Одна гидроксильная группа — а свойств столько, что хватает на треть заданий по органике. Разбираем спирты до конца: от строения до расчётных задач.
Спирты — производные углеводородов, где атом (или несколько атомов) водорода заменён на гидроксильную группу –OH. Общая формула предельных одноатомных спиртов: CnH2n+1OH.
Одноатомные (1 группа): этанол. Многоатомные (2+): этиленгликоль (2), глицерин (3).
Первичные R-CH2-OH, вторичные R2CH-OH, третичные R3C-OH — по числу соседних C у углерода с OH.
Предельные, непредельные (аллиловый спирт CH2=CH-CH2OH), ароматические (бензиловый C6H5CH2OH — не путать с фенолом!).
В феноле группа –OH связана напрямую с ароматическим кольцом (C6H5OH). В бензиловом спирте между кольцом и –OH есть CH2: C6H5CH2OH. Это принципиально разные классы с разной химией — фенолы кислее и не дают часть реакций спиртов. Подробно — в конспекте о фенолах.
Главная цепь обязательно включает атом с –OH, нумеруется так, чтобы OH получил меньший номер. CH₃-CH(OH)-CH₂-CH₃ → бутанол-2. Тривиальные названия тоже встречаются: метанол = метиловый спирт, этанол = этиловый спирт, глицерин = пропантриол-1,2,3.
Главная цепь — 4 атома C (бутанол), OH при C1, метил при C3.
CH₃-CH(CH₃)-CH₂-CH₂-OH
Спирты кипят намного выше своих углеводородных аналогов той же молярной массы — причина в водородных связях между молекулами (O–H···O), которые нужно разорвать при кипении.
| Вещество | M, г/моль | t кип., °C | Причина |
|---|---|---|---|
| пропан C₃H₈ | 44 | −42 | только слабые ван-дер-ваальсовы силы |
| этанол C₂H₅OH | 46 | +78 | водородные связи между молекулами |
| этиленгликоль | 62 | +197 | 2 группы OH — вдвое больше связей |
| глицерин | 92 | +290 | 3 группы OH — сеть водородных связей |
Метанол, этанол, пропанолы — смешиваются с водой в любых соотношениях (гидроксил «побеждает» короткий неполярный хвост). Начиная примерно с C5 (пентанол) растворимость резко падает — неполярный «хвост» начинает преобладать.
Каждая молекула одноатомного спирта в среднем образует 2 водородные связи с соседями: одну как донор (её O–H тянется к чужому O), одну как акцептор (чужой O–H тянется к её атому кислорода — за счёт неподелённых пар). У многоатомных спиртов количество связей на молекулу растёт пропорционально числу групп OH, поэтому t кипения глицерина настолько выше воды и этанола, несмотря на сопоставимую полярность отдельной группы.
Спирт — амфотерное по кислотно-основным свойствам соединение: слабая кислота (по O–H) и слабое основание (по неподелённой паре O). Основные направления реакций — разрыв O–H связи или разрыв C–O связи.
Как и формальдегид, метанол окисляется до конца: не до муравьиной кислоты, а до CO₂ (в щелочной среде — до карбоната). Причина та же — у его углерода после первого окисления остаётся водород, который окисляется дальше. Остальные первичные спирты останавливаются на альдегиде или кислоте.
У третичного спирта нет атома H при углероде, несущем OH — «вырывать» окислителю нечего. Третичные спирты не дают ни альдегид/кетон при мягком окислении, ни легко окисляются жёстко (только с разрывом C–C цепи при очень жёстких условиях). Это частый вопрос-ловушка «какой спирт НЕ прореагирует с CuO».
Концентрированная H2SO4 с этанолом при 140°C — межмолекулярная дегидратация, продукт простой эфир. При 170°C и выше — внутримолекулярная, продукт алкен. Ниже 140°C реакция почти не идёт, а при промежуточных температурах получается смесь.
CH₃-CH(OH)-CH₂-CH₃ →(H₂SO₄,170°C)
Отщепление H возможно от C1 (даст бутен-1) или от C3 (даст бутен-2). По правилу Зайцева преобладает продукт с более замещённой двойной связью — бутен-2 (у C3 меньше атомов H, чем у C1).
Многоатомные спирты обладают всеми свойствами одноатомных, но плюс — уникальной качественной реакцией на соседние группы –OH.
Свежеосаждённый голубой Cu(OH)2 растворяется в глицерине или этиленгликоле, образуя ярко-синий прозрачный раствор — это качественная реакция именно на соседние гидроксильные группы (1,2-диольный фрагмент). Одноатомные спирты (этанол) такого эффекта не дают. Это тот же принцип, что и в качественной реакции на глюкозу (тоже многоатомный полиол).
Дано: 9,2 г глицерина C3H5(OH)3 (M=92 г/моль).
n(глицерина) = 9,2/92 = 0,1 моль. У глицерина 3 группы OH → n(Na) = 3 × 0,1 = 0,3 моль.
m(Na) = 0,3 × 23 = 6,9 г
Первичный спирт при окислении CuO дал вещество, дающее реакцию «серебряного зеркала». M(спирта) = 60 г/моль.
Формула спирта CnH2n+1OH: 12n+2n+1+17=60 → 14n=42 → n=3.
Первичный спирт с 3 атомами C — пропанол-1 C3H7OH, окисляется до пропаналя (альдегид даёт реакцию серебряного зеркала).
Дрожжи гибнут при концентрации этанола выше ~15% (спирт денатурирует их ферменты) — поэтому естественное брожение никогда не даёт крепче слабоалкогольных напитков; для получения более концентрированного спирта нужна последующая перегонка (ректификация). Это часто всплывает в контексте «почему нельзя одностадийно получить чистый спирт брожением».
Вся химия спирта сосредоточена в группе –OH и в том, к какому атому углерода она присоединена.
Смотри, сколько водородов у атома с группой –OH. Два водорода (первичный) → альдегид. Один (вторичный) → кетон. Ноль (третичный) → окисление невозможно без разрушения молекулы. Это работает всегда.
Мнемоника: высокая температура — высокая непредельность, получается алкен. Низкая температура — молекулы успевают «слипнуться» попарно, получается эфир. В условии задачи температура указана не просто так.
Свежеосаждённый Cu(OH)₂ (голубой осадок) при добавлении глицерина растворяется, давая ярко-синий раствор глицерата меди. Одноатомные спирты этого не дают. Условие: две группы –OH должны стоять у соседних атомов углерода.
В трёх пробирках: этанол, глицерин, вода. Как различить?
1) Cu(OH)₂: только глицерин даст ярко-синий раствор. Остальные две — без изменений.
2) Натрий: в этаноле пойдёт спокойное выделение H₂ (2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑), в воде — бурная реакция с плавлением металла.
Можно проще: поджечь. Этанол горит голубоватым пламенем, вода — нет.
Массы почти одинаковы, но у этанола есть группа –OH, а значит — водородные связи между молекулами. Чтобы испарить спирт, надо не только раздвинуть молекулы, но и разорвать эти связи. У пропана их нет вовсе: молекулы держатся лишь слабыми силами. Разница в 120 градусов — целиком заслуга водородной связи.
Ответь мысленно, потом раскрой карточку.
При 140°C — межмолекулярная дегидратация, продукт диэтиловый эфир. При 170°C — внутримолекулярная, продукт этилен.
У атома углерода, несущего OH, нет атома водорода (все три оставшиеся связи заняты алкильными группами) — окислителю нечего «отрывать», чтобы образовать C=O.
Реакцией с Cu(OH)₂: многоатомный спирт (с соседними OH) растворяет голубой осадок, давая ярко-синий раствор; одноатомный — не даёт такого эффекта.
Бутанон (кетон) — бутанол-2 вторичный спирт, при окислении вторичных спиртов образуются кетоны, а не альдегиды.
C₂H₅OH + CH₃COOH ⇌(H₂SO₄) CH₃COOC₂H₅ + H₂O — обратимая реакция, катализатор серная кислота.
По правилу Зайцева — 2-метилбутен-2 (более замещённая двойная связь), а не 2-метилбутен-1.
Между молекулами спирта образуются водородные связи (O–H···O), которых нет у неполярных алканов — на разрыв этих дополнительных связей нужна дополнительная энергия.
n(этанола)=9,2/46=0,2 моль. Реакция 1:1 (2C2H5OH+2Na→...) → n(Na)=0,2 моль. m(Na)=0,2×23=4,6 г.
Каталитическая гидратация этилена (C2H4+H2O→C2H5OH, кат. H3PO4) — быстрее и производительнее брожения, использует доступное сырьё из нефтепереработки.
3C₂H₅OH + PCl₃ → 3C₂H₅Cl + H₃PO₃ — гидроксильная группа замещается на хлор, побочный продукт фосфористая кислота.
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно