21.2 Спирты и простые эфиры (Alcohols and Ethers)¶

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

описывать строение и свойства спиртов;
описывать строение и свойства простых эфиров;
называть спирты и простые эфиры и изображать их структурные формулы.

В этом разделе мы познакомимся со спиртами и простыми эфирами.

Спирты¶

Введение атома кислорода в молекулу, состоящую из углерода и водорода, ведёт к появлению новых функциональных групп и новых классов соединений. Если атом кислорода присоединён одинарными связями, такая молекула — либо спирт, либо простой эфир.

Спирты (alcohols) — это производные углеводородов, в которых группа $\ce{-OH}$ заменила атом водорода. Хотя все спирты содержат одну или несколько гидроксильных функциональных групп ($\ce{-OH}$), они не ведут себя как основания типа $\ce{NaOH}$ или $\ce{KOH}$. Гидроксид натрия $\ce{NaOH}$ и гидроксид калия $\ce{KOH}$ — ионные соединения, содержащие ионы $\ce{OH-}$. Спирты же — молекулы ковалентного строения; группа $\ce{-OH}$ в молекуле спирта связана с атомом углерода ковалентной связью.

Этанол (ethanol), $\ce{CH3CH2OH}$, его также называют этиловым спиртом, — особенно важный для человека спирт. Это тот самый спирт, который вырабатывают некоторые дрожжи, содержащиеся в вине, пиве и крепких напитках. Издавна человек получает этанол, пользуясь способностью дрожжей сбраживать различные сахара:

Уравнение брожения: глюкоза C6H12O6(aq) под действием дрожжей превращается в 2 молекулы этанола C2H5OH(aq) и 2 молекулы углекислого газа CO2(g).

В виде химического уравнения этот процесс записывают так:

\[ \ce{C6H12O6(aq) ->[\text{дрожжи}] 2C2H5OH(aq) + 2CO2(g)} \]

В больших количествах этанол синтезируют по реакции присоединения воды к этилену в присутствии кислоты в качестве катализатора:

Реакция присоединения воды к этилену: молекула этена H2C=CH2 присоединяет молекулу воды HOH в присутствии иона H3O+ с образованием этанола CH3CH2OH.

\[ \ce{H2C=CH2 + H2O ->[\ce{H3O+}] CH3CH2OH} \]

Можно получить и спирты, содержащие две или более гидроксильных групп. Примеры — 1,2-этандиол (этиленгликоль, ethylene glycol; применяется в составе антифризов) и 1,2,3-пропантриол (глицерин, glycerine; используется как растворитель в косметике и лекарствах):

Структурные формулы Льюиса 1,2-этандиола (двухатомный спирт с двумя группами OH у соседних атомов углерода) и 1,2,3-пропантриола (трёхатомный спирт с тремя группами OH у трёх атомов углерода).

Структурные формулы 1,2-этандиола (этиленгликоль) и 1,2,3-пропантриола (глицерин).

Названия спиртов¶

Название спирта производится от названия соответствующего углеводорода. Конечную «-an» («-ан») в названии углеводорода заменяют на «-ol» («-ол»), а положение атома углерода, при котором находится группа $\ce{-OH}$, обозначают номером, стоящим перед названием.¹

Пример 21.8. Названия спиртов

Задача. Рассмотрим следующую молекулу. Какое название ей следует дать?

Структура 2-пентанола: пятиуглеродная цепь с группой OH при втором атоме углерода.

Решение. Углеродная цепь содержит пять атомов углерода. Если бы гидроксильной группы не было, мы назвали бы эту молекулу пентаном. Чтобы отразить наличие гидроксильной группы, заменяем окончание названия на «-ол». Поскольку группа $\ce{-OH}$ присоединена к атому углерода 2 в цепи, молекула называется 2-пентанол.

Проверь себя. Назовите следующую молекулу:

Структура 2-метил-2-пентанола: пятиуглеродная цепь с метильной группой и группой OH при втором атоме углерода.

Ответ: 2-метил-2-пентанол.

Простые эфиры¶

Простые эфиры (ethers) — соединения, содержащие функциональную группу $\ce{-O-}$. У простых эфиров нет специального суффикса, как у других рассмотренных нами классов соединений. В системе IUPAC атом кислорода вместе с меньшим из углеродных разветвлений рассматривают как алкоксизаместитель (alkoxy substituent), а остальную часть молекулы — как основную цепь, аналогично алканам. В приведённом ниже соединении меньшая алкильная группа и атом кислорода (в оригинале выделены красным) образуют группу с названием «метокси-». Более крупное разветвление — это этан, так что молекула называется метоксиэтан (methoxyethane). Многие простые эфиры обычно называют не по системе IUPAC, а по «обычным» названиям. В этих обычных названиях обе группы, присоединённые к атому кислорода, называют отдельно, а затем добавляют слово «эфир». Обычное название соединения из примера 21.9 — «этилметиловый эфир»:

Структура метоксиэтана: метильная группа CH3 связана через атом кислорода с этильной группой CH2CH3.

Молекула метоксиэтана (этилметилового эфира): метильная и этильная группы, соединённые через атом кислорода.

Пример 21.9. Названия простых эфиров

Задача. Дайте по системе IUPAC и обычное название следующему простому эфиру:

Структура диэтилового эфира: две этильные группы CH3CH2-, соединённые через атом кислорода.

Решение.

По IUPAC: молекула состоит из этоксигруппы, присоединённой к этановой цепи, поэтому её систематическое название — этоксиэтан.

Обычное название: обе группы, присоединённые к атому кислорода, — этильные, поэтому обычное название этого соединения — диэтиловый эфир.

Проверь себя. Дайте систематическое и обычное название эфиру:

Структура 2-метоксипропана: метильная группа CH3 связана через атом кислорода с центральным CH-атомом изопропильной группы, к которому присоединены ещё две метильные группы CH3.

Ответ: по IUPAC — 2-метоксипропан; обычное название — изопропилметиловый эфир.

Простые эфиры можно получать из спиртов, отщепляя молекулу воды от двух молекул спирта. Например, если этанол обработать ограниченным количеством серной кислоты и нагреть до $140\ \text{°C}$, образуются диэтиловый эфир и вода:

Реакция межмолекулярной дегидратации двух молекул этанола: при нагревании с серной кислотой H2SO4 две молекулы этанола CH3CH2OH отщепляют молекулу воды H2O и образуют диэтиловый эфир CH3CH2-O-CH2CH3.

\[ \ce{2 CH3CH2OH ->[\ce{H2SO4}][\Delta] CH3CH2-O-CH2CH3 + H2O} \]

В общей формуле простых эфиров $\ce{R-O-R'}$ углеводородные группы ($\ce{R}$) могут быть одинаковыми или различными. Диэтиловый эфир — наиболее широко используемое соединение этого класса; это бесцветная, легколетучая и очень огнеопасная жидкость. В 1846 году его впервые применили в качестве анестетика, но в настоящее время на смену ему пришли более совершенные средства. В наши дни диэтиловый эфир и другие простые эфиры используют преимущественно как растворители для камедей, жиров, восков и смол. Трет-бутилметиловый эфир $\ce{C4H9OCH3}$ (сокращённо MTBE — в обычных названиях курсивные приставки не учитывают при упорядочивании заместителей по алфавиту, поэтому «бутил» в обычном названии стоит перед «метил») применяется в качестве добавки к бензину. MTBE относится к группе соединений, называемых оксигенатами (oxygenates), поскольку они повышают содержание кислорода в бензине.

Дополнительно

Хотите попрактиковаться в назывании простых эфиров? Краткий видеообзор подытоживает правила номенклатуры эфиров.

Химия в повседневной жизни. Углеводы и диабет

Углеводы (carbohydrates) — крупные биомолекулы, состоящие из атомов углерода, водорода и кислорода. Углеводы в нашем питании — это богатая такими молекулами пища: макаронные изделия, хлеб, кондитерские изделия. Само название «углеводы» отражает общую формулу таких молекул — $\ce{C_{m}(H2O)_{n}}$: они в каком-то смысле представляют собой «углерод и воду» или «гидраты углерода». Во многих случаях $m$ и $n$ совпадают, но иногда различаются. Меньшие углеводы обычно называют «сахарами»; биохимическое название для этого класса молекул — «сахарид» (от греческого слова, означающего «сахар»; см. рис. 21.12). По числу соединённых между собой сахарных звеньев их подразделяют на моносахариды (одно сахарное звено), дисахариды (два сахарных звена), олигосахариды (несколько сахарных звеньев) и полисахариды (полимерная форма сахаров; о полимерах шла речь в боксе о переработке пластиков ранее в этой главе). Научные названия сахаров можно узнать по суффиксу «-оза» в конце названия (например, фруктовый сахар — моносахарид «фруктоза», а молочный сахар — дисахарид «лактоза», состоящий из двух моносахаридных звеньев, глюкозы и галактозы, соединённых между собой). В составе сахаров есть некоторые из уже знакомых нам функциональных групп: обратите внимание на спиртовые (гидроксильные) группы в их структурах и на то, что моносахаридные звенья соединяются друг с другом в дисахарид через образование простого эфирного фрагмента.

Рис. 21.12. Молекулярные структуры фруктозы (пятичленный кислородсодержащий цикл с гидроксильными группами и боковой группой CH2OH) и лактозы (дисахарид из двух шестиуглеродных сахарных колец, соединённых атомом кислорода).

Рис. 21.12. На иллюстрациях показаны молекулярные структуры фруктозы — пятиуглеродного моносахарида — и лактозы — дисахарида, образованного двумя изомерными шестиуглеродными сахарами.

Углеводы выполняют в организмах самые разные функции. Они служат хранилищем энергии (полисахарид гликоген — у животных, крахмал — у растений), а также обеспечивают опорные функции (полисахарид целлюлоза — в растениях, модифицированный полисахарид хитин — у грибов и животных). Сахара рибоза и дезоксирибоза входят в состав остовов РНК и ДНК соответственно. Другие сахара играют важную роль в работе иммунной системы, в межклеточном узнавании и в множестве иных биологических процессов.

Диабет (diabetes) — группа болезней обмена веществ, при которых у человека повышена концентрация сахара в крови (рис. 21.13). Диабет может быть вызван либо недостаточной выработкой инсулина поджелудочной железой, либо тем, что клетки организма не реагируют должным образом на вырабатываемый инсулин. У здорового человека инсулин вырабатывается по мере необходимости и обеспечивает перенос глюкозы из крови в клетки, где она используется как источник энергии. Долгосрочные осложнения диабета могут включать потерю зрения, болезни сердца и почечную недостаточность.

$Рис. 21.13. Глюкометр на пальце пациента: каплю крови наносят на тест-полоску, прибор показывает концентрацию глюкозы в крови ($100\ \text{мг/дл}$).$

Рис. 21.13. Диабет — заболевание, характеризующееся высоким содержанием глюкозы в крови. Лечение диабета включает изменение образа жизни, контроль уровня сахара в крови, а иногда и инъекции инсулина. (credit: «Blausen Medical Communications»/Wikimedia Commons)

По оценкам, в 2013 году диабетом страдало около $3{,}3\,\%$ населения мира (примерно 380 миллионов человек), что приводило к более чем миллиону смертей в год. Профилактика включает рациональное питание, достаточную физическую активность и поддержание нормальной массы тела. Лечение состоит из тех же мер, дополненных при необходимости инъекциями инсулина.

Даже после появления методов лечения людям с диабетом приходится постоянно контролировать уровень глюкозы, и это создавало серьёзные трудности. Первые анализы требовали обращения к врачу или в лабораторию, а потому были малодоступны и проводились редко. Со временем исследователи разработали небольшие таблетки, реагирующие на присутствие глюкозы в моче, но и они требовали довольно сложной процедуры. Химик Хелен Фри (Helen Free), работавшая над усовершенствованием этих таблеток, придумала более простое устройство — миниатюрную тест-полоску. Вместе со своим мужем и научным партнёром Альфредом Фри (Alfred Free) она создала первый такой продукт для измерения глюкозы; позднее технология была распространена на тест-полоски для других соединений и состояний. Хотя в последнее время появляются более совершенные методы (например, обсуждавшиеся ранее в книге дыхательные тесты), которые, возможно, заменят тест-полоски, эти полоски остаются одним из основных методов и по сей день.

В 2013 году IUPAC принял новые рекомендации по номенклатуре, согласно которым номер атома углерода с гидроксильной группой следует помещать не приставкой к названию, а «инфиксом». Например, по новым правилам «2-пропанол» (2-propanol) записывается как «пропан-2-ол» (propan-2-ol). На широкое распространение этих новых правил уйдёт некоторое время, и учащимся рекомендуется быть знакомыми и со старой, и с новой системами. ↩