Лекція № 9

Тема: Кисневовмістні органічні сполуки. Спирти, альдегіди, кетони.

Мета: Вивчити властивості одноатомних та багатоатомних спиртів, їх будову, добування та застосування. Навчитися складати структурні формули спиртів та назви їх по замістниковій номенклатурі, а також формули ізомерів. Вивчити властивості альдегідів і кетонів, їх добування та застосування. Навчитися складати формули ізомерів альдегідів та кетонів та називати їх по номенклатурі ІЮПАК.

План:

1. Номенклатура і ізомерія спиртів.

2. Властивості спиртів.

3. Добування та застосування спиртів.

4. Будова, номенклатура, ізомерія альдегідів.

5. Властивості і добування альдегідів.

6. Номенклатура, ізомерія кетонів.

7. Властивості і будова кетонів.

Література.

1. Хомченко І.Г., Загальна хімія., К.: Вища школа, 1993. С. 329 – 342.

Спирти і феноли – це органічні речовини, молекули яких містять гідроксильні групи , сполучені з вуглеводневим радикалами. Загальна назва спиртів і фенолів –гідроксильні сполуки.

Відмінність спиртів і фенолів полягає в тому, що у фенолах гідроксильні групи сполучені безпосередньо з бензольним ядром. Приклади спиртів і фенолів:

Спирти: Феноли:

СН₃-СН₂ОН С₆Н₅ОН

Залежно від числа гідроксильних груп, що містяться в молекулі, розрізняють одноатомні, двохатомні, трьохатомні спирти:

СН₃ – СН₂ – СН₂; СН₂ – СН – СН₂; СН₂ – СН – СН₂

│ │ │ │ │ │

ОН ОН ОН ОН ОН ОН

Одноатомний спирт Двохатомний спирт Трьохатомний спирт

Спирти поділяються також на первинні, в яких гідроксильна група сполучена з первинним вуглецевим атомом, вторинні – група приєднана до вторинного атома вуглецю ітретинні – група знаходиться біля третинного атома вуглецю. Приклади таких спиртів: СН₃

│

СН₃ – СН₂; СН₃ – СН – СН₃; Н₃С – С – СН₃

│ │ │

ОН ОН ОН

Первинний спирт Втроринний спирт Третинний спирт

До простих ефірів належать сполуки, в яких атом кисню сполучений з двома вуглецевими радикалами, наприклад .

Номенклатура. За міжнародною номенклатурою назви спиртів утворюють від назв відповідних алканів з додаванням закінчення –ол. Після закінчення зазнають номер вуглецевого атома, біля якого знаходиться гідроксильна група. Нумерацію вуглецевих атомів починають з того кінця ланцюга, до якого ближче розташована гідроксильна група. У назви двохатомних та інших багатоатомних спиртів перед закінченням –ол додають префікс ди- (ді-), три- і т.д. залежно від кількості груп, а потім зазнають положення всіх груп. Приклади:

3 2 1 1 2 3

СН₃ – СН₂ – СН₂ – ОН; СН₂ – СН – СН₂

Пропанол-1 │ │ │

ОН ОН ОН

Прпантріол-1,2,3

1 2 3 4 5

СН₃ – СН – СН – СН – СН₃

│ │ │

ОН ОН СН₃

4-Метилпентандіол-2,3

Для деяких спиртів поширені назви за раціональною номенклатурою. Ці назви утворюють з назви радикала і слова “спирт”, наприклад: – метиловий спирт,– етиловий спирт,– ізопропіловий спирт.

Ізомерія. Ізомерія спиртів пов’язана як з розгалуженням вуглецевого ланцюга, так і з різним положенням гідроксильної групи. Наприклад, бутанол може мати такі ізомери:

4 3 2 1 4 3 2 1

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₂; СН₃ – СН₂ – СН – СН₃;

│ │

ОН ОН

Бутанол-1 Бутанол-2

СН₃

│

3 2 1 3 2 1

СН₃ – СН – СН₂; Н₃С – С – СН₃

│ │ │

СН₃ ОН ОН

2-Метилпропанол-1 2-Метилпропанол-2

Наведені ізомери різняться властивостями, наприклад, температурами кипіння, які дорівнюють 117,3(бута-нол-1); 99,5(бутанол-2); 108,4(2-метилпропанол-1); 82,5(2-метилпропанол-2).

Насичені одноатомні спирти

До насичених одноатомних спиртів належать аліфатичні спирти, молекули яких містять одну гідроксильну групу, сполучену з алкільним радикалом.

Гомологічний ряд. Члени гомологічного ряду насичених одноатомних спиртів мають загальну формулу , де n=1, 2, 3, 4. Першими членами цього ряду є – метанол,– етанол,– пропаном,– бутанол.

Властивості. За звичайних умов насичені одноатомні спирти з нормальною будовою ланцюга, що містять від 1 до 11 атомів вуглецю, - це безбарвні рідини. Зі збільшенням молекулярної маси спиртів їх розчинність у воді зменшується: метанол, етанол і пропаном змішуються з водою в будь-яких співвідношеннях, бутанол та інші різкі за звичайних умов спирти розчиняються у воді мало, а вищі спирти практично не розчиняються у воді.

Спирти мають досить високі температури кипіння. Це пов’язано з асоціацією їх молекул, яка відбувається так само, як і асоціація молекул води, за рахунок утворення водневих зв’язків між молекулами ROH (R – вуглеводневий радикал):

R R R

│ │ │

O – H O – H…. O – H

Хімічні властивості спиртів зумовлені переважно наявністю гідроксильної групи в молекулі.

1. Взаємодія з лужними металами. Під дією лужних металів на спирти утворюються алкоголяти:

2C₂H₅ – OH + 2Na → 2C₂H₅ – ONa + H₂

Етилат натрію

Ця реакція відбувається з розривом зв’язку у гідроксильній групі.

2. Взаємодія з галогеноводнями та іншими галогеновмісними речовинами. Під дією галогеноводнів або хлоридів фосфору на насичені одноатомні спирти відбувається заміщення групи ОН у спиртах на галогени, наприклад:

С₂H₅OH + HBr → C₂H₅Br + H₂O

Ця реакція за участю гідроксильної групи відбувається з розривом зв’язку С-О.

3. Дегідратація. При наявності фосфорної або концентрованої сірчаної кислоти при нагріванні від спиртів відщеплюється вода і утворюються ненасичені вуглеводні, наприклад:

CH₃ – CH(OH) – CH₃ CH₃ – CH═CH₂ + H₂O

4. Взаємодія з кисневмісними кислотами. Спирти реагують з кислотами, утворюючи складні ефіри. Наприклад, під час взаємодії етанолу з азотною кислотою утворюється складний ефір азотної кислоти – метилнітрат:

CH₃OH + HNO₃ → CH₃ – O – NO₂ + H₂O

Складні ефіри утворюються також при взаємодії спиртів з органічними кислотами.

5. Окислення. Під час спалювання спиртів (окислення киснем повітря) утворюються оксид вуглецю (IV) і вода:

2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O

При каталітичному окисленні киснем повітря, окислені перманганатом калію, дихроматом калію при наявності сірчаної кислоти утворюються альдегіди і кетони, наприклад:

CH₃ – CH₂OH + [O] →CH₃ – COH + H₂O

Етанол Ацетальдегід

O

││

СН₃ – CH(OH) – CH₃ + [O] →CH₃ – C – CH₃ + H₂O

Пропанол 2 Ацетон

Третинні спирти більш стійкі до окислення. Тільки під дією сильних окиснювачів вони можуть окислюватися з розщепленням вуглецевого ланцюга.

6. Дегідрування. Під час каталітичного дегідрування первинних спиртів утворюються альдегіди, вторинні спирти – кетони:

СН₃ – СН₂ – СНОН →СН₃ – СН₂ – СОН + Н₂

Первинний спирт Альдегід

СН₃ – СН(ОН) – СН₃ → CH₃ – CО – CH₃ + Н₂

Вторинний спмрт Кетон

Каталізатором дегідрування спиртів звичайно є мідь (температура 300).

Добування. Насичені спирти можна добути гідролізом галогенопохідних відповідних алканів водним розчином лугу, наприклад:

С₄Н₉Br + H₂O C₄H₉OH + HBr

Бромбутан Бутанол

Спирти утворюються також при гідратації алкенів:

СН₃ – СН ═СН₂ + H₂O →СН₃ – СН – СН₃

Пропілен │

ОН

Пропанол 2

Спирти можна добути відновленням інших кисневмісних сполук – альдегідів і кетонів.

Насичені багатоатомні спирти

Багатоатомні спирти містять у молекулі кілька гідроксильних груп. Двохатомні спирти називають діолами, або гліколями. Назви двохатомних спиртів за міжнародною номенклатурою складають з назви відповідного алкану з додаванням закінчення –діол і цифр, які означають положення гідроксильної групи в ланцюгу.

Трьохатомні спирти називать тріодами, або гліцеринами. Їх назви будують аналогічно до назв двохатомних спиртів, аале з додаванням закінчення –тріол.

Найпростіші представники двох- і трьохатомних спиртів:

НО – СН₂ – СН₂ – ОН; СН₂ – СН – СН₂

Етандіол -1,2, або етиленгліколь │ │ │

ОН ОН ОН

Пропантріол -1,2,3, або гліцерин

Властивості. Хімічні властивості багатоатомних спиртів багато в чому подібні до властивостей одноатомних спиртів. При цьому в реакціях може брати участь як одна, так і дві і більше гідроксильних груп.

Взаємодія з гідроксидом міді (ІІ). Ця реакція характерна тільки для багатоатомних спиртів. Осад гідроксиду міді(ІІ) розчиняється в етиленгліколі та гліцерині з утворенням розчину яскраво-синього кольору:

Сu(OH)₂ + 2CH₂OH – CH₂OH→+ H₂O;

Гліколят міді (ІІ)

Сu(OH)₂ + 2CH₂OH – CHOH – CH₂OH→

Гліцерат міді (ІІ)

Добування і застосування етиленгліколю і гліцерину. Етиленгліколь добувають у промисловості гідратацією (приєднання води) етиленоксиду:

Як і одноатомні спирти, етиленгліколь можна добути гідролізом галогенопохідних алканів водним розчином лугів. Для цієї реакції необхідні 1,2-дигалогенопохідні етану:

СН₂Сl—СН₂С1+2Н₂О СН₂ОН—СН₂ОН+2НСl

1 2-Дихлоретан

Етиленгліколь утворюється під час пропускання етилену крізь розчин перманганату калію, при цьому відбуваються окислення і гідратація етилену:

СН₂=СН₂+ [0] +Н₂0 → СН₂ОН—СН₂ОН

Гліцерин добувають синтетично з пропілену.за такою схемою:

CH₂═CH – CH₃ CH₂═CH – CH₂OH

Пропілен Аліловий спирт

→ CH₂OH – CHOH - CH₂OH

Гліцерин входить до складу природних сполук - жирів рослинного і тваринного походження - і може бути виділений з них.

Етиленгліколь і гліцерин використовуються в промисловому органічному синтезі. Гліцерин застосовують для виробництва мастил, як зм'якшувач шкіри і тканин, у парфюмерній, фармацевтичній і харчовій промисловості.

Водні розчини етиленгліколю і гліцерину замерзають при низьких температурах, тому їх використовують як антифризи - рідини з низькою температурою замерзання, які застосовуються для охолодження двигунів внутрішнього згоряння.

Гліцерин.

Єдиний практично важливий представник трьохатомного спирту. Сиропоподібна солодка рідина, без кольору, добре розчинна у воді. Водні розчини гліцерину замерзають при низькій температурі.

Гліцерин широко розповсюджений у природі, є основним спиртом, приймає участь у будові молекул різних груп ліпідів. У промисловості гліцерин добувають гідролізом ацилгліцеринів

Гліцерин широко використовується в багатьох галузях промисловості. Основна його кількість розходується для добування похідних - гліфталевих смол, нітрогліцерину.

У харчовій промисловості гліцерин використовують для приготування лікерів та безалкогольних напоїв, у паперовій та шкіряній промисловості - для збереження матеріалів від висихання. Він входить до складу багатьох косметичних препаратів і широко використовується як пом'ягчуюча шкіру речовина

Карбонільні сполуки містять у молекулі карбонільну групу .Карбонільні сполуки поділяють на альдегіди і кетони.

Альдегіди. У молекулах альдегідів карбонільна група сполучена з вуглеводневим радикалом і атомом водню (або з двома атомами водню), тобто загальна формула цих сполук R – COH.

Номенклатура. Назви альдегідів за замісниковою номенклатурою згідно з правилами IUРАК будують з назви відповідного вуглеводню з додаванням закінчення -аль. Перед коренем назви записують бічні замісники, зазначаючи їх положення і кількість. Нумерацію атомів вуглецю починають з вуглецевого атома карбонільної групи. Приклади:

4 3 2 1 5 4 3 2 1

СН₂—СН₂—СН₂—СOH; СН₃—СН—СН—СН₂—СOH;

Бутаналь │ │

СН₃ СН₃

3,4 Диметилпентаналь

Для альдегідів широко використовують тривіальні назви, які аналогічні назвам відповідних органічних кислот. У табл. наведено назви за замісниковою номенклатурою та тривіальні назви деяких насичених альдегідів.

		Назва
Формула
	За замісниковою	Тривіальна
	Номенклатурою
НСНО	Метаналь	Формальдегід, мураши
		ний альдегід
СН3—СНО	Етаналь	Адетальдегід, оцтовий Альдегід
СН3—СН2 —СНО	Пропаналь	Пропіоновий альдегід
СН3—СН2 —СН2 —СНО	Бутаналь	Масляний альдегід
СН3—СН(СН3)—СНО	2-Метил пропаналь	Ізомасляний альдегід
СН3—(СН2)3—СНО	Пентаналь	Валеріановий альдегід
СН3—СН(СН3)—СН2-СНО	3 Метил бутаналь	Ізовалеріановий альдегід
СН3—С(СН3)2-СНО	2,2-Диметил-	Триметилоцтоєий альдегід
	пропаналь

Властивості. Перший член гомологічного ряду насичених альдегідів НСНО — безбарвний газ, кілька наступних альдегідів - рідини. Вищі альдегіди - тверді речовини.

Хімічні властивості альдегідів.

1. Реакції приєднання. Альдегіди легко приєднують ціановодень НСN і гідросульфіт натрію NаНSО₃:

CN

│

CH₃COH + HCN → CH₃ – C – OH

│

H

OH

│

CH₃COH + NаНSО₃ → CH₃ – C – SО₃Na

│

H

Продукти приєднання NaНSО₃ - кристалічні речовини, розчинні у воді. При нагріванні з кислотами вони розпадаються з утворенням вихідного альдегіду. Тому останню реакцію використовують для очистки альдегідів.

При наявності нікелевих або платинових каталізаторів альдегіди приєднують водень і відновлюються до первинних спиртів, наприклад:

СН₃—СН₂—СOH + H₂ → СН₃—СН₂—СН₂ОН

Приєднуючи спирти, альдегіди утворюють сполуки, що мають назву ацетaлів. Реакція відбувається при наявності кислот:

OC₂H₅

│

СН₃—СН₂—СOH + 2C₂H₅OH СН₃—СН₂—СH + H₂O

│

OC₂H₅

Ацеталі - це прості ефіри двохатомного спирту. Вони легко гідролізуються з утворенням вихідних речовин.

2. Окислення. Під час окислення альдегідів, яке відбувається дуже легко, утворюються органічні кислоти або їхні солі. Наприклад, під час окислення оцтового альдегіду утворюється оцтова кислота:

СН₃COH + [О] → СН₃ - СООН

Якісною реакцією на альдегіди є реакція срібного дзеркала - окислення їх аміачним розчином оксиду срібла при нагріванні:

СН₃—СН₂—СOH +2[Аg(NН₃)₂]ОН →

O

║

СН₃—СН₂—С—ONH₄ + 2Ag + 3NH₃ + H₂O

Металічне срібло, яке виділяється, вкриває стінки посудини тонким блискучим шаром.

Альдегіди окислюються також гідроксидом міді (II), який відновлюється до червоно-коричневого оксиду міді (І):

СН₃—СH₂—СOH + 2Сu(ОН)₂ → СН₃—СH₂—СOOH +Сu₂О+2Н₂О.

3. Взаємодія з галогенами. Як уже зазначалось, атом водню біля другого вуглецевого атома вуглеводневого ланцюга альдегідів має підвищену рухливість. Під час взаємодії альдегідів з хлором чи бромом цей водневий атом легко заміщується на галоген, наприклад:

СН₃—СН₂—СOH + Вr₂ → СН₃—СНВr—СOH + НВr.

Добування. 1.Альдегіди утворюються під час окислення або каталітичного дегідрування (відщеплення водню) первинних спиртів:

СН₃—СН₂—СН₂ОН + [O] → СН₃—СН₂—СOH + Н₂О

Пропанол 1 Пропаналь

Каталітичне дегідрування спирта відбувається при наявності металічної міді.

2.Альдегіди можна добути гідролізом дигалогенопохідних алканів, наприклад:

CH₃ – CHBr₂ + H₂O → CH₃COH + 2HBr

3. Альдегіди утворюються під час взаємодії алкенів з оксидом вуглецю (II) і воднем 9(оксосинтез):

СН₂=СН₂ + СО + Н₂ → СН₃—CH₂COH

Оксосинтез відбувається при наявності каталізаторів - комплексних сполук кобальту під тиском 5-10 МПа.

Кетони

У молекулах кетонів карбонільна група сполучена з двома однаковими або різними вуглеводневими радикалами . Найпростішим кетоном є ацетон

CH₃CH₃

Номенклатура. Згідно з міжнародною номенклатурою назви кетонів будують з назв відповідного вуглеводню з додаванням закінчення -он. У кінці назви ставлять цифру, що зазначає положення в ланцюгу атома вуглецю, з яким сполучений карбонільний кисень. Нумерацію головного ланцюга починають, як завжди, з найбільш розгалуженого кінця вуглецевого ланцюга. Якщо розгалуженість однакова, то нумерують з того кінця ланцюга, до якого ближче розташована карбонільна група. Назви кетонів за раціональною номенклатурою будують з назв радикалів, сполучених з карбонільною групою з додаванням слова «кетон». При­клади:

1 2 3 4 5

СН₃—С—СН₂—СН₂—СН₃

║

O Пентанон 2 (метилпропілкетон)

Для деяких кетонів поширені тривіальні назви, наприклад ацетон.

Ізомерія. Ізомерія кетонів зумовлена розгалуженістю вуглецевого ланцюга і різним положенням карбонільного кисню. Розглянемо як приклад ізомери кетону С₅Н₁₀О. Для цього кетону можливі два ізомерних кетони, що містять п'ять вуглецевих атомів у головному ланцюгу і один ізомерний кетон з головним ланцюгом з чотирьох атомів вуглецю:

1 2 3 4 5

СН₃— СН₂— С —СН₂—СН₃

║

О Пентанон 3

Властивості. Простіші кетони є безбарвними рідинами, які розчиняються у воді. Вищі кетони — тверді речовини. Багато хімічних властивостей, характерних для альдегідів, виявляються і у кетонів.

1. Реакції приєднання. Так само, як і альдегіди, кетони приєднують речовини, що містять нуклеофільні частинки, наприклад ціановодень і гідросульфіт натрію:

CN

│

CH₃ – C – CH₃ + HCN → CH₃ – C – CH₃

║ │

O OH

Гідрування кетонів при наявності каталізаторів приводить до утворення вторинних спиртів:

CH₃ – C – CH₃ + H₂ CH₃ – CHOH – CH₃

║

O

На відміну від альдегідів кетони не взаємодіють із спиртами, не вступають у реакції конденсації і полімеризації.

2. Окислення. Кетони окислюються значно важче, ніж альдегіди, і тільки сильними окислювачами. Під час окислення кетонів відбувається розрив (деструкція) вуглецевого ланцюга і утворюється суміш продуктів. Кетони не вступають у реакцію срібного дзеркала.

Добування. 1. Кетони утворюються під час окислення або каталітичного дегідрування вторинних спиртів, наприклад:

СН₃-СНОН-СН₃ + [О] → СН₃-С-СН₃ + Н₂О

║

O

Каталітичне дегідрування проводять з використанням мідних каталізаторів.

2. Як і альдегіди, кетони можна добути гідролізом дигалогенопохідних алканів. Щоб утворився кетон, обидва атоми галогену у вихідній сполуці повинні знаходитись біля одного (не кінцевого) атома вуглецю:

3. Кетони утворюються внаслідок приєднання води до гомологів ацетилену при наявності каталізаторів — солей ртуті (II).