Общая формула спиртов в химии: виды изометрии

Химические свойства спиртов

Замещение атома водорода в гидроксильной группе

1) Спирты реагируют со щелочами, щелочноземельными металлами и алюминием (очищенным защитной пленкой Al2O3), при этом образуются алкоголяты металлов и выделяется водород:

Образование алкоголятов возможно только при использовании спиртов, не содержащих растворенную в них воду, так как в присутствии воды алкоголяты легко гидролизуются:

СН3ОК + Н2О = СН3ОН + КОН

2) Реакция этерификации

Реакция этерификации — это взаимодействие спиртов с органическими и кислородсодержащими неорганическими кислотами, которое приводит к образованию сложных эфиров.

Этот тип реакции обратим, поэтому для смещения равновесия в сторону образования сложного эфира желательно проводить реакцию при нагревании, а также в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве дегидратирующего агента:

Замещение гидроксильной группы

1) Под действием галогенводородных кислот на спирты гидроксильная группа замещается атомом галогена. В результате этой реакции образуются галогеналканы и вода:

2) При пропускании смеси паров спирта с аммиаком через нагретые оксиды некоторых металлов (чаще всего Al2O3) могут быть получены первичные, вторичные или третичные амины:

Тип амина (первичный, вторичный, третичный) будет в некоторой степени зависеть от отношения исходного спирта к аммиаку.

Качественные реакции на алкилхлориды

Тест Байльштейна — это качественная реакция для определения хлора в органических соединениях.

Образец алкилхлорида на прокаленной медной проволоке помещают в пламя горелки, которое становится сине-зеленым.

Реакции элиминирования (отщепления)

Дегидратация

Обезвоживание, что фактически означает удаление молекул воды, в случае спиртов отличается межмолекулярной дегидратацией и внутримолекулярной дегидратацией.

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 (ROR):

Внутримолекулярная дегидратация спиртов происходит таким образом, что молекула воды отщепляется от молекулы спирта. Этот тип дегидратации требует несколько более строгих условий, состоящих из необходимости использования значительно более сильного нагрева, чем межмолекулярная дегидратация. В этом случае из молекулы спирта образуются молекула алкена и молекула воды:

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

необходимо четко понимать тот факт, что в случае дегидратации асимметричных спиртов внутримолекулярное отщепление воды будет происходить по правилу Зайцева, т.е водород будет отщепляться от наименее гидрированного атома углерода:

Дегидрирование спиртов

а) Дегидрирование первичных спиртов нагреванием в присутствии металлической меди приводит к образованию альдегидов:

б) В случае вторичных спиртов аналогичные условия приведут к образованию кетонов:

в) Третичные спирты не вступают в подобную реакцию, т.е они не подвергаются дегидрированию.

Реакции окисления

Горение

Спирты легко вступают в реакции горения. При этом выделяется большое количество тепла:

2CH3-OH + 3O2 = 2CO2 + 4H2O + Q

Неполное окисление

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

При неполном окислении вторичных спиртов могут образовываться только кетоны.

Неполное окисление спиртов возможно при воздействии на них различных окислителей, например кислорода воздуха в присутствии катализаторов (металлическая медь), перманганата калия, дихромата калия и т.д.

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

Качественные реакции на алкины

1. Реакция Вагнера: раствор перманганата калия обесцвечивается и выпадает черный осадок (диоксид магния):
2. Обесцвечивание бромной воды:
3. С реактивом Толленса (гидроксид диамина серебра) только алкины с крайними тройными связями образуют осадок ацетиленида серебра. Алкины с другим расположением тройной связи не реагируют:

Качественные реакции на альдегиды

1. Реакция серебряного зеркала с реактивом Толленса при нагревании: серебро покрывает стенки трубки слоем зеркала. В случае некачественного эксперимента выпадает черный осадок мелкодисперсного серебра:
2. Со свежеприготовленным гидроксидом меди при нагревании альдегиды образуют оранжево-красный осадок оксида меди (I):
3. С реактивом Несслера (щелочной раствор тетраиодомеркурата (II) калия) образуется черный осадок металлической ртути:
4. Когда бесцветные альдегиды реагируют с бесцветным раствором серной кислоты фуксина, раствор становится светло-фиолетовым.

Строение молекул

Если изобразить строение молекулы этилового спирта с помощью графической формулы, то легко увидеть, что содержащиеся в ней атомы водорода неодинаковы:

Фактически, пять атомов водорода связаны с атомами углерода, а один — с атомом кислорода. Теория Бутлерова утверждает, что «атомы в молекуле влияют друг на друга». Следовательно, вы можете ожидать, что этот атом водорода будет отличаться от других пяти. Это различие состоит в том, что связь O — H гораздо более полярна, чем связь CH. Дело в том, что атом кислорода имеет большую электроотрицательность, чем атом углерода, то есть способен сильнее сдвинуть общую электронную пару к себе. В результате на атомах кислорода и водорода связи O — H появляются значительные (+) и (-) заряды (–).

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

Величина этих зарядов меньше единицы, но они способны притягивать к себе молекулы других реакционноспособных веществ, то есть более полярные связи будут активнее участвовать в химических реакциях.

Вывод. Наиболее полярными связями в молекуле спирта являются связи O — H и O — C. Из-за их разрыва происходят химические реакции (функции спирта). Следовательно, ОН представляет собой функциональную группу спиртов.

Качественные реакции на алкены

1. Реакция Вагнера — изменение цвета раствора перманганата калия, сопровождающееся выпадением темно-коричневого осадка диоксида марганца:
2. Обесцвечивание бромной воды:

Гомологический ряд, номенклатура, изомерия

Чтобы вывести общую формулу гомологического ряда насыщенных одновалентных спиртов, сравним их состав и состав алканов:

В названиях спиртов гидроксильная группа обозначается суффиксом OL. Этот суффикс добавляется к названию исходного углеводорода:

В дополнение к этим названиям (согласно IUPAC) для более простых спиртов используются рациональные названия, которые происходят от названия радикала:

Начиная с n = 3 для спиртов возможна изомерия. Это связано с положением группы ОН в молекуле:

Запрос. Как обозначить положение группы ОН в молекуле?

Как всегда, положение группы ОН обозначается числом, которое соответствует номеру атома углерода, присоединенного к группе ОН. Нумерация основной цепи начинается с конца, к которому группа ОН наиболее близка.

Отсюда: название спирта (1) пропанол-1; название спирта (2) пропанол-2.

Поскольку спирты называют «от радикалов», эти спирты также могут называться пропиловым спиртом (1) и изопропиловым спиртом (2).

Задача 22.1. Определите молекулярные формулы этих спиртов и убедитесь, что они изомеры.

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

Эфир — это вещества, в молекулах которых два радикала соединены атомом кислорода. Поэтому они названы в честь имен радикалов. Например, эфир (3) представляет собой диметиловый эфир.

Задача 22.2. Постройте график изомера пропиловых спиртов, которым является эфир. Назови это.

ПРЕДЕЛЬНЫЕ МНОГОАТОМНЫЕ СПИРТЫ

Замещение атомов водорода гидроксильных групп

Поливалентные спирты, такие как одновалентные спирты, реагируют со щелочами, щелочноземельными металлами и алюминием (очищенным от пленки Al2O3); в этом случае в молекуле спирта может быть замещено другое количество атомов водорода гидроксильных групп:

2. Поскольку молекулы поливалентных спиртов содержат разные гидроксильные группы, они влияют друг на друга посредством отрицательного индуктивного эффекта. В частности, это приводит к ослаблению связи О — Н и увеличению кислотных свойств гидроксильных групп.

Высокая кислотность поливалентных спиртов проявляется в том, что поливалентные спирты, в отличие от одновалентных спиртов, реагируют с некоторыми гидроксидами тяжелых металлов. Например, необходимо помнить, что свежеосажденный гидроксид меди реагирует с поливалентными спиртами с образованием ярко-синего комплексного раствора.

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

Эта реакция является качественной для поливалентных спиртов. Для сдачи экзамена достаточно знать признаки этой реакции, и совсем не обязательно уметь писать само уравнение взаимодействия.

3. Так же, как и одновалентные спирты, поливалентные спирты могут вступать в реакцию этерификации, т.е они реагируют с органическими и кислородсодержащими неорганическими кислотами с образованием сложных эфиров. Эта реакция катализируется сильными неорганическими кислотами и обратима. В связи с этим во время реакции этерификации образующийся сложный эфир отгоняют из реакционной смеси, чтобы сместить равновесие вправо по принципу Ле Шателье:

Если карбоновые кислоты с большим количеством атомов углерода в углеводородном радикале, образующиеся в результате такой реакции, вступают в реакцию с глицерином, сложные эфиры называют жирами.

В случае этерификации спиртов азотной кислотой используется так называемая азотирующая смесь, представляющая собой смесь концентрированных азотной и серной кислот. Реакция проводится при постоянном охлаждении:

Сложный эфир глицерина и азотной кислоты, называемый тринитратом глицерина, является взрывчатым веществом. Кроме того, 1% раствор этого вещества в спирте обладает мощным сосудорасширяющим действием, что используется по медицинским показаниям для предотвращения инсульта или сердечного приступа.

Замещение гидроксильных групп

Реакции этого типа протекают по механизму нуклеофильного замещения. Взаимодействия этого типа включают реакцию гликолей с галогенидами водорода.

Так, например, протекает реакция этиленгликоля с бромистоводородной кислотой с последующей заменой гидроксильных групп на атомы галогена:

Качественные реакции на фенол

1. При взаимодействии с хлоридом железа (III) раствор становится фиолетовым:
2. С бромной водой образуется твердый белый осадок 2,4,6-трибромфенола:
3. Смолистые полимеры и вода образуются при поликонденсации фенолов с альдегидами в кислой или щелочной среде.

Получение и применение спиртов (на примере этилового спирта)

Этанол и другие спирты можно получить из алкенов.

Запрос. Какую реакцию можно использовать для этого (в случае затруднений см. Урок 19.3)?

Задача 22.5. Напишите уравнение этой реакции.

Полученный таким образом спирт используется в технических целях: в качестве растворителя, для производства резины, пластика и т.д. Также в качестве топлива используется спирт.

Пищевые и медицинские спирты получают в результате ферментации глюкозы:

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

Чтобы эта реакция стала необратимой, используется водный раствор щелочи.

Задача 22.6. Составьте уравнения реакции:

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

Назовите полученные вещества.

Качественные реакции на карбоновые кислоты

1. Карбоновые кислоты пурпурной лакмусовой бумажки окрашены в красный цвет.

2. Разложение под действием серной кислоты на окись углерода и воду. Выделяемый угарный газ может воспламениться — он горит синим пламенем.

Для муравьиной кислоты:

Аналогичным образом распадается многоосновная щавелевая кислота:

3. Реакция щавелевой кислоты с солями меди (II): выпадает сине-зеленый кристаллический осадок оксалата меди:

Качественные реакции на анилин

1. Под действием отбеливателя водный раствор анилина приобретает темно-фиолетовый цвет.
2. При бромировании образуется белый осадок 2,4,6-триброманилина:

Химические свойства фенолов

Как упоминалось в начале этой главы, химические свойства фенолов сильно отличаются от химических свойств спиртов. Это связано с тем, что одна из неподеленных электронных пар атома кислорода в гидроксильной группе сопряжена с системой сопряженных связей ароматического кольца.

Реакции с участием гидроксильной группы

Кислотные свойства

Фенолы являются более сильными кислотами, чем спирты, и в водном растворе слабо диссоциируют:

Высокая кислотность фенолов по отношению к спиртам по химическим свойствам выражается в том, что фенолы, в отличие от спиртов, способны реагировать со щелочами:

Однако кислотные свойства фенола менее выражены, чем даже у одной из самых слабых неорганических кислот — угольной. Так, в частности, диоксид углерода при пропускании через водный раствор фенолятов щелочных металлов вытесняет из последнего свободный фенол как еще более слабую кислоту, чем угольная кислота:

очевидно, что феноляты феноляты тоже будут заменены любой другой более сильной кислотой:

3) Фенолы — более сильные кислоты, чем спирты, и спирты реагируют со щелочными и щелочноземельными металлами. В связи с этим очевидно, что фенолы также будут реагировать с этими металлами. Единственное, что, в отличие от спиртов, реакция фенолов с активными металлами требует нагревания, так как и фенолы, и металлы твердые:

Реакции замещения в ароматическом ядре

Гидроксильная группа является заместителем первого типа, что означает, что она способствует протеканию реакций замещения в орто- и пара-положениях по отношению к самой себе. Реакции с фенолом протекают в гораздо более мягких условиях, чем с бензолом.

Галогенирование

Реакция с бромом не требует особых условий. При смешивании бромной воды с фенольным раствором мгновенно образуется белый осадок 2,4,6-трибромфенола:

Нитрование

При воздействии на фенол смеси концентрированной азотной и серной кислоты (нитрантная смесь) образуется 2,4,6-тринитрофенол, желтое кристаллическое взрывчатое вещество:

Качественные реакции на углеводы

Углеводы содержат альдегидные и гидроксильные группы — реакции со спиртами и альдегидами будут характерными.

1. Растворы, содержащие крахмал, синеют под действием йода.

Реакция обратима:

• при нагревании раствор обесцвечивается;
• охлажденный — восстанавливает синий цвет.

2. Проба Селиванова определяет наличие фруктозы. В присутствии резорцина и соляной кислоты углевод становится вишнево-красным.

Свойства одноатомных спиртов

Физические свойства

Поскольку в молекуле спирта появились полярные связи, в отличие от углеводородов, он будет иметь более высокие температуры кипения и плавления (при сравнении соединений с таким же числом атомов углерода). Это связано с тем, что полярные молекулы сильнее притягиваются друг к другу, и для их разделения (перевода жидкости в газ) необходимо затратить много энергии — дополнительный нагрев. Кроме того, между молекулами спирта возникают водородные связи (а), которые в дальнейшем притягивают молекулы друг к другу. Следовательно, этиловый спирт — бесцветная жидкость (а этан и диметиловый эфир — газы!) 78 ° C. Спирт легко растворяется в воде, так как спирт также образует водородные связи с молекулами воды (б).

Водородные связи хрупкие, поэтому низшие одновалентные спирты (несколько атомов углерода в молекуле) являются летучими жидкостями с характерным запахом.

Химические свойства

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

Запрос. Какой класс неорганических веществ способен вступать в реакции замещения металлами, в результате которых выделяется водород?

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

Спирты реагируют с неорганическими кислотами:

В этой реакции расщепляется молекула воды, что означает, что это реакция дегидратации. При написании таких реакций запишите формулы исходных веществ так, чтобы функциональные группы располагались рядом, а атомы водорода функциональных групп ОН «смотрели» друг на друга. Затем в результате реакции дегидратации, в которой участвуют две молекулы спирта, образуется эфир (межмолекулярная дегидратация):

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

Спирты, в которых группа ОН присоединена к первому (последнему) атому углерода углеродной цепи (первичные спирты), легко окисляются нагретым оксидом меди CuO, превращаясь в альдегиды:

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

Задача 22.3. Напишите уравнение реакции горения этилового спирта.

Поэтому для спиртов характерны следующие реакции:

• замена атома водорода в группе ОН;
• обезвоживание (расщепление воды);
• окисление.

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

Задача 22.4. Составьте уравнения этих реакций для пропанола-1 (пропилового спирта). Составьте уравнения реакций по аналогии с вышеизложенным.

Качественные реакции на амины

1. Пурпурный лакмусовый раствор окрашен аминами в синий цвет.
2. Образование дыма от взаимодействия летучих аминов с газообразной соляной кислотой.
3. Первичные амины с хлороформом в щелочной среде образуют соединения — изонитрилы с характерным неприятным запахом: