О чём этот урок

В прошлом уроке мы увидели, что гидролиз галогенопроизводных даёт вещества с гидроксильной группой $-OH$ — спирты. Этиловый спирт в напитках, метиловый — смертельно опасный яд, глицерин — вязкая сладковатая жидкость в косметике: все они содержат одну и ту же функциональную группу, но ведут себя очень по-разному. Разберёмся, как устроены спирты, откуда берутся различия в их свойствах и почему у них такая необычно высокая температура кипения.

Прежде чем начать

• функциональная группа и принцип классификации органических веществ (урок 4);
• реакция гидролиза галогенопроизводных, приводящая к спиртам (урок 12);
• межмолекулярные взаимодействия и водородная связь из общей химии — вспомните, что кислород сильно электроотрицателен и способен образовывать такие связи;
• реакции активных металлов с водой из неорганической химии (выделение $H_2$).

Разбираемся с нуля

Гидроксильная группа как функциональная группа

Спирты — органические вещества, содержащие одну или несколько гидроксильных групп $-OH$, присоединённых к атому углерода, находящемуся в состоянии sp³-гибридизации, то есть к обычному, «предельному» атому углеродного скелета (не к атому ароматического кольца — с этим отличием мы разберёмся в следующем уроке).

Общая формула предельных одноатомных спиртов:

$$C_nH_{2n+1}OH$$

Классификация спиртов

По числу гидроксильных групп в молекуле спирты делят на:

• одноатомные — одна группа $-OH$ (например, этанол);
• многоатомные — две и более групп $-OH$ (этиленгликоль — две группы, глицерин — три).

По типу атома углерода, несущего группу $-OH$, спирты, как и галогенопроизводные из урока 12, делят на первичные, вторичные и третичные — в зависимости от того, с одним, двумя или тремя другими атомами углерода связан этот атом.

Номенклатура

Название спирта строится с помощью суффикса -ол и, при необходимости, номера (локанта) положения группы $-OH$: метанол, этанол, пропанол-1, пропанол-2, бутанол-1. Для многоатомных спиртов используют суффиксы -диол, -триол с указанием номеров всех групп $-OH$: этандиол-1,2 (тривиальное название — этиленгликоль), пропантриол-1,2,3 (тривиальное — глицерин).

Физические свойства: аномально высокие температуры кипения

Связь $O-H$ сильно полярна, а на атоме кислорода есть неподелённые электронные пары. Это позволяет молекулам спирта образовывать друг с другом водородные связи — дополнительное, довольно прочное межмолекулярное притяжение, которого нет у обычных углеводородов.

Сравните: этанол ($M = 46$ г/моль) кипит при $+78\,^\circ C$, тогда как пропан ($M = 44$ г/моль, почти такая же масса) кипит уже при $-42\,^\circ C$. Такая гигантская разница в температурах кипения при почти одинаковой молекулярной массе объясняется исключительно наличием водородных связей между молекулами спирта — прямое следствие межмолекулярных взаимодействий, знакомых вам из общей химии.

Низшие спирты (метанол, этанол, пропанолы) неограниченно смешиваются с водой — по той же причине: они способны образовывать водородные связи и с молекулами воды. С удлинением углеродной цепи растворимость в воде падает — начинает преобладать неполярная углеводородная часть молекулы.

Спирты как слабые кислоты

Спирты реагируют с активными металлами, выделяя водород — совсем как вода:

$$2R-OH + 2Na \to 2R-ONa + H_2\uparrow$$

Однако эта реакция у спиртов протекает медленнее, чем у воды: алкильная группа немного «подпитывает» связь $O-H$ электронами, что затрудняет отрыв атома водорода в виде $H^+$.

Важно: спирты — более слабые кислоты, чем вода. Это пригодится в следующем уроке для сравнения со спиртами гораздо более сильного «родственника» — фенола.

Дегидратация — отщепление воды

При нагревании с концентрированной серной кислотой спирт может терять молекулу воды двумя разными путями.

• Внутримолекулярная дегидратация (при более высокой температуре, обычно выше $140\,^\circ C$): молекула спирта теряет воду внутри себя, образуя алкен — это в точности обратный процесс гидратации алкена из урока 8.

$$CH_3-CH_2-OH \xrightarrow{H_2SO_4,\ t>140\,^\circ C} CH_2=CH_2 + H_2O$$

• Межмолекулярная дегидратация (при более низкой температуре): вода отщепляется сразу от двух молекул спирта, соединяя их в простой эфир.

$$2\,CH_3-CH_2-OH \xrightarrow{H_2SO_4,\ t<140\,^\circ C} CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3 + H_2O$$

Окисление спиртов — всё зависит от типа спирта

Здесь важна классификация на первичные, вторичные и третичные спирты, введённая выше:

• первичный спирт окисляется ступенчато: сначала до альдегида, затем до карбоновой кислоты (подробно — уроки 15–16):

$$R-CH_2-OH \xrightarrow{[O]} R-CHO \xrightarrow{[O]} R-COOH$$

• вторичный спирт окисляется до кетона (урок 15): $R_2CH-OH \xrightarrow{[O]} R_2C=O$;
• третичный спирт в обычных условиях практически не окисляется — у атома углерода, несущего $-OH$, просто нет атома водорода, который можно было бы отнять при окислении.

В качестве окислителя обычно используют подкисленный раствор $KMnO_4$ или $K_2Cr_2O_7$ — по изменению их окраски удобно судить о ходе реакции.

Реакция этерификации

Спирт реагирует с карбоновой кислотой (в присутствии концентрированной серной кислоты как катализатора), образуя сложный эфир и воду — эта реакция обратима:

$$CH_3-CH_2-OH + CH_3-COOH \underset{H_2SO_4,\ t}{\rightleftarrows} CH_3-COO-CH_2-CH_3 + H_2O$$

Подробно о сложных эфирах поговорим в уроке 17.

Важнейшие представители

• Метанол $CH_3OH$ — простейший спирт, крайне токсичен: даже небольшое количество способно вызвать слепоту или смерть из-за продуктов его окисления в организме.
• Этанол $C_2H_5OH$ — получают брожением сахаров или гидратацией этилена (связь с уроком 8); широко применяется как растворитель, топливная добавка и в спиртных напитках, но при этом остаётся токсичным веществом при избыточном употреблении.
• Глицерин (пропантриол-1,2,3) — вязкая сладковатая жидкость; наличие сразу трёх групп $-OH$ обеспечивает множество водородных связей, отсюда высокая вязкость и гигроскопичность.

Важно: качественная реакция на многоатомные спирты — при добавлении к свежеосаждённому гидроксиду меди(II) $Cu(OH)_2$ осадок растворяется, а раствор окрашивается в ярко-синий цвет. Обычные одноатомные спирты такой реакции не дают — это удобный способ отличить многоатомный спирт от одноатомного.

Примеры и разбор

Пример 1. Первичный, вторичный или третичный?

Задача: Определите тип спирта для бутанола-2, $CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3$.

Разбор: атом углерода, несущий $-OH$, связан с группой $CH_3$ и с группой $CH_2CH_3$ — то есть с двумя другими атомами углерода.

Вывод: бутанол-2 — вторичный спирт; при окислении он дал бы кетон (бутанон-2).

Пример 2. Что получится при дегидратации?

Задача: Пропанол-2 ($CH_3-CH(OH)-CH_3$) нагревают с концентрированной серной кислотой при температуре выше $140\,^\circ C$. Какой продукт образуется?

Разбор: при высокой температуре преобладает внутримолекулярная дегидратация — отщепление воды даёт алкен.

Вывод: $CH_3-CH(OH)-CH_3 \to CH_2=CH-CH_3 + H_2O$ — образуется пропен.

Пример 3. Как отличить глицерин от этанола?

Задача: В двух пробирках без надписей — этанол и глицерин. Предложите способ различить их химическим путём.

Разбор: добавим к обеим пробиркам свежеосаждённый $Cu(OH)_2$. С глицерином (многоатомный спирт) осадок растворится, раствор станет ярко-синим. С этанолом (одноатомный спирт) видимых изменений не будет.

Вывод: качественная реакция с $Cu(OH)_2$ позволяет отличить многоатомный спирт от одноатомного.

Проверьте себя

1. Как отличить первичный, вторичный и третичный спирты друг от друга?
2. Почему температура кипения этанола гораздо выше, чем у пропана со сходной молекулярной массой?
3. Почему спирты — более слабые кислоты, чем вода?
4. Чем отличаются продукты внутримолекулярной и межмолекулярной дегидратации спирта?
5. Какие продукты получаются при окислении первичного, вторичного и третичного спиртов?
6. Что образуется в реакции этерификации и почему эта реакция обратима?
7. Какая качественная реакция позволяет отличить глицерин от этанола?
8. Почему метанол так опасен, несмотря на внешнее сходство с этанолом?

Коротко о главном

• Спирты — вещества с гидроксильной группой $-OH$ у sp³-атома углерода; общая формула предельных одноатомных спиртов — $C_nH_{2n+1}OH$.
• По числу групп $-OH$ спирты делят на одноатомные и многоатомные; по типу углеродного атома с $-OH$ — на первичные, вторичные и третичные.
• Между молекулами спирта образуются водородные связи, поэтому температуры кипения спиртов намного выше, чем у углеводородов сравнимой массы.
• Спирты — слабые кислоты (слабее воды): реагируют с активными металлами с выделением $H_2$.
• Дегидратация спирта даёт алкен (внутримолекулярная) или простой эфир (межмолекулярная) — в зависимости от температуры.
• Окисление зависит от типа спирта: первичный → альдегид → кислота, вторичный → кетон, третичный практически не окисляется.
• Реакция этерификации со спиртами даёт сложные эфиры — это обратимая реакция с участием карбоновых кислот.
• Глицерин (многоатомный спирт) даёт характерную качественную реакцию с гидроксидом меди(II) — ярко-синее окрашивание.

Куда дальше

Гидроксильная группа спиртов ведёт себя совсем иначе, если «посадить» её прямо на ароматическое кольцо. В следующем уроке разберём фенолы — и увидим, насколько сильно меняются свойства функциональной группы в зависимости от того, к какому скелету она присоединена.

➡ Урок 14: Фенолы — чем они отличаются от спиртов