Многоатомные спирты: этиленгликоль, глицерин — строение, свойства, получение

1. Определение

Определение

Многоатомные спирты — органические вещества, содержащие две или более гидроксильных группы $-OH$ у разных атомов углерода.

Двухатомные: $C_nH_{2n}(OH)_2$ или $C_nH_{2n+2}O_2$, Трёхатомные: $C_nH_{2n-1}(OH)_3$ или $C_nH_{2n+2}O_3$

Правило неустойчивости

Две OH-группы у одного атома C — неустойчивы! Такие соединения теряют воду и превращаются в карбонильные: $R-CH(OH)_2 \to R-CHO + H_2O$.

2. Основные представители

Этиленгликоль (этандиол-1,2)

$HO-CH_2-CH_2-OH$

Двухатомный спирт
Бесцветная сиропообразная жидкость
T кип. 197°C
Растворим в воде в любых соотношениях
Ядовит!
Применение: антифриз, полимеры (ПЭТ)

Глицерин (пропантриол-1,2,3)

$HO-CH_2-CH(OH)-CH_2-OH$

Трёхатомный спирт
Бесцветная вязкая жидкость, сладкий вкус
T кип. 290°C
Растворим в воде в любых соотношениях
Нетоксичен
Применение: косметика, медицина, пищевая промышленность (Е422)

3. Номенклатура

Название = корень + суффикс, указывающий число OH-групп + номера атомов C:

2 группы OH → -диол
3 группы OH → -триол

Формула	Систематическое	Тривиальное
$HOCH_2CH_2OH$	Этандиол-1,2	Этиленгликоль
$HO(CH_2)_3OH$	Пропандиол-1,3	—
$HOCH_2CH(OH)CH_3$	Пропандиол-1,2	Пропиленгликоль
$HOCH_2CH(OH)CH_2OH$	Пропантриол-1,2,3	Глицерин

4. Физические свойства

Высокие температуры кипения (больше, чем у одноатомных) — за счёт множества водородных связей
Хорошо растворимы в воде — каждая OH-группа образует водородные связи с $H_2O$
Вязкие, сиропообразные жидкости
Сладкий вкус (глицерин — от греч. «glykeros» — сладкий)

5. Химические свойства

Многоатомные спирты обладают свойствами обычных спиртов + специфическими свойствами, определяемыми взаимным влиянием OH-групп (усиление кислотных свойств).

5.1. Качественная реакция — с $Cu(OH)_2$

⭐ Качественная реакция на многоатомные спирты!

Многоатомные спирты с соседними OH-группами реагируют со свежеосаждённым $Cu(OH)_2$ → голубой нерастворимый осадок растворяется, образуется ярко-синий раствор комплексного соединения (хелатный комплекс).
Одноатомные спирты не дают эту реакцию — это позволяет их отличить!

Этиленгликоль + $Cu(OH)_2$

Две молекулы гликоля замещают OH-группы у меди, образуя гликолят меди(II):

2

этиленгликоль

+ Cu(OH)₂
голубой осадок

гликолят Cu(II)
ярко-синий раствор

+ 2H₂O

Что происходит?

1. Сначала получаем $Cu(OH)_2$ — голубой нерастворимый осадок:
$CuSO_4 + 2NaOH \to Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$

2. При добавлении многоатомного спирта осадок растворяется → ярко-синий прозрачный раствор.

3. Атом Cu координируется двумя соседними кислородами каждой молекулы спирта → образуется устойчивое 5-членное хелатное кольцо.

Глицерин + $Cu(OH)_2$

Аналогично — две молекулы глицерина образуют глицерат меди(II):

2

глицерин

+ Cu(OH)₂

глицерат Cu(II)
ярко-синий раствор + 2H₂O

Условия реакции

• Обязательны соседние OH-группы (у соседних атомов C).
• $Cu(OH)_2$ должен быть свежеосаждённым.
• Наблюдение: голубой осадок $Cu(OH)_2$ → ярко-синий прозрачный раствор.
• Эту реакцию дают: этиленгликоль, глицерин, глюкоза, сорбит и другие вещества с соседними OH.

5.2. Взаимодействие с активными металлами

Как и одноатомные спирты, многоатомные реагируют с Na, K, но каждую OH-группу можно заместить:

$2HO-CH_2-CH_2-OH + 2Na \to 2NaO-CH_2-CH_2-OH + H_2 \uparrow$

В избытке натрия — замещаются обе OH-группы:

$HO-CH_2-CH_2-OH + 2Na \to NaO-CH_2-CH_2-ONa + H_2 \uparrow$

5.3. С галогеноводородами

$HO-CH_2-CH_2-OH + HBr \to HO-CH_2-CH_2-Br + H_2O$

В избытке HBr — замещаются обе OH-группы:

$HO-CH_2-CH_2-OH + 2HBr \to Br-CH_2-CH_2-Br + 2H_2O$

5.4. Этерификация

Многоатомные спирты образуют сложные эфиры. Могут реагировать по одной, двум или всем OH-группам.

Глицерин + уксусная кислота → моноацетин

глицерин

+

CH₃COOH

моноацетин

+ H₂O

Глицерин + 3 уксусных кислоты → триацетин

глицерин

+ 3CH₃COOH

триацетин

+ 3H₂O

Глицерин + жирные кислоты → жиры

С высшими жирными кислотами ($C_{15}H_{31}COOH$ — пальмитиновая, $C_{17}H_{35}COOH$ — стеариновая) образуются жиры:

глицерин

+ 3C₁₇H₃₅COOH
стеариновая к-та

тристеарин (жир)

+ 3H₂O

Этиленгликоль + уксусная кислота

этиленгликоль

+ 2CH₃COOH

диацетат этиленгликоля

+ 2H₂O

5.5. Нитрование (с азотной кислотой)

Реакция с концентрированной $HNO_3$ в присутствии $H_2SO_4$ → образование сложных эфиров азотной кислоты (нитратов).

Этиленгликоль + $HNO_3$

этиленгликоль

+ 2HNO₃

динитрат этиленгликоля

+ 2H₂O

Глицерин + $HNO_3$ → нитроглицерин

глицерин

+ 3HNO₃

тринитрат глицерина
(нитроглицерин)

+ 3H₂O

Нитроглицерин

Тринитрат глицерина (нитроглицерин) — сложный эфир, а не нитросоединение! Связь $C-O-NO_2$ (эфирная), а не $C-NO_2$ (нитрогруппа).

Применение: мощнейшее взрывчатое вещество (основа динамита Нобеля). В медицине — сосудорасширяющее средство (в микродозах).

⚠️ Не путать!

Нитрование многоатомных спиртов — это этерификация (образование сложного эфира $C-O-NO_2$).
Нитрование бензола — это замещение (образование нитросоединения $C-NO_2$).
Это совершенно разные реакции, дающие разные классы соединений!

5.6. Окисление

Горение

$2C_2H_4(OH)_2 + 5O_2 \to 4CO_2 + 6H_2O$

$2C_3H_5(OH)_3 + 7O_2 \to 6CO_2 + 8H_2O$

Окисление $CuO$

Аналогично одноатомным — окисление до карбонильных соединений.

5.7. Дегидратация

При внутримолекулярной дегидратации возможно образование непредельных спиртов, а затем карбонильных соединений.

6. Способы получения

1

Окисление алкенов $KMnO_4$ (реакция Вагнера)

Мягкое окисление (холодный, разбавленный) → двухатомные спирты (гликоли):

$3CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \to 3HOCH_2CH_2OH + 2MnO_2 + 2KOH$

Качественная реакция на алкены!

Обесцвечивание $KMnO_4$ — одновременно качественная реакция на двойную связь и способ получения гликолей.

2

Щелочной гидролиз дигалогеналканов Лабораторный

С галогенами у разных атомов C:

$ClCH_2CH_2Cl + 2NaOH_{(водн.)} \to HOCH_2CH_2OH + 2NaCl$

3

Гидролиз жиров Получение глицерина

Кислотный или щелочной гидролиз:

Жир $+ 3NaOH \xrightarrow{t} $ глицерин $+ 3R-COONa$ (мыло)

Жир $+ 3H_2O \xrightarrow{H^+, t} $ глицерин $+ 3R-COOH$ (жирные кислоты)

4

Гидратация оксида этилена Промышленный

Получение этиленгликоля:

$CH_2-O-CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} HOCH_2CH_2OH$

Практические задания

Задача 1. Качественная реакция

Решение

Как химически отличить глицерин от этанола?

Решение:

Добавить к каждому веществу свежеосаждённый $Cu(OH)_2$:

• Глицерин: голубой осадок растворяется, образуется ярко-синий раствор глицерата меди.

• Этанол: никаких изменений — осадок не растворяется.

Ответ: качественная реакция с $Cu(OH)_2$.

Задача 2. Получение этиленгликоля

Решение

Напишите уравнение реакции получения этиленгликоля из этилена.

Решение:

Мягкое окисление этилена (реакция Вагнера):

$3CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \to 3HOCH_2CH_2OH + 2MnO_2 + 2KOH$

Признак реакции: обесцвечивание $KMnO_4$, выпадение бурого осадка $MnO_2$.

Задача 3. Нитроглицерин

Решение

Напишите уравнение реакции получения нитроглицерина. К какому классу он относится?

Решение:

$C_3H_5(OH)_3 + 3HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_3H_5(ONO_2)_3 + 3H_2O$

Нитроглицерин — сложный эфир глицерина и азотной кислоты (тринитрат глицерина), а не нитросоединение!

Задача 4. Цепочка превращений

Решение

$C_2H_4 \to C_2H_4(OH)_2 \to$ глицерат меди. Напишите уравнения.

Решение:

1) Мягкое окисление:

$3CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \to 3HOCH_2CH_2OH + 2MnO_2 + 2KOH$

2) Качественная реакция:

$2HOCH_2CH_2OH + Cu(OH)_2 \to$ гликолят меди(II) (ярко-синий) $+ 2H_2O$