Структура гидроксила (ОН), ионные и функциональные группы / химия | Thpanorama — Сделайте себя лучше уже сегодня!

Основные свойства

Из-за неподеленной электронной пары на азоте амины выражают основные свойства. Основность возрастает в следующем ряду:

Ароматические амины>аммиак>алифатические амины

По мере увеличения электронной плотности на азоте основность увеличивается.

Амины взаимодействуют с органическими, минеральными кислотами, аминокислотами. В результате образуются соли.

СН3-СН2-СН2—СН2-NH2 HCl → [СН3-СН2-СН2-СН2-NH3] Cl-

2СН3-СН2-СН2-СН2-NH2 FeCl2 2 H2O → 2 [СН3-СН2-СН2-СН2-NH3] Cl- Fe(OH)3

Щелочной гидролиз галогеналканов

При взаимодействии галогеналканов с водным раствором щелочей образуются спирты. Атом галогена в галогеналкане замещается на гидроксогруппу.

1. Взаимодействие с раствором щелочей

При взаимодействии спиртов с  растворами щелочей реакция практически не идет, т. к. образующиеся алкоголяты почти полностью гидролизуются водой.

Равновесие в этой реакции так сильно сдвинуто влево, что прямая реакция не идет. Поэтому спирты не взаимодействуют с растворами щелочей.

Многоатомные спирты также не реагируют с растворами щелочей.

2. Взаимодействие с металлами (щелочными и щелочноземельными)

Спирты взаимодействуют с активными металлами (щелочными и щелочноземельными). При этом образуются алкоголяты. При взаимодействии с металлами спирты ведут себя, как кислоты.

Видеоопыт взаимодействия спиртов (метанола, этанола и бутанола) с натрием можно посмотретьздесь.

Алкоголяты под действием воды полностью гидролизуются с выделением спирта и гидроксида металла.

Гидратация алкенов

Гидратация (присоединение воды) алкенов протекает в присутствии минеральных кислот. При присоединении воды к алкенам образуются спирты.

Гидратация алкенов также протекает по ионному (электрофильному) механизму.

Для несимметричных алкенов реакция идёт преимущественно по правилу Марковникова.

1. Взаимодействие с галогеноводородами

При взаимодействии спиртов с галогеноводородами группа ОН замещается на галоген и образуется галогеналкан.

Видеоопыт взаимодействия этилового спирта с бромоводородом можно посмотреть здесь.

Многоатомные спирты также, как и одноатомные спирты, реагируют с галогеноводородами.

3. Этерификация (образование сложных эфиров)

Одноатомные и многоатомные спирты вступают в реакции с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры.

Многоатомные спирты вступают в реакции этерификации с органическими и неорганическими кислотами.

Окисление спиртов

Реакции окисления в органической химии сопровождаются увеличением числа атомов кислорода (или числа связей с атомами кислорода) в молекуле и/или уменьшением числа атомов водорода (или числа связей с атомами водорода).

В зависимости от интенсивности и условий окисление можно условно разделить на каталитическое, мягкое и жесткое.

Типичные окислители — оксид меди (II), перманганат калия KMnO4, K2Cr2O7, кислород в присутствии катализатора.

Легкость окисления спиртов уменьшается в ряду:

метанол < первичные спирты < вторичные спирты < третичные спирты

Продукты окисления многоатомных спиртов зависят от их строения. При окислении оксидом меди многоатомные спирты образуют карбонильные соединения.

1. Окисление оксидом меди (II)

Cпирты можно окислить оксидом меди (II) при нагревании. При этом медь восстанавливается до простого вещества. Первичные спирты окисляются до альдегидов, вторичные до кетонов, а метанол окисляется до метаналя.

Видеоопыт окисления этанола оксидом меди (II) можно посмотреть здесь.

Третичные спирты окисляются только в жестких условиях.

2. Окисление кислородом в присутствии катализатора

Cпирты можно окислить кислородом в присутствии катализатора (медь, оксид хрома (III) и др.). Первичные спирты окисляются до альдегидов, вторичные до кетонов, а метанол окисляется до метаналя.

Видеоопыт каталитического окисления этанола кислородом можно посмотреть здесь.

Третичные спирты окисляются только в жестких условиях.

3. Жесткое окисление

При жестком окислении под действием перманганатов или соединений хрома (VI) первичные спирты окисляются до карбоновых кислот, вторичные спирты окисляются до кетонов, метанол окисляется до углекислого газа.

Третичные спирты окисляются только в жестких условиях (в кислой среде при высокой температуре) под действием сильных окислителей: перманганатов или дихроматов. При этом происходит разрыв углеродной цепи и могут образоваться углекислый газ, карбоновая кислота или кетон, в зависимости от строения спирта.

4. Горение спиртов

Образуются углекислый газ и вода и выделяется большое количество теплоты.

CnH2n 1ОН 3n/2O2 → nCO2 (n 1)H2O Q

2CH3OH 3O2 = 2CO2 4H2O

Алкилирование (взаимодействие с галогеналканами) аммиака

При недостатке аммиака образуется соль. При ее взаимодействии с щелочью получается амин.

СН3-СН2-СН2-СН2-Br NH3 → [СН3-СН2-СН2-СН2-NH3]Br

[СН3-СН2-СН2-NH3]Br KOH → СН3-СН2-СН2 -NH2 H2O KBr

При избытке аммиака амин образуется сразу.

R-Br 2 NH3 → R-NH2 NH4Br

Аминокислоты

Аминокислоты – элементарная структура белков, из которых состоят все тела животных. Аминокислоты включают две функциональные группы – аминогруппу (-NH2) и карбоксильную группу (-СООН). Эти две группы не соединены между собой непосредственно.

Общая формула аминокислот

Для аминокислот характерна оптическая изомерия. Белки включают только α-аминокислоты. На нашей планете существует только 20 аминокислот, из которых строится все живое.

Аминокислоты – амфотерные соединения, которые могут реагировать как по карбоксильной группе, так и по аминогруппе.

Аминокислоты. Источник

Виды сложных эфиров

Сложные эфиры классифицируются на несколько видов.

С5Н11-С(О)О-СН3 – метиловый эфир пентановой кислоты

С2Н5-С(О)О-С3Н7 – пропиловый эфир этиловой кислоты

СН3-(СН2)14-С(О)О-(СН2)29-СН3 – мирициловый эфир пальмитиновой кислоты (один из компонентов пчелиного воска)

СН3-(СН2)14-С(О)О-(СН2)15-СН3 – цетиловый эфир пальмитиновой кислоты (основной компонент спермацета)

Жиры отличаются от других представителей класса тем, что они образованы от глицерина ОН-СН2-СН(ОН)-СН2-ОН.

Общая формула жиров

Водородные мосты

Группа ОН позволяет молекулам, имеющим ее, взаимодействовать друг с другом посредством водородных связей. Сами по себе они не сильны, но по мере увеличения числа ОН в структуре соединения их эффекты множатся и отражаются на физических свойствах того же самого вещества..

Поскольку эти мостики требуют, чтобы их атомы встречались друг с другом, атом кислорода группы ОН должен образовывать прямую линию с водородом второй группы.

Это приводит к очень специфическим пространственным расположениям, таким как те, которые находятся в структуре молекулы ДНК (между азотистыми основаниями).

Кроме того, число групп ОН в структуре прямо пропорционально сродству воды к молекуле или наоборот. Что это значит? Например, сахар, хотя он имеет гидрофобную углеродную структуру, большое количество ОН-групп делает его очень растворимым в воде.

Однако в некоторых твердых веществах межмолекулярные взаимодействия настолько сильны, что они «предпочитают» оставаться вместе до растворения в определенном растворителе..

Водородные связи и физические свойства спиртов

Спирты образуют межмолекулярныеводородные связи.Водородные связи вызывают притяжение и ассоциацию молекул спиртов:

Поэтому спирты – жидкости с относительно высокой температурой кипения (температура кипения метанола 64,5оС). Температуры кипения многоатомных спиртов и фенолов значительно выше.

Таблица. Температуры кипения некоторых спиртов и фенола.

Водородные связи образуются не только между молекулами спиртов, но и между молекулами спиртов и воды. Поэтому спирты очень хорошо растворимы в воде. Молекулы спиртов в воде гидратируются:

Низшие спирты (метанол, этанол, пропанол, изопропанол, этиленгликоль и глицерин) смешиваются с водой в любых соотношениях.

Вредное воздействие аминов

Практически все амины ядовиты. Ароматический амин анилин проникает через кожу, окисляет гемоглобин, угнетает работу центральной нервной системы. Его действие может привести к гибели.

Отравление можно выявить по следующим признакам:

Первая помощь:

Алифатические амины оказывают негативное влияние на нервную систему, нарушают работу печени, развивают дистрофию. Некоторые ароматические амины — канцерогены, способные вызвать рак мочевого пузыря. Опасны даже пары аминов.

Гомологический ряд

Первое соединение гомологического ряда – метановая кислота. Она входит в состав выделений муравьев. Медведи после зимней спячки часто ложатся на муравейник, чтобы муравьи своей кислотой убивали паразитов, скопившихся в мехе за зиму.

Гомологический ряд карбоновых кислот.

Смесь капроновой, каприловой и каприновой кислот содержится в козьем молоке.

Гомологический ряд альдегидов и кетонов

Ряд альдегидов начинается с соединения с одним углеродным атомом – с метаналя. Он содержится во многих природных объектах, например, в деревьях. Характерный запах новой мебели – это запах метаналя, который при больших концентрациях опасен для здоровья человека и животных.

Гомологический ряд кетонов начинается с пропанона. Это соединение широко известен как хороший растворитель. Ацетон характеризуется резким характерным запахом.

Ион гидроксил

Хотя ион и гидроксильная группа очень похожи, их химические свойства очень разные. Гидроксильный ион является чрезвычайно сильным основанием; то есть он принимает протоны, даже силой, чтобы стать водой.

Почему? Потому что это неполная молекула воды, отрицательно заряженная и жаждущая дополнения протоном.

Типичная реакция для объяснения основности этого иона заключается в следующем:

R-OH OH- => R-O- H2О

Это происходит, когда основной раствор добавляется к алкоголю. Здесь алкоксидный ион (RO-) немедленно связывается с положительным ионом в растворе; то есть катион Na (Парша).

Поскольку группа ОН не нуждается в протонировании, она является чрезвычайно слабым основанием, но, как видно из химического уравнения, она может отдавать протоны, хотя только на очень сильных основаниях..

Также стоит упомянуть нуклеофильный характер ОН-. Что ты имеешь ввиду? Так как это очень маленький отрицательный ион, он может быстро двигаться, чтобы атаковать положительные ядра (не атомные ядра).

Эти положительные ядра являются атомами молекулы, которые страдают от электронного дефицита из-за их электроотрицательной среды.

Качественная реакция на многоатомные спирты

Качественная реакция – химическое превращение, которое сопровождается характерными признаками. С ее помощью можно распознать определенное вещество.Строение многоатомных спиртов, т.е. присутствие в молекуле нескольких гидроксильных групп, обуславливает образование при взаимодействии со свежеполученным осадком гидроксида меди (II) растворимых в воде комплексов василькового цвета.

Строение одноатомных спиртов такая качественная реакция не подтверждает.

Классификация аминов

Группировка по количеству радикалов

Основные свойства соотносятся с количеством электронной плотности на азоте. Чем плотность выше, тем основность выше. Но у третичных аминов обилие радикалов создает пространственные затруднения, поэтому их основные свойства ослаблены.

Группировка по строению органического радикала

Классификация по строению углеводородного радикала

• Предельные спирты – группа ОН соединена с предельным радикалом. Например, пропанол-1: СН₃–СН₂–СН₂–ОН.
• Непредельные спирты – группа ОН соединена с непредельным радикалом. Например, алкенолы: СН₂=СН–СН₂–ОН.

Непредельные спирты, в которых гидроксильная группа соединена с атомом углерода при двойной связи (алкенолы), неустойчивы и изомеризуются в соответствующие карбонильные соединения.

• Ароматические спирты – содержат в радикале ароматическое кольцо, не связанное непосредственно с группой ОН. Например, бензиловый спирт.

Моносахариды

Моносахариды, или монозы – гетерофункциональные соединения, которые включают одну альдегидную или кетонную группу и гидроксильные группы. Моносахариды классифицируются на альдегидоспирты и кетоспирты.

Классификация моносахаридов

Кристаллические монозы при растворении в воде показывают свою оптическую активность. Если в течение первого часа они будут показывать себя как левовращающие, то к концу часа они могут поменять сторону вращения.

Номенклатура аминов

Согласно международной номенклатуре название представителей этого класса соединений формируется из радикала и суффикса«-амин». Если в соединении несколько радикалов, то они располагаются в названии согласно алфавиту.

Амины также можно назвать как производные аммиака. Для этого к радикалу прибавляется приставка «амино-».

Например, молекула CH3-CH2-СН2-CH2-CH2-CH2-NH2называется 1-аминогексан (гексамин).

Номенклатура спиртов

• По систематической номенклатуре к названию углеводорода добавляют суффикс     «-ОЛ» и цифру, указывающую номер атома углерода, к которому присоединена гидроксильная группа.

Нумерация ведется от ближайшего к ОН-группе конца цепи.

• По радикально-функциональной номенклатуре названия спиртов составляют от названий углеводородных радикалов, соединенных с группой ОН, с добавлением слова «спирт».

Например: СН3ОН – метиловый спирт, С2Н5ОН – этиловый спирт и т.д.

• В названиях многоатомных спиртов количество групп ОН указывают суффиксами -диол в при наличии двух ОН-групп, -триол при наличии трех ОН-групп и т.д. После этого добавляют номера атомов углерода, связанных с гидроксильными группами.

Например, пропандиол-1,2 (пропиленгликоль):

Номенклатура эфиров

Если в простых эфирах R и R’ идентичны, то молекула симметрична, а если различны, то молекула несиметрична. Согласно международной номенклатуре названия простых эфиров формируются с помощью суффикса «-овый» и слова «эфир».

Например, симметричная молекула С2Н5-О-С2Н5 называется диэтиловым эфиром.

В несимметричной молекуле радикалы располагаются по алфавиту. Например, молекула СН3-О-С2Н5 называется метилэтиловым эфиром.

Согласно систематической номенклатуре в сложных эфирах в спиртовом радикале суффикс заменяется на «-оат». В названиях сложных эфиров присутствуют название кислотного аниона и спиртового радикала.

Строение сложных эфиров

Например, C2H5-C(O)O-CH3 – метилэтаноат. С2Н5-С(О)О-С2Н5 – этилэтаноат.

Название соединения в тривиальной номенклатуре  формируется названием спиртового радикала, слова «эфир» и названием кислоты.

Например, C2H5-C(O)O-CH3 также можно назвать как метиловый эфир этановой кислоты, а С2Н5-С(О)О-С2Н5 — этиловый эфир этановой кислоты.

По числу гидроксильных групп:

• одноатомные спирты — содержат одну группу -ОН. Общая формула C_nH_{2n 1}OH или C_nH_{2n 2}O. 

• двухатомные — содержат две группы ОН. Общая формула C_nH_2n(OH)₂ или C_nH_{2n 2}O₂.
• трехатомные спирты — содержат три группы ОН. Общая формула C_nH_2n-1(OH)₃ или C_nH_{2n 2}O₃.

Двухатомные спирты с двумя и тремя гидроксогруппами у одного атома углерода R‒CH(OH)2 или R-C(OH)3 неустойчивы, от них легко отрывается вода и образуется карбонильное соединение.

Полисахариды

Полисахариды – природные углеводы, которые состоят из множества остатков моносахаридов. Для полисахаридов характерна высокая молекулярная масса. Они содержат тысячи остатков моносахаридов, между которыми располагаются гликозидные связи.

Крахмал и целлюлоза

Также в число полисахаридов входит гликоген, который синтезируется в человеческих или животных организмах с помощью биохимических превращений из углеводов растений.Его строение схоже с крахмалом, т.к. он тоже состоит из остатков α-глюкозы.

Получение простых эфиров

Простые эфиры не встречаются в природе, но есть множество химических способов получения эфиров.

С помощью этого способа получают симметричные молекулы. Реакция дегидратации (отщепления молекулы воды) протекает в присутствии минеральной кислоты и при нагревании.

C5H11-OH HO-C5H11 → C5H11-O-C5H11 Н2О

С помощью этого метода можно синтезировать несимметричные молекулы.

С2Н5ONa C3H7Cl → C2H5-O-C3H7 NaCl

Данным способом можно получать циклические соединения класса. Для проведения реакции необходимо нагревание и наличие катализатора.

Применение альдегидов и кетонов

Карбонильные соединения широко применяются во многих отраслях. Им характерна высокая реакционная активность.

Формальдегид применяется для получения пластмасс, формальдегидных смол, а также в производстве лекарств и продуктов органического синтеза и в обработке кож в кожевенной промышленности. При взаимодействии формальдегида и аммиака образуется уротропин – мочегонный препарат. Иногда прессованный уротропин используют как сухое горючее.

Ацетальдегид используется в получении уксусной кислоты, уксусного ангидрида, этилацетата и др.

Ацетон применяется в лакокрасочной промышленности, в производстве ацетатного шелка, пироксилина (бездымного пороха), киноплёнки.

Метаналь в основном используют для получения формальдегидной смолы, которая применяется в производстве пластмасс, клея, лаков.

Ванилин – альдегид, который используют в пищевой промышленности (в особенности при изготовлении выпечки) и парфюмерии. Он имеет характерный сладкий запах.

Цитраль – альдегид с цитрусовым ароматом. Его применяют в качестве отдушки моющих средств и косметики. Цитраль также входит в состав организмов муравьев. Он используется в медицине для понижения давления, а также для изготовления препаратов улучшающих зрение, антисептиков и антибактериальных средств.

Бензальдегид содержится в эфирных маслах и обладает запахом горького миндаля. Он в виде гликозида содержится в семенах миндаля, косточках вишни, абрикоса и персика.

Применение аминов

Амины в свободном виде в природе встречаются редко. Они образуются при гниении органических остатков. В этом процессе синтезируются такие соединения как путресцин и кадаверин.

Путресцин и кадаверин

Для средних представителей гомологического ряда аминов характерен рыбный запах. Запах селедочного рассола определяется триметиламином.

Амины используются также в промышленности. Например, как:

Метиламин – первичный амин. Он применяется в производстве лекарственных препаратов, красителей, пестицидов.

Метиламин

Диэтиламин – вторичный амин. С его помощью получают пестициды, красители, лекарственные препараты, добавки к машинным маслам и т.д. Также он служит сырьем для изготовления веществ от коррозии металлов. Он может отвердевать эпоксидные смолы и играть роль катализатора при вулканизации.

Диэтиламин

Триэтиламин – третичный алифатический амин. Он применяется при получении резин, эпоксидных смол и пенополиуретанов. Из него также производят лекарственные препараты, минеральные удобрения, краски и т.д.

Триэтиламин

Анилин – ароматический амин. Он широко применяется в качестве сырья для получения красителей, лекарственных препаратов, взрывчаток и т.д.

Анилин

Амины образуются в растениях и животных в результате биохимического распада аминокислот под действием ферментов. Они обладают высокой биологической активности.

Амины животного происхождения – серотонин, адреналин, мелатонин, тирамин и др. Амины растительного происхождения – кофеин, кокаин, никотин, хинин и др.

Применение карбоновых кислот

Для муравьиной кислоты характерны антибактериальные свойства, поэтому она применяется в промышленном производстве. Например, потребителям она известна как добавка Е236. Она используется в консервации кондитерских изделий, молочных продуктов, безалкогольной продукции.

Применение муравьиной кислоты

Уксусная кислота применяется при получении красителей, лекарственных препаратов, растворителей лаков. В пищевой промышленности она известна как добавка Е260. Часто она используется при консервации различной продукции.

Применение уксусной кислоты

Масляная (бутановая) кислота используется при лечении заболеваний ЖКТ. Она в кишечнике образует кислую среду, которая подавляет развитие патогенных бактерий. Соли бутановой кислоты применяются в качестве кормовых добавок для животных. Они улучшают иммунную систему, пищеварение, подавляют деятельность многих вредных кишечных микроорганизмов, уменьшают необходимость применения антибиотиков и лекарственных средств.

Молекула масляной кислоты

Щавелевая кислота – непредельная двухосновная карбоновая кислота. Она применяется в синтезе красителей, чернил, пластмасс и т.д. Обладает дезинфицирующими и отбеливающими свойствами, поэтому часто добавляется в синтетические моющие средства. Соли щавелевой кислоты можно синтезировать из листьев щавеля, кислицы, ревеня.

Молекула щавелевой кислоты

Применение полисахаридов

Сложные углеводы широко применяются в промышленности и медицине. Например, крахмал используют при добывании глюкозы и спирта, а также при изготовлении клея пластмасс. Из целлюлозы изготавливают картон, бумагу и вискозу.

Клеточная стенка растений состоит из целлюлозы, а грибов – из хитина. Полисахариды выполняют в организме человека и животных защитную, структурную, запасающую и другие функции.

Сравнительная характеристика крахмала и целлюлозы

Применение спиртов

Метанол, или древесный спирт, опасен для употребления. Он был получен путем перегонки твердых древесных пород. Этот одноатомный спирт недобросовестные производители алкогольных напитков применяют вместо этанола, что провоцирует гибель потребителей. Древесный спирт в организме под влиянием фермента алкогольдегидрогеназы преобразуется в формальдегид и муравьиную кислоту, которые провоцируют слепоту. 50 мл метанола – смертельная доза. Метанол непросто отличить от этанола, т.к. они имеют схожий запах и вид.

Применение метилового спирта

Области применения этилового спирта разнообразны. Этиловый спирт используют в получении синтетического каучука, лекарственных препаратов и применяют как растворитель. Этанол используется в изготовлении алкоголя. При попадании в организм он снижает болевые ощущения, уменьшает торможения в коре головного мозга, ускоряет мочеобразование, провоцирует расширение кровеносных сосудов. При больших количествах этанола происходит его окисление до ацетальдегида, что вызывает тяжелые отравления.

При систематическом употреблении алкоголя снижается работоспособность головного мозга, а клетки печени погибают. Дети и подростки, употребляющие алкоголь, подвержены инфекционным заболеваниям. Продолжительность жизни пьющих людей меньше на 10-12 лет по сравнению с людьми, ведущих здоровый образ жизни.

Применение этилового спирта.

Практическое применение трехатомный спирт глицерин нашел в косметической, медицинской и пищевой промышленности. Он смягчает и успокаивает кожу. Также глицерин входит в состав зубной пасты, что предотвращает ее высыхание.

Применение глицерина

Многоатомный спирт глицерин также применяют в промышленной отрасли для предотвращения кристаллизации продуктов. Его используют как увлажнитель для табака. Он входит в состав клеев и предохраняет их от слишком быстрого высыхания.

Применение эфиров

Простым эфирам характерна химическая инертность, поэтому они могут играть роль растворителя. Эфиры с разветвленными радикалами применяются в качестве антидетонационных добавок в моторных топливах. Также благодаря приятным запахам их можно встретить в парфюмерной продукции.

Сложные эфиры используются в парфюмерной, косметической продукции, пищевой промышленности, производстве лаков, красок, клеев и лекарственных препаратов. Также они могут выступать в роли растворителей.

Применение сложных эфиров. 

Из сложных эфиров низших карбоновых кислот и спиртов, производят различные эссенции, а от ароматических спиртов – парфюмерную продукцию. Воски входят в состав смазочных веществ, кремов и мазей.

В XIX-ХХ веках ученые получили и изучили сложные эфиры, которые легли в основу многих лекарств. В число препаратов из эфиров входят салол, валидол. Раньше в качестве обезволивающего средства использовался метилсалицилат, который на современном рынке вытеснен другими эффективными лекарственными препаратами.

Реакции замещения

Реакция проводится в безводной среде. В воде алкоголяты металлов полностью гидролизуются.

2CH3-CH2-O[H] 2Na → 2CH3-CH2-ONa H2

CH3-O[H HO]-NO2→ CH3-O-NO2 H2O

CH3-CH2-[OH H]Br→ CH3-CH2-Br H2O

Реакция идет при пропускании смеси паров спирта с аммиаком при 300˚С над оксидом алюминия.

CH3-CH2-[OH H]-NH2→CH3-CH2-NH2 H2O

При избытке в спирте алкильных радикалов в молекуле аммиака могут замещаться два или три атома водорода.

2CH3-CH2-[OH H]-NH2 → C2H5-NH-C2H5 2H2O

Реакции нитросоединений

С помощью восстановления нитросоединений синтезируются амины.

СН3-СН2-СН2-СН2-NO2 3H2 →СН3-СН2-СН2-СН2-NH2 2 H2O

СН3-СН2-NO2 3 (NH4)2S → СН3-СН2-NH2 3 S 6 NH3 2 H2O

СН3-СН2-NO2 2 Al 2 KOH 4 H2O → СН3-СН2-NH2 2 K[Al(OH)4]

СН3-СН2-NO2 3 Fe 7 HCl → [СН3-СН2-NH3]Cl 2 H2O 3 FeCl3

В результате образуется соль. При ее взаимодействии с щелочью образуется амин.

[СН3-СН2-NH3]Cl KOH → СН3-СН2-NH2 H2O KCl

Реакции отщепления

CH3-CH2-O[H НО]-СН2-СН3→С2Н5-О-С2Н5 Н2О

CH3-O[H HO]-CH2-CH3→ CH3-O-C2H5 H2O

OH]-CH2-CH2-[H →CH2=CH2 H2O

Для метанола не характерна внутримолекулярная дегидратация. Реакция вторичных и третичных спиртов проходит по правилу Зайцева. Т.е. при отщеплении воды от спирта атом водорода отрывается от соседнего менее гидрированного атома углерода. Например, в молекуле CH3-CH2-CH(OH)

CH3-CH(OH)-CH2-CH3→CH3-CH=CH-CH3 H2O

Реакции присоединения

Данные реакции проходят по двойной связи.

Гидрирование альдегидов приводит к образованию первичных спиртов, а кетонов – вторичных.

Гидратация возможна только для формальдегида и уксусного альдегида. В результате гидратации формальдегида синтезируется гидратная форма, которая существует только при низких температурах.

При взаимодействии спиртов и альдегидов образуются полуацетали, которые существуют только при низких температурах. Реакции протекает при участии катализатора – кислоты или щелочи.

При реакции полуацеталя с еще одной молекулы спирта в присутствии протона Н полуацетальный гидроксил замещается на алкоксильную группу и образуется ацеталь.

Реакция обезвоживания

Группа ОН принимает протоны только в очень кислых средах, вызывая следующую реакцию:

R-OH H => R-O2H

В указанном выражении H кислотный протон, пожертвованный очень кислым видом (H2SW4, HCl, HI и т. Д.). Здесь образуется молекула воды, но она связана с остальной органической (или неорганической) структурой.

Частичный положительный заряд на атоме кислорода вызывает ослабление связи R-O2H , в результате чего высвобождение воды. По этой причине она известна как реакция дегидратации, поскольку спирты в кислой среде выделяют жидкую воду.

Что дальше? Образование того, что известно как алкены (R2C = CR2 или R2C = CH2).

Способы получения спиртов

Существует несколько реакций получения спиртов.

Реакция проходит по правилу Марковникова, т.е. атом водорода присоединяется к более гидрированному атому углерода, а гидроксильная группа – к менее. Например, в молекуле CH3-CH2-CH=CH2 атом водорода Н примыкает к атому углерода, стоящему в СН2 у кратной связи, а гидроксильная группа ОН- – к СН.

Строение простых эфиров

Для атомов углерода  насыщенных простых эфиров характерно состоянии sp3-гибридизации, а в ненасыщенных соединениях – sp2-гибридизации.

Строение молекулы диметилового эфира

Структура

Какова структура гидроксильной группы? Молекула воды угловатая; то есть выглядит как бумеранг. Если вы «обрезаете» один из его концов — или, что то же самое, удаляете протон — могут возникнуть две ситуации: образуется радикал (ОН·) или гидроксильный ион (ОН-). Однако оба имеют линейную молекулярную геометрию (но не электронную).

Очевидно, это потому, что простые связи ориентируют два атома, чтобы они оставались выровненными, но не совпадают с их гибридными орбиталями (согласно теории валентных связей).

С другой стороны, будучи молекулой воды H-O-H и зная, что она угловатая, изменение H на R или Ar приводит к появлению R-O-H или Ar-O-H. Здесь точная область, включающая три атома, имеет угловую молекулярную геометрию, но область двух атомов O-H, является линейной.

Структурная изомерия

Для  спиртов характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета, изомерия положения гидроксильной группы и межклассовая изомерия.

Структурные изомеры — это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.

Изомеры углеродного скелета характерна для спиртов, которые содержат не менее четырех атомов углерода.

Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Спирты являются межклассовыми изомерами с простыми эфирами. Общая формула и спиртов, и простых эфиров — CnH2n 2О.

Изомеры с различным положением группы ОН отличаются положением гидроксильной группы в молекуле. Такая изомерия характерна для спиртов, которые содержат три или больше атомов углерода.

Фенолы

Другим типом спиртов являются ароматические соединения (ArOH). Ar обозначает арильный радикал, который представляет собой не более чем бензольное кольцо с или без алкильных заместителей..

Ароматичность этих спиртов делает их устойчивыми к кислотным атакам протонов; другими словами, они не могут быть обезвожены (пока группа ОН связана непосредственно с кольцом).

Это случай фенола (C6H5ОН):

Фенольное кольцо может быть частью большей структуры, как в аминокислоте тирозин.

Физические свойства альдегидов и кетонов

У соединений этого класса атомы не могут формировать водородные связи. Эта особенность отражается в низких температурах плавления и кипения, по сравнению со спиртами. У кетонов температура плавления и кипения немного выше, чем у альдегидов.

Существование в виде характерно только для формальдегида. Альдегиды с двумя-пятью и кетоны с тремя-четырьмя углеродными атомами – жидкости. Агрегатное состояние высших соединений – твердое. Низшие карбонильные молекулы растворимы в воде, а по мере увеличения углеродной цепи эта способность падает. Все альдегиды и кетоны хорошо растворимы в органических растворителях.

Особенность представителей класса заключается в особенных ароматах. Низшие альдегиды и кетоны отличаются резким запахом, средние имеют неприятный запах, а высшие обладают цветочными ароматами. Альдегиды опасны при вдыхании, т.к. поражают слизистые, а также оказывают негативное влияние на нервную систему.

Формальдегид – опасный для здоровья бесцветный газ. Его можно отличить по резкому запаху. Формальдегид относится к группе веществ раздражающего или слезоточивого действия. Водный раствор 40-% формальдегида – формалин, который обладает дезинфицирующим эффектом и используется для хранения биологических объектов.

Ацетальдегид – бесцветная жидкость с низкой температурой кипения в 21˚С. Обладает запахом зеленой листвы. Негативно влияет на организм человека и животных.

Некоторые альдегиды люди используют как источник витаминов. Например, в пиродоксале содержится витамин В6.

Некоторые насекомые в качестве защиты используют сильные запахи, в состав которых входят альдегиды. Эти соединения оказывают раздражающее действие.

Физические свойства карбоновых кислот

Карбоновые кислоты с одним, двумя и тремя атомами углерода в цепи в нормальных условиях –легкоподвижные жидкости с резким запахом. Соединения с четырьмя-девятью атомами углерода в цепи – жидкости с неприятным запахом, а последующие по гомологическому ряду соединения – твердые вещества без запаха.

Первые три представителя гомологического ряда растворяются с водой в любых соотношениях. По мере увеличения углеродной цепи эта способность падает. Также по гомологическому ряду карбоновых кислот температура кипения и плавления увеличивается, а запах ослабевает. Наличие кратных связей характеризуется меньшими температурами плавления и кипения.

Высокие температуры плавления и кипения связаны с тем, что между молекулами формируются водородные связи. Такая связь более прочная, т.к. она образуется между водородом гидроксильной группы одного соединения и карбонильным кислородом другого.

Физические свойства представителей карбоновых кислот

Муравьиная кислота (НСООН) – прозрачная жидкость с характерным запахом. Температура кипения – 101˚С. Она содержится в выделениях муравьев, соке крапивы и хвое ели. На листьях крапивы находятся иголки с муравьиной кислотой, которые при соприкосновении с кожей ломаются и кислота проникает в организм. Муравьиная кислота оказывает раздражающее действие.

Молекула муравьиной кислоты

Пальмитиновая и стеариновая кислоты – твердые белые вещества. Они нерастворимы в воде, но немного растворимы в органических растворителях.

Молекулы пальмитиновой и стеариновой кислот

Бензойная кислота (С6Н5СООН) – ароматическая кислота, которая легко возгоняется, без превращения в жидкое состояние. Температура плавления – 122,4˚С. При понижении температуры ее пары преобразуются в кристаллы. Для бензойной кислоты характерна низкая растворимость в холодной воде, но высокая – в органических растворителях. Применяется для очистки веществ от примесей от загрязнений.

Молекула бензойной кислоты

Физические свойства простых эфиров

Для простых эфиров не характерно твердое состояние. Диметиловый эфир и метилэтиловый эфир – газы, а все остальные представители класса находятся в жидком состоянии. Простые эфиры кипят при более низких температурах, по сравнению со спиртами. Также им характерен приятный и сладкий запах.

Диэтиловый эфир – бесцветная жидкость, кипящая при температуре 35,5˚С. Он малорастворим в воде, но хорошо растворим в этиловом спирте. Температура воспламенения – 9,4˚С. При взаимодействии с воздухом образуется взрывоопасная смесь. Используется как растворитель. Это ядовитое вещество, которое опасно тем, что вызывает привыкание.

Диэтиловый эфир

Диоксан – хороший растворитель, из-за чего его иногда называют «органической водой». Температура кипения – 101˚С. Диоксан токсичен и ядовит.

1,4-диоксан

Простые эфиры не растворимы в воде. Эта особенность связана с неспособностью образовывать водородные связи. Простые эфиры – отличные растворители.

Физические свойства сложных эфиров

Сложные эфиры, образованные от  низших карбоновых кислот и спиртов, находятся в жидком состоянии. Они обладают приятными запахами и не растворяются в воде. Приятные цветочные и плодовые запахи обусловлены наличием сложных эфиров.

У сложных эфиров более низкие температуры плавления и кипения, чем у карбоновых кислот. Эта особенность связана с отсутствием межмолекулярных водородных связей.

Сложные эфиры, образованные от высших карбоновых кислот и спиртов – воски. У них отсутствуют запахи. Также они совсем не растворимы в воде, но растворимы в органических растворителях. Воски бывают растительными, животными, ископаемыми и синтетическими.

Соты из пчелиного воска

Растительные воски можно встретить на поверхностях листовых пластин, стеблей, плодов. Они защищают от проникания лишней воды, высыхания, попадания микроорганизмов. Наиболее популярный животный воск – пчелиный. Из него насекомые строят соты. Также животный воск находится на шерсти животных. Он предотвращает попадание избыточной влаги на кожу.

Ланолин (воск шерсти животных)

Представитель ископаемых восков – горный воск, который представляет собой минерал из группы нефтяных битумов. Синтетические воски получают на основе нефтяных и смоляных парафинов и их производных.

Химические реакции простых эфиров

Под действием концентрированной кислоты происходит разложение простого эфира.

R-O-R’ HI →R-OH R’-I

В результате данной реакции образуются нестойкие соли оксония.

При хранении простых эфиров на воздухе образуются перекиси.

CH3-O-CH3 O2→ CH3-O-O-CH3

Из-за образованных перекисей в процессе перегонки эфира может произойти взрыв, поэтому особенно важно очищать эфиры перед началом работы.

Химические реакции сложных эфиров

Химические реакции сложных эфиров обусловлены нуклеофильной атакой по атому углерода, находящимся в карбонильной группе, и замещением алкоксигруппы.

При кислотном гидролизе сложный эфир превращается в исходную карбоновую кислоту и спирт. Реакция проходит в присутствии минеральной кислоты.

CH3-C(O)O-C2H5 H2O → CH3COOH C2H5OH

При щелочном гидролизе образуются соль карбоновой кислоты и спирт. Данная реакция необратима.

CH3-C(O)O-C2H5 NaOH→ CH3-C(O)ONa C2H5OH

Следует обратить внимание на то, что кислотный гидролиз обратим.

В процессе гидрирования образуются две молекулы спирта. Реакция идет при наличии катализатора.

C2H5-C(O)O-C2H5 2H2→ 2C2H5OH

CH3-C(O)O-C2H5 2H2→ CH3OH C2H5OH

При взаимодействии сложных эфиров и аммиака образуются амиды кислот и спирты.

C2H5-C(O)O-C3H7 NH3→ C2H5-C(O)NH2 C3H7OH

2СН3-С(О)О-СН3 7О2→2СО2 6Н2О

Химические реакции углеводов – дисахаридов

Гидролиз дисахаридов проходит в присутствии кислот или ферментов. В ходе реакции дисахарид расщепляется на моносахариды. При этом происходит процесс инверсии (обращения). Смесь с равными молярных количествах компонентов включает вещества с разными вращениями.

Природный инвертный сахар – мед.

Восстанавливающие дисахариды вступают в реакцию «серебряного зеркала».

Химические свойства моносахаридов

В зависимости от характера реагента в реакцию вступают линейная или циклическая форма.

Восстановление

Взаимодействие с бромной водой:

Взаимодействие с аммиачным раствором оксида серебра (качественная реакция на альдегиды):

Взаимодействие с гидроксидом меди:

Взаимодействие с реактивом Фелинга:

Взаимодействие с сильным окислителем – концентрированной азотной кислотой:

Щелочи с высокой концентрацией вызывают осмоление сахаров. При взаимодействии с разбавленным раствором щелочи образуется ендиол.

В растворе глюкозы, хранящемся в стеклянной склянке, через 5 суток хранения будет 66,5 % глюкозы, 31 % фруктозы и 2,5 % монозы. Такой же процесс происходи и в живых организмах, но под действием ферментов.

В мягких условиях алкилирование протекает только у той гидроксильной группы, где связь самая непрочная (при полуацетальном гидроксиле).

Спиртовое брожение протекает в присутствии дрожжей:

С6Н12О6→ 2 С2Н5ОН 2 СО2

Молочнокислое брожение протекает в присутствии молочнокислых бактерий:

С6Н12О6 → 2 СН3-СН(ОН)-СООН

В результате маслянокислого брожения образуется масляная кислота.

С6Н12О6 → СН3-СН2-СН2-СООН 2 СО2 2 Н2

Химические свойства полисахаридов

Гидролиз полисахаридов протекает в разбавленных минеральных кислотах. Эта реакция характеризуется разрывом гликозидных связей.

(C6H10O5)n n H2O → n C6H12O6

Гидролиз крахмала и целлюлозы до глюкозы («осахаривание») и ее брожение используются в производстве этанола, некоторых кислот и других продуктов.

Электронное строение предельных одноатомных спиртов | химия онлайн