Спирт в химии: получение и свойства (формула, подробное описание и применение)

История открытия

История алкоголя уходит своими корнями в глубокую древность, ведь согласно археологическим находкам люди умели изготавливать алкогольные напитки вино и пиво еще 5000 лет назад. Они умели это делать, но не понимали до конца, что за волшебный элемент содержится в этих напитках, делающий их опьяняющими. Однако пытливые умы ученых в прошлом неоднократно пытались выделить этот волшебный компонент вина, отвечающий за его содержание алкоголя (или крепость, как мы говорим сейчас).

А вскоре было обнаружено, что спирт можно выделить в процессе перегонки жидкости. Перегонка спирта – это химический процесс, в ходе которого летучие компоненты (пары) испаряются и из перебродившей смеси получается спирт. Кстати, сам процесс дистилляции впервые описал великий ученый и естествоиспытатель Аристотель. На практике алхимикам Жабиру и Зосиме Панопольских удалось получить спирт путем перегонки, именно они, как мы писали в начале, дали спирту его название — «spiritus vini» (винный спирт), которое со временем превратилось просто в спирт.

Алхимики более поздних времен усовершенствовали процесс перегонки и получения спирта, например, французский врач и алхимик Арно де Вильгер в 1334 году разработал удобную технологию получения винного спирта. А с 1360 года его достижения переняли итальянские и французские монастыри, которые стали активно производить спирт, который они называют «Aqua vita» — «живая вода».

В 1386 году «живая вода» впервые попала на Русь (точнее, в Московию, как тогда называлось это государство). Спирт, привезенный генуэзским посольством в подарок царскому двору, очень понравился тамошним боярам (и не только боярам, ​​кстати). А «живая вода» впоследствии стала основой всем известного алкогольного напитка (который, однако, мы вам настоятельно не рекомендуем употреблять).

Но вернемся к химии.

Общее описание

В состав одноатомных спиртов входит несколько групп -СН- и гидроксильная группа -ОН. Одноатомные спирты происходят из предельных углеводородов — алканов. При замещении атома водорода группой -ОН образуется насыщенный или насыщенный одноатомный спирт. Поэтому общая формула одноатомных спиртов — CnH2n + 1-OH или CnH2n + 2O.

Названия предельных спиртов соответствуют гомологическим рядам алканов с суффиксом «-ол».

Например, этанол, пропанол, бутанол. Простейший одноатомный спирт, метанол, содержит только один атом углерода (CH3OH). Это первый представитель гомологического ряда одноатомных спиртов.

Химические и физические свойства спиртов обусловлены наличием гидроксила, функциональной группы.

Номенклатура

Номенклатура одноатомных спиртов, как и многоатомных, зависит от названия окружающих радикалов и строения их молекул. Например:

• • Тривиальный.

• • Систематический. Он основан на характеристике радикала и выборе углеродной цепи.

• Карбинол. Он основан на названии карбинол. В настоящее время устарело.

Классификация спиртов

Спирты классифицируют по нескольким признакам: по количеству гидроксильных групп; по типу атома углерода, к которому присоединена гидроксигруппа; а также строение углеводородного радикала.

По количеству гидроксогрупп

По этому признаку различают одноатомные и многоатомные спирты.

Одноатомные спирты имеют группу ОН-. Примером может служить этиловый спирт (этанол):

СН3-СН2-ОН(С2Н5ОН).

Многоатомные соединения имеют несколько групп ОН−.

Например, ограничьте двухатомный спирт этиленгликолем (этандиолом):

НО-СН-СН-ОН.

Глицерин трехатомный спирт:

НО-СН2-СН(ОН)-СН2-ОН.

Современное название многоатомных спиртов — полиолы (диолы, триолы и др).

По типу атома углерода, с которым связана гидроксогруппа

Назначают первичные, вторичные и третичные спирты. Он показал примеры каждого вида алкоголя в таблице.

По строению углеводородного радикала

По строению углеводородного радикала спирты бывают:

• Предел (этанол CH3-CH2-OH);
• Ненасыщенный (пропенол CH2=CH-CH2-OH);
• Ароматический (фенилметанол C6H5-CH2OH).

Изомерия спиртов

Изомерия – это явление существования соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но разное строение, а значит, разные свойства.

Давайте посмотрим, какие виды изомерии характерны для спиртов.

Структурная

1. Изомерия углеродного остова характерна для спиртов, содержащих четыре и более атомов углерода.
2. Изомерия положения гидроксильной группы.

Межклассовая

Межклассовые изомеры – это вещества, принадлежащие к разным классам и имеющие разное строение, но одинаковый состав.

Для спиртов изомерами между классами являются простые эфиры. Общая формула спиртов и эфиров CnH2n+2O.

Пространственная (оптическая)

Например, бутанол-2, в молекуле которого второй атом углерода связан с четырьмя разными заместителями, существует в виде двух разных оптических изомеров.

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 чтобы их разделить (превратить жидкость в газ), нужно затратить много энергии — дополнительного тепла. Кроме того, между молекулами спирта возникают водородные связи (а), которые еще больше притягивают молекулы друг к другу. Следовательно, этиловый спирт — бесцветная жидкость (а этан и диметиловый эфир — газы!) с т к. 78°С Спирт хорошо растворяется в воде, так как спирт также образует водородные связи с молекулами воды (б).

Водородные связи хрупкие, поэтому низшие одноатомные спирты (несколько атомов углерода в молекуле) представляют собой летучие жидкости с характерным запахом.

Химические свойства

Спирты могут реагировать с натрием и другими щелочными металлами. При этом атом водорода группы ОН заменяется атомом металла:

Спросить. Какой класс неорганических веществ может вступать в реакции замещения с металлами с выделением водорода?

Кислоты дают аналогичную реакцию, поэтому в этой реакции спирт проявляет кислотные свойства. Но это очень слабые свойства, так как спиртовые растворы не меняют цвет индикаторов и не реагируют с щелочными растворами.

Спирты реагируют с неорганическими кислотами:

В этой реакции отделяется молекула воды, значит, это реакция дегидратации. При написании таких реакций пишите формулы исходных веществ так, чтобы функциональные группы находились близко друг к другу и атомы водорода функциональных групп ОН «смотрели» друг на друга. Итак, в результате реакции дегидратации, в которой участвуют две молекулы спирта, образуется эфир (межмолекулярная дегидратация):

Реакция протекает в присутствии концентрированной серной кислоты. Если смесь спирта и концентрированной серной кислоты нагреть сильнее, то от одной молекулы спирта отделится одна молекула воды (внутримолекулярная дегидратация):

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

При составлении этой реакции рекомендуется выделять (подчеркивать) те атомы, из которых состоит вода, и писать новую формулу без этих атомов. Спирты сгорают, образуя, как и углеводороды, углекислый газ и воду.

Задача 22.3. Напишите уравнение реакции горения этилового спирта.

Так, для спиртов характерны реакции:

• замещение атома водорода группы ОН;
• обезвоживание (расщепление воды);
• окисление.

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

Получение и применение спиртов (на примере этилового спирта)

Этанол и другие спирты можно получить из алкенов.

Спросить. С помощью какой реакции это можно сделать (трудность см в занятии 19.3)?

Задача 22.5. Напишите уравнение этой реакции.

Полученный таким образом спирт используют в технических целях: как растворитель, для производства резины, пластмасс и т д. Кроме того, в качестве топлива используется спирт.

Пищевые и медицинские спирты получают ферментацией глюкозы:

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

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

Многоатомные спирты

Многоатомные спирты содержат две или более гидроксогрупп на молекулу. При этом каждый атом углерода в молекулах спирта может соединяться с одной гидроксогруппой ОН; в противном случае образуются нестойкие соединения:

Задача 22.7. Напишите формулы многоатомных спиртов, в молекуле которых:

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

Вы получили формулы простейших многоатомных спиртов:

Спросить. Как указать количество гидроксигрупп в названии спирта?

Названия ИЮПАК этих спиртов составляются по уже известным правилам, то есть к названию углеводорода добавляется суффикс ОЛ, а перед ним указывается количество ОН-групп с приставками ди- или три-. Например, этиленгликоль будет обозначаться как этандиол.

Задача 22.8. Назовите глицерин в соответствии с правилами ИЮПАК.

Спросить. Как вы думаете, какой из спиртов будет иметь более высокую температуру кипения: глицерин или пропанол-1? А растворимость в воде?

Многоатомные спирты благодаря многочисленным ОН-группам образуют многочисленные водородные связи как друг с другом, так и с водой. Поэтому они имеют более высокие 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 любой пропорции и способен поглощать влагу из воздуха. Кроме того, безводный глицерин может красть воду из живых клеток кожи и вызывать ожоги. Растворы глицерина, наоборот, смягчают кожу.

Химические свойства глицерина и других многоатомных спиртов очень схожи со свойствами одноатомных спиртов: они реагируют с натрием и HCl, образуют сложные эфиры, могут окисляться. Например, глицерин реагирует с азотной кислотой:

Нитроглицерин входит в состав сильнейшей взрывчатой ​​смеси в динамите. Его раствор используют как лекарство.

Но есть и существенные различия в химических свойствах многоатомных спиртов. Затем они могут растворить осадок гидроксида меди II, образуя ярко-синий раствор:

Реакция протекает в обычных условиях, и полученное соединение очень прочное: оно не меняет окраску даже при кипячении. Одноатомные спирты такой реакции не дают.

Вывод. Реакция растворения голубого осадка гидроксида меди II с образованием ярко-синего раствора является качественной реакцией для многоатомных спиртов.

Реакции элиминирования (отщепления)

Дегидратация

Дегидратация, которая фактически связана с разделением молекул воды, в случае спиртов различают на межмолекулярную дегидратацию и внутримолекулярную дегидратацию.

При межмолекулярной дегидратации спиртов молекула воды образуется в результате отщепления атома водорода от одной молекулы спирта и гидроксильной группы от другой молекулы.

В результате этой реакции образуются соединения, относящиеся к классу простых эфиров (РОР):

Внутримолекулярная дегидратация спиртов происходит таким образом, что молекула воды отделяется от молекулы спирта. Этот тип дегидратации требует несколько более жестких условий, заключающихся в необходимости использования значительно более сильного нагрева по сравнению с межмолекулярной дегидратацией. При этом из одной молекулы спирта образуется одна молекула алкена и одна молекула воды:

Поскольку молекула метанола содержит только один атом углерода, внутримолекулярная дегидратация для него невозможна. При дегидратации метанола может образоваться только эфир (CH3-O-CH3).

Необходимо четко понимать тот факт, что в случае дегидратации асимметричных спиртов внутримолекулярное удаление воды будет происходить по правилу Зайцева, т.е водород будет отделяться от менее 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 в подобную реакцию не вступают, т е не обезвоживаются.

Реакции окисления

Горение

Спирты легко реагируют с горением. При этом выделяется большое количество тепла:

2СН3-ОН + 3О2 = 2СО2 + 4Н2О + Q

Неполное окисление

Неполное окисление первичных спиртов может привести к образованию альдегидов и карбоновых кислот.

В случае неполного окисления вторичных спиртов возможно образование только кетонов.

Неполное окисление спиртов возможно при действии различных окислителей, например кислорода в присутствии катализаторов (металлической меди), перманганата калия, дихромата калия и др

В этом случае альдегиды могут быть получены из первичных спиртов. Как видите, окисление спиртов до альдегидов, по сути, приводит к тем же органическим продуктам, что и дегидрирование:

Следует отметить, что при использовании в кислой среде таких окислителей, как перманганат калия и дихромат калия, возможно более глубокое окисление спиртов, т е до карбоновых кислот. В частности, это проявляется при использовании избытка окислителя при нагреве. Вторичные спирты в этих условиях могут окисляться только до кетонов.

Предельные многоатомные спирты

Замещение атомов водорода гидроксильных групп

1. Многоатомные спирты, как и одноатомные, реагируют со щелочами, щелочноземельными металлами и алюминием (очищенным от пленки Al2O3); при этом из гидроксильных групп в молекуле спирта может быть замещено разное количество атомов водорода:

2. Поскольку молекулы многоатомных спиртов содержат несколько гидроксильных групп, они влияют друг на друга за счет отрицательного индуктивного эффекта. В частности, это приводит к ослаблению связи ОН и повышению кислотных свойств гидроксильных групп.

Высокая кислотность многоатомных спиртов проявляется в том, что многоатомные спирты, в отличие от одноатомных, реагируют с гидроксидами некоторых тяжелых металлов. Например, следует помнить, что свежеосажденный гидроксид меди реагирует с многоатомными спиртами с образованием ярко-синего раствора комплексного соединения.

Так, взаимодействие глицерина со свежеосажденным гидроксидом меди приводит к образованию ярко-синего раствора глицерата меди:

Эта реакция является качественной для многоатомных спиртов. Для сдачи экзамена достаточно знать признаки этой реакции, при этом не обязательно уметь писать само уравнение взаимодействия.

3. Как и одноатомные спирты, многоатомные спирты могут вступать в реакцию этерификации, т е реагируют с органическими и неорганическими кислотами, содержащими кислород, с образованием сложных эфиров. Эта реакция катализируется сильными неорганическими кислотами и является обратимой. В этом смысле в ходе реакции этерификации полученный эфир отгоняют из реакционной смеси, чтобы сместить равновесие вправо по принципу Ле Шателье:

Если карбоновые кислоты с большим числом атомов углерода в углеводородном радикале реагируют с глицерином, то в результате такой реакции сложные эфиры называют жирами.

В случае этерификации спиртов азотной кислотой применяют так называемую нитрующую смесь, представляющую собой смесь концентрированных азотной и серной кислот. Реакцию проводят при постоянном охлаждении:

Сложный эфир глицерина и азотной кислоты, называемый тринитроглицерином, является взрывчатым веществом. Кроме того, 1% раствор этого вещества в спирте обладает мощным сосудорасширяющим действием, поэтому его применяют по медицинским показаниям для профилактики инсульта или инфаркта.

Замещение гидроксильных групп

Реакции этого типа протекают по механизму нуклеофильного замещения. К взаимодействиям этого типа относится реакция гликолей с галогеноводородами.

Так, например, реакция этиленгликоля с бромистым водородом протекает с последовательным замещением гидроксильных групп атомами галогена:

Состав вторичного спирта

Структуры спиртов зависят от природы групп R. Однако для вторичных спиртов можно привести некоторые примеры, поскольку могут существовать только линейные структуры с разветвлениями или без них или циклические структуры. Например, у вас есть следующее изображение:

Обратите внимание, что обе конструкции имеют нечто общее: OH ассоциируется с буквой «V». Каждый конец V представляет собой одну и ту же группу R (вверху изображения, циклическая структура) или разные (внизу, разветвленная цепь).

Таким образом, любой вторичный спирт очень легко идентифицировать, хотя его номенклатура вообще неизвестна.

Точки кипения

Свойства вторичных спиртов физически не сильно отличаются от свойств других спиртов. Обычно они представляют собой прозрачные жидкости и должны образовывать несколько водородных связей и иметь высокую молекулярную массу, чтобы быть твердыми при комнатной температуре.

Однако сама структурная формула R2CHOH предполагает определенные свойства, которые, как правило, уникальны для этих спиртов. Например, группа ОН менее открыта и доступна для взаимодействий с водородными связями, R2CH-OH-OHCHR2.

Это связано с тем, что группы R, соседние с ОН-содержащим углеродом, могут мешать и предотвращать образование водородных связей. В результате вторичные спирты имеют более низкую температуру кипения, чем первичные спирты (RCH2OY).

Обезвоживание

В этой реакции H и OH теряются из соседних атомов углерода, образуя двойную связь между этими двумя атомами углерода. Таким образом, образуется алкен. Для реакции требуется кислотный катализатор и подвод тепла.

Спирт => Алкен + H2OR

Например, у нас есть следующая реакция:

Циклогексанол => Циклогексен + H2OR

Этерификация

Вторичный спирт реагирует с карбоновой кислотой с образованием сложного эфира. Например, показано химическое уравнение реакции втор-бутилового спирта с уксусной кислотой с образованием втор-бутилацетата:

CH3CHOHCH2CH3 + CH3COOH <=> CH3COCINA3CH2CH3

Реактивность

Спирты 3º не могут быть окислены ни до кетонов (R2C = O), ни до альдегидов (RCHO), ни до карбоновых кислот (RCOOH). Во-первых, он должен потерять один или два атома углерода (в виде CO2) для окисления, что снижает его реакционную способность против окисления; с другой стороны, ему не хватает водорода, который он может потерять, чтобы образовать другую связь с кислородом.

Однако они могут подвергаться замещению и отщеплению (образование двойной связи, алкена или олефина).