Конспект: Спирты, фенолы и ароматические углеводороды

Общие формулы и классификация

Вывод общей формулы
Общую формулу гомологического ряда удобно выводить от конкретного представителя:

1. Берём молекулярную формулу вещества (например, для пропанола-1: C₃H₈O).
2. Число атомов углерода принимаем за n.
3. Сравниваем число атомов водорода с 2n. Разница показывает, сколько нужно прибавить или вычесть.
4. Добавляем число атомов кислорода (m).

Формулы для спиртов (предельных)

• Одноатомные спирты: CₙH₂ₙ₊₂O (где m=1).
• Двухатомные спирты: CₙH₂ₙ₊₂O₂ (где m=2).
• Трёхатомные спирты: CₙH₂ₙ₊₂O₃ (где m=3).
• Общий вид: CₙH₂ₙ₊₂Oₘ, где m ≤ n (число OH-групп не может превышать число атомов углерода).

Формулы для фенолов

• Одноатомные фенолы: CₙH₂ₙ₋₆O (где m=1).
• Двухатомные фенолы: CₙH₂ₙ₋₆O₂ (где m=2).
• Трёхатомные фенолы: CₙH₂ₙ₋₆O₃ (где m=3).
• Общий вид: CₙH₂ₙ₋₆Oₘ, где m ≤ n.

Ключевые понятия

• Гомологи — одноклассные соединения, отличающиеся на группу CH₂.
• Изомеры — соединения с одинаковым составом, но разным строением (например, изомеры положения функциональной группы).

Химические свойства одноатомных спиртов

1. Дегидратация (отщепление воды)

   • Внутримолекулярная (t > 140°C): образуется алкен.
   • Межмолекулярная (t < 140°C): образуется простой эфир.

2. Окисление

   • Качественная реакция с оксидом меди(II) (CuO): При нагревании CuO восстанавливается до меди, меняя цвет проволоки с чёрного на розовато-золотистый.
   • Первичные спирты окисляются до альдегидов, а затем до карбоновых кислот.
   • Вторичные спирты окисляются до кетонов.

3. Этерификация (образование сложных эфиров)

   • Взаимодействие с карбоновыми кислотами в присутствии кислотного катализатора.
   • Взаимодействие с неорганическими кислотами (например, с HNO₃).

4. Кислотные свойства

   • Реагируют с активными металлами (Na, K, Ca) с образованием алкоголятов и выделением водорода.
   • Важно: Кислотность спиртов слабее, чем у воды.

5. Замещение OH-группы на галоген

   • Взаимодействие с галогеноводородами (HCl, HBr, HI) или с PCl₅.

Свойства многоатомных спиртов и фенолов

Многоатомные спирты

• Вступают в реакции, характерные для одноатомных спиртов (кроме дегидратации до алкенов).
• Качественная реакция: с Cu(OH)₂ образуют сине-фиолетовый комплекс.
• Могут образовывать сложные эфиры, в том числе с азотной кислотой (например, тринитроглицерин).

Фенолы

• Кислотные свойства: реагируют с активными металлами и щелочами (NaOH, KOH) с образованием фенолятов.
• Реакции электрофильного замещения в кольце: OH-группа — ориентант I рода, направляет заместители в орто- и пара-положения.
• Нитрование: взаимодействие с HNO₃ приводит к нитрованию бензольного кольца.
• Галогенирование: с бромной водой (Br₂) образуется белый осадок 2,4,6-трибромфенола.
• Окисление: окисляются на воздухе и сильными окислителями (KMnO₄ в кислой среде) до хинонов.
• Поликонденсация: с формальдегидом образуют фенолформальдегидную смолу.
• Гидрирование: кольцо может гидрироваться до циклогексанола.
• Растворимость: плохо растворимы в холодной воде, растворимость увеличивается при нагревании.
• Качественные реакции:
  1. С FeCl₃ — фиолетовое окрашивание.
  2. С бромной водой — белый осадок.

Сравнение кислотных свойств и реакционной способности

Ряд кислотности

Сила кислотных свойств убывает: Карбоновые кислоты > Фенол > Вода > Одноатомные спирты.

• Со щелочами (NaOH, KOH) реагируют только фенолы и карбоновые кислоты.
• С гидрокарбонатом натрия (NaHCO₃) реагируют только карбоновые кислоты.
• Влияние радикала в спиртах: Чем больше и сложнее углеводородный радикал, тем слабее кислотные свойства (метанол > этанол > пропанол-1).
• Вытеснение: Более сильная кислота вытесняет более слабую из её соли (например, вода вытесняет спирт из алкоголята).

Сводная таблица свойств

Реакции ароматических углеводородов и их производных

Получение ароматических углеводородов

• Реформинг (дегидроциклизация) — промышленный процесс насыщения смеси ароматическими углеводородами. Например, из гептана (C₇H₁₆) получают метилбензол (толуол).

Реакции на примере толуола и его производных

1. Хлорирование толуола: В присутствии катализаторов (AlCl₃, FeCl₃) образуется смесь орто- и пара-изомеров хлортолуола. Для синтеза необходимый изомер выделяют.
2. Получение ксилола: Из пара-хлортолуола и хлорметана по реакции Вюрца-Фиттига получают пара-диметилбензол (пара-ксилол).
3. Окисление пара-ксилола: Сильным окислителем (KMnO₄/H⁺) окисляется до терефталевой кислоты (1,4-бензолдикарбоновой кислоты). При этом два атома углерода в метильных группах (C⁻³) переходят в карбоксильные (C⁺³), отдавая 12 ē. Марганец (Mn⁺⁷) принимает 5 ē, восстанавливаясь до Mn²⁺.
4. Этерификация терефталевой кислоты: С метанолом в условиях кислотного катализа образует диметилтерефталат (отщепляются две молекулы воды). Реакция обратима.

Практические выводы для решения задач

1. Определение класса: Окончание -ол указывает на спирт, наличие бензольного кольца с OH-группой — на фенол.
2. Поиск гомологов: Найдите вещества одного класса, затем проверьте разницу на одну или несколько групп CH₂.
3. Изомеры положения: Ищите вещества с одинаковым составом, но разным положением OH-группы в цепи.
4. Скорость реакции с металлами: Зависит от активности металла (в группе щелочных увеличивается сверху вниз) и кислотности реагента (вода > метанол > этанол). Гомогенные реакции идут быстрее гетерогенных.
5. Гидролиз:
   • Сложных эфиров (в т.ч. жиров) → кислота (или её соль) + спирт.
   • Алкоголятов → щёлочь + спирт (вода вытесняет более слабую кислоту — спирт).
6. Решение цепочек превращений: Важно корректно применять правила ориентации в бензольном кольце, методы выделения изомеров и составлять уравнения ОВР с электронным балансом.