Alkohole jednowodorotlenowe. Jak zdobyć ostateczny alkohol jednowodorotlenowy

Organiczne związki zawierające tlen, wśród których są różne alkohole, są ważnymi funkcjonalnymi pochodnymi węglowodorów. Są jednoatomowe, dwuatomowe i wieloatomowe. Alkohole monowodorotlenowe są w rzeczywistości pochodnymi węglowodorowymi, w cząsteczce której jest jedna grupa hydroksylowa (oznaczona jako "-OH") związana z nasyconymi atomami węgla.

Spread

Alkohole jednowodorotlenowe są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Tak więc alkohol metylowy w małych ilościach zawartych w soku wielu roślin (na przykład barszczu). Alkohol etylowy, będący produktem fermentacja alkoholowa związki organiczne występujące w zakwaszonych owocach i jagodach. Alkohol cetylowy znajduje się w oleju wielorybniczym. Wosk pszczeli zawiera ceryl, alkohole mirricylowe. 2-fenyloetanol znaleziono w płatkach róż. Alkohole terpenowe w postaci substancji zapachowych są reprezentowane w wielu aromatycznych kulturach.

Klasyfikacja

Alkohole są podzielone przez liczbę cząsteczkową grup hydroksylowych. Przede wszystkim:

• jednowodorotlenowe alkohole (na przykład etanol);
• dwuatomowy (etanodiol);
• wieloatomowy (gliceryna).

Ze względu na charakter rodnika węglowodorowego, alkohole są podzielone na aromatyczne, alifatyczne, cykliczne. W zależności od rodzaju atomu węgla mającego wiązanie z grupą hydroksylową, alkohole uważa się za pierwszorzędowe, drugorzędowe i trzeciorzędowe. Ogólny wzór jednowodorotlenowego alkoholu stosowanego do nasyconych jednowodorotlenowych alkoholi jest wyrażany jako: ₌ H _2n + ₂ O.

Nomenklatura

Nazwa alkoholi w nomenklaturze radykalno-funkcjonalnej składa się z nazwy związanej z grupą hydroksylową rodnika i słowa "alkohol". Zgodnie z systemową nomenklaturą IUPAC, nazwa alkoholu powstaje z odpowiedniego alkanu z dodatkiem końcówki "-ol". Na przykład:

• metanol - alkohol metylowy;
• metylopropanol-1-2-izobutyl (tert-butyl);
• etanol - etyl;
• butanol-1-2-butyl (V-butyl);
• propanol-1-2 - propyl (izoprapyl).

Numeracja według zasad IUPAC jest klasyfikowana przez pozycję grupy hydroksylowej, otrzymuje mniejszą liczbę. Na przykład: pentanodiol-2-4, 4-metylopentanol-2 itp.

Izomeria

Granice jednowodorotlenowych alkoholi mają następujące typy izomerii strukturalnej i przestrzennej. Na przykład:

• Szkielet węglowy.
• Etery izomeryczne.
• Pozycja grupy funkcyjnej.

Przestrzenny izomeria alkoholi jest reprezentowana przez izomerię optyczną. Izomeria optyczna jest możliwa, gdy w cząsteczce występuje asymetryczny atom węgla (zawierający cztery różne podstawniki).

Sposoby wytwarzania jednowodorotlenowych alkoholi

Aby uzyskać maksymalny alkohol jednowodorotlenowy może być kilka metod:

• Hydroliza halogenków-alkanów.
• Hydratacja alkenów.
• Odzyskiwanie aldehydów i ketonów.
• Synteza organomagnezowa.

Hydroliza halogenków-alkanów jest jedną z powszechnych laboratoryjnych metod produkcji alkoholi. Oczyszczanie wody (alternatywnie - wodny roztwór alkalicznych) alkoholi jest pierwotne i wtórne:

CH ₃ - CH _2- Br + NaOH → CH ₃ - CH ₂ - OH + NaBr.

Halogenoalkany trzeciorzędowe są hydrolizowane jeszcze łatwiej, ale mają łatwiejszą reakcję uboczną eliminacji. Dlatego trzeciorzędowe alkohole mają inne metody.

Alkeny są uwadniane przez dodanie wody do alkenów w obecności katalizatorów zawierających kwas (H3PO4 ₎ . Sposób leży u podstaw przemysłowej produkcji alkoholi, takich jak etyl, izopropyl, tert-butyl.

Grupa karbonylowa jest redukowana wodorem w obecności katalizatora uwodornienia (Ni lub Pt). W tym przypadku drugorzędowe alkohole tworzą się z ketonów, a aldehydy są pierwszorzędowymi końcowymi jednowodorotlenowymi alkoholami. Formuła procesu:

CH ₃ - C = O (-H) + H ₂ (etanal) → CH ₃ - CH ₂ - OH (etanol).

Przez dodanie aldehydów i ketonów do halogenków alkilomagnezu otrzymuje się związki magnezowo-organiczne. Reakcję prowadzi się w suchym eterze dietylowym. Późniejsza hydroliza związków magnezoorganicznych tworzy jednowodorotlenowe alkohole.

Pierwszorzędowe alkohole powstają w wyniku reakcji Grignarda tylko z formaldehydu i dowolnych halogenków alkilomagnezu. Inne aldehydy dają drugorzędowe alkohole do tej reakcji, ketony - trzeciorzędowe alkohole.

Przemysłowa synteza metanolu

Metodami przemysłowymi z reguły są procesy ciągłe z wielokrotną recyrkulacją dużych mas reagentów przeprowadzanych w fazie gazowej. Przemysłowo ważne alkohole to metanol i etanol.

Metanol (jego wielkość produkcji jest największa wśród alkoholi) do 1923 r. Uzyskano metodą suchej destylacji (ogrzewanie bez dostępu powietrza) z drewna. Dziś jest generowany z gazu syntezowego (mieszanina CO i H2). Proces prowadzi się pod ciśnieniem 5-10 MPa stosując katalizatory tlenkowe (ZnO + Cr ₂ O ₃ , CuO + ZnO + Al ₂ O ₃ i inne) w zakresie temperatur 250-400 ° C, w wyniku czego otrzymuje się jednowodorotlenowe alkohole. Formuła reakcji to CO + 2H2 → CH3OH.

W latach 80. XX w., Badając mechanizm tego procesu, stwierdzono, że metanol powstaje nie z tlenku węgla, ale z dwutlenku węgla wytwarzanego w wyniku wzajemnego oddziaływania tlenku węgla ze śladami wody.

Przemysłowa synteza etanolu

Powszechną metodą produkcji syntezy technicznego etanolu jest hydratacja etylenu. Formuła alkoholu jednowodorotlenowego etanolu otrzyma następującą formę:

CH2 = CH 2+ H ₂ O → CH ₃ - CH 2OH.

Proces prowadzi się pod ciśnieniem 6-7 MPa w fazie gazowej, przepuszczając etylen i parę wodną nad katalizatorem. Katalizatorem jest fosfor lub kwas siarkowy nałożony na żel krzemionkowy.

Żywność i medycyna alkohol etylowy uzyskać enzymatyczną hydrolizę cukrów zawartych w winogronach, jagodach, zbożach, ziemniakach, a następnie fermentację powstającej glukozy. Fermentacja cukrowych substancji spowodowanych przez drożdże, należących do grupy enzymów. W tym procesie najkorzystniejsza temperatura wynosi 25-30 ° C. W przedsiębiorstwach przemysłowych stosowany jest etanol, uzyskiwany w drodze fermentacji drewna i miazgi oraz produkcji papieru z węglowodanów powstałych podczas hydrolizy drewna.

Właściwości fizyczne jednowodorotlenowych alkoholi

W cząsteczkach alkoholi są atomy wodoru związane z pierwiastkiem elektroujemnym - tlenem, prawie pozbawionym elektronów. Międzycząsteczkowe wiązania wodorowe powstają pomiędzy tymi atomami wodoru i atomami tlenu, które mają pojedyncze pary elektronowe.

Wiązanie wodorowe wynika ze specyficznych cech atomu wodoru:

• Kiedy elektrony wiążące są przyciągane do bardziej elektroujemnego atomu, jądro atomu wodoru staje się "puste", a proton nie jest osłonięty przez inne elektrony. Kiedy jakikolwiek inny atom jest zjonizowany, elektronowa osłona, która osłania jądro, nadal pozostaje.
• Atom wodoru ma niewielki rozmiar w porównaniu z innymi atomami, w wyniku czego jest w stanie wniknąć wystarczająco głęboko w powłokę elektronową sąsiedniego ujemnie spolaryzowanego atomu, bez połączenia z nim przez wiązanie kowalencyjne.

Wiązanie wodorowe jest około 10 razy słabsze niż zwykłe wiązanie kowalencyjne. Energia wiązań wodorowych mieści się w zakresie 4-60 kJ / mol, w przypadku cząsteczek alkoholu wynosi 25 kJ / mol. Różni się on od zwykłych wiązań s w dłuższej długości (0,166 nm) w porównaniu z długością wiązania OH (0,107 nm).

Właściwości chemiczne

Chemiczne reakcje jednowodorotlenowych alkoholi są określane przez obecność grupy hydroksylowej w ich cząsteczkach, która jest funkcjonalna. Atom tlenu znajduje się w stanie hybrydowym sp3. Kąt wartości jest zbliżony do czworościanu. Dwa orbitale sp3-hybrydowe tworzą wiązania z innymi atomami, a pozostałe dwa orbitale są pojedynczymi parami elektronów. Odpowiednio, częściowy ładunek ujemny koncentruje się na atomie tlenu, a częściowe ładunki dodatnie na atomach wodoru i węgla.

Wiązania CO i CH są kowalencyjne polarne (te ostatnie są bardziej polarne). Heterolityczne rozerwanie wiązania OH z wytworzeniem H + powoduje kwaśne właściwości jednowodorotlenowych alkoholi. Atom nukleofilowy można poddać atomowi węgla o częściowym ładunku dodatnim.

Właściwości kwasowe

Alkohole są bardzo słabymi kwasami, słabszymi od wody, ale silniejszymi niż acetylen. Nie powodują one zmiany koloru wskaźnika. Utlenianie monowodorotlenowych alkoholi następuje w kontakcie z aktywnymi metalami (alkalicznymi i ziem alkalicznych) z uwalnianiem wodoru i powstawaniem alkoholanów:

2ROH + 2Na → 2RONa + H _2.

Metale alkaliczne metali alkalicznych - substancje z wiązanie jonowe między tlenem a sodem, w roztworze alkoholu jednowodorotlenowego, dysocjują tworząc jony alcosidowe:

CH ₃ ONa → CH 3O ^- + Na ⁺ (jon metanolowy).

Tworzenie alkoholanów można również prowadzić w reakcji alkoholu z amidem sodu:

C 2H 5OH + NaNH ₂ → C ₂ H ₅ ONa + NH ₃ .

Czy etanol reaguje z alkaliami? Praktycznie nie. Woda jest silniejszym kwasem niż alkohol etylowy, dlatego ustanowiono tutaj równowagę. Wraz ze wzrostem długości rodnika węglowodorowego w cząsteczce alkoholu, spadają właściwości kwasowe. Ograniczają także jednowodorotlenowe alkohole charakteryzujące się spadkiem kwasowości w szeregu: pierwotnym → wtórnym → trzeciorzędowym.

Reakcja substytucji nukleofilowej

W alkoholach wiązanie CO jest spolaryzowane, częściowy ładunek dodatni koncentruje się na atomie węgla. W rezultacie atom węgla jest atakowany przez cząstki nukleofilowe. W procesie rozrywania wiązania CO, inny nukleofil zastępuje grupę hydroksylową.

Jedną z tych reakcji jest interakcja alkoholi z halogenowodorami lub ich stężonymi roztworami. Równanie reakcji:

C ₂ H ₅ OH + HBr → C ₂ H ₅ Br + H ₂ O.

W celu ułatwienia usuwania grupy hydroksylowej jako katalizator stosuje się stężony kwas siarkowy. Protonuje on atom tlenu, aktywując w ten sposób monowodorotlenową cząsteczkę alkoholu.

Pierwszorzędowe alkohole, takie jak pierwszorzędowe halogenoalkany, wchodzą w reakcje wymiany z wykorzystaniem mechanizmu SN2. Wtórne jednowodorotlenowe alkohole, takie jak drugorzędowe halogenoalkany, reagują z kwasami chlorowcowodorowymi. Warunki oddziaływania alkoholi zależą od charakteru reagujących składników. Reaktywność alkoholi podlega następującym prawom:

R ₃ COH → R ₂ CHOH → RCH 2OH.

Utlenianie

W łagodnych warunkach (obojętne lub zasadowe roztwory nadmanganianu potasu, mieszanina chromowa w temperaturze 40-50 ° C) pierwszorzędowe alkohole są utleniane do aldehydów, po podgrzaniu do wyższej temperatury - do kwasów. Alkohole wtórne przechodzą proces utleniania do ketonów. Trzeciorzędowe utlenianie w obecności kwasu w bardzo trudnych warunkach (na przykład, mieszanina chromowa w temperaturze 180 ° C). Reakcja utleniania trzeciorzędowych alkoholi przechodzi przez dehydratację alkoholu z utworzeniem alkenu i utlenianie tego ostatniego z rozerwaniem wiązania podwójnego.