Тема 11. Спирты

Определения и обозначения

Спирты — органические соединения, в которых одна или несколько гидроксильных групп связаны с насыщенным атомом углерода. Насыщенный атом углерода соединён только одинарными связями с другими атомами. Поэтому для распознавания спирта нужно смотреть не только на наличие –OH, но и на то, к какому атому она присоединена.

Гидроксильная группа — функциональная группа –OH, определяющая характерные свойства спиртов. Она состоит из атома кислорода и атома водорода и входит в состав молекулы вместе с углеводородной частью. Именно строение этой группы объясняет многие общие реакции спиртов и их взаимодействие с водой.

Одноатомные спирты содержат одну гидроксильную группу, а многоатомные — две или более. Например, этанол C₂H₅OH одноатомный, а этиленгликоль HO–CH₂–CH₂–OH — двухатомный. Число групп –OH помогает классифицировать вещества и предсказывать некоторые их свойства.

Гомологический ряд предельных одноатомных спиртов — последовательность соединений общей формулы CₙH₂ₙ₊₁OH, соседние представители которой отличаются на группу –CH₂–. Например, метанол CH₃OH и этанол C₂H₅OH принадлежат к одному ряду. Такая формула удобна для составления формул представителей ряда, но не подходит для многоатомных спиртов.

Как это устроено

Молекулу спирта удобно представлять как углеводородный радикал и группу –OH: для этанола это C₂H₅– и –OH. Радикал образует углеродный скелет, а гидроксильная группа задаёт характерный для спиртов участок строения. При этом решающим является место присоединения –OH: если она связана с насыщенным углеродом, соединение относится к спиртам, а если непосредственно с ароматическим кольцом — к фенолам.

Классифицируя спирты, сначала считают группы –OH: одна группа соответствует одноатомному спирту, несколько — многоатомному. Затем учитывают строение углеродного скелета и положение гидроксильной группы. Разные скелеты или разные положения –OH могут давать изомеры — вещества с одинаковой молекулярной формулой, но различным строением; например, пропан-1-ол и пропан-2-ол.

Связь O–H в группе –OH полярна: кислород притягивает электронную плотность сильнее водорода. Поэтому атом водорода одной молекулы может притягиваться к кислороду другой, образуя водородную связь. На разрыв таких межмолекулярных взаимодействий требуется энергия, поэтому спирты кипят при более высоких температурах, чем многие углеводороды сходной молярной массы. Вода тоже образует водородные связи, поэтому низшие спирты хорошо с ней смешиваются; с ростом углеводородной части растворимость обычно падает.

Химические реакции спиртов связаны с полярной группой –OH и связью O–H. Активные металлы, например натрий, замещают водород этой группы: образуются алкоголят и водород. Гидроксильную группу можно заменить галогеном при взаимодействии с галогеноводородом, получая галогеналкан и воду. При дегидратации, то есть отщеплении воды, из молекулы спирта могут образоваться алкен или простой эфир — результат зависит от условий и строения вещества.

Спирты получают несколькими путями, выбор которых связан с исходным веществом. При гидратации алкена к двойной связи присоединяются H и OH из воды; для несимметричного алкена положение групп определяют по правилу присоединения. Галогеналкан превращают в спирт действием водного раствора щёлочи, заменяя атом галогена на –OH. Этанол также образуется при спиртовом брожении глюкозы: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂.

Строение, свойства и характерные реакции спиртов

Сравнивайте столбцы по одному признаку: число групп –OH сразу показывает, к какому типу относится вещество. При оценке растворимости учитывайте и количество полярных групп, и размер углеводородной части. Ярко-синее окрашивание с Cu(OH)₂ используют как признак некоторых многоатомных спиртов, но не всех спиртов вообще.

Разбор задач

1. Изомеры состава C₃H₈O

Составьте структурные формулы всех спиртов состава C₃H₈O и назовите их. Ищем только вещества, где –OH связана с насыщенным атомом углерода. При этом нельзя забывать, что такая молекулярная формула может соответствовать не только спирту.

1. Записываем возможный углеродный скелет из трёх атомов: цепь C–C–C.
2. Ставим –OH у первого атома: CH₃–CH₂–CH₂–OH, это пропан-1-ол.
3. Переносим –OH к среднему атому: CH₃–CH(OH)–CH₃, это пропан-2-ол. При присоединении к крайнему атому получилась бы та же структура, что и в шаге 2.
4. Проверяем, что оба варианта отвечают формуле C₃H₈O и являются спиртами. Структура CH₃–O–CH₂–CH₃ — простой эфир, поэтому к ответу её не включаем.

Ответ: CH₃–CH₂–CH₂–OH — пропан-1-ол; CH₃–CH(OH)–CH₃ — пропан-2-ол. Это два спирта данного состава, различающиеся положением гидроксильной группы. Простой эфир с той же формулой — изомер другого класса соединений.

2. Реакция этанола с натрием

Запишите уравнение реакции этанола с натрием и определите продукты. Металл замещает атом водорода в группе –OH, поэтому в продукте сохраняется углеродный скелет этанола, но появляется связь C₂H₅O–Na. Второй продукт — водород, который образуется из двух атомов водорода.

1. Записываем схему: C₂H₅OH + Na → C₂H₅ONa + H₂.
2. Уравниваем водород: для одной молекулы H₂ нужны два атома водорода из двух молекул этанола, поэтому ставим коэффициент 2 перед этанолом.
3. Ставим коэффициент 2 перед этилатом натрия, чтобы уравнять углерод, кислород и натрий.

Ответ: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑. Продукты — этилат натрия, относящийся к алкоголятам, и водород. Проверка коэффициентов показывает, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.

3. Гидратация пропена

При гидратации пропена получен спирт; запишите реакцию, назовите продукт и объясните положение –OH. Пропен CH₃–CH=CH₂ — несимметричный алкен, поэтому важно определить, к какому атому двойной связи присоединится гидроксильная группа. Применяем правило присоединения воды к несимметричному алкену.

1. Записываем исходные вещества: CH₃–CH=CH₂ + H₂O.
2. По правилу присоединения водорода к атому углерода, уже содержащему больше атомов водорода, группа –OH присоединяется к среднему атому углерода.
3. Получаем структуру CH₃–CH(OH)–CH₃ и проверяем, что двойная связь исчезла, а атомы сохранены.

Ответ: CH₃–CH=CH₂ + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₃; продукт — пропан-2-ол. Гидроксильная группа оказывается у второго атома углерода согласно направлению присоединения воды. Перенос –OH к крайнему атому дал бы другой изомер, но не продукт этой реакции.

Типичные ошибки

Ошибка: считать спиртом любое соединение, в формуле которого есть –OH. Так думают, потому что воспринимают группу отдельно от остальной молекулы. Проверяйте, связан ли кислород с насыщенным атомом углерода: только в этом случае вещество относится к спиртам.

Ошибка: путать спирты и фенолы. И там и там есть –OH, но её окружение различается, а значит, различается и класс соединений. Проверьте, куда присоединена группа: к насыщенному атому углерода — спирт, непосредственно к ароматическому кольцу — фенол.

Ошибка: считать формулу CₙH₂ₙ₊₂O формулой только спиртов. Она описывает состав некоторых спиртов, но такую же молекулярную формулу могут иметь простые эфиры. Чтобы определить класс, составьте структурную формулу и посмотрите, соединён ли кислород с водородом в группе –OH или с двумя углеводородными остатками.

Ошибка: ожидать от спиртов таких же температур кипения и растворимости, как от углеводородов с близкой молярной массой. Причина — в неучтённых водородных связях между молекулами спирта и с водой. При сравнении свойств вспомните о полярной группе –OH и учитывайте размер углеводородной части: он особенно заметно влияет на растворимость.

Связь с другими темами

Для изучения спиртов нужны знания о строении органических молекул, углеводородных радикалах и функциональных группах. Правила составления формул помогают распознавать положение –OH и находить изомеры. Связь с алкенами и галогеналканами проявляется в способах получения спиртов: гидратации и замещении галогена на гидроксильную группу. При окислении спиртов образуются карбонильные соединения, которые изучают отдельно. Эти знания пригодятся при изучении фенолов, углеводов и органических реакций окисления.

Что запомнить

• Функциональная группа спиртов — –OH.
• В предельных одноатомных спиртах гидроксильная группа связана с насыщенным атомом углерода.
• Соседние представители гомологического ряда отличаются на –CH₂–.
• Водородные связи влияют на физические свойства спиртов.
• Спирты реагируют с активными металлами с образованием алкоголятов и водорода.
• При дегидратации спиртов может отщепляться вода.
• Число и положение групп –OH учитывают при классификации и назывании спиртов.