Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

12. Оксигеновмісні органічні сполуки

12.1. Спирти

Спирти (алканоли, алкоголі) — це похідні вуглеводнів, у молекулах яких один або декілька атомів Гідрогену заміщені гідроксильною групою -ОН. Спирти поширені в природі, мають важливе промислове значення. Зауважимо, що атом Карбону може міцно втримувати лише одну гідроксильну групу, також гідроксильна група не може розміщуватись біля атома Карбону, сполученого з іншими атомами кратним зв’язком.

У первинних, вторинних і третинних спиртів гідроксил розміщений відповідно біля первинного, вторинного і третинного атома Карбону.

12.1.1. Насичені одноатомні спирти

Гомологічний ряд насичених одноатомних спиртів

Номенклатура насичених одноатомних спиртів

1. Назву одноатомного насиченого спирту нерозгалуженої будови утворюють від назви відповідного алкану шляхом додавання до нього локанту, біля якого розміщена гідроксильна група, і суфікса -ол, які відокремлюють один від одного дефісами:

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-ОН (бутан-1-ол)

2. Утворюючи назви спиртів розгалуженої будови, вибирають найдовший карбоновий ланцюг, що містить:

а) гідроксильну групу;

б) найбільшу кількість розгалужень:

3. Нумерацію атомів Карбону проводять таким чином, щоб:

а) розташування гідроксильної групи було позначено найменшим локантом;

б) якщо гідроксильна група рівновіддалена від обох кінців ланцюга, беруть до уваги розташування алкільного замісника (принцип найменших локантів):

в) якщо і гідроксильна група, і алкільні замісники рівновіддалені від обох кінців ланцюга, керуються алфавітним принципом:

4. Назву одноатомного насиченого спирту розгалуженої будови утворюють:

а) локанти і назви алкільних замісників (відокремлених один від одного дефісами);

б) назва відповідного алкану (з назвою останнього алкільного замісника пишеться разом);

в) локант, біля якого розміщена гідроксильна група, і суфікс -ол, що відокремлюють один від одного дефісами.

Наприклад:

Властивості насичених одноатомних спиртів

Молекулу спирту можна розглядати і як похідну води, у молекулі якої один атом Гідрогену заміщений на алкільний замісник. Через наявність водневих зв’язків спирти (як і вода) мають аномально високу густину, температури плавлення і кипіння.

Одноатомні спирти з кількістю атомів Карбону від 1 до 10 є рідинами¹, а від 11 і вище — тверді кристалічні речовини. Серед спиртів, на відміну від вуглеводнів, немає газоподібних речовин. Відповідно, температури плавлення і кипіння спиртів значно вищі, ніж у вуглеводнів. Це пов’язано із наявністю міжмолекулярного водневого зв’язку (його енергія — 20 кДж/моль).

¹ Одноатомні спирти з кількістю атомів Карбону від 3 і вище називають сивушними маслами. Це побічний продукт спиртового бродіння рослинних вуглеводів (крім спиртів, може містити альдегіди, жирні кислоти, фурфурол), токсичний, має різкий неприємний запах і залежно від складу — колір від світло-жовтого до бурого.

Нижчі спирти — метанол, етанол — безбарвні, зі специфічним «спиртовим» запахом, необмежено розчинні у воді та органічних розчинниках. Зі зростанням молярної маси у гомологічному ряду зростає гідрофобність.

Хімічні властивості спиртів насамперед зумовлені наявністю полярної функціональної групи -ОН. Гідроксильний Оксиген перебуває у стані sp³-гібридизації. На ньому (як на найбільш електронегативному елементі) зосереджений частковий негативний заряд δ-, а на гідроксильному атомі Гідрогену — частковий позитивний заряд δ⁺ (R — алкільний замісник):

Унаслідок цього цей атом Гідрогену стає хімічно активним і може заміщуватись на атоми активних металічних елементів (як і в молекулах води і кислот). Таким чином спирти виявляють кислотні властивості.

З другого боку, в атома Оксигену є дві неподілені електронні пари, внаслідок чого він може приєднувати йони Н⁺. Отже, спирти виявляють і основні властивості (амфотерність).

Зауважимо, що і кислотні, і основні властивості виражено в спиртів дуже слабо. Водні розчини перших трьох членів гомологічного ряду насичених одноатомних спиртів є нейтральними і не змінюють кольору індикаторів (вищі спирти у воді не розчиняються).

Отримання насичених одноатомних спиртів

1. Гідроліз моногалогеноалканів під дією водних розчинів лугів:

2. Окиснення насичених вуглеводнів:

3. Гідратація алкенів (відбувається за правилом Марковникова):

4. Відновлення альдегідів (а також кетонів, карбонових кислот, естерів):

5. Метанол отримують такими методами:

а) у процесі сухої перегонки деревини, тому одна з тривіальних назв метанолу — деревний спирт (найдавніший метод, на сьогодні втратив своє значення);

б) із синтез-газу (суміші, яка містить СО та Н₂):

6. Етанол отримують:

а) гідратацією етену:

б) спиртовим бродінням цукристих речовин (так одержують етанол — винний спирт):

в) гідролізом клітковини (целюлози) і подальшим бродінням продуктів гідролізу (гідролізний спирт):

Застосування одноатомних спиртів

Етанол використовують:

• у харчовій промисловості для виготовлення алкогольних напоїв;
• як розчинник, екстрагент (масова частка — мінімум 18 %) і консервант для виготовлення та зберігання фармацевтичних препаратів, косметичних засобів тощо;
• у медицині для дезінфекції шкіри як бактерицидний засіб (використовують 70 %-вий, так званий медичний спирт; особливість дії речовини саме такої концентрації полягає в тому, що зберігаються потужні бактерицидні властивості, але при цьому спирт не коагулює білків зовнішньої мембрани і мікроорганізми не утворюють захисної оболонки, цисти), також для компресів;
• у виробництві хлороформу, етанової кислоти, бутадієнового каучуку.

Метанол використовують в органічному синтезі як розчинник. З нього виготовляють метаналь (формальдегід, сировину для виробництва фенолформальдегідних смол).

12.1.2. Згубна дія алкоголю

Метиловий спирт, який органолептично не відрізняється від етилового, у малих дозах спричиняє сліпоту, а у великих — 30 мл і більше — смерть.

Серед інших спиртів етанол має відносно невисоку токсичність, але викликає значний психоактивний ефект: спочатку ейфорію і збудження (задля цього алкогольні напої і вживають, намагаючись таким чином подолати нудьгу, сімейні негаразди, життєві труднощі, відсутність сенсу життя), а потім, у міру збільшення дози, швидко настає стан сп’яніння — знижується увага і швидкість реакції, порушується координація рухів і мислення, затьмарюється свідомість. Алкоголь згубно впливає на роботу всіх органів і систем, але головна його небезпека полягає в іншому. Унаслідок його систематичного вживання виникає звикання, фізична і психічна залежність від алкоголю — розвивається алкоголізм. Значну небезпеку, особливо для молоді (за відсутності відповідної соціальної політики держави, в умовах доступності та дешевизни продукту, терпимості суспільства), становлять слабоалкогольні напої — сурогатні лікеро-горілчані вироби, міцність яких 1,2-8,5 %, коктейлі, пиво. Їхній токсичний ефект виражений не сильно, а звикання розвивається швидко.

Головними наслідками алкоголізму, як і будь-якої залежності, є поглиблення соціальної дезадаптації людини, руйнування її особистості, травматизм на виробництві та транспорті, передчасна смерть. Алкоголізм є основною причиною таких глобальних соціальних проблем, як розпадання сімей, злочинність, злидні.

12.1.3. Багатоатомні спирти

Двохатомні спирти (гліколі) — похідні алканів, у молекулах яких два атоми Гідрогену заміщені на дві гідроксильні групи. Загальна формула гомологічного ряду гліколів — С_nН_2n(ОН)₂. Перший представник цього ряду — етан-1,2-діол (тривіальна назва — етиленгліколь). Триатомні спирти (гліцероли) — похідні алканів, у молекулах яких три атоми Гідрогену біля різних атомів Карбону заміщені на три гідроксильні групи. Загальна формула гомологічного ряду гліцеролів — С_nН_2n-1(ОН)₃. Перший представник цього ряду — пропан-1,2,3-тріол (тривіальна назва — гліцерол, застаріла тривіальна назва — гліцерин).

Етиленгліколь — дещо оліїста, безбарвна, солодка на смак, дуже токсична речовина. Гліцерол — в’язка, безбарвна, солодка на смак, нетоксична рідина. Обидві речовини змішується з водою у будь-яких пропорціях.

Хімічні властивості багатоатомних спиртів аналогічні до властивостей одноатомних насичених спиртів і визначаються наявністю кількох груп -ОН. У реакції можуть брати участь як одна, так і декілька групи -ОН. Кількість гідроксильних груп позначається на хімічній активності сполук, зокрема, з ростом їх кількості підсилюються кислотні властивості сполуки. Тому багатоатомні спирти легко реагують не лише з лужними металами, але й з лугами і навіть з гідроксидами важких металічних елементів.

Хімічні властивості пропан-1,2,3-тріолу (гліцеролу)

Хімічні властивості гліцеролу подібні до хімічних властивостей етиленгліколю. Спостерігається посилення кислотних властивостей порівняно з насиченими одноатомними спиртами. Реагує:

• з лужними металами:

• з гідроксидами деяких важких металічних елементів; з нерозчинним у воді Cu(OH)₂ голубого кольору утворює комплексну сполуку яскраво-синього кольору (якісна реакція для виявлення багатоатомних спиртів):

• естерифікація: утворення естерів з органічними та мінеральними кислотами:

Гліцерол тринітрат (нітрогліцерин) — надзвичайно вибухонебезпечна речовина:

• із гідрогенгалогенідами (утворюється галогеноспирти):

• із киснем (повне окиснення):

Отримання гліцеролу

1. Гідроліз дигалогеноалканів:

СН₂Сl-СНСl-СН₂ОН + 2Н₂О → СН₂ОН-СНОН-СН₂ОН + 2НСl

2. Найбільше гліцеролу отримують омиленням жирів:

3*. Значну кількість гліцеролу отримують із пропену:

Застосування гліцеролу

Водні розчини гліцеролу (у суміші із пропіленгліколем, етиленгліколем, іншими спиртами) використовують як антифризи — рідини для охолодження двигунів, для систем протизаморожування літаків. Ці суміші мають вищу (порівняно з водою) температуру кипіння, нижчу температуру замерзання, а унаслідок замерзання утворюють не лід, а драглисту масу, яка не пошкоджує деталі системи.

Гліцерол використовують для виробництва вибухових речовин (тринітрат гліцеролу¹ — діюча речовина динаміту²), синтетичних смол, для пом’якшення шкіри і тканин, у косметичній промисловості.

¹ Його 1 %-ний розчин використовують у медицині як засіб для розширення судин.

² Динаміт — адсорбент (тирса, кізельгур тощо), просочений тринітрогліцеролом.

Етиленгліколь використовується для одержання антифризів, термопластика поліетилентерефталату (ПЕТФ), з якого отримують цінне синтетичне волокно лавсан³ (поліестер).

³ Лабораторія високомолекулярних сполук Академії Наук.