Конспект

YouTubeВСЕ про одноатомные спирты | Органика с НУЛЯ | Степенин и Дацук

Одноатомные спирты: строение, свойства, получение и применение

Ключевые тезисы

  • Спирты — гидроксильные соединения, содержащие одну или более -OH групп.
  • Классифицируются по числу -OH групп (одно- и многоатомные) и типу углерода, с которым связана -OH группа (первичные, вторичные, третичные).
  • Наличие -OH группы обуславливает водородные связи, влияющие на физические свойства (температуру кипения).
  • Спирты проявляют слабые кислотные свойства, вступают в реакции замещения, дегидратации, этерификации и окисления.
  • Способы получения спиртов разнообразны: от гидратации алкенов до специфических методов (синтез метанола, брожение глюкозы).

Классификация и строение спиртов

Гидроксильные соединения — вещества, содержащие одну или более гидроксильных групп (-OH). Основные подклассы: спирты и фенолы.

Классификация спиртов:

  1. По числу -OH групп:
    • Одноатомные (одна -OH группа). Примеры: CH₃OH (метанол), CH₃CH₂CH₂OH (пропанол-1).
    • Многоатомные (две и более -OH групп). Примеры: этиленгликоль (двухатомный), глицерин (трёхатомный).
  2. По типу углеродного атома, связанного с -OH (для одноатомных):
    • Первичные (-OH при первичном атоме C). Пример: CH₃CH₂OH (этанол).
    • Вторичные (-OH при вторичном атоме C). Пример: CH₃CH(OH)CH₃ (пропанол-2).
    • Третичные (-OH при третичном атоме C). Пример: (CH₃)₃COH.
    • Четвертичных спиртов не существует, так как у четвертичного углерода нет свободной связи для -OH группы.
  3. По строению углеводородного радикала:
    • Предельные (только одинарные связи).
    • Непредельные (содержат двойные/тройные связи). Важно: -OH группа не может находиться непосредственно у атома углерода с двойной связью (неустойчиво).
    • Ароматические (содержат бензольное кольцо, но -OH группа связана не с атомом кольца, а с боковой цепью).

Изомерия спиртов:

  • Структурная изомерия: изомерия углеродного скелета, положения функциональной группы (-OH).
  • Межклассовая изомерия: с простыми эфирами (общая формула CₙH₂ₙ₊₂O). Пример: C₂H₆O — это и этанол, и диметиловый эфир.
  • Метанол не имеет структурных изомеров.

Физические свойства и водородная связь

  • Наличие -OH группы обеспечивает образование водородных связей между молекулами спиртов.
  • Водородная связь возникает между атомом водорода одной молекулы (частичный δ⁺ заряд) и атомом кислорода другой (частичный δ⁻ заряд).
  • Следствия:
    • Повышение температуры кипения по сравнению с изомерными простыми эфирами (у которых нет -OH и водородных связей).
    • При комнатной температуре спирты — жидкости (нет газообразных форм).
    • С увеличением длины углеводородного радикала водородные связи ослабевают.
  • Водородные связи также характерны для карбоновых кислот, фенолов, аминокислот (при наличии связей O-H или N-H).

Химические свойства спиртов

1. Кислотные свойства и реакции с активными металлами

  • Спирты — очень слабые кислоты. Реагируют только с активными металлами (K, Na, Mg, Al).
  • Продукты: алкоголяты (соли спиртов) и водород.
  • Пример: 2CH₃CH₂OH + 2Na → 2CH₃CH₂ONa + H₂↑

2. Гидролиз алкоголятов

  • Алкоголяты гидролизуются водой (как более сильной кислотой) с образованием исходного спирта.
  • Пример: CH₃CH₂ONa + H₂O → CH₃CH₂OH + NaOH

3. Получение простых эфиров (реакция Вильямсона)

  • Взаимодействие алкоголята с галогеналканом.
  • Пример: CH₃CH₂ONa + CH₃I → CH₃CH₂OCH₃ (метиловый эфир) + NaI

4. Замещение -OH группы на галоген

  • Взаимодействие с галогеноводородами (HCl, HBr) или галогенидами фосфора (PCl₅, PBr₃).
  • Пример: CH₃CH₂OH + HCl (конц.) → CH₃CH₂Cl + H₂O

5. Дегидратация (отщепление воды)

  • Зависит от температуры и катализатора (H₂SO₄ конц., H₃PO₄, Al₂O₃).
    • t < 140°C (межмолекулярная): образование простых эфиров.
      • 2CH₃CH₂OH → CH₃CH₂OCH₂CH₃ (диэтиловый эфир) + H₂O
    • t > 140°C (внутримолекулярная): образование алкенов (по правилу Зайцева).
      • CH₃CH₂CH₂OH → CH₃CH=CH₂ (пропен) + H₂O
  • Метанол при дегидратации даёт только простой эфир.

6. Этерификация (реакция со сложными эфирами)

  • Взаимодействие спиртов с карбоновыми или неорганическими кислотами. Обратимая реакция, катализатор — кислота.
  • Примеры:
    • С органической кислотой: CH₃COOH + CH₃OH ⇄ CH₃COOCH₃ (метилацетат) + H₂O
    • С азотной кислотой: CH₃CH₂OH + HNO₃ → CH₃CH₂ONO₂ (этилнитрат, сложный эфир) + H₂O
    • С глицерином и HNO₃ → тринитроглицерин.

7. Окисление

  • Окислители: KMnO₄, K₂Cr₂O₇, CuO.
  • Продукты зависят от типа спирта и условий:
    • Метанол: в кислой среде → CO₂; в щелочной → карбонат.
    • Первичные спирты:
      • В кислой среде → карбоновые кислоты.
      • В щелочной/нейтральной среде → соли карбоновых кислот.
      • С CuO или при каталитическом дегидрировании → альдегиды.
    • Вторичные спирты → кетоны (в любых условиях).
    • Третичные спирты в условиях ЕГЭ не окисляются.

8. Каталитическое дегидрирование

  • Нагревание с катализаторами (Cu, Ag).
  • Первичные спирты → альдегиды + H₂.
  • Вторичные спирты → кетоны + H₂.

9. Алкилирование аренов (реакция Фриделя-Крафтса для спиртов)

  • Взаимодействие бензола со спиртом в кислой среде (катализатор H₃PO₄).
  • Пример: C₆H₆ + CH₃OH → C₆H₅CH₃ (метилбензол) + H₂O

10. Аммонолиз (взаимодействие с аммиаком и аминами)

  • При нагревании со спиртами происходит замещение -OH группы на аминогруппу.
  • Пример: CH₃CH₂CH₂OH + NH₃ → CH₃CH₂CH₂NH₂ (пропиламин) + H₂O

11. Реакция Лебедева (получение бутадиена-1,3)

  • 2CH₃CH₂OH → CH₂=CH-CH=CH₂ (бутадиен-1,3) + 2H₂O + H₂↑
  • Катализаторы: Al₂O₃, ZnO.

Способы получения спиртов

  1. Гидратация алкенов: Присоединение воды по правилу Марковникова. Пример: CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃CH₂OH.
  2. Щелочной гидролиз галогеналканов: Замена галогена на -OH группой. Пример: CH₃CH₂Br + NaOH (водн.) → CH₃CH₂OH + NaBr.
  3. Гидрирование альдегидов и кетонов: Присоединение водорода по связи C=O.
    • Альдегиды → первичные спирты.
    • Кетоны → вторичные спирты.
  4. Специфические методы:
    • Метанол: CO + 2H₂ → CH₃OH (синтез-газ).
    • Этанол: C₆H₁₂O₆ (глюкоза) → 2CH₃CH₂OH + 2CO₂ (спиртовое брожение).

Пример решения цепочки превращений

Рассмотрим цепочку от бромэтана до тетрабромбутана, демонстрирующую применение свойств спиртов.

Ключевые этапы:

  1. Получение этанола (X1): Щелочной гидролиз бромэтана.
    CH₃-CH₂-Br + KOH (водн.) → CH₃-CH₂-OH (этанол) + KBr
  2. Окисление этанола до этаналя: Контролируемое окисление первичного спирта дихроматом калия в кислой среде.
    CH₃-CH₂-OH + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → CH₃-C(O)H (этаналь) + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O
  3. Восстановление этаналя до этанола (X1): Гидрирование альдегида.
    CH₃-C(O)H + H₂ → CH₃-CH₂-OH (этанол)
  4. Получение бутадиена-1,3: Реакция Лебедева из двух молекул этанола.
    2 CH₃-CH₂-OH → CH₂=CH-CH=CH₂ (бутадиен-1,3) + 2 H₂O + H₂
  5. Присоединение брома: К бутадиену-1,3 присоединяют избыток брома по двум двойным связям. Вещество X2 — 1,2,3,4-тетрабромбутан.
    CH₂=CH-CH=CH₂ + 2 Br₂ → CH₂Br-CHBr-CHBr-CH₂Br

Выводы

  • Спирты — многофункциональный класс соединений с широким спектром химических свойств, определяемых гидроксильной группой.
  • Ключевые реакции: окисление (зависит от типа спирта), дегидратация (зависит от условий), этерификация, замещение -OH.
  • Для успешного решения задач необходимо чётко различать первичные, вторичные и третичные спирты, а также помнить условия протекания реакций.
  • Решение цепочек превращений требует знания типичных свойств классов соединений и внимания к логике схемы (например, повторяющимся промежуточным веществам).