Химия 10 класс 10-Х-3

1. Спирты

Спирты

– производные углеводородов, в которых  один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильную группу – `"OH"`. Спирты, содержащие одну -`"OH"` группу, называются алкоголями, две – гликолями, три – глицеринами.

В зависимости от характера углеводородного радикала спирты делятся на алифатические (метанол, изопропанол и т. п.), циклические (циклопентанол и т. п.), ароматические (бензиловый спирт). 

Соединения, у которых `"OH"`- группа непосредственно связана с бензольным кольцом, называют фенолами.

В зависимости от того, при каком углеродном атоме находится гидроксильная  группа, различают спирты первичные `("RCH"_2-"OH")`, вторичные `("R"_2"CH"-"OH")` и третичные `("R"_3"C"-"OH")`.

Простейшие первичные алифатические спирты: 

`"CH"_3-"OH"` метанол

`"CH"_3-"CH"_2-"OH"` этанол

`"CH"_3-"CH"_2-"CH"_2-"OH"` пропанол-1

Вторичные:                                                        

Третичный:     

По числу гидроксильных групп в молекуле спирты делятся на одноатомные и многоатомные. Общая формула гомологического ряда предельных одноатомных спиртов  - `"C"_"n""H"_(2"n"+1)"OH"`.

Изомерия спиртов

 связана:  а) со строением углеродного скелета, например,

б)  c положением функциональной группы – `"OH"`:

              

          

в) межклассовые изомеры спиртам – простые эфиры:

Номенклатура

Названия спиртов образуют, добавляя суффикс -ол к названию углеводорода с самой длинной углеродной цепью, включающей гидроксильную группу. Нумерацию начинают с того конца, к которому ближе расположена гидроксильная группа. Положение группы указывается цифрой после названия спирта. У циклических спиртов нумерацию атомов углерода в цикле начинают с того атома, при котором находится гидроксильная группа, и ведут таким образом, чтобы заместитель получил возможно меньший номер. Если гидроксильных групп в молекуле несколько, в названии спиртов используется суффикс  -диол,  -триол и т. д. Кроме того, используется заместительная номенклатура, по которой название спирта производится от соответствующего углеводородного радикала, заканчивая его - овый и добавляя слово «спирт». Примеры:

     


Одноатомные спирты

Физические свойства.

Спирты до `"C"_(15)`  – жидкости, высшие спирты – твёрдые вещества. Низшие спирты смешиваются с водой в любых соотношениях. С ростом молекулярной массы растворимость спиртов в воде падает; высшие спирты, начиная с гексилового,  практически нерастворимы. Спирты имеют высокие температуры плавления и кипения за счёт образования межмолекулярных водородных связей:

Возможность образования водородных связей между молекулами спиртов и воды способствует растворению спиртов в воде, причём чем больше гидроксильных групп и короче углеводородный радикал, тем выше растворимость. Высшие спирты по растворимости подобны углеводородам.

Получение

1. Гидратация алкенов при нагревании в присутствии кислотных катализаторов:

$$ {\mathrm{CH}}_{2}={\mathrm{CH}}_{2}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}\underset{\mathrm{t}°}{\overset{{\mathrm{H}}^{+}}{\to }}{\mathrm{CH}}_{3}-{\mathrm{CH}}_{2}-\mathrm{OH}$$

Присоединение воды к несимметричным алкенам идёт по правилу Марковникова:

2. Гидролиз алкилгалогенидов под действием водных растворов щелочей:

`"R"-"Br"+"NaOH"->"R"-"OH"+"NaBr"`.

3. Восстановление карбонильных соединений при нагревании над `"Ni"` или `"Pt"`:

`"R"-"CH"="O"+"H"_2->"R"-"CH"_2-"OH"`

`"R"-"CO"-"R"^'+"H"_2->"R"-"CH"("OH")-"R"^'`.

4. Этанол получают при спиртовом брожении сахаров:

$$ {\mathrm{C}}_{6}{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_{6}\stackrel{\mathrm{ферменты}}{\to }2{\mathrm{C}}_{2}{\mathrm{H}}_{5}\mathrm{OH}+2{\mathrm{CO}}_{2}\uparrow $$.

5. Метанол получают из  синтез-газа (промышленный  способ)  под  давлением `5–10` МПа с использованием оксидных катализаторов `("CuO", "ZnO", "Cr"_2"O"_3)` в интервале температур  `250-400^@"C"`:

$$ \mathrm{CO}+2{\mathrm{H}}_{2}\underset{\mathrm{t}°,\mathrm{p}}{\overset{\mathrm{кат}}{\to }}{\mathrm{CH}}_{3}\mathrm{OH}$$.

Химические свойства

Характерные свойства спиртов можно представить в виде схемы:

Реакции с разрывом связи `"O"-"H"`

1. Слабые кислотные свойства. Спирты реагируют со щелочными металлами, но не реагируют со щелочами:

`2"C"_2"H"_5"OH"+2"K"->2"C"_2"H"_5"OK"+"H"_2 uarr` этилат калия

2. Реакция этерификации. Взаимодействие с органическими и минеральными кислотами:

$$  {\mathrm{C}}_{2}{\mathrm{H}}_{5}\mathrm{OH}+{\mathrm{CH}}_{3}\mathrm{COOH}\stackrel{{\mathrm{H}}^{+}}{\rightleftarrows }{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}+{\mathrm{CH}}_{3}{\mathrm{COOC}}_{2}{\mathrm{H}}_{5}  \left(\mathrm{этилацетат}\right)$$

$$ {\mathrm{C}}_{2}{\mathrm{H}}_{5}\mathrm{OH}+{\mathrm{HONO}}_{2}\rightleftarrows {\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}+{\mathrm{C}}_{2}{\mathrm{H}}_{5}-\mathrm{O}-{\mathrm{NO}}_{2}   \left(\mathrm{этилнитрат}\right)$$

Реакции с разрывом связи `"C"-"О"`

1. Реакция нуклеофильного замещения `"S"_"N"`. В процессе разрыва связи `"C"-"O"` происходит замещение гидроксильной группы другими нуклеофилами:

$$ {\mathrm{CH}}_{3}-{\mathrm{CH}}_{2}-\mathrm{OH}+\mathrm{HBr}\rightleftarrows {\mathrm{CH}}_{3}-{\mathrm{CH}}_{2}-\mathrm{Br}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}$$

2. Реакции дегидратации протекают при нагревании с водоотнимающими веществами:

$$ \begin{array}{l}{\mathrm{CH}}_{3}-{\mathrm{CH}}_{2}-\mathrm{OH}\underset{\mathrm{t}°>140°\mathrm{C}}{\overset{{\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{SO}}_{4}}{\to }}{\mathrm{CH}}_{2}={\mathrm{CH}}_{2}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}\\     (\mathrm{внутримолекулярная} \mathrm{дегидратация})\end{array}$$

Реакции окисления

Для подбора стехиометрических коэффициентов в окислительно-восстано-вительных реакциях (ОВР) возможны два метода: электронного (программа ОГЭ по химии) и электронно-ионного баланса (см. методическое указание «Углеводороды»). Для определения степени окисления атомов в молекулах органических веществ в методе электронного баланса существует несколько правил:

1. Сумма степеней окисления водорода в органической молекуле всегда `+1`, а кислорода `-2` (за исключением перекисей, где она составляет  `-1`).

2. Молекулу необходимо разделить на фрагменты, включающие по одному атому углерода, в каждом из которых сумма степеней окисления всех атомов должна быть равна нулю. 

Примеры:

                        

Для спиртов возможно полное и неполное окисление:

1. Горение (полное окисление). Спирты горят на воздухе бледно-голубым пламенем с выделением большого количества теплоты. Горение предельных одноатомных спиртов выражает уравнение в общем виде:

`"C"_n"H"_(2n+1)"OH"+3n//2"O"_2->n"CO"_2+(n+1)"H"_2"O"`

2. Неполное окисление. В присутствии окислителей (например, `"CuO", "K"_2"Cr"_2"O"_7)`первичные спирты окисляются до альдегидов, а вторичные – до кетонов.

а) Рассмотрим окисление этанола до уксусного альдегида под действием  `"K"_2"Cr"_2"O"_7` в кислой среде.  Окислитель – `"K"_2"Cr"_2"O"_7` (за счёт `"Cr"^(+6)`). Восстановитель – этанол (за счёт углерода при гидроксиле `"C"^(-1)`). 

`3"C"_2"H"_5"OH"+"K"_2"Cr"_2"O"_7+4"H"_2"SO"_4->`

`->3"CH"_3"COH"+"Cr"_2("SO"_4)_3+"K"_2"SO"_4+7"H"_2"O"`

$$ \left.\begin{array}{l}2{\mathrm{Cr}}^{+6}+6\left.\mathrm{e}\right.\to 2{\mathrm{Cr}}^{+3}\\    {\mathrm{C}}^{-1}-2\left.\mathrm{e}\right.\to   {\mathrm{C}}^{+1}\end{array}\right|\begin{array}{c}1\\ 3\end{array}$$

Окисление оксидом меди (II):

б) Рассмотрим окисление вторичных спиртов:

$$ \left.\begin{array}{l}{\mathrm{C}}^{0}-2{e}^{-}\to {\mathrm{C}}^{+2}\\ {\mathrm{Mn}}^{+7}+5{e}^{-}\to {\mathrm{Mn}}^{+2}\end{array}\right|\begin{array}{c}5\\ 2\end{array}$$

Окисление вторичных спиртов оксидом меди (II):

в) Третичные спирты устойчивы к воздействию окислителей.

3. В более жёстких условиях (при нагревании в кислой среде с раствором `"KMnO"_4` или `"K"_2"Cr"_2"O"_7`) окисление первичных спиртов идёт до кислот:

`3"C"_2"H"_5"OH"+2"K"_2"Cr"_2"O"_7+8"H"_2"SO"_4->`

`->3"CH"_3"COOH"+2"Cr"_2("SO"_4)_3+2"K"_2"SO"_4+11"H"_2"O"`

Многоатомные спирты

Многоатомные спирты – это производные углеводородов, молекулы которых содержат несколько гидроксильных групп. Важнейшие из них – этиленгликоль и глицерин:

Получение

1. Гидролиз галогеналканов

2. Окисление алкенов холодным водным раствором `"KMnO"_4`(реакция Вагнера):

В щелочной среде окисление алкенов также приводит к образованию двухатомных спиртов: 

3. Глицерин образуется при гидролизе жиров (cм. «Жиры», химические свойства).

Химические свойства

Для двух- и трёхатомных спиртов характерны реакции одноатомных спиртов. Взаимное влияние гидроксильных групп проявляется в том, что многоатомные спирты – более сильные кислоты, чем одноатомные спирты. Многоатомные спирты могут реагировать по каждому гидроксилу отдельно.

1. Взаимодействие со щелочными металлами:

2. Взаимодействие со щелочами: 

3. Взаимодействие с органическими или неорганическими кислотами приводит к образованию сложных эфиров:

    4. Замещение гидроксильных групп на галоген:

      1. 5. Качественной реакцией на многоатомные спирты является появление ярко-синего окрашивания при действии свежеосаждённого гидроксида меди (II).

        1. Цвет раствора обусловлен образованием комплексного гликолята (реакция 1) или глицерата меди (реакция 2):