ТЕМА 2. Кислородсодержащие соединения
Наряду с углеводородами СаНв, в состав которых входят атомы двух видов – С и Н, известны кислородсодержащие органические соединения типа СаНвОс. В теме 2 мы рассмотрим кислородсодержащие соединения, различающиеся: 1) числом атомов О в молекуле (один, два или более); 2) кратностью связи углерод–кислород (одинарная С–О или двойная С=О); 3) видом атомов, соединенных с кислородом (С–О–Н и С–О–С).
Источники веществ с разным числом атомов кислорода в молекулахУрок 16. Одноатомные предельные спирты
Спиртами называют производные углеводородов общей формулы RОН, где R – углеводородный радикал. Формула спирта получается из формулы соответствующего алкана заменой атома Н на группу ОН: RН RОН. Вывести химическую формулу спиртов можно иначе, включая атом кислорода О между атомами С–Н молекулы углеводорода:
Гидроксильная группа ОН является функциональной группой спиртов. То есть группа ОН – особенность спиртов, она обусловливает главные физические и химические свойства этих соединений.
Общая формула одноатомных предельных спиртов – СnH2n+1OH.
Названия спиртов получают из названий углеводородов с таким же числом атомов С, как в спирте, добавлением суффикса -ол-. Например:
Название спиртов как производных соответствующих алканов характерно для соединений с линейной цепью. Положение группы ОН в них – при крайнем или при внутреннем атоме С – указывают цифрой после названия:
Названия спиртов – производных разветвленных углеводородов – составляют обычным образом. Выбирают главную углеродную цепь, которая должна включать атом С, соединенный с группой ОН. Нумеруют атомы С главной цепи таким образом, чтобы углерод с группой ОН получил меньший номер:
Название cоставляют, начиная с цифры, указывающей положение заместителя в главной углеродной цепи: «3-метил…» Затем называют главную цепь: «3-метилбутан. » Наконец добавляют суффикс -ол- (название группы ОН) и цифрой указывают атом углерода, с которым связана группа ОН: «3-метилбутанол-2». Если заместителей при главной цепи несколько, их перечисляют последовательно, указывая цифрой положение каждого. Повторяющиеся заместители в названии записывают с помощью приставок «ди-», «три-», «тетра-» и т.д. Например:
Изомерия спиртов. Изомеры спиртов имеют одинаковую молекулярную формулу, но разный порядок соединения атомов в молекулах. Два вида изомерии спиртов: 1) изомерия углеродного скелета; 2) изомерия положения гидроксильной группы в молекуле. Представим изомеры спирта С5Н11ОН этих двух видов в линейно-уголковой форме записи:
По числу атомов С, связанных со спиртовым (–С–ОН) углеродом, т.е. соседних с ним, спирты называют первичными (один сосед С), вторичными (два С) и третичными (три С-заместителя при углероде –С–ОН). Например:
Задача. Составьте по одному изомеру спиртов молекулярной формулы С6Н13ОН с главной углеродной цепью:
Решение
1) Записываем главные углеродные цепи с заданным числом атомов С, оставляя место для атомов Н (их укажем позже):
а) С–С–С–С–С–С; б) С–С–С–С–С; в) С–С–С–С; г) С–С–С.
2) Произвольно выбираем место присоединения группы ОН к главной цепи и при внутренних атомах С указываем углеродные заместители:
В примере г) нет возможности разместить три заместителя СН3– при атоме С-2 главной цепи. У спирта С6Н13ОН нет изомеров с трехуглеродной главной цепью.
3) Расставляем атомы Н при углеродах главной цепи изомеров а)–в), руководствуясь валентностью углерода С(IV), и называем соединения:
УПРАЖНЕНИЯ.
1. Подчеркните химические формулы предельных одноатомных спиртов:
2. Назовите следующие спирты:
3. Составьте структурные формулы по названиям спиртов: а) гексанол-3; б) 2-метилпентанол-2; в) н-октанол; г) 1-фенилпропанол-1; д) 1-циклогексилэтанол.
4. Составьте структурные формулы изомеров спиртов общей формулы С6Н13ОН: а) первичного; б) вторичного; в) третичного. Назовите эти спирты.
5. По линейно-уголковым (графическим) формулам соединений запишите их структурные формулы и дайте названия веществам:
Урок 17. Получение спиртов
Низкомолекулярные спирты – метанол СН3ОН, этанол С2Н5ОН, пропанол С3Н7ОН, а также изопропанол (СН3)2СНОН – бесцветные подвижные жидкости со специфическим алкогольным запахом. Высокие температуры кипения: 64,7 °С – СН3ОН, 78 °С – С2Н5ОН, 97 °С – н-С3Н7ОН и 82 °С – (СН3)2СНОН – обусловлены межмолекулярной водородной связью, существующей в спиртах. Спирты С(1)–С(3) смешиваются с водой (растворяются) в любых соотношениях. Эти спирты, особенно метанол и этанол, наиболее широко используются в промышленности.
1. Метанол синтезируют из водяного газа:
2. Этанол получают гидратацией этилена (присоединением воды к С2Н4):
3. Другой способ получения этанола – сбраживание сахаристых веществ под действием дрожжевых ферментов. Процесс спиртового брожения глюкозы (виноградного сахара) имеет вид:
4. Этанол получают из крахмала, а также из древесины (целлюлозы) путем гидролиза до глюкозы и последующего сбраживания в спирт:
5. Высшие спирты получают из галогенпроизводных углеводородов гидролизом под действием водных растворов щелочей:
Гидролиз и гидратация – способы получения спиртовЗадача. Как из пропана получить пропанол-1?
Решение
Из пяти предложенных выше способов получения спиртов ни в одном не рассмотрено получение спирта из алкана (пропана и т.п.). Поэтому синтез пропанола-1 из пропана будет включать несколько стадий. По способу 2 спирты получают из алкенов, которые в свою очередь доступны при дегидрировании алканов. Схема процесса следующая:
Другая схема такого же синтеза на одну стадию длиннее, зато ее легче осуществить в лаборатории:
Присоединение воды к пропену на последней стадии протекает по правилу Марковникова и приводит к вторичному спирту – пропанолу-2. В задании требуется получить пропанол-1. Поэтому задача не решена, ищем другой способ. Способ 5 состоит в гидролизе галогеналканов. Необходимый полупродукт для синтеза пропанола-1 – 1-хлорпропан – получают следующим образом. Хлорирование пропана дает смесь 1- и 2-монохлорпропанов:
Из этой смеси выделяют 1-хлорпропан (например, с помощью газовой хроматографии или за счет разных температур кипения: для 1-хлорпропана tкип = 47 °С, для 2-хлорпропана tкип = 36 °С). Действием на 1-хлорпропан водной щелочью КОН или NaOH синтезируют целевой пропанол-1:
Обратите внимание, что взаимодействие одних и тех же веществ: СН3СН2СН2Сl и КОН – в зависимости от растворителя (спирт С2Н5ОН или вода) приводит к разным продуктам – пропилену (в спирте) или пропанолу-1 (в воде).
УПРАЖНЕНИЯ.
1. Приведите уравнения реакций промышленного синтеза метанола из водяного газа и этанола – гидратацией этилена.
2. Первичные спирты RСН2ОН получают гидролизом первичных алкилгалогенидов RСН2Наl, а вторичные спирты синтезируют гидратацией алкенов. Завершите уравнения реакций:
3. Предложите способы получения спиртов: а) бутанола-1; б) бутанола-2; в) пентанола-3, исходя из алкенов и алкилгалогенидов.
4. При ферментативном брожении сахаров наряду с этанолом в небольшом количестве образуется смесь первичных спиртов С3–С5 – сивушное масло. Главный компонент в этой смеси – изопентанол (СН3)2СНСН2СН2ОН, минорные компоненты – н-С3Н7ОН, (СН3)2СНСН2ОН и СН3СН2СН(СН3)СН2ОН. Назовите эти «сивушные» спирты по номенклатуре ИЮПАК. Составьте уравнение реакции брожения глюкозы С6Н12О6, в которой бы получались все четыре примесных спирта в мольном соотношении соответственно 2:1:1:1. Введите газ СО2 в правую часть уравнения в количестве 1/3 моль от всех исходных атомов С, а также необходимое количество молекул Н2О.
5. Приведите формулы всех ароматических спиртов состава С8Н10О. (В ароматических спиртах группа ОН удалена от бензольного кольца на один или несколько атомов С: С6Н5– (СН2)n– ОН.)
Ответы на упражнения к теме 2
Урок 16
1. Подчеркнуты химические формулы предельных одноатомных спиртов:
2. Названия спиртов по структурным формулам:
3. Структурные формулы по названиям спиртов:
4. Изомеры и названия спиртов общей формулы С6Н13ОН:
5. Структурные формулы и названия, составленные по графическим схемам соединений: