Главная / Теория / Органическая химия / Одноатомные спирты

Одноатомные предельные спирты

1. Определение и общая формула

Определение

Одноатомные спирты — органические вещества, молекулы которых содержат одну гидроксильную группу $-OH$, связанную с углеводородным радикалом.

Общая формула предельных одноатомных: $C_nH_{2n+1}OH$ или $C_nH_{2n+2}O$,   $n \geq 1$

Функциональная группа

Гидроксильная группа $-OH$ — функциональная группа спиртов. Именно она определяет основные химические свойства этого класса соединений.

2. Строение

Атом кислорода в спиртах находится в состоянии $sp^3$-гибридизации:

  • Две $sp^3$-орбитали участвуют в связях C-O и O-H
  • Две — заняты неподелёнными электронными парами
  • Валентный угол C-O-H ≈ 108° (близок к тетраэдрическому)

Связи C-O и O-H — ковалентные полярные. Электронная плотность смещена к кислороду:

$\delta^+ C - \underset{\delta^-}{O} - H^{\delta^+}$

Это определяет два направления реакций: разрыв O-H (кислотные свойства) и разрыв C-O (замещение OH).

3. Классификация по типу атома C при OH

Первичные

$-OH$ у первичного атома C (связан с 1 другим C).

$CH_3-CH_2-OH$ (этанол)

Вторичные

$-OH$ у вторичного атома C (связан с 2 другими C).

$CH_3-CH(OH)-CH_3$ (пропанол-2)

Третичные

$-OH$ у третичного атома C (связан с 3 другими C).

$(CH_3)_3C-OH$ (2-метилпропанол-2)

Метанол

Метанол $CH_3OH$ не относится ни к первичным, ни к вторичным, ни к третичным спиртам — атом C при OH не связан с другими атомами C.

4. Гомологический ряд

Формула Систематическое Тривиальное T кип., °C
$CH_3OH$МетанолМетиловый спирт64,5
$C_2H_5OH$ЭтанолЭтиловый спирт78,3
$C_3H_7OH$Пропанол-1Пропиловый спирт97
$C_4H_9OH$Бутанол-1Бутиловый спирт117
$C_5H_{11}OH$Пентанол-1Амиловый спирт138

5. Номенклатура (IUPAC)

1
Выбрать главную цепь
Самая длинная цепь, включающая атом C с группой OH.
2
Пронумеровать
Нумерация от ближнего к OH конца цепи.
3
Назвать
Заместители + корень + суффикс «-ол» + номер C при OH.

Пример: $CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3$ → бутанол-2

Радикально-функциональная номенклатура: радикал + «спирт». Например: $CH_3OH$ — метиловый спирт, $C_2H_5OH$ — этиловый спирт.

6. Изомерия

6.1. Изомерия углеродного скелета

Начиная с $C_4H_9OH$ (бутанол):

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2OH$ — бутанол-1
$(CH_3)_2CH-CH_2OH$ — 2-метилпропанол-1

6.2. Изомерия положения группы OH

Начиная с $C_3H_7OH$ (пропанол):

$CH_3-CH_2-CH_2OH$ — пропанол-1 (первичный)
$CH_3-CH(OH)-CH_3$ — пропанол-2 (вторичный)

6.3. Межклассовая изомерия

Спирты ↔ простые эфиры

Спирты являются межклассовыми изомерами с простыми эфирами ($R-O-R'$). Общая формула одна: $C_nH_{2n+2}O$.
Пример: $C_2H_5OH$ (этанол) и $CH_3-O-CH_3$ (диметиловый эфир).

7. Физические свойства

Водородные связи

Спирты образуют межмолекулярные водородные связи между группами O-H. Это приводит к ассоциации молекул и повышенным температурам кипения (по сравнению с углеводородами той же молекулярной массы).

  • Низшие спирты (C₁-C₃) — бесцветные жидкости со специфическим запахом, растворимы в воде в любых соотношениях
  • Средние (C₄-C₁₁) — маслянистые жидкости, растворимость уменьшается
  • Высшие (C₁₂+) — твёрдые вещества, нерастворимы в воде
  • Метанол — сильнейший яд (10 мл → слепота, 30 мл → смерть)

8. Химические свойства

Реакции идут с разрывом связи O-H (кислотные) или C-O (замещение, элиминирование).

8.1. Кислотные свойства (разрыв O-H)

Взаимодействие с активными металлами

На поверхности — с Na, K, Ca:

$2C_2H_5OH + 2Na \to 2C_2H_5ONa + H_2 \uparrow$   (этилат натрия)
$2CH_3OH + 2Na \to 2CH_3ONa + H_2 \uparrow$   (метилат натрия)

Алкоголяты

Продукты — алкоголяты (алкоксиды). Полностью гидролизуются водой:
$C_2H_5ONa + H_2O \to C_2H_5OH + NaOH$
Кислотность уменьшается: $CH_3OH$ > первичные > вторичные > третичные.

С водными растворами щелочей

Спирты практически не реагируют с растворами щелочей (алкоголяты гидролизуются обратно).

8.2. Замещение OH-группы (разрыв C-O)

С галогеноводородами

$C_2H_5OH + HBr \to C_2H_5Br + H_2O$   (бромэтан)

Реакционная способность: третичные > вторичные > первичные > $CH_3OH$

С аммиаком

$C_2H_5OH + NH_3 \xrightarrow{кат., t} C_2H_5NH_2 + H_2O$   (этиламин)

8.3. Дегидратация

Внутримолекулярная (t > 140°C)

Образуется алкен (по правилу Зайцева):

$C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, t>140°C} CH_2=CH_2 + H_2O$
$CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3 \xrightarrow{t} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2O$   (бутен-2, по Зайцеву)

Межмолекулярная (t < 140°C)

Две молекулы спирта → простой эфир:

$2C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, t<140°C} C_2H_5-O-C_2H_5 + H_2O$   (диэтиловый эфир)

8.4. Этерификация

Спирт + карбоновая кислота → сложный эфир + вода (обратимая реакция, кат. $H_2SO_4$):

$C_2H_5OH + CH_3COOH \underset{H_2SO_4}{\rightleftharpoons} CH_3COOC_2H_5 + H_2O$   (этилацетат)

С неорганическими кислотами:

$C_2H_5OH + HNO_3(конц.) \xrightarrow{H_2SO_4} C_2H_5ONO_2 + H_2O$   (этилнитрат)

8.5. Окисление

Горение

$C_2H_5OH + 3O_2 \to 2CO_2 + 3H_2O$
Общая: $C_nH_{2n+1}OH + \frac{3n}{2}O_2 \to nCO_2 + (n+1)H_2O$

Окисление $CuO$

$CH_3CH_2OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3CHO + Cu + H_2O$   (ацетальдегид)

Продукты окисления

Первичные → альдегиды → карбоновые кислоты
Вторичные → кетоны
Метанол → формальдегид → $CO_2$
Третичные → окисляются только в жёстких условиях (разрыв C-C).

Каталитическое дегидрирование

$CH_3CH_2OH \xrightarrow{Cu, t} CH_3CHO + H_2$   (ацетальдегид)

9. Способы получения одноатомных спиртов

1
Гидратация алкенов Промышленный

Присоединение воды в присутствии кислот (по правилу Марковникова):

$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H_3PO_4, t, p} C_2H_5OH$   (этанол)
$CH_3-CH=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH(OH)-CH_3$   (пропанол-2)
2
Щелочной гидролиз галогеналканов Лабораторный

Действие водного раствора щелочи:

$C_2H_5Br + NaOH_{(водн.)} \to C_2H_5OH + NaBr$

Водный vs спиртовой

Водный раствор щелочи → спирт (замещение).
Спиртовой раствор щелочи → алкен (элиминирование).

3
Получение метанола из синтез-газа Промышленный
$CO + 2H_2 \xrightarrow{ZnO, Cr_2O_3, 300°C, p} CH_3OH$
4
Гидрирование альдегидов и кетонов

Восстановление водородом:

$CH_3CHO + H_2 \xrightarrow{Ni, t} C_2H_5OH$   (первичный спирт)
$CH_3COCH_3 + H_2 \xrightarrow{Ni, t} CH_3CH(OH)CH_3$   (вторичный спирт)
5
Спиртовое брожение глюкозы Биохимический
$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{ферменты} 2C_2H_5OH + 2CO_2 \uparrow$

Практические задания

Задача 1. Изомеры $C_4H_9OH$

Решение

Напишите структурные формулы всех изомерных спиртов состава $C_4H_{10}O$. Назовите их.

Решение:

1) $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2OH$ — бутанол-1 (первичный)

2) $CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3$ — бутанол-2 (вторичный)

3) $(CH_3)_2CH-CH_2OH$ — 2-метилпропанол-1 (первичный)

4) $(CH_3)_3C-OH$ — 2-метилпропанол-2 (третичный)

Ответ: 4 изомера

Задача 2. Окисление

Решение

Какие продукты образуются при окислении: а) пропанола-1; б) пропанола-2 оксидом меди(II)?

Решение:

а) Первичный → альдегид:

$CH_3CH_2CH_2OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3CH_2CHO + Cu + H_2O$ (пропаналь)

б) Вторичный → кетон:

$CH_3CH(OH)CH_3 + CuO \xrightarrow{t} CH_3COCH_3 + Cu + H_2O$ (ацетон)

Задача 3. Дегидратация

Решение

Какой продукт образуется при: а) внутримолекулярной; б) межмолекулярной дегидратации этанола?

Решение:

а) t > 140°C → алкен:

$C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, t>140°C} CH_2=CH_2 + H_2O$ (этилен)

б) t < 140°C → простой эфир:

$2C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, t<140°C} C_2H_5-O-C_2H_5 + H_2O$ (диэтиловый эфир)

Задача 4. Цепочка превращений

Решение

$C_2H_4 \to C_2H_5OH \to C_2H_5ONa$. Напишите уравнения реакций.

Решение:

1) Гидратация:

$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H_3PO_4} C_2H_5OH$

2) Взаимодействие с натрием:

$2C_2H_5OH + 2Na \to 2C_2H_5ONa + H_2 \uparrow$
Задания ЕГЭ по теме
Задание 10. Классы органических Тест → Задание 12. Химические реакции Тест → Задание 15. Кислородсодержащие Тест → Задание 16. Взаимосвязь классов Тест → Задание 32. Цепочка (5 реакций) Самопроверка