваются с водой (растворяются) в любых соотношениях. Эти спирты, особенно метанол и этанол, наиболее широко используются в промышленности.

1. Метанол синтезируют из водяного газа:

2. Этанол получают гидратацией этилена (присоединением воды к С₂Н₄):

3. Другой способ получения этанола – сбраживание сахаристых веществ под действием дрожжевых ферментов. Процесс спиртового брожения глюкозы (виноградного сахара) имеет вид:

4. Этанол получают из крахмала, а также из древесины (целлюлозы) путем гидролиза до глюкозы ипоследующего сбраживания в спирт:

5. Высшие спирты получают из галогенпроизводных углеводородов гидролизом под действием водных растворов щелочей:

Гидролиз и гидратация – способы получения спиртов

Задача. Как из пропана получить пропанол-1?

Решение

Из пяти предложенных выше способов получения спиртов ни в одном не рассмотрено получение спирта из алкана (пропана и т.п.). Поэтому синтез пропанола-1 из пропана будет включать несколько стадий. По способу 2 спирты получают из алкенов, которые в свою очередь доступны при дегидрировании алканов. Схема процесса следующая:

Другая схема такого же синтеза на одну стадию длиннее, зато ее легче осуществить в лаборатории:

Присоединение воды к пропену на последней стадии протекает по правилу Марковникова и приводит к вторичному спирту – пропанолу-2. В задании требуется получить пропанол-1. Поэтому задача не решена, ищем другой способ.
Способ 5 состоит в гидролизе галогеналканов. Необходимый полупродукт для синтеза пропанола-1 – 1-хлорпропан – получают следующим образом. Хлорирование пропана дает смесь 1- и 2-монохлорпропанов:

Из этой смеси выделяют 1-хлорпропан (например, с помощью газовой хроматографии или за счет разных температур кипения: для 1-хлорпропана t_кип = 47 °С, для 2-хлорпропана t_кип = 36 °С). Действием на 1-хлорпропан водной щелочью КОН или NaOH синтезируют целевой пропанол-1:

Обратите внимание, что взаимодействие одних и тех же веществ: СН₃СН₂СН₂Сl и КОН – в зависимости от растворителя (спирт С₂Н₅ОН или вода) приводит к разным продуктам – пропилену
(в спирте) или пропанолу-1 (в воде).

2. Первичные спирты RСН₂ОН получают гидролизом первичных алкилгалогенидов RСН₂Наl, а вторичные спирты синтезируют гидратацией алкенов. Завершите уравнения реакций:

3. Предложите способы получения спиртов: а) бутанола-1; б) бутанола-2;
в) пентанола-3, исходя из алкенов и алкилгалогенидов.

4. При ферментативном брожении сахаров наряду с этанолом в небольшом количестве образуется смесь первичных спиртов С₃–С₅ – сивушное масло. Главный компонент в этой смеси – изопентанол (СН₃)₂СНСН₂СН₂ОН, минорные компоненты – н-С₃Н₇ОН, (СН₃)₂СНСН₂ОН и СН₃СН₂СН(СН₃)СН₂ОН. Назовите эти «сивушные» спирты по номенклатуре ИЮПАК. Составьте уравнение реакции брожения глюкозы С₆Н₁₂О₆, в которой бы получались все четыре примесных спирта в мольном соотношении соответственно 2:1:1:1. Введите газ СО₂ в правую часть уравнения в количестве 1/3 моль от всех исходных атомов С, а также необходимое количество молекул Н₂О.

5. Приведите формулы всех ароматических спиртов состава С₈Н₁₀О. (В ароматических спиртах группа ОН удалена от бензольного кольца на один или несколько атомов С:
С₆Н₅– (СН₂)n– ОН.)

Определение

Спирты — это производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксогруппу ОН.

Если углеводородный радикал обозначить буквой R, то в общем виде формулу молекулы спирта можно изобразить так:

У атома углерода, который соединен с гидроксогруппой, все связи должны быть простыми:

Соединения, у которых гидроксогруппа находится рядом с двойной связью, неустойчивы:

По строению углеводородного радикала спирты делят на:

• предельные

в углеводородном радикале, все связи простые;

• непредельные

в углеводородном радикале, есть кратная связь;

• ароматические

имеется бензольное кольцо, т. е. в углеводородном радикале есть ароматическая связь.

По числу гидроксогрупп спирты делят на:

• одноатомные

в состав молекулы входит одна гидроксогруппа ОН;

• многоатомные

в состав молекул входит две или более (много) гидроксогрупп.

Рассмотрим строение молекул и свойства предельных одноатомных спиртов.

Гомологический ряд, номенклатура, изомерия

Для того чтобы вывести общую формулу гомологического ряда предельных одноатомных спиртов, сравним их состав и состав алканов:

В названиях спиртов гидроксогруппа обозначается суффиксом ОЛ. Этот суффикс прибавляется к названию исходного углеводорода:

Кроме этих названий (по ИЮПАК) для простейших спиртов используют рациональные названия, которые происходят от названия радикала:

Начиная с n = 3, для спиртов возможна изомерия. Она связана с положением группы ОН в молекуле:

Вопрос. Как обозначить положение группы ОН в молекуле?

Как всегда, положение группы ОН обозначают цифрой, которая соответствует номеру атома углерода, соединённому с группой ОН. Нумерацию основной цепи начинают с того конца, к которому ближе группа ОН.

Таким образом: название спирта (1) пропанол-1; название спирта (2) пропанол-2.

Поскольку спирты называют «по радикалам», эти спирты можно назвать и так: пропиловый спирт (1) и изопропиловый спирт (2).

Задание 22.1. Составьте молекулярные формулы этих спиртов и убедитесь, что это — изомеры.

Спирты изомерны простым эфирам, в молекулах которых атом кислорода соединяет два углеродных радикала (это изомерия между разными классами веществ):

Простые эфиры — это вещества, в молекулах которых два радикала соединены атомом кислорода. Поэтому их называют, исходя из названий радикалов. Например, простой эфир (3) — это диметиловый эфир.

Задание 22.2. Составьте графическую формулу изомера пропиловых спиртов, который является простым эфиром. Назовите его.

Строение молекул

Если при помощи графической формулы показать строение молекулы этилового спирта, то легко можно увидеть, что атомы водорода в ней неравноценны:

Действительно, пять атомов водорода соединены с атомами углерода, а один — с атомом кислорода. Теория Бутлерова утверждает, что «атомы в молекуле взаимно влияют друг на друга». Поэтому можно ожидать, что этот атом водорода будет отличаться от остальных пяти. Это отличие заключается в том, что связь О–Н гораздо более полярна, чем связи С–Н. Дело в том, что атом кислорода имеет бОльшую электроотрицательность, чем атом углерода, т. е. способен сильнее смещать к себе общую пару электронов. В результате, на атомах кислорода и водорода связи О–Н появляются значительные заряды (+) и (–).

Вопрос. На каком атоме появляется (+), а на каком (–)?

Величина этих зарядов меньше единицы, но они способны притягивать к себе молекулы других реагирующих веществ, т. е. активнее участвовать в химических реакциях будут наиболее полярные связи.

Вывод. Самыми полярными связями в молекуле спирта являются связи О–Н и О–С. За счёт их разрыва происходят химические реакции (спирт функционирует). Поэтому ОH — функциональная группа спиртов.

Свойства одноатомных спиртов

Физические свойства

Поскольку в молекуле спирта появились полярные связи, он, в отличие от углеводородов, будет иметь более высокие температуры кипения и плавления (если сравнивать соединения с одинаковым числом атомов углерода). Это связано с тем, что полярные молекулы сильнее притягиваются друг к другу, и для того чтобы оторвать их друг от друга (перевести жидкость в газ), нужно затратить много энергии — дополнительно нагреть. Кроме того, между молекулами спиртов возникают водородные связи (а), которые дополнительно притягивают молекулы друг к другу. Поэтому этиловый спирт — бесцветная жидкость (а этан и диметиловый эфир — газы!) с т. кип. 78 °C. Спирт хорошо растворим в воде, так как и с молекулами воды спирт образует водородные связи (б).

Водородные связи непрочные, поэтому низшие одноатомные спирты (мало атомов углерода в молекуле) — летучие жидкости с характерным запахом.

Химические свойства

Спирты могут реагировать с натрием и другими щелочными металлами. При этом атом водорода ОН-группы замещается на атом металла:

Вопрос. Неорганические вещества какого класса способны вступать в реакции замещения с металлами, в результате чего выделяется водород?

Аналогичную реакцию дают кислоты, поэтому в этой реакции спирт проявляет кислотные свойства. Но это очень слабые свойства, так как растворы спиртов не изменяют окраску индикаторов и не реагируют с растворами щелочей.

Спирты реагируют с неорганическими кислотами:

В этой реакции отщепляется молекула воды, — значит, это реакция дегидратации. При записи таких реакций формулы исходных веществ записывайте так, чтобы функциональные группы были рядом, причём атомы водорода функциональных групп ОН «смотрели» друг на друга. Так, в результате реакции дегидратации, в которой участвуют две молекулы спирта, образуется простой эфир (дегидратация межмолекулярная):

Эта реакция происходит в присутствии концентрированной серной кислоты. Если смесь спирта и концентрированной серной кислоты нагреть сильнее, то молекула воды отщепляется от одной молекулы спирта (дегидратация внутримолекулярная):

Спирты, у которых ОН-группа соединена с первым (последним) атомом углерода углеродной цепочки (первичные спирты) легко окисляются нагретым оксидом меди CuO, превращаясь в альдегиды:

При составлении этой реакции рекомендуется выделить (подчеркнуть) те атомы, которые образуют воду, и записать новую формулу без этих атомов. Спирты горят, образуя, как и углеводороды, углекислый газ и воду.

Задание 22.3. Составьте уравнение реакции горения этилового спирта.

Таким образом, для спиртов характерны реакции:

• замещения атома водорода ОН-группы;
• дегидратации (отщепления воды);
• окисления.

Все эти реакции идут с участием ОН-группы функциональной группы спиртов.

Задание 22.4. Составьте уравнения таких реакций для пропанола-1 (пропилового спирта). Уравнения реакций составляйте по аналогии с вышеперечисленными.

Получение и применение спиртов (на примере этилового спирта)

Этанол и другие спирты можно получить из алкенов.

Вопрос. При помощи какой реакции можно это осуществить (при затруднении см. урок 19.3)?

Задание 22.5. Составьте уравнение этой реакции.

Полученный таким способом спирт используют в технических целях: в качестве растворителя, для получения каучука, пластмасс и др. Кроме того, спирт используют как горючее.

Пищевой и медицинский спирты получают брожением глюкозы:

В лаборатории этиловый спирт можно получить гидролизом (взаимодействием с водой) хлорэтана:

Для того чтобы эта реакция стала необратимой, используют водный раствор щёлочи.

Задание 22.6. Составьте уравнения реакций:

1. пропен + вода;
2. 1-хлорпропан + NaOH (водный).

Назовите полученные вещества.

Многоатомные спирты

Многоатомные спирты содержат две и более гидроксогруппы в молекуле. При этом каждый атом углерода в молекулах спиртов может соединяться только с одной гидроксогруппой ОН, в противном случае образуются неустойчивые соединения:

Задание 22.7. Составьте формулы многоатомных спиртов, в молекуле которых:

• два атома углерода и две гидроксогруппы;
• три атома углерода и три гидроксогруппы.

У вас получились формулы простейших многоатомных спиртов:

Вопрос. Как в названии спирта обозначить число гидроксогрупп?

Названия по IUPAC этих спиртов составляют, используя уже известные правила, т. е. к названию углеводорода добавляют суффикс ОЛ, а перед ним указывают число ОН-групп при помощи префиксов ди- или три-. Например, этиленгликоль получит название: этандиол.

Задание 22.8. Назовите по правилам IUPAC глицерин.

Вопрос. Как вы считаете, какой из спиртов будет иметь большую температуру кипения — глицерин или пропанол-1? А растворимость в воде?

Многоатомные спирты за счёт многочисленных ОН-групп образуют многочисленные водородные связи и друг с другом, и с водой. Поэтому они имеют бОльшие температуры кипения и бОльшую растворимость в воде по сравнению с соответствующими одноатомными спиртами. Так, глицерин — бесцветная, густая жидкость, без запаха; он смешивается с водой в любых соотношениях и способен поглощать влагу из воздуха. Более того, безводный глицерин может отнимать воду из живых клеток кожи, вызывая ожоги. Растворы глицерина, наоборот, смягчают кожу.

Химические свойства глицерина и других многоатомных спиртов очень похожи на свойства одноатомных спиртов: они реагируют с натрием и НСl, образуют эфиры, могут окисляться. Например, глицерин реагирует с азотной кислотой:

Нитроглицерин входит в состав сильнейшей взрывчатой смеси динамита. Его раствор используется как лекарство.

Но в химических свойствах многоатомных спиртов есть и существенные отличия. Так, они могут растворять осадок гидроксида меди II, образуя ярко-синий раствор:

Реакция происходит при обычных условиях, причём полученное соединение очень прочное: не изменяет свой цвет даже при кипячении. Одноатомные спирты такую реакцию не дают.

Вывод. Реакция растворения голубого осадка гидроксида меди II с образованием ярко-синего раствора — это качественная реакция на многоатомные спирты.

Задание 22.9. Составьте уравнения реакций этиленгликоля:

1. с азотной кислотой;
2. с Сu(ОН)₂.

Подсказка. При составлении уравнений этих реакций записывайте формулы многоатомных спиртов так, чтобы цепочки атомов углерода располагались вертикально, а группы ОН были рядом, причём атомы водорода функциональных групп ОН «смотрели» друг на друга.

Глицерин находит широкое применение в кожевенной промышленности (смягчает кожу), используется в медицине, входит в состав невысыхающих красок. Кроме того, глицерин, точнее, остаток его молекулы входит в состав любого жира. Поэтому глицерин часто получают из природных жиров (уравнение реакции в уроке 25).

Понятие о фенолах

К фенолам относятся вещества, в молекулах которых гидроксогруппа ОН непосредственно связана с бензольным кольцом:

В этой молекуле ОН-группа и бензольное кольцо взаимно влияют друг на друга. Поэтому фенол по свойствам отличается и от спиртов, и от бензола. Рассмотрим примеры такого влияния.

Бензольное кольцо влияет на ОН-группу, делая её более полярной, чем у спиртов. Поэтому фенол, в отличие от спиртов, реагирует с растворами щелочей:

или

В данной реакции фенол проявляет свойства кислоты. Отсюда его второе название — карболовая кислота («карболка»). Растворы фенола изменяют окраску индикатора.

Гидроксогруппа влияет на бензольное кольцо. Фенол очень легко вступает в реакции замещения, причём, как и для толуола, реакция происходит в положениях 2, 4, 6 по отношению к гидроксогруппе:

В отличие от спиртов и бензола фенол обесцвечивает бромную воду даже при нормальных условиях. Реакция протекает аналогично предыдущей.

Задание 22.9. Составьте уравнение реакции фенола с бромом и сравните эту реакцию с реакцией толуола с бромом.

Фенол легко окисляется на воздухе, при этом его белые кристаллы розовеют. Фенол сильно ядовит, так как изменяет структуру и свойства белков — основу всего живого. Кроме того, попадая в воду, он окисляется растворённым в ней кислородом. В результате содержание кислорода в водоёме уменьшается, и обитатели его погибают. Для того чтобы обнаружить фенол в водоёме и любом растворе, используют качественную реакцию с FeCl₃: при добавлении этого реактива к смеси, содержащей фенол, появляется фиолетовое окрашивание.

Фенол получают из производных бензола и каменноугольной смолы. В любом случае вначале исходное вещество или смесь превращают в фенолят, а затем выделяют чистый фенол при помощи кислоты:

Фенол применяют для дезинфекции и получения красителей и полимеров.

Выводы

Спирты и фенолы — это производные углеводородов, содержащие функциональную группу ОН. Для таких веществ характерны реакции замещения атома водорода в гидроксогруппе.

Спирты за счёт функциональной группы ОН образуют простые и сложные эфиры (см. урок 25), а фенолы реагируют и за счёт функциональной группы ОН, и за счёт ароматического ядра.

Областное
бюджетное профессиональное

образовательное
учреждение

 «Свободинский
аграрно–технический техникум

им. К.К.
Рокоссовского»

ЛЕКЦИЯ

Преподаватель химии Плешакова Е.В.

1.     Классификация
спиртов.

 Спирты —
органические соединения, в состав молекул которых входит одна или несколько
гидроксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом.

По числу гидроксильных групп в молекуле спирты делятся на одноатомные,
двухатомные трехатомные и т. д.

Общая
формула одноатомных спиртов — R—OH.

По типу углеводородного радикала спирты делятся на предельные, непредельные и
ароматические.

2.    
Предельные
одноатомные спирты.

Общая
формула предельных одноатомных спиртов —  C_nН_2n+1—OH.

Органические вещества, содержащие в молекуле гидроксильные группы,
непосредственно связанные с атомами углерода бензольного кольца называются
фенолами. Например, C₆H₅—OH — гидроксобензол (фенол).

По типу атома углерода, с которым связана гидроксильная группа, различают
первичные (R—CH₂—OH), вторичные (R—CHOH—R’) и третичные (RR’R»C—OH)
спирты.

3.     Номенклатура
и изомерия.

Название
спирта образуется прибавлением суффикса -ол к названию соответствующего
углеводорода или на основе углеводородного радикала.               Для спиртов
характерна структурная изомерия (изомерия углеродного скелета,
изомерия положения заместителя или гидроксильной группы), а также межклассовая
изомерия (предельные одноатомные спирты изомерны простым эфирам —
соединениям с общей формулой R—O—R’)

Изомеры и гомологи

Алгоритм составления
названий одноатомных спиртов

1.     Найдите
главную углеродную цепь — это самая длинная цепь атомов углерода, с одним из
которых связана функциональная группа.

2.     Пронумеруйте
атомы углерода в главной цепи, начиная с того конца, к которому ближе
функциональная группа.

3.     Назовите
соединение по алгоритму для углеводородов.

4.     В
конце названия допишите суффикс -ол и укажите номер атома углерода, с которым
связана функциональная группа.

4.     Физические
свойства спиртов во многом определяются наличием между молекулами этих
веществ водородных связей:

С этим же связана и хорошая
растворимость в воде низших спиртов.

Простейшие спирты — жидкости с характерными запахами. С увеличением числа
атомов углерода температура кипения возрастает, а растворимость в воде падает.
Температура кипения у первичных спиртов больше, чем у вторичных спиртов, а у
вторичных — больше, чем у третичных. Метанол крайне ядовит.

5.    
Химические свойства спиртов

1.     Горение:

C₂H₅OH
+ 3O₂ 2CO₂ +3H₂O + Q

2.     Реакции
с щелочными и щелочноземельными металлами («кислотные» свойства):

Атомы водорода гидроксильных групп молекул спиртов, также как и
атомы водорода в молекулах воды, могут восстанавливаться атомами щелочных и
щелочноземельных металлов («замещаться» на них).

2Na + 2H—O—H 2NaOH + H₂
2Na + 2R—O—H 2RONa + H₂

Атомы
натрия легче восстанавливают те атомы водорода, у которых больше положительный
частичный заряд (+). И в
молекулах воды, и в молекулах спиртов этот заряд образуется за счет смещения в
сторону атома кислорода, обладающего большой электроотрицательностью,
электронных облаков (электронный пар) ковалентных связей.  Молекулу спирта
можно рассматривать как молекулу воды, в которой один из атомов водорода
замещен углеводородным радикалом. А такой радикал, богатый электронными парами,
легче, чем атом водорода, позволяет атому кислорода оттягивать на себя
электронную пару связи RO.

Атом кислорода как бы «насыщается», и за счет этого связь O—H
оказывается менее поляризованной, чем в молекуле воды (+ на атоме
водорода меньше, чем в молекуле воды).

В результате атомы натрия труднее восстанавливают атомы водорода в молекулах
спиртов, чем в молекулах воды, и реакция идет намного медленнее.

Иногда, основываясь на этом, говорят, что кислотные свойства спиртов выражены
слабее, чем кислотные свойства воды.

Из-за влияния радикала кислотные свойства спиртов убывают в ряду

метанол
первичные
спирты вторичные
спирты третичные
спирты

С
твердыми щелочами и с их растворами спирты не реагируют.

3.    
Реакции с галогеноводородами:

C₂H₅OH
+ HBr C₂H₅Br
+ H₂O

4.     Внутримолекулярная
дегидратация (t > 140^oС, образуются алкены):

C₂H₅OH
C₂H₄
+ H₂O

5.     Межмолекулярная
дегидратация (t < 140^oС, образуются простые эфиры):

2C₂H₅OH
C₂H₅OC₂H₅
+ H₂O

6.     Окисление
(мягкое, до альдегидов):

CH₃CH₂OH
+ CuO CH₃—CHO + Cu + H₂O

Это качественная реакция на спирты: цвет осадка изменяется с
черного на розовый, ощущается своеобразный «фруктовый» запах
альдегида).

6.    
Получение спиртов

1.     Щелочной
гидролиз галогеналканов (лабораторный способ): C₂H₅Cl +
NaOH C₂H₅OH
+ NaCl.

2.     Гидратация
алкенов: C₂H₄ + H₂O C₂H₅OH.

3.     Брожение
глюкозы : C₆H₁₂O₆ 2C₂H₅OH
+ 2CO₂.

4.     Синтез
метанола: CO + 2H₂ CH₃OH

Упражнения

Задание
1.  Напишите структурные формулы следующих спиртов:                                        2
– метилпропанола – 2;   2,3 – диметилпентанола – 3;  3 – метилбутанола – 2.

Задание
2. Как называются вещества:

Задание
3. Постройте все возможные изомеры вещества C₄H₉OH.
Назовите их.

Задание
4.  Написать уравнения реакций, с помощью которых можно
осуществить превращения:

а) этен хлорэтан этанол этен этандиол 1,2-дихлорэтан этен;

б) этан хлорэтан этанол этилен этан хлорэтан пропан 2-бромпропан
пропанол-2 ацетон;

Задание 5. Составить структурные формулы
третичных спиртов, содержащих 7 углеродных атомов, и назвать соединения.

Задача
1. Определите объем этилена, который можно получить при
дегидратации 92 г этилового спирта, если выход продукта составляет 50 %.

Ответ: 22,4 л

Задача 2. Из 18,4 г этанола получили 6 г
простого эфира. Найти выход продукта.

Ответ. 40,5%.

Задача 3. При взаимодействии 13,8 г
этанола и 28 г оксида меди(II) получили 9,24 г альдегида. Найти выход продукта.

Ответ. 70%.

Многоатомные спирты

Многоатомные
спирты –
это органические соединения, в молекулах которых содержатся две или более
гидроксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом.
Группы -ОН в многоатомных спиртах размещаются у разных атомов углерода:

Соединения с двумя
группами -ОН при соседних атомах углерода называют гликолями (или диолами).

Получение

1.    
Гликоли
получают окислением алкенов в водной среде. Например, при действии перманганата
калия или кислорода воздуха в присутствии серебряного катализатора алкены
превращаются в двухатомные спирты:

2.    
Другой
способ получения многоатомных спиртов – гидролиз галогенпроизводных
углеводородов:

3.    
На
производстве глицерин получают по схеме:

Физические свойства

Этиленгликоль и
глицерин – бесцветные вязкие жидкости со сладким вкусом (от греч. – сладкий). Растворимость в
воде – неограниченная. Температуры кипения этиленгликоля – 197,2 °С,
глицерина – 290 °С. Этиленгликоль – яд.

Химические свойства

Этиленгликоль и
глицерин подобны одноатомным спиртам.
1. Так, они реагируют с активными металлами:

2. Многоатомные спирты
в реакции с галогеноводородами обменивают одну или несколько
гидроксильных групп ОН на атомы галогена:

3.Глицерин взаимодействует с азотной
кислотой с образованием сложных эфиров. В зависимости от условий реакции
(мольного соотношения реагентов, концентрации катализатора – серной кислоты и
температуры) получаются моно-, ди- и тринитроглицериды:

4.Качественная реакция
многоатомных спиртов, позволяющая отличить соединения этого класса, – взаимодействие
со свежеприготовленным гидроксидом меди(II). В щелочной среде при достаточной
концентрации глицерина голубой осадок Cu(OH)₂ растворяется с
образованием раствора ярко-синего цвета – гликолята меди(II):

Фенолы

Фенолами называют производные
ароматических углеводородов, в молекулах которых имеются гидроксильные группы,
связанные с бензольным кольцом.

Ароматические спирты – изомеры фенолов класса
спиртов, у которых гидроксильная группа ОН удалена от бензольного кольца на
один или несколько атомов С:

Физические
свойства фенола: твердое бесцветное вещество с резким
запахом; ядовит; при комнатной температуре заметно растворим в воде, водный
раствор фенола называют карболовой кислотой.

Химические свойства

1.     Кислотные
свойства. Кислотные свойства фенола выражены сильнее, чем у воды и предельных
спиртов, что связано с большей полярностью O—H связи и с большей устойчивостью
образующегося при ее разрыве фенолят-иона. В отличие от спиртов, фенолы
реагируют не только с щелочными и щелочноземельными металлами, но и с
растворами щелочей, образуя феноляты:

C₆H₅OH
+ NaOH C₆H₅ONa
+ H₂O

Однако кислотные свойства фенола выражены слабее, чем у карбоновых кислот и,
тем более, у сильных неорганических.

2.     Замещение
в бензольном кольце. Наличие гидроксильной группы в качестве заместителя в
молекуле бензола приводит к перераспределению электронной плотности в
сопряженной -системе
бензольного кольца, при этом увеличивается электронная плотность у 2-го, 4-го и
6-го атомов углерода (орто— и пара-положения) и уменьшается у
3-го и 5-го атомов углерода (мета-положение).

а) Реакция с бромной водой (качественная реакция):

Образуется 2,4,6-трибромфенол — осадок
белого цвета.

б) Нитрование (при комнатной температуре):

Образуется
2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота).

3.     Поликонденсация
фенола с формальдегидом (по этой реакции происходит образование
фенолформальдегидной смолы:

4.     Качественная
реакция с хлоридом железа(III). Образуется комплексное соединение фиолетового
цвета.

Получение фенола

Применение фенолов

1) Для производства
фенолформальдегидных пластмасс:

2) В производстве
красителей:

Азосоединения содержат
группу N=N. Группы N=N (азо-), N=O (нитрозо-), NO₂ (нитро-)
обусловливают окраску соединений. Их называют хромофорами.

3) Лекарственные
вещества, полученные из фенола, очень разнообразны:

4) Тринитрофенол (тол)
– взрывчатое вещество.

     
Закрепление.

1.
Укажите к каким классам соединений относятся вещества, формулы которых
приведены:

2.
Имеется вещество следующего строения:

Алгоритм 6.1.
Изомерия и номенклатура
предельных одноатомных спиртов

Задание 1. Назвать по
систематической номенклатуре следующие соединения:

Решение

П р и м е р  а).

1. Выделить самую длинную углеродную цепь и пронумеровать ее с
того конца, к которому ближе расположена гидроксигруппа ОН:

2. Указать цифрой положение радикала (3-),

назвать радикал (метил),

назвать углеводород главной цепи с добавлением суффикса «-ол»
(бутанол),

отметить положение гидроксигруппы (-2),

записать полное название: 3-метилбутанол-2.

П р и м е р  б).

1. Пронумеровать углеродную цепь от гидроксигруппы:

2. Указать цифрой положение заместителя (2-),

назвать заместитель (хлор),

назвать спирт без заместителя (пропанол),

отметить положение гидроксигруппы (-1),

записать полное название: 2-хлорпропанол-1.

П р и м е р  в).

1. Пронумеровать углеродную цепь с любой стороны:

2. Назвать алкан, соответствующий углеродной цепи (пентан),

написать суффиксы, отмечающие наличие в соединении двух
гидроксигрупп (диол),

указать положение гидроксигрупп (-2,4),

записать полное название: пентандиол-2,4.

П р и м е р  г).

1. Пронумеровать самую длинную углеродную цепь с того конца, к
которому ближе гидроксигруппа:

2. Указать цифрами положение радикалов (2,5-), отметить число
и название радикалов (диметил),

назвать спирт главной цепи (гептанол),

указать положение гидроксигруппы (-3),

записать полное название: 2,5-диметилгептанол-3.

Задание 2. Составить
формулы изомеров для 2,3-диметилбутанола-2 и назвать эти вещества.

Решение

1. Составить формулу исходного спирта по его названию:

2. Составить формулу изомера положения гидроксигруппы:

3. Составить формулы структурных изомеров:

4. Составить формулы изомеров другого класса – эфиров.
Предельные одноатомные спирты и простые эфиры имеют одинаковый состав С_nH_2n+2O
и являются изомерами:C

Алгоритм 6.2.
Химические свойства и получение спиртов

Задание 1. Напиcать схему получения изопропилового спирта из 1-хлорпропана и
уравнения реакций по схеме.

Решение

1. Составить схему превращений:

2. Составить уравнения реакций по схеме с указанием условий
течения и типов реакций.

1) Щелочной гидролиз:

2) Внутримолекулярная дегидратация:

3) Гидратация:

Задание 2. Сравнить
кислотные свойства этанола и фенола.

Решение

1. Записать формулы данных веществ:

2. Сходство кислотных свойств – взаимодействие с щелочным
металлом:

2С₂Н₅ОН
+ 2Na 2C₂H₅ONa
+ H₂,

2С₆Н₅ОН
+ 2Na 2C₆H₅ONa
+ H₂.

3. Отличие кислотных свойств – фенол ярче проявляет кислотные
свойства, он взаимодействует не только с натрием, но и с гидроксидом натрия:

С₆Н₅ОН
+ NaOH C₆H₅ONa
+ H₂O.

Алгоритм 6.3.
Решение расчетных задач
по теме «Спирты и фенолы»

Задача 1. Определить
массу альдегида, образовавшегося при окислении этанола (выход 75% от
теоретического), если известно, что при взаимодействии такого же количества
спирта с металлическим натрием выделилось 5,6 л (н.у.) водорода.

Решение

1. Записать условие задачи.

Дано:

V(H₂) = 5,6 л,

(СН₃СОН) = 75%.

Найти:

m(СН₃СОН).

2. Написать уравнение реакции спирта с натрием и найти
количество вещества спирта (C₂H₅OH):

3. Написать уравнение реакции окисления этанола и найти
теоретическую массу альдегида m_теор:

m_теор = 22 г.

4. Найти практическую массу альдегида:

= m_практ/m_теор,

m_практ(СН₃СНО) = 0,75•22 = 16,5 г.

Ответ. m(СН₃СНО)
= 16,5 г.

Задача 2. Смесь
этилового и пропилового спиртов массой 16,6 г обработали избытком натрия, при
этом выделилось 3,36 л (н.у.) водорода. Определить массовые доли спиртов в
смеси.

Решение

1. Записать условие задачи.

Дано:

смесь С₂Н₅ОН и С₃Н₇ОН,

m(смеси) = 16,6 г,

V(Н₂)=3,36 л.

Найти:

(С₂Н₅ОН),

(С₃Н₇ОН).

2. Ввести обозначения:

m(С₂Н₅ОН) = х г,

m(C₃H₇OH) = y г.

Составить уравнения реакций:

и рассчитать объемы водорода V₁ и V₂:

V₁ = 22,4х/(2•46),

V₂ = 22,4y/(2•60).

3. Составить систему уравнений и решить ее:

4. Найти массовые доли спиртов в смеси:

(С₂Н₅ОН)
= 4,57/16,6 = 0,275, или 27,5%,

(С₃Н₇ОН)
= 72,5%.

Ответ. (С₂Н₅ОН) =
27,5%, (С₃Н₇ОН) =
72,5%.

 Задания для
самоконтроля

1. Составить структурные формулы
третичных спиртов, содержащих 7 углеродных атомов, и назвать соединения.

2. Составить формулы изомерных
двухатомных фенолов, назвать вещества.

3. Составить уравнения реакций,
характеризующие двойственность свойств спирта:

СН₂=СН–СН₂ОН.

4. Как получить этанол из этана
двумя способами?

5. Как из бутанола-1 получить
бутанол-2?

6. Какие углеводороды можно
получить внутримолекулярной дегидратацией спиртов:

а) 2-метилпропанола-2;

б) бутанола-2;

в) 2,3-диметилбутанола-2?

Составить уравнения реакций.

7. Какие одноатомные спирты нужно
взять для получения углеводородов:

а) бутена-2;

б) триметилэтилена;

в) 3-метилгексена-1?

Составить уравнения реакций.

8. Написать уравнения реакций, с
помощью которых можно осуществить превращения:

а) этен хлорэтан этанол этен этандиол
1,2-дихлорэтан этен;

б) этан хлорэтан этанол этилен этан хлорэтан
пропан 2-бромпропан
пропанол-2 ацетон;

9. Из 18,4 г этанола получили 6 г
простого эфира. Найти выход продукта.

Ответ. 40,5%.

10. При взаимодействии 13,8 г
этанола и 28 г оксида меди(II) получили 9,24 г альдегида. Найти выход продукта.

Ответ. 70%.

11. При дегидратации пропанола-2
получили пропилен, который обесцветил бромную воду массой 200 г (массовая доля
брома в бромной воде равна 3,2%). Определить массу пропанола-2, взятого для
реакции.

Ответ. 2,4 г.

12. Какую массу бутадиена-1,3
можно получить по способу Лебедева из 230 л спирта ( = 0,8 кг/л), если массовая доля
этанола в спирте равна 95%, а выход продукта составляет 60%.

Ответ. 61,56 кг.

13. При нагревании 12 г
предельного одноатомного спирта с серной кислотой получен алкен массой
6,3 г. Выход продукта составил 75%. Определить формулу спирта. Сколько
изомерных спиртов соответствует этому составу?

Ответ. С₃Н₇ОН – пропанол, 2 изомера.