Спирты, молекулы которых содержат две гидроксильные группы, называют двухатомными или гликолями. Общая формула двухатомных спиртов C n H 2n (OH) 2 . Двухатомные спирты образуют гомологический ряд, который можно легко написать, используя гомологический ряд насыщенных углеводородов, заменяя в их молекуле два атома водорода на гидроксильные группы.
Первым и наиболее важным представителем двухатомных спиртов является этиленгликоль НОСН 2 -СН 2 ОН (Т кип. =197 о С). Из него изготовляют антифриз.
Устойчивыми являются гликоли, в молекулах которых гидроксильные группы расположены возле разных углеродных атомов. Если две гидроксильные группы находятся возле одного углеродного атома, то такие двухатомные спирты неустойчивы, легко разлагаются, отщепляя за счет гидроксильных групп воду и превращаются в альдегиды или кетоны:
кетон
НОМЕНКЛАТУРА
В зависимости от взаимного положения гидроксильных групп различают α-гликоли (у них гидроксильные группы расположены возле соседних углеродных атомов, которые стоят рядом, в положении 1,2), β-гликоли (ОН-группы у них расположены в положении 1,3), γ-гликоли (ОН-группы – в положении 1,4), δ-гликоли (ОН-группы – в положении 1,5) и т.д.
Например: α-гликоль - CH 2 OH-CHOH-CH 2 -CH 3
β-гликоль - CH 2 OH-CH 2 -CHOH-CH 3
γ-гликоль - CH 2 OH-CH 2 -CH 2 -CH 2 OH
По рациональной номенклатуре название α-гликолей образуют от названия соответствующего этиленового углеводорода, к которому добавляют слово гликоль. Например, этиленгликоль, пропиленгликоль и т.д.
По систематической номенклатуре название гликолей образуются от названия насыщенного углеводорода, к которому прибавляют суффикс –диол, указывая номера углеродных атомов. Возле которых находятся гидроксильные группы. Например, этиленгликоль СН 2 -ОН-СН 2 ОН по номенклатуре ИЮПАК – этандиол-1,2, а пропиленгликоль СН 3 -СНОН-СН 2 ОН – пропандиол-1,2.
ИЗОМЕРИЯ
Изомерия двухатомных спиртов зависит от строения углеродной цепи:
положения гидроксильных групп в молекуле спирта, например, пропандиол-1,2 и пропандиол-1,3.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
Гликоли можно получить следующими методами:
1.Гидролиз дигалогенопроизводных насыщенных углеводородов:
2.Гидролиз галогеноспиртов:
3.Окисление этиленовых углеводородов перманганатом калия или надмуравьиной кислотой:
4.Гидратацией α-оксидов:
5.Бимолекулярным восстановлением карбонильных соединений:
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Химические свойства гликолей аналогичны свойствам одноатомных спиртов и определяется присутствием в их молекулах двух гидроксильных групп. Причем в реакциях могут принимать участие одна или обе гидроксильные группы. Однако вследствие взаимного влияния одной гидроксильной группы на другую (особенно у α-гликолей) кислотно-основные свойства гликолей несколько отличаются от аналогичных свойств одноатомных спиртов. В связи с тем, что гидроксил проявляет отрицательный индукционный эффект, одна гидроксильная группа оттягивает электронную плотность от другой аналогично тому, как это делает атом галогена в молекулах замещенных одноатомных спиртов. В результате такого влияния кислотные свойства двухатомных спиртов по сравнению с одноатомными повышаются:
Н-О СН 2 СН 2 О Н
Поэтому гликоли, в отличие от одноатомных спиртов, легко вступают в реакцию не только со щелочными металлами, но и со щелочами и даже с гидроксидами тяжелых металлов. Со щелочными металлами, щелочами гликоли образуют полные и неполные алкоголяты (гликоляты):
С гидроксидами некоторых тяжелых металлов, например с гидроксидом меди, гликоли образуют комплексные гликоляты. При этом нерастворимый в воде Cu(OH) 2 в гликоле легко растворяется:
Медь в этом комплексе образует с атомами кислорода две ковалентные связи и две – координационные. Реакция является качественной на двухатомные спирты.
Гликоли могут образовывать полные и неполные простые и сложные эфиры. Так, при взаимодействии неполного гликолята щелочного металла с галоидными алкилами получают неполные простые эфиры, а из полного гликолята – полный простой эфир:
Метил- и этилцеллозольвы применяют в качестве растворителя в производстве лаков, бездымного пороха (пироксилина), ацетатного шелка и т.д.
С органическими и минеральными кислотами двухатомные спирты образуют два ряда сложных эфиров:
Мононитрат этиленгликоля Динитрат этиленгликоля
Динитрат этиленгликоля – сильное взрывчатое вещество, которое используют вместо нитроглицерина.
Окисление гликолей осуществляется ступенчато, с участием одной или обеих гидроксильных групп одновременно с образованием следующих продуктов:
Двухатомные спирты вступают в реакцию дегидратации. Причем α-, β- и γ-гликоли, в зависимости от условий реакций, по-разному отщепляют воду. Отщепление воды от гликолей может осуществляться внутри- и межмолекулярно. Например:
Внутримолекулярное отщепление воды:
|
Межмолекулярное отщепление воды.
В 1906 г. А. Е. Фаворский, перегоняя этиленгликоль с серной кислотой, получил циклический простой эфир-диоксан:
Диоксан – жидкость, которая кипит при 101 о С, смешивается с водой в любых соотношениях, применяется как растворитель и как полупродукт в некоторых синтезах.
При межмолекулярном отщеплении воды от гликолей могут образовываться оксиэфиры (спиртоэфиры), как, например, диэтиленгликоль:
Диэтиленгликоль
Диэтиленгликоль получают также взаимодействием этиленгликоля с оксидом этилена:
Диэтиленгликоль – жидкость с температурой кипения 245,5 о С; используется как растворитель, для заполнения гидравлических приборов, а также в текстильной промышленности.
Широкое применение как хороший растворитель нашел диметиловый эфир диэтиленгликоля (диглим) Н 3 С-О-СН 2 -СН 2 -О-СН 2 -СН 2 -О-СН 3 .
Этиленгликоль при нагревании с оксидом этилена в присутствии катализаторов образует вязкие жидкости – полиэтиленгликоли:
Полиэтиленгликоль
Полигликоли используются как компоненты разных синтетических моющих средств.
Широкое применение получили полиэфиры этиленгликоля с двухосновными кислотами, которые используются в производстве синтетических волокон, например лавсана (название „лавсан” образовано из начальных букв следующих слов – лаборатория высокомолекулярных соединений Академии наук):
С метанолом терефталиевая кислота образует диметиловый эфир (диметилтерефталат, Т кип. =140 о С), который далее путем переэтерификации превращается в этиленгликольтерефталат. При поликонденсации этиленгликольтерефталата образуется полиэтилентерефталат с молекулярной массой 15000-20000. Волокно лавсан не мнется, устойчиво к разным погодным условиям.
Имеют общую формулу C n H 2n (OH) 2 . Простейшим гликолем является этиленгликоль НО-СН 2 -СН 2 -ОН.
Номенклатура
Названия гликолей образованы от названий соответствующих углеводородов с суффиксами -диол или -гликоль:
H O - C H 2 - C H 2 - O H {\displaystyle {\mathsf {HO{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}OH}}} - 1,2-этандиол, этиленгликоль
H O - C H 2 - C H 2 - C H 2 - O H {\displaystyle {\mathsf {HO{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}OH}}} - 1,3-пропандиол, 1,3-пропиленгликоль
Физические и химические свойства
Низшие гликоли представляют собой бесцветные прозрачные жидкости со сладковатым вкусом. Безводные гликоли гигроскопичны. Из-за наличия двух полярных OH-групп в молекулах гликолей у них высокие вязкость, плотность, температуры плавления и кипения.
Низшие гликоли хорошо растворяются в воде и органических растворителях (спиртах, кетонах, кислотах и аминах). В то же время гликоли сами являются хорошими растворителями для многих веществ, за исключением ароматических и высших предельных углеводородов
Гликоли обладают всеми свойствами спиртов (образуют алкоголяты , простые и сложные эфиры), при этом гидроксильные группы реагируют независимо друг от друга, образовывая смесь продуктов.
С альдегидами и кетонами гликоли образуют 1,3-диоксоланы и 1,3-диоксаны.
Получение и применение
Гликоли синтезируют несколькими основными способами:
- гидролиз соответствующих дихлоралканов
- окисление алкенов перманганатом калия:
- гидратация оксиранов (эпоксидов)
Гликоли служат в качестве растворителей и пластификаторов. Этиленгликоль и пропиленгликоль используются в качестве антифриза и гидравлических жидкостей. Благодаря высокой температуре кипения (например, 285°C у триэтиленгликоля), гликоли нашли применение в качестве тормозной жидкости . Гликоли применяются для получения различных эфиров, полиуретанов и др.
Производные углеводородов, в молекулах которых есть одна или несколько гидроксильных групп OH .
Все спирты делятся на одноатомные и многоатомные
Одноатомные спирты
Одноатомные спирты
- спирты, у которых имеется одна гидроксильная группа
.
Бывают первичные, вторичные и третичные спирты:
У первичных спиртов гидроксильная группа находится у первого атома углерода, у вторичных - у второго, и т.д.
Свойства спиртов , которые являются изомерными, во многом похожи, но в некоторых реакциях они ведут себя по-разному.
Сравнивая относительную молекулярную массу спиртов (Mr) c относительными атомными массами углеводородов, можно заметить, что спирты имеют более высокую температуру кипения. Это объясняется наличием водородной связи между атомом H в группе ОН одной молекулы и атомом O в группе -ОН другой молекулы.
При растворении спирта в воде образуются водородные связи между молекулами спирта и воды. Этим объясняется уменьшение объёма раствора (он всегда будет меньше, чем сумма объёмов воды и спирта по отдельности).
Наиболее ярким представителем химических соединений этого класса является этиловый спирт . Его химическая формула C 2 H 5 -OH. Концентрированный этиловый спирт (он же - винный спирт или этанол ) получают из разбавленных его растворов путём перегонки; действует опьяняюще, а в больших доза - это сильный яд, который разрушает живые ткани печени и клетки мозга.
Муравьиный спирт (метиловый)
При этом нужно отметить, что этиловый спирт полезен в качестве растворителя, консерванта, средства понижающего температуру замерзания какого-либо препарата. Ещё один не менее известный представитель этого класса - метиловый спирт (его ещё называют - древесный или метанол ). В отличии от этанола метанол смертельно опасен даже в самых малых дозах! Сначала он вызывает слепоту, затем просто "убивает"!
Многоатомные спирты
Многоатомные спирты
- спирты, имеющие несколько гидроксильных групп OH.
Двухатомными спиртами
называются спирты
,содержащие две гидроксильные группы (группа ОН); спирты содержащие три гидроксильные группы - трёхатомные спирты
. В их молекулах две или три гидроксильные группы никогда не оказываются присоединёнными к одному и тому же атому углерода.
Многоатомный спирт - глицерин
Двухатомные спирты ещё называют гликолями , так как они обладают сладким вкусом, - это характерно для всех многоатомных спиртов
Многоатомные спирты с небольшим числом атомов углерода - это вязкие жидкости, высшие спирты - твёрдые вещества. Многоатомные спирты можно получать теми же синтетическими методами, что и предельные многоатомные спирты .
Получение спиртов
1. Получение этилового спирта (или винный спирт) путём брожения углеводов:
C 2 H 12 O 6 => C 2 H 5 -OH + CO 2
Суть брожения заключается в том, что один из простейших сахаров - глюкоза , получаемый в технике из крахмала, под влиянием дрожжевых грибков распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Установлено, что процесс брожения вызывают не сами микроорганизмы, а выделяемые ими вещества - зимазы . Для получения этилового спирта обычно используют растительное сырьё, богатое крахмалом: клубни картофеля, хлебные зёрна, зёрна риса и т.д.
2. Гидратация этилена в присутствии серной или фосфорной кислоты
CH 2 =CH 2 + KOH => C 2 H 5 -OH
3. При реакции галогеналканов со щёлочью:
4. При реакции окисления алкенов
5. Гидролиз жиров: в этой реакции получается всем известный спирт - глицерин
Кстати, глицерин входит в состав многих косметических средств как консервант и как средство, предотвращающее замерзание и высыхание!
Свойства спиртов
1) Горение : Как и большинство органических веществ спирты горят с образованием углекислого газа и воды:
C 2 H 5 -OH + 3O 2 -->2CO 2 + 3H 2 O
При их горении выделяется много теплоты, которую часто используют в лабораториях (лабораторные горелки). Низшие спирты горят почти бесцветным пламенем, а у высших спиртов пламя имеет желтоватый цвет из-за неполного сгорания углерода.
2) Реакция со щелочными металлами
C 2 H 5 -OH + 2Na --> 2C 2 H 5 -ONa + H 2
При этой реакции выделяется водород и образуется алкоголят натрия. Алкоголяты похожи на соли очень слабой кислоты, а также они легко гидролизуются. Алкоголяты крайне неустойчивы и при действии воды - разлагаются на спирт и щелочь. Отсюда следует вывод, что одноатомные спирты не реагируют со щелочами!
3) Реакция с галогеноводородом
C 2 H 5 -OH + HBr --> CH 3 -CH 2 -Br + H 2 O
В этой реакции образуется галогеноалкан (бромэтан и вода). Такая химическая реакция спиртов обусловлена не только атомом водорода в гидроксильной группе, но и всей гидроксильной группой! Но эта реакция обратима: для её протекания нужно использовать водоотнимающее средство, например серную кислоту.
4) Внутримолекулярная дегидратация (в присутствии катализатора H 2 SO 4)
В этой реакции при действии концентрированной серной кислоты и при нагревании происходит . В процессе реакции образуется непредельный углеводород и вода.
Отщепление атома водорода от спирта может происходить в его же молекуле (то есть происходит перераспределение атомов в молекуле). Эта реакция является межмолекулярной реакцией дегидратации
. Например, так:
В процессе реакции происходит образование простого эфира и воды.
Если добавить к спирту карбоновую кислоту, например уксусную, то произойдёт образование простого эфира. Но сложные эфиры менее устойчивы, чем простые эфиры. Если реакция образования простого эфира почти необратима, то образование сложного эфира - обратимый процесс. Сложные эфиры легко подвергаются гидролизу, распадаясь на спирт и карбоновую кислоту.
6) Окисление спиртов.
Кислородом воздуха при обычной температуре спирты не окисляются, но при нагревании в присутствии катализаторов идёт окисление. Примером может служить оксид меди (CuO), марганцовка (KMnO 4), хромовая смесь. При действии окислителей получаются различные продукты и зависят от строения исходного спирта. Так, первичные спирты превращаются в альдегиды (реакция А), вторичные - в кетоны (реакция Б), а третичные спирты устойчивы к действию окислителей.
Что касается многоатомных спиртов
, то они имеют сладковатый вкус, но некоторые из них ядовиты. Свойства многоатомных спиртов
похожи на одноатомные спирты
, при этом различие в том, что реакция идёт не по одной к гидроксильной группе, а по нескольким сразу.
Одно из основных отличий - многоатомные спирты
легко вступают в реакцию гидроксидом меди. При этом получается прозрачный раствор ярко сине-фиолетового цвета. Именно этой реакцией можно выявлять наличие многоатомного спирта в каком-либо растворе.
Взаимодействуют с азотной кислотой:
С точки зрения практического применения наибольший интерес представляет реакция с азотной кислотой. Образующийся нитроглицерин и динитроэтиленгликоль используют в качестве взрывчатых веществ, а тринитроглицерин - ещё и в медицине, как сосудорасширяющее средство.
Этиленгликоль
Этиленгликоль - типичный представитель многоатомных спиртов . Его химическая формула CH 2 OH - CH 2 OH. - двухатомный спирт. Это сладкая жидкость, которая способно отлично растворяться в воде в любых пропорциях. В химических реакциях может участвовать как одна гидроксильная группа (-OH), так и две одновременно.
Этиленгликоль - его растворы - широко применяются как антиобледенительное средство (антифризы ). Раствор этиленгликоля замерзает при температуре -34 0 C, что в холодное время года может заменить воду, например для охлаждения автомобилей.
При всей пользе этиленгликоля нужно учитывать, это это очень сильный яд!
Все мы видели глицерин . Он продаётся в аптеках в тёмных пузырьках и представляет собой вязкую бесцветную жидкость, сладковатую на вкус. - это трёхатомный спирт . Он очень хорошо растворим в воде, кипит при температуре 220 0 C.
Химические свойства глицерина во многом сходны со свойствами одноатомных спиртов, но глицерин может реагировать с гидроксидами металлов (например, гидроксидом меди Cu(OH) 2), при этом образуются глицераты металлов - химические соединения, подобные солям.
Реакция с гидроксидом меди - типовая для глицерина. В процессе химической реакции образуетс ярко-синий раствор глицерата меди
Эмульгаторы
Эмульгаторы - это высшие спирты , эфиры и другие сложные химические вещества, которые при смешивании с другими веществами, например жирами , образуют стойкие эмульсии. Кстати, все косметические средства также являются эмульсиями! В качестве эмульгаторов часто используют вещества, представляющие собой искусственный воск (пентол, сорбитанолеат), а также триэтаноламин, лицетин.
Растворители
Растворители - это вещества, используемые в основном для приготовления лаков для волос и ногтей. Они представлены в небольшой номенклатуре, так как большинство таких веществ легко воспламенимо и вредно для организма человека. Наиболее распространённым представителем растворителей является ацетон , а также амилацетат, бутилацетат, изобутилат.
Есть также вещества, называемые разбавители . Они, в основном применяются вместе с растворителями для приготовления различных лаков .
Отдельные представители
Метанол (метиловый, древесный спирт) – бесцветная жидкость со слабым спиртовым запахом. Большое количество его используют в производстве формальдегида, муравьиной кислоты, метил- и диметиланилина, метиламинов и многих красителей, фармацевтических препаратов, душистых веществ. Метанол - хороший растворитель, поэтому он широко применяется в лакокрасочной промышленности, а также в нефтяной промышленности при очистке бензинов от меркаптанов, при выделении толуола азеотропной ректификацией.
Этанол (этиловый, винный спирт) – бесцветная жидкость с характерным спиртовым запахом. Этиловый спирт в больших количествах используется в производстве дивинила (перерабатывается в синтетические каучуки), диэтилового эфира, хлороформа, хлораля, этилена высокой чистоты, этилацетата и других сложных эфиров, применяемых в качестве растворителей лаков и душистых веществ (фруктовые эссенции). В качестве растворителя этиловый спирт широко применяется в производстве фармацевтических, душистых, красящих и других веществ. Этанол – хорошее антисептическое средство.
Пропиловый и изопропиловый спирты. Эти спирты, а также их сложные эфиры применяются как растворители. В ряде случаев они заменяют этиловый спирт. Изопропиловый спирт используют для получения ацетона.
Бутиловый спирт и его сложные эфиры применяют в больших количествах как растворители лаков и смол
Изобутиловый спирт применяется для получения изобутилена, изомасляного альдегида, изомасляной кислоты, а также в качестве растворителя.
Первичные амиловые и изоамиловые спирты составляют основную часть сивушного масла (побочные продукты при получении этилового спирта из картофеля или злаков). Амиловые спирты и их эфиры – хорошие растворители. Изоамилацетат (грушевая эссенция) применяется при изготовлении прохладительных напитков и некоторых кондитерских изделий.
Лекция №15. Многоатомные спирты
Многоатомные спирты. Классификация. Изомерия. Номенклатура. Двухатомные спирты (гликоли). Трехатомные спирты. Глицерин. Синтез из жиров и пропилена. Применение гликоля и глицерина в промышленности.
Две гидроксильные группы не могут находиться у одного атома углерода, такие соединения легко теряют воду, превращаясь в альдегиды или кетоны:
Это свойство типично для всех гем -диолов. Устойчивость гем -диолов повышается при наличии электроноакцепторных заместителей. Примером устойчивого гем -диола является хлоральгидрат.