§ 17. Многоатомные спирты

Определения и обозначения

Многоатомные спирты — органические вещества, содержащие две или более гидроксильные группы –OH, связанные с атомами углерода. Гидроксильная группа определяет принадлежность вещества к спиртам. Число таких групп влияет на классификацию и многие физические свойства соединения.

Диолы — двухатомные спирты, в молекулах которых содержатся две гидроксильные группы. Приставка «ди-» указывает на два одинаковых фрагмента, а суффикс «-диол» отражает наличие двух групп –OH. Это название помогает сразу определить строение вещества.

Этиленгликоль — представитель диолов с формулой HO–CH₂–CH₂–OH и систематическим названием этан-1,2-диол. В его молекуле две углеродные атомы соединены цепочкой, а группы –OH находятся у соседних атомов углерода. По формуле можно определить и класс вещества, и положения функциональных групп.

Глицерин — трёхатомный спирт с формулой HO–CH₂–CHOH–CH₂–OH и систематическим названием пропан-1,2,3-триол. Он содержит три группы –OH, присоединённые к углеродной цепи из трёх атомов. Поэтому глицерин относят к триолам.

Как это устроено

К многоатомным спиртам относят диолы, триолы и спирты с большим числом групп –OH. Классификация зависит не от числа атомов углерода, а от числа гидроксильных групп в молекуле. Например, две группы дают диол, три — триол.

Многоатомный спирт можно мысленно получить из соответствующего углеводорода заменой атомов водорода на группы –OH. Например, в этане два атома водорода заменяют на гидроксильные группы и получают этан-1,2-диол. При составлении названия выбирают углеродную цепь, нумеруют её с ближайшего к –OH конца и указывают положения групп: пропан-1,2,3-триол.

Несколько групп –OH образуют с молекулами воды и друг с другом водородные связи. Для их разрыва требуется больше энергии, поэтому многоатомные спирты кипят при более высоких температурах, чем близкие по строению одноатомные спирты. Эти же связи затрудняют движение молекул и объясняют повышенную вязкость.

Гидроксильные группы делают молекулу полярной, а их большое число увеличивает способность взаимодействовать с водой. Поэтому этиленгликоль и глицерин хорошо растворяются в воде. Обычно многоатомные спирты представляют собой бесцветные вязкие жидкости, хотя вещества с большим числом атомов углерода могут иметь иное состояние.

Многоатомные спирты сохраняют реакции, характерные для одноатомных спиртов, потому что в их составе есть группы –OH. Они реагируют с активными металлами с выделением водорода, вступают в реакции образования сложных эфиров и могут окисляться. Особое расположение нескольких групп –OH позволяет им также растворять свежий осадок Cu(OH)₂.

Состав, строение и свойства многоатомных спиртов

Сначала по таблице удобно определить число групп –OH и класс вещества, затем сравнить формулы и свойства. Уравнения с натрием показывают, что число выделившихся молекул водорода связано с числом гидроксильных групп. Последняя строка помогает связать свойства веществ с их практическим применением.

Разбор задач

Задача 1

Назовите вещество HO–CH₂–CH₂–OH, определите число гидроксильных групп и укажите класс спирта. Нужно рассмотреть структурную формулу, а не только подсчитать атомы углерода. Каждая запись –OH соответствует одной гидроксильной группе.

1. В формуле два атома углерода, соединённых в цепь из двух атомов, значит, основа названия — этан. Группы –OH находятся у первого и второго атомов углерода. Поэтому название имеет вид этан-1,2-диол.
2. В молекуле две гидроксильные группы. Следовательно, вещество относится к диолам, то есть к двухатомным спиртам. Оно также является многоатомным спиртом.

Ответ: этиленгликоль, или этан-1,2-диол; две группы –OH; диол и многоатомный спирт.

Задача 2

Составьте уравнения реакций этиленгликоля с натрием и свежеполученным гидроксидом меди(II). Укажите наблюдаемые признаки. В первой реакции учитываем обе группы –OH, а во второй используем качественную реакцию многоатомного спирта.

1. При избытке натрия оба атома водорода гидроксильных групп замещаются атомами натрия: 2HO–CH₂–CH₂–OH + 2Na → 2NaO–CH₂–CH₂–ONa + H₂. Наблюдается выделение бесцветного водорода, который можно распознать по характерному хлопку при поднесении пламени. Реакция показывает способность спирта взаимодействовать с активным металлом.
2. Свежий Cu(OH)₂ сначала представляет собой голубой осадок. В присутствии этиленгликоля он растворяется с образованием ярко-синего комплексного соединения: Cu(OH)₂ + 2HO–CH₂–CH₂–OH → [Cu(HO–CH₂–CH₂–OH)₂](OH)₂. Исчезновение осадка и появление ярко-синего раствора являются наблюдаемыми признаками.

Ответ: с натрием выделяется H₂, а осадок Cu(OH)₂ растворяется и образуется ярко-синий раствор. Второе превращение используют как качественную реакцию на многоатомные спирты с подходящим расположением групп –OH.

Задача 3

При взаимодействии 9,2 г этиленгликоля с избытком натрия определите объём водорода при н. у. Сначала найдём количество этиленгликоля, затем учтём число его гидроксильных групп. Избыток натрия означает, что прореагируют обе группы –OH.

1. Молярная масса этиленгликоля C₂H₆O₂ равна 2 · 12 + 6 · 1 + 2 · 16 = 62 г/моль. Количество вещества равно n = m/M = 9,2/62 ≈ 0,148 моль. По уравнению 2C₂H₆(OH)₂ + 2Na → 2C₂H₆(ONa)₂ + H₂ две молекулы спирта дают одну молекулу H₂.
2. Из 0,148 моль этиленгликоля образуется 0,148 моль водорода, поскольку в каждой молекуле две группы –OH. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль, поэтому V(H₂) = 0,148 · 22,4 ≈ 3,32 л.

Ответ: объём водорода равен примерно 3,3 л при н. у. Расчёт можно проверить по пропорции: 1 моль этиленгликоля даёт 1 моль H₂, поэтому численные значения количеств веществ совпадают.

Типичные ошибки

Многоатомными спиртами ошибочно считают любые вещества с несколькими группами –OH. Группы могут входить в состав карбоновых кислот или фенолов, а это уже другие классы соединений. Проверяйте, связана ли –OH именно с атомом углерода углеводородного скелета спирта.

Этиленгликоль иногда называют этанолом или записывают только одну группу –OH. Так происходит, если ученик ориентируется лишь на два атома углерода и не проверяет формулу полностью. Пересчитайте все фрагменты –OH и укажите оба положения: этан-1,2-диол.

Реакцию с Cu(OH)₂ принимают за доказательство наличия любой группы –OH. На самом деле ярко-синее окрашивание связано с образованием комплекса при нескольких подходяще расположенных группах –OH. Если вещество одноатомное, обычного растворения осадка с таким признаком не ожидают.

При расчётах водорода учитывают только одну группу –OH, хотя в многоатомном спирте их несколько. Каждая такая группа может заменить атом водорода на натрий, а два выделившихся атома водорода образуют H₂. Сначала выпишите уравнение и только потом устанавливайте соотношение количеств веществ.

Связь с другими темами

До изучения многоатомных спиртов нужно знать строение и номенклатуру одноатомных спиртов, функциональную группу –OH и их общие химические свойства. Эти знания помогают увидеть сходство реакций и отличие в числе функциональных групп. Без понимания строения трудно правильно назвать этиленгликоль или глицерин.

При решении задач потребуются структурные формулы, умение уравнивать реакции и вычислять количество вещества по уравнению. Особенно важно связывать коэффициенты реакции с числом гидроксильных групп. Такой подход используется и в расчётах по другим органическим веществам.

Знания о многоатомных спиртах нужны при изучении органического синтеза, полимеров и пластмасс. Этиленгликоль связан с производством антифризов, а глицерин — с косметическими и фармацевтическими веществами. Эти соединения также встречаются при обсуждении взрывчатых соединений.

Что запомнить

• Многоатомные спирты содержат две или более гидроксильные группы.
• Диолы содержат две группы –OH, триолы — три.
• Этиленгликоль — этан-1,2-диол с формулой HO–CH₂–CH₂–OH.
• Глицерин — пропан-1,2,3-триол.
• Несколько групп –OH усиливают водородные связи, поэтому многоатомные спирты обычно хорошо растворяются в воде и имеют высокие температуры кипения.
• Многоатомные спирты реагируют с активными металлами с выделением водорода.
• Растворение Cu(OH)₂ с образованием ярко-синего раствора — качественная реакция на многоатомные спирты.