Спирты

Эта статья прошла проверку экспертом
Материал из «Знание.Вики»
Структурные формулы спиртов

Спирты́ (от лат. spiritus — дух, душа), (алкого́ли) — функциональные производные углеводородов, кислородсодержащие органические соединения, гидроксисоединения, содержащие одну или более гидроксильных групп (−OH), непосредственно связанных с насыщенным атомом углерода, находящимся в состоянии sp³-гибридизации. Многие спирты имеют тривиальные названия. Например, метанол — древесный спирт, этанол — винный спирт, цис-3-гексен-1-ол — спирт листьев. На человеческий организм спирты оказывают токсичное воздействие, являясь ксенобиотиками, обладают наркотическими свойствами, раздражают нервную систему. Метанол, этанол — опасные для человека яды, контаминанты. Этиленгликоль — ядовитое вещество, образующее при попадании в организм человека токсичные метаболиты[1].

История открытия

По мнению историков, уже за 8 веков до нашей эры человек употреблял напитки, содержащие этиловый спирт, полученный при брожении фруктов и мёда. Примерно в VI — VII веках арабы выделили этанол в чистом виде из вина, европейцы получили этанол в XII веке. В XVII веке метанол перегонкой древесины, а в XIX веке химики установили, что спирты образуют целый класс органических веществ[2][3].

В Западной Азии люди делали вино уже в 5400—5000 годах до нашей эры. При этом китайцы изготавливали крепкие напитки на основе мёда, риса и винограда. Они делали это еще в 7000—6500 годах до нашей эры. Выделить чистый спирт из вина впервые удалось арабам в VI веке, описанные исследователем Абу Бакром Мухаммадом ар-Рази[4][5].

Аппарат для дистилляции жидкостей

Получение спирта методом дистилляции жидкостей первым описал Аристотель (384—320 годы до нашей эры). Многие учёные того периода занимались усовершенствованием процесса перегонки. Алхимик Джабир ибн Хайян Абу Муса из Египта и александрийский учёный Зосим де Панополис подробно описали принцип действия дистилляционного аппарата и были уверены, что путём дистилляции смогли выделить душу вина. В IX веке итальянские учёные сконструировали дистилляционный аппарат, на котором получили этанол из продуктов брожения. Пар и конденсат, образующиеся при нагревании в дистилляционном аппарате, назвали «Spiritus Vini», что в переводе с латынского языка означало «дух вина» или — спирты[2][5].

В 1334 году врач Арно де Вилльгер первым произвёл винный спирт, названный «водой жизни». Уже в 1360 году его стали изготавливать в монастырях Франции и Италии. В 1386 году генуэзское посольство привезло винный спирт в Россию в подарок царскому двору. В 1661 году английский химик Роберт Бойль первым получил метанол из древесины. В 1761 году российский учёный Иоганн Тобиас Ловиц изобрёл этанол абсолютированный. Английский учёный Александр Уильям Уильямсон в 1850 году вывел формулу этанола. В 1856 году французский исследователь Шарль Адольф Вирц получил этиленгликоль, в составе которого были две гидроксильные группы и который был отнесён к классу двухатомных спиртов[2][5].

В 1842 году немецкий химик Якоб Генрих Вильгельм Шиль установил закономерность спиртов формировать гомологический ряд, в котором каждый последующий спирт отличался от предыдущего на определённую группу атомов, являющейся постоянной, с формулой С2Н2. Это было ошибкой. В 1844 году химик Шарль Фредерик Жерар установил правильную гомологическую разность — (-СН2)[2].

Строение и физические свойства

Строение молекулы спиртов

Cпирты рассматривают как производные углеводородов, в молекулах которых один атом водорода замещён на органическую функциональную группу R—O—H. Спирты геометрически подобны молекуле воды: угол в молекуле метанола равен 109 °С, при этом кислород в гидроксильной группе находится в состоянии sp³-гибридизации[6][7][8].

Строение молекулы воды

Молекула спирта, в отличие от молекул углеводородов, полярна. Кислород — это неметалл с высокой электроотрицательностью (ЭО = 3,5). Он оттягивает на себя общую электронную пару и от атома углерода и водорода. За счёт близости общих электронных пар атом кислорода приобретает некоторый избыточный отрицательный заряд (δ-), а обделённые электронами углерод и водород приобретают некоторый положительный заряд (δ+). Разница между полюсами отрицательными и положительными областями молекулы называется полярностью молекулы. Если связи между этими атомами слабополярны, такие молекулы называют неполярными. Полярность молекул спиртов объясняет их физические свойства[9][10].

Так как в спиртах имеются межмолекулярные водородные связи, температуры плавления и кипения высокие. Наличие в молекуле спиртов гидроксильной группы (— ОН) оказывает влияние на физические свойства спиртов: растворимость в воде, плотность, температуру кипения. Среди спиртов, в отличие от углеводородов, нет газов. Это объясняется образованием прочных водородных связей между атомом кислорода молекулы спирта и атомами водорода гидроксильных групп соседних молекул. По этой же причине спирты хорошо растворимы в воде[11].

Метанол, этанол и пропанол как соединения с небольшой длиной углеводородной цепи смешиваются с водой в любых соотношениях неограниченно и имеют высокую плотность и температуру кипения для своей молекулярной массы[12].

Высшие спирты с водой не смешиваются, то есть гидрофобны, и мало отличаются по свойствам от соответствующих углеводородов. Растворимость спиртов в воде уменьшается с увеличением молекулярной массы, так, начиная с гексилового спирта, одноатомные спирты практически нерастворимы. Высшие спирты в воде не растворяются. Растворимость спиртов с разветвленной структурой выше, чем у спиртов с имеющих неразветвленное, нормальное строение[6][8][9][11].

Водородные связи (тонкая линия) в молекуле спиртов

Предельные неразветвленные спирты с числом атомов углерода С1 — С11 при нормальных условиях — жидкости, являются хорошими растворителями. Спирты с числом атомов углерода более С12 — твёрдые вещества. Температуры плавления и кипения спиртов выше, чем у соответствующих им алканов и альдегидов. Положительно заряженный водород гидроксильной группы электростатически притягивается к отрицательно заряженному кислороду соседней молекулы. Эти водородные связи препятствуют испарению вещества. Все спирты легче воды, так как их плотность меньше единицы. Низшие спирты (С1 — С3) неограниченно смешиваются с водой, имеют специфический «спиртовый» запах. Спирты с содержанием атомов углерода С4 — С5 обладают удушливым (сивушным) запахом, начиная со спиртов, в которых атомов углерода С6 и более запаха не имеют. Арилалифатические спирты и терпеноиды, содержащие ОН-группу, имеют фруктово-цветочный запах. Многоатомные спирты не имеют неприятного запаха и даже сладковатые на вкус.[6][8][9]. Спирты с числом атомов углерода С1 — С11 ядовиты или вредны для здоровья.

Классификация

Все спирты делят по следующим признакам: по числу гидроксильных групп, по строению углеводородного радикала, типу атома углерода, с которым связана гидроксильная группа. Классификация спиртов приведена в таблицах 1, 2, 3[6][8][9].

Таблица 1. Классификация спиртов по числу гидроксильных групп[6][7][8][13]
Название Пример представителя спирта Химическая формула (сокращённая, полная) Структурная формула Шаростержневая модель (по Бриглебу)
Одноатомные спирты Метанол СН4О, CH3OH
Метанол
Метанол
Двухатомные спирты Этиленгликоль C2H6О2, C2H4(ОН)2
Этиленгликоль
Этиленгликоль
Трёхатомные спирты Глицерин C3H8О3, HOCH2 — CH(OH) — СH2OH
Глицерин
Глицерин
Многоатомные спирты Ксилит C5H12О5
Ксилит
Ксилит
Таблица 2. Классификация спиртов по строению углеводородного радикала[6][7][9][13]
Название,

общая формула

Пример представителя спитра Химическая формула (сокращённая, полная) Структурная формула Шаростержневая модель
Алифатические (ациклические) предельные (насыщенные) спирты,

CnH2n+1OН, группа (- ОН) соединена с предельным углеводородным радикалом

Этанол (этиловый спирт) C2H6О, C2H5ОН
Этанол
Этанол
Пропанол-1 (пропиловый спирт) C3H8О, C3H7ОН
Пропанол — 1
Пропанол — 1
Алифатические непредельные (ненасыщенные) спирты, группа (- ОН) соединена с непредельным углеводородным радикалом Аллиловый спирт (проп-2-ен-1-ол) C3H6О, C3H5ОН
Аллиловый спирт (проп-2-ен-1-ол)
Аллиловый спирт (проп-2-ен-1-ол)
Непредельные спирты, группа (- ОН) соединена с атомов углерода при двойной связи, содержат в радикале ароматическое кольцо, не связанное непосредственно с группой (- ОН) Бензиловый спирт (фенилкарбинол, фенилметанол, гидроксиметилбензол) C7H8О,

C6H5CH2ОН

Бензиловый спирт (фенилкарбинол, фенилметанол, гидроксиметилбензол)
Бензиловый спирт (фенилкарбинол, фенилметанол, гидроксиметилбензол)
Таблица 3. Классификация спиртов по типу атома углерода, с которым связана гидроксильная группа[6][9][13]
Графическое изображение Название, общая формула Пример представителя спиртов Химическая формула Структтурная формула
Классификация спиртов по типу атома углерода
 Первичные спирты, содержат одновалентную спиртовую группировку атомов, R — CH2OH этанол, этиловый спирт C2H6О, C2H5ОН
Этанол
Вторичные спирты, содержат двухвалентную спиртовую группировку атомов, R — CHOHR¹ пропанол–2 C3H8О
Пропанол — 2
Третичные спирты, содержат трёхвалентную спиртовую группировку атомов, R — CHOH — CH2R¹ 2–метилпропанол–2,

третичный бутиловый спирт

(СН3)3С-ОН
2 — метилпропанол — 2, третичный бутиловый спирт

Номенклатура

Спирты называют по систематической номенклатуре ИЮПАК (IUPAC — Международный союз теоретической и прикладной химии) по названию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса «-ол» и цифры, которая указывает положение гидроксильной группы (- ОН). Названия углеводородов составляют в соответствии со следующими правилами[9]:

  • нумеруют атомы углерода в длинной углеродной цепи с того края, к которому ближе расположена гидроксильная группа;
  • местоположение гидроксильной группы в названии определяют написанием цифры после суффикса «-ол»;
  • если в составе спирта присутствуют другие функциональные группы, то нумерация углеродного скелета начинается с того края, где расположена старшая функциональная группа, её название указывают перед названием спирта цифрой. Например[6]:
  • CH3 — CH2 — СН2 — CH2 — ОН,
  • CH3 — CH(CH3) — СН2 — СН2ОН, 2-метилбутанол-1[6].

По радикально-функциональной номенклатуре название спиртов формируется от названия углеводородного радикала с добавлением слова «спирт», например[14]:

  • СH3 — OH — метанол или метиловый спирт;
  • C2H5OH — этанол или этиловый спирт;
  • СН3 — CH2 — CH2 — СН2 — OH — бутанол или бутиловый спирт[9][14].

Тривиальные названия были даны спиртам по природному источнику получения. Например, метанол называют древесным спиртом, а этанол — винным спиртом. Тривиальные названия некоторых спиртов приведены в таблице 4.

Таблица 4. Тривиальные названия спиртов[9]
Химическая формула спирта Название по номенклатуре ИЮПАК тривиальное название
Предельные одноатомные спирты
CH3OH метанол древесный спирт
C2H5OH этанол винный спирт
C5H11OH пентан-1-ол амиловый спирт
C16H33OH гексадекан-1-ол цетиловый спирт
Предельные многоатомные спирты
C2H4(ОН)2 этан-1,2-диол этиленгликоль
C3H5(ОН)3 пропан-1,2,3-триол глицерин
C5H7(ОН)5 пентан-1,2,3,4,5-пентол ксилит
C6H8(ОН)6 гексан-1,2,3,4,5,6-гексол сорбит
Непредельные алифатические спирты
C3H5OH проп-2-ен-1ол аллиловый спирт
C10H17OH 3,7-диметилокта-2,7-диен-1-ол гераниол
Алициклические спирты
C6H6(OH)6 циклогексан-1,2,3,4,5,6-гексол инозит
C10H19OH 2-(2-пропил)-5-метилциклогексанол-1 ментол

Изомерия

Для спиртов характерны структурная, межклассовая, пространственная (оптическая) изомерия и изомерия положения гидроксильной группы. Особенности различных видов изомерии спиртов приведены в таблице 5[6][9][14].

Таблица 5. Изомерия спиртов[6][9][14]
Структурная изомерия

(характерна для спиртов с числом атомов углерода ≥С4)

Межклассовая изомерия Изомерия положения группы (-OH) Пространственная (оптическая) изомерия
2-метил-пропанол-2
Структурные изомеры
диэтиловый эфир (простые эфиры)
и
2-метил-пропанол-1
Этанол
и
Диметиловый эфир
Пропанол-1
Пропанол-2
D,S-бутанол-2
и
L,R-бутанол-2

Нахождение в природе

В свободном состоянии спирты встречаются в природе достаточно часто, входят в состав сложных эфиров. Метанол содержится в небольших количествах в борщевике. Этанол содержится в тканях и крови животных и человека как продукт спиртового брожения органических продуктов (ягоды, фрукты), содержащих углеводы. 3-Гексен-1-ол содержится в эфирных маслах зелёных частей многих растений и придаёт им характерный запах. Фенилэтиловый спирт — душистый компонент розового эфирного масла. Терпеновые спирты, многие из которых являются душистыми веществами, также можно встретить в растительном мире[8].

  • Ментол содержится в эфирном масле мяты и герани

    Ментол содержится в эфирном масле мяты и герани

  • Бисаболол входит в состав эфирного масла ромашки, тополя

    Бисаболол входит в состав эфирного масла ромашки, тополя

  • Фенхол содержится в смоле хвойных деревьев и плодах фенхеля

    Фенхол содержится в смоле хвойных деревьев и плодах фенхеля

  • Сабинол содержится в эфирном масле тысячелистника

    Сабинол содержится в эфирном масле тысячелистника

  • Туйол содержится в эфирном масле шалфея

    Туйол содержится в эфирном масле шалфея

В животном и растительном мире распространены конденсированные тетрациклические спирты, обладающие высокой биологической активностью и входящие в класс стероидов, нахождение в природе которых приведено в таблице 6[8].

Таблица 6. Нахождение спиртов в природе
Холестерол Эргостерол Сорбитол Маннит
Холестерол содержится в клетках растительных и животных организмов
Эргостерол содержится в некоторых водорослях и грибах
Сорбитол содержится в ягодах вишни и рябины
Маннитол содержится в морских водорослях, грибах

Химические свойства

Общая формула одноатомных предельных спиртов: C2nH2n+1OH. В одноатомных и многоатомных спиртах имеют место водородная и ковалентная полярная связи. При протекании химических реакций в спиртах происходит разрыв одной из этих химических связей. Метанол, этанол, пропанол, изопропанол, этиленгликоль и глицерин смешиваются с водой в любых соотношениях. Спирты, содержащие две гидроксильные группы при одном и том же атоме углерода, не являются устойчивыми, в результате перегруппировки атомов они превращаются в альдегиды или кетоны с отщеплением молекулы воды. Спирты, содержащие двойную связь в молекуле у атома углерода, связанного с гидроксильной группой (- ОН), называют енолами, которые в результате перегруппировки атомов (кетоно-енольная таутомерия) также превращаются в альдегиды или кетоны. Спирты относят к неэлектролитам, в водных расворах они не диссоциирруют на ионы, поэтому их кислотные свойства выражены слабее, чем у воды[6][9].

Кислотно-основные свойства

Взаимодействие с металлами

За счет полярности связи гидроксильной группы (-OH) водород в спиртах достаточно легко замещается, что объясняет их кислотные свойства. При взаимодействии с активными металлами (натрий, калий) в безводном состоянии спирты проявляют слабые кислотные свойства, при этом образуются алкоголяты (этилат натрия)[9][14]:

2C2H5OH + 2Na ⇔ 2C2H5ONa + Н2↑

2C2H5OH + 2K ⇔ 2C2H5OK + Н2↑

Многоатомные спирты (этиленгликоль, глицерин) также реагируют с активными металлами[9]:

HOCH2 — СH2OH + 2Na ⇔ NaOCH2 — СH2ONa + Н2↑

Взаимодействие со щелочами

С водными растворами щелочей одноатомные спирты практически не взаимодействуют (идёт необратимый процесс гидролиза алкоголятов), так как являются слабыми кислотами по отношению к воде. С твёрдыми щелочами спирты взаимодействуют, реакция обратимая со смещением равновесия влево. С увеличением углеродного скелета основность спиртов увеличивается[10][15]:

C2H5OH + NaОН(тв) ⇔ C2H5ONa + Н2О

У многоатомных спиртов кислотные свойства выражены сильнее, чем у одноатомных, поэтому такие реакции возможны. Реакция идет в основном только по одной группе (–ОН), реакция обратимая со смещением равновесия в сторону исходных веществ[15][11]:

HOCH2 — СH2OH + NaОН ⇔ HOCH2 — СH2ONa + Н2О

Многоатомные спирты (этиленгликоль, глицерин) реагируют с гидрооксидом меди (II), Cu(OH)2 в присутствии щёлочи с образованием комплексной соли (качественная реакция на многоатомные спирты). При взаимодействии этиленгликоля со свежеосажденным гидроксидом меди (II) Cu(OH)2 образуется раствор гликолята меди ярко-синего цвета, причём реакция идет по одной гидроксильной группе (—ОН)[14]:

HOCH2 — СH2OH + Cu(OH)2 + HOCH2 — СH2OH → HOCH2 — СH2O — Cu — OCH2 — СH2OH + Н2О

Реакции замещения гидроксильной группы (—ОН)

Взаимодействие с галогеноводородами

В сильнокислой среде в присутствии концентрированной серной кислоты H2SO4 или с избытком галогеноводорода (хлорводорода НCl или бромводорода НBr) реакция замещения спиртовой группы на галоген протекает с образованием галогеналканов (хлорэтан C2H5Cl и бромэтан C2H5Br)[10][14]:

C2H5OH + НCl → C2H5Cl + H2O — в присутствии концентрированной серной кислоты H2SO4

C2H5OH + НBr → C2H5Br + H2O — избыток НBr

HOCH2 — СH2OH + 2НBr → BrCH2 — СH2Br + Н2О

Внутримолекулярная дегидратация

Так как серная кислота H2SO4 обладает водоотнимающими свойствами, то при температуре 180 °С происходит отщепление молекулы воды (дегидратация) от спирта (пропанол–2) с образованием двойной связи между атомами углерода в том месте, где вода отщепилась. В реакции образуются алкены (пропен–2)[9][14]:

CH3 — CH(ОН) — СН2 — СН2 — CH3 → CH3 — CH = СН2 — СН2 — CH3 + H2O

Межмолекулярная дегидратация

При щадящем нагреве до температуры около 140°С (при температуре выше происходит преимущественно отщепление с образованием алкена) в присутствии концентрированной серной кислоты H2SO4 происходит отщепление воды и объединение двух молекул спирта (этанола) в простой эфир (диэтиловый эфир)[14]:

CH3 — CH2 —OH + OH — CH2 — CH3 → CH3 — CH2 —O — CH2 — CH3

Данная реакция имеет практическое значение только для получения симметричных простых эфиров, если провести дегидратацию в смеси двух спиртов, получится смесь трех продуктов:

CH3—CH2—OH + CH3—CH2—CH2—OH CH2 → CH3—O—CH3 + CH3—CH2—CH2—O—CH3 + CH3—CH2—CH2—O—CH2—CH2—CH3

метанол + пропанол → диметиловый эфир + метилпропиловый эфир + дипропиловый эфир

Этерификация

Рисунок 1 — Реакция этерификации

В присутствии концентрированной серной кислоты H2SO4 при реакции этерификации (рисунок 1) происходит конденсация молекул спирта (этанол) и карбоновой кислоты (этановая или уксусная кислота) с отщеплением воды, при этом образуется сложный эфир (этиловый эфир уксусной кислоты или этилацетат)[9].

Рисунок 2 — Гидролиз сложных эфиров

Реакция этерификации обратимая — гидролиз сложных эфиров, протекает с образованием спирта и карбоновой кислоты (рисунок 2)[10].



Взаимодействие с аммиаком

Реакция протекает при нагревании спирта (этанол), гидроксильная группа (—OH) замещается на аминогруппу (—NH2), образуются амины (этиламин)[9][14]:

CH3 — CH2 —OH + NH3 → CH3 — CH2 — NH2 + H2O

Дегидрирование

Пары спирта (метанол) пропускают над медьсодержащим катализатором при температуре 300 °C. При этом отщепляется молекула водорода и образуется альдегиды (формальдегид или метаналь). Образование альдегидов характерно для дегидрирования первичных спиртов[14]:

CH3OH → CH2O + H2

При дегидрировании вторичных спиртов образуются кетоны[7][10]:пропанол–2 → ацетон

CH3 — CH(OH) — CH3 → CH3 — CH(O) — CH3

Третичные спирты в реакции дегидрирования не вступают[7][10].

Окисление

Горение спиртов

C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O.

Жидкофазное окисление с применением хромовой смеси

3C2H5OH + K2Cr2O7 + 4H2SO4 → 3CH3COOH + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + H2O.

этанол + хромовая смесь (K2Cr2O7 + 4H2SO) → этановая кислота (карбоновая кислота) + сульфат калия + сульфат хрома + вода

Окисление оксидом меди (II) при нагревании

CH3— CH2 — OH + CuO → 2CH3 — CHO + Cu + H2O.

При каталитическом (медь-содержащий катализатор) окислении кислородом и при нагревании первичные спирты образуют альдегиды, вторичные спирты превращаются в кетоны, третичные окисляются с разрушением углеродного скелета[14]:

2CH3—OH + О2 → НСОН + 2H2O

метанол (первичный спирт) + кислород → метаналь (альдегид) + вода

2CH3—СНОН—CH2—CH3 + О2 → 2CH3 — СН(О)—CH2—CH3 + 2H2O

бутанол–2 (вторичный спирт) + кислород → 2–бутанон(кетон) + вода

Окисление спиртов перманганатом калия

В кислой среде окисление спиртов продолжается до угольной кислоты, при этом степень окисления углерода меняется от -2 до +4. Однако угольная кислота неустойчива, поэтому результатом реакции является углекислый газ + вода (СО2 + H2O)[14]:

5CH3—OH + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5СО2 + 5H2O + 3K2SO4 + 6MnSO4 + 14H2O

метанол + перманганат калия + серная кислота → угольная кислота (СО2 + H2O) + сульфат калия + сульфат магния + вода

При окислении первичных спиртов образуется карбоновая кислота, при этом окраска раствора изменяется с фиолетовой до бесцветной[14]:

5C2H5OH + 4KMnO4 + 12НСl → 5CH3—СOОН + 4MnCl2 + 4KCl + 11H2O

этанол + перманганат калия + соляная кислота → этановая кислота (карбоновая кислота) + хлорид магния + хлорид калия + вода.

Вторичные спирты окисляются до кетонов[13][16]:

5СН3-СНОН-СН3 + 2KMnO4 + 6HCl → 5CH3—CO—CH3 + 2MnCl2 + 8H2O + 2KCl

пропанол-2 (вторичный спирт) + перманганат калия + соляная кислота → ацетон (кетон) + хлорид магния + хлорид калия + вода.

Третичные спирты более устойчивые соединения к окислению. Реакция окисления возможна в кислой среде и при нагревании. При этом разрушается углеродный скелет спирта и образуется смесь карбоных кислот и кетонов с меньшим числом атомов углерода. Процесс окисления идёт через стадию дегидратации с последующим деструктивным окислением алкена. Схематично данный процесс можно записать следующим образом[9][16][17]:

CH3—(CH3)СН(ОН)—CH2—CH3 → CH3—С(CH3)=CH2—CH3 → CH3—CO–CH3 + CH3—COОН

2-метил-бутанол-2 + окислитель →(t, H+) 2-метил-бутен-2 →(t, KMnO4) ацетон (кетон) + этановая кислота (карбоновая кислота).

Многоатомные спирты при окислении образуют различные продукты. Состав продуктов зависит от взаимного положения гидроксильных групп в молекуле многоатомного спирта и природы окислителя. Спирты с гидроксогруппами у соседних атомов в зависимости от условий окисляются с сохранением С—С-связей углеродного скелета или с их разрывом. Окисление этиленгликоля в кислой среде под действием оксида хрома (III) CrO3 и азотной кислоты HNO3 происходит с образованием щавелевой кислоты как продукта по схеме[17]:

этиленгликоль → гликолевый ангидрид → гликолевая кислота → глиоксиловая кислота → щавелевая кислота

При нагревании в кислой среде многоатомные спирты (с соседними гидроксогруппами —ОН ) окисляются перманганатом калия до кетона и карбоновой кислоты по схеме[17][16]:

R2C(OH)—(OH)CHR′ → R2C=O + R′COOH

При наличии первично-спиртовой группы СН2—ОН процесс окисления расвором перманганата калия происходит с образованием оксида углерода (IV) — СО2 по схеме [16]:

R2C(OH)—CH2(OH) → R2C=O + СО2 + H2O

Реакция окисления глицерина измельчённым перманганатом калия начинается самопроизвольно и протекает с выделением тепла (Q). Глицерин полностью окисляется до углекислого газа и воды по схеме:

2С3Н8О3 + 7О2 → 6СО2 + 8H2O + Q

Получение

Щелочной гидролиз галогеналканов (в водном растворе щелочей)

При протекании этой реакции атом галогена в галогеналкане замещается на гидроксильную группу (—OH)[14]:

C2H5Cl + NaOH → C2H5OH + NaCl

CH3 — СН(Cl) — CH3 + NaOH → CH3 — CH2 — OH + NaCl

Гидратация алкенов

Присоединения молекулы воды (HOH) (реакция гидратации) протекает по правилу В. В. Марковникова. Согласно правилу В. В. Марковникова, атом водорода присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода, а гидроксильная группа присоединяется к наименее гидрированному атому углерода. Процесс гидратации протекает в кислой среде[14].

CH2 = СН2 — СН2 — CH3 + H2O (H+) → CH3 —СН2(ОН)

Восстановление карбонильных соединений (альдегидов, кетонов)

В присутствии катализатора и при нагревании протекает присоединение водорода (гидрирование) к альдегидам и кетонам. При гидрировании альдегидов образуются первичные спирты, при гидрировании кетонов — вторичные спирты, при восстановлении формальдегида образуется метанол[7][14].

CH3 — СOH + Н2 → CH3 — CH2 — OH

CH3 — СO — CH3 + Н2 → CH3 — СН(OН) — CH3

(ОН)C — С(ОН) + Н2 → HOCH2 — СH2OH

Окисление алкенов холодным водным раствором перманганата калия

Реакция окисления возможна при температуре 0°С (реакция Вагнера)[9][14]:

3CH3 — СН = CH3 + 2KMnO4 + 4H2O → 3CH3 — СН(OH) — CH2(OH) + KOH + MnO2

Спиртовое брожение глюкозы

Спиртовое брожение (распад молекулы на части) происходит под действием ферментов[14]:

С6Н12О6 → 2C2H5OH + 2H2O

Способ получения многоатомных спиртов — гидролиз жиров

При нагревании тристеарата глицерина образуется глицерин и стеариновая кислота. Механизм гидролиза жиров представлен на рисунке 2. При щелочном гидролизе жиров образуется глицерин и соли карбоновых кислот, входивших в состав жира[14].

Рисунок 2 — Механизм гидролиза жиров

Присоединение реактива Гриньяра к альдегидам и кетонам

Присоединение реактива Гриньяра (R—MgHal) к альдегидам позволяет получить первичные спирты по схеме[16]:

СН2О + СН3—MgBr →СН3—СН2—О—MgBr + Н2О → C2H5OH + Mg(ОН)Br

метаналь (альдегид) + метилмагнийбромид (реакив Гриньяра) → алкоголят → этанол

Вторичные спирты образуются при окислении альдегидов по схеме:

R—CH=O + R′—СН2—MgBr → СН2R′—C(R)H —О—MgBr + Н2О → Н2R′—C(R)H —ОH + Mg(ОН)Br

При окислении кетонов реактивом Гриньяра образуются третичные спирты по схеме:

R—(R)C=O + R′—СН2—MgBr → (R)2(R′)—CО—MgBr + Н2О → (R)2—C(R′)—ОH + Mg(ОН)Br

Промышленный способ получения метанола

Метанол получают в результате конверсии (риформинга) углеводородного сырья: природного газа, коксового газа, жидких углеводородов (нефти, мазута) и твёрдого топлива (угля, сланцев)[18]:

СО + Н2 ↔ СН3ОН + 90,8 кДж

СО2 + 3Н2 ↔ СН3ОН + Н2О — 49,6 кДж

Применение

Область применения спиртов достаточно широкая. Спирты — хорошие растворители. Их используют как сырьё в органическом синтезе для получения биотоплива, гидравлических жидкостей, добавок к биотопливам к тормозной жидкости. Спирты также являются сырьём для производств поверхностно-активных веществ, полимеров, антифризов, пестицидов, бытовой химии, взрывчатых и отравляющих веществ. Спирты используют в парфюмерии для изготовления душистых веществ. В состав косметических и медицинских средств также входят спирты. Составляют основу алкогольных напитков, служат растворителем для эссенций, играют роли заменителей сахара (маннит, ксилит), красителей (лютеин), ароматизаторов (ментол)[19]

Бутиловый спирт (CH3 — CH2 — OH) при изготовлении полимеров используется как пластификатора, в производстве формальдегидных смол является модификатором, в парфюмерии используется для получения душистых веществ, служит добавкой к топливу[19].

Пропанол–2 (CH3 — CH(OH) — CH3) применяют в качестве сырья в медицине, металлургии, химической промышленности. Как вторичный одноатомный спирт пропанол-2 является заменителем в парфюмерных, дезинфицирующих и косметических продуктах. Используется в средствах бытовой химии, в производствах антифризов и очистителях различного назначения[19].

Глицерин (HOCH2 — СH(OH) — СH2OH) применяют в медицине, косметологии. Как сырьё глицерин применяют для получения нитроглицерина — взрывчатого вещества. Также трёхатомный спирт, глицерин, находит применение в сельском хозяйстве, пищевой, текстильной, бумажной, табачной и лакокрасочной промышленности. Используется для получения различных пластиков и средств бытовой химии[19].

Литература

  1. Артёменко А. И. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 1987. — 430 с.
  2. Грандберг И. И. Органическая химия. — М.: Дрофа, 2001. — 672 с.
  3. Габриелян О. С., Остроумов И. Г. Химия: учеб для студ. сред. проф. учеб. заведений. — М.: Издательский центр «Академия», 2009. — 336 с.
  4. Габриелян О. С., Остроумов И. Г. Химия для профессий и специальностей технического профиля: учебник. — М.: Издательский центр «Академия», 2009. — 256 с.
  5. Кузьменко Н.Е., Ерёмин В.В., Попков В.А., Начала химии. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2023. — 704 с.
  6. Травень В. Ф.,  Органическая химия. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2015. — Т. 1 — 399 с.
  7. Юровская М. А., Куркин А. В., Основы органической химии. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010. — 236 с.

Примечания

  1. ↑ Маркизова Н.Ф., Гребенюк А.Н., Башарин В.А., Бонитенко Е.Ю. Спирты. — СПб.,: Фолиант, 2004. — 112 с.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 Кто и в каком году придумал спирт – история изобретения. История России. Дата обращения: 25 ноября 2023.
  3. ↑ Леенсон, И. А. Язык химии: спирты // Язык химии : журнал. — 2016. — 16 октября.
  4. ↑ Учёный-энциклопедист Абу Бакр Мухаммад ар-Рази. Ummet.kz (09.11.2020). Дата обращения: 4 декабря 2023.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Романютенко П. «Вода жизни»: как алхимики изобрели спирт // Travelask : журнал. — 2019.
  6. ↑ 6,00 6,01 6,02 6,03 6,04 6,05 6,06 6,07 6,08 6,09 6,10 6,11 Строение, классификация и номенклатура спиртов. Фоксфорд. Дата обращения: 26 ноября 2023.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 Спирты. Студариум. Дата обращения: 26 ноября 0202.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 8,5 8,6 Спирты. Большая Российская энциклопедия (10 января 2023). Дата обращения: 25 ноября 2023.
  9. ↑ 9,00 9,01 9,02 9,03 9,04 9,05 9,06 9,07 9,08 9,09 9,10 9,11 9,12 9,13 9,14 9,15 9,16 9,17 9,18 Спирты. Skysmart (25.10.2022). Дата обращения: 25 ноября 2023.
  10. ↑ 10,0 10,1 10,2 10,3 10,4 10,5 Абрамов В. А. Спирты (алкоголи). Химический справочник. Дата обращения: 26 ноября 2023.
  11. ↑ 11,0 11,1 11,2 Ерёмин, В. В., Кузьменко, Теренин, В. И., Дроздов, А. А., Лунин, В. В. Химия. — М.: Дрофа, 2019. — С. 229—230. — 409 с.
  12. ↑ Справочник Химика 21 века. Растворимость спиртов. Дата обращения: 10 декабря 2023.
  13. ↑ 13,0 13,1 13,2 13,3 Антипин Р. Л. Лекция 11. Спирты. Дата обращения: 28 ноября 2023.
  14. ↑ 14,00 14,01 14,02 14,03 14,04 14,05 14,06 14,07 14,08 14,09 14,10 14,11 14,12 14,13 14,14 14,15 14,16 14,17 14,18 14,19 Спирты и фенолы. Подготовка к ЕГЭ, ОГЭ и олимпиадам. Дата обращения: 26 ноября 2023.
  15. ↑ 15,0 15,1 Ерёмин, В. В.,. Химия (углубленный уровень) 10 класс. — М.: Дрофа, 2019. — С. 232-233. — 409 с.
  16. ↑ 16,0 16,1 16,2 16,3 16,4 Органическая химия. Интерактивный учебник. Дата обращения: 10 декабря 2023.
  17. ↑ 17,0 17,1 17,2 Еремин, В. В., Кузьменко, Н. Е. Учебник по химии углубленный уровень. Дрофа (2019). Дата обращения: 10 декабря 2023.
  18. ↑ Ваганова, Светлана. Метанол. База.Знание.Россия (10 октября 2023). Дата обращения: 27 ноября 0202.
  19. ↑ 19,0 19,1 19,2 19,3 Применение спиртов. Мир науки. Дата обращения: 28 ноября 2023.
WLW Checked Off icon.svg Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Спирты&oldid=957774