Спирты: номенклатура, строение, свойства

Зачем изучать спирты

В темах 10–16 мы изучали углеводороды: алкены, алкины, диены и арены. Теперь курс переходит к соединениям, в которых есть атомы кислорода, и начинает со спиртов — веществ, где группа OH связана с насыщенным атомом углерода. Спирты окружают нас повсюду. Этанол служит растворителем, топливом и сырьём химической промышленности, из метанола получают формальдегид, этиленгликоль используют как антифриз, глицерин входит в состав жиров, а ментол и холестерин — природные спирты.

Для химика-синтетика спирты — перекрёсток органического синтеза. Их получают из алкенов, галогенпроизводных и карбонильных соединений, а реакция реактивов Гриньяра с альдегидами и кетонами позволяет одновременно построить углеродный скелет и получить спирт. Сами спирты легко превращаются в альдегиды, кетоны и кислоты, в галогенпроизводные и простые эфиры. Чтобы пользоваться этими превращениями, нужно уметь выбирать реагент — восстановитель, окислитель или металлоорганическое соединение — так, чтобы реакция затронула только нужную группу. Этому и посвящена тема.

Как построена эта тема

Сначала мы научимся называть спирты и объясним их свойства водородными связями (урок 197), затем сведём вместе пути к спиртам (урок 198) и научимся по степени окисления атома углерода отличать окисление от восстановления (урок 199). Уроки 200 и 201 посвящены восстановлению карбонильных соединений гидридами и по Меервейну — Понндорфу — Верлею. В уроках 202–204 мы разберём реактивы Гриньяра, литийорганические соединения и купраты, в уроке 205 — алкоголяты и кислотность спиртов. Урок 206 посвящён замещению группы OH с обращением конфигурации, урок 207 — защите группы OH. В уроках 208 и 209 мы научимся окислять спирты до альдегидов, кетонов и кислот, а уроки 210–212 посвящены диолам: их получению, расщеплению и перегруппировке. Урок 213 — практикум по всей теме.

Как назвать спирт

Спирты — соединения, в которых группа OH связана с насыщенным атомом углерода, то есть с атомом в состоянии \(sp^3\). Если группа OH стоит у атома двойной связи, получается енол, а если у атома ароматического кольца — фенол; это другие классы веществ с другими свойствами. Называют спирты по общим правилам номенклатуры (урок 35), и у группы OH высокий приоритет: она старше двойной и тройной связей и галогенов. Кроме названия, важно определить тип спирта — первичный, вторичный или третичный: от него зависят многие реакции этой темы, прежде всего окисление.

Как назвать спирт

1. Найдите самую длинную цепь, которая содержит атом углерода, связанный с группой OH.
2. Пронумеруйте цепь так, чтобы этот атом получил наименьший номер. Группа OH старше двойной связи и галогенов, поэтому нумерацию определяет она.
3. Добавьте к названию углеводорода суффикс «-ол» с номером атома: пентан-2-ол. Если групп OH несколько, используют суффиксы «-диол», «-триол»: этан-1,2-диол.
4. Определите тип спирта по атому, связанному с группой OH (карбинольному атому). Если у него один соседний атом углерода, спирт первичный (\(\ce{RCH2OH}\)), если два — вторичный (\(\ce{R2CHOH}\)), если три — третичный (\(\ce{R3COH}\)).

пентан-1-ол: первичный

4-метилпентан-2-ол: вторичный

3-метилпентан-3-ол: третичный

циклопентанол: вторичный

Примеры

1. Бутан-2-ол. Цепь состоит из четырёх атомов, и группа OH получает номер 2 с любого конца цепи. У карбинольного атома два соседних атома углерода, поэтому спирт вторичный.

бутан-2-ол: вторичный

2. 2,3-Диметилбутан-2-ол. Главная цепь из четырёх атомов проходит через карбинольный атом и нумеруется с того конца, к которому ближе группа OH: она получает номер 2, а метильные группы — номера 2 и 3. У карбинольного атома три соседних атома углерода, поэтому спирт третичный.

2,3-диметилбутан-2-ол: третичный

3. Аллиловый спирт. В проп-2-ен-1-оле \(\ce{CH2=CHCH2OH}\) группа OH получает номер 1, хотя двойная связь при этом получает номер 2: группа OH старше.

проп-2-ен-1-ол (аллиловый спирт)

Водородные связи и свойства

Свойства спиртов определяет группа O–H. Как и в воде, атом водорода этой группы связан с сильно электроотрицательным кислородом и образует водородную связь (урок 9) с неподелённой парой кислорода соседней молекулы. Поэтому спирты кипят гораздо выше углеводородов и простых эфиров с близкой молярной массой, а низшие спирты смешиваются с водой.

Как сравнить свойства спиртов

1. Водородные связи между молекулами повышают температуру кипения: этанол кипит при 78 °C, а пропан и диметиловый эфир с близкой молярной массой — при −42 °C и −24 °C.
2. Чем больше групп OH в молекуле, тем выше температура кипения и вязкость: этиленгликоль кипит при 197 °C, глицерин — при 290 °C.
3. Спирты с одним, двумя и тремя атомами углерода смешиваются с водой в любых соотношениях. С ростом углеводородной части растворимость падает: в 100 г воды растворяется лишь около 7 г бутан-1-ола.
4. Разветвление цепи понижает температуру кипения, потому что уменьшается площадь контакта молекул: бутан-1-ол кипит при 118 °C, а 2-метилпропан-2-ол — при 82 °C.

Примеры

1. Этанол и диметиловый эфир. Эти вещества — изомеры состава \(\ce{C2H6O}\). У этанола есть связь O–H, и его молекулы связаны водородными связями, а у диметилового эфира такой связи нет. Поэтому эфир кипит более чем на 100 °C ниже этанола.

этанол: 78 °C

диметиловый эфир: −24 °C

2. Растворимость в ряду спиртов. Бутан-1-ол растворяется в воде ограниченно, а гексан-1-ол почти не растворяется: с ростом цепи увеличивается неполярная углеводородная часть молекулы, которая не образует водородных связей с водой.