17.2. Физико-химические свойства спиртов и фенолов

Алканолы и фенолы являются полярными соединениями.

Они содержат две полярные связи причем полярность связи О—Н значительно выше. Высокая полярность связи О—Н и наличие неподеленных электронных пар у атома кислорода способствуют образованию спиртами и фенолами меж­молекулярных водородных связей и формированию за счет них достаточно прочных межмолекулярных ассоциатов:

При разрушении этих ассоциатов необходимо затратить энер­гию для разрыва водородных связей.

Вследствие наличия межмолекулярных водородных связей простейшие спирты - метанол, этанол - имеют сравнительно высокие температуры кипения (65 и 78 °С соответственно), а фенол - твердое вещество (Т_ПЛ = 41 °С). По этой же причине простейшие и многоатомные спирты хорошо растворимы в во­де. Однако по мере увеличения углеводородного радикала гидрофобность молекул возрастает, поэтому растворимость спирта в воде понижается, зато повышается его липидная раствори­мость. Фенол при температуре 20 °С в воде растворим мало, но с увеличением температуры его растворимость возрастает и свыше 65 °С наступает неограниченная взаимная растворимость фенола и воды.

Способность этанола и фенола образовывать водородные связи лежит в основе их антисептических свойств, которые используются в биологии, медицине и ветеринарии. Эти свой­ства в основном обусловлены способностью данных веществ разрушать гидратную оболочку вокруг белков за счет разрыва существующих и образования новых водородных связей с протоно- и электронодонорными группами белков. В результате происходит денатурация белков, т. е. изменение их пространст­венной структуры и потеря биологической функции (разд. 11.4 и 20.3). Растворы воды в спирте (от 75 % спирта) и водные растворы фенола могут вызвать даже ожоги тканей. Денату­рация белков под действием разбавленных водных растворов спирта обычно носит обратимый характер, а действие водных растворов фенола приводит к необратимой денатурации бел­ков. Поэтому разбавленные водные растворы фенола (до 1 %) используются в биологии, медицине и ветеринарии для дезин­фекции и называются карболовой кислотой. Фенол - не луч­ший антисептик, так как его растворы могут вызвать трудно заживающие ожоги тканей, а пары его токсичны. В настоя­щее время в качестве антисептика в медицине используются 2,4,6-трихлорфенол и лизол - слабощелочной раствор смеси о-, м- и п-метилфенолов (крезолов), выделяемых из каменноуголь­ной смолы. Для предохранения древесины от гниения ее про­питывают каменноугольной смолой, богатой фенолом и крезо-лами, или пентахлорфенолом.

17.3. Химические свойства спиртов

Химические свойства спиртов обусловлены в основном на­личием в их молекулах полярных связей и соот­ветственно довольно жесткого нуклеофильного центра на атоме кислорода и двух электрофильных центров: жесткого на водо­родном атоме гидроксильной группы и мягкого на углеродном атоме, связанном с гидроксильной группой:

Кислотно-основные свойства. Одноатомные спирты прояв­ляют настолько слабые кислотные свойства, что содержание протонов в их водных растворах практически не изменяется. Только в концентрированных спиртовых растворах щелочей (с(КОН) > 20 %) происходит незначительная ионизация спир­тов с образованием алкоголят-аниона:

О днако при действии на спирты щелочных металлов происхо­дит необратимое замещение катионов водорода спирта на ка­тионы металла с образованием алкоголятов и свободного водо­рода:

Эта реакция идет значительно медленнее, чем реакция натрия с водой.

Кислотные свойства спиртов уменьшаются при наличии в молекуле вблизи гидроксильной группы электронодонорных заместителей, например алкильных групп. Так, третичные спирты проявляют наиболее слабые кислотные свойства (для (СН₃)3СОН рК_а = 19,2). Противоположное действие оказывают электроноакцепторные заместители, которые, уменьшая элек­тронную плотность на атоме кислорода, увеличивают кислот­ность спиртов и фенолов, т. е. значение их рK_а уменьшается:

Р езкое усиление кислотных свойств 2,4,6-тринитрофенола (пикри­новой кислоты) обусловлено не только согласованным действием электроноакцепторных нитрогрупп, но и стабилизацией его аниона за счет эффективной делокализации отрицательного заряда.

Наряду с кислотными свойствами спирты за счет неподеленной электронной пары на кислородном атоме могут также проявлять очень слабые основные свойства, образуя алкилоксо-ниевый катион по донорно-акцепторному механизму:

Образование алкилоксониевого катиона спиртов в заметных ко­личествах возможно только в достаточно концентрированных растворах сильных кислот (c(H2S0₄) > 25 % ).

Таким образом, спирты, хотя и проявляют амфотерность, но и кислотные, и основные их свойства чрезвычайно слабы. Од­нако во многих реакциях спирты на начальной стадии ведут себя как кислоты, или как основания, или как амфолиты. При этом происходит гетеролитический разрыв полярных связей или R—ОН, или RO-H.

Химические реакции, в которые вступают спирты, можно разделить на три группы:

• реакции, сопровождающиеся только замещением атома водорода гидроксильной группы, т. е. с разрывом связи RO—Н;

• реакции, сопровождающиеся замещением или отщеплени­ем гидроксильной группы, т. е. с разрывом связи R—ОН;

• окислительно-восстановительные реакции, в которых од­новременно могут принимать участие электроны RO—Н и R—ОН связей гидроксильной группы, а также связи С—Н и С—С сосед­них с ней групп.

Реакции, сопровождаемые разрывом связи RO—Н. В этих реакциях молекула спирта, отдавая катион водорода, выступает как кислота, хотя и очень слабая. Однако все спирты способны при взаимодействии со щелочным металлом замещать свой ка­тион водорода на катион щелочного металла:

Многоатомные спирты, как более сильные кислоты, к тому же способные образовывать устойчивые комплексные соедине­ния - хелаты, реагируют в щелочной среде с гидроксидами d-металлов:

Реакция с Си(ОН)2 сопровождается появлением интенсивной си­ней окраски, поэтому она используется как качественная реак­ция на многоатомные спирты.

Этерификация. Спирты реагируют с кислородсодержащи­ми кислотами с образованием соответствующего сложного эфира и воды, т. е. новых устойчивых соединений. Эта реакция назы­вается этерификацией. Спирты вступают в реакцию этерификации с органическими кислотами в присутствии каталитических количеств сильных минеральных кислот, а также непосредст­венно с минеральными кислотами (HNO3, H2SO4, Н3РО4):

Первой стадией реакции этерификации является превращение карбоновой кислоты в активную электрофильную частицу. Это происходит в результате присоединения протона добавленной сильной кислоты к карбонильному атому кислорода карбоновой кислоты с образованием дигидроксикарбкатиона - активного электрофила:

В дальнейшем происходит атака электрофилом нуклеофильного центра на атоме кислорода молекулы спирта с образованием сложного эфира и отщеплением молекулы воды и протона:

Реакция этерификации обратима, так как вода в присутст­вии кислот или щелочей разлагает сложные эфиры на исход­ные вещества. Такой гидролитический распад сложных эфиров называется гидролизом в случае кислой среды или омылением в случае щелочной среды.

Особенностью реакций этерификации, происходящих в орга­низме, где содержание воды превышает 50 %, заключается в том, что они протекают в субстрат-ферментном комплексе. В этом комплексе вокруг реакционного центра, за счет определенной конформации белка фермента, располагаются в основном его не­полярные фрагменты, что способствует удалению воды из зоны реакции в результате гидрофобных взаимодействий и благопри­ятствует этерификации субстрата.

Этерификация спиртов под действием концентрированной азотной кислоты приводит к образованию алкилнитратов RONO2. Так, из глицерина образуется тринитрат глицерина - чувст­вительное и мощное взрывчатое вещество. В медицинской практике оно используется в небольших дозах как сосудорас­ширяющий препарат под неправильным названием "нитрогли­церин" (общая формула нитросоединений R—N0₂, a R—ONO2 -общая формула нитратов):

При этерификации спиртов концентрированной серной ки­слотой образуются алкилсерные кислоты ROSO3H:

Эта реакция используется для получения эффективных поверх­ностно-активных веществ алкилсульфатов ROSO3Na - произ­водных прямоцепочечных спиртов (R = С10-С18), используемых для приготовления синтетических моющих средств (разд. 26.6, 27.3.3).

Этерификация различных спиртов фосфорной кислотой иг­рает важную биологическую роль, так как образующиеся алкил фосфорные кислоты R0P0(0H)2 и диалкилфосфорные кислоты. (R0)2P0(0H) - важные компоненты многих метаболических про­цессов и сами являются важными метаболитами: АТФ, нуклеи­новые кислоты, фосфолипиды.

Поскольку при этерификации спиртов карбоновыми кислота­ми происходит формальное замещение водородного атома гидроксильной группы на ацильную группу, то этот процесс часто на­зывается реакцией ацилирования, а в случае этерификации ук­сусной кислотой, когда вводится группа - реакцией ацетилирования. Эти термины широко используются при описа­нии биохимических процессов наряду с общим термином "этерификация" (разд. 19.2.2).

Реакции, сопровождаемые разрывом связи R—OH. Гидроксильная группа спирта может атаковаться жестким электрофилом реагента (Н⁺) по жесткому нуклеофильному центру - атому кислорода. При этом образуется промежуточный оксониевый комплекс, т. е. спирт выступает как основание. Оксониевый комплекс неустойчив и, отщепляя воду, превращается в алкильный карбкатион, который активно взаимодействует с нуклеофильной частицей реагента. В результате происходит реакция нуклеофильного замещения гидроксильной группы спирта. На­пример, под действием НВг или лучше HI (сильные кислоты) происходит замещение гидроксильной группы спирта на галогенид-анион:

Эта реакция лучше всего протекает с третичными спиртами, так как они более сильные основания и их карбкатион наиболее устойчив. Если не удалять воду, то реакция спирта с галогено-водородом обратима, особенно в случае НСl. Поэтому реакцию ведут в присутствии водоотнимающего средства (H2SO4 (конц)) или используют галогенангидриды РСl₅, РВr₅, РОСl₃, РС1₃, Р1з, SOCI2, которые даже при следовых количествах воды, связывая ее, являются источником безводных галогеноводородов.

М ежмолекулярная дегидратация спиртов. Безводные спирты при нагревании (Т < 140 °С) в присутствии небольших количеств H2SO4 (конц) подвергаются межмолеку­лярной дегидратации с образованием простых диалкиловых эфиров:

В этом случае молекулы спирта выступают как амфолит, так как одна молекула спирта, которая присоединила протон с об­разованием оксониевого иона, выступает как основание, а дру­гая молекула спирта, реагируя с алкильным карбкатионом и отщепляя протон, выступает как кислота.

Межмолекулярная дегидратация первичных алканолов идет с хорошим выходом. В случае вторичных и особенно третичных алканолов лучше протекает их внутримолекулярная дегидрата­ция с образованием алкенов. Подобная реакция происходит и с первичными спиртами, но при избытке кислоты и температуре более 180 °С. В отличие от межмолекулярной, внутримолеку­лярная дегидратация спиртов с образованием алкенов является окислительно-восстановительной реакцией.

Окислительно-восстановительные реакции спиртов. Сопос­тавим реакции дегидратации спиртов, протекающие межмолекулярно (А) и внутримолекулярно (Б), с позиции изменения степеней окисления углеродных атомов спирта:

Как видно из этой схемы, внутримолекулярная дегидратация спирта сопровождается изменением степеней окисления углерод­ных атомов и является реакцией самоокисления-самовосстанов­ления (дисмутации) за счет атомов углерода. Проанализируем окислительно-восстановительные превращения первичных, вто­ричных и третичных карбкатионов:

Из приведенных схем видно, что самоокисление-самовосстанов­ление наиболее вероятно в карбкатионе с третичным углерод­ным атомом, так как у него наибольшая степень окисления +1. Это полностью согласуется с известным фактом, что внутримолекулярная дегидратация легче всего происходит у третичных спиртов. Использование степеней окисления углеродных атомов в молекулах спиртов позволяет объяснить с новой позиции пра­вило Зайцева:

При внутримолекулярной дегидратации спиртов преиму­щественное отщепление протона происходит от сосед­него наименее гидрогенизированного углеродного атома

Среди ближайших к реакционному центру углеродных атомов наименее гидрогенизированный всегда имеет наибольшую сте­пень окисления и соответственно максимальную протонодонорную способность, что и отражает правило Зайцева.

В организме реакция дегидратации спиртов происходит под действием ферментов в субстрат-ферментном комплексе, где от­щеплению воды способствуют гидрофобные взаимодействия с неполярными фрагментами белков в области реакционного цен­тра. При катализе обратной реакции - гидратации белок фер­мента так изменяет свою конформацию, что в области реакци­онного центра повышается содержание полярных фрагментов, что способствует обогащению центра молекулами воды и проте­канию реакции гидратации. Реакции гидратации и дегидрата­ции постоянно имеют место при распаде и синтезе углеводов и высших жирных кислот и играют большую роль в жизнедея­тельности организмов.

Дегидрирование спиртов. При пропускании паров спирта при 200-300°С над мелко раздробленным металлом: Си, Ag, Pt, Pd - происходит выделение свободного водорода - дегид­рирование, первичные спирты окисляются в альдегиды, а вто­ричные - в кетоны:

Реакция дегидрирования является реакцией внутримолеку­лярного окисления углеродного атома и вое становления водородных атомов Причем передача электронов, по-видимому, происходит через металл-катали­затор, выполняющий роль посредника в этом процессе. Третичные спирты дегидрированию не подвергаются ввиду отсутствия в их молекулах водородного атома при атоме углерода, связанном с гидроксильной группой.

В организме дегидрирование спиртов происходит под действи­ем дегидрогеназ с соответствующими коферментами, но свободный водород при этом не выделяется (разд. 9.3.5):

Это связано с тем, что два электрона от а-углеродного атома спирта переходят к углеродным атомам НАД⁺, а не атомам во­дорода молекулы спирта. Атом водорода —О—Н-группы спирта уходит в виде Н⁺ во внутриклеточную жидкость, а атом водо­рода при а-углеродном атоме непосредственно переходит к ато­му углерода в образующейся молекуле НАД(Н) (разд. 9.3.3).

Окисление спиртов. Частичное окисление спиртов КМn0₄ или К₂Сг20₇ в кислой среде приводит в случае первичных спир­тов к альдегидам, а вторичных спиртов - к кетонам:

Поскольку альдегиды в отличие от кетонов легко окисляются в соответствующие карбоновые кислоты, то частичное окисление первичного спирта часто происходит до карбоновой кислоты.

Частичное окисление третичного спирта требует более же­стких условий и происходит с разрывом межуглеродных свя­зей, ближайших к гидроксигруппе, с образованием карбоновой кислоты и кетона:

П ри горении происходит полное окисление спиртов с обра­зованием оксида углерода(4) и воды: