post

Хидроксилни производни – алкохоли и феноли

Хидроксилните производни са органични съединения, производни на въглеводородите, в чиято молекула един или няколко водородни атома са заменени с хидроксилна група (-ОН). В зависимост от вида на въглеводородния остатък хидроксилните производни могат да бъдат алкохоли (C2H5-OH етанол) или феноли (C6H5-OH – фенол).

Алкохолите са хидроксилни производни, в които хидроксилната група е свързана с наситен или ненаситен въглеводороден остатък, а при фенолите хидроксилната група е директно свързана с бензеновото ядро. Съществуват и ароматни алкохоли, при които бензеновото ядро е част от въглеводородната верига, но не е пряко свързана с хидроксилната група.

типични представители на клас хидроксилни производни

типични представители на клас хидроксилни производни – етанол (обикновен спирт, етилов алкохол) и фенол

В зависимост от броя на хидроксилните групи, тези съединения могат да бъдат съответно моно-, ди-, три- и полихидроксилпроизводни.

ди- и трихидроксил производни

ди- и трихидроксил производни

Хидроксилните производни, съдържащи две хидроксилни групи, при един и същи въглероден атом, се наричат близначни диоли и са нестабилни, защото се дехидратират до съответните карбонилни съединения. Ако хидроксилната група е свързана с първичен въглероден атом, то това е първичен алкохол. Респективно се говори за вторичен и третичен алкохол, ако функционалната група е свързана с вторичен или третичен въглероден атом.

Наименования и изомерия

Названията на хидроксилните производни по IUPAC се образуват от наименованията на съответните въглеводородни остатъци и наставката -ол, като тя при двувалентните алкохоли се заменя от наставката -диол, а при тривалентните алкохоли с наставката -триол.

В съединенията, в които хидроксилната група не е главна по старшинство, в наименованието на съединението се включва представката хидрокси-, за да обозначи наличието на същата група. В този случай, ако имаме две, три или повече хидроксилни групи се използват съответно представките дихидрокси-, трихидрокси- и т. н. Същите представка и наставка се използват за наименоването на фенолите.

Мястото на хидроксилната група във въглеводородната верига се означава с арабско число пред наименованието, като номерирането започва от онзи край на въглеводородната верига, до който най-близо се намира хидроксилната група. Освен названия по номенклатура, хидроксилните производни притежават тривиални наименования. Например: етанолът – обикновен спирт, етандиолът – гликол, пропантриолът – глицерол (глицерин) и пр.

Хидроксилните производни могат да проявяват както структурна, така и пространствена изомерия. Лесно могат да бъдат дадени примери за верижни и позиционни изомери, а също така и за функционални изомери. Като частен случай на функционалната изомерия може да се разглежда енолната тавтомерия, при която алкенолите с хидроксилни групи непосредствено свързани с въглероден атом в sp2– хибридно състояние, изомеризират в съответните карбонилни съединения. Повече информация за изомерията може да бъде намерена в едноименната ни публикация Изомерия.

Строеж на хидроксилни производни

Хидроксилната група съдържа само две прости ковалентни връзки. Едната е между кислородния и водородния атом, а другата между кислородния и въглеродния атом от въглеводородната верига. В молекулите на алкохолите, кислородният атом е в sp3 хибридно състояние и притежава две хибридни атомни орбитали с неподелени електронни двойки на тях.

В молекулите на фенолите, кислородният атом от хидроксилната група е в sp2 хибридно състояние, като едната p-AO остава нехибридизирана и заема перпендикулярно положение в пространството, спрямо равнината на бензеновия пръстен. Тя се спряга с p-AO на въглеродния атом от бензеновото ядро, което определя наличието на положителен мезомерен ефект (+М/ ефект на спрягане) и съответно разлика между свойствата на алкохоли и феноли.

Докато алкохолите могат да образуват междумолекулни водородни връзки, то за фенолите това не е характерно, заради наличието на споменатия мезомерен ефект. И при двата вида съединения се наблюдава отрицателен индукционен ефект (-I), причинен от кислородния атом. Той обаче при фенолите може да бъде игнориран, защото е значително по-слаб от противоположния по посока ефект на спрягане.

Натрупването на хидроксилните групи при ди-, три- и поливалентните алкохоли намалява положителния индукционен ефект на въглеводородния остатък и прави водородните атоми в самите хидроксилни групи по-подвижни.

Мезомерният ефект при фенолите повишава електронната плътност на орто- и пара- позиция в бензеновия пръстен, което прави тези участъци по-реактивоспособни и при реакции радикалите се ориентират точно там.

Хомоложни редове

Както в повечето органични съединения, така и хидроксилните производни могат да бъдат подредени и да образуват хомоложни редове по нарастване на молекулната си маса. Всеки представител от дадения хомоложен ред се различава от предхождащото го съединение и от това след него с една метиленова група =CH2.

Едни от основните хомоложни редове са: на наситените едновалентни първични алкохоли, на наситените двувалентни алкохоли, на наситените тривалентни алкохоли и на едновалентните феноли. На същия принцип могат да бъдат образувани хомоложни редове и на изомерите на гореизброените съединения.

Физични свойства на алкохоли и феноли

Нисшите алкохоли са течности, а средните и висшите алкохоли и фенолите са твърди вещества със специфична, често приятна миризма. По-високите плътност, температура на топене и температура на кипене при алкохолите от съответните им въглеводороди, се определят от наличието на междумолекулни водородни връзки.

Най-добре разтворими във вода са поливалентните алкохоли с къси въглеводородни остатъци. Също така отлично разтворими във вода са моно-, ди- и тривалентните алкохоли. При нарастване на въглеводородния остатък намалява разтворимостта във вода и се засилва тази в органични разтворители.

Фенолите при обикновени условия не са толкова добре водоразтворими, заради спрягането на електронната двойка на кислорода в бензеновото ядро. Въпреки това при температури около 70 градуса по Целзий фенолът е добре разтворим във вода, като в миналото получения разтвор от карболова киселина се е използвал за дезинфекция. Нисшите алкохоли могат да служат и като добри разтворители на множество органични и неорганични съединения.

Химични свойства

Химични свойства характерни за алкохоли и феноли

1.) Киселинно-основни свойства

Алкохолите и фенолите проявяват амфотерни свойства, т.е. те са едновременно и киселини и основи. Полярността на връзката кислород – водород е най-голяма при фенолите, което ги прави малко по-силни киселини от водата. Във воден разтвор те образуват фенолатен анион солватиран от хидроксониеви катиони.

C6H5OH + H2O → H3O+ + C6H5O (фенолатен анион)

Получената киселина е по-слаба от въглеродната. При взаимодействие с алкални метали, хидроксилните производни образуват соли – алкохолати и фенолати.

2C6H5OH + 2Na → H2 + 2C6H5ONa (натриев фенолат)

2C2H5OH + 2Na → H2 + 2C2H5ONa (натриев етилат)

Във воден разтвор фенолатите се хидролизират значително, а алкохолатите напълно.

Основните свойства са в резултат от наличието на неподелени електронни двойки при кислородния атом. Алкохолите взаимодействат само със силни киселини при това обратимо и образуват алкилоксониеви соли, които са нетрайни. Основните свойства на фенолите са по-слаби дори от тези на алкохолите.

C4H9OH + HCl → C4H9OH2+Cl (бутилоксониев хлорид)

2.) Естерификация

При взаимодействие на хидроксилни производни и кислородсъдържащи киселини се получават съединения наречени естери и се отделя вода, а процесът носи названието естерефикация. Естерефикацията е молекулен, бавен и обратим процес, който се катализира от водородни катиони, които най-често се осигуряват от катализатор концентрирана сярна киселина. Мехазизмът на реакцията не е еднакъв винаги. При взаимодействие с карбоксилна киселина водата се образува от хидроксилната група на карбоксилната киселина.

C2H5OH + HO-C(O)CH3 → H2O + C2H5OOCCH3 (етилацетат)

Когато естерефицирането се извършва с неорганична оксокиселина, водата се образува от хидроксилната група на алкохола. Някои от получените естери на неорганичните киселини имат стопанско значение.

C2H5OH + H-NO3 → H2O + C2H5ONO2 (етилов естер на азотната киселина)

3.) Окисление

При химично взаимодействие с разредени разтвори на окислители първичните алкохоли се окисляват до алдехили, а вторичните до кетони.

C2H5OH + KMnO4 → H3C-C(O)H (етанал) + H2O

При по-силни окислители, получените алдехиди се окисляват до киселини, а кетоните до смеси от киселини. Фенолите се окисляват лесно и се получават дву- и тривалентни феноли. Дву- и поливалентните алкохоли се окисляват до дикарбоксилни и поликарбоксилни киселини.

HO-H2C-CH2-OH (гликол) + KMnO4 → HOОC-CОOH + 2H2O

4.) Горене

C2H5OH + 3O2 → 3H2O + 2CO2

5.) Поликондензация

Процесът е подобен на полимеризацията, при който в следствие на многократно взаимодействие на нискомолекулни вещества, се получава високомолекулен полимер и се отделя нискомолекулен продукт (най-често вода).

Химични свойства характерни само за алкохоли

1.) Дехидриране. При пропускане на пари на алкохоли през мед с голяма повърхност се наблюдава дехидриране до карбонилни производни.

C2H5OH + Cu → H3C-C(O)H (етанал)

Дехидрирането на вторичен алкохол дава кетон.

2.) Дехидратиране. Обезводняването се извършва в силно кисела среда, обикновено в присъствие на сярна киселина и се получават смеси от етери и алкени. Ако температурата е по-висока от 140 градуса по Целзий получават се предимно алкени.

C2H5OH → H2C=CH2 + H2O

2C2H5OH → C2H5-O-C2H5 + 2H2O

3.) Заместителни реакции – те могат да касаят както функционалната група, така и атоми във въглеводородните остатъци.

C2H5OH + HNH2 → C2H5NH2 + H2O

4.) Качествени реакции – това са такива реакции, които са специфични за дадено вещество и могат да послужат за неговата детекция и доказване. Например йодоформената реакция доказва наличието на етанол. Глицеролът взаимодейства с меден хидроксид и се получава куприглицерат.

Химични свойства характерни само за феноли

1.) Заместителни реакции

заместване в бензеновото ядро на фенол

заместване на водородни атоми с бромни в бензеновото ядро на фенол

2.) Присъединителни реакции

присъединяване на водород към бензеновото ядро на фенол

присъединяване на водород към бензеновото ядро на фенол

3.) Още реакции на хидроксилната група

взаимодействие на хидроксилната група с алкални основи

взаимодействието на хидроксилната група с алкални основи демонстрира киселинния характер на фенола

Получаване на алкохоли и феноли

1.) Хидролиза на халогеннопроизводните.
C2H5Br + H2O → C2H5OH + HBr

C6H5Cl + H2O → C6H5OH + HCl

2.) Хидратация на алкени в кисела среда.
CH2=CH2 + H2O → CH3-CH2-ОН

3.) Хидролиза на естери в кисела среда.
R1C(O)-O-R2 + H2O → R1COOH + R2-OH

4.) Получаване на гликол.
Br-CH2-CH2-Br + 2KOH → HO-CH2-CH2-ОН

5.) Получаване на глицерол при осапунване.
R-CH2-CH(R)-CH2-R + 3NaOH → HO-CH2-CH(ОН)-CH2-ОН + 3RCOONa

5.) Биохимичен и биотехнологичен синтез на етанол.

Това е една от най-старите форми за производство на алкохол. Още в древността този метод е използван за производство на вино и бира. От суровина съдържаща глюкоза и фруктоза, в присъствието на ензими от дрожди (сем.Saccharommycetaceae) се създават условия за алкохолна ферментация. При нея глюкозата се превръща главно в етанол и по-малко в метанол, пропанол и бутанол.

След това с апаратура за фракционна дестилация могат да се получат различни видове концентрирани спиртни напитки като ракия, уиски и други, в които примесите са отстранени, а етанолът е концентриран до около 40%. Най-известната такава апаратура в България е казанът за варене на ракия.

Употреба на хидроксилни производни

Хидроксилните производни, техните етери и естери намират широко приложение в химическата, фармацевтичната, парфюмерийната, хранителната и др. промишлености. Те могат да бъдат както суровина в производството, така и краен продукт. Най-разпространеният алкохолен продукт са спиртните напитни от всякакъв вид съдържащи етанол.

Той е невротоксична отрова, която в малки количества има упойващ наркотичен ефект, а в големи води до отравяне и смърт. Понякога етанолът за консумация може да е замърсен с метанол, който е силно токсичен дори в малки количества и води до ослепяване и смърт.

Фенолът може да бъде изходна суровина за производството на найлон, багрила, пикринова киселина, консерванти, лекарства и др.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *