РАБОЧИЕ ТЕТРАДИ

Продолжение. Начало см. в № 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24/2004

ТЕМА 2.
Кислородсодержащие соединения

Наряду с углеводородами С_аН_в, в состав которых входят атомы двух видов – С и Н, известны кислородсодержащие органические соединения типа С_аН_вО_с. 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 молекулах

Урок 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:

RН RОН, СН₃–Н СН₃–О–Н.

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 – С_nH_2n+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:

а) С₆, б) С₅, в) С₄, г) С₃

и назовите их.

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:

СН₃ОН, С₂Н₅ОН, СН₂=СНСН₂ОН, СНССН₂ОН, С₃Н₇ОН,

СН₃СНО, С₆Н₅СН₂ОН, С₄Н₉ОН, С₂Н₅ОС₂Н₅, НОСН₂СН₂ОН.

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:

30-2.jpg (6038 bytes)

Гидролиз и гидратация – способы получения спиртов

Задача. 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 t_кип = 47 °С, для 2-хлорпропана t_кип = 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.)