Насичені одноатомні спирти

Насичені одноатомні ациклічні спирти — це органічні сполуки, що містять одну гідроксильну групу —OH, зв'язану з насиченим (sp³-гібридизованим) атомом Карбону. Їхня загальна формула CₙH₂ₙ₊₁OH, де n ≥ 1. Найпростіші представники — метанол CH₃OH та етанол C₂H₅OH.

Номенклатура спиртів

За систематичною номенклатурою IUPAC назву спирту утворюють додаванням суфікса «-ол» до назви вуглеводневого ланцюга. Головний ланцюг обов'язково містить атом Карбону, до якого приєднана гідроксильна група. Нумерацію ланцюга починають з того кінця, до якого група OH розташована ближче. Наприклад: CH₃OH — метанол, C₂H₅OH — етанол, CH₃CH₂CH₂OH — пропан-1-ол, CH₃CH(OH)CH₃ — пропан-2-ол.

Ізомерія спиртів

Для насичених одноатомних спиртів характерні два типи ізомерії:

• ізомерія положення гідроксильної групи — однакова вуглецева будова, але OH міститься біля різних атомів Карбону (наприклад, пропан-1-ол і пропан-2-ол);

• ізомерія карбонового скелета — різна будова вуглецевого ланцюга (наприклад, бутан-1-ол і 2-метилпропан-1-ол).

Ізомери положення групи OH: пропан-1-ол (CH₃CH₂CH₂OH) і пропан-2-ол (CH₃CH(OH)CH₃). Ізомери скелета: бутан-1-ол (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) і 2-метилпропан-1-ол ((CH₃)₂CHCH₂OH).

Фізичні властивості

Міжмолекулярні водневі зв'язки між групами OH сусідніх молекул спирту значно підвищують температури кипіння порівняно з вуглеводнями близької молярної маси. Наприклад, етанол (M = 46 г/моль) кипить за 78,4 °C, а етан (M = 30 г/моль) — за −89 °C. Метанол кипить за 64,7 °C, етанол — за 78,4 °C. Метанол і етанол необмежено змішуються з водою завдяки утворенню водневих зв'язків із молекулами H₂O.

Метанол — отруйна речовина: потрапляння всередину організму навіть у невеликій кількості спричиняє сліпоту або смерть. Етанол — горюча рідина, яку використовують як розчинник, пальне (біоетанол) і хімічну сировину. Метанол застосовують як технічний розчинник і сировину для синтезу формальдегіду, але з суворим дотриманням заходів безпеки через його токсичність.

Гідроксильна група —OH визначає хімічну поведінку спиртів. Розглянемо основні реакції на прикладі етанолу.

Взаємодія з натрієм

Етанол реагує з металевим натрієм із заміщенням атома Гідрогену гідроксильної групи:

2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑

Продукт — натрій етанолят (C₂H₅ONa) — належить до класу алкоголятів. Водень виділяється винятково за рахунок атома H у групі OH, а не за рахунок атомів H вуглеводневого радикала. Вода реагує з натрієм енергійніше, ніж етанол, тому наявність домішок води в спирті прискорює виділення газу й може спотворити спостереження.

Заміщення гідроксильної групи

Під дією гідроген броміду (HBr) група OH заміщується на атом Брому:

C₂H₅OH + HBr → C₂H₅Br + H₂O

Утворюється бромоетан (C₂H₅Br) — галогенопохідна вуглеводню. Ця реакція потребує нагрівання й кислотного середовища. На відміну від неорганічних кислот, етанол не нейтралізує водний розчин NaOH: у воді він практично не відщеплює йони H⁺, тому сіль і вода не утворюються.

Дегідратація етанолу

Внутрішньомолекулярна дегідратація (відщеплення води) відбувається за нагрівання етанолу до приблизно 170 °C у присутності концентрованої сульфатної кислоти H₂SO₄:

C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O

Продукт — етен (етилен) — ненасичений вуглеводень. Концентрована H₂SO₄ виконує роль водовіднімального агента й каталізатора. За нижчої температури (близько 140 °C) переважає міжмолекулярна дегідратація з утворенням діетилового етеру.

Естерифікація

Етанол реагує з етановою (оцтовою) кислотою в присутності кислотного каталізатора й нагрівання, утворюючи складний естер:

CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O

Реакція оборотна (позначено ⇄). Продукт — етилетаноат (етилацетат) — має характерний фруктовий запах.

Важливе зауваження

Розбавлені сильні неокиснювальні кислоти, наприклад хлоридна кислота HCl, також реагують з металевим натрієм із виділенням H₂. Якщо проводити дослід у водному розчині, одночасно відбувається реакція Na з водою, тому швидкість виділення водню не є чистим вимірюванням кислотності спирту.

Етанол може окиснюватися по-різному залежно від умов і реагенту. Крім того, існують два промислово важливі способи його одержання.

Часткове окиснення купрум(II) оксидом

За нагрівання етанолу з купрум(II) оксидом (CuO) відбувається відщеплення двох атомів Гідрогену — одного від групи OH і одного від сусіднього атома Карбону. Утворюється альдегід:

C₂H₅OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O

Продукт — етаналь (оцтовий альдегід) CH₃CHO. Це характерна реакція для первинних спиртів. Вторинні спирти (наприклад, пропан-2-ол) за таких самих умов окиснюються до кетонів, а не до альдегідів. Тому не можна переносити цю схему на будь-який спирт.

Повне окиснення (горіння)

Етанол горить у кисні з утворенням вуглекислого газу й води:

C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O

Це повне окиснення, яке відрізняється від часткового окиснення CuO за продуктами: замість альдегіду утворюються CO₂ і H₂O. Горіння етанолу — екзотермічний процес, який використовують у двигунах внутрішнього згоряння (біоетанол).

Гідратація етену

Промисловий спосіб добування етанолу — гідратація етену (етилену) водяною парою в присутності кислотного каталізатора (наприклад, ортофосфатної кислоти) за підвищеної температури й тиску:

C₂H₄ + H₂O ⇄ C₂H₅OH

Реакція оборотна. Її проводять за температури близько 300 °C і тиску приблизно 7 МПа. Це прямий синтез етанолу з нафтохімічної сировини.

Спиртове бродіння

Біотехнологічний спосіб одержання етанолу — спиртове бродіння глюкози під дією ферментів, які виділяють дріжджі:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

Цей процес відбувається за температури 25–30 °C без доступу кисню. Його використовують у виробництві алкогольних напоїв і біопалива. Вихід етанолу залежить від концентрації цукру, температури й активності дріжджів.

Приклад 1. Продукт нагрівання етанолу з CuO

Завдання (вибір однієї з чотирьох). Яка речовина є продуктом нагрівання етанолу з купрум(II) оксидом?

А етан, Б етен, В етаналь, Г етилетаноат.

Розв'язання. За нагрівання етанолу з CuO відбувається часткове окиснення: C₂H₅OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O. Продукт — етаналь (оцтовий альдегід).

Відповідь: В (етаналь).

Чому інші варіанти неправильні. Етан (А) — насичений вуглеводень, він не утворюється з етанолу за дії CuO. Етен (Б) — продукт дегідратації етанолу (нагрівання з H₂SO₄ за 170 °C), а не окиснення. Етилетаноат (Г) — складний естер, продукт естерифікації етанолу з етановою кислотою.

Приклад 2. Логічні пари: реакції етанолу

Завдання (логічні пари 1–3 → А–Д). Установіть відповідність між реагентами (1–3) і продуктами реакцій (А–Д).

Розв'язання. 1: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂ — продукт натрій етанолят і водень (Б). 2: C₂H₅OH + HBr → C₂H₅Br + H₂O — продукт бромоетан (В). 3: C₂H₅OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O — продукт етаналь (А).

Відповідь: 1Б, 2В, 3А.

Чому інші варіанти зайві. Метан (Г) — найпростіший вуглеводень, не утворюється в жодній із цих реакцій. Глюкоза (Д) — вуглевод, вихідна речовина для спиртового бродіння, а не продукт реакцій етанолу.

Приклад 3. Ізомери положення гідроксильної групи

Завдання (вибір однієї з чотирьох). Яка пара речовин є ізомерами положення гідроксильної групи?

А етанол і метанол, Б пропан-1-ол і пропан-2-ол, В бутан-1-ол і 2-метилпропан-1-ол, Г метанол і метаналь.

Розв'язання. Ізомери положення групи OH мають однаковий вуглецевий скелет, але група OH міститься біля різних атомів Карбону. Пропан-1-ол (CH₃CH₂CH₂OH) і пропан-2-ол (CH₃CH(OH)CH₃) мають однаковий склад C₃H₇OH і однаковий нерозгалужений ланцюг із трьох атомів C, але OH приєднана до першого або другого атома — це ізомерія положення.

Відповідь: Б (пропан-1-ол і пропан-2-ол).

Чому інші варіанти неправильні. А: етанол і метанол — гомологи, а не ізомери (різна кількість атомів C). В: бутан-1-ол і 2-метилпропан-1-ол — ізомери карбонового скелета, а не положення OH. Г: метанол і метаналь — різні класи сполук (спирт і альдегід).

• Нумерувати ланцюг від дальшого до OH кінця. За правилами IUPAC нумерацію починають з того кінця вуглецевого ланцюга, до якого гідроксильна група розташована ближче. Наприклад, сполуку CH₃CH₂CH₂CH(OH)CH₃ називають пентан-2-ол, а не пентан-4-ол. Якщо почати нумерацію з протилежного кінця, назва буде неправильною.

• Одержувати альдегід окисненням будь-якого спирту. Лише первинні спирти (RCH₂OH) під час часткового окиснення CuO дають альдегіди. Вторинні спирти (R₂CHOH) окиснюються до кетонів, а третинні (R₃COH) за таких умов не окиснюються взагалі. Не перенось схему етанолу на пропан-2-ол.

• Записувати етанол + NaOH як нейтралізацію. Етанол не є кислотою в розумінні реакції нейтралізації з лугом. Він практично не дисоціює у водному розчині з утворенням йонів H⁺. Тому NaOH не реагує з етанолом як із кислотою — не утворюється сіль і вода. Реакція можлива лише з металевим натрієм.

• Плутати гідратацію етену з дегідратацією етанолу. Гідратація — приєднання води до етену (C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH), що дає етанол. Дегідратація — відщеплення води від етанолу (C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O), що дає етен. Це протилежні процеси. Гідратація потребує кислотного каталізатора, нагрівання й тиску; дегідратація — концентрованої H₂SO₄ і нагрівання до 170 °C.

• Плутати повне окиснення з окисненням CuO. Повне окиснення (горіння) етанолу: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O. Часткове окиснення CuO: C₂H₅OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O. Продукти різні: у першому випадку CO₂ і H₂O, у другому — альдегід, мідь і вода. На НМТ важливо розрізняти ці дві реакції за реагентом (O₂ чи CuO).

Тема «Насичені одноатомні спирти» належить до пункту 3.3.1 програми НМТ з хімії. Вона охоплює номенклатуру спиртів, ізомерію (положення групи OH і карбонового скелета), хімічні властивості (реакції з Na, HBr, CuO, O₂, естерифікація, дегідратація) та способи добування етанолу (гідратація етену, спиртове бродіння).

Стратегія розв'язування

У завданнях на спирти спершу визнач функціональну групу (OH), потім реагент і умови реакції. Особливу увагу зверни на різницю між CuO (часткове окиснення до альдегіду) та O₂ (повне окиснення до CO₂ і H₂O). Для завдань на ізомерію порівняй молекулярні формули: якщо вони однакові, визнач, чи однаковий вуглецевий скелет (ізомерія положення OH) чи різний (скелетна ізомерія).

Формати завдань

На НМТ з хімії завдання з теми спиртів можуть бути подані в таких форматах:

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г): завдання 1–18 тесту. Кожне оцінюється в 0 або 1 бал. Потрібно обрати одну правильну відповідь серед чотирьох запропонованих.

• Логічні пари (1–3 → А–Д): завдання 19–20 тесту. Три елементи лівої колонки потрібно зіставити з п'ятьма елементами правої (дві букви зайві). Кожна правильна пара дає 1 бал, максимум 3 бали за завдання.

Орієнтовний час на одне завдання — 2–3 хвилини. Якщо завдання викликає сумнів, познач його й повернися пізніше.

• Одноатомний спирт містить одну гідроксильну групу OH, зв'язану з насиченим атомом Карбону. Загальна формула — CₙH₂ₙ₊₁OH.

• Положення групи OH впливає на назву спирту: нумерацію ланцюга починають від ближчого до OH кінця. Ізомери положення OH мають однаковий вуглецевий скелет, але різне місце приєднання групи.

• Первинний спирт (етанол) під час нагрівання з CuO утворює альдегід — етаналь. Повне окиснення (горіння) дає CO₂ і H₂O.

• Етанол добувають гідратацією етену (C₂H₄ + H₂O ⇄ C₂H₅OH) за кислотного каталізу, нагрівання й тиску, а також спиртовим бродінням глюкози (C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂) під дією ферментів дріжджів.

• Дегідратація етанолу (C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O) потребує концентрованої H₂SO₄ і нагрівання до 170 °C — це протилежний процес до гідратації.

• Етанол реагує з Na (утворює етанолят і H₂), з HBr (утворює бромоетан), з етановою кислотою (естерифікація, утворює етилетаноат). З водним NaOH не реагує.