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
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).
Органические кислородсодержащие соединения, одними из которых являются различные спирты, являются важными функциональными производными углеводородов. Они бывают одноатомными, двух- и многоатомными. Одноатомные спирты - это, по сути, производные углеводородов, в молекулярной составляющей которых - одна гидроксильная группа (обозначаемая «-OH»), связанная с насыщенными атомами углерода.
Одноатомные спирты достаточно широко распространены в природе. Так, метиловый спирт в небольших количествах содержится в соке ряда растений (например, борщевик). Этиловый спирт, являясь продуктом спиртового брожения органических соединений, содержится в подкисших фруктах и ягодах. Цетиловый спирт найден в китовом жире. Пчелиный воск включает цериловый, мирициловый спирты. В лепестках роз обнаружен 2-фенилэтанол. Терпеновые спирты в виде душистых веществ представлены во многих пряно-ароматических культурах.
Спирты подразделяют по молекулярному числу гидроксильных групп. Прежде всего на:
По природе углеводородного радикала спирты подразделяются на ароматические, алифатические, циклические. В зависимости от типа атома углерода, имеющего связь с гидроксильной группой, спирты рассматривают как первичные, вторичные и третичные. Общая формула одноатомного спирта в применении к предельным одноатомным спиртам выражается значением: С n H 2n + 2 O.
Название спиртов по радикально-функциональной номенклатуре образуется из названия, ассоциируемого с гидроксильной группой радикала, и слова «спирт». По систематической номенклатуре IUPAC название спирта образуется от соответствующего алкана с добавлением окончания «-ол». Например:
Нумерация по правилам IUPAC классифицируется положением гидроксильной группы, она получает меньший номер. Например: пентандиол-2-4, 4-метилпентанол-2 и т.д.
Предельные одноатомные спирты обладают следующими типами структурной и пространственной изомерии. Например:
Пространственная изомерия спиртов представлена оптической изомерией. Оптическая изомерия возможна при наличии в молекуле асимметрического атома углерода (содержащего четыре разных заместителя).
Получить предельный одноатомный спирт можно несколькими методами:
Гидролиз галогеналканов - это один из распространенных лабораторных способов получения спиртов. Обработкой водой (как альтернатива - водным раствором щелочи) спирты получают первичные и вторичные:
CH 3 - CH 2 -Br + NaOH → CH 3 - CH 2 - OH + NaBr.
Третичные галогеноалканы гидролизуются еще легче, однако у них легче протекает побочная реакция элиминирования. Поэтому третичные спирты получают другими методами.
Гидратация алкенов производится присоединением к алкенам воды в присутствии кислотосодержащих катализаторов (H 3 PO 4) . Метод лежит в основе промышленного получения таких спиртов, как этиловый, изопропиловый, трет-бутиловый.
Восстановление карбонильной группы осуществляют водородом в присутствии катализатора гидрирования (Ni или Pt). Из кетонов при этом образуются вторичные спирты, из альдегидов - первичные предельные одноатомные спирты. Формула процесса:
CH 3 - C = O (-H) + H 2 (этаналь) → CH 3 - CH 2 - OH (этанол).
Присоединением к альдегидам и кетонам алкилмагнийгалогенидов получают магний-органические соединения. Реакцию проводят в сухом диэтиловом эфире. Последующий гидролиз магнийорганических соединений образует одноатомные спирты.
Первичные спирты образуются по реакции Гриньяра только из формальдегида и любых алкилмагнийгалогенидов. Другие альдегиды дают по этой реакции вторичные спирты, кетоны - третичные спирты.
Промышленные методы, как правило, являются непрерывными процессами с многократной рециркуляцией больших масс реагирующих веществ, осуществляемые в газовой фазе. Промышленно важными спиртами являются метанол и этанол.
Метанол (его объемы производства самые большие среди спиртов) до 1923 года получали сухой перегонкой (нагреванием без доступа воздуха) древесины. Сегодня его генерируют из синтез-газа (смеси CO и H 2). Процесс проводят под давлением 5-10 МПа с использованием оксидных катализаторов (ZnO + Cr 2 O 3 , CuO + ZnO + Al 2 O 3 и других) в интервале температур 250-400˚С, в результате получали предельные одноатомные спирты. Формула реакции: CO + 2H 2 → CH 3 OH.
В 80-е годы при изучении механизма этого процесса было установлено, что метанол образуется не из угарного газа, а из углекислого газа, получающегося при взаимодействии угарного газа со следами воды.
Распространенным производственным методом синтеза технического этанола является гидратация этилена. Формула одноатомного спирта этанола получит следующий вид:
CH 2 = CH 2 + H 2 O → CH 3 - CH 2 OH.
Процесс проводят под давлением 6-7 МПа в газовой фазе, пропуская этилен и пары воды над катализатором. Катализатором выступают фосфорная либо серная кислоты, нанесенные на силикагель.
Пищевой и медицинский этиловый спирт получают ферментативным гидролизом сахаров, содержащихся в винограде, ягодах, злаках, картофеле с последующим сбраживанием образующейся глюкозы. Брожение сахаристых веществ вызывается дрожжевыми грибками, относящимися к группе ферментов. Для процесса наиболее благоприятна температура 25-30˚С. На промпредприятиях применяют этанол, полученный сбраживанием образующихся при гидролизе древесины и отходов целлюлозно-бумажного производства углеводов.
В молекулах спиртов существуют атомы водорода, связанные с электроотрицательным элементом - кислородом, практически лишенные электронов. Между этими атомами водорода и атомами кислорода, имеющими неподеленные пары электронов, образуются межмолекулярные водородные связи.
Водородная связь обусловлена специфическими особенностями атома водорода:
Водородная связь примерно в 10 раз слабее обычной ковалентной. Энергия водородной связи находится в пределах 4-60 кДж/моль, для молекул спиртов она составляет 25 кДж/моль. От обычных s-связей она отличается и большей длиной (0,166 нм) по сравнению с длиной связи O-H (0,107 нм).
Химические реакции одноатомных спиртов определяются наличием в их молекулах гидроксильной группы, являющейся функциональной. Атом кислорода находится в sp3-гибридном состоянии. Валентный угол близок к тетраэдрическому. Две sp3-гибридные орбитали идут на образование связей с другими атомами, а на двух других орбиталях находятся неподеленные пары электронов. Соответственно, на атоме кислорода сосредоточен частичный отрицательный заряд, а на атомах водорода и углерода - частичные положительные заряды.
Связи C-O и C-H - ковалентные полярные (последняя более полярная). Гетеролитический разрыв связи O-H с образованием H+ обусловливает кислотные свойства одноатомных спиртов. Атом углерода с частичным положительным зарядом может быть объектом атаки нуклеофильного реагента.
Спирты являются очень слабыми кислотами, более слабыми, чем вода, но более сильными, чем ацетилен. Они не вызывают изменения окраски индикатора. Окисление одноатомных спиртов проявляется при взаимодействии с активными металлами (щелочными и щелочно-земельными) с выделением водорода и образованием алкоголятов:
2ROH + 2Na → 2RONa + H 2.
Алкоголяты щелочных металлов - вещества с ионной связью между кислородом и натрием, в растворе одноатомного спирта они диссоциируют с образованием алкосид-ионов:
CH 3 ONa → CH 3 O - + Na + (метоксид-ион).
Образование алкоголятов возможно также осуществить по реакции спирта с амидом натрия:
C 2 H 5 OH + NaNH 2 → C 2 H 5 ONa + NH 3 .
А произойдет ли реакция этанола со щелочью? Практически нет. Вода - более сильная кислота, чем этиловый спирт, поэтому здесь устанавливается равновесие. С увеличением длины углеводородного радикала в молекуле спирта кислотные свойства снижаются. Также предельные одноатомные спирты характеризуются снижением кислотности в ряду: первичный → вторичный → третичный.
В спиртах связь C-O поляризована, на атоме углерода сконцентрирован частичный положительный заряд. Как следствие - атом углерода атакуется нуклеофильными частицами. В процессе разрыва связи C-O происходит замещение другим нуклеофилом гидроксильной группы.
Одной из таких реакций является взаимодействие спиртов с галогенводородами или их концентрированными растворами. Уравнение реакции:
C 2 H 5 OH + HBr → C 2 H 5 Br + H 2 O.
Для облегчения отщепления гидроксильной группы используют в качестве катализатора концентрированную серную кислоту. Она протонирует атом кислорода, тем самым активируя молекулу одноатомного спирта.
Первичные спирты, как и первичные галогеноалканы, вступают в реакции обмена по механизму SN 2 . Вторичные одноатомные спирты, как и вторичные галогеноалканы, реагируют с галогеноводородными кислотами. Условия взаимодействия спиртов подчинены природе реагирующих компонентов. Реакционная способность спиртов подчиняется следующей закономерности:
R 3 COH → R 2 CHOH → RCH 2 OH.
В мягких условиях (нейтральные или щелочные растворы перманганата калия, хромовой смеси при температуре 40-50°С) окисляются первичные спирты до альдегидов, при нагревании до более высокой температуры - до кислот. Вторичные спирты проходят процесс окисления до кетонов. Третичные окисляются в присутствии кислоты в очень жестких условиях (например, хромовой смесью при температуре 180°С). Реакция окисления третичных спиртов идет через дегидратацию спирта с образованием алкена и окислением последнего с разрывом двойной связи.
Спирты — сложные органические соединения, углеводороды, обязательно содержащие один или несколько гидроксилов (групп ОН—), связанных с углеводородным радикалом.
По мнению историков, уже за 8 веков до нашей эры человек употреблял напитки, содержащие этиловый спирт. Их получали методом сбраживания фруктов или меда. В чистом виде этанол был выделен из вина арабами примерно в VI-VII веках, а европейцами — на пять столетий позже. В XVII веке перегонкой древесины был получен метанол, а в XIX веке химики установили, что спирты — это целая категория органических веществ.
— По количеству гидроксилов спирты делят на одно-, двух-, трех-, многоатомные. Например, одноатомный этанол; трехатомный глицерин.
— По тому, с каким числом радикалов связан атом углерода, соединенный с группой ОН—, спирты разделяют на первичные, вторичные, третичные.
— По характеру связей радикала спирты бывают предельными, непредельными, ароматическими. В ароматических спиртах гидроксил связан не напрямую с бензольным кольцом, а через другой (другие) радикалы.
— Соединения, в которых ОН— прямо связана с бензольным циклом, считаются отдельным классом фенолов.
В зависимости от того, сколько в молекуле углеводородных радикалов, спирты могут быть жидкими, вязкими, твердыми. Водорастворимость уменьшается с ростом количества радикалов.
Простейшие спирты смешиваются с водой в любых пропорциях. Если же в молекулу входит более 9 радикалов, то вообще не растворяются в воде. Все спирты хорошо растворяются в органических растворителях.
— Спирты горят, выделяя большое количество энергии.
— Вступают в реакции с металлами, в результате чего получаются соли — алкоголяты.
— Взаимодействуют с основаниями, проявляя качества слабых кислот.
— Реагируют с кислотами и ангидридами, проявляя оснóвные свойства. Результатом реакций являются сложные эфиры.
— Воздействие сильными окислителями приводит к образованию альдегидов или кетонов (в зависимости от вида спирта).
— При определенных условиях из спиртов получают простые эфиры, алкены (соединения с двойной связью), галогенуглеводороды, амины (производные от аммиака углеводороды).
Спирты токсичны для человеческого организма, некоторые — ядовиты (метилен, этиленгликоль). Этилен оказывает наркотическое воздействие. Опасны и пары спиртов, поэтому работы с растворителями на основе спирта должны производиться с соблюдением техники безопасности.
Тем не менее, спирты участвуют в естественном метаболизме растений, животных и человека. К категории спиртов относятся такие жизненно важные вещества как витамины A и D, стероидные гормоны эстрадиол и кортизол. Более половины липидов, поставляющих энергию нашему организму, имеют в своей основе глицерин.
— В органическом синтезе.
— Биотопливо, добавки в топливо, ингредиент тормозной жидкости, гидравлических жидкостей.
— Растворители.
— Сырье для производства ПАВ, полимеров, пестицидов, антифризов, взрывчатых и отравляющих веществ, бытовой химии.
— Душистые вещества для парфюмерии. Входят в состав косметических и медицинских средств.
— Основа алкогольных напитков, растворитель для эссенций; сахарозаменитель (маннит и т.п.); краситель (лютеин), ароматизатор (ментол).
Одноатомный спирт. Применяется в качестве растворителя; пластификатора при 
изготовлении полимеров; модификатора формальдегидных смол; сырья для органического синтеза и получения душистых веществ для парфюмерии; добавки к топливу.
Одноатомный спирт. Востребован для полимеризации смол и пластиков, как растворитель и пленкообразователь в лакокрасочной продукции; сырье для органического синтеза; связующий и уплотняющий агент при производстве полимербетона.
Вторичный одноатомный спирт. Активно используется в медицине, металлургии, химпроме. Заменитель этанола в парфюмерных, косметических, дезинфицирующих продуктах, средствах бытовой химии, антифризах, очистителях.
Двухатомный спирт. Применяется при производстве полимеров; красок для типографий и текстильного производства; входит в состав антифризов, тормозных жидкостей, теплоносителей. Используется для осушения газов; как сырье для органического синтеза; растворитель; средство для криогенной «заморозки» живых организмов.
Трехатомный спирт. Востребован в косметологии, пищепроме, медицине, как сырье в орг. синтезе; для изготовления взрывчатого вещества нитроглицерина. Применяется в сельском хозяйстве, электротехнике, текстильной, бумажной, кожевенной, табачной, лакокрасочной индустрии, в производстве пластиков и средств бытовой химии.
Шестиатомный (многоатомный) спирт. Применяется как пищевая добавка; сырье для изготовления лаков, красок, олиф, смол; входит в состав ПАВ, парфюмерных продуктов.
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
