12.4. Получение

Определения и обозначения

Гидратация алкенов — присоединение воды по двойной связи с образованием одноатомного спирта. В общей схеме разрывается связь C=C, а к двум атомам углерода присоединяются H и OH. Этот способ позволяет получать спирты из доступных алкенов.

Гидролиз галогеналканов — замещение атома галогена на гидроксильную группу под действием водного раствора щёлочи. Если исходное вещество обозначить как R–X, то образуются R–OH и соль KX или NaX. Реакция удобна для превращения галогенпроизводных в спирты.

Спиртовое брожение — превращение глюкозы в этанол и углекислый газ под действием дрожжей. Дрожжи содержат ферменты, которые обеспечивают последовательное расщепление молекулы глюкозы. Процесс используют прежде всего для получения этанола.

Синтез-газ — смесь оксида углерода(II) и водорода, используемая для получения метанола. Его компоненты вступают в каталитическую реакцию: CO + 2H₂ → CH₃OH. Так получают метанол в промышленности, а не биологическим брожением.

Как это устроено

При гидратации алкена π-связь двойной связи превращается в две новые σ-связи. Одна часть молекулы воды, атом водорода, присоединяется к одному атому углерода, а гидроксильная группа — к соседнему. В результате у каждого атома углерода сохраняется обычная валентность четыре, поэтому образуется спирт, а не соединение с лишней связью.

Для несимметричного алкена возможны разные направления присоединения, но обычно преимущественно образуется один продукт. По правилу Марковникова водород присоединяется к тому атому углерода, у которого уже больше атомов водорода, а OH — к более замещённому атому. Например, при гидратации пропена основным продуктом становится пропан-2-ол, а не пропан-1-ол.

В молекуле галогеналкана связь между углеродом и галогеном полярна, поэтому гидроксид-ион может атаковать углерод и вытеснять галогенид-ион. Так происходит замещение: R–X + KOH → R–OH + KX. Водный раствор нужен для присутствия свободных гидроксид-ионов и протекания замещения, тогда как спиртовая щёлочь чаще вызывает отщепление HX с образованием алкена.

При брожении исходным веществом служит глюкоза, а дрожжи выполняют роль биологического катализатора. Отсутствие доступа воздуха переключает превращение на анаэробный путь, при котором углерод глюкозы распределяется между этанолом и углекислым газом. Уравнение процесса: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂; слишком высокая температура может разрушить ферменты дрожжей.

Метанол синтезируют взаимодействием компонентов синтез-газа на катализаторе: CO + 2H₂ → CH₃OH. Повышенные температура и давление увеличивают скорость процесса и позволяют направить реакцию к образованию нужного продукта. В отличие от брожения это промышленный химический синтез, не связанный с действием дрожжей.

Основные способы получения одноатомных спиртов

В таблице сначала определите исходное вещество, а затем найдите подходящий тип реакции и условия. Уравнение помогает проверить состав продукта и соотношение веществ. Особенно внимательно сравнивайте водный и спиртовой растворы щёлочи.

Разбор задач

Задача 1. Составить уравнение получения пропан-1-ола из 1-бромпропана. Исходное вещество содержит атом Br у первого атома углерода, поэтому нужно выбрать реакцию замещения. В условии подразумевается водный раствор KOH.

1. Записываем формулу 1-бромпропана: CH₃–CH₂–CH₂Br.
2. Заменяем Br на OH, сохраняя углеродный скелет.
3. Добавляем продукт реакции галогенид калия и расставляем коэффициенты.

Ответ: CH₃–CH₂–CH₂Br + KOH → CH₃–CH₂–CH₂OH + KBr.

Задача 2. Составить уравнение гидратации пропена и назвать основной продукт. Пропен имеет строение CH₃–CH=CH₂ и является несимметричным алкеном. Поэтому направление присоединения определяем правилом Марковникова.

1. Разрываем π-связь и мысленно присоединяем H и OH.
2. Водород направляем к концевому атому углерода CH₂, где водородов больше.
3. Группа OH оказывается у среднего атома углерода.

Ответ: CH₃–CH=CH₂ + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₃; основной продукт — пропан-2-ол.

Задача 3. Рассчитать объём этанола из заданной массы глюкозы при известном выходе. Пусть нужно найти объём продукта по уравнению брожения, а плотность этанола обозначена ρ. Сначала получают теоретическое количество вещества, затем учитывают выход и переводят массу в объём.

1. Находим количество глюкозы: n(C₆H₁₂O₆) = m/M.
2. По уравнению C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ вычисляем теоретическое количество этанола: nₜ = 2n(глюкозы).
3. Учитываем выход η: n = nₜη/100, затем m(этанола) = nM, а V = m/ρ.

Ответ: V = 2mM(C₂H₅OH)η/(100M(C₆H₁₂O₆)ρ). В конкретной задаче в эту формулу подставляют массу глюкозы, выход и плотность этанола.

Типичные ошибки

Спиртовой раствор KOH вместо водного. Так записывают по привычке, но спиртовая щёлочь преимущественно вызывает отщепление и даёт алкен. Проверьте условие и подпишите над KOH слово «водный».

Нарушение правила Марковникова. Ошибка появляется, когда OH ставят к концевому атому без анализа числа водородов. Проведите мысленное присоединение H и OH и убедитесь, что OH оказался у более замещённого атома.

Пропуск коэффициентов в уравнении брожения. Иногда записывают по одной молекуле этанола и CO₂, хотя из одной глюкозы образуются две молекулы каждого продукта. Проверьте число атомов углерода, водорода и кислорода по обе стороны уравнения.

Смешение способов получения метанола и этанола. Метанол образуется из CO и H₂, а брожение глюкозы даёт этанол. Сверяйте название спирта с исходными веществами и условиями реакции.

Связь с другими темами

Для понимания способов получения нужны строение, номенклатура и изомерия одноатомных спиртов, алкенов и галогеналканов. Также необходимо уметь составлять уравнения присоединения и замещения, расставлять коэффициенты и использовать молярные соотношения. Эти знания пригодятся при изучении химических свойств спиртов, альдегидов, карбоновых кислот и промышленного органического синтеза.

Что запомнить

• Спирты получают гидратацией алкенов, гидролизом галогеналканов и другими способами.
• При гидратации алкенов вода присоединяется по двойной связи.
• Для несимметричных алкенов учитывают правило Марковникова.
• Гидролиз галогеналканов проводят с водным раствором щёлочи.
• При спиртовом брожении глюкозы образуются этанол и углекислый газ.
• Метанол промышленно получают из синтез-газа.
• Условия реакции определяют, какой способ получения спирта следует выбрать.