"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Гара Н.Н.
Одноатомные спирты — органические вещества с одной гидроксильной группой –OH, связанной с углеводородным радикалом. Эта группа во многом определяет, как спирты взаимодействуют с металлами, галогеноводородами и карбоновыми кислотами. При изменении условий спирты могут отщеплять воду, окисляться или гореть. Понимание этих превращений помогает предсказывать продукты реакций, составлять уравнения и связывать спирты с другими классами органических веществ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Гидроксильная группа — функциональная группа –OH, состоящая из атомов кислорода и водорода и связанная с углеводородным радикалом. Она служит характерной частью молекулы одноатомного спирта и во многом определяет его реакции. Когда изменяется группа –OH или связи рядом с ней, спирт превращается в вещество другого класса.
Межмолекулярная дегидратация — отщепление воды от двух молекул спирта с образованием простого эфира. При этом части обеих молекул соединяются через атом кислорода, а водород и гидроксильная группа дают воду. Это понятие помогает отличать образование эфира от получения алкена.
Внутримолекулярная дегидратация — отщепление воды от одной молекулы спирта с образованием алкена. Гидроксильная группа и атом водорода уходят от соседних атомов углерода, между которыми появляется двойная связь. По этому признаку такую реакцию отличают от межмолекулярной.
Этерификация — обратимая реакция спирта с карбоновой кислотой, при которой образуются сложный эфир и вода. Кислотная часть продукта происходит от карбоновой кислоты, а углеводородная часть — от спирта. Понятие нужно, чтобы предсказывать состав эфира и понимать, почему реакция может идти в обратном направлении.
Связь O–H в гидроксильной группе полярна: атом кислорода сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому у водорода появляется частичный положительный заряд. Активный металл может вытеснить этот водород, а электроны металла соединяются с выделяющимися атомами водорода, образуя H₂. В результате возникает алкоголят — соединение металла с остатком спирта. Например: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂.
При реакции с галогеноводородом связь между кислородом и углеродом разрывается, а галоген занимает место группы –OH. Так образуется галогеналкан и вода, например: C₂H₅OH + HBr → C₂H₅Br + H₂O. Реакция может идти с разной скоростью, потому что на неё влияют строение спирта и условия. Поэтому одного знания формулы спирта не всегда достаточно для оценки хода реакции.
Концентрированная серная кислота помогает отщепить от спирта воду, но возможны два пути. При межмолекулярном пути остатки двух молекул соединяются через кислород: 2C₂H₅OH → C₂H₅OC₂H₅ + H₂O. При внутримолекулярном пути водород и –OH уходят из одной молекулы, а между атомами углерода возникает двойная связь: C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O. Выбор пути зависит от температуры и других условий реакции.
Окисление изменяет углеродный атом, связанный с –OH, и результат определяется строением спирта. У первичного спирта при окислении может образоваться альдегид, например этанол превращается в этаналь: C₂H₅OH + [O] → CH₃CHO + H₂O. Вторичный спирт даёт кетон, поскольку при превращении сохраняется связь между углеродными частями молекулы. Третичные спирты окисляются труднее: для дальнейшего превращения обычно пришлось бы разрывать связи C–C.
При полном горении углерод спирта превращается в углекислый газ, а водород — в воду, если кислорода достаточно. Например: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O. Иначе протекание горения может быть неполным. В этерификации спирт реагирует с карбоновой кислотой: C₂H₅OH + CH₃COOH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O. Эта обратимая реакция показывает, что из спирта можно получить сложный эфир, а вода является одним из продуктов.
Пользуйтесь таблицей как схемой выбора реакции: найдите подходящий реагент и условия, затем проверьте ожидаемый тип продукта. Особенно внимательно различайте два варианта дегидратации. Примеры уравнений показывают характерные превращения, но конкретный продукт зависит от строения спирта и условий.
| Тип реакции | Реагенты и условия | Что происходит | Пример |
|---|---|---|---|
| Взаимодействие с активными металлами | Na или другой активный металл | Водород группы –OH замещается металлом; выделяется H₂ | 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂ |
| Замещение гидроксильной группы галогеном | Галогеноводород, например HBr | –OH замещается галогеном; образуется галогеналкан | C₂H₅OH + HBr → C₂H₅Br + H₂O |
| Межмолекулярная дегидратация | Концентрированная H₂SO₄, подходящие условия | Из двух молекул спирта образуется простой эфир | 2C₂H₅OH → C₂H₅OC₂H₅ + H₂O |
| Внутримолекулярная дегидратация | Концентрированная H₂SO₄, обычно нагревание | Из одной молекулы спирта образуется алкен | C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O |
| Окисление | Окислитель; условия зависят от спирта | Первичный спирт может дать альдегид, вторичный — кетон | C₂H₅OH + [O] → CH₃CHO + H₂O |
| Горение | O₂ в достаточном количестве, поджигание | Образуются CO₂ и H₂O | C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O |
| Этерификация | Карбоновая кислота; обычно кислотный катализатор | Получаются сложный эфир и вода; реакция обратима | C₂H₅OH + CH₃COOH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O |
Задача 1. Составьте уравнение реакции этанола с натрием и укажите продукты. Сначала определите, какая часть молекулы реагирует: металл замещает водород в группе –OH. Запишите формулы этанола и образующегося алкоголята натрия, а выделяющийся водород обозначьте H₂. Затем уравняйте число атомов водорода и натрия.
Ответ: образуются этилат натрия C₂H₅ONa и водород H₂. Задача 2. Запишите внутримолекулярную дегидратацию бутан-2-ола и назовите органический продукт. Группа –OH находится у второго атома углерода, поэтому при её удалении соседний атом углерода теряет водород. Отщепление может происходить с разных соседних атомов, но в данном примере запишем образование более замещённого алкена.
Ответ: образуются бут-2-ен и вода. Задача 3. При окислении 9,2 г этанола получен этаналь; найдите массу этаналя при выходе реакции 80%. Сначала используйте уравнение реакции, чтобы установить соотношение этанола и этаналя. Оно равно 1:1, поэтому по количеству этанола можно найти теоретическое количество продукта, а затем учесть неполный выход.
Ответ: масса этаналя составляет 7,04 г. При расчёте выхода важно не уменьшать исходную массу реагента, а сначала найти теоретическое количество продукта по уравнению реакции. Затем полученную теоретическую массу умножают на долю выхода. Так отделяют расчёт по химическому уравнению от учёта реальных потерь продукта.
Ошибка: считать спирты кислотами, полностью распадающимися на ионы в воде. Её допускают, потому что связь O–H полярна и водород может замещаться металлом, однако это не делает спирт сильной кислотой. Проверьте себя: реакция с натрием идёт с выделением H₂, но из этого не следует полная ионизация спирта в воде.
Ошибка: записывать алкен при любом нагревании спирта с кислотой. Условия могут привести и к межмолекулярной дегидратации, при которой образуется простой эфир. Чтобы проверить продукт, укажите, одна молекула спирта теряет воду или две: это сразу различает алкен и эфир.
Ошибка: путать внутримолекулярную и межмолекулярную дегидратацию. Названия похожи, но в первом случае воду теряет одна молекула и получается алкен, а во втором участвуют две молекулы и образуется эфир. Перед составлением уравнения пересчитайте молекулы спирта в левой части.
Ошибка: считать, что все спирты при окислении дают одинаковый продукт. Обычно такое ожидание возникает, если смотреть только на группу –OH и не учитывать строение углеводородного радикала. Проверьте, к какому типу относится спирт: первичный может дать альдегид, вторичный — кетон, а третичный окисляется труднее.
Для понимания реакций спиртов нужны знания об их строении, полярности ковалентной связи, функциональных группах и типах химических реакций. Представление о том, как меняется молекула при окислении, подготавливает к изучению альдегидов и кетонов. Дегидратация и этерификация связывают спирты с простыми и сложными эфирами.
Эти превращения пригодятся при составлении цепочек реакций органических веществ. Если известны строение исходного спирта и условия, можно прогнозировать продукт, а затем переходить к следующему классу соединений. Так отдельные уравнения складываются в общую схему взаимосвязей веществ.
Почему спирты реагируют с натрием, если они не являются сильными кислотами?
Связь O–H в спиртах полярна, поэтому её атом водорода может замещаться активным металлом. Но спирты не распадаются в воде на ионы так полно, как сильные кислоты. При реакции с натрием образуются алкоголят и водород.
Чем отличаются межмолекулярная и внутримолекулярная дегидратация спиртов?
При межмолекулярной дегидратации вода отщепляется от двух молекул спирта, и образуется простой эфир. При внутримолекулярной вода отщепляется от одной молекулы, образуется алкен. Направление реакции зависит от условий, в частности от температуры.
Какие продукты образуются при окислении первичных и вторичных спиртов?
Первичные спирты при окислении могут превращаться в альдегиды, а вторичные — в кетоны. Продукт зависит от строения спирта и условий окисления. Третичные спирты окисляются труднее.
Почему при дегидратации одного и того же спирта могут получаться разные продукты?
Условия реакции влияют на то, отщепляется ли вода от одной молекулы спирта или от двух. При более высокой температуре обычно благоприятнее образование алкена, а при подходящих условиях межмолекулярного процесса может возникнуть простой эфир. Поэтому при записи продукта нужно учитывать условия реакции.
Как определить, какой сложный эфир образуется в реакции спирта с карбоновой кислотой?
Название эфира складывают из названия углеводородной части спирта и названия кислотного остатка. Например, этанол и этановая кислота образуют этилэтаноат и воду. Для проверки можно мысленно убрать из спирта водород группы –OH, а из кислоты — группу –OH.
§ 19. Химические свойства одноатомных спиртов
