Одноатомные спирты

Этанол и пропан-2-ол содержат группу OH, но не относятся к щёлочам. У спиртов гидроксильная группа связана с атомом углерода, а свойства определяются всей молекулой. Число групп OH, строение углеродного скелета и окружение функциональной группы позволяют различать спирты и предсказывать их характерные превращения.

Определение и формулы

Спирты — соединения, в которых гидроксильная группа OH связана с насыщенным атомом углерода. Одноатомный спирт содержит одну такую группу в молекуле; слово «одноатомный» не означает один атом углерода.

В начальном ряду предельных ациклических одноатомных спиртов углеродный скелет не содержит циклов и кратных связей. Для него используют формулы:

C_nH_2n+1OH, или C_nH_2n+2O; n ≥ 1.

Ряд начинается метанолом CH₃OH, затем следует этанол C₂H₅OH. Не всякое вещество с общей формулой C_nH_2n+2O является спиртом: межклассовыми изомерами могут быть простые эфиры. И наоборот, спирт может иметь кратную связь вдали от OH и тогда не соответствовать данной формуле предельного ряда.

Фенол C₆H₅OH выделяют в другой класс: его OH непосредственно связана с атомом ароматического кольца. А C₆H₅CH₂OH — спирт, поскольку OH находится у насыщенного C боковой цепи.

Название и окружение группы OH

Для простых соединений выбирают цепь с атомом C, несущим OH, нумеруют её с учётом положения этой группы и используют суффикс -ол. CH₃CH₂CH₂OH — пропан-1-ол, CH₃CH(OH)CH₃ — пропан-2-ол. Одинаковая формула C₃H₈O не делает их одним веществом.

Метанол не имеет соседнего атома C; по характеру окисления его обычно рассматривают вместе с первичными спиртами. Эта классификация относится к окружению одного атома C. Третичный спирт может оставаться одноатомным: число соседних C и число групп OH — разные признаки.

Физические свойства и связь с водой

Полярные связи O–H и C–O и способность образовывать водородные связи влияют на свойства спиртов. По сравнению с близкими по массе углеводородами температура кипения обычно выше. Это не требует разрыва всех ковалентных связей при кипении: преодолеваются прежде всего межмолекулярные взаимодействия.

Метанол, этанол и пропанолы хорошо смешиваются с водой. При удлинении углеводородной части растворимость спиртов в воде в целом уменьшается. Поэтому наличие одной OH не делает любой длинноцепочечный спирт неограниченно растворимым. Температуры кипения и растворимость зависят также от разветвления и положения OH.

Группа OH в спирте не является свободным гидроксид-ионом. Этанол в обычном водном растворе не диссоциирует подобно NaOH и не проявляет свойств сильного основания только из-за букв OH в формуле.

Реакции с активными металлами и горение

При взаимодействии подходящего спирта с натрием водород группы O–H замещается металлом, образуется алкоголят и выделяется H₂. Для этанола:

2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑.

Этанолят натрия отличается от гидроксида натрия; у кислорода сохраняется связь с углеводородной группой. На два моля одноатомного спирта приходится один моль водорода. Если в системе есть вода, натрий реагирует также с ней, поэтому школьную стехиометрию чистого спирта нельзя автоматически переносить на водный раствор.

Алкоголят — соль, в которой от спиртовой группы OH формально удалён протон, а оставшийся кислородсодержащий ион имеет заряд −1. В этаноляте натрия это Na⁺ и C₂H₅O⁻.

Сравните OH⁻ в NaOH и C₂H₅O⁻ в алкоголяте: во втором ионе O по-прежнему связан с C. В одну молекулу H₂ входят два атома H из двух групп OH; поэтому перед спиртом стоит коэффициент 2. Остальные водороды при C в этой реакции не отщепляются.

Полное сгорание этанола при достаточном количестве кислорода:

C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O.

Один атом кислорода уже входит в молекулу спирта; его нужно учитывать при уравнивании. При недостатке O₂ продукты могут отличаться от указанных.

Окисление, дегидратация и этерификация

Первичный спирт при подходящем окислении может дать альдегид. Например, при нагревании этанола с CuO:

CH₃CH₂OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O.

Этаналь способен окисляться дальше до уксусной кислоты, поэтому альдегид не является универсальным конечным продуктом при любом окислителе. Вторичные спирты обычно дают кетоны; третичные не окисляются аналогичным мягким способом без разрушения углеродного скелета.

При дегидратации отщепляется вода. Для этанола при кислотном катализе и нагревании возможен этен:

C₂H₅OH → CH₂=CH₂ + H₂O.

В других условиях две молекулы этанола могут образовать диэтиловый эфир:

2C₂H₅OH → C₂H₅–O–C₂H₅ + H₂O.

Кислотно-катализируемая межмолекулярная дегидратация простых первичных спиртов и образование алкена конкурируют; соотношение зависит от температуры, строения спирта и среды. Нельзя указывать только «минус вода» без продукта и условий.

Спирт взаимодействует и с карбоновой кислотой, образуя сложный эфир. Пример обратимой этерификации при кислотном катализе:

CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O.

Продукт — этиловый эфир уксусной кислоты. Простой эфир с фрагментом C–O–C и сложный эфир с группой COO относятся к разным классам.

Получение этанола

Промышленная гидратация этена при кислотном катализе представляет собой присоединение воды:

CH₂=CH₂ + H₂O ⇌ C₂H₅OH.

Другой путь связан с биохимическим превращением сахаров. Упрощённая суммарная запись спиртового брожения глюкозы:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ (ферменты).

Это многостадийный процесс, а уравнение задаёт общий баланс. Получение спирта и выделение его из водной смеси — отдельные этапы.

Реакция с галогеноводородом и действие спиртов

В подходящих кислых условиях спирт может превращаться в галогеналкан: группа OH замещается атомом галогена. Для этанола и бромоводорода суммарная схема при нагревании:

CH₃CH₂OH + HBr → CH₃CH₂Br + H₂O.

Продукт — бромэтан. Это замещение OH, а не присоединение Br к двойной связи: в исходном этаноле связи C=C нет. Первичные спирты в таких реакциях обычно требуют более жёстких условий, чем третичные; скорость и состав продуктов зависят от строения, реагента и среды. Нельзя переносить одну суммарную схему на любой спирт с любым галогеноводородом.

Промышленный синтез метанола

Метанол получают каталитическим превращением синтез-газа — смеси, содержащей H₂ и оксиды углерода. Один из суммарных каналов газофазного синтеза:

CO(г) + 2H₂(г) ⇌ CH₃OH(г).

Используют повышенное давление и подходящую каталитическую систему, например на основе меди. Синтез экзотермичен: понижение температуры благоприятствует равновесному образованию продукта, но может замедлить установление равновесия. Поэтому рабочая температура учитывает и скорость, и равновесие. Сжатие при той же температуре благоприятствует стороне с меньшим числом молей газа — здесь метанолу; катализатор ускоряет процесс, не меняя константу равновесия.

Технология включает подготовку газа, превращение, отделение продукта и возможный возврат непрореагировавших компонентов. Смесь с CO₂ требует учитывать и другие реакции; одна запись не описывает всё производство. Метанол служит сырьём, в частности, для получения формальдегида. Промышленный синтез и биохимическое получение этанола брожением — разные процессы.

Метанол и этанол относятся к одному гомологическому ряду, но являются разными веществами. Метанол способен вызывать тяжёлое отравление и повреждение зрительного нерва; этанол — токсичное психоактивное вещество, способное вызывать зависимость.

Внешнее сходство жидкостей не подтверждает их состав. Техническая спиртосодержащая смесь может иметь другие компоненты и назначение, чем продукт с похожим названием. Школьные реакции не являются домашним способом проверки жидкости на пригодность для употребления. По одной принадлежности к классу спиртов нельзя сделать вывод о безопасности.

Два вопроса

1. Этен и этанол могут дать бромэтан при взаимодействии с HBr в подходящих условиях. Одинаков ли тип превращения? В каком суммарном уравнении образуется вода?
2. Почему формулы CH₃OH и C₂H₅OH не дают оснований считать жидкости взаимозаменяемыми? Что дополнительно теряется, когда известна только надпись «спиртосодержащая смесь»?

Ответы

1. У этена идёт присоединение по C=C: C₂H₄ + HBr → C₂H₅Br. У этанола — замещение OH; вода образуется во втором уравнении. Один и тот же продукт не означает одинакового исходного строения или типа реакции.
2. Это разные соединения с разным действием на организм; гомология означает закономерность состава и некоторые сходные химические свойства, а не одинаковую токсичность. У смеси без полного состава неизвестны другие компоненты и их количества. Неизвестное нельзя считать безопасным по аналогии с названием.

Источники: OpenStax — спирты и галогеналканы; NIOSH — метанол; ВОЗ — действие этанола; IPCS/ВОЗ — производство метанола; материалы семинара IEA, с. 39 — равновесные реакции синтеза.

Три разобранных примера

1. Название и тип спирта

У CH₃CH(OH)CH₂CH₃ главная цепь содержит четыре C, OH получает номер 2: бутан-2-ол. Атом C с OH связан с двумя другими C, поэтому спирт вторичный. Группа OH одна, значит спирт одноатомный.

2. Водород из этанола

Для 9,2 г чистого этанола при M ≈ 46 г/моль и полном расходовании спирта по реакции с достаточным количеством натрия:

n(C₂H₅OH) = 9,2 / 46 = 0,20 моль.

n(H₂) = 0,20 / 2 = 0,10 моль; m(H₂) ≈ 0,20 г.

Водород выделяется не из всех шести H этанола, а в этой реакции — за счёт H групп O–H.

3. Теоретическая масса этаналя

При заданном превращении 4,6 г этанола в этаналь по реакции с CuO без дальнейшего окисления:

n(CH₃CHO) = 4,6 / 46 = 0,10 моль; m(CH₃CHO) ≈ 0,10 · 44 = 4,4 г.

Масса спирта не переносится на продукт без пересчёта молярных масс.

Частые ошибки

• Считать одноатомность числом C или путать её с первичностью.
• Относить фенол к обычным спиртам только из-за OH.
• Приписывать всем спиртам неограниченную растворимость в воде.
• Не учитывать состав среды, направление окисления и конкуренцию продуктов дегидратации.

Пять заданий

1. Какова формула предельного ациклического одноатомного спирта с тремя C?
2. Является ли (CH₃)₃COH трёхатомным спиртом?
3. Сколько O₂ нужно для полного сгорания 0,20 моль этанола?
4. Какой класс продуктов образуется при мягком окислении пропан-2-ола?
5. Сколько молей этанола теоретически соответствует брожению 0,50 моль глюкозы по приведённому уравнению?

Ответы с объяснениями

1. C₃H₇OH, или C₃H₈O. Положение OH может различаться у изомерных пропанолов.
2. Нет: OH одна. Это одноатомный третичный спирт, поскольку C с OH связан с тремя другими C.
3. На моль этанола приходится три моля кислорода:

   n(O₂) = 3 · 0,20 = 0,60 моль.

4. Кетон — пропанон CH₃COCH₃, поскольку исходный спирт вторичный.
5. Из одного моля глюкозы по суммарной схеме получаются два моля этанола:

   n(C₂H₅OH) = 2 · 0,50 = 1,0 моль.

Связанные темы и источники

Повторите гидратацию алкенов, номенклатуру и строение ароматических соединений. Многоатомные спирты, фенолы и карбонильные соединения рассматриваются в следующих темах.

Для проверки фактов: IUPAC: спирты; OpenStax: реакции спиртов.

Выбрать другой маршрут курса