Текст учебника. Урок 10. Одноатомные предельные спирты

Одноатомные предельные спирты

1. Классификация спиртов. Понятие о функциональной группе

Спиртами называют производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильные группы (-OH).

Гидроксильная группа -OH является функциональной группой спиртов. Функциональная группа — это группа атомов, которая определяет химические свойства вещества и его принадлежность к определенному классу соединений.

Классификация спиртов:

• По числу гидроксильных групп:

  • Одноатомные (содержат одну группу -OH): метанол CH₃-OH, этанол C₂H₅OH

  • Двухатомные (содержат две группы -OH): этиленгликоль HO-CH₂-CH₂-OH

  • Трехатомные (содержат три группы -OH): глицерин HO-CH₂-CH(OH)-CH₂-OH

  • Многоатомные (содержат много групп -OH)

• По характеру углеводородного радикала:

  • Предельные (радикал не содержит кратных связей): пропанол CH₃-CH₂-CH₂-OH

  • Непредельные (радикал содержит двойные или тройные связи): аллиловый спирт CH₂=CH-CH₂-OH

  • Ароматические (радикал содержит ароматическое кольцо): бензиловый спирт C₆H₅-CH₂-OH

Данный урок посвящен изучению предельных одноатомных спиртов.

2. Предельные одноатомные спирты: гомологический ряд, изомераия, номенклатура

Общая формула предельных одноатомных спиртов — CₙH₂ₙ₊₁OH или R-OH.

Гомологический ряд (названия даны по международной номенклатуре ИЮПАК и, в скобках, тривиальные):

• Метанол (метиловый спирт) — CH₃-OH

• Этанол (этиловый спирт) — CH₃-CH₂-OH

• Пропанол-1 (пропиловый спирт) — CH₃-CH₂-CH₂-OH

• Бутанол-1 (бутиловый спирт) — CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-OH

Номенклатура ИЮПАК (правила названия):

1. Выбирают самую длинную углеводородную цепь, содержащую гидроксильную группу.

2. Нумеруют атомы углерода в цепи так, чтобы атом углерода, связанный с группой -OH, получил наименьший номер.

3. Название образуют от названия углеводорода с добавлением суффикса -ол. Цифра после суффикса указывает положение гидроксильной группы.

Пример: CH₃-CH₂-CH₂-OH — пропанол-1. CH₃-CH(OH)-CH₃ — пропанол-2.

Изомерия спиртов:
Для спиртов характерны два основных вида структурной изомерии:

1. Изомерия углеродного скелета.

   • Пример: Бутанол-1 CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-OH и 2-метилпропанол-1 (CH₃)₂CH-CH₂-OH.

2. Изомерия положения функциональной группы.

   • Пример: Бутанол-1 CH₃-CH₂-CH₂-CH₂OH и бутанол-2 CH₃-CH₂-CH(OH)-CH₃.

3. Межклассовая изомерия с простыми эфирами.

   • Пример: Этанол C₂H₅OH и диметиловый эфир CH₃-O-CH₃.

3. Водородная связь и ее влияние на свойства спиртов

Молекулы спиртов полярны. Атом кислорода в гидроксильной группе сильно электроотрицателен, что приводит к появлению частичного отрицательного заряда (&delta на кислороде и частичного положительного заряда (δ+) на водороде.

В результате между молекулами спиртов возникает особый тип межмолекулярного взаимодействия — водородная связь. Атом водорода одной молекулы, несущий частичный положительный заряд, притягивается к атому кислорода другой молекулы.

R-O-H····O-H····O-H····
| | |
R R R

Влияние водородной связи на физические свойства:

• Температуры кипения и плавления спиртов значительно выше, чем у соответствующих углеводородов. Это объясняется тем, что для разрыва водородных связей между молекулами спиртов требуется дополнительная энергия.

  • Сравните: этанол (C₂H₅OH) кипит при +78°C, а его изомер диметиловый эфир (CH₃-O-CH₃) — при -24°C.

• Растворимость в воде. Низшие спирты (метанол, этанол, пропанол) смешиваются с водой в любых соотношениях. Это происходит потому, что молекулы спирта образуют водородные связи с молекулами воды. С увеличением длины углеводородного радикала (который гидрофобен) растворимость спиртов в воде падает.

4. Химические свойства спиртов

Химические свойства спиртов определяются строением молекулы, в частности, наличием гидроксильной группы и характером углеводородного радикала. Реакции могут идти с разрывом одной из двух связей: O-H или C-O.

1. Реакции с разрывом связи O-H (кислотные свойства)
Спирты проявляют очень слабые кислотные свойства.

• Взаимодействие с щелочными и щелочноземельными металлами:
  При этом выделяется газообразный водород и образуются соединения, называемые алкоголятами.
  2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑
  (этанол + натрий → этилат натрия + водород)

  Реакция со спиртами протекает менее активно, чем с водой, что подтверждает более слабые кислотные свойства спиртов.

2. Реакции с разрывом связи C-O (реакции нуклеофильного замещения)

• Взаимодействие с галогеноводородами:
  Группа -OH замещается на галоген, что приводит к образованию галогеналканов.
  C₂H₅OH + HBr → C₂H₅Br + H₂O
  (этанол + бромоводород → бромэтан + вода)

  Реакция часто катализируется серной кислотой.

3. Реакция дегидратации (отщепление воды)
Характер продукта реакции зависит от условий её проведения.

• Внутримолекулярная дегидратация (при температуре выше 140°C, с избытком серной кислоты) приводит к образованию алкенов.
  CH₃-CH₂-OH →(H₂SO₄, t>140°C) CH₂=CH₂ + H₂O
  (этанол → этилен + вода)

• Межмолекулярная дегидратация (при температуре ниже 140°C) приводит к образованию простых эфиров.
  C₂H₅-OH + HO-C₂H₅ →(H₂SO₄, t<140°C) C₂H₅-O-C₂H₅ + H₂O
  (этанол + этанол → диэтиловый эфир + вода)

4. Реакции окисления

• Горение:
  Спирты легко горят на воздухе с выделением большого количества тепла.
  C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O

• Окисление оксидом меди (II) или раствором перманганата калия:
  Первичные спирты (у которых группа -OH связана с первичным атомом углерода) окисляются до альдегидов.
  CH₃-CH₂-OH + CuO → CH₃-C(=O)H + Cu + H₂O
  (этанол + оксид меди(II) → уксусный альдегид + медь + вода)

  Вторичные спирты окисляются до кетонов. Третичные спирты в аналогичных условиях не окисляются.

Таким образом, химическое поведение спиртов является прямым следствием их молекулярного строения, где ключевую роль играет гидроксильная группа.