Как из алкена получить двухатомный спирт. Двухатомный спирт. Физические и химические свойства

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.

Гликоли. Гидроксильные группы в гликолях содержатся у различных атомов углерода. Гликоли с двумя гидроксилами у одного углеродного атома нестойки. Они отщепляют воду с образованием альдегидов или кетонов.

Изомерия гликолей определяется взаимным расположением гидроксильных групп и изомерией углеродного скелета. В зависимости от взаимного расположения групп OH– различают α-, β-, γ-, δ-, … гликоли. В зависимости от характера углеродных атомов, несущих гидроксилы, гликоли могут быть первично-вторичными, первично-третичными, двупервичными, двувторичными и т.д.

Названия гликолей могут даваться двумя способами. По номенклатуре ИЮПАК к названию основной углеродной цепи добавляют суффикс –диол иуказывают номера углеродных атомов самой длинной углеродной цепи, несущих гидроксильные группы. Названия α- гликолей могут производиться от названия соответствующего этиленового углерода с добавлением слова гликоль . Классификация и названия гликолей даны ниже на примере бутандиолов:

Способы получения. В принципе, гликоли могут быть получены всеми обычными синтетическими методами получения спиртов.

Примером могут служить следующие реакции.

– Гидролиз дигалогенпроизводных насыщенных углеводо-родов и галогенгидринов:

– Гидратация α -окисей в кислой среде:

– Окисление олефинов перманганатом калия в разбавленном водном слабощелочном растворе (реакция Вагнера) или пероксидом водорода в присутствии катализаторов (CrO 3):

Физические свойства. Низшие гликоли хорошо растворимы в воде. Плотность их выше, чем у одноатомных спиртов. Соответственно выше и температуры кипения из-за значительной ассоциации молекул: например, этиленгликоль кипит при температуре 197,2 °C; пропиленгликоль – при температуре 189 °C и бутандиол-1,4 – при температуре 230 °C.

Химические свойства. Все сказанное ранее о свойствах соответствующих одноатомных спиртов приложимо и к гликолям. При этом следует помнить, что в реакцию может вступать как один гидроксил, так и сразу оба.– Окисление двупервичных гликолей дает альдегиды:

– При окислении α- гликолей йодной кислотой происходит разрыв связи между углеродными атомами, несущими гидроксилы, и образование соответствующих альдегидов или кетонов:

Метод имеет большое значение для установления строения α- гликолей.

–Результаты внутримолекулярного отщепления воды отгликолей в значительной мере зависят от типа гликоля .

Дегидратация α-гликолей протекает с образованием альдегидов или кетонов, γ-гликоли за счет атомов гидроксильных групп отщепляют воду с образованием гетероциклических соединений – тетрагидрофурана или его гомологов:

Первая реакция идёт через образование карбониевого иона с последующим перемещением атома водорода с его электронной парой:

При парофазной дегидратации над Al 2 O 3 α- двутретичных гликолей , называемых пинаконами, получаются диеновые углеводороды:

– Межмолекулярная дегидратация приводит к образованию гидроксиэфиров или циклических простых эфиров:

Температура кипения диэтиленгликоля 245,5 °C. Его используют как растворитель для заполнения тормозных гидравлических систем, при отделке и крашении тканей.

Среди циклических простых эфиров наибольшее распространение как растворитель получил диоксан. Он получен впервые А.Е. Фаворским нагреванием этиленгликоля с серной кислотой:

Этиленгликоль – это вязкая бесцветная жидкость, сладковатая на вкус, t кип = 197,2 °C. В промышленных масштабах получается из этилена по трем схемам.

В смеси с водой этиленгликоль сильно понижает температуру её замерзания. Например, 60 %-ный водный раствор гликоля замерзает при температуре – 49 °C и с успехом применяется как антифриз . Большая гигроскопичность этиленгликоля используется для приготовления печатных красок. Большое количество этиленгликоля идёт на получение пленкообразующих материалов, лаков, красок, синтетических волокон (например, лавсана – полиэтилентерефталата), диоксана, диэтиленгликоля и других продуктов.

Многоатомные спирты

Многоатомные спирты - спирты, имеющие несколько гидроксильных групп OH.
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:
C2H12O6 => C2H5-OH + CO2

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
CH2=CH2 + KOH => C2H5-OH

3. При реакции галогеналканов со щёлочью:

4. При реакции окисления алкенов

5. Гидролиз жиров: в этой реакции получается всем известный спирт - глицерин

Свойства спиртов

1) Горение: Как и большинство органических веществ спирты горят с образованием углекислого газа и воды:
C2H5-OH + 3O2 -->2CO2 + 3H2O
При их горении выделяется много теплоты, которую часто используют в лабораториях Низшие спирты горят почти бесцветным пламенем, а у высших спиртов пламя имеет желтоватый цвет из-за неполного сгорания углерода.

2) Реакция со щелочными металлами
C2H5-OH + 2Na --> 2C2H5-ONa + H2
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.

3) Реакция с галогеноводородом C2H5-OH + HBr --> CH3-CH2-Br + H2O
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 H2SO4)

Отщепление атома водорода от спирта может происходить в его же. Эта реакция является межмолекулярной реакцией дегидратации. Например, так:

В процессе реакции происходит образование простого эфира и воды.

5) реакция с карбоновыми кислотами:

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 (KMnO4), 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.
- a) для первичных спиртов

- б) для вторичных спиртов

- в) третичные спирты оксидом меди не окисляются!

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:
Этиленгликоль - типичный представитель многоатомных спиртов. Его химическая формула CH2OH - CH2OH. - 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 -340C, что в холодное время года может заменить воду, например для охлаждения автомобилей.
При всей пользе этиленгликоля нужно учитывать, это это очень сильный яд!

Определение и номенклатура двухатомных спиртов

Органические соединения, содержащие две гидроксильные группы ($-OH-$) называются двухатомными спиртами или диолами.

Общая формула двухатомных спиртов $CnH_{2n}(OH)_2$.

При обозначении двухатомных спиртов, согласно номенклатуре ИЮПАК, к окончанию -ол добавляют приставку ди-, то есть двухатомный спирт имеет окончание «диол». Цифры указывают, к каким углеродным атомам присоединены гидроксильные группы, например:

Рисунок 1.

1,2-пропандиол транс-1,2-циклогександиол 1-циклогексил-1,4-пентадиол

В систематической номенклатуре существует дифференциация между 1,2-, 1,3-, 1,4- и т.д. диолами.

Если соединение содержит гидроксильные группы у соседних (вициеальных) атомов углерода, то двухатомные спирты называют гликолями.

В названиях гликолей отображается способ их получения путем гидроксилирования алкенов, например:

Рисунок 2.

Существование стойких двухатомных спиртов возможно, начиная с этана, которому соответствует один диол - этиленгликоль. Для пропана возможно существование двух спиртов: 1,2- и 1,3- пропандиолов.

Из спиртов, соответствующих нормальному бутану, возможно существование следующих соединений:

• обе гидроксогруппы находятся рядом - одна в группе $CH_3$, другая в группе $CH_2$;
• оба гидроксила расположены в соседних $CH_2$ группах;
• гидроксогруппы примыкают к несоседним атомам углерода, в группах $CH_3$ и $CH_2$;
• оба гидроксила расположены в группах $CH_3$.

Изобутану соответствуют следующие диолы:

• гидроксогруппы находятся рядом - в группах $CH_3$ и $CH$;
• оба гидроксила расположены в группах $CH_3$:

Рисунок 3.

Двухатомные спирты можно классифицировать на основании того, какие спиртовые группы входят с состав их частицы:

1. Двупервичные гликоли. Этиленгликоль содержит две первичные спиртовые группы.
2. Двувторичные гликоли. Содержат две вторичные спиртовые группы.
3. Двутретичные гликоли. Содержат три вторичные спиртовые группы.
4. Смешанные гликоли: первично - вторичные, первично - третичные, вторично - третичные.

Например: изопентану соответствует вторично-третичный гликоль

Рисунок 4.

Гексану (тетраметил-этану) соответствует двутретичный гликоль:

Рисунок 5.

Если в двухатомном спирте оба гидроксила расположены у соседних атомов углерода, то это $\alpha$-гликоли. $\beta$-гликоли появляются, когда гидроксогруппы разъединены одним углеродным атомом. У диолов $\gamma$-ряда гидроксилы расположены через два углеродных атома. При большем отдалении друг от друга гидроксилов появляются диолы $\delta$- и $\varepsilon$-ряда.

Геминальные диолы

В свободном состоянии могут существовать только такие диолы, которые произошли из углеводородов в результате замены гидроксильными группами двух атомов водорода, находящихся при двух разных углеродных атомах. Когда гидроксогруппы замещают два атома водорода при одном и том же атоме углерода, возникают нестойкие соединения - геминальные диолы или гем-диолы.

Геминальные диолы - двухатомные спирты, содержащие обе гидроксильные группы у одного атома углерода. Это нестабильные соединения, легко разлагаются с отщеплением воды и образованием карбонильного соединения:

Рисунок 6.

Равновесие смещено в сторону образования кетона, поэтому геминальные диолы также называют гидратами альдегидов или кетонов.

Простейшим представителем геминальных диолов является метиленгликоль. Это соединение сравнительно устойчивое в водных растворах. Однако попытки его выделения приводят к появлению продукта дегидратации - формальдегиду:

$HO-CH_2-OH \leftrightarrow H_2C=O + H_2O$

Например: Не может существовать в свободном состоянии двухатомный спирт, соответствующий этану, если обе гидроксильные группы находятся при одном атоме углерода. Сразу выделяется вода и образуется уксусный альдегид:

Рисунок 7.

Два двухатомных спирта, отвечающих пропану, также не способны к самостоятельному существованию, так как будут выделять воду за счет гидроксилов, расположенных при одном углеродном атоме. При этом будут образовываться, в одном случае - пропионовый альдегид, в другом - ацетон:

Рисунок 8.

Незначительное количество гем-диолов могут существовать не в растворенном состоянии. Это соединения, которые содержат сильные электроноакцепторные заместители, например хлоральгидрат и гидрат гексафотрацетон

Рисунок 9.

Физические свойства гликолей

Для гликолей характерны следующие физические свойства:

• низшие гликоли - бесцветные прозрачные жидкости, имеющие сладковатый вкус;
• высокая температура кипения и плавления (tкип этиленгликоля 197$^\circ$С);
• высокие плотность и вязкость;
• хорошая растворимость в воде, этиловом спирте;
• плохая растворимость в неполярных растворителях (например, в эфирах и углеводородах).

Общая закономерность: с увеличением молекулярной массы двухатомных спиртов растет температура кипения. При этом растворимость в воде уменьшается. Низшие спирты смешиваются с водой в любых соотношениях. У высших диолов растворимость в эфире больше, а в воде - меньше.

Для многих веществ двухатомные спирты выступают в роли хороших растворителей (исключение - ароматические и высшие предельные углеводороды).

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.

Восстановление спиртов до углеводородов осуществляется при взаимодействии их с йодистоводородной кислотой в присутствии красного фосфора, который служит для регенерации йодистоводородной кислоты.

HOCH 2 (CHOH) 4 CH 2 OH + 12HJ → CH 3 (CH 2) 4 CH 3 + 6J 2 + 6H 2 O

Сорбит н-Гексан

2P + 3J 2 = 2PJ 3 PJ 3 + 3H 2 O = 3HJ + H 3 PO 3

1. Взаимодействие с щелочными и щелчноземельными металлами.

Подобно воде спирты реагируют со щелочными и щелочноземельными металлами, а также с магнием с образованием алкоголятов и водорода.

2 (CH 3) 3 CОН + 2К → 2 (CH 3) 3 CОK + H 2

2 СН 3 ОН + Mg → (CH 3 O) 2 Mg + Н 2

Алкоголяты щелочных металлов применяются в качестве оснований в реакциях отщепления из алкилгалогенидов, приводящих к образованию алкенов.

Реакции спиртов с карбонильными соединениями, альдегидами и кетонами, а также с кислотами - этерификация кислот с образованием сложных эфиров, обычно рассматривается при изложении свойств карбонильных соединений и кислот, соответственно, и поэтому не будет рассматриваться в этом разделе.

2.15. Двухатомные спирты

Геминальные диолы – 1,1-диолы, содержащие две ОН-группы у одного и того же атома углерода, нестабильны и разлагаются с отщеплением воды и образованием карбонильного соединения:

Равновесие в этом процессе смещено в сторону образования кетона или альдегида, поэтому сами геминальные диолы обычно называют гид­ратами кетонов или альдегидов, если вместо одного из радикалов находится водород. Вицинальные диолы – 1,2 –диолы, содержащие две ОН-группы у соедних атомов углерода, представляют собой устойчивые соединения. Здесь и далее термин 1,2-диолы будет использоваться для двухатомных спиртов, содержащих гидроксильные группы у соседних атомов углерода.

2.16. Получение диолов

Одним из наиболее простых методов получения 1,2-диолов является гидроксилирование алкенов при действии перманганата калия. Поскольку перманганат калия является сильным окислителем, способным не только гидроксилировать двойную связь, но и расщеплять образующийся вицинальный диол, необходим тщательный контроль условий реакции. Оптимальные результаты достигаются при проведении реакции в слабощелочной среде (рН≈8) при низкой температуре разбавленным водным раствором KmnO 4 .

Другие возможные методы получения могут включать гидролиз вициналь-ных дигалогенидов:

2.17. Свойства диолов

Для диолов характерны те же реакции, что и для одноатом­ных спиртов. Кроме того 1,2-диолы проявляют некоторые спе­цифические свойства, обусловленные наличием двух соседних гидроксильных групп. Они будут рассмотрены в этом разделе.

Дегидратация 1,2-диолов может протекать по двум направлениям: 1) образование диенов; 2) образование циклических эфиров. Обе эти реакции катализируются кислотами. Дегидратация двутретичных или двувторичных 1,2-диолов легко протекает при нагревании их с концентрированной HBr.

Образование циклических эфиров или циклодегидратация 1,2-диолов приводит к образованию 1,4-диоксана, если 1,2-диолом является 1,2-этанди- ол (этиленгликоль); в этом случае шестичленный цикл образуется из двух молей 1,2-этандиола.

1,4- и 1,5-диолы циклизуются в этих условиях с образованием пяти- и шести-членных циклов:

Качественной реакцией на 1,2-диолы является проба с гидроксидом меди в щелочной среде. При этом наблюдается растворение гидроксида меди и получается раствор, окрашенный в глубокий синий цвет, вследствие образо- вания хелатного комплекса Cu(II).

2.18. ТРЁХАТОМНЫЕ СПИРТЫ

Важнейшим из трёхатомных спиртов является глицерин – пропантриол-1,2,3, который входит в состав липидов в виде сложных эфиров с высшими насыщенными и ненасыщенными кислотами.

Глицерин

первичная спиртовая группа глицерина (CH 2 OH) активнее чем вторичная спиртовая группа (CHOH) и при действии таких реагентов как хлористый водород или азотная кислота может быть селективно превращена в хлорид или кислоту, соответственно.

Дегидратация глицерина даёт простейший ненасыщенный альдегид – акролеин (пропеналь):

Также как этиленгликоль глицерин даёт качественную реакцию, характер-ную для 1,2-диолов, с гидроксидом меди в щелочной среде

2.19. ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ

НОМЕНКЛАТУРА ПРОСТЫХ ЭФИРОВ

По номенклатуре IUPAC эфиры рассматривают как алкоксиалканы. Родоначальную структуру определяет наиболее длинная алкильная группа:

ПОЛУЧЕНИЕ ПРОСТЫХ ЭФИРОВ

Существует два общих метода получения простых эфиров: межмолекулярная дегидратация спиртов и нуклеофильное замещение галогена в алкилгалогенидах при действии алкоголятов щелочных металлов (реакция Вильямсона). Оба этих способа были описаны выше.

2.20. СВОЙСТВА ПРОСТЫХ ЭФИРОВ

В химическом отношении простые эфиры характеризуют­ся высокой инертностью по отношению ко многим реаген­там, особенно основной природы. Они не расщепляются металлоорганичскими соединениями, гидридами и амидами щелочных металлов, а также комплексными гидридами бора и алюминия. Поэтому такие соединения, как диэтиловый эфир, тетрагидрофуран, диметоксиэтан, диметиловый эфир диэтиленгликоля, диоксан и другие широко используются как растворители в реакциях с приведенными выше соединениями.

Эфиры образуют очень прочные комплексы с кислотами Льюиса - BF 3 , АlВr 3 , SbCl 5 , SbF 5 , и т.д. состава 1:1, в которых они выступают в качестве оснований Льюиса

По отношению к сильным кислотам эфиры проявляют свойства оснований (в данном случае оснований Бренстеда) и об­разуют соли диалкилоксония