Некоторые способы получения спиртов

Введение

Спирты представляют собой соединения общей формулы ROH, в которых гидроксильная группа присоединена к насыщенному атому углерода. По номенклатуре ИЮПАК насыщенные спирты называют алканолами, нумерация в которых определяется гидроксильной группой. Гидроксильная группа при наличии двойной и тройной связей является старшей.

этанол 1-пропанол 2-пропанол 2-пропен-1-ол 2-пропин-1-ол

этиловый пропиловый изопропиловый аллиловый пропаргиловый

спирты

1-бутанол 2-бутанол 2-метил-1-пропанол 2-метил-2-пропанол

н-бутиловый втор-бутиловый изобутиловый трет-бутиловый

спирты

При нумерации атомов главной цепи спиртов гидроксильная группа имеет преимущество перед алкильными группами, атомами галогенов и кратной связью.

транс-3-(2-гидроксиэтил)-1-циклопентанол

Часто спирты называют по углеводородной группе (этиловый спирт). В этой номенклатуре положение заместителя в алкильной группе спирта обозначается буквами греческого алфавита:

-бромпропиловый спирт -метоксиэтиловый спирт

В зависимости от того, является ли атом углерода, к которому присоединена гидроксильная группа, первичным 1^о, вторичным 2^о или третичным 3^о спирты бывают 1^о (RCH₂OH), 2^о (R₂CHOH) или 3^о (R₃COH). Например, из четырех возмож-ных бутиловых спиртов два - бутиловый и изобутиловый являются первичными 1^о, втор-бутиловый - вторичным 2^о и трет-бутиловый - третичным 3^о.

Число гидроксильных групп в молекуле определяет так называемую атомность спирта. По числу гидроксильных групп в молекуле спирты подразделяются на одноатомные, двухатомные, трехатомные и т.д. Например, этанол является одноатомным спиртом, этиленгликоль ^_ двухатомным, а глицерин ^_ трехатомным.

этиленгликоль глицерин

Гидроксильные группы могут находиться лишь у разных атомов углерода (правило Эрленмеера). Если две гидроксильные группы оказываются у одного атома углерода, то они немедленно отщепляют воду:

Если гидроксильная группа оказывается присоединенной к атому углерода соединенному с другим атомом углерода кратной связью ее атом водорода немедленно перемещается к последнему:

Спирты находят широкое практическое применение. Они производятся в значительных количествах и используются в качестве полупродуктов для синтеза различных органических соединений. Диолы и глицерин применяются в производстве лекарственных препаратов, полимеров (полиэфиры, полиуретаны, полиамиды), взрывчатых веществ, пластификаторов. Спирты используются как растворители красок и полимеров, являются главными компонентами антифризов, гидравлических жидкостей, эмульгаторов, смазок, входят в состав парфюмерных изделий и медицинских препаратов. Глицерин является структурным компонентом животных и растительных жиров и масел, а также липидов животных тканей. Он играет важную роль в обмене веществ животного организма.

Некоторые спирты являются компонентами природных душистых веществ, например, фенэтиловый спирт является главным летучим компонентом розового масла. Хорошо известны такие природные спирты как гераниол, ментол и ретинол (витамин А).

фенэтиловый спирт гераниол ментол

ретинол (витамин А₁) (половой аттрактант яблочной плодоножки)

Упр.1. Назовите следующие спирты по номенклатуре ИЮПАК, указав, какой из них является первичным, вторичным или третичным:

(а) (б) (в) (г)

(д) (е) (ж) (з) (и) (к) (л) (м)

(н) (о)

Ответ: (а) 4-метил-2-пентанол (2^о), (б) 4-хлор-2-этил-1-бутанол, (в) бензило-вый спирт (1^о), (г) цис-2-метилциклопентанол (2^о), (д) транс-2-метилцикло-гексанол (2^о), (е) бицикло[2.2.1]гептан-1-ол (3^о)… (н) 2-пропен-1-ол, (о) (Е)-2-пентен-1-ол

Физические свойства низших спиртов в значительной степени определяются полярностью гидроксильной группы и ее способностью участвовать в образовании водородной связи, что приводит к их относительно высокой температуре кипения и к хорошей растворимости в воде.

Т. кип., ^oC 64,7 78,3 97,2 82,3

Спирты кипят при значительно более высокой температуре, чем, например, алканы с близкой или даже большей молекулярной массой (М): например, бутан С₄H₁₀ (М = 58) кипит при 4^оС, а метиловый спирт СН₃ОН (М = 32) - при 64^оС. Это объясняется тем, что молекулы спиртов ассоциированы за счет образования водородных связей. Образование ассоциатов с водой объясняет высокую растворимость низших спиртов в воде. Ассоциаты спиртов имеют следующее строение:

В способности спиртов к ассоциации одновременно проявляются их кислотные и основные свойства.

1. Способы получения спиртов

Основные способы получения спиртов уже рассматривались при обсуждении реакционной способности галогенопроизводных, элементоорганических соединений и алкенов. Особенно следует выделить получение метанола и этанола.

1.1. Гидрогенизация окиси углерода

Метиловый спирт, он же метанол, он же древесный спирт, обнаруженный впервые в середине ХVII века, выделенный в чистом виде в 1834 г., синтезированный в 1857 г., - один из старейших продуктов химической индустрии. Поначалу его получали сухой перегонкой древесины, а в 1923 г. начала работать первая заводская установка, на которой метанол синтезировали из водорода и окиси углерода. По объему производства метанол стоит на первом месте среди вторичных нефтехимических продуктов.

(1)

Метанол токсичен: его употребление, вдыхание паров или нахождение на коже в течение длительного времени вызывает слепоту или приводит к смертельному исходу.

1.2 Ферментация

Еще в древности было обнаружено, что при брожении многих растительных продуктов образуются алкогольные напитки, но лишь сравнительно недавно стало известно, что активным началом в них является этиловый спирт.

(2)

В дрожжах имеются энзимы, вызывающие превращение сахаров в спирты. Ферментацией кроме этилового спирта можно получать спирты С₃, C₄ и С₅.

1.3 Синтез спиртов из алкенов (8.2.2 Гидратация алкенов)

Гидратация алкенов используется в промышленности для получения спиртов из продуктов нефтепереработки. Присоединение протекает по правилу Марковникова. Условия проведения реакции зависят от природы алкена. Скорость гидратации возрастает с увеличением разветвленности алкена.

(8-16)

(8-17)

Гидратация пропена в кислой среде

(8-18)

проходит по следующему механизму:

(8-М 9)

Упр.2. Завершите реакцию и опишите ее механизм:

Ответ.

(8-20)

Механизм:

Кислотно-катализируемая гидратация алкенов лежит в основе промышленного способа получения этанола из этилена и 2-пропанола из пропена. Этиловый и изопропиловый спирты для технических целей получают, в основном, гидратацией этилена и пропилена в паровой фазе:

(3)

(4)

Для получения других спиртов этот метод имеет весьма ограниченную область применения, поскольку гидратация алкенов часто сопровождается изомеризацией углеродного скелета за счет перегруппировок промежуточно образующихся карбокатионов, что сильно снижает синтетические возможности этого, на первый взгляд очень простого, способа получения вторичных и третичных спиртов. В лабораторной практике его по существу вытеснил другой способ, основанный на реакции оксимеркурирования-демеркурирования алкенов. Оксимеркурирование-демеркурирование региоселективно и приводит к присоединению воды по правилу Марковникова. Эта реакция проводится в оченьмягких условиях с выходами, близкими к количественному выходу.

(5)

1-пентен 2-пентанол

Преимуществом этого метода превращения алкенов в спирты является то, что при этом не наблюдается перегруппировок:

(6)

3,3-диметил-1-бутен 3,3-диметил-2-бутанол

Упр.3. Методом оксимеркурирования-демеркурирования из подходящих алкенов получите (а) 1-циклопентилэтанол, (б) 3-метил-3-пентанол,

(в) 1-этилциклопентанол.

Для того, чтобы присоединить воду к алкенам против правила Марковникова используют метод гидроборирования-окисления.

(8)

пропен 1-пропанол

(9)

2-метилпропен 2-метил-1-пропанол

Упр.4. Напишите реакции получения (а) 1-пентанола,

(б) транс-2-метилциклогексанола из соответствующих алкенов.

Упр.5. Какой спирт образуется из 3,3-диметил-1-бутена при (а) гидратации в присутствии кислоты, (б) оксимеркурировании-демеркурировании и (в) гидробори-ровании-окислении?

Упр.6. Завершите реакцию