Следующий класс веществ, которые хотелось бы рассмотреть - это спирты. Это соединения, имеющие в составе группу -OH, связанную с атомом углерода. Такая группа одновалентна и из любого алкана можно сделать спирт, если поменять один из водородов на OH. Например, метану соответствует метиловый спирт, этану - этиловый и так далее. Также они сокращённо именуются с окончанием "ол": метанол, этанол, пропанол.

Метанол, этанол, пропанол

Начиная с пропанола, у спиртов появляется изомерия - помимо того, что сами алканы имеют изомеры, так ещё и гидроксильная группа может быть присоединена к разным атомам углерода. Например, названию "бутанол" соответствуют уже 4 различных по строению молекулы.

Четыре изомерных бутиловых спирта: н-бутанол, втор-бутанол, трет-бутанол, изобутанол.

Как видно, тот спирт, что сохраняет линейное строение, по аналогии с алканами называется "нормальным". Такие спирты также являются первичными, поскольку атом углерода, соединённый с гидроксильной группой, соединён напрямую только с одним атомом углерода. Существуют также вторичные и третичные спирты (две средних структуры на рисунке).

Спирты чем-то схожи в свойствах с водой: вода тоже содержит гидроксил (а так называется группа -OH), но связанную с атомом водорода (поэтому её можно назвать гидроксидом водорода, хотя никто так не делает). Благодаря гидроксильным группам молекулы оказываются более сильно связаны друг с другом (из-за водородных связей), поэтому даже низший спирт - метанол - представляет собой жидкость, хоть и довольно легко испаряющуюся. Жидкими являются почти все низшие спирты, вплоть до октанола. Опять же, здесь возникает сложность из-за большого количества изомеров.
Общая формула спиртов C n H 2n+1 OH.
Самый известный из спиртов - это этанол, он же этиловый спирт - тот самый, что содержится в алкогольных напитках. Он кипит при 78 и перегонкой его можно выделить из раствора, но концентрацию таким образом нельзя поднять выше 96% (что не мешает, однако, получать 100%-ый этанол другими способами, например, удаляя воду из 96%-ного при помощи осушителя). Наверняка все слышали про метанол, который по виду и запаху неотличим от этанола, но смертельно ядовит. Однако если не пробовать его на вкус, то метанол - отличный растворитель, а также топливо и полупродукт для множества химических процессов.

Поскольку метанол и этанол контролируются законом, то зачастую вместо них используют следующий спирт - пропанол. Причём н-пропанол встречается гораздо реже своего изомера - изопропанола, который часто используется как растворитель и обезжириватель (для спиртовок тоже подходит, если что). Он отличается запахом от метанола и этанола, более вязкий (особенно при низкой температуре) и кипит при немного более высокой температуре.

Бутанол и примеси более тяжёлых спиртов составляют основу сивушных масел - они в небольших количествах образуются при брожении и имеют неприятный тяжёлый запах. В остальном такие спирты используются преимущественно как реагенты для получения других соединений.

Функциональных групп в молекуле может быть несколько, в частности - спиртовых. Все рассматривавшиеся выше соединения называются одноатомными спиртами - по количеству гидроксильных групп. Существуют также двухатомный спирт этиленгликоль и трёхатомный спирт глицерин:

Этиленгликоль и глицерин

Они имеют свойства, аналогичные первичным спиртам, но ещё более выраженные: это густые жидкости с высокой температурой кипения (этиленгликоль используется как компонент теплоносителей в отоплении, а также как компонент антифризов "тосол"). И тот, и другой смешиваются с водой в любых пропорциях. В отличие от этиленгликоля, глицерин малотоксичен, а вдобавок ещё и имеет сладкий вкус (отсюда название: "гликос" - сладкий), из-за некоторого сходства в строении с углеводами, которые тоже формально являются спиртами. Это объясняет, в частности, почему углеводы (в том числе сахар) хорошо растворяются в воде.

Спирты похожи на алканы, в молекулу которых "встроили" атом кислорода. И действительно во многих учебниках пишут, что метанол можно получить неполным окислением метана. Для этого, правда, требуются совершенно особые условия, реализуемые только в промышленности: высокие давления, контроль температуры, использование катализаторов. Также его получают из т.н. "синтез-газа" - смеси монооксида углерода и водорода, а синтез-газ, в свою очередь, получают из метана и воды при высокой температуре.

Получение метанола из синтез-газа

Вообще метанол - крупнотоннажный продукт (в 2004 году его производство оценивалось в 32млн. тонн во всём мире), а промышленная химия обычно сильно отличается от лабораторной (сравните ректификационные колонны и лабораторный перегонный аппарат). В небольших количествах метанол образуется при сухой перегонке древесины, поэтому другое его название - древесный спирт.

Для получения этанола используют брожение: некоторые виды микроорганизмов могут превращать сахара, присутствующие в растительном материале (например, в пшенице или сахарном тростнике) в этанол, получая при этом энергию. Этанол затем отделяют ректификацией и используют, например, как добавку к автомобильному топливу (т.н. биотопливо). Таким образом производится порядка 60млн. тонн этанола в год (в основном в США и Бразилии). При таких масштабах и не хочется говорить о получении из нефтепродуктов, но всё-таки есть способ получения из этилена: углеводорода, в котором два атома углерода связаны не одной, а двойной связью. При определённых условиях эта связь может раскрываться, присоединяя молекулу воды. При этом образуется этанол; таким же образом могут быть получены другие спирты из соответствующих алкенов.

Реакция гидратация этилена

Метанол окисляется в формальдегид или муравьиную кислоту. Этанол, соответственно - в ацетальдегид или уксусную кислоту.

Чем и в каких условиях, а также о прочих реакциях спиртов будет описано в следующей статье.

Статистику по производству биоэтанола можно найти здесь: http://ethanolrfa.org/resources/industry/statistics/

Спиртами (или алканолами) называются орга­нические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп (групп -ОН), соединенных с углеводородным радикалом.

Классификация спиртов

По числу гидроксильных групп (атомности) спир­ты делятся на:

Одноатомные , например:

Двухатомные (гликоли), например:

Трехатомные , например:

По характеру углеводородного радикала выде­ляют следующие спирты:

Предельные , содержащие в молекуле лишь пре­дельные углеводородные радикалы, например:

Непредельные , содержащие в молекуле крат­ные (двойные и тройные) связи между атомами углерода, например:

Ароматические , т. е. спирты, содержащие в мо­лекуле бензольное кольцо и гидроксильную группу, связанные друг с другом не непосредственно, а через атомы углерода, например:

Органические вещества,содержащие в молекуле гидроксильные группы, связанные непосредственно с атомом углерода бензольного кольца, существенно отличаются по химическим свойствам от спиртов и поэтому выделяются в самостоятельный класс органических соединений-фенолы.

Например:

Существуют и полиатомные (многоатомные спирты),содержащие более трех гидроксильных групп в молекуле. Например, простейший шестиатомный спирт гексаол (сорбит)

Номенклатура и изомерия спиртов

При образовании названий спиртов к названию углеводорода,соответствующего спирту,добавляют (родовой) суффикс-ол.

Цифрами после суффикса указывают положение гидроксильной группы в главной цепи, а префиксами ди-, три-,тетра- и т.д.-их число:

В нумерации атомов углерода в главной цепи положение гидроксильной группы приоритетно перед положением кратных связей:

Начиная с третьего члена гомологического ряда, у спиртов появляется изомерия положения функциональной группы (пропанол-1 и пропанол-2), а с четвертого — изомерия углеродного скелета (бутанол-1, 2-метилпропанол-1). Для них характерна и межклассовая изомерия- спирты изомерны простым эфирам:

Давайте дадим название спирту, формула которого указана ниже:

Порядок построения названия:

1. Углеродная цепь нумеруется с конца к которому ближе находится группа –ОН.
2. Основная цепь содержит 7 атомов С, значит соответствующий углеводород — гептан.
3. Число групп –ОН равно 2, префикс – «ди».
4. Гидроксильные группы находятся при 2 и 3 атомах углерода, n = 2 и 4.

Название спирта: гептандиол-2,4

Физические свойства спиртов

Спирты могут образовывать водородные связи как между молекулами спирта, так и между молекулами спирта и воды. Водородные связи возникают при взаимодействии частично положительно заряженного атома водорода одной молекулы спирта и частично отрицательно заряженного атома кислорода другой молекулы.Именно благодаря водородным связям между молекулами спирты имеют аномально высокие для своей молекулярной массы температуры кипения.Так, пропан с относительной молекулярной массой 44 при обычных условиях является газом, а простейший из спиртов-метанол,имея относительную молекулярную массу 32, в обычных условиях-жидкость.

Низшие и средние члены ряда предельных одноатомных спиртов,содержащих от 1 до 11 атомов углерода-жидкости.Высшие спирты(начиная с C 12 H 25 OH) при комнатной температуре-твердые вещества. Низшие спирты имеют алкогольный запах и жгучий вкус,они хорошо растворимы в воде.По мере увеличения углеродного радикала растворимость спиртов в воде понижается, а октанол уже не смешивается с водой.

Химические свойства спиртов

Свойства органических веществ определяются их составом и строением. Спирты подтверждают общее правило. Их молекулы включают в себя углеводородные и гидроксильные группы, поэтому химические свойства спиртов определяются взаимодействием друг на друга этих групп.

Характерные для данного класса соединений свойства обусловлены наличием гидроксильной группы.

1. Взаимодействие спиртов со щелочными и щелочноземельными металлами. Для выявления влияния углеводородного радикала на гидроксильную группу необходимо сравнить свойства вещества, содержащего гидроксильную группу и углеводородный радикал,с одной стороны, и вещества,содержащего гидроксильную группу и не содержащего углеводородный радикал,-с другой. Такими веществами могут быть,например, этанол (или другой спирт) и вода. Водород гидроксильной группы молекул спиртов и молекул воды способен восстанавливаться щелочными и щелочноземельными металлами(замещаться на них)
2. Взаимодействие спиртов с галогеноводородами. Замещение гидроксильной группы на галоген приводит к образованию галогеналканов. Например:
   Данная реакция обратима.
3. Межмолекулярная дегидратация спиртов- отщепление молекулы воды от двух молекул спиртов при нагревании в присутствии водоотнимающих средств:
   В результате межмолекулярной дегидратации спиртов образуются простые эфиры. Так, при нагревании этилового спирта с серной кислотой до температуры от 100 до 140°С образуется диэтиловый (серный) эфир.
   
4. Взаимодействие спиртов с органическими и неорганическими кислотами с образованием сложных эфиров(реакция этерификации)
   
   Реакция этерификации катализируется сильными неорганическими кислотами. Например, при взаимодействии этилового спирта и уксусной кислоты образуется-этилацетат:
   
   
5. Внутримолекулярная дегидратация спиртов происходит при нагревании спиртов в присутствии водоотнимающих средств до более высокой температуры,чем температура межмолекулярной дегидратации. В результате образуются алкены. Эта реакция обусловлена наличием атома водорода и гидроксильной группы при соседних атомах углерода. В качестве примера можно привести реакцию получения этена (этилена) при нагревании этанола выше 140°С в присутствии концентрированной серной кислоты:
   
6. Окисление спиртов обычно проводят сильными окислителями, например, дихроматом ка­лия или перманганатом калия в кислой среде. При этом действие окислителя направляется на тот атом углерода, который уже связан с гидро­ксильной группой. В зависимости от природы спирта и условий проведения реакции могут обра­зовываться различные продукты. Так, первичные спирты окисляются сначала в альдегиды, а затем в карбоновые кислоты:
   При окислении вторичных спиртов образуются кетоны:
   
   Третичные спирты достаточно устойчивы к окислению. Однако в жестких условиях (сильный окислитель, высокая температура) возможно окисление третичных спиртов, которое происходит с разрывом углерод-углеродных связей, ближай­ших к гидроксильной группе.
7. Дегидрирование спиртов. При пропускании паров спирта при 200-300 °С над металлическим катализатором, например медью, серебром или платиной, первичные спирты превращаются в аль­дегиды, а вторичные - в кетоны:
   
   
8. Качествен­ная реакция на многоатомные спирты.
   Присутствием в молекуле спирта одновремен­но нескольких гидроксильных групп обусловлены специфические свойства многоатомных спиртов, которые способны образовывать растворимые в во­де ярко-синие комплексные соединения при взаимо­действии со свежеполученным осадком гидроксида меди (II). Для этиленгликоля можно записать:
   
   Одноатомные спирты не способны вступать в эту реакцию. Поэтому она является качествен­ной реакцией на многоатомные спирты.
   

Получение спиртов:

Применение спиртов

Метанол (метиловый спирт СН 3 ОН) - бесцветная жидкость с характерным запахом и температурой кипения 64,7 °С. Горит чуть голубоватым пламенем. Историческое название метанола - древесный спирт объясняется одним из путей его получения способом перегонки твердых пород дерева (греч. methy - вино, опьянеть; hule - вещество, древесина).

Метанол требует осторожного обращения при работе с ним. Под действием фермента алкогольдегидрогеназы он превращает­ся в организме в формальдегид и муравьиную кислоту, которые повреждают сетчат­ку глаза, вызывают гибель зрительного нерва и полную потерю зрения. Попадание в организм более 50 мл метанола вызывает смерть.

Этанол (этиловый спирт С 2 Н 5 ОН) - бесцветная жидкость с характерным запахом и температу­рой кипения 78,3 °С. Горюч. Смешивается с водой в любых соотношениях. Концентрацию (крепость) спирта обычно выражают в объемных процентах. «Чистым» (медицинским) спиртом называют про­дукт, полученный из пищевого сырья и содержа­щий 96 % (по объему) этанола и 4 % (по объему) воды. Для получения безводного этанола - «аб­солютного спирта» этот продукт обрабатывают ве­ществами, химически связывающими воду (оксид кальция, безводный сульфат меди (II) и др.).

Для того чтобы сделать спирт, используемый в технических целях, непригодным для питья, в него добавляют небольшие количества трудноот­делимых ядовитых, плохо пахнущих и имеющих отвратительный вкус веществ и подкрашивают. Содержащий такие добавки спирт называют дена­турированным, или денатуратом.

Этанол широко используется в промышленности для производства синтетического каучука, лекар­ственных препаратов, применяется как раствори­тель, входит в состав лаков и красок, парфюмерных средств. В медицине этиловый спирт - важнейшее дезинфицирующее средство. Используется для при­готовления алкогольных напитков.

Небольшие количества этилового спирта при попадании в организм человека снижают болевую чувствительность и блокируют процессы торможе­ния в коре головного мозга, вызывая состояние опьянения. На этой стадии действия этанола увели­чивается водоотделение в клетках и, следователь­но, ускоряется мочеобразование, в результате чего происходит обезвоживание организма.

Кроме того, этанол вызывает расширение крове­носных сосудов. Усиление потока крови в кожных капиллярах приводит к покраснению кожи и ощу­щению теплоты.

В больших количествах этанол угнетает дея­тельность головного мозга (стадия торможения), вызывает нарушение координации движений. Про­межуточный продукт окисления этанола в организ­ме - ацетальдегид - крайне ядовит и вызывает тяжелое отравление.

Систематическое употребление этилового спир­та и содержащих его напитков приводит к стой­кому снижению продуктивности работы головного мозга, гибели клеток печени и замене их соедини­тельной тканью - циррозу печени.

Этандиол-1,2 (этиленгликоль) - бесцветная вязкая жидкость. Ядовит. Неограниченно раство­рим в воде. Водные растворы не кристаллизуются при температурах значительно ниже О °С, что по­зволяет применять его как компонент незамерзаю­щих охлаждающих жидкостей - антифризов для двигателей внутреннего сгорания.

Пролактриол-1,2,3 (глицерин) - вязкая сиропо­образная жидкость, сладкая на вкус. Неограниченно растворим в воде. Нелетуч. В качестве составной ча­сти сложных эфиров входит в состав жиров и масел.

Широко используется в косметике, фармацевтиче­ской и пищевой промышленностях. В косметических средствах глицерин играет роль смягчающего и успо­каивающего средства. Его до­бавляют к зубной пасте, чтобы предотвратить ее высыхание.

К кондитерским изделиям глицерин добавляют для пре­дотвращения их кристаллиза­ции. Им опрыскивают табак, в этом случае он действует как увлажнитель, предотвращаю­щий высыхание табачных листьев и их раскрошивание до переработки. Его добавляют к клеям, чтобы предохранить их от слишком быстрого высыхания, и к пластикам, особенно к целлофану. В последнем случае глицерин выполняет функции пластификато­ра, действуя наподобие смазки между полимерными молекулами и, таким образом, придавая пластмассам необходимую гибкость и эластичность.

Производные углеводородов с одним или несколькими водородными атомами в молекуле, замещенными на группу -OH (гидроксильная группа или оксигруппа), — это спирты. Химические свойства определяются углеводородным радикалом и гидроксильной группой. Спирты образуют отдельный в нем каждый последующий представитель отличается от предыдущего члена на гомологическую разность, соответствующую =CH2. Все вещества этого класса могут быть представлены формулой: R-OH. Для одноатомных предельных соединений общая химическая формула имеет вид CnH2n+1OH. По международной номенклатуре названия могут быть образованы от углеводорода с добавлением окончания -ол (метанол, этанол, пропанол и так далее).

Это очень разнообразный и обширный класс химических соединений. В зависимости от количества групп -OH в молекуле, он подразделяется на одно-, двух- трехатомные и так далее — многоатомные соединения. Химические свойства спиртов зависят также от содержания оксигрупп групп в молекуле. Эти вещества являются нейтральными и не диссоциируют на ионы в воде, как, например, сильные кислоты или сильные основания. Однако могут слабо проявлять как кислотные (снижаются с увеличением в ряду спиртов молекулярной массы и разветвленности углеводородной цепи), так и основные (растут с увеличением молекулярной массы и разветвленности молекулы) свойства.

Химические свойства спиртов зависят от вида и пространственного расположения атомов: молекулы бывают с изомерией цепи и изомерией положения. В зависимости от максимального количества одинарных связей углеродного атома (связанного с оксигруппой) с другими атомами углерода (с 1-м, 2-мя или 3-мя) различают первичные (нормальные), вторичные или третичные спирты. У первичных спиртов гидроксильная группа присоединена к первичному углеродному атому. У вторичных и третичных — ко вторичному и третичному соответственно. Начиная с пропанола, появляются изомеры, которые отличаются положением гидроксильной группы: пропиловый спирт C3H7—OH и изопропиловый спирт CH3—(CHOH)—CH3.

Нужно назвать несколько основных реакций, которые характеризуют химические свойства спиртов:

1. При взаимодействии со или их гидроокисями (реакция депротонирования) образуются алкоголяты (атом водорода замещается на атом металла), в зависимости от углеводородного радикала получаются метилаты, этилаты, пропилаты и так далее, например, пропилат натрия: 2CH3CH2OH + 2Na → 2CH3CH2ONa + H2.
2. При взаимодействии с концентрированными галогенводородными кислотами образуются HBr + CH3CH2OH ↔ CH3CH2Br + H2O. Эта реакция является обратимой. В результате происходит нуклеофильное замещение ионом галогена гидроксильной группы.
3. Спирты могут окисляться до диоксида углерода, до альдегидов или до кетонов. Спирты горят в присутствии кислорода: 3O2 + C2H5OH →2CO2 + 3H2O. Под действием сильного окислителя (хромовая кислота, и так далее) первичные спирты преобразуются в альдегиды: C2H5OH → CH3COH + H2O, а вторичные — в кетоны: CH3—(CHOH)—CH3 → CH3—(CHO)—CH3 + H2O.
4. Реакция дегидратации протекает при нагревании в присутствии водоотнимающих веществ серная кислота и так далее). В результате образуются алкены: C2H5OH → CH2=CH2 + H2O.
5. Реакция этерификации протекает также при нагревании в присутствии водоотнимающих соединений, но, в отличие от предыдущей реакции, при более низкой температуре и с образованием 2C2H5OH → C2H5—O—C2H5O. С серной кислотой реакция происходит в две стадии. Сначала образуется эфир кислоты серной: C2H5OH + H2SO4 → C2H5O—SO2OH + H2O, затем при нагревании до 140 °С и в избытке спирта образуется диэтиловый (его часто называют серный) эфир: C2H5OH + C2H5O—SO2OH → C2H5—O—C2H5O + H2SO4.

Химические свойства многоатомных спиртов, по аналогии с их физическими свойствами, зависят от типа углеводородного радикала, образующего молекулу, и, конечно, количества гидроксильных групп в ней. Например, этиленгликоль CH3OH—CH3OH (температура кипения 197 °С), являющийся 2-х атомным спиртом, представляет собой жидкость бесцветную (имеет сладковатый вкус), которая смешивается с H2O, а также низшими спиртами в любых соотношениях. Этиленгликоль, как и его высшие гомологи, вступают во все реакции, характерные для одноатомных спиртов. Глицерин CH2OH—CHOH—CH2OH (температура кипения 290 °С) является простейшим представителем 3-х атомных спиртов. Это густая сладкая на вкус жидкость, которая но смешивается с ней в любых соотношениях. Растворяется в спирте. Для глицерина и его гомологов также характерны все реакции одноатомных спиртов.

Химические свойства спиртов определяют направления их применения. Их используют в качестве топлива (биоэтанол или биобутанол и другие), в качестве растворителей в различных отраслях промышленности; как сырье для производства ПАВ и моющих средств; для синтеза полимерных материалов. Некоторые представители этого класса органических соединений широко используются как смазочные материалы или гидравлические жидкости, а также для изготовления лекарственных средств и биологически активных веществ.

Которые в своем составе содержат одну или несколько гидроксильных группу. В зависимости от количества групп ОН эти делятся на одноатомные спирты, трехатомные и т.д. Чаще всего эти сложные вещества рассматривают как производные углеводородов, молекулы которых претерпели изменения, т.к. один или несколько атомов водорода заместились на гидроксильную группу.

Наиболее простыми представителями данного класса являются одноатомные спирты, общая формула которых выглядит так: R-OH или

Cn+ H 2n+1OH.

1. Спирты, содержащие до 15 атомов углерода - жидкости, 15 и более - твердые вещества.
2. Растворимость в воде зависит от молекулярной массы, чем она выше, тем спирт хуже растворяется воде. Так, низшие спирты (до пропанола) смешиваются с водой в любых пропорциях, а высшие практически не растворимы в ней.
3. Температура кипения также возрастает с увеличением атомной массы, например, t кип. СН3ОН= 65 °С, а t кип. С2Н5ОН =78 °С.
4. Чем выше температура кипения, тем ниже летучесть, т.е. вещество плохо испаряется.

Данные физические свойства насыщенных спиртов с одной гидроксильной группой можно объяснить возникновением межмолекулярной водородной связи между отдельными молекулами самого соединения или спирта и воды.

Одноатомные спирты способны вступать в такие химические реакции:

Рассмотрев химические свойства алкоголей, можно сделать вывод, что одноатомные спирты - это амфотерные соединения, т.к. они могут реагировать с щелочными металлами, проявляя слабые и с галогенводородами, проявляя основные свойства. Все химические реакции идут с разрывом связи О-Н или С-О.

Таким образом, предельные одноатомные спирты - это сложные соединения с одной группой ОН, не имеющие свободных валентностей после образования связи С-С и проявляющие слабо свойства и кислот, и оснований. За счет своих физических и химических свойств они нашли широкое применение в органическом синтезе, в производстве растворителей, добавок к топливу, а также в пищевой промышленности, медицине, косметологии (этанол).

(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 –С H 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 , не существуют.

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 С

H 3 – CH 2 – OH , пропанол С H 3 – CH 2 – CH 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): 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 НС є 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:

CH 3 OH + 2 Na ® 2 CH 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).

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 разраваются, 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:

® 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: ® Н 3 СОН Если вместо гидролиза алкенов (рис. 11) проводить окисление, то образуются двухатомные спирты (рис. 12) 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 НОСН 2 –(СНОH) 3 –CН 2 ОН и сорбит neНОСН 2 – (СНОН) 4 –СН 2 OН 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

ЛИТЕРАТУРА Шабаров Ю.С. Органическая химия . Москва, «Химия», 1994