17.4. Получение

Определения и обозначения

Спирты — органические соединения, в которых гидроксильная группа OH связана с насыщенным атомом углерода. Для одноатомных предельных спиртов общая формула — CₙH₂ₙ₊₁OH, где n — число атомов углерода. Эта формула помогает отличать такие спирты от других кислородсодержащих веществ и составлять формулы их представителей.

Гидратация алкенов — присоединение молекулы воды по двойной связи с образованием спирта. В несимметричном алкене атом водорода преимущественно присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода, а группа OH — к более замещённому; это соответствует правилу Марковникова. Правило необходимо, чтобы определить, какой именно изомер спирта образуется.

Гидролиз галогеналканов — взаимодействие галогеналкана с водным раствором щёлочи, при котором атом галогена замещается на группу OH. Например, из хлорэтана так можно получить этанол. Это определение помогает отличить получение спирта от реакции, в которой из галогеналкана образуется алкен.

Спиртовое брожение — превращение глюкозы в этанол и углекислый газ под действием ферментов. Ферменты — вещества, ускоряющие биохимические реакции. Понимание состава продуктов позволяет правильно записать уравнение и рассчитать количество получаемого этанола.

Как это устроено

Выбор способа получения спирта зависит от того, какие связи и группы уже есть в исходном веществе. В алкене можно использовать двойную связь, в галогеналкане — заменить атом галогена, а в карбонильном соединении — восстановить группу C=O. Глюкоза служит сырьём для биохимического получения этанола. Поэтому при выборе реакции сначала определяют класс исходного вещества и строение нужного спирта.

При гидратации вода присоединяется по двойной связи алкена, а кислотный катализатор ускоряет превращение. В несимметричном алкене образуются продукты присоединения, но обычно один из них преобладает: это объясняет правило Марковникова. Например, у пропена группа OH оказывается у среднего атома углерода, и основным продуктом становится пропан-2-ол. Катализатор нужен для ускорения реакции, а не для включения в состав продукта.

Галогеналканы превращают в спирты водным раствором щёлочи: частица OH замещает атом галогена. Вода создаёт условия, благоприятные для замещения, поэтому продуктом становится спирт. Если же взять спиртовой раствор щёлочи, реакция обычно идёт иначе: от молекулы отщепляется галогеноводород, а между атомами углерода образуется двойная связь. Значит, при решении важно указывать не только щёлочь, но и среду.

Этанол получают брожением сырья, содержащего сахар или крахмал: крахмал предварительно превращают в сахара, доступные для ферментов. Брожение проводят при подходящей температуре и ограниченном доступе кислорода; ферменты микроорганизмов обеспечивают превращение глюкозы. Продуктами служат этанол и углекислый газ, поэтому уравнение должно учитывать оба вещества. Метод имеет практическое значение для производства этанола из возобновляемого растительного сырья.

Метанол получают в промышленности из синтез-газа — смеси главным образом угарного газа и водорода. Смесь пропускают через катализатор при повышенных температуре и давлении, поскольку так реакция идёт с достаточной скоростью. Высшие спирты можно получать, например, гидратацией соответствующих алкенов или восстановлением карбонильных соединений. В лабораторной работе часто выбирают наглядную реакцию для небольшого количества вещества, тогда как промышленный способ оценивают также по доступности сырья, выходу и затратам.

Основные способы получения спиртов

Сначала найдите исходное вещество в таблице, затем проверьте условия: особенно важно различать водный и спиртовой растворы щёлочи. После этого сопоставьте строение продукта с уравнением. Для конкретной задачи подставьте формулы веществ и проверьте, что число атомов каждого элемента сохраняется.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение получения этанола гидратацией этена и назовите условия реакции. Этен содержит двойную связь, поэтому к нему присоединяется вода. Требуется указать кислотный катализатор и не включать его в формулу продукта.

1. Определяем тип реакции: гидратация, то есть присоединение воды по двойной связи.
2. Записываем реагенты и продукт: CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃CH₂OH.
3. Указываем условия: кислотный катализатор и нагревание; в записи над стрелкой можно указать H₃PO₄.

Ответ: CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃CH₂OH, кислотный катализатор, нагревание. Проверка показывает, что слева и справа по два атома углерода, шесть атомов водорода и один атом кислорода. Продуктом является этанол.

Задача 2. Получите пропан-2-ол из пропена и из 2-хлорпропана. Здесь нужно применить два разных способа: присоединение воды к алкену и замещение галогена в галогеналкане. В первом случае положение группы OH определяем по правилу Марковникова.

1. Гидратация пропена: CH₃CH=CH₂ + H₂O → CH₃CH(OH)CH₃, H⁺, нагревание.
2. Гидролиз 2-хлорпропана: CH₃CHClCH₃ + NaOH → CH₃CH(OH)CH₃ + NaCl, водный раствор, нагревание.
3. Сверяем строение обоих продуктов: группа OH связана со вторым атомом углерода, поэтому в обоих случаях образуется пропан-2-ол.

Ответ: пропан-2-ол получают гидратацией пропена или гидролизом 2-хлорпропана. Важно не записывать при гидратации пропена пропан-1-ол как основной продукт: это противоречит правилу Марковникова. Во втором уравнении водная среда указывает на замещение, а не на отщепление.

Задача 3. Предложите способы получения этанола из этена, хлорэтана и глюкозы. Затем найдите массу этанола, которую теоретически можно получить из 0,5 моль каждого исходного вещества по отдельности. Считаем, что реакции идут полностью, поэтому фактические потери продукта не учитываем.

1. Записываем уравнения: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH; C₂H₅Cl + NaOH → C₂H₅OH + NaCl; C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Для первых двух реакций нужны соответственно кислотный катализатор и водный раствор щёлочи, для третьей — ферменты.
2. Находим количество этанола по коэффициентам. Из 1 моль этена или хлорэтана получается 1 моль этанола, значит, из 0,5 моль — 0,5 моль; из 1 моль глюкозы образуется 2 моль этанола, значит, из 0,5 моль — 1 моль.
3. Используем M(C₂H₅OH) = 46 г/моль и формулу m = nM. Для первых двух исходных веществ m = 0,5 · 46 = 23 г, для глюкозы m = 1 · 46 = 46 г.

Ответ: этен и хлорэтан дают теоретически по 23 г этанола, а 0,5 моль глюкозы — 46 г. Различие объясняется коэффициентами в уравнениях: из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы этанола. В реальном процессе масса может быть меньше из-за неполного превращения и потерь.

Типичные ошибки

Гидратацию алкена путают с гидролизом галогеналкана, потому что в обоих случаях получается спирт. Ошибка в том, что одинаковый продукт не означает одинаковые исходные вещества и ход реакции. Проверьте, что у вас записано слева: алкен с водой или галогеналкан с водной щёлочью.

При гидратации несимметричного алкена иногда выбирают неверный изомер и не применяют правило Марковникова. Это происходит, если механически присоединить OH к крайнему атому углерода. Проверьте, к какому атому углерода должна присоединиться группа OH: преимущественно к более замещённому.

Для получения спирта из галогеналкана иногда указывают спиртовой раствор щёлочи. Его выбирают по привычке, не учитывая роль среды, хотя в таких условиях обычно отщепляется галогеноводород и образуется алкен. Сверьте продукт с условием: для замещения галогена на OH нужна водная щёлочь.

Уравнение брожения записывают как неопределённое разложение глюкозы, забывая ферменты и один из продуктов. Так упускают углекислый газ или не показывают условия процесса. Проверьте, что записаны этанол и CO₂, а уравнение сбалансировано: одна молекула глюкозы даёт две молекулы каждого продукта.

Связь с другими темами

Для понимания способов получения спиртов нужны знания о строении алкенов, галогеналканов, альдегидов и кетонов, а также о присоединении, замещении и восстановлении. Эти реакции показывают взаимопревращения разных классов органических веществ. Тема пригодится при изучении свойств спиртов и промышленного органического синтеза. Расчёты количества продукта опираются на уравнение реакции, молярную массу, количество вещества и закон сохранения массы.

Что запомнить

• Спирты получают из алкенов, галогеналканов, карбонильных соединений и углеводов.
• Гидратация алкенов протекает в присутствии кислотного катализатора.
• При гидратации несимметричного алкена учитывают правило Марковникова.
• Водный раствор щёлочи превращает галогеналкан в спирт.
• Спиртовой раствор щёлочи способствует отщеплению галогеноводорода.
• При спиртовом брожении глюкозы образуются этанол и углекислый газ.
• Метанол промышленно получают из синтез-газа.