Какое свойство спиртов проявляется в реакции с металлическим натрием
Спирты – кислородсодержащие органические соединения, функциональной группой которых является гидроксогруппа (OH) у
насыщенного атома углерода.
Спирты также называют алкоголи. Первый член гомологического ряда – метанол – CH3OH.
Общая формула их гомологического ряда – CnH2n+1OH.
Классификация спиртов
По числу OH групп спирты бывают одноатомными (1 группа OH), двухатомными (2 группы OH – гликоли), трехатомными (3 группы
OH – глицерины) и т.д.
Одноатомные спирты также подразделяются в зависимости от положения OH-группы: первичные (OH-группа у первичного атома углерода),
вторичные (OH-группа у вторичного атома углерода) и третичные (OH-группа у третичного атома углерода).
Номенклатура и изомерия спиртов
Названия спиртов формируются путем добавления суффикса “ол” к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода: метанол,
этанол, пропанол, бутанол, пентанол и т.д.
Для спиртов характерна изомерия углеродного скелета (начиная с бутанола), положения функциональной группы и межклассовая изомерия с
простыми эфирами, которых мы также коснемся в данной статье.
Получение спиртов
- Гидролиз галогеналканов водным раствором щелочи
- Гидратация алкенов
- Восстановление карбонильных соединений
- Получение метанола из синтез-газа
- Получение этанола брожением глюкозы
- Окисление алкенов KMnO4 в нейтральной (водной) среде
Помните, что в реакциях галогеналканов со сПИртовым раствором щелочи получаются Пи-связи (π-связи) – алкены, а в реакциях с водным раствором
щелочи образуются спирты.
Присоединения молекулы воды (HOH) протекает по правилу Марковникова. Атом водорода направляется к наиболее гидрированному атому углерода,
а гидроксогруппа идет к соседнему, наименее гидрированному, атому углерода.
В результате восстановления альдегидов и кетонов получаются соответственно первичные и вторичные спирты.
Синтез газом в промышленности называют смесь угарного газа и водорода, которая используется для синтеза различных
химических соединений, в том числе и метанола.
CO + 2H2 → (t,p,кат.) CH3-OH
В ходе брожения глюкозы выделяется углекислый газ и образуется этанол.
В результате такой реакции у атомов углерода, прилежащих к двойной связи, формируются гидроксогруппы – образуется двухатомный спирт (гликоль).
Химические свойства спиртов
Предельные спирты (не содержащие двойных и тройных связей) не вступают в реакции присоединения, это насыщенные кислородсодержащие соединения.
У спиртов проявляются новые свойства, которых мы раньше не касались в органической химии – кислотные.
- Кислотные свойства
- Реакция с галогеноводородами
- Реакции с кислотами
- Дегидратация спиртов
- Диметиловый эфир – CH3-O-CH3
- Метилэтиловый эфир – CH3-O-C2H5
- Диэтиловый эфир – C2H5-O-C2H5
- Окисление спиртов
- Качественная реакция на многоатомные спирты
- Кислотные свойства многоатомных спиртов
Щелочные металлы (Li, Na, K) способны вытеснять водород из спиртов с образованием солей: метилатов, этилатов, пропилатов и т.д.
Необходимо особо заметить, что реакция с щелочами (NaOH, KOH, LiOH) для предельных одноатомных спиртов невозможна, так как образующиеся
алкоголяты (соли спиртов) сразу же подвергаются гидролизу.
Реакция с галогеноводородами протекают как реакции обмена: атом галогена замещает гидроксогруппу, образуется молекула воды.
В результате реакций спиртов с кислотами образуются различные эфиры.
Дегидратация спиртов (отщепление воды) идет при повышенной температуре в присутствии серной кислоты (водоотнимающего) компонента.
Возможен межмолекулярный механизм дегидратации (при t 140°С) механизм дегидратации становится внутримолекулярный – образуются алкены.
Названия простых эфиров формируются проще простого – по названию радикалов, входящих в состав эфира. Например:
Качественной реакцией на спирты является взаимодействие с оксидом меди II. В ходе такой реакции раствор приобретает характерное фиолетовое
окрашивание.
Замечу, что в обычных условиях третичные спирты окислению не подвергаются. Для них необходимы очень жесткие условия, при
которых углеродный скелет подвергается деструкции.
Вторичные и третичные спирты определяются другой качественной реакцией с хлоридом цинка II и соляной кислотой. В результате такой
реакции выпадает маслянистый осадок.
Первичные спирты окисляются до альдегидов, а вторичные – до кетонов. Альдегиды могут быть окислены далее – до карбоновых кислот, в отличие
от кетонов, которые являются “тупиковой ветвью развития” и могут только снова стать вторичными спиртами.
Такой реакцией является взаимодействие многоатомного спирта со свежеприготовленным гидроксидом меди II. В результате реакции раствор
окрашивается в характерный синий цвет.
Важным отличием многоатомных спиртов от одноатомных является их способность реагировать со щелочами (что невозможно для одноатомных спиртов).
Это говорит об их более выраженных кислотных свойствах.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Источник
Этанол C2H5OH или CH3CH2OH, этиловый спирт – это органическое вещество, предельный одноатомный спирт.
Общая формула предельных нециклических одноатомных спиртов: CnH2n+2O.
В молекулах спиртов, помимо связей С–С и С–Н, присутствуют ковалентные полярные химические связи О–Н и С–О.
Электроотрицательность кислорода (ЭО = 3,5) больше электроотрицательности водорода (ЭО = 2,1) и углерода (ЭО = 2,4).
Электронная плотность обеих связей смещена к более электроотрицательному атому кислорода:
Атом кислорода в спиртах находится в состоянии sp3-гибридизации.
В образовании химических связей с атомами C и H участвуют две 2sp3-гибридные орбитали, а еще две 2sp3-гибридные орбитали заняты неподеленными электронными парами атома кислорода.
Поэтому валентный угол C–О–H близок к тетраэдрическому и составляет почти 108о.
Водородные связи и физические свойства спиртов
Спирты образуют межмолекулярные водородные связи. Водородные связи вызывают притяжение и ассоциацию молекул спиртов:
Поэтому этанол – жидкость с относительно высокой температурой кипения (температура кипения этанола +78оС).
Водородные связи образуются не только между молекулами спиртов, но и между молекулами спиртов и воды. Поэтому спирты очень хорошо растворимы в воде. Молекулы спиртов в воде гидратируются:
Чем больше углеводородный радикал, тем меньше растворимость спирта в воде. Чем больше ОН-групп в спирте, тем больше растворимость в воде.
Этанол смешивается с водой в любых соотношениях.
Структурная изомерия
Для этанола характерна структурная изомерия – межклассовая изомерия.
Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Спирты являются межклассовыми изомерами с простыми эфирами. Общая формула и спиртов, и простых эфиров — CnH2n+2О.
Например. Межклассовые изомеры с общей формулой С2Н6О этиловый спирт СН3–CH2–OH и диметиловый эфир CH3–O–CH3
| Этиловый спирт | Диметиловый эфир |
| СН3–CH2–OH | CH3–O–CH3 |
Спирты – органические вещества, молекулы которых содержат, помимо углеводородной цепи, одну или несколько гидроксильных групп ОН.
1. Кислотные свойства
Спирты – неэлектролиты, в водном растворе не диссоциируют на ионы; кислотные свойства у них выражены слабее, чем у воды.
1.1. Взаимодействие с раствором щелочей
При взаимодействии этанола с растворами щелочей реакция практически не идет, т. к. образующийся алкоголят почти полностью гидролизуется водой.
Равновесие в этой реакции так сильно сдвинуто влево, что прямая реакция не идет. Поэтому этанол не взаимодействуют с растворами щелочей.
1.2. Взаимодействие с металлами (щелочными и щелочноземельными)
Этанол взаимодействует с активными металлами (щелочными и щелочноземельными).
Например, этанол взаимодействует с калием с образованием этилата калия и водорода.
Видеоопыт взаимодействия спиртов (метанола, этанола и бутанола) с натрием можно посмотреть здесь.
Алкоголяты под действием воды полностью гидролизуются с выделением спирта и гидроксида металла.
Например, этилат калия разлагается водой:
2. Реакции замещения группы ОН
2.1. Взаимодействие с галогеноводородами
При взаимодействии спиртов с галогеноводородами группа ОН замещается на галоген и образуется галогеналкан.
Например, этанол реагирует с бромоводородом.
Видеоопыт взаимодействия этилового спирта с бромоводородом можно посмотреть здесь.
2.2. Взаимодействие с аммиаком
Гидроксогруппу спиртов можно заместить на аминогруппу при нагревании спирта с аммиаком на катализаторе.
Например, при взаимодействии этанола с аммиаком образуется этиламин.
2.3. Этерификация (образование сложных эфиров)
Одноатомные и многоатомные спирты вступают в реакции с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры.
Например, этанол реагирует с уксусной кислотой с образованием этилацетата (этилового эфира уксусной кислоты):
2.4. Взаимодействие с кислотами-гидроксидами
Спирты взаимодействуют и с неорганическими кислотами, например, азотной или серной.
Например, при взаимодействии этанола с азотной кислотой образуется сложный эфир этилнитрат:
3. Реакции замещения группы ОН
В присутствии концентрированной серной кислоты от спиртов отщепляется вода. Процесс дегидратации протекает по двум возможным направлениям: внутримолекулярная дегидратация и межмолекулярная дегидратация.
3.1. Внутримолекулярная дегидратация
При высокой температуре (больше 140оС) происходит внутримолекулярная дегидратация и образуется соответствующий алкен.
Например, из этанола под действием концентрированной серной кислоты при температуре выше 140 градусов образуется этилен:
В качестве катализатора этой реакции также используют оксид алюминия.
3.2. Межмолекулярная дегидратация
При низкой температуре (меньше 140оС) происходит межмолекулярная дегидратация по механизму нуклеофильного замещения: ОН-группа в одной молекуле спирта замещается на группу OR другой молекулы. Продуктом реакции является простой эфир.
Например, при дегидратации этанола при температуре до 140оС образуется диэтиловый эфир:
4. Окисление этанола
Реакции окисления в органической химии сопровождаются увеличением числа атомов кислорода (или числа связей с атомами кислорода) в молекуле и/или уменьшением числа атомов водорода (или числа связей с атомами водорода).
В зависимости от интенсивности и условий окисление можно условно разделить на каталитическое, мягкое и жесткое.
Первичный спирт → альдегид → карбоновая кислота
Типичные окислители — оксид меди (II), перманганат калия KMnO4, K2Cr2O7, кислород в присутствии катализатора.
4.1. Окисление оксидом меди (II)
Cпирты можно окислить оксидом меди (II) при нагревании. При этом медь восстанавливается до простого вещества.
Например, этанол окисляется оксидом меди до уксусного альдегида
Видеоопыт окисления этанола оксидом меди (II) можно посмотреть здесь.
4.2. Окисление кислородом в присутствии катализатора
Cпирты можно окислить кислородом в присутствии катализатора (медь, оксид хрома (III) и др.).
Видеоопыт каталитического окисления этанола кислородом можно посмотреть здесь.
4.3. Жесткое окисление
При жестком окислении под действием перманганатов или соединений хрома (VI) первичные спирты окисляются до карбоновых кислот.
Например, при взаимодействии этанола с перманганатом калия в серной кислоте образуется уксусная кислота
4.4. Горение спиртов
Образуются углекислый газ и вода и выделяется большое количество теплоты.
CnH2n+1ОН + (3n+1)/2O2 → nCO2 + (n+1)H2O + Q
Например, уравнение сгорания этанола:
C2H5OH + 3O2 = 2CO2 + 3H2O
5. Дегидрирование этанола
При нагревании спиртов в присутствии медного катализатора протекает реакция дегидрирования.
Например, при дегидрировании этанола образуется этаналь
1. Щелочной гидролиз галогеналканов
При взаимодействии галогеналканов с водным раствором щелочей образуются спирты. Атом галогена в галогеналкане замещается на гидроксогруппу.
Например, при нагревании хлорэтана с водным раствором гидроксида натрия образуется этанол
2. Гидратация алкенов
Гидратация (присоединение воды) алкенов протекает в присутствии минеральных кислот. При присоединении воды к алкенам образуются спирты.
Например, при взаимодействии этилена с водой образуется этиловый спирт.
3. Гидрирование карбонильных соединений
Присоединение водорода к альдегидам и кетонам протекает при нагревании в присутствии катализатора. При гидрировании альдегидов образуются первичные спирты, при гидрировании кетонов — вторичные спирты, а из формальдегида образуется метанол.
Например, при гидрировании этаналя образуется этанол
4. Получение этанола спиртовым брожением глюкозы
Для глюкозы характерно ферментативное брожение, то есть распад молекул на части под действием ферментов. Один из вариантов — спиртовое брожение.
Источник
Строение гидроксогруппы
Благодаря положительному индуктивному эффекту (+I) углеводородного радикала водород в OH-группе менее подвижен, чем в воде.
С увеличением числа углеводородных заместителей у атома углерода, соединенного с гидроксильной группой, индуктивный эффект увеличивается и кислые свойства спиртов (то есть способность отщеплять протон $H^+$) еще больше снижаются:
Кислотные свойства спиртов могут увеличиваться при введении в радикал электроотрицательных атомов или групп, например, галогенов. В этом случае за счет отрицательного индуктивного эффекта (-I) общая электронная пара между кислородом и водородом в гидроксиле смещается к кислороду и кислые свойства протона $H^+$ увеличиваются:
Таким образом. в целом спирты проявляют нейтральные свойства. Рассмотрим их подробнее.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПИРТОВ
1. Подобно воде, спирты реагируют с щелочными металлами с образованием алкоголятов и выделением водорода:
$mathrm{2R–OH + 2Na = 2R–ONa + H_2}$
Образующие алкоголяты необратимо гидролизуются водой.
2. С карбоновыми кислотами спирты образуют сложные эфиры (реакция этерификации):
$mathrm{R–OH + R’–COOH rightleftharpoons R’–COOR + H2O}$
3. Гидроксильная группа может быть замещена галогеном при действии галогеноводородов или галогенидов фосфора ($PBr_3, PCl_5$):
$mathrm{R–OH + HHal = R–Hal + H_2O}$
$mathrm{R–OH + PCl_5 = R–Cl + HCl + POCl_3}$
Галогеналканы также можно получить из спиртов действием галогенводородной кислоты в присутствии серной кислоты:
$C_2H_5OH + HClxrightarrow[]{H_2SO_4}C_2H_5Cl + H_2O$
4. Спирты вступают в реакции элиминирования. Так, в зависимости от условий, дегидратация спиртов может приводить к образованию алкенов (внутримолекулярная дегидратация) или простых эфиров (межмолекулярная дегидратация), при этом, благодаря индуктивному эффекту, дегидратация третичных спиртов проходит проще, чем первичных.
5. При каталитическом дегидрировании одноатомных спиртов образуются альдегиды или кетоны:
6. Первичные спирты в мягких условиях окисляются последовательно до альдегидов и затем – до кислот:
При окислении метанола перманганатом калия происходит окислительно-восстановительная реакция, в результате которой образуется образуется карбонат калия, а марганец восстанавливается до С.О. +4 (нейтральная среда):
$CH_3-OH + 2KMnO_4 = K_2CO_3 + 2MnO_2 + 2H_2O$
$C^{-2} – 6bar{e} rightarrow C^{+4} hspace{1cm}| 1$
$Mn^{+7} – 6bar{e} rightarrow Mn^{+4} hspace{0.6cm}| 2$
Вторичные спирты окисляются до кетонов:
Окисление третичных спиртов проходит с большим трудом. При этом происходит его окислительная деструкция с образованием смеси карбонильных и карбоксильных соединений. В жестких условиях спирты также окисляются до углекислого газа.
Горение спиртов сопровождается выделением углекислого газа и воды:
$2C_3H_7OH + 9O_2 = 6CO_2uparrow + 8H_2O$
7. Кроме реакций, затрагивающих OH-группу, возможно радикальное галогенирование углеводородного радикала.
простые Эфиры
Определение
Простые эфиры – органические вещества состава R–O–R’, где R и R’ – углеводородные радикалы.
Выделяют симметричные (с одинаковыми радикалами) и несимметричные (с разными радикалами) эфиры. Существуют циклические эфиры, которые получаются из многоатомных спиртов, например оксиран, диоксан.
В отличие от спиртов, у эфиров более низкие температуры плавления и кипения. Диметиловый эфир – газ, большинство эфиров – жидкости. Эфиры хорошо растворяются в воде. Являются органическими растворителями.
Для простых эфиров характерна изомерия углеродного скелета и метамерия (расположение атома кислорода в УВ цепи). Понятие метамерии редко используется в органической химии.
Химические свойства простых эфиров
Простые эфиры достаточно инертные вещества.
1. Расщепление (разрыв С-О-связи). Эфирная связь расщепляется под действием концентрированных галогеноводородных кислот при нагревании:
$mathrm{R–O–R’ + HHal = RHal + R’OH}$
Под действием избытка кислоты образовавшийся спирт дает соответствующее галогенпроизводное.
В случае эфира с ароматическим радикалом (Ar) расщепление происходит следующим образом:
$mathrm{Ar–O–R + HHal =RHal + ArOH}.
Реакционная способность галогеноводородных кислот в этих реакциях уменьшается от иодноводородной к хлороводородной.
Под действием концентрированной серной кислоты (лучше олемума) происходит расщепление эфиров с образованием спиртов (и продуктов их дегидратации) и сульфоновых кислот:
$mathrm{C_2H_5–O–C_2H_5 + HO–SO_3H = C_2H_5SO_3H + C_2H_5OH}$
2. Окисление простых эфиров. При окислении простых эфиров образуются органические пероксидные соединения. При стоянии на воздухе образуются перекиси эфиров R–O–O–R’. Наличие перекисей определяется по покраснению водного раствора соли Мора (двойная соль железа (II) и роданида натрия. Перекиси очень опасные вещества: даже в небольших количествах они взрывоопасны.
Получение простых эфиров
1. Простые симметричные эфиры получают межмолекулярной дегидратацией соответствующих спиртов в присутствии концентрированной серной кислоты при нагревании при температуре ниже $140-150^оС$. Этот способ позволяет получить симметричные алкильные эфиры.
2. Для синтеза несимметричных эфиров используется синтез Вильямсона: алкоголят- или фенолят-ион реагирует с галогензамещенным углеводородом (аналог реакции Вюрца):
$mathrm{CH_3Cl + Na–O–C(CH_3)_3 = CH_3–O–C(CH_3)_3 + NaCl}$
$mathrm{C_6H_5ONa + C_2H_5Br = C_6HH_5–O–C_2H_5 + NaBr}$
Выбирая реагенты для синтеза Вильямсона следует учитывать тенденцию к элиминированию, которое является конкурентным по отношению к образованию эфира. Эта тенденция уменьшается в ряду от третичных к первичным галогенпроизводным. Поэтому для получения этилтриметипропанового эфира необходимо использовать этилгалогенид, а не третбутиллогенид.
3. Для получения метиловых эфиров используют диметилсульфат $mathrm{(CH_3)_2SO_4}$.
Применение простых эфиров
Эфиры используются в органическом синтезе, в качестве растворителей, раньше широко использовались в медицине. Первый наркоз с помощью диэтилового эфира был проведен Пироговым при операциях раненых в Первой мировой войне. Сегодня диэтиловый эфир используется в стоматологии для быстрого высушивания поверхности пломбируемого зуба.
$
Источник