спирти й ФенОли

гомологічний ряд спиртів

Спирти — оксигеновмісні органічні речовини, молекули яких містять одну або кілька гідроксильних груп OH, приєднаних до карбонового радикала. Групу OH називають функціональною групою, оскільки вона відповідає за всі функціональні особливості спиртів, за якими спирти відрізняються від вуглеводнів та які обумовлюють їхні фізичні й хімічні властивості.

За числом гідроксильних груп у молекулах спирти поділяють на одноатомні (одна гідроксильна група), двохатомні (дві гідроксильні групи) тощо.

Загальна формула одноатомних спиртів:

CnH2n+1OH (R −OH) або CnH2n + 2 O. Перша із цих формул показує, що дані спирти можна вважати

похідними вуглеводнів, у молекулах яких один атом Гідрогену замінений гідроксильною групою.

Загальна формула багатоатомних спиртів: CnH2n+2−m (OH)m .

ізомерія та класифікація спиртів

Для спиртів характерна ізомерія карбонового ланцюга. Окрім цього, у спиртів з’являється ще два типи ізомерії — ізомерія положення функціональної групи та міжгрупова ізомерія.

Міжгрупова ізомерія полягає в тому, що дві сполуки з одним складом належать до різних класів органічних сполук. Загальну формулу

CnН2n+2O може мати два класи сполук — спирти й прості етери.

H

H

H

H

H

C

O

C

H

H

C

C

O

H

H

H

H

H

диметиловий етер

етиловий спирт

За типом атома Карбону, до якого приєднана гідроксильна група, спирти поділяють на первинні, вторинні й третинні.

CH3

CH2

CH2

OH

CH3

CH

CH3

OH

первинний спирт

вторинний спирт

CH3

CH3

C

CH3

OH

третинний спирт

номенклатура спиртів

Спирти також мають загальну назву — алканоли та алкоголі.

Правила складання назви спиртів ґрунтуються на правилах для алканів з деякими доповненнями:

1.Назва спиртів походить від назви відповідного алкану зміною суфікса ­ан на -ол.

2.Оскільки існують спирти з однаковою кількістю атомів Карбону в молекулі, в яких OH-група приєднана до різних атомів Карбону, то слід також указувати положення гідроксильної групи (пропа- нол-1, пропанол-2, гексанол-3 тощо).

3.При складанні назв спиртів розгалуженої будови нумерацію карбонових атомів починають із того кінця, ближче до якого гідроксильна група, у назві спершу позначають місця відгалужень, а потім положення гідроксильної групи (2-метилпропанол-1, 3-метилбутанол-1 тощо). Таким чином, тут зберігається той самий принцип, що й у ненасичених сполуках.

Номенклатура багатоатомних спиртів майже не відрізняється від номенклатури одноатомних спиртів, окрім одного додаткового правила, пов’язаного з більшою кількістю гідроксильних груп: перед суфіксом ­ол, що означає гідроксильну групу, у назві спирту вказують кількість цих груп. Окрім того, за традицією, двохатомні спирти також називають гліколями.

CH2

CH2

— етандіол, або етиленгліколь

OH

OH

C H2

C H

C H3

—

пропандіол-1,2,

або

O H

O H

пропіленгліколь-1,2

CH2

CH2

CH2

—

пропандіол-1,3,

або

OH

OH

пропіленгліколь-1,3

CH2

CH

CH2

— пропантріол-1,2,3, або

OH

OH

OH

гліцерол

CH2

CH

CH

CH

CH

CH2 — гексангекса-

OH

OH

OH

OH

OH

OH нол-1,2,3,4,5,6

Фізичні властивості спиртів

У гомологічному ряді спиртів немає газоподібних речовин. Перші члени гомологічного ряду — це рідини, а вищі спирти (від C15) — тверді речовини. У гомологічному ряді нормальних спиртів зі збільшенням молекулярної маси збільшуються температури плавлення й кипіння. Густина спиртів майже не змінюється. Розчинність у воді при цьому погіршується, хоча перші три члени гомологічного ряду змішуються з водою необмежено. Тверді спирти не мають запаху, тим часом як рідкі спирти мають специфічні запахи. При цьому метанол та етанол за запахом дуже схожі й відрізнити їх дуже складно.

Фізичні властивості спиртів подані в таблиці.

180

H...O ...H

H

Фізичні властивості спиртів

назва	Формула	Мr	ρ, г/мл	tпл, °с	tкип, °с	розчинність у воді
Метанол	CH3OH	32	0,79	–97,5	64,5	Розчиняється
Етанол	C2H5OH	46	0,79	–114,5	78,3	Розчиняється
н-Пропанол	C3H7OH	60	0,80	–126,2	97,2	Розчиняється
н-Бутанол	C4H9OH	74	0,81	–89,5	117,1	Погано розчиняється (7%)
н-Пентанол	C5H11OH	88	0,81	–78,9	138,1	Дужепоганорозчиняється(2%)
н-Гексанол	C6H13OH	102	0,81	–46,1	157,5	Не розчиняється (0,7%)
н-Гептанол	C7H15OH	117	0,81	–30,6	176,4	Не розчиняється
н-Октанол	C8H17OH	130	0,82	–15	195,3	Не розчиняється

У ряді насичених одноатомних спиртів, на відміну від насичених і ненасичених вуглеводнів, немає газоподібних речовин, хоча перші члени ряду мало відрізняються від них за молекулярною масою. Це пояснюється утворенням водневого зв’язку між молекулами спиртів.

За рахунок нього молекули спиртів, так само, як і води, асоційовані, між ними існує додаткова сила міжмолекулярної взаємодії.

Сутність водневого зв’язку полягає в тому, що гідроксильний атом Гідрогену внаслідок зсуву електронної густини до Оксигену має частковий позитивний заряд. Атом Оксигену через наявність у нього неподілених електронних пар і зміщеної до нього електронної густини зв’язків O −H має негативний заряд.

HH

δ− δ+

H C C O H

HH

Таким чином встановлюється електростатична взаємодія між атомами Гідрогену й Оксигену різних молекул спирту. Слід також відзначити, що при утворенні водневого зв’язку, крім електростатичного механізму, присутній і донор- но-акцепторний механізм. Інакше кажучи, між молекулами встановлюється зв’язок через атом Гідрогену — водневий зв’язок. У формулах його зазвичай позначають трьома крапками.

...H

O

H

O		...H		H...
H			.O.
CH3	CH2	O ..	..	O	CH3
		H	H		CH2

Водневий зв’язок не слід ставити в один ряд зі звичайними видами хімічного зв’язку — ковалентним та іонним. Це особливий вид зв’язку. Його довжина більша, аніж звичайний зв’язок O −H, а міцність значно менша.

Утворенням водневих зв’язків з молекулами води пояснюється розчинність спиртів. Молекули спиртів складаються ніби з двох частин — розчинної у воді (гідрофільної), яка містить гідроксильну групу, та нерозчинної (гідрофобної), яка складається з вуглеводневого радикала. Якщо вуглеводневий радикал невеликий, то водневі зв’язки гідроксильної групи з молекулами води спроможні втримати молекулу спирту в розчині. Якщо ж молекула спирту має довгий вуглеводневий ланцюг, «який чинить опір» розчиненню, то гідроксильна група вже не в змозі здійснити розчинення речовини.

Щодо загальних фізичних властивостей багатоатомних спиртів слід відзначити, що це в’язкі речовини, добре розчинні у воді й погано розчинні в органічних розчинниках. За рахунок більшого числа можливих водневих зв’язків багатоатомні спирти мають більшу в’язкість, більшу температуру плавлення та кипіння й кращу розчинність порівняно з їхніми одноатомними аналогами.

Етиленгліколь — це безбарвна сиропоподібна рідина, солодкувата на смак, добре розчиняється у воді й спирті, не розчиняється у вуглеводнях та етерах. Температура кипіння +197,9 °С, температура плавлення –12,6 °С, густина 1,12 г/мл. Надзвичайно отруйна!

Гліцерол — безбарвна сиропоподібна, дуже в’язка рідина, не отруйна. Температура плавлення +18,2 °С, температура кипіння +290 °С, густина 1,26 г/мл. Із водою змішується в будь-яких співвідношеннях, дуже гігроскопічна. За рахунок своєї гігроскопічності використовується для пом’якшення шкіри в шкіряній промисловості та фармації.

181

методи добування спиртів

1.Гідратація алкенів. При взаємодії алкенів з водою в присутності мінеральних кислот (сульфатної, фосфатної) утворюються спирти. Мінеральні кислоти виконують роль каталізаторів і є джерелом протонів:

H C

CH

2

+ H

O

H

CH3

CH2

OH

2

Приєднання води відбувається за правилом Марковникова:

CH3 −CH = CH2 +HOH → CH3 −CH(OH) −CH3 .

Гідратація етиленових вуглеводнів у присутності окисників (найчастіше калій перманганату) призводить до утворення багатоатомних спиртів (реакція Вагнера):

CH2 = CH2 +H2O +[O]→ CH2OH −CH2OH .

2.Гідроліз галогенопохідних алканів водним розчином лугів:

CH

CH

Cl + K

O

H

CH

CH

OH

3

2

3

2

–KCl

(водн. розчин)

Гідроліз полігалогенопохідних алканів водними розчинами лугів призводить до утворення багатоатомних спиртів:

H2C

Cl

H2C

OH

HC

Cl + 3KOH

HC

OH

+ 3KCl

OH

H2C

Cl

H2C

3.Відновлення альдегідів у присутності каталізаторів:

O

CH3 C +2[H] CH3 CH2 OH H

4.Етиловий спирт можна добувати спиртовим бродінням вуглеводів (глюкози) під впливом ферменту зимази спиртових дріжджів:

C6H12O6 →2C2H5OH +2CO2 ↑.

хімічні властивості спиртів

1. Горіння. При збільшенні кількості атомів Карбону в молекулі спиртів поряд з реакцією повного згорання спиртів може відбуватися реакція неповного згорання з виділенням сажі (вуглецю), що призводить до збільшення світління полум’я. Виділення різних продуктів (CO2 та C) пояснює явище яскравого полум’я, що коптить.

Повне згорання (достатня кількість кисню):

C2H5OH +3O2 →2CO2 +3H2O.

Неповне згорання з виділенням чадного газу (нестача кисню):

C4H9OH +4O2 →4CO +5H2O.

Неповне згорання з виділенням сажі (нестача кисню):

C6H13OH +3O2 →6C +7H2O.

2. Взаємодія спиртів з лужними металами.

Атоми активних металів витісняють атоми Гідрогену гідроксильної групи з утворенням алкоголятів та газоподібного водню:

2C2H5OH +2Na →2C2H5ONa+H2 ↑.

етилат

натрію

Реакція з натрієм дає привід зараховувати спирти до класу кислот. Однак спирт не проводить електричного струму, не забарвлює лакмус в червоний колір, майже не взаємодіє з водними розчинами лугів, його дисоціація виражена значно слабше, ніж у води. Саме тому спирт не відносять до кислот (з погляду теорії Арреніуса).

Багатоатомні спирти також здатні взаємодіяти з активними металами, зокрема з натрієм. Реакція відбувається аналогічно до одноатомних спиртів.

H2C				OH			H2C				ONa
2 HC				OH	+ 6Na		2 HC				ONa + 3H2
				OH							ONa
H2C
							H2C

Взаємодія з натрієм відбувається дуже бурхливо з виділенням великої кількості теплоти, унаслідок чого водень, який виділяється, може самозайматися.

3. Взаємодія спиртів з галогеноводнями.

Спирти здатні взаємодіяти з галогеноводнями в присутності концентрованої сульфатної кислоти з утворенням галогеналканів (гідроксильна група заміщається атомом галогену):

C2H5OH +HBr → C2H5Br +H2O.

Багатоатомні спирти взаємодіють із галогеноводнями в присутності речовин, які зв’язують воду. Однак відгін з реакційного середовища галогенопохідних багатоатомних спиртів утруднений унаслідок високої температури кипіння:

H2C

OH

HBr

H2C

Br

HC

OH

+

HC

OH + H2O

OH

OH

H2C

H2C

Заміщення другої гідроксильної групи більш утруднене, а третя гідроксильна група, як правило, не заміщається.

4. Дегідратація. Процес дегідратації може відбуватися двома різними способами: за участю однієї молекули спирту та двох молекул спирту.

4.1. Внутрішньомолекулярна дегідратація. Під дією водовідіймального засобу (найчастіше

182

в цій ролі виступає сульфатна кислота) від молекули спирту відщеплюється молекула води: гідроксильна група й атом Гідрогену від сусіднього атома Карбону. При цьому вільні валентності двох сусідніх атомів Карбону насичуються за рахунок утворення додаткового зв’язку: у процесі внутрішньомолекулярної дегідратації спиртів утворюються ненасичені вуглеводні:

H H

H H

H2SO4

H

H + H2O

H

C

C

H

C

C

HOH

Реакція дегідратації є оборотною реакцією. Здійснюючи її у зворотному напрямку, тобто приєднуючи воду до ненасичених вуглеводнів, добувають спирти.

4.2. Міжмолекулярна дегідратація. При надлишку етанолу й не дуже сильному нагріванні реакція дегідратації може протікати за участю двох молекул — міжмолекулярна дегідратація. При цьому утворюються прості етери:

H

H

H

H

OH + HO

H2SO4

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H + H2O

C

C

O

C

C

H

H

H

H

5. Взаємодія багатоатомних спиртів з міне­ ральними кислотами.

Багатоатомні спирти здатні взаємодіяти з мінеральними кислотами (наприклад, з нітратною) з утворенням етерів. Ця реакція лежить в основі виробництва вибухових речовин:

H2C

OH

HO

NO2

H C

O

NO

2

2

HC

OH + HO

NO

NO

2

HC

O

2

+ 3H O

OH

2

H2C

HO

NO

2

H C

O

NO

2

2

Взаємодією з нітратною кислотою добувають динітроетиленгліколь і тринітрогліцерол.

6. Якісна реакція на багатоатомні спирти.

Якісною реакцією на багатоатомні спирти є взаємодія їх зі свіжоосадженим купрум(ІІ) гідроксидом. Атоми Купруму заміщають атоми Гідрогену в гідроксигрупі аналогічно до взаємодії з натрієм. У результаті реакції при додаванні до блакитного осаду купрум(ІІ) гідроксиду розчину багатоатомного спирту утворюється темно-синій розчин комплексної сполуки Купруму із двома молекулами спирту:

H2C

OH

HO

CH2

HC

OH

Cu OH HO

CH

NaOH

OH HO

H C

HO

CH2

2

H2C

OH

HO

CH2

HC

ONa+

O

CH

Cu

H2C

O

O

CH2

Na+

Аналогічно купрум(ІІ) гідроксид реагує й з іншими багатоатомними спиртами.

застосування спиртів

Спирти використовують як органічні розчинники, як паливо для двигунів (добавка метилового й етилового спиртів сприяє повноті згорання й запобігає забрудненню атмосфери).

Їх використовують також для виробництва бутадієну, з якого в подальшому виготовляють синтетичний каучук, для добування низки фармацевтичних препаратів (медичного етеру, хлоретану тощо), а ще для добування оцтової кислоти та «фруктових есенцій» (естерів).

У майбутньому все більше й більше зростатиме значення метилового спирту для добування найрізноманітніших речовин, потрібних народному господарству. За багатством своїх застосувань, як вважають вчені, він перевершить етиловий спирт, і його роль можна буде порівняти з тією, котру сьогодні відіграють в органічному синтезі ненасичені вуглеводні.

Метиловий спирт використовують для добування формальдегіду, потрібного для виробництва пластмас та феноло-формальдегідних смол і деяких етерів (за аналогією до етилового спирту).

Етиленгліколь та пропіленгліколь використовують при виготовленні антифризу для автомобілів, у виробництві розчинників (діоксану, карбітолу), вони входять до складу гальмівної рідини. Етер з нітратною кислотою (динітрогліколь) являє собою вибухову речовину. Етиленгліколь також використовують у виробництві пластмас та поліефірного волокна.

Гліцерин застосовують у паперовій, поліграфічній, парфумерній та фармакологічній промисловості. Він входить до складу гальмівної рідини, пластифікаторів, алкідних та епоксидних лаків. Його етер з нітратною кислотою (нітрогліцерол) — надзвичайно вибухонебезпечна речовина, а його 1 %-й розчин використовують як ліки при серцево-судинних захворюваннях.

183