Спирты: строение, свойства и получение

Спирты относятся к кислородсодержащим органическим веществам. Они знакомы не только по школьным опытам: этанол входит в состав антисептиков и растворителей, этиленгликоль используют в охлаждающих жидкостях, а глицерин встречается в косметике и лекарствах. Объединяет эти вещества гидроксильная группа -OH, связанная с углеводородным радикалом. По строению этой группы можно понять, почему низшие спирты смешиваются с водой, реагируют с активными металлами и при нагревании дают разные продукты.

Что называют спиртами

В молекуле спирта гидроксильная группа должна быть присоединена к насыщенному атому углерода. Например, формула метанола CH₃OH показывает, что группа -OH заменила один атом водорода в метане CH₄. Этанол можно записать как C₂H₅OH или CH₃-CH₂-OH. В обеих формулах видно, что он содержит два атома углерода и одну гидроксильную группу.

Не всякое органическое соединение с кислородом является спиртом. В феноле группа -OH связана непосредственно с бензольным кольцом, поэтому его свойства заметно отличаются от свойств спиртов. В карбоновых кислотах, например в уксусной кислоте CH₃COOH, группа -OH входит в состав другой функциональной группы -COOH. При определении класса вещества важно смотреть, с каким атомом углерода соединён кислород и есть ли рядом карбонильная группа C=O.

Строение и классификация

Предельные одноатомные спирты образуют гомологический ряд: метанол CH₃OH, этанол C₂H₅OH, пропанол C₃H₇OH. Каждый следующий член отличается от предыдущего на группу CH₂. Название составляют из названия соответствующего углеводорода и суффикса «-ол»: пропан, пропанол; бутан, бутанол. Цифрой указывают положение гидроксильной группы. Так, CH₃-CH(OH)-CH₃ называется пропан-2-олом.

По числу групп -OH спирты бывают одноатомными и многоатомными. У этанола одна группа, у этиленгликоля HO-CH₂-CH₂-OH их две, у глицерина CH₂OH-CHOH-CH₂OH три. Многоатомные спирты обычно лучше растворяются в воде, потому что могут образовывать больше водородных связей с её молекулами.

Одноатомные спирты также делят на первичные, вторичные и третичные. В первичном спирте атом углерода при -OH соединён только с одним другим атомом углерода, как в этаноле CH₃CH₂OH. Во вторичном он связан с двумя углеродными атомами, как в пропан-2-оле. В третичном спирте таких соседей три. Эта классификация нужна прежде всего для реакций окисления: первичные и вторичные спирты окисляются по-разному, а третичные в мягких условиях обычно не реагируют.

Физические свойства

Связь O-H в гидроксильной группе полярна: кислород сильнее притягивает общую электронную пару, чем водород. Поэтому молекулы спиртов притягиваются друг к другу водородными связями. На их разрыв требуется энергия, и температуры кипения спиртов выше, чем у углеводородов с близкой молекулярной массой. Этанол кипит при 78,3 °C, тогда как этан при обычных условиях является газом.

Метанол, этанол и пропанолы представляют собой бесцветные жидкости, хорошо смешивающиеся с водой. По мере удлинения углеводородной цепи неполярная часть молекулы начинает преобладать, и растворимость уменьшается. Бутанол уже растворяется ограниченно, а высшие одноатомные спирты в воде почти не растворимы. Для многоатомных спиртов картина иная: этиленгликоль и глицерин вязкие жидкости, легко смешивающиеся с водой благодаря нескольким группам -OH.

Химические свойства

Активный водород гидроксильной группы способен замещаться металлом. Этанол реагирует с натрием с образованием этилата натрия и водорода: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑. Реакция идёт заметно спокойнее, чем взаимодействие натрия с водой, но проводить её можно только с небольшими количествами вещества и без открытого огня. Выделение газа служит признаком протекания реакции.

При нагревании спиртов в присутствии концентрированной серной кислоты возможны два направления превращения. При 140 °C две молекулы этанола отщепляют воду и образуют простой эфир: 2C₂H₅OH → C₂H₅OC₂H₅ + H₂O. При более высокой температуре, около 170 °C, вода отщепляется от одной молекулы и получается этилен: C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O. В обоих случаях серная кислота выполняет роль катализатора и водоотнимающего средства.

Спирты способны окисляться. Первичный этанол сначала превращается в этаналь, а затем в уксусную кислоту: CH₃CH₂OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O. Если нагревать этанол с оксидом меди(II), чёрный оксид восстанавливается до красной меди. В лабораторном опыте это изменение цвета подтверждает окисление спирта. Вторичный пропанол при окислении образует кетон, пропанон, а у первичного спирта на первом этапе получается альдегид.

Получение и применение

В промышленности этанол получают гидратацией этилена. К двойной связи присоединяется вода: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH. Процесс проводят при повышенных температуре и давлении в присутствии кислотного катализатора. Для пищевого и медицинского этанола используют и брожение растворов сахаров. Упрощённое уравнение спиртового брожения глюкозы: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂↑.

Метанол применяют как растворитель и сырьё для органического синтеза, но он очень ядовит. Этанол используют в антисептиках, парфюмерии, фармацевтике и как компонент топлива. Этиленгликоль входит в состав антифризов, а глицерин удерживает влагу в кремах, лекарственных формах и пищевых продуктах. При работе со спиртами нельзя ориентироваться только на внешний вид: многие из них прозрачны, а опасность вещества определяется составом и концентрацией.

• Спирты содержат одну или несколько гидроксильных групп -OH.
• Для предельных одноатомных спиртов характерна формула C_nH_2n+1OH.
• Водородные связи объясняют высокие температуры кипения и растворимость низших спиртов в воде.
• Спирты реагируют с натрием, окисляются и при нагревании могут отщеплять воду.