12.1. Общая характеристика

Определения и обозначения

Спирты — органические вещества, содержащие одну или несколько гидроксильных групп, связанных с углеводородным радикалом. Радикал — часть молекулы, образованная из углеводорода удалением атома водорода. Это определение помогает отличать спирты от других кислородсодержащих веществ и связывать их свойства со строением молекулы.

Гидроксильная группа — функциональная группа −OH, определяющая характерные свойства спиртов. Функциональной называют группу атомов, которая придаёт веществу определённые химические свойства. Поэтому, сравнивая спирты с разными радикалами, можно выделить общие свойства, обусловленные именно группой −OH.

Одноатомные и многоатомные спирты — соединения соответственно с одной или несколькими гидроксильными группами. Например, этанол CH₃CH₂OH одноатомный, а этиленгликоль HO−CH₂−CH₂−OH содержит две группы −OH. Такая классификация нужна, чтобы учитывать число функциональных групп при названии веществ и объяснении их свойств.

Гомологический ряд спиртов — ряд соединений с одинаковой функциональной группой, отличающихся на одну или несколько групп −CH₂−. Соседние представители имеют сходное строение и свойства, но каждый следующий содержит на один атом углерода и два атома водорода больше. Сравнение гомологов позволяет проследить, как увеличение углеродной части молекулы влияет на свойства спирта.

Как это устроено

Молекула спирта состоит из углеводородного радикала и группы −OH. Связь между ними устроена так, что свойства молекулы зависят от обеих частей: радикал влияет на её углеродный скелет, а гидроксильная группа создаёт характерные для спиртов особенности. Если −OH непосредственно соединена с углеродом ароматического кольца, вещество относят к фенолам, а не к спиртам. Это структурное различие важно учитывать, даже если формула содержит те же атомы.

По числу групп −OH различают одноатомные и многоатомные спирты. По строению радикала спирт может быть предельным, если между атомами углерода нет двойных или тройных связей, или непредельным, если такие связи есть. Ещё один признак — тип углерода, связанного с −OH: у первичного спирта он соединён с одним другим углеродом, у вторичного — с двумя, у третичного — с тремя. Эта классификация описывает строение, а не число групп −OH.

Предельный одноатомный спирт можно представить как алкан, в котором один атом водорода заменён на −OH. Алкан имеет формулу CₙH₂ₙ₊₂; после замены одного H на группу OH остаётся CₙH₂ₙ₊₁OH. Например, при n = 2 получается C₂H₅OH — этанол. Так видно, почему формула спиртов связана с формулой соответствующих алканов.

Изомерия возможна, когда одинаковый набор атомов соединён по-разному. Для спиртов меняются углеродный скелет или положение группы −OH; при этом молекулярная формула должна оставаться одинаковой. Название составляют по самой длинной цепи, содержащей углерод при −OH, и нумеруют её с конца, ближайшего к этой группе. Цифра в названии показывает её положение, например бутан-2-ол.

Связь O−H полярна: атом кислорода сильнее притягивает общую электронную пару, чем водород. Поэтому молекулы спирта притягиваются друг к другу и могут образовывать водородные связи — особый вид межмолекулярного взаимодействия с участием −OH. Для короткоцепочечных спиртов эти группы помогают взаимодействовать с водой, но увеличение неполярного углеводородного радикала обычно снижает растворимость. Несколько групп −OH усиливают способность молекулы взаимодействовать с водой; водородные связи также способствуют более высоким температурам кипения.

Классификация и общая характеристика спиртов

Пользуйтесь таблицей как последовательностью вопросов: сначала определите число групп −OH, затем строение радикала и тип углерода при гидроксильной группе. Общую формулу применяйте только к предельным одноатомным спиртам. Физические свойства рассматривайте вместе: на них влияют и полярная группа −OH, и размер углеводородной части.

Разбор задач

Задача 1. Классифицировать вещества CH₃OH, CH₃CH₂OH, HO−CH₂−CH₂−OH и назвать их. Нужно посчитать группы −OH, определить углеродный состав и применить названия соответствующих спиртов. Затем следует проверить, содержит ли каждое вещество одну группу или несколько.

1. В CH₃OH одна группа −OH, а углеродный скелет содержит один атом углерода. Это предельный одноатомный спирт метанол.
2. В CH₃CH₂OH одна группа −OH и два атома углерода. Это предельный одноатомный спирт этанол.
3. В HO−CH₂−CH₂−OH две группы −OH при цепи из двух атомов углерода. Это предельный двухатомный спирт этан-1,2-диол, также называемый этиленгликолем.

Ответ: CH₃OH — метанол, одноатомный; CH₃CH₂OH — этанол, одноатомный; HO−CH₂−CH₂−OH — этан-1,2-диол, двухатомный спирт. Подсчёт именно групп −OH, а не отдельных атомов кислорода, позволяет избежать ошибки в классификации.

Задача 2. Составить структурные формулы всех изомерных спиртов состава C₄H₁₀O и распределить их по типам. Формула подходит для предельного одноатомного спирта при n = 4, но сама по себе не показывает строение. Поэтому отдельно проверим прямую и разветвлённую углеродные цепи и возможные положения −OH.

1. Для прямой цепи из четырёх атомов углерода группа −OH может быть у конца или у второго атома: CH₃CH₂CH₂CH₂OH — бутан-1-ол; CH₃CH(OH)CH₂CH₃ — бутан-2-ол.
2. Для разветвлённого скелета получаем (CH₃)₂CHCH₂OH — 2-метилпропан-1-ол и (CH₃)₃COH — 2-метилпропан-2-ол.
3. Определяем тип каждого спирта по числу углеродных соседей атома, несущего −OH. В первом и третьем соединениях таких соседей по одному, во втором — два, в четвёртом — три.

Ответ: бутан-1-ол и 2-метилпропан-1-ол — первичные; бутан-2-ол — вторичный; 2-метилпропан-2-ол — третичный. Все четыре изомера имеют одинаковый состав C₄H₁₀O, но отличаются строением углеродного скелета или положением группы −OH.

Задача 3. Сравнить растворимость в воде и температуры кипения этанола, бутанола и этиленгликоля. У этанола и бутанола по одной группе −OH, но у бутанола углеводородная часть длиннее. У этиленгликоля две группы −OH, поэтому сравнение показывает влияние сразу двух особенностей строения.

1. Обе одноатомные молекулы образуют водородные связи с водой, но у бутанола более длинный неполярный радикал. Поэтому его растворимость в воде ниже, чем у этанола.
2. Этиленгликоль содержит две группы −OH и способен образовывать больше водородных связей с водой. Поэтому он хорошо смешивается с водой.
3. Между молекулами всех трёх веществ возможны водородные связи. Более крупный радикал обычно усиливает межмолекулярное притяжение, а дополнительные группы −OH дают больше возможностей для водородных связей; поэтому температуры кипения в целом растут в ряду этанол, бутанол, этиленгликоль.

Ответ: растворимость в воде убывает в ряду этиленгликоль, этанол, бутанол; температуры кипения возрастают в ряду этанол, бутанол, этиленгликоль. При сравнении учитывайте оба фактора: размер углеводородного радикала и число групп −OH.

Типичные ошибки

Ошибка: считать спиртом любое вещество с группой −OH. Так можно ошибочно включить в этот класс фенолы, где группа связана с ароматическим кольцом. Путаница возникает потому, что формулы обеих групп содержат −OH. Проверьте, к какому атому углерода присоединена группа: у спирта это углерод радикала, а фенол рассматривают отдельно.

Ошибка: определять число гидроксильных групп по числу атомов кислорода. Число групп −OH и число атомов кислорода — не одно и то же: каждый атом кислорода не обязательно входит в гидроксильную группу. Чтобы проверить ответ, найдите в структурной формуле каждую отдельную связь O−H.

Ошибка: называть изомерами вещества разного состава. Различия в строении ещё не делают вещества изомерами: у них должна совпадать молекулярная формула. Ошибка появляется, когда сравнивают только названия или похожие фрагменты. Сначала пересчитайте атомы каждого элемента, а уже потом сравнивайте строение.

Ошибка: выбирать цепь и нумеровать её без учёта −OH. Если начать нумерацию не с того конца, группа получит неверный номер и название окажется ошибочным. Выберите самую длинную цепь, включающую углерод при −OH, и нумеруйте с ближайшего к группе конца. Затем проверьте, что указанное число действительно соответствует её положению.

Связь с другими темами

Для работы с формулами спиртов нужны знания о строении органических молекул, валентности углерода и углеводородных радикалах. Гомологический ряд, изомерия и правила названий углеводородов помогают выводить формулы и давать соединениям систематические названия. Различать спирты и фенолы, а также учитывать число групп −OH потребуется при изучении их химических свойств и многоатомных спиртов. Представления о полярности и водородных связях пригодятся для объяснения свойств других кислородсодержащих органических веществ.

Что запомнить

• Гидроксильная группа −OH — главная функциональная группа спиртов.
• Спирты классифицируют по числу групп −OH и строению углеводородного радикала.
• Предельные одноатомные спирты имеют общую формулу CₙH₂ₙ₊₁OH.
• Положение группы −OH указывают в названии цифрой.
• Молекулы спиртов способны образовывать водородные связи.
• С увеличением углеводородного радикала растворимость одноатомных спиртов в воде обычно уменьшается.
• Увеличение числа гидроксильных групп усиливает гидрофильность вещества.