Спирты – это производные углеводородов, в молекулах которых содержится одна или несколько гидроксильных ОН – групп, связанных с насыщенным атомом углерода.
Номенклатура: систематическая – к названию соответствующего углеводорода добавляют окончание – ол, цифрой указывают положение ОН-группы; применяют тривиальные названия.
КЛАССИФИКАЦИЯ
По числу ОН – групп спирты делятся на
● одноатомные
● двухатомные (диолы)
● трехатомные (триолы)
● многоатомные (полиолы)
В зависимости от положения ОН-групп различают
● первичные
● вторичные
● третичные
В зависимости от природы радикала R различают
● насыщенные
● ненасыщенные
● ароматические
● алициклические
Изомерия
1. Углеродного скелета
2. Положение функциональной группы:
3. Межклассовая изомерия (спирты изомерны классу простых эфиров)
§3. Способы получения одноатомных спиртов .
1. Гидратация алкенов
В зависимости от строения непредельного углеводорода могут образовываться первичные, вторичные и третичные спирты:
этилен этанол
пропилен 2-пропанол
метилпропен 2-метил-2-пропанол
2. Гидролиз галогенпроизводных; осуществляется под действием водного р-ра щелочи:
3. Гидролиз сложных эфиров:
4. Восстановление карбонильных соединений:
5. Некоторые специфические методы получения:
а) получение метанола из синтез-газа (давление – 50 – 150атм, температура – 200 - 300°С, катализаторы – оксиды цинка, хрома, алюминия):
б) получение этанола брожением сахаров:
Метиловый спирт – бесцветная жидкость с характерным спиртовым запахом,
Т кип. = 64,7 о С, горит бледным пламенем. Сильно ядовит.
Этиловый спирт – бесцветная жидкость с характерным спиртовым запахом,
Т кип. =78,3 о С
Спирты С 1 – С 11 – жидкости, С 12 и выше – твердые вещества.
спирты С 4 – С 5 имеют удушливый сладковатый запах;
высшие спирты запаха не имеют.
Относительная плотность меньше 1, т.е. легче воды.
Низшие спирты (до С 3) с водой смешиваются в любых соотношениях.
С увеличением углеводородного радикала растворимость в воде уменьшается, возрастает гидрофобность молекулы.
Спирты способны к межмолекулярной ассоциации:
В связи с этим температуры кипения и плавления у спиртов выше, чем у соответствующих углеводородов и галогенпроизводных.
Способность этилового спирта к образованию водородных связей лежит в основе его антисептических свойств.
§5. Химические свойства одноатомных спиртов .
Характерные реакции спиртов определяются наличием в их молекуле гидроксильной группы, которая обуславливает их значительную реакционную способность.
1. Взаимодействие с щелочными металлами:
Алкоголяты металлов R-ОМе – бесцветные твердые вещества, легко гидролизуются водой. Являются сильными основаниями.
2.Основные свойства
3.Образование простых эфиров:
4.Образование сложных эфиров
с неорганическими кислотами:
с органическими кислотами:
5.Реакция спиртов с галогенводородами:
Использование галогенидов фосфора:
6. Реакции дегидратации спиртов.
Отщепление воды от спиртов происходит в присутствии кислот или над катализаторами при повышенной температуре.
Дегидратация спиртов протекает согласно эмпирическому правилу Зайцева: предпочтительно водород отщепляется от наименее гидрогенизированного β-углеродного атома.
1) Дегидратация первичных спиртов протекает в жестких условиях:
2) Дегидратация вторичных спиртов:
3) Дегидратация третичных спиртов:
7.Окисление (окислители – КМnО 4 , К 2 Сr 2 О 7 в кислой среде)
8.Дегидрирование спиртов:
Двухатомные спирты (диолы)
Способы получения.
1. Окисление этилена
2. Гидролиз дигалогенпроизводного
Физические свойства:
Этиленгликоль – вязкая бесцветная жидкость сладкая на вкус, растворяется в воде; безводный этиленгликоль гигроскопичен.
Химические свойства
Реакции в основном аналогичны реакциям одноатомных спиртов, причем реакции могут протекать по одной или по двум гидроксильным группам.
1. Кислотные свойства; этиленгликоль более сильная кислота, чем этанол
(рК а = 14,8). Образование гликолятов
2. Реакции замещения на галогены
3. Образование простых эфиров
4. Дегидратация
5. Окисление
Трехатомные спирты (триолы)
Способы получения.
1. Гидролиз жиров
2. Из аллилхлорида
Физические свойства:
Глицерин – вязкая жидкость со сладким вкусом. Не ограничено растворим в воде, этаноле; не растворяется в эфире, безводный глицерин гигроскопичен (поглощает до 40% влаги из воздуха).
Химические свойства
Реакции в основном аналогичны реакциям одноатомных спиртов, причем реакции могут протекать по одной, по двум или сразу по трем гидроксильным группам.
1. Кислотные свойства; глицерин более сильная кислота, чем этанол и этиленгликоль. рК а = 13, 5.
С гидроксидом меди образует хелатный комплекс:
2. Реакции замещения
3. Дегидратация
Применение спиртов
Метанол и этанол используются в качестве растворителей, а так же как исходные вещества в синтезе органических веществ. Этанол применяют в фармации для приготовления настоек, экстрактов; в медицине – как антисептик.
Этиленгликоль применяют для получение синтетических полиэфирных волокон (например, лавсан), а так же в качестве антифриза (50%-ный р-р) – незамерзающая жидкость для охлаждения двигателей внутреннего сгорания.
Глицерин используется как компонент косметических препаратов и мазей. Тринитрат глицерина – лекарственный препарат при лечении стенокардии.
Тринитрат глицерина применяют в производстве взрывчатых веществ (динамит).
Использование глицерина в пищевой и текстильной промышленности.
1. Классификация гидроксилпроизводных углеводородов.
2. Предельные одноатомные спирты (алканолы).
3. Многоатомные спирты.
4. Фенолы.
5. Простые эфиры.
Гидроксилпроизводными углеводородов называются соединения, которые образуются в результате замещения в молекуле углеводорода одного или нескольких атомов водорода на гидроксильные группы.
Гидроксилпроизводные углеводородов со связью С(sр 3)-ОН называются спиртами. Это предельные алифатические и циклические спирты, например СН 3 ОН и,
непредельные спирты, например СН 2 =СН-СН 2 -ОН, ароматические спирты -
Гидроксилпроизводные, содержащие связь С(sр 2)-ОН, называются енолами R-СН=СН-ОН и фенолами
По числу гидроксильных групп, содержащихся в молекуле, спирты и фенолы могут быть одно (одна ОН-группа)-, двух (две ОН-группы)-, трех- и многоатомными.
Нахождение в природе. В отличие от галогенопроизводных углеводородов спирты и фенолы, их производные широко представлены в растительном и животном мире.
Высшие спирты встречаются в свободном виде (например, цетиловый спирт С 16 Н 33 ОН), в составе сложных эфиров с высшими жирными кислотами (спермацет, воски). Непредельные спирты являются составной частью эфирных масел. Природными циклическими спиртами являются ментол и холестерин. Глицерин входит в состав природных растительных и животных жиров и масел.
Фенолы и их простые эфиры входят в состав эфирных масел многих душистых растений, например чабреца, тимьяна, тмина, аниса, эстрагона, укропа и т.д. Многоатомные фенолы и их производные - душистые вещества растений (например гвоздики, мускатного ореха), составная часть гликозидов растений, дубильных веществ чая, кофе и т.д.
Общая формула С n Н 2 n +1 ОН.
Номенклатура. По заместительной номенклатуре гидроксильная группа в названии спиртов обозначается суффиксом -ол. По радикально-функциональной номенклатуре в названии указывают радикал и добавляют -овый спирт: С 2 Н 5 ОН - этанол или этил овый спирт,
СН 3 -СН 2 -СН 2 -ОН - пропанол-1 или пропил овый спирт.
Получение:
а) гидролиз галогеналканов. Галогеналканы в реакциях с водой или водным раствором щелочи легко образуют спирты (см. «Галогенпроизводные углеводородов»):
С 2 Н 5 Вr + NаОН(водный раствор) → С 2 Н 5 ОН + NаВr.
б) гидратация алкенов. Присоединение воды к алкенам происходит в присутствии катализатора (см. «Алкены»):
СН 2 =СН 2 + Н-ОН СН 3 -СН 2 -ОН.
в) гидрирование карбонильных соединений.
Каталитическое гидрирование альдегидов и кетонов приводит к образованию спиртов (см. «Альдегиды и кетоны»):
СН 3 -СН=О + Н 2 → СН 3 -СН 2 -ОН
Катализаторы: Ni, Pt, Pd.
г) реакции магнийорганических соединений. Легко происходит присоединение магнийорганических соединений к альдегидам и кетонам (см.«Альдегиды и кетоны»):
Из метаналя образуется первичный спирт, из альдегидов - вторичные спирты, кетонов - третичные спирты.
Особенность реакций этого типа - продукты реакции - спирты содержат больше атомов углерода по сравнению с исходными карбонильными соединениями.
д) гидрирование оксида углерода (II). В зависимости от природы катализатора и условий реакции получают метанол или смесь различных спиртов (синтол): СО + 2Н 2 → СН 3 -ОН.
Катализаторы: ZnO, Co и другие.
е) спиртовое брожение углеводов. Глюкоза в присутствии дрожжей подвергается брожению с образованием этилового спирта и углекислого газа: С 6 Н 12 О 6 → 2СН 3 -СН 2 -ОН + 2СО 2
Изомерия. Для предельных спиртов характерна структурная изомерия: изомерия углеродной цепи, расположения гидроксильной группы в цепи. По положению гидроксильной группы в цепи различают первичные (R-СН 2 -ОН), вторичные (R 2 СН-ОН) и третичные (R 3 С-ОН) спирты.
Для спиртов характерна межклассовая изомерия (метамерия), спиртам изомерны простые эфиры с общей формулой R-O-R.
СН 3 -СН 2 -СН ОН-СН 3 (см. «Оптическая изомерия»).
Строение. В спиртах атомы углерода и кислорода находятся вsр 3 - гибридизации. Спирты содержат две полярные σ-связи: С-О (sр 3 -sр 3 -перекрывание) и О-Н (sр 3 -s -перекрывание). Диполи этих связей направлены в сторону атома кислорода, причем дипольный момент связи О-Н выше, чем связи С-О. Алканолы являются полярными соединениями:
Ассоциация молекул спиртов осуществляется за счет образования межмолекулярных водородных связей:
в результате спирты, по сравнению с углеводородами и галогенпроизводными углеводородов, имеют более высокие температуры кипения и плавления. Образование водородных связей между молекулами спиртов и воды способствует растворению этих соединений в воде.
Химические свойства.
Химические свойства спиртов обусловлены наличием в молекуле полярных связей С-О и О-Н и неподеленных электронных пар на атоме кислорода.
а) кислотные свойства
Спирты являются слабыми О-Н-кислотами. Ряд кислотности: RСООН > НОН > RОН.
В водном растворе кислотность самих спиртов уменьшается в следующем направлении: метанол > первичные > вторичные > третичные.
Кислотные свойства спиртов проявляются в образовании солей (алкоголятов или алкоксидов) при взаимодействии с металлами:
2С 2 Н 5 ОН + 2Nа → 2 С 2 Н 5 О - Nа + + Н 2
этанол этилат(этоксид) натрия
В водных растворах соли гидролизуются с образованием спиртов и щелочей:
С 2 Н 5 О - Nа + + НОН → С 2 Н 5 ОН + NаОН
б) основные и нуклеофильные свойства
Основные и нуклеофильные свойства спиртов обусловлены неподеленной электронной парой на атоме кислорода.
Основные свойства увеличиваются в следующем направлении
метанол < первичные < вторичные < третичные спирты и проявляются в образовании оксониевых солей: С 2 Н 5 ОН + Н + → С 2 Н 5 ОН 2 + . Образование оксониевых солей играет важную роль в реакциях нуклеофильного замещения и отщепления.
Таким образом, спирты являются амфотерными соединениями.
Слабые нуклеофильные свойства спиртов и алкоголятов проявляются в реакциях
Алкилирования - взаимодействия со спиртами и алкоголятами с образованием простых эфиров (реакция Вильямсона, протекает при нагревании): СН 3 B r + С 2 Н 5 О Nа → С 2 Н 5 ОСН 3 + NаBr
метилбромид этилат натрия метоксиэтан,
Ацилирования - взаимодействия с карбоновыми кислотами и их производными с образование сложных эфиров (реакция этерификации, протекает в присутствии катализатора):
СН 3 СООН + С 2 Н 5 О Н ↔ СН 3 СООС 2 Н 5 + НОН
уксусная кислота этанол этилацетат,
С карбонильными соединениями - образование полуацеталей и ацеталей:
этаналь метанол 1-метоксиэтанол 1,2-диметоксиэтанол.
Алкоголяты по сравнению со спиртами являются более сильными основаниями и нуклеофилами.
в) реакции замещения гидроксильной группы (нуклеофильное замещение - S N )
Часто в этих реакциях ОН-группу модифицируют с помощью минеральных кислот или кислот Льюиса (образование оксониевых солей RОН 2 +). Модифицированная гидроксильная группа легко замещается на атом галогена, амино- и алкоксигруппу и другие группы. Реакционная активность спиртов в этих реакциях увеличивается в следующем направлении: первичные < вторичные < третичные.
Примеры реакций. Замещение гидроксильной группы на атом галогена:
R-ОН + SOCl 2 → R-Cl + НCl + SО 2
R-ОН + РН al 5 → R-Нal + Н-Нal + РОНal 3
R-ОН + Н-Н al → R-Нal + НОН
Реакционная активность галогеноводородов увеличивается в направлении НСl < НBr <НJ. Однако иодоводород практически не используют в реакциях этого типа, поскольку он легко восстанавливает спирты до углеводородов.
Замещение гидроксильной группы на амино- и алкоксигруппу:
R-ОН + Н- N Н 2 →R- NН 2 + НОН
R-ОН + RО- Н→ R-О-R + НОН.
Взаимодействие с минеральными кислотами с образованием сложных эфиров:
R-ОН + Н-О N О 2 →R-ОNО 2 + НОН
алкилнитрат
R-ОН + Н-О S О 3 →R-ОSО 3 + НОН
алкилсульфат
Реакции нуклеофильного замещения протекают по мономолекулярному (S N 1) или бимолекулярному (S N 2) механизму.
г) реакции отщепления гидроксильной группы (Е-типа, дегидратация спиртов)
Отщепление воды происходит при нагревании в присутствии катализатора - серной или фосфорной кислот, оксида цинка или алюминия. Дегидратация спиртов с образованием алкенов протекает в соответствии с правилом Зайцева: гидроксильная группа отщепляется от α-углеродного атома, водород - от менее гидрированного β-атома углерода спирта:
1-бутанол 2-бутен
Реакционная активность спиртов увеличивается в следующем направлении: первичные < вторичные < третичные.
Реакции отщепления протекают по мономолекулярному (Е1) или бимолекулярному (Е2) механизму.
д) окисление спиртов
В реакциях окисления более активны первичные спирты, третичные спирты в аналогичных условиях не окисляются. Окислители: перманганат калия или бихромат калия в кислой среде. Первичные спирты окисляются с образованием альдегидов и далее - карбоновых кислот, вторичные спирты - кетонов:
R-ОН + [ О ] → R-СН=О → R-СООН
R 2 СН-ОН + [ О ] → R 2 С=О
Первичные и вторичные спирты могут быть превращены в карбонильные соединения при дегидрировании. Реакции протекают при 400-500 0 С в присутствии катализатора - Cu/Аg:
Содержание статьи
СПИРТЫ (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–СH 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
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 СH 3 –C H 2 –OH, пропанол СH 3 –CH 2 –C H 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
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):
Рис. 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 НСє 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.
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.
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:
2CH 3 OH + 2Na ® 2CH 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).
Рис. 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 разрываются, 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.
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:
С 6 Н 12 О 6 ® 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:
СО + 2 Н 2 ® Н 3 СОН
Если вместо гидролиза алкенов (рис. 11) проводить окисление, то образуются двухатомные спирты (рис. 12)
Рис. 12. ПОЛУЧЕНИЕ ДВУХАТОМНЫХ 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 НОСН2–(СНОH)3–CН2ОН и сорбит НОСН2– (СНОН)4–СН2OН 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
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.
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).
Тип урока: Комбинированный
Организационная форма: фронтальный опрос, лабораторная работа, самостоятельная работа, беседа по проблемным вопросам, анализ полученной информации.
Оборудование :
1. Комплект слайдов (Приложение 1
) таблицы, индивидуальные листы с заданием для самостоятельной работы, задание для лабораторной работы.
2. На ученических столах: склянки со спиртами (этиловым, изопропиловым, глицерином), натрий, оксид меди(2), уксусная кислота, фенолфталеин, перманганат калия, песок, гидроксид натрия, соляная кислота, водопроводная вода, химическая посуда, правила по ТБ.
План урока:
1. 1.Определение класса спиртов, строение молекулы одноатомных предельных спиртов.
2. Классификация спиртов по трем признакам.
3. Номенклатура спиртов.
4. Виды изомерии одноатомных предельных спиртов.
5. Физические свойства спиртов. Влияние водородной связи на физические свойства спиртов.
2. 6.Химические свойства.
7. Закрепление нового материала.
ХОД УРОКА
I. Организационный момент
Учитель: Мы закончили изучение большого класса органических соединений, состоящих только из двух химических элементов – углерода и водорода. Какие еще химические элементы наиболее часто входят в состав органических соединений?
Ученик: Кислород, азот , фосфор, сера и другие.
II. Изучение нового материала
Учитель:
Мы начинаем изучение нового класса органических соединений, в состав которых, помимо углерода и водорода, входит кислород. Они называются кислородосодержащими. (Слайд №1).
Как видим органических соединений состоящих из углерода, водорода и кислорода несколько классов. Сегодня мы начинаем изучение класса который называется «Спирты». Молекулы спиртов содержат гидроксильную группу, которая является функциональной группой (ФГ) для этого класса. Что мы называем ФГ? (Слайд №1).
Ученик: Группа атомов (или атом) определяющих принадлежность соединения к определенному классу и обусловливающая его важнейшие химические свойства называется ФГ.
Учитель:
Спирты большой по разнообразию и свойствам класс органических соединений которые широко применяются в различных областях народного хозяйства. (Слайды №2-8)
Как видим это фармацевтика, производство косметики, пищевая промышленность , а также как расстворитель, при производстве пластмасс, лаков, красок и др. Рассмотрим таблицу.
Таблица 1.
НЕКОТОРЫЕ ВАЖНЕЙШИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ КЛАССА СПИРТОВ
Учитель
: Если говорить о действии на организм человека, то все спирты – яды. Молекулы спирта пагубно действуют на живые клетки. (Слайд№9) Спиты - алканы имеют устаревшее название алкоголи. Спирты это производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильные группы – ОН.
В самом простом случае строение спирта можно выразить следующей формулой:
R – OH ,
где R – углеводородный радикал.
Спирты можно классифицировать по трем признакам:
1. Числу гидроксильных групп (одноатомные, двухатомные, многоатомные).
Таблица 2.
КЛАССИФИКАЦИЯ СПИРТОВ ПО ЧИСЛУ ГИДРОКСИЛЬНЫХ ГРУПП (–ОН)
2. Характеру УВ радикала (предельные, непредельные, ароматические).
Таблица 3.
КЛАССИФИКАЦИЯ СПИРТОВ ПО ХАРАКТЕРУ РАДИКАЛА
3. Характеру атома углерода, с которым связана гидроксильная группа (первичные, вторичные, третичные)
Таблица 4.
КЛАССИФИКАЦИЯ СПИРТОВ ПО ХАРАКТЕРУ АТОМА УГЛЕРОДА СВЯЗАННОГО С ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ГРУППОЙ –ОН
Четвертичных спиртов не существует, т. к. четвертичный атом С связан с 4 другими атомами С, поэтому на связь с гидроксильной группой нет больше валентностей.
Рассмотрим основные принципы построения названий спиртов соответственно заместительной номенклатуре, используя схему:
Название спирта = название УВ + (префикс) + - ОЛ +
(n1, n2 ..., nn), где префикс
обозначает число групп –ОН в молекуле: 2 – «ди», 3 – «три», 4 – «тетра» и т. д.
n
указывает положение гидроксильных групп в углеродной цепи, например:
Порядок построения названия:
1. Углеродная цепь нумеруется с конца к которому ближе находится группа –ОН.
2. Основная цепь содержит 7 атомов С, значит соответствующий УВ 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
Мы с вами в школьном курсе будем подробно изучать одноатомные предельные спирты с общей формулой: CnH2n+1OH
Рассмотрим модели молекул отдельных представителей этих спиртов (метилового, этилового, глицерина). (Слайды № 10-13)
Гомологический ряд этих спиртов начинается с метилового спирта:
CH3 – OH – метиловый спирт
CH3 – CH2 – OH – этиловый спирт
CH3 – CH2 – CH2 – OH – пропиловый спирт
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – OH – бутиловый спирт
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – OH – амиловый
спирт или пентанол
Изомерия
Для предельных одноатомных спиртов характерны следующие виды изомерии :
1) положения функциональных групп
2) углеродного скелета.
Заметьте – нумерация атомов углерода начинается с конца, близкого к группе –ОН.
3) межклассовая изомерия (с простыми эфирами R – O – R)
Физические свойства спиртов
Первые десять членов гомологического ряда представителей одноатомных спиртов являются жидкостями, высшие спирты твердые вещества. (Слайды 14, 15)
Сильное влияние на физические свойства спиртов оказывает водородная связь образующаяся между молекулами спиртов. Вы знакомы с водородной связью по программе 9 класса , тема «Аммиак». Сейчас ваш одноклассник, получивший на прошлом уроке индивидуальное задание, напомнит нам что такое водородная связь.
Ответ ученика
Водородная связи это связь между атомами водорода одной молекулы и атомами очень электроотрицательных элементов другой молекулы. (F, O,N, CL). На письме обозначается тремя точками. (Слайды 16,17). Водородная связь это особый вид межмолекулярной связи, которая слабее обычной ковалентной связи в 10-20 раз, но она оказывает большое влияние на физические свойства соединений.
Два следствия водородной связи: 1) хорошая растворимость веществ в воде; 2) повышение температуры плавления и кипения. Например: зависимость температуры кипения некоторых соединений от наличия водородной связи.
Учитель: Какие выводы можем сделать о влиянии водородной связи на физические свойства спиртов?
Ученики:
1) При наличии водородной связи сильно возрастает температура кипения.
2) Чем больше атомность спирта, тем больше водородных связей образуется.
Это также способствует увеличению температуры кипения.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПИРТОВ
(Повторить ПТБ)
Горение спиртов.
2.Взаимодействие спиртов со щелочными металлами.
3. Окисление спиртов (качественная реакция) - получение альдегидов.
4. .Взаимодействие спиртов с кислотами с образованием сложных эфиров (реакция этерификации).
5. Внутримолекулярная дегидратация спиртов с образованием непредельных углеводородов.
6. Межмолекулярная дегидратация спиртов с образованием простых эфиров.
7. Дегидрирование спиртов – получение альдегидов.
Учитель: составить стих из пяти строчек (Синквейн)
1-я ключевое слово
2-я два прилагательных
3-я три глагола
4-я предложение
5-я слово ассоциирующее с ключевым словом.
Ученик. Спирты.
Ядовитые, жидкие
Поражают, разрушают, губят
Оказывают наркотическое воздействие на организм человека.
Наркотики.
IV. Домашнее задание: параграф № 9,стр.66-70 упр. № 13 б.
Индивидуальные задания. Используя дополнительную литературу: 1) рассказать о сферах применения глицерина и этиленгликоля; 2) рассказать о получении спиртов из целлюлозы и жиров; 3) как действуют эти спирты на организм человека?
V. Итог урока подведем в виде выполнения самостоятельной работы в двух варианта
Литература:
1. Химия 10 класс. Учебник для общеобразовательных учебных заведений. Дрофа Москва 2008 год. Базовый уровень.4-е изд. стереотипное.
2. Химия 100 класс рабочая тетрадь к учебнику. Базовый уровень. Дрофа, 2007 год.
3. Поурочные разработки по химии. К учебникам О. С Габриеляна, . 10 класс
4. , . Химия 9 класс Смоленск Ассоциация XXIвек 2006
5. . ХИМИЯ. Новое уч. пособие для поступающих в вузы. Изд. 4-е, исправленное и дополненное. Ростов-на-Дону. Феникс 2007.
