Кислородсодержащие органические вещества

У кислородсодержащих веществ еще более разнообразные области применения, чем у углеводородов: пищевые продукты, растворители, консерванты, моющие средства, синтетические волокна.

Кислород придает органическим веществам целый комплекс характерных свойств.

Кислород двухвалентен, имеет две валентные электронные пары и характеризуется высокой электроотрицателыюстью (х = 3,5). Между атомами углерода и кислорода образуются прочные химические связи, что видно уже на примере молекул С02. Одинарная связь С-0 (£св = 344 кДж/моль) почти так же прочна, как связь С-С са = 348 кДж/моль), а двойная связь С=0 (Есв = 708 кДж/моль) существенно прочнее, чем связь С=С св = = 620 кДж/моль). Поэтому в молекулах органических веществ обычны превращения, ведущие к образованию двойных связей С=0. По этой же причине неустойчива угольная кислота:

Гидроксогруппа, находящаяся при двойной связи, превращается в окси- группу (см. выше).

Кислород придаст полярность молекулам органических веществ. Между молекулами усиливается притяжение, значительно повышаются температуры плавления и кипения. При обычных условиях среди кислородсодержащих веществ очень мачо газов — только эфир СН3ОСН3, формальдегид СН20 и оксид этилена СН2СН20.

Кислород способствует образованию водородных связей и как донор, и как акцептор водорода. Водородные связи усиливают притяжение молекул, а в случае достаточно сложных молекул придают им определенную пространственную структуру. Влияние полярности и водородных связей на свойства вещества видно на примере углеводорода, кетона и спирта

Полярностью и образованием водородных связей обусловлена хорошая растворимость кислородсодержащих органических веществ в воде.

Кислород в той или иной мере придает органическим веществам кислотные свойства. Кроме класса кислот, свойства которых очевидны из названия, кислотные свойства проявляют фенолы и спирты.

Еще одно общее свойство кислородсодержащих веществ заключается в легкой окисляемости атома углерода, связанного одновременно с кислородом и водородом. Это очевидно из следующих цепочек реакций, которые обрываются при потере углеводом последнего атома водовода:

Кислородсодержащие органические вещества классифицируют по числу и характеру связей между атомами углерода и кислорода. В зависимости от этого возникают разные функциональные группы, важнейшие из которых перечислены в табл. 22.2. Если в молекуле более одной функциональной группы, то вещество относят к классу со старшей группой. Например, пировиноградная кислота

содержит оксигруппу и считается гетерофункциональной кислотой.

Спирты и простые эфиры

Название целого класса органических веществ спирты (от лат. "spiritus" — дух) происходит от "действующего начала" смеси, получающейся при сбраживании плодовых соков и других систем, содержащих сахар. Это действующее начало — винный спирт, этанол С2Н5ОН, отделяется от воды и нелетучих растворенных веществ при перегонке смеси. Другое название спирта — алкоголь — арабского происхождения.

Спиртами называются органические соединения, в которых имеется гидроксогруппа, связанная с $р3-атомом углерода углеводородного радикала.

Спирты можно также рассматривать как продукты замещения одного атома водорода в воде на углеводородный радикал. Спирты образуют гомологические ряды (табл. 22.5), различающиеся по природе радикалов и числу гидроксогрупп.

Таблица 22.5

Некоторые гомологические ряды спиртов

'Тликолями и глицеринами называются полифункциональные спирты с ОН-группами у соседних атомов углерода.

Гидроксогруппа при ненасыщенных атомах углерода неустойчива, так как превращается в карбонильную группу. Виниловый спирт находится в ничтожном количестве в равновесии с альдегидом:

Есть вещества, в которых гидроксогруппа связана с я/г-атомом углерода ароматического кольца, по они рассматриваются в качестве особого класса соединений — фенолов.

В спиртах возможна изомерия углеродного скелета и положения функциональной группы. У непредельных спиртов возникает также изомерия положения кратной связи и пространственная изомерия. Изомерны спиртам соединения класса простых эфиров. Среди спиртов различают разновидности, называемые первичными, вторичными и третичными спиртами. Это связано с характером углеродного атома, при котором находится функциональная группа.

Пример 22.12. Напишите формулы первичного, вторичного и третичного спиртов с четырьмя атомами углерода.

Решение.

Рассмотрим подробнее гомологический ряд предельных спиртов. Первые 12 членов этого ряда представляют собой жидкости. Метанол, этанол и пропанол смешиваются с водой в любых соотношениях вследствие структурного сходства с водой. Далее по гомологическому ряду растворимость спиртов уменьшается, так как большие (по числу атомов) углеводородные радикалы все сильнее вытесняются из водной среды, подобно углеводородам. Это свойство называют гидрофобностъю. В противоположность радикалу гидроксогруппа притягивается к воде, образуя водородную связь с водой, т.е. проявляет гидрофильность. У высших спиртов (пять и более атомов углерода) проявляется свойство поверхностной активности — способность концентрироваться у поверхности воды за счет выталкивания гидрофобного радикала (рис. 22.3).

Молекулы поверхностно-активного спирта на поверхности воды

Рис. 22.3. Молекулы поверхностно-активного спирта на поверхности воды

Поверхностно-активные вещества обволакивают капли жидкостей и способствуют образованию устойчивых эмульсий. На этом основано действие моющих средств. Поверхностную активность могут проявлять не только спирты, но и вещества других классов.

Большинство растворимых в воде спиртов ядовиты. К наименее ядовитым относятся этанол и глицерин. Но, как известно, этанол опасен тем, что вызывает привыкание человека к его употреблению. Простейший из спиртов метанол похож на этанол по запаху, но крайне ядовит. Известно множество случаев отравления людей в результате ошибочного приема внутрь

метанола вместо этанола. Этому способствует и огромный объем промышленного применения метанола. Простейший двухатомный спирт этиленгликоль С2Н4(ОН)2 в большом количестве используется для производства полимерных волокон. Раствор его применяется в качестве антифриза для охлаждения автомобильных двигателей.

Получение спиртов. Рассмотрим несколько общих способов.

1. Гидролиз галогенпроизводных углеводородов. Реакции проводят в щелочной среде:

Пример 22.13. Напишите реакции получения этиленгликоля методом гидролиза галогенпроизводных, взяв исходное вещество этилен.

2. Присоединение воды к алкенам. Наибольшее значение имеет реакция присоединения воды к этилену с образованием этанола. Реакция достаточно быстро идет при высокой температуре, но при этом равновесие сильно смещается влево и понижается выход спирта. Поэтому необходимо создание высокого давления и применение катализатора, позволяющего достичь той же скорости процесса при более низкой температуре (подобно условиям синтеза аммиака). Этанол получают гидратацией этилена при -300°С и давлении 60—70 атм:

Катализатором служит фосфорная кислота, нанесенная на оксид алюминия.

3. Имеются особые способы получения этанола и метанола. Первый получается широко известным биохимическим способом сбраживания углеводов, которые сначала расщепляются до глюкозы:

Метанол получают синтетическим путем из неорганических веществ:

Реакцию проводят при 200—300°С и давлении 40— 150 атм с применением сложного катализатора Си0/2п0/А1203/Сг203. Важность этого промышленного процесса понятна из того, что ежегодно производится более 14 млн т метанола. Он используется главным образом в органическом синтезе для метилирования органических веществ. Приблизительно в таком же количестве производится и этанол.

Химические свойства спиртов. Спирты могут горсть и окисляться. Смесь этилового спирта с углеводородами иногда используется в качестве горючего для автомобильных двигателей. Окисление спиртов без нарушения углеродной структуры сводится к потере водорода и присоединению атомов кислорода. В промышленных процессах пары спиртов окисляются кислородом. В растворах спирты окисляются перманганатом калия, дихроматом калия и другими окислителями. Из первичного спирта при окислении получается альдегид:

При избытке окислителя альдегид сразу же окисляется до органической кислоты:

Вторичные спирты окисляются до кетонов:

Третичные спирты могут окисляться только в жестких условиях с частичной деструкцией углеродного скелета.

Кислотные свойства. Спирты реагируют с активными металлами с выделением водорода и образованием производных с общим названием алкоксиды (метоксиды, этоксиды и т.д.):

Реакция идет более спокойно, чем аналогичная реакция с водой. Выделяющийся водород не загорается. Этим способом уничтожают остатки натрия после химических экспериментов. Реакция такого рода означает, что спирты проявляют кислотные свойства. Это следствие полярности связи О-Н. Однако спирт практически не реагирует со щелочью. Данный факт позволяет уточнить силу кислотных свойств спиртов: это более слабые кислоты, чем вода. Этоксид натрия практически полностью гидролизуется с образованием раствора спирта и щелочи. Несколько сильнее кислотные свойства гликолей и глицеринов вследствие взаимного индуктивного эффекта ОН-групп.

Многоатомные спирты образуют комплексные соединения с ионами некоторых ^/-элементов. В щелочной среде ион меди замещает сразу два иона водорода в молекуле глицерина с образованием комплекса синего цвета:

При повышении концентрации ионов Н+ (для этого добавляют кислоту) равновесие смещается влево и окраска исчезает.

Реакции нуклеофильного замещения гидроксогруппы. Спирты реагируют с хлороводородом и другими галогеноводородами:

Реакция катализируется ионом водорода. Сначала Н+ присоединяется к кислороду, акцептируя его электронную пару. В этом проявляются основные свойства спирта:

Образующийся ион неустойчив. Он не может быть выделен из раствора в составе твердой соли подобно иону аммония. Присоединение Н+ вызывает дополнительное смещение электронной пары от углерода к кислороду, что облегчает атаку нуклеофильной частицы на углерод:

Связь углерода с хлорид-ионом усиливается по мере разрыва связи углерода с кислородом. Реакция заканчивается освобождением молекулы воды. Однако реакция обратима, и при нейтрализации хлороводорода равновесие смещается влево. Происходит гидролиз.

Гидроксогруппа в спиртах замещается также в реакциях с кислородсодержащими кислотами с образованием эфиров. Глицерин с азотной кислотой образует нитроглицерин, применяемый как средство, снимающее спазмы сосудов сердца:

Из формулы понятно, что традиционное название вещества неточно, так как фактически это нитрат глицерина — эфир азотной кислоты и глицерина.

При нагревании этанола с серной кислотой одна молекула спирта выступает как нуклеофильный реагент по отношению к другой. В результате реакции образуется простой эфир этоксиэтан:

На схеме выделены некоторые атомы, чтобы легче было проследить их переход в продукты реакции. Одна молекула спирта сначала присоединяет катализатор — ион Н+, а кислородный атом другой молекулы передает электронную пару углероду. После отщепления воды и диссоциации Н4 получается молекула простого эфира. Эту реакцию называют еще межмолекулярной дегидратацией спирта. Есть также метод получения простых эфиров с разными радикалами:

Простые эфиры более летучие вещества, чем спирты, так как между их молекулами не образуются водородные связи. Этанол кипит при 78°С, а его изомер эфир СН3ОСН3 — при -23,6°С. Простые эфиры не гидролизуются до спиртов при кипячении с растворами щелочей.

Дегидратация спиртов. Спирты могут разлагаться с отщеплением воды так же, как разлагаются галоген производные углеводородов с отщеплением гало- геноводорода. В получении спиртов из алкена и воды (см. выше) присутствует и обратная реакция элиминирования воды. Разница в условиях присоединения и отщепления воды заключается в том, что присоединение идет под давлением при избытке паров воды относительно алкена, а отщепление происходит от отдельно взятого спирта. Такая дегидратация называется внутримолекулярной. Она идет также в смеси спирта с серной кислотой при ~150°С:

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >