Кислородсодержащие органические соединения
Классификация кислородсодержащих органических соединений
Спирты.
А) Классификация. Определение.
Б) Изомерия и номенклатура
В) Получение спиртов
Г) Физические и химические свойства. Качественные реакции спиртов.
Д) Применение. Влияние на окружающую среду и здоровье человека.
Классификация кислородсодержащих органических соединений
Спирты – это кислородсодержащие органические соединения, содержащие в своем составе гидроксильную группу.
Альдегиды характеризуются наличием альдегидной группы:
Кетоны содержат карбоксильную группу, связанную с двумя радикалами.
Карбоновые кислоты отличает от других кислородсодержащих органических соединений карбоксильная группа.
Эфиры: а) простые R-O-R` б) сложные 
Химические свойства этих соединений определяются наличием в их молекулах различных функциональных групп.
-
Класс соединений
|
Функциональная группа
|
Название функциональной группы
|
Спирты
|
R-ОН
|
гидроксильная
|
Альдегиды
|
|
альдегидная
|
Кетоны
|
|
карбонильная
|
Карбоновые кислоты
|
|
карбоксильная
|
СПИРТЫ
Спирты – это кислородсодержащие производные углеводородов, в которых гидроксигруппа присоединяется к углеводородному радикалу.
Спирты классифицируются:
по характеру углеродного атома, связанного с гидроксигруппой
а) первичные спирты – ОН-группа в таких соединениях связана с первичным атомом углерода
б) вторичные спирты – гидроксигруппа связана с вторичным атомом углерода
в) третичные спирты – гидроксигруппа в третичных спиртах связана с третичным углеродным атомом.
по числу гидроксигрупп в молекуле спирта
а) одноатомные спирты содержат в молекуле одну ОН-группу, все представленные выше соединения являются одноатомными.
б) двухатомные – в состав таких спиртов входит две гидроксигруппы, например этиленгликоль (входит в состав незамерзающих растворов – антифризов)
в) трехатомные – содержат три ОН-группы, например глицерин.
по строению радикала, связанного с функциональной группой
а) насыщенные СН3-СН2-ОН (этанол)
б) ненасыщенные СН2=СН-СН2-ОН (2-пропен-1-ол)
в) ароматические  (фенол)
Предельные одноатомные спирты.
Общая формула – СnH2n+2O или CnH2n+1OH
Изомерия и номенклатура.
Для предельных одноатомных спиртов характеры два типа структурной изомерии:
1) изомерия углеродного скелета
2) изомерия положения гидроксильной группы
Такие спирты можно называть, используются два типа номенклатуры, рассмотрим каждый тип по отдельности.
Рациональная (карбинольная) номенклатура.
По рациональной номенклатуре название спирта строится от первого члена ряда спиртов – метилового спирта, который называется карбинол. Название других спиртов образуется перечислением радикалов, замещающих атом водорода в метаноле, по их старшинству с прибавлением слова-основы карбинол.
Номенклатура ИЮПАК
Согласно номенклатуре ИЮПАК:
- в качестве главной цепи выбирают ту, в которой содержится наибольшее число гидроксигрупп и радикалов.
- нумерацию цепи начинают с того конца, ближе к которому находится старший заместитель – в нашем случае ОН-группа.
- название спирта строится от названия соответствующего алкана, с которым связана гидроксигруппа. Чтобы показать, что соединение относится к классу спиртов добавляется окончание –ол.
- т.к. спиртам характерна изомерия положения гидроксигруппы, то она обозначается цифрой.
-если в молекуле несколько гидроксигрупп, то их число обозначается греческими приставками (ди-, три-) Эта приставка ставится перед окончанием –ол цифрой показывается их расположение.
Например, спирты состава С4Н9ОН имеют следующее строение и названия по номенклатуре ИЮПАК.
соединения с нормальной цепью
соединения с разветвленной цепью
Таким способом называют и более сложные соединения:
В органической химии часто используют и тривиальные названия:
метиловый спирт (древесный) – СН3ОН (метанол)
этиловый спирт (винный) С2Н5ОН (этанол)
первичный пропиловый спирт СН3СН2СН2ОН (пропанол)
Получение
Существует много способов получения спиртов, рассмотрим основные.
Гидратация алкенов
Алкены присоединяют воду в присутствии сильных минеральных кислот (H2SO4 или H3PO4), реакция протекает в соответствии с правилом Марковникова.
Следует напомнить, что это промышленный способ получения спиртов и протекает реакция при повышенных температуре, давлении и использовании катализатора (например, этанол получают в присутствии силикагеля, обработанного H3PO4 и нагревании до 300С).
Эту реакцию и ее механизм мы подробно изучили в I модуле.
Следующий промышленный способ получения спиртов – гидрирование СО.
Смесь оксида углерода (II) с водородом подвергается нагреванию. При использовании разных катализаторов продукты отличаются по составу, это иллюстрирует схема представленная ниже.
Гидролиз галогенпроизводных алканов.
Гидролиз осуществляется действием воды или водным раствором щелочей, при нагревании. Легче всего реакция проходит для первичных галогенпроизводных.
Восстановление карбонильных соединений
Альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и их производные (сложные эфиры) легко восстанавливаются до спиртов.
Восстановителем альдегидов и кетонов служит молекулярный водород, катализатором – никель, платина или палладий. Для восстановления эфиров используется атомарный водород, который получается при непосредственном взаимодействии натрия со спиртом.
Из уравнений видно, что из альдегидов и карбоновых кислот получаются первичные спирты, кетоны являются исходными веществами для вторичных спиртов. Так получают спирты в лабораторных условиях. Однако получить третичные спирты таким способом нельзя. Их получают способом, представленным ниже.
Взаимодействие реактивов Гриньяра с карбонильными соединениями.
Синтезы на основе реактивов Гриньяра являются надежным лабораторным способом получения спиртов.
При использовании в качестве карбонильного соединения муравьиного альдегида продуктом реакции будет первичный спирт. 
Другие альдегиды приводят к образованию вторичных спиртов.
Из кетонов в таких синтезах получаются третичные спирты.
Чтобы понять, как осуществляются подобные превращения, необходимо рассмотреть электронные эффекты в реагирующих молекулах: за счет высокой электроотрицательности атома кислорода, электронная плотность смещается в сторону кислорода от углеродного атома карбонильной группы (-М-эффект). В молекуле реактива Гриньяра частично отрицательный заряд оказывается на атоме углерода, положительный – на магнии за счет положительного индуктивного эффекта (+I-эффект).
Ферментативный способ
Это сбраживание сахаристых веществ. Этанол получают брожением в присутствии дрожжей. Сущность брожения заключается том, что получаемая из крахмала глюкоза под действием ферментов распадается на спирт и СО2. результат этого процесса выражается схемой:
Физические свойства
Низкомолекулярные спирты (С1-С3) являются жидкостями с характерными запахом и вкусом и смешиваются с водой в любых соотношениях.
Температуры кипения спиртов не превышают 100С, однако они выше чем температуры кипения эфиров или углеводородов, с такой же молекулярной массой.
Причиной этого являются межмолекулярные водородные связи, возникающие между водородными и кислородными атомами гидроксильных групп различных молекул спирта (происходит с участием неподеленных пар электронов кислорода).
Хорошая растворимость спиртов в воде объясняется образованием водородных связей между молекулами спирта и воды.
Спирты с С11 и выше – твердые вещества.
Химические свойства спиртов.
Химические свойства спиртов обусловлены присутствием гидроксигруппы. Поэтому для спиртов характерны реакции:
1) с разрывом связи –СО-Н
2) с разрывом связи С-ОН
3) реакции окисления
Кислотно-основные свойства спиртов.
Спирты являются амфотерными соединениями. Они способны выступать в роли как кислот, так и оснований.
Они проявляют кислотные свойства при взаимодействии со щелочными металлами и щелочами. Водород гидроксила замещается на металл с образованием алкоголятов (которые легко разлагаются водой).
2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2
этилат натрия
Спирты более слабые кислоты, чем вода. Их кислотные свойства в убывают в следующем порядке: СН3ОН СН3СН2ОН (СН3)2СНОН (СН3)3СОН. Т.е. разветвление углеродного скелета снижает кислотные свойства.
Свойства оснований спирт проявляют по отношению к кислотам. Сильнее минеральные кислоты протонируют атом кислорода ОН-группы:
Спирты – нуклеофильные реагенты.
Реакции с карбонильными соединениями.
Спирты легко реагируют с карбоновыми кислотами, с образованием сложного эфира, такая реакция называется реакцией этерификации. Эта реакция обратима. Молекула воды образуется за счет отщепления ОН-группы от карбоновой кислоты и протона от молекулы спирта. Катализатором служит сильная минеральная кислота.
 метиловый эфир уксусной кислоты
Реакции с неорганическими кислотами.
Взаимодействие спиртов с неорганическими кислотами также приводит к образованию сложных эфиров (но уже неорганических кислот).
 серноэтиловый эфир
Нуклеофильное замещение гидроксигруппы.
Дегидратация спиртов .
Дегидратация спиртов протекает под действием сильных минеральных кислот (серной, ортофосфорной), при нагревании.
Отщепление может проходить внутримолекулярно. Рассмотрим механизм на примере бутанола-2: сначала происходит протонирование молекулы спирта водородом кислоты, затем отщепление воды от оксониевого иона с образованием алкил-катиона и быстрое отщепление протона с образованием алкена.
В случае отщепления Н2О применяется правило Марковникова. Это дает возможность переходить от одних спиртов к другим. Например, возможен переход от изобутилового спирта к трет-бутиловому (напишите самостоятельно)
Межмолекулярная дегидратация.
В случае межмолекулярной дегидратации продуктами реакции являются простые эфиры. Реакция протекает в тех же условиях, но отличается температурным режимом.
Окисление
Окислению подвергаются все спирт, но легче всего первичные.
Первичные спирты окисляются до альдегидов и далее до карбоновых кислот (на этой реакции основан метаболизм в организме).
Вторичные спирты в таких реакциях дают кетоны, третичные окисляются с расщеплением С-С-связи и образованием смеси кетонов и кислот.
Качественные реакции на спирты.
Как было сказано ранее, спирты могут реагировать с разрывом связей
–С –ОН и СО – Н. В качественном анализе используются и те и другие реакции.
1. Ксантогеновая проба – это наиболее чувствительная реакция на спиртовую группу. Спирт смешивают с сероуглеродом, добавляют кусочек КОН, слегка нагревают и приливают раствор CuSO4 голубого цвета. При положительной реакции возникает коричневая окраска ксантогената меди.
2 Проба Льюиса .
В реакции используется смесь концентрированной соляной кислоты и хлорида цинка. Эта реакция используется как аналитический метод установления типа спирта: является ли он первичным, вторичным или третичным.
Третичные спирты реагируют почти мгновенно с выделением тепла и образованием маслянистого слоя галогеналкана.
Вторичные реагируют в течение 5 мин (также образуется маслянистый слой).
Первичные спирты при комнатной температуре не реагируют, но вступают в реакцию при нагревании.
Применение спиртов.
Метанол применяют для производства формальдегида, уксусной кислоты, растворителя в производстве лаков и красок, служит полупродуктом для синтеза красителей, фармацевтических препаратов, душистых веществ. Сильный яд.
Этанол – сильный антисептик (в хирургии для мытья рук хирурга и инструментов) и хороший растворитель. Используется для производства дивинила (компонент каучука), хлороформа, этилового эфира (используется в медицине). Некоторое количество спирта идет на употребление в пищевой промышленности (изготовление пропитки, ликеров).
н-Пропанол применяют для производства пестицидов, лекарств, растворителя для восков, смол различной природы.
Влияние на здоровье человека. Механизм действия спиртов.
Одноатомные спирты – наркотики. Их токсичность возрастает с увеличением числа атомов углерода.
Метиловый спирт – сильный нервный и сосудистый яд, снижает насыщаемость крови кислородом. Метанол принятый внутрь взывает опьянение и тяжелое отравление сопровождаемое потерей зрения.
Метанол в пищеварительном тракте окисляется в токсичнее продукт – формальдегид и муравьиную кислоту, которые в небольших количествах взывают тяжелые отравления организма и смерть:
Этиловый спирт – наркотик, взывает паралич нервной системы.
Попадая в организм человека, спирт действует сначала возбуждающе, а затем угнетающе на ЦНС, притупляет чувствительность, ослабляет функцию головного мозга, значительно ухудшает реакцию.
Главной причиной поражения организма этанолом является образование ацетальдегида, который оказывает токсическое воздействие и взаимодействует со многими метаболитами. Ацетальдегид образуется в результате действия фермента алкогольдегидрогеназы (содержится в печени).
Пропиловый спирт действует на организм аналогично этиловому, но сильнее последнего. |
