Многоатомные спирты

Одна гидроксильная группа придаёт спиртам характерные свойства. Если таких групп несколько, меняются взаимодействия с водой, межмолекулярные связи и возможности химических превращений. В школьном курсе важнейшие примеры — этиленгликоль и глицерин. Чтобы сравнивать их правильно, нужно считать группы OH отдельно от атомов углерода и учитывать их расположение.

Что означает многоатомность

Многоатомные спирты содержат две или более спиртовые гидроксильные группы OH в молекуле. Каждая такая группа связана с насыщенным атомом углерода. Двухатомные спирты называют диолами, трёхатомные — триолами.

Число групп OH определяет атомность спирта. Число атомов C, напротив, характеризует углеродный скелет. Поэтому молекула с тремя атомами углерода может быть одноатомным спиртом, а молекула с двумя C — двухатомным.

Для простых предельных ациклических спиртов с k группами OH используют запись C_nH_2n+2−k(OH)_k. После подсчёта всех атомов получается C_nH_2n+2O_k. Эта общая формула ограничена указанным строением и сама по себе не определяет класс: в молекуле с тем же составом кислород может входить в другие группы.

Этиленгликоль и глицерин

Этиленгликоль имеет систематическое название этан-1,2-диол. Его две группы OH находятся у соседних атомов C:

HO–CH₂–CH₂–OH; C₂H₆O₂.

Глицерин, или глицерол, — пропан-1,2,3-триол. В его молекуле три группы OH:

HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH; C₃H₈O₃.

В названии пропан-1,2,3-триол три числа показывают положения OH, а приставка три- — их количество. Первичность и вторичность характеризуют окружение отдельных атомов C с OH: у глицерина две группы находятся при первичных C, одна — при вторичном. Называть его «третичным спиртом» из-за трёх групп неверно.

Физические свойства

Этиленгликоль и глицерин при комнатной температуре — бесцветные вязкие жидкости, хорошо смешивающиеся с водой. Несколько OH позволяют образовывать множество водородных связей с соседними молекулами и водой. Это помогает объяснить высокие температуры кипения по сравнению с близкими по строению углеводородами.

Растворение не означает распада молекул на свободные ионы металла и OH⁻. В молекуле глицерина вообще нет металла, а группы C–OH связаны ковалентно. Вязкость и хорошая растворимость двух рассмотренных веществ также не доказывают, что все многоатомные спирты обязательно жидкие или неограниченно растворимы: важны размер скелета и полное строение.

Этиленгликоль применяют как химическое сырьё и компонент технических теплоносителей, глицерин — в различных композициях и синтезе. Сходство внешнего вида не означает взаимозаменяемости: например, этиленгликоль токсичен.

Реакции гидроксильных групп

Как и одноатомные спирты, многоатомные способны взаимодействовать с активными металлами с замещением водорода O–H и выделением H₂. Для полного замещения обоих таких H этиленгликоля в принятой стехиометрической модели:

HO–CH₂–CH₂–OH + 2Na → NaO–CH₂–CH₂–ONa + H₂↑.

Для полного замещения трёх гидроксильных H глицерина:

2C₃H₅(OH)₃ + 6Na → 2C₃H₅(ONa)₃ + 3H₂↑.

Отдельные группы могут превращаться последовательно; результат зависит от соотношения веществ. Водород при C в этих схемах не заменяется. Если присутствует вода, она также реагирует с натрием, поэтому расчёт для чистого спирта требует соответствующего условия.

Группы OH участвуют и в образовании сложных эфиров с карбоновыми кислотами. У глицерина возможна этерификация одной, двух или трёх OH. При полном взаимодействии с высшими карбоновыми кислотами возникают триэфиры, к которым относятся компоненты природных жиров. Наличие трёх групп не означает, что в любой смеси автоматически образуется только один продукт полного превращения.

Комплексообразование с медью(II)

Этиленгликоль и глицерин могут образовывать растворимые интенсивно синие комплексы меди(II) в подходящей щелочной среде. Важную роль играет расположение групп, способных совместно связывать ион металла.

В школьном наблюдении голубой гидроксид меди(II) растворяется с образованием более интенсивно окрашенного раствора. Это используют как качественный признак для ряда многоатомных спиртов с подходящим расположением OH, в частности у соседних атомов C.

Не следует объявлять этот признак доказательством любой молекулы с двумя произвольно расположенными OH. Комплексы образуют также другие соединения; состав и окраска зависят от среды. Единую неизменную формулу «глицерата меди» для всех условий вводить не нужно. Образование синего комплекса также отличается от восстановления Cu(II) до красного Cu₂O при взаимодействии с некоторыми другими органическими веществами.

Горение

При полном сгорании углерод переходит в CO₂, водород — в воду. Для глицерина:

2C₃H₈O₃ + 7O₂ → 6CO₂ + 8H₂O.

В исходных молекулах уже есть кислород; добавочный O₂ рассчитывают после учёта этих атомов. Многоатомность сама по себе не задаёт одну универсальную реакцию окисления: частичные превращения разных OH зависят от условий.

Три разобранных примера

1. Как получить молекулярную формулу?

В HO–CH₂–CH₂–OH четыре H находятся при углеродах и ещё два — в OH. Поэтому формула этиленгликоля C₂H₆O₂, а не C₂H₄O₂.

M ≈ 2 · 12 + 6 · 1 + 2 · 16 = 62 г/моль.

2. Сколько водорода соответствует глицерину?

Для 9,2 г чистого глицерина при полном замещении всех трёх гидроксильных H и достаточном количестве Na:

n(глицерина) = 9,2 / 92 = 0,10 моль.

n(H₂) = 3/2 · 0,10 = 0,15 моль; m(H₂) ≈ 0,30 г.

Коэффициент 3/2 следует из трёх групп OH, а не из общего числа восьми H молекулы.

3. Кислород для полного сгорания

По уравнению горения на два моля глицерина приходится семь молей O₂. Для 0,20 моль:

n(O₂) = 0,20 · 7/2 = 0,70 моль.

Количество CO₂ при этом равно 0,60 моль, что соответствует трём атомам C в молекуле исходного спирта.

Частые ошибки

• Не учитывать водород самих OH при подсчёте состава.
• Называть глицерин третичным спиртом по числу OH.
• Считать многоатомные спирты щёлочами из-за нескольких OH.
• Распространять один цветовой признак на все соединения без учёта строения и среды.

Пять заданий

1. Сколько групп OH содержит пропан-1,3-диол и какова его молекулярная формула?
2. Почему глицерин не называют трёхосновной щёлочью?
3. Сколько H₂ соответствует полному замещению гидроксильного водорода 0,20 моль этиленгликоля?
4. Почему появление интенсивно синего комплекса меди(II) нельзя считать универсальным доказательством любого диола?
5. Найдите количество вещества глицерина в 18,4 г чистого вещества. Каково соответствующее количество групп OH?

Ответы с объяснениями

1. Две OH; HO–CH₂–CH₂–CH₂–OH имеет C₃H₈O₂. Группы здесь не при соседних C.
2. Это молекулярный спирт с ковалентными группами C–OH. Он не состоит из катионов металла и свободных OH⁻.
3. Два гидроксильных H одной молекулы дают один H₂:

   n(H₂) = 0,20 моль.

4. Комплексообразование зависит от взаимного расположения OH и условий; другие соединения тоже могут образовывать окрашенные комплексы.
5. При M ≈ 92 г/моль:

   n(глицерина) = 18,4 / 92 = 0,20 моль.

   Количество групп OH втрое больше: 0,60 моль групп.

Связанные темы и источники

Сравните одноатомные спирты, фенол и жиры и сложные эфиры.

Для проверки фактов: IUPAC: спирты; МГТУ им. Н. Э. Баумана: органическая химия, многоатомные спирты.