ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Спирты – соединения, содержащие одну или несколько гидроксильных групп –ОН, связанных с углеводородным радикалом.

Общая формула гомологического ряда предельных одноатомных спиртов C n H 2 n +1 OH . В названии спиртов присутствует суффикс – ол.

В зависимости от числа гидроксильных групп спирты делят на одно- (CH 3 OH — метанол, C 2 H 5 OH — этанол), двух- (CH 2 (OH)-CH 2 -OH — этиленгликоль) и трехатомные (CH 2 (OH)-CH(OH)-CH 2 -OH — глицерин). В зависимости от того, при каком углеродном атоме находится гидроксильная группа, различают первичные (R-CH 2 -OH), вторичные (R 2 CH-OH) и третичные спирты (R 3 C-OH).

Для предельных одноатомных спиртов характерна изомерия углеродного скелета (начиная с бутанола), а также изомерия положения гидроксильной группы (начиная с пропанола) и межклассовая изомерия с простыми эфирами.

СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -ОН (бутанол – 1)

СН 3 -СН(СН 3)- СН 2 -ОН (2-метилпропанол – 1)

СН 3 -СН(ОН)-СН 2 -СН 3 (бутанол – 2)

СН 3 -СН 2 -О-СН 2 -СН 3 (диэтиловый эфир)

Химические свойства спиртов

1. Реакция, протекающие с разрывом связи О-Н:

— кислотные свойства спиртов выражены очень слабо. Спирты реагируют с щелочными металлами

2C 2 H 5 OH + 2K → 2C 2 H 5 OK + H 2

но не реагируют с щелочами. В присутствии воды алкоголяты полностью гидролизуются:

C 2 H 5 OK + Н 2 О → C 2 H 5 OH + KOH

Это означает, что спирты – более слабые кислоты, чем вода

— образование сложных эфиров под действием минеральных и органических кислот:

CH 3 -CO-OH + H-OCH 3 ↔ CH 3 COOCH 3 + H 2 O

— окисление спиртов под действием дихромата или перманганата калия до карбонильных соединений. Первичные спирты окисляются в альдегиды, которые, в свою очередь, могут окисляться в карбоновые кислоты.

R-CH 2 -OH + [O] → R-CH = O + [O] → R-COOH

Вторичные спирты окисляются в кетоны:

R-CH(OH)-R’ + [O] → R-C(R’) = O

Третичные спирты более устойчивы к окислению.

2. Реакция с разрывом связи С-О.

— внутримолекулярная дегидратация с образованием алкенов (происходит при сильном нагревании спиртов с водоотнимающими веществами (концентрированная серная кислота)):

CH 3 -CH 2 -CH 2 -OH → CH 3 -CH = CH 2 + H 2 O

— межмолекулярная дегидратация спиртов с образованием простых эфиров (происходит при слабом нагревании спиртов с водоотнимающими веществами (концентрированная серная кислота)):

2C 2 H 5 OH → C 2 H 5 -O-C 2 H 5 + H 2 O

— слабые основные свойства спиртов проявляются в обратимых реакциях с галогеноводородами:

C 2 H 5 OH + HBr →C 2 H 5 Br + H 2 O

Физические свойства спиртов

Низшие спирты (до С 15) – жидкости, высшие – твердые вещества. Метанол и этанол смешиваются с водой в любых соотношениях. С ростом молекулярной массы растворимость спиртов в оде падает. Спирты имеют высокие температуры кипения и плавления за счет образования водородных связей.

Получение спиртов

Получение спиртов возможно с помощью биотехнологического (брожение) способа из древесины или сахара.

К лабораторным способам получения спиртов относятся:

— гидратация алкенов (реакция протекает при нагревании и в присутствии концентрированной серной кислоты)

СН 2 = СН 2 + Н 2 О → СН 3 ОН

— гидролиз алкилгалогенидов под действием водных растворов щелочей

СН 3 Br + NaOH → CH 3 OH + NaBr

СН 3 Br + Н 2 О → CH 3 OH + HBr

— восстановление карбонильных соединений

CH 3 -CH-O + 2[H] → CH 3 – CH 2 -OH

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Массовые доли углерода, водорода и кислорода в молекуле предельного одноатомного спирта 51,18, 13,04 и 31, 18%, соответственно. Выведите формулу спирта.
Решение	Обозначим количество элементов, входящих в молекулу спирта индексами x, y, z. Тогда, формула спирта в общем виде будет выглядеть — С x H y O z . Запишем соотношение: x:y:z = ω(С)/Ar(C): ω(Н)/Ar(Н) : ω(О)/Ar(О); x:y:z = 51,18/12: 13,04/1: 31,18/16; x:y:z = 4,208: 13,04: 1,949. Разделим получившиеся значения на наименьшее, т.е. на 1,949. Получим: x:y:z = 2: 6: 1. Следовательно, формула спирта – С 2 H 6 O 1 . Или C 2 H 5 OH – это этанол.
Ответ	Формула предельного одноатомного спирта — C 2 H 5 OH.

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/

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.

Это производные углеводородов, в которых один атом водорода замещен на гидрокси- группу. Общая формула спиртов - CnH 2 n +1 OH .

Классификация одноатомных спиртов.

В зависимости от положения, где расположена ОН -группа, различают:

Первичные спирты:

Вторичные спирты:

Третичные спирты:

.

Изомерия одноатомных спиртов.

Для одноатомных спиртов характерна изомерия углеродного скелета и изомерия положения гидрокси-группы.

Физические свойства одноатомных спиртов.

Реакция идет по правилу Марковникова, поэтому из первичных алкенов можно получить только певичный спирт.

2. Гидролиз алкилгалогенидов при воздействии водных растворов щелочей:

Если нагрев слабый, то происходит внутримолекулярная дегидратация, в результате чего образуются простые эфиры:

Б) Спирты могут реагировать с галогенводородами, причем третичные спирты реагируют очень быстро, а первичные и вторичные - медленно:

Применение одноатомных спиртов.

Спирты используют преимущественно в промышленном органическом синтезе, в пищевой промышленности, в медицине и фармации.

Предельные одноатомные спирты

Номенклатура. Для названия спиртов используют рациональную и систематическую номенклатуры.

По рациональной номенклатуре названия спиртов образуются от названия соответствующего радикала, связанного с гидроксильной группой и добавлением слова «спирт».

По систематической номенклатуре название дается от названия углеводорода с добавлением суффикса –ол.

Изомерия в спиртах обусловлена изменениями в структуре углеводородного скелета и положением ОН- группы.

Способы получения спиртов. Существуют различныеспособы получения спиртов. Здесь приводятся лишь некоторые из них.

1. Ферментивный гидролиз и брожение углеводов. По этому способу этиловый спирт получают из продуктов, содержащих глюкозу или другие сахара. При брожении глюкозы под действием ферментов дрожжей образуется этанол:

Брожение фруктовых соков, особенно виноградного, дает спиртовые растворы с содержанием этанола 10 – 15 %, которые называют винами.

Для получения этанола в больших количествах в качестве исходного вещества берется более дешевый углевод – крахмал. Образование спирта из крахмалсодержащих продуктов складывается из следующих стадий:

а) осахаривание крахмала:

Процесс образования мальтозы протекает под действием фермента амилазы, содержащегося в солоде - проросших и высушенных зернах ячменя.

б) брожение осахаренного раствора. Этот процесс протекает под действием ферментов, которые содержатся в дрожжах:

Обе стадии являются результатом совместного действия самых различных ферментов, содержащихся в дрожжах. Эти ферменты называют еще энзимы. Полученный в результате брожения раствор содержит 18 % этанола. Эту смесь подвергают перегонке и получают спирт-сырец с содержанием этанола 90 %. Дополнительная перегонка дает спирт-ректификат с содержанием этанола 95,5 %. Абсолютный спирт (100% этанола) можно получить путем азеотропной перегонки с бензолом.

В процессе брожения наряду с этанолом получаются сивушные масла, которые понижают качество спирта. Они представляют собой смесь изомерных спиртов с числом углеродных атомов С 3 - С 5 .

Сивушные масла получаются за счет разложения белковых компонентов входящих в состав исходного крахмалсодержащего сырья.

Этанол, полученный по этой технологии, после дополнительной очистки, используется для изготовления алкогольной продукции. Если в качестве исходного сырья, вместо крахмала, использовать целлюлозу, то получают «гидролизный» спирт, который используют только для технических нужд. Процесс получения этанола из целлюлозы складывается из следующих стадий:

а) гидролиз целлюлозы:

б) брожение под действием ферментов дрожжей:

С 6 Н 12 О 6 ® 2С 2 Н 5 ОН + 2СО 2

В качестве исходного сырья используются отходы деревоперерабатывающей промышленности и гидролиз проводят в жестких условиях в присутствии H 2 SO 4 .

2. Гидратация алкенов. В присутствии катализаторов олифины присоединяют воду, образуя спирты. Присоединение воды к несимметричным алкенам происходит по правилу Морковникова с образованием вторичных и третичных спиртов.

3. Гидролиз галогенпроизводных:

4. Восстановление альдегидов и кетонов:

Восстановление альдегидов дает первичные спирты, восстановление кетонов – вторичные.

5. Восстановление сложных эфиров:

6. Гидролиз сложных эфиров. Реакция обратима и требует регулирования для повышения выхода спиртов:

7. Синтез альдегидов через металлоорганические соединения:

Химические свойства спиртов. Основным структурным элементом, определяющим реакционную способность спиртов является гидроксогруппа. Основными направлениями реакционной способности являются реакции с разрывом связей по направлениям I и II. Акцепторные свойства кислорода обеспечивают высокую полярность связей по этим направлениям.

I направление.

За счет полярности связи О-Н спирты обладают определенной кислотностью и диссоциируют по схеме:

Большей кислотностью обладают первичные спирты, меньшей – третичные и соблюдается последовательность:

Меньшая кислотность третичных спиртов обясняется положительными индукционными эффектами алкильных групп, которые увеличивают электронную плотность на углероде и кислороде.

1. Взаимодействие с металлами:

2. Реакция этерификации:

3. Реакции окисления. В зависимости от природы спирта реакции окисления протекают по-разному. Эти реакции могут проходить как реакции дегидрирования и как реакции окисления. Окисление первичных спиртов дает альдегиды:

Окисление вторичных спиртов дает кетоны:

Третичные спирты окисляются с разрывом углеводородной цепочки и образованием смеси кислот и кетонов:

II направление.

1. Гидрогалогенирование спиртов. Реакцию проводят в присутствии водоотнимающих веществ:

Реакционная способность спиртов изменяется в последовательности:

третичный > вторичный > первичный

2. Взаимодействие с галогенидами фосфора:

3. Внутримолекулярная и межмолекулярная дегидратация спиртов. В жестких условиях, при t > 180 0 С, проходит внутримолекулярная дегидратация в соответствии с правилом Зайцева:

В мягких условиях идет межмолекулярная дегидратация с образованием эфиров:

Физические свойства спиртов и их применение. Спирты с числом углеродных атомов С 1 – С 10 – жидкости, выше – твердые вещества. Растворимость спиртов с увеличением молекулярной массы понижается, температура кипения увеличивается. Аномально высокие температуры кипения для спиртов объясняяются возможностью образования ассоциатов за счет водородных связей

Спирты изостроения имеют более высокие температуры кипения, чем спирты нормального строения.

Метанол. Основное его количество получали путем сухой перегонки древесины. В настоящее время в промышленности метанол получают по следующей схеме:

Метанол имеет широкое и разностороннее применение. Значительные количества его потребляются для получения формальдегида, метиламина, красителей, фармакологических препаратов. Метанол – хороший растворитель и используется для растворения щелочи, употребляется для очистки бензинов, в лакокрасочной промышленности и др. Надо помнить, что метанол – сильнейший яд, вызывающий слепоту и паралич.

Коварность метилового спирта состоит в том, что он очень похож на этанол.

Этанол. Используется в пищевой промышленности для изготовления ликеро-водочной продукции, для получения сложных эфиров, применяемых в кондитерском производстве. В парфюмерии этанол используют как растворитель. Его содержание в кремах – 5-10 %, лосьонах – 10 – 60%, дезодорантах – до 80%).

Высокомолекулярные первичные спирты.

Цетиловый спирт (С 15 Н 31 СН 2 ОН) в составе сложного эфира входит в состав спермацета, выделяемого из черепных костей китов. Спермацет используется в парфюмерии и получении синтетических моющих средств.

Мирициловый спирт (С 30 Н 61 -СН-ОН) в связанном состоянии входит в состав пчелиного воска:

Двухатомные спирты (гликоли)

Двухатомные спирты содержат в своем составе две гидроксильные группы. Общая формула гликолей С n H 2 n (OH) 2 .

По систематической номенклатуре названия двухатомных спиртов образуются от названия соответствующих алканов с прибавлением окончания «диол», положение -ОН групп указывается цифрами