Методические рекомендации для студентов по теме "Спирты"

Министерство образования пензенской области

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Пензенской области

«Пензенский колледж архитектуры и строительства»

Методические рекомендации по изучению темы:

«Спирты».

Выполнила преподаватель: Андронова Нина Михайловна

г. Пенза 2019 г.

При изучении темы студенты должны знать:

1.Электронное строение функциональной группы спиртов, полярность связи O–H. Классификация спиртов. Первичные, вторичные и третичные спирты.

2. Предельные одноатомные спирты. Изомерия спиртов (изомерия углеродного скелета и положения функциональной группы). Систематическая номенклатура спиртов. Водородная связь между молекулами и ее влияние на физические свойства спиртов.

3. Химические свойства спиртов: горение, окисление до альдегидов, взаимодействие со щелочными металлами, галогеноводородами и карбоновыми кислотами, внутримолекулярная и межмолекулярная дегидратация.

4. Генетическая связь между спиртами и углеводородами.

5. Применение и получение спиртов. Токсичность спиртов, их губительное воздействие на организм человека.

6. Этиленгликоль и глицерин как представители многоатомных спиртов, их строение, свойства и практическая значимость.

При изучении темы студенты должны уметь:

Составлять структурные формулы изомерных спиртов по строению углеродного скелета и положению функциональной группы. Названия спиртов по систематической номенклатуре.

Объясненять физические свойства спиртов на основании их химического и электронного строения с учетом возможности образования межмолекулярных водородных связей.

Составлять уравнение реакций: горения спиртов, окисления первичных спиртов до альдегидов, взаимодействия спиртов с натрием, бромоводородом и карбоновыми кислотами, внутримолекулярной и межмолекулярной дегидратации спиртов.

Составлять уравнение реакций получения спиртов из предельных (через галогенопроизводные) и непредельных углеводородов.

Спирты - органические соединения, в состав молекул которых входит одна или несколько гидроксильных групп -OH, соединенных с углеводородным радикалом. 

По числу гидроксильных групп в молекуле спирты делятся на одноатомные, двухатомные трехатомные и т. д.

Одноатомные спирты

Общая формула одноатомных спиртов - R—OH.

По типу углеводородного радикала спирты делятся на предельные, непредельные и ароматические.

Общая формула предельных одноатомных спиртов - C_nN_2n+1—OH.

Органические вещества, содержащие в молекуле гидроксильные группы, непосредственно связанные с атомами углерода бензольного кольца называются фенолами. Например, C₆H₅—OH - гидроксобензол (фенол).

По типу атома углерода, с которым связана гидроксильная группа, различают первичные (R—CH₂—OH), вторичные (R—CHOH—R') и третичные (RR'R''C—OH) спирты.

C_nN_2n+2O - общая формула и предельных одноатомных спиртов, и простых эфиров.

Предельные одноатомные спирты изомерны простым эфирам - соединениям с общей формулой R—O—R'.

Изомеры и гомологи

Для спиртов характерна структурная изомерия (изомерия углеродного скелета, изомерия положения заместителя или гидроксильной группы), а также межклассовая изомерия.

Алгоритм составления названий одноатомных спиртов

1.Найдите главную углеродную цепь - это самая длинная цепь атомов углерода, с одним из которых связана функциональная группа.

2.Пронумеруйте атомы углерода в главной цепи, начиная с того конца, к которому ближе функциональная группа.

3.Назовите соединение по алгоритму для углеводородов.

4.В конце названия допишите суффикс -ол и укажите номер атома углерода, с которым связана функциональная группа.

Физические свойства спиртов во многом определяются наличием между молекулами этих веществ водородных связей:

С этим же связана и хорошая растворимость в воде низших спиртов. 

Простейшие спирты - жидкости с характерными запахами. С увеличением числа атомов углерода температура кипения возрастает, а растворимость в воде падает. Температура кипения у первичных спиртов больше, чем у вторичных спиртов, а у вторичных - больше, чем у третичных. Метанол крайне ядовит.

Химические свойства спиртов

1.Горение:

C₂H₅OH + 3O₂   2CO₂ +3H₂O + Q

2.Реакции с щелочными и щелочноземельными металлами ("кислотные" свойства):
Атомы водорода гидроксильных групп молекул спиртов, также как и атомы водорода в молекулах воды, могут восстанавливаться атомами щелочных и щелочноземельных металлов ("замещаться" на них).

2Na + 2H—O—H   2NaOH + H₂
2Na + 2R—O—H   2RONa + H₂

Атомы натрия легче восстанавливают те атомы водорода, у которых больше положительный частичный заряд ( +). И в молекулах воды, и в молекулах спиртов этот заряд образуется за счет смещения в сторону атома кислорода, обладающего большой электроотрицательностью, электронных облаков (электронный пар) ковалентных связей.

Молекулу спирта можно рассматривать как молекулу воды, в которой один из атомов водорода замещен углеводородным радикалом. А такой радикал, богатый электронными парами, легче, чем атом водорода, позволяет атому кислорода оттягивать на себя электронную пару связи R O.

Атом кислорода как бы "насыщается", и за счет этого связь O—H оказывается менее поляризованной, чем в молекуле воды ( + на атоме водорода меньше, чем в молекуле воды). 

В результате атомы натрия труднее восстанавливают атомы водорода в молекулах спиртов, чем в молекулах воды, и реакция идет намного медленнее. 

Иногда, основываясь на этом, говорят, что кислотные свойства спиртов выражены слабее, чем кислотные свойства воды.

Из-за влияния радикала кислотные свойства спиртов убывают в ряду 

метанол   первичные спирты   вторичные спирты   третичные спирты

С твердыми щелочами и с их растворами спирты не реагируют.

1. Реакции с галогеноводородами:

C₂H₅OH + HBr   C₂H₅Br + H₂O

1. Внутримолекулярная дегидратация (t 140^oС, образуются алкены):

C₂H₅OH   C₂H₄ + H₂O

1. Межмолекулярная дегидратация (t ^oС, образуются простые эфиры):

2C₂H₅OH   C₂H₅OC₂H₅ + H₂O

1. Окисление (мягкое, до альдегидов):

CH₃CH₂OH + CuO   CH₃—CHO + Cu + H₂O

Это качественная реакция на спирты: цвет осадка изменяется с черного на розовый, ощущается своеобразный "фруктовый" запах альдегида).

Получение одноатомных спиртов.

1.Щелочной гидролиз галогеналканов (лабораторный способ):

C₂H₅Cl + NaOH   C₂H₅OH + NaCl.

2.Гидратация алкенов: C₂H₄ + H₂O   C₂H₅OH.

1. Брожение глюкозы : C₆H₁₂O₆   2C₂H₅OH + 2CO₂ .

4.Синтез метанола: CO + 2H₂   CH₃OH

Многоатомные спирты.

Важнейшие из многоатомных спиртов -  этиленгликоль и глицерин:

этиленгликоль           глицерин

этандиол пропантриол-1,2,3

Это — вязкие жидкости, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде и плохо растворимые в органических растворителях. Этиленгликоль ядовит.

Получение.

1. Гидролиз алкилгалогенидов (аналогично одноатомным спиртам):

ClCH₂-CH₂Cl + 2NaOH → НОСН₂-СН₂ОН + 2NaCl.

2. Этиленгликоль образуется при окислении этилена водным раствором перманганата калия:

СН₂=СН₂ + [О] + Н₂О → НOСН₂-СН₂ОН.

3. Глицерин получают гидролизом жиров.

Химические свойства.

Для двух- и трехатомных спиртов характерны основные реакции одноатомных спиртов. В реакциях могут участвовать одна или две гидроксильные группы. Взаимное влияние гидроксильных групп проявляется в том, что многоатомные спирты — более сильные кислоты, чем одноатомные спирты. Поэтому многоатомные спирты, в отличие от одноатомных, реагируют со щелочами, образуя соли. По аналогии с алкоголятями соли двухатомных спиртов называют гликолятами, а трехатомных — глицератами.

Качественной реакцией на многоатомные спирты, содержащие группы ОН при соседних атомах углерода, является ярко, синее окрашивание при действии свежеосажденного гидроксида меди (II). Цвет раствора обусловлен образованием комплексного гликолята меди:

Для многоатомных спиртов характерно образование сложных эфиров. В частности, при реакции глицерина с азотной кислотой в присутствии каталитических количеств серной кислоты образуется тринитрат глицерина, известный под названием нитроглицерин (последнее название неверно с химической точки зрения, по­скольку в нитросоединениях группа -NO₂непосредственно связана с атомом углерода):

Применение. Этиленгликоль применяют для синтеза поли­мерных материалов и в качестве антифриза. В больших количествах он используется также для получения диоксана, важного (хотя и токсичного) лабораторного растворителя. Диоксан получают межмолекулярной дегидратацией этиленгликоля:

диоксан

Глицерин находит широкое применение в косметике, пищевой промышленности, фармакологии, производстве взрывчатых веществ. Чистый нитроглицерин взрывается даже при слабом ударе; он служит сырьем для получения бездымных порохов и динамита ― взрывчатого вещества, которое в отличие от нитроглицерина можно безопасно бросать. Динамит был изобретен Нобелем, ко­торый основал известную всему миру Нобелевскую премию за выдающиеся научные достижения в области физики, химии, медицины и экономики. Нитроглицерин токсичен, но в малых количествах служит лекарством, так как расширяет сердечные сосуды и тем самым улучшает кровоснабжение сердечной мышцы.

Применение спиртов. Способность спиртов участвовать в разнообразных химических реакциях позволяет их использовать для получения всевозможных органических соединений: альдегидов, кетонов, карбоновых кислот простых и сложных эфиров, применяемых в качестве органических растворителей, при производстве полимеров, красителей и лекарственных препаратов.

Метанол СН₃ОН используют как растворитель, а также в производстве формальдегида, применяемого для получения фенолформальдегидных смол, в последнее время метанол рассматривают как перспективное моторное топливо. Большие объемы метанола используют при добыче и транспорте природного газа. Метанол – наиболее токсичное соединение среди всех спиртов, смертельная доза при приеме внутрь – 100 мл.

Этанол С₂Н₅ОН – исходное соединение для получения ацетальдегида, уксусной кислоты, а также для производства сложных эфиров карбоновых кислот, используемых в качестве растворителей. Кроме того, этанол – основной компонент всех спиртных напитков, его широко применяют и в медицине как дезинфицирующее средство.

Бутанол используют как растворитель жиров и смол, кроме того, он служит сырьем для получения душистых веществ (бутилацетата, бутилсалицилата и др.). В шампунях он используется как компонент, повышающий прозрачность растворов.

Бензиловый спирт С₆Н₅–CH₂–OH в свободном состоянии (и в виде сложных эфиров) содержится в эфирных маслах жасмина и гиацинта. Он обладает антисептическими (обеззараживающими) свойствами, в косметике он используется как консервант кремов, лосьонов, зубных эликсиров, а в парфюмерии - как душистое вещество.

Фенетиловый спирт С₆Н₅–CH₂–CH₂–OH обладает запахом розы, содержится в розовом масле, его используют в парфюмерии.

Этиленгликоль HOCH₂–CH₂OH используют в производстве пластмасс и как антифриз (добавка, снижающая температуру замерзания водных растворов), кроме того, при изготовлении текстильных и типографских красок.

Диэтиленгликоль HOCH₂–CH₂OCH₂–CH₂OH используют для заполнения тормозных гидравлических приспособлений, а также в текстильной промышленности при отделке и крашении тканей.

Глицерин HOCH₂–CH(OH)–CH₂OH применяют для получения полиэфирных глифталевых смол, кроме того, он является компонентом многих косметических препаратов. Нитроглицерин (рис. 6) – основной компонент динамита, применяемого в горном деле и железнодорожном строительстве в качестве взрывчатого вещества.

Пентаэритрит (HOCH₂)₄С применяют для получения полиэфиров (пентафталевые смолы), в качестве отвердителя синтетических смол, как пластификатор поливинилхлорида, а также в производстве взрывчатого вещества тетранитропентаэритрита.

Многоатомные спирты ксилит НОСН₂–(СНОH)₃–CН₂ОН и сорбит

НОСН₂– (СНОН)₄–СН₂OН имеют сладкий вкус, их используют вместо сахара в производстве кондитерских изделий для больных диабетом и людей страдающих от ожирения. Сорбит содержится в ягодах рябины и вишни

Вопросы для самоконтроля.

1. Какие соединения относятся к классу спиртов?

2. Напишите структурные формулы всех изомерных спиртов состава С₃Н₈О и С₄ Н₁₀О. Укажите первичные, вторичные и третичные спирты. Назовите их согласно номенклатуре ИЮПАК.

3. Изобразите схему строения молекул метанола и этанола с помощью атомных орбиталей.

4. Расположите спирты в порядке усиления кислотных свойств:

а) этанол;

б) бутанол-1;

в) пропанол-1.

Ответ обоснуйте.

5. Напишите уравнения реакций межмолекулярной и внутримолекулярной дегидратации пропанола-1. Укажите условия протекания каждой реакции; объясните их механизм.

6. Напишите уравнения реакций этилового спирта со следующими реагентами:

а) Na;

б) NaNH2;

в) HBr;

г) CH3MgCl.

7. Предложите схему превращения ацетилена в диизопропиловый эфир.

8. Напишите несколько реакций, которые позволяют различить следующие спирты:

этанол, бутанол-2, этиленгликоль.

9. Предложите схему превращения:

10.Одноатомный первичный спирт реагирует с 48%-ным раствором бромоводородной кислоты с образованием алкилбромида, который имеет плотность по водороду, равную 61,5. Установите формулу спирта.

11.При взаимодействии 400 г раствора пропанола-1 в бензоле с избытком металлического натрия выделяется водород в объеме 16,8 л (н.у.). Чему равна массовая доля (в %) спирта в растворе?

Литература

1. О.С. Габриелян, И.Г.Остроумов., Химия для профессий и специальностей технического профиля, М., «Академия» 2015г.