Физические свойства спиртов. Водородная связь

Модуль I

Тема занятия: “Многоатомные алифатические и ароматические спирты. Полиамины. Аминоспирты.”

Цель занятия:изучение номенклатуры, классификации, строения, и химических свойств спиртов и фенолов, аминов и аминоспиртов.

Студент должен знать:

- классификацию спиртов, фенолов и аминов;

- номенклатуру спиртов, фенолов и аминов;

- строение спиртов, фенолов, аминов и аминоспиртов;

- химические свойства спиртов, фенола, аминов и аминоспиртов.

Студент должен уметь:

- называть по заместительной номенклатуре спирты, фенолы, амины и аминоспирты;

- сравнивать по кислотности спирты, по основности амины;

- сравнивать реакционную способность одноатомных и многоатомных спиртов, алифатических и ароматических (фенолов) спиртов, алифатических и ароматических аминов.

Спирты - это производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов Н замещены на –ОН группу.

Классификация спиртов

I. По количеству групп ОН различают: одноатомные, двухатомные и многоатомные спирты:

СН₃-СН₂-ОН

Этанол Этиленгликоль Глицерин

II. По характеру углеводородного радикала различают:

· предельные СН₃-СН₂-ОН - этанол

· непредельные СН₂ = СН-СН₂-ОН – пропен-2-ол

· циклические

циклогексанол

· ароматические

бензиловый спирт

Гомологический ряд одноатомных спиртов.

Первым членом гомологического ряда спиртов является метанол Н₃С – ОН, каждый последующий член гомологического ряда отличается на группу СН₂ (гомологическую разницу)

Формула спирта	Название по радикало-функциональной номенклатуре	Название по заместительной номенклатуре
СН3ОН	метиловый спирт	метанол
С2Н5ОН	этиловый спирт	этанол
С3Н7ОН	пропиловый спирт	пропанол
С4Н9ОН	бутиловый спирт	бутанол
С5Н11ОН	амиловый спирт	пентанол
С6Н13ОН	гексиловый спирт	гексанол

 

Радикало-функциональная и заместительная номенклатуры спиртов.

Название спиртов по заместительной номенклатуре ИЮПАК образуется от названия соответствующих алканов прибавлением окончания «ол»; по радикало – функциональной номенклатуре название образуется от названия соответствующего радикала с добавлением окончания «-овый спирт».

Нумерация главной цепи начинают с того конца, ближе к которому находится группа ОН.

В зависимости от того, при каком атоме углерода находится гидроксильная группа, различают первичные (пропанол-1), вторичные (пропанол-2) и третичные (2-метилпропанол-2) спирты.

пропанол-1 пропанол-2 2-метилпропанол-2

Изомерия спиртов.

Для спиртов характерна структурная изомерия:

· Изомерия углеродной цепи;

бутанол-1 2-метилпропанол-1

· Изомерия положения функциональной группы.

пропанол-1 пропанол-2

Физические свойства спиртов. Водородная связь.

Первые представители гомологического ряда спиртов – жидкости, высшие спирты – твердые вещества. Отсутствие газообразных спиртов объясняется способностью молекул к образованию межмолекулярных водородных связей. Первые представители спиртов (метанол, этанол, пропанол) смешиваются с водой в любых соотношениях за счет образования водородной связи с молекулами воды. С ростом молекулярной массы растворимость спиртов в воде резко падает. Высшие спирты практически нерастворимы в воде.

Низшие спирты обладают характерным алкогольным запахом, запах средних гомологов сильный и неприятный. Высшие спирты практически не имеют запаха, а третичные спирты обладают неприятным запахом плесени.

Спирты обладают аномально высокими температурами кипения по сравнению с алканами, тиолами простыми эфирами. Эти различия объясняются наличием межмолекулярных связей в молекулах спиртов.

Механизм образования межмолекулярных связей.

Атом кислорода в молекуле спирта обладает большой электроотрицательностью и оттягивает на себя электронную плотность от атома водорода. при этом на атоме водорода возникает δ⁺, а на атоме кислорода δ^-. Поэтому атом водорода электростатически притягивается к атому кислорода другой молекулы и между ними возникает водородная связь. Молекулы связанные между собой водородными связями, образуют ассоциаты.

Образование ассоциатов как бы увеличивает массу спирта и понижает его летучесть. Для разрыва этих связей требуется дополнительная энергия, этим и объясняется высокие температуры кипения.

Наибольшую склонность к образованию водородных связей проявляют первичные спирты. Для вторичных и особенно третичных спиртов способность к ассоциации снижается, так как образованию водородных связей препятствуют разветвленные углеводородные радикалы.

Строение спиртов.

Строение молекулы спирта

СН-кислотный Nu центр

d'+

центр

		d-
		SN

СН₃ ® СН₂ ® О Н

Электрофильный Центр Кислотный

центр основности центр

 

Химические свойства спиртов обусловлены их электронным строением.

В молекуле спирта кислород как более электроотрицательный атом тянет на себя электронную плотность от углеводородного радикала и от водорода. при этом связь С – О и О – Н поляризуется и на атомах углерода и водорода возникают δ⁺, а на атоме кислорода δ^-. Полярность связи О – Н определяет её склонность к гетеролитическому разрыву. Атом водорода становится более подвижным и способен отщепляться в виде Н⁺. Следовательно, спирты проявляют свойства ОН-кислот. В то же время у кислорода имеется неподелённая донорная электронная пара и спирты проявляют основные свойства. Поэтому можно сказать, что спирты являются амфотерными соединениями.

За счет поляризации связи С – О возможен гетеролитический разрыв и для спиртов возможны реакции нуклеофильного замещения (S_N). Они, как правило, идут в кислой среде, т.к. протонирование атома кислорода увеличивает d+

Химические свойства

I. Кислотно-оснóвные свойства. Спирты – слабые амфотерные соединения.

1. Взаимодействие с натрием (кислотные свойства)

2С₂H₅–ОН + 2Nа ® 2 С₂H₅–ОNа + Н₂

этилат натрия

Алкоголяты легко гидролизуются, что показывает – спирты более слабые кислоты, чем вода:

С₂H₅– ОNа + НОН ® С₂H₅–ОН + NаОН

2. Взаимодействие с сильной кислотой НС1 (основные свойства). Оснóвным центром в спиртах является атом О, обладающий неподелённой парой электронов. При действии на спирты сильными кислотами происходит присоединение Н⁺ к атому кислорода группы ОН и образуется неустойчивый алкилоксониевый ион:

Этилоксоний хлорид

II. Реакции S_Nпо гр. –ОН

Гр. -ОН является плохоуходящей группой (связь мало полярна), поэтому большинство реакций проводят в кислой среде. Механизм р-ции:

СН₃-СН₂-ОН + Н⁺ ® СН₃-СН₂- -Н ® СН₃-СН₂⁺ + Н₂О

1. Взаимодействие с галогеноводородами:

Если реакция идет с галогеноводородами, то присоединяться будет галогенид-ион: СН₃-СН₂ - ОН + НСl ® СН₃-СН₂Сl + Н₂О

2. Реакция алкилирования (введение алкила R в молекулу).

Заместить –ОН гр. на галоген можно при действии РСl₃, РСl₅ и SОСl₂, например:

С₂Н₅ОН + РСl₅ → С₂Н₅Сl + HCl + POCl₃

С₂Н₅ОН + SOСl₂ → С₂Н₅Сl + HCl + SO₂

По такому механизму легче реагируют третичные спирты.

III. Реакции S_Е .

К ним относятся реакции взаимодействия спиртов с органическими и минеральными кислотами с образованием сложных эфиров:

1. Взаимодействие с уксусной кислотой.

С₂H₅ – О Н + Н О – СН₃ – О – + Н₂О

этиловый эфир уксусной кислоты

2.

С2H5 – О Н + Н О – NО2 С2H5 – О –NО2 + Н2О

Взаимодействие с азотной кислотой:

 

этилнитрат

 

IV. Реакции Е (отщепления, или элиминирования)

Эти реакции конкурируют с реакциями S_N.

СН₃-СН₂-ОН + Н⁺ СН₃-СН₂- -Н СН₃-СН₂⁺

При избытке Н₂SО₄ и более высокой температуре, чем в случае реакции образования простых эфиров, идет регенерация катализатора и образуется алкен:

СН₃-СН₂⁺ + НSО₄^- ® СН₂ = СН₂ + Н₂SО₄

 

Легче идет реакция S_E для третичных спиртов, труднее для вторичных и первичных, т.к. в последних случаях образуется менее стабильные катионы. В данных реакциях выполняется правило А. Зайцева: «При дегидратации спиртов атом Н отщепляется от соседнего атома С с меньшим содержанием атомов Н».

СН₃-СН = СН -СН₃

Бутанол-2 бутен - 2

В организме гр. –ОН превращается в легкоуходящую путем образования эфиров с Н₃РО₄:

СН₃-СН₂-ОН + НО–РО₃Н₂ СН₃-СН₂-ОРО₃Н₂

V. Реакции окисления

1. Первичные и вторичные спирты окисляются СuО, растворами КМnО₄, К₂Сr₂О₇ при нагревании с образованием соответствующих карбонилсодержащих соединений:

Пропионовый альдегид

Пропанол-1

СН₃-СН₂- -ОН + О СН₃-CH₂- -ОН СН₃-СН₂- -Н

 

Пропанол-2

СН₃ - - СН₃ + О СН₃- - СН₃ СН₃- СН₃

Ацетон (кетон)

5CH₃OH + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ → 5CO₂↑ + 6MnSO₄ + K₂SO₄ + 19H₂O

5C₂H₅OH + 4KMnO₄ + 6H₂SO₄ → 5CH₃COOH + 4MnSO₄ + 2K₂SO₄ + 11H₂O

Окисление спиртов под действием дихроматов натрия или калия является качественной реакцией. В результате взаимодействия спирт окисляется, а дихромат – ион восстанавливается до Cr⁺³, в результате чего оранжевое окрашивание переходит в сине-зеленое.

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6 ẻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O

оранжевый сине-зеленый

 

на холоду протекает реакция по уравнению:

3С₂Н₅ОН + 2K₂Cr₂O₇ + 8H₂SO₄ → 3CH₃COOH + 2Cr₂(SO₄)₃ + 2K₂SO₄ + 11H₂O

При нагревании:

3С₂Н₅ОН + K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ → 3CH₃COH + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 6H₂O

 

2. Третичные спирты окисляются с трудом.

К реакциям окисления относятся и реакции дегидрирования:

СН₃ - - ОН СН₃ - = О + Н₂

3. Спирты горят: С₂Н₆О + 2О₂ → 2СО₂ + 3Н₂О

 

VI. По радикалу (R) протекают реакции, характерные для соответствующих углеводородов (УВ). В случае предельных – S_R, непредельных – А_N, ароматических – S_Е:

1. Реакции по α- углеродному атому с галогенами:

СН₃-СН₂-ОН + 3Вr₂ СВr₃-СН₂-ОН + 3НВr

Этанол Нарколан

2. Реакции с галогенами в непредельных спиртах:

СН₂ = СН-СН₂-ОН + Вr₂ СН₂ Вr–СНВr–СН₂ОН

Аллиловый спирт 2,3- Дибромпропанол

3. Реакции по ароматическому кольцу:

 

Бензиловый спирт n-Нитрофенилметанол

Многоатомные спирты

Многоатомные спирты можно рассматривать как производные углеводородов, в которых несколько атомов водорода замещены на группы ОН.

Двухатомные спирты, называются диолами или гликолями, трехатомные – триолы или глицерины.

Названия многоатомных спиртов образуются по общим правилам номенклатуры ИЮПАК. Представителями многоатомных спиртов являются:

этандиол-1,2 пропантриол-1,2,3

Этиленгликоль глицерин