§ 17. Спирты

Определения и обозначения

Спирты — органические соединения, в молекулах которых одна или несколько гидроксильных групп –OH связаны с насыщенным атомом углерода. Такое определение отделяет спирты от веществ с другими типами связи кислорода и углерода. К спиртам относят, например, метанол CH₃OH и этиленгликоль HOCH₂CH₂OH.

Гидроксильная группа –OH состоит из атомов кислорода и водорода. Она является функциональной группой, то есть частью молекулы, которая определяет характерные свойства вещества. Полярная связь O–H делает спирты способными вступать в реакции с активными металлами и образовывать водородные связи.

Одноатомные спирты содержат одну группу –OH, а многоатомные — две или больше таких групп. Например, этанол C₂H₅OH одноатомный, а этиленгликоль C₂H₄(OH)₂ — двухатомный. Число гидроксильных групп записывают в формуле и используют для классификации вещества.

Первичные, вторичные и третичные спирты различаются числом углеродных атомов, связанных с атомом углерода при группе –OH: один, два или три соответственно. Например, CH₃CH₂OH — первичный, CH₃CH(OH)CH₃ — вторичный, а (CH₃)₃COH — третичный спирт. Эта классификация нужна для предсказания продуктов окисления.

Как это устроено

Гидроксильная группа соединяется с углеводородным радикалом через атом кислорода: общий вид одноатомного спирта можно записать как R–OH. Группа –OH должна быть связана именно с насыщенным атомом углерода, имеющим обычные одинарные связи. Если кислород присоединён к атому углерода карбонильной группы или к ароматическому кольцу, вещество относят уже к другому классу.

Для предельных одноатомных спиртов характерна формула CₙH₂ₙ₊₁OH, или CₙH₂ₙ₊₂O. В ней углеводородный остаток содержит насыщенную цепь, а одна валентность углерода занята группой –OH. Предельные многоатомные спирты имеют общий вид R(OH)ₖ: число k показывает, сколько гидроксильных групп находится в молекуле, например C₂H₄(OH)₂.

В названии спирта выбирают самую длинную углеродную цепь, содержащую атом углерода с группой –OH. Нумерацию начинают с ближайшего к этой группе конца, чтобы она получила наименьший номер. Затем называют углеводородную цепь, добавляют суффикс «-ол» и указывают положение группы, например бутан-2-ол.

Связь O–H полярна: кислород сильнее притягивает общую электронную пару и получает частичный отрицательный заряд. Поэтому молекулы спиртов притягиваются друг к другу водородными связями, для разрыва которых требуется энергия. В результате температуры кипения спиртов выше, чем у близких по молекулярной массе углеводородов, а низшие спирты хорошо смешиваются с водой.

Полярная группа определяет реакции спиртов. Активные металлы замещают водород в –OH, образуя алкоголяты и выделяя H₂: 2ROH + 2Na → 2RONa + H₂. При окислении первичный спирт даёт альдегид, вторичный — кетон, а третичный обычно не окисляется мягкими окислителями. При нагревании с кислотой возможна дегидратация: из спирта отщепляется вода и образуется алкен.

Классификация и характерные свойства спиртов

Сначала по второй колонке определите строение вещества, затем сравните его с примерами. Последняя колонка помогает предсказать наиболее характерное превращение.

Не смешивайте разные признаки: число групп –OH определяет одноатомность или многоатомность, а число углеродных соседей у конкретного атома углерода — его первичность, вторичность или третичность.

Разбор задач

Задача 1

Условие: Даны формулы CH₃OH, CH₃CH₂OH и HOCH₂CH₂OH. Определите, какие вещества являются одноатомными, а какое — многоатомным спиртом.

1. Найдём в каждой формуле группы –OH. В CH₃OH и CH₃CH₂OH имеется по одной такой группе.
2. Следовательно, метанол CH₃OH и этанол CH₃CH₂OH — одноатомные спирты.
3. В HOCH₂CH₂OH две группы –OH, поэтому это многоатомный, точнее двухатомный, спирт.

Ответ: CH₃OH и CH₃CH₂OH — одноатомные спирты; HOCH₂CH₂OH — многоатомный спирт.

Задача 2

Условие: Назовите по систематической номенклатуре спирт CH₃CH(OH)CH₂CH₃ и определите его тип.

1. Выбираем главную цепь: в ней четыре атома углерода, значит, основа названия — бутан.
2. Нумеруем цепь с ближайшего к –OH конца. Гидроксильная группа оказывается у второго атома: бутан-2-ол.
3. У атома углерода, несущего –OH, два углеродных соседа: CH₃– и CH₂CH₃–. Значит, спирт вторичный.

Ответ: бутан-2-ол, вторичный спирт.

Задача 3

Условие: При взаимодействии 9,2 г этанола с избытком натрия определить объём водорода при нормальных условиях.

1. Записываем уравнение: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂. Из него видно, что 2 моль этанола дают 1 моль H₂.
2. Молярная масса этанола M(C₂H₅OH) = 46 г/моль. Количество этанола: n = 9,2 г / 46 г/моль = 0,2 моль.
3. Количество водорода вдвое меньше: n(H₂) = 0,2 / 2 = 0,1 моль. При н. у. Vₘ = 22,4 л/моль, поэтому V(H₂) = 0,1 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: объём водорода равен 2,24 л.

Типичные ошибки

Ошибка: считать спиртом любое вещество с группой –OH. Так делают, потому что узнают знакомый фрагмент, но не проверяют его окружение. Проверьте, связан ли –OH с насыщенным атомом углерода, а не с карбонильным углеродом.

Ошибка: путать спирты с фенолами. Причина — и в тех и в других есть запись –OH; различие определяется не самой группой, а атомом, с которым она соединена. Если –OH присоединён непосредственно к ароматическому кольцу, это фенол.

Ошибка: определять первичность по числу групп –OH. Число групп показывает одноатомность или многоатомность, а тип спирта устанавливают по числу углеродных соседей атома C при –OH. Нарисуйте этот атом и пересчитайте связи с углеродом.

Ошибка: записывать реакцию с натрием без коэффициентов. Из-за этого неверно находят количество водорода. Сначала уравняйте 2ROH + 2Na → 2RONa + H₂, затем используйте соотношение 2:1.

Связь с другими темами

Для изучения спиртов нужны представления об углеродном скелете, функциональных группах и ковалентных полярных связях. Номенклатура помогает правильно читать и составлять названия органических веществ. Знание этих основ позволяет связывать формулу спирта с его свойствами.

Классификация и превращения спиртов пригодятся при изучении альдегидов, карбоновых кислот, простых и сложных эфиров. Они также нужны для решения цепочек органических реакций, где один класс веществ последовательно превращается в другой.

Что запомнить

• Функциональная группа спиртов — гидроксильная группа –OH.
• В спиртах группа –OH связана с насыщенным атомом углерода.
• Число групп –OH определяет, является спирт одноатомным или многоатомным.
• Первичность, вторичность и третичность определяют по строению атома углерода при группе –OH.
• Водородные связи влияют на температуры кипения и растворимость низших спиртов в воде.
• При реакции спиртов с активными металлами образуются алкоголяты и выделяется водород.
• Окисление первичных и вторичных спиртов приводит к разным классам органических веществ.