Простые эфиры: номенклатура и свойства

Зачем изучать простые эфиры и эпоксиды

В теме 17 мы изучили спирты. Если заменить атом водорода группы OH на углеводородную группу, получится простой эфир — соединение, в котором атом кислорода связан с двумя атомами углерода. Простые эфиры знакомы по лаборатории: диэтиловый эфир и тетрагидрофуран — важнейшие растворители органической химии, в них, например, получают реактивы Гриньяра. Они полезны именно потому, что почти ни с чем не реагируют: у них нет кислого атома водорода, а связь C–O прочна.

Совсем иначе ведут себя эпоксиды — циклические эфиры с трёхчленным циклом. Напряжение цикла делает их очень реакционноспособными: эпоксид раскрывается под действием нуклеофилов и кислот, и в молекуле появляются сразу две функциональные группы у соседних атомов углерода. Поэтому эпоксиды — ценные полупродукты: из оксида этилена получают этиленгликоль, этаноламины и полиэфиры. В этой теме мы научимся получать простые эфиры и эпоксиды и предсказывать, где и как раскроется эпоксидный цикл.

Как построена эта тема

В уроке 214 мы научимся называть простые эфиры и объясним их свойства. Уроки 215 и 216 посвящены получению эфиров — синтезу Вильямсона, дегидратации спиртов и алкоксимеркурированию, а урок 217 — их расщеплению кислотами. В уроке 218 мы получим эпоксиды из алкенов, в уроках 219 и 220 разберём раскрытие эпоксидов нуклеофилами в щелочной и кислой среде, металлоорганическими соединениями и гидридами. Урок 221 посвящён краун-эфирам и межфазному катализу, урок 222 — практикум по всей теме.

Как назвать эфир

Простой эфир можно представить как спирт (урок 197), у которого атом водорода группы OH заменён на углеводородную группу: атом кислорода в нём связан с двумя группами R. Названия простых эфиров строят двумя способами — радикально-функциональным и заместительным, — и оба встречаются в задачах. Особые названия имеют циклические эфиры, среди которых важнейшие растворители и эпоксиды.

Как назвать простой эфир

1. Радикально-функциональное название: перечислите углеводородные группы по алфавиту и добавьте слово «эфир»: \(\ce{CH3OCH2CH3}\) — метилэтиловый эфир.
2. Заместительное название: основой служит более длинная цепь, а меньшая группа вместе с атомом кислорода становится префиксом «алкокси»: 1-метоксипропан.
3. Циклические эфиры называют по размеру цикла: оксиран (три атома в цикле), оксетан (четыре), оксолан, или тетрагидрофуран (пять), оксан, или тетрагидропиран (шесть). Шестичленный цикл с двумя атомами кислорода в положениях 1 и 4 — 1,4-диоксан.

оксиран

оксетан

тетрагидрофуран (оксолан)

тетрагидропиран (оксан)

1,4-диоксан

Примеры

1. Метилпропиловый эфир. Эфир \(\ce{CH3OCH2CH2CH3}\) по радикально-функциональной номенклатуре называют метилпропиловым, а по заместительной — 1-метоксипропаном: основа — пропан, а метоксигруппа стоит у первого атома.

1-метоксипропан

2. МТБЭ. Метил-трет-бутиловый эфир \(\ce{(CH3)3COCH3}\) (МТБЭ) по заместительной номенклатуре называют 2-метокси-2-метилпропаном. Его добавляют к бензину, чтобы повысить октановое число.

2-метокси-2-метилпропан (МТБЭ)

3. Анизол. Метилфениловый эфир \(\ce{C6H5OCH3}\) называют анизолом или метоксибензолом.

анизол (метоксибензол)

Свойства

В молекуле простого эфира нет связи O–H, поэтому его молекулы не связаны друг с другом водородными связями (урок 197). Этим объясняются почти все физические свойства эфиров: низкие температуры кипения и при этом растворимость в воде, как у спиртов. Химически простые эфиры очень устойчивы, поэтому их используют как растворители; опасность представляют лишь пероксиды, которые накапливаются при хранении.

Как объяснить свойства простых эфиров

1. Водородных связей между молекулами эфира нет, поэтому эфиры кипят примерно так же, как алканы близкой молярной массы.
2. Атом кислорода эфира принимает водородные связи от воды, поэтому растворимость эфира в воде близка к растворимости изомерного спирта: в 100 г воды растворяется около 7 г диэтилового эфира.
3. Простые эфиры не реагируют с основаниями, окислителями, восстановителями и активными металлами, поэтому диэтиловый эфир и ТГФ служат растворителями.
4. На воздухе и на свету эфиры медленно образуют взрывчатые пероксиды. Их обнаруживают подкисленным раствором иодида калия: пероксиды окисляют иодид до иода.
5. Атом кислорода эфира — основание Льюиса: эфиры сольватируют ионы магния и образуют комплексы с \(\ce{BF3}\).

Примеры

1. Диэтиловый эфир и бутан-1-ол. Эти вещества — изомеры состава \(\ce{C4H10O}\). Диэтиловый эфир кипит при 35 °C, а бутан-1-ол — при 118 °C (уравнение выше): у эфира нет водородных связей между молекулами.

диэтиловый эфир: 35 °C

бутан-1-ол: 118 °C

2. Растворимость. 1,4-Диоксан \(\ce{C4H8O2}\) смешивается с водой, а дибутиловый эфир \(\ce{(C4H9)2O}\) почти не растворяется: у диоксана два атома кислорода на четыре атома углерода, а у дибутилового эфира — один атом кислорода на восемь атомов углерода.

3. Эфират трифторида бора. Трифторид бора — газ, но с диэтиловым эфиром он образует жидкий комплекс \(\ce{BF3*OEt2}\), который удобно отмерять.