Гидроксисоединения

     

 

 

 

 

Курсовая  работа

 По Химии Функционально-активных Препаратов

Тема: «Гидроксисоединения»

 

 

 

Выполнил:

студент 

факультета 

                                   Специальность 

                                                                                                   Шифр

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012г.

        Содержание

Введение

1. Спирты
2. Фенолы
3. Строение группы -ОН
4. Физические свойства гидроксисоединений
5. Химические свойства гидроксисоединений
6. Реакции по связи О-Н
1. Кислотные свойства гидроксисоединений.
2. Образование сложных эфиров.
3. Окисление.
7. Замещение группы –ОН
8. Применение гидроксисоединений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

К органическим гидроксисоединениям относятся вещества, содержащие одну или более гидроксильных групп –ОН, связанных с углеводородным радикалом.

В зависимости от характера  углеводородного радикала эти соединения подразделяют на две большие группы:

  спирты R–OH

  фенолы Ar–OH,

где R – алкил (алифатический углеводородный радикал); 
     Ar – арил (ароматический радикал, свободная валентность которого принадлежит атому углерода бензольного кольца, например, радикал фенил C₆H₅–).

Гидроксисоединения для количественного полярографического определения предварительно окисляют до соответствующих карбонильных производных. При этом содержание Гидроксисоединения в растворе рассчитывают либо по расходу окислителя, либо по данным полярографического определения образовавшегося карбонильного соединения.

Гидроксисоединения можно формально считать некоторыми аналогами гидроксидов щелочных металлов, хотя в действительности свойства этих двух типов соединений очень сильно разнятся, Гидроксильная группа в спиртах и фенолах связана с углеводородным остатком ковалентной связью, в то время как в гидроксидах щелочных металлов существует очень реакционноспособный анион, с ярко выраженными основными и нуклеофильными свойствами.

 

 

1.Спирты

Спирты - соединения алифатического ряда, содержащие одну или несколько  гидроксильных групп. Общая формула  спиртов с одной гидроксигруппой R–OH.

К простейшим спиртам относятся: метиловый спирт (метанол) CH₃-OH  и этиловый спирт (этанол) CH₃CH₂-OH.

 

Классификация спиртов

Спирты классифицируют по различным структурным признакам.

1. По числу гидроксильных групп спирты подразделяются на
• одноатомные (одна группа -ОН),
• многоатомные (две и более групп -ОН).

Современное название многоатомных спиртов - полиолы (диолы, триолы и т.д). Примеры:

• двухатомный спирт – этиленгликоль (этандиол)

HO–СH₂–CH₂–OH

• трехатомный спирт – глицерин (пропантриол-1,2,3)

 

HO–СH₂–СН(ОН)–CH₂–OH

Двухатомные спирты с двумя  ОН-группами при одном и том же атоме углерода R–CH(OH)₂неустойчивы и, отщепляя воду, сразу же превращаются в альдегиды R–CH=O. Спирты R–C(OH)₃ не существуют.

2. В зависимости от того, с каким атомом углерода (первичным, вторичным или третичным) связана гидроксигруппа, различают спирты
• первичные   R–CH₂–OH,
• вторичные   R₂CH–OH,
• третичные    R₃C–OH.

Например:

 
В многоатомных спиртах различают  первично-, вторично- и третичноспиртовые группы. Например, молекула трехатомного спирта глицерина содержит две первичноспиртовые (HO–СH₂–) и одну вторичноспиртовую (–СН(ОН)–) группы.

3. По строению радикалов, связанных с атомом кислорода, спирты подразделяются на
• предельные, или алканолы (например, СH₃CH₂–OH)
• непредельные, или алкенолы (CH₂=CH–CH₂–OH)
• ароматические (C₆H₅CH₂–OH).

Непредельные спирты с  ОН-группой при атоме углерода, соединенном с другим атомом двойной связью, очень неустойчивы и сразу же изомеризуются в альдегиды или кетоны. Например, виниловый спирт CH₂=CH–OH превращается в уксусный альдегид CH₃–CH=O

Номенклатура  спиртов

Систематические названия даются по названию углеводорода с добавлением  суффикса -ол и цифры, указывающей положение гидроксигруппы (если это необходимо). Например:

 

Нумерация ведется от ближайшего к ОН-группе конца цепи.

Цифра, отражающая местоположение ОН-группы, в русском языке обычно ставится после суффикса "ол". Это разгружает словесную часть названия от цифр (например, 2-метилбутанол-1). В англоязычной литературе цифру ставят перед названием главной цепи: 2-метил-1-бутанол.

По другому способу (радикально-функциональная номенклатура) названия спиртов производят от названий радикалов с добавлением слова "спирт". В соответствии с этим способом приведенные выше соединения называют: метиловый спирт, этиловый спирт,н-пропиловый спирт, изопропиловый спирт.

В названиях многоатомных спиртов (полиолов) положение и число гидроксильных групп указывают соответствующими цифрами и суффиксами -диол (две ОН-группы), -триол (три ОН-группы) и т.д. Например:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Фенолы

Фенолы – гидроксисоединения, в молекулах которых ОН-группы связаны непосредственно с бензольным ядром.

 

В зависимости от числа  ОН-групп различают одноатомные фенолы (например, вышеприведенные фенол и крезолы) и многоатомные. Среди многоатомных фенолов наиболее распространены двухатомные:

Как видно из приведенных  примеров, фенолам свойственна структурная изомерия (изомерия положения гидроксигруппы).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Строение группы –ОН (гидроксильной группы)

Свойства спиртов и  фенолов определяются строением  гидроксильной группы, характером ее химических связей, строением углеводородных радикалов и их взаимным влиянием.

Связи О–Н и С–О – полярные ковалентные. Это следует из различий в электроотрицательности кислорода, водорода и углерода. Электронная плотность обеих связей смещена к более электроотрицательному атому кислорода:

 

                                

 

Атому кислорода в спиртах свойственна sp³-гибридизация. В образовании его связей с атомами C и H участвуют две 2sp³-атомные орбитали, валентный угол C–О–H близок к тетраэдрическому (около 108°). Каждая из двух других 2sp³-АО кислорода занята неподеленной парой электронов.

 

В фенолах под влиянием π-электронной системы бензольного кольца для атома кислорода предпочтительней sp²-гибридизация. При этом одна из неподеленных электронных пар находится на негибридной р-орбитали и может участвовать в сопряжении с ароматической π-системой.

 

 

 

 

 

4. Физические свойства

Следствием  полярности связи О–Н и наличия неподеленных пар электронов на атоме кислорода является способность гидроксисоединений к образованию водородных связей.

Это объясняет, почему даже низшие спирты - жидкости с относительно высокой  температурой кипения (т.кип. метанола +64,5°С). При переходе от одноатомных к многоатомным спиртам или фенолам температуры кипения и плавления резко возрастают.

Образование водородных связей с молекулами воды способствует растворимости  гидроксисоединений в воде:

 
Гидратация молекул ROH

 

Способность растворяться в  воде уменьшается с увеличением  углеводородного радикала и от многоатомных гидроксисоединений к одноатомным. Метанол, этанол, пропанол, изопропанол, этиленгликоль и глицерин смешиваются с водой в любых соотношениях. Растворимость фенола в воде ограничена. (чистый фенол- бесцветные кристаллы с характерным запахом, при хранении фенол частично окисляется и приобретает розовую или красную окраску. Мало растворим в воде, при взбалтывании образуется суспензия фенола в воде.)

 

5. Химические свойства.

В химических реакциях гидроксисоединений возможно разрушение одной из двух связей:

·  С–ОН с отщеплением ОН-группы

·  О–Н с отщеплением водорода.

Это могут быть реакции замещения, в которых происходит замена ОН или Н, или реакцияотщепления (элиминирования), когда образуется двойная связь.

Полярный характер связей С–О и О–Н способствует гетеролитическому их разрыву и протеканию реакций по ионному механизму. При разрыве связи О–Н с отщеплением протона (Н⁺) проявляются кислотные свойства гидроксисоединения, а при разрыве связи С–О – свойства основания и нуклеофильного реагента.

С разрывом связи О–Н идут реакции окисления, а по связи С–О – восстановления. 
 
Таким образом, гидроксисоединения могут вступать в многочисленные реакции, давая различные классы соединений.

Вследствие доступности  гидроксильных соединений, в особенности  спиртов, каждая из этих реакций является одним из лучших способов получения  определенных органических соединений.

6. Реакции по связи О-Н

К наиболее характерным реакциям гидроксисоединений, идущим с разрывом связи О–Н,относятся:

·  реакции замещения атома водорода на металл (кислотные свойства);

·  реакции замещения атома водорода на остаток кислоты (образование сложных эфиров);

·  реакции отщепления водорода при окислении и дегидрировании.

Легкость этих реакций  и строение образующихся продуктов  зависят от строения углеводородного  радикала и взаимного влияния  атомов.

Реакционная способность одноатомных спиртов в реакциях по связи О–Н:

CH₃OH > первичные > вторичные > третичные.

Если в многоатомных спиртах ОН-группы находятся при соседних атомах углерода, то вследствие взаимного влияния этих групп (–I-эффект одной ОН-группы по отношению к другой), разрыв связи О–Н происходит легче, чем в одноатомных спиртах. 
Многоатомные спирты с несоседними ОН-группами подобны по свойствам одноатомным спиртам (не проявляется взаимное влияние групп ОН).

Фенолы в большинстве реакциий по связи О–Н активнее спиртов, поскольку эта связь более полярна за счет смещения электронной плотности от атома кислорода в сторону бензольного кольца (участие неподеленной электронной пары атома кислорода в системе π-сопряжения).

 

 

 

 

 

 

6.1 Кислотные свойства гидроксисоединений.

 

Одноатомные спирты реагируют с активными металлами (Na, K, Mg, Al и др), образуя соли - алкоголяты (алкоксиды):

2R–OH + 2Na 

 2RO^–Na⁺ + H₂ 
2C₂H₅OH + 2K   2C₂H₅O^–K⁺ + H₂

Спирты – более слабые кислоты, чем вода, т.к. алкильный  радикал, повышает электронную плотность  на атоме кислорода и уменьшает  полярность связи О–Н. Поэтому при взаимодействии спиртов со щелочами алкоголяты практически не образуются:

 
(равновесие этой реакции  сдвинуто влево, 
т.к. соли спиртов в воде гидролизуются)

Кроме того, спирты способны вытеснять углеводороды, которые  можно рассматривать как еще  более слабые кислоты, из их солей:

R–OH + R'MgBr 

 R'H + Mg(OR)Br

 

Кислотность одноатомных  спиртов убывает в ряду: 
 
       CH₃OH > первичный > вторичный > третичный

Многоатомные  спирты с ОН-группами у соседних атомов углерода (этиленгликоль, глицерин и т.п.) вследствие взаимного влияния атомов (-I-эффект ОН-групп) являются более сильными кислотами, чем одноатомные спирты. Они образуют соли не только в реакциях с активными металлами, но и под действием их гидроксидов:

2HO–CH₂CH₂–OH + 4Na 

 2NaO–СH₂CH₂–ONa + 2H₂ 
HO–CH₂CH₂–OH + 2NaOH   NaO–CH₂CH₂–ONa + 2H₂O

 

 

 

 

 

 

 

6.2 Образование  сложных эфиров

Спирты вступают в реакции  с минеральными и органическими  кислотами, образуя сложные эфиры. Реакция обратима (обратный процесс  – гидролиз сложных эфиров).

 

Реакционная способность  одноатомных спиртов в этих реакциях убывает от первичных к третичным.

Фенолы не образуют сложные  эфиры в реакциях с кислотами. Для этого используются более  реакционноспособные производные кислот (ангидриды, хлорангидриды).