Спирты распространены в природе. Большинство людей знакомы с этиловым спиртом (этанолом) - активным ингредиентом алкогольных напитков, но он является лишь одним из семейства органических соединений, известных как спирты. Получение их, прежде всего этилового (винного в результате ферментативного брожения виноградного сока стало одним из первых химических техпроцессов, освоенных человечеством.

Номенклатура спиртов

Спирты представляет собой органические соединения гидроксильной (ОН) функциональной группы с алифатическим атомом углерода. Поскольку ОН является принадлежностью молекул всех спиртов, их часто представляют как производными воды с общей формулой ROH, где R обозначает алкильную группу.

Получение спиртов метанола (СН 3 ОН) и этанола (СН 3 СН 2 ОН), являющихся первыми двумя членами их гомологического ряда, является важной задачей химической промышленности многих стран. При содержании от одного до четырех атомов углерода их часто называют общими именами, в которых за названием алкильной группы следует слово спирт:

Можно видеть, что все четыре (две последние являются изомерами одного вещества) представленные выше молекулы спиртов содержат одну гидроксильную группу. По этому признаку все они относятся к классу одноатомных спиртов (бывают и двух-, трех, четырех- и многоатомные). Кроме того, все они являются производными предельных углеводородов из ряда алканов: метана, этана, пропана (названия спиртов получают добавлением к названию алкена окончания «-ол»). Поэтому их еще называют предельными одноатомными спиртами.

Одноатомные спирты

Получение, свойства (как физические, так и химические) этих соединений зависят от количества атомов углерода, присоединенных к его же атому, непосредственно связанному с группой ОН. Поэтому одноатомные спирты могут быть сгруппированы в три класса на этой основе.

Получение одноатомных спиртов в промышленности возможно целым рядом способов, которые будут рассмотрены ниже.

Метанол как продукт природного газа

Метанол получают смешиванием газа водорода и монооксида углерода при высоких температурах и давлениях (200 ат, 350 ° C)в присутствии катализатора, состоящего из оксида цинка (ZnO) и оксида хрома (Cr 2 O 3) в качестве катализатора: 2H 2 + CO → CH 3 OH.

При этом сырьем для получения реагентов являются природный газ и водяной пар, смешивая которые, получают синтез - газ, представляющий собой смесь CO и H 2 .

Метанол является важным растворителем и используется в качестве автомобильного топлива, либо в виде чистой жидкости - в некоторых гоночных автомобилях, либо в качестве высокооктановой добавки в бензин. Получение и применение спиртов в мире, и в частности метанола, измеряется миллионами тонн. По итогам 2013 г. в мире было потреблено 66 млн т метанола, из них 65 % в Азии, 17 % - в Европе и 11 % - в США.

Получение предельных спиртов из алкенов

Многие простые весовые спирты, имеющие промышленное значение, производятся гидратацией (добавлением воды) алкенов (этилена, пропилена, бутена). Этанол, изопропанол, бутанол (вторичный и третичный) получают по этой реакции.

Известны прямой и косвенный способы получения спиртов гидратацией. Прямой позволяет избежать образования стабильных промежуточных продуктов, как правило, с помощью кислых катализаторов.

Катализатором обычно является фосфорная кислота, адсорбированная на пористом носителе, таком как силикагель или кизельгур. Этот катализатор был впервые использован для крупномасштабного производства этанола в США компанией "Шелл" в 1947 году. Реакцию проводят в присутствии пара высокого давления при 300 °C, причем между этиленом и паром поддерживается соотношение 1,0: 0,6.

Аналогичная реакция производства изопропилового спирта с катализаторов в виде серной кислоты выглядит следующим образом

Косвенный способ гидратации этилена

В косвенным способе, на практике впервые примененном в промышленном масштабе в 1930 году, но сегодня считающимся почти полностью устаревшим, реакция получения спиртов заключается в превращении алкена в сульфат эфиры, который затем гидролизуют. Традиционно алкен обрабатывают серной кислотой с получением алкильные сульфатных эфиров. В случае производства этанола, этот шаг может быть записан так: Н 2 SO 4 + С 2 Н 4 → C 2 H 5 -O-SO 3 H

Впоследствии этот сульфат эфира гидролизуют до регенерации серной кислоты и освобождения этанола: С 2 Н 5 -O-SO 3 H + H 2 O → H 2 SO 4 + С 2 Н 5 ОН.

Способы получения спиртов чрезвычайно разнообразны, но нижеописанный процесс, пожалуй, известен, хотя бы понаслышке каждому читателю.

Спиртовое брожение

Это биологический процесс, в котором молекулы, такие как глюкоза, фруктоза и сахароза, преобразуются в клеточную энергию с параллельным производством этанола и углекислого газа в качестве продуктов метаболизма. Брожение катализируется ферментами, содержащимися в дрожжах и протекает по сложному многоступенчатому механизму, которое включает в общем случае преобразование (на первом этапе) крахмала, содержащегося в растительных зернах, в глюкозу с последующим получением из нее этанола. Поскольку дрожжи выполняют это преобразование в отсутствие кислорода, спиртовое брожение считается анаэробным процессом.

Реакции получения спиртов брожением можно представить следующим образом:

Способы получения алкогольных напитков

Весь этанол, содержащийся в алкогольных напитках производится посредством ферментации, вызванной дрожжами.

Вино производится путем ферментации из натуральных сахаров, присутствующих в винограде; сидр получают аналогичной ферментацией природного сахара в яблоках и грушах, соответственно; и другие фруктовые вина производятся ферментацией сахаров в любых других видах фруктов. Бренди и коньячные спирты (например, сливовица) производятся при перегонке напитков, получаемых брожением фруктовых сахаров.

Медовые напитки производятся путем ферментации из натуральных сахаров, присутствующих в меде.

Пиво, виски, и водка производятся путем ферментации зерен крахмала, которые преобразуются в сахар под действием фермента амилазы, присутствующей в зерновых ядрах, подвергшихся солодовому проращиванию. Другие источники крахмала (например, картофель и не солодовое зерно) могут быть добавлены к смеси, так как амилаза будет действовать также и на их крахмал.

Рисовые вина (в том числе саке) получают путем брожения зерновых крахмалов, превращаемых в сахар грибками Aspergillus огугае.

Ром и некоторые другие напитки получают ферментацией и дистилляцией сахарного тростника. Ром, как правило, производится из продукта сахарного тростника - патоки.

Во всех случаях брожение должно происходить в сосуде, который позволяет двуокиси углерода выходить, но предотвращает приход наружного воздуха. Это нужно потому, что воздействие кислорода предотвращает образование этанола, а накопление диоксида углерода создает риск разрыва сосуда.

Реакция нуклеофильного замещения

Получение спиртов в лабораториях производится способами, которые используют в качестве исходных продуктов для реакций химические вещества самых разнообразных классов, от углеводородов до карбонильных соединений. Существует несколько способов, которые сводятся к нескольким основным реакциям.

Первичные галогеналканы реагируют с водными растворами щелочей NaOH или КОН, образуя, образуя, главным образом, первичные спирты в реакции нуклеофильного алифатического замещения. Когда, например, метилбромид реагирует с раствором едкого натра, то гидроксильные группы, образующинся при диссоциации щелочи, замещают ионы брома с образованием метанола.

Несколько реакций, позволяющих выполнять получение спиртов в лабораториях, приведены ниже.

Нуклеофильное присоединение.

Реактивы Гриньяра (соединения магния с алкилгалогенидами - иодидами или бромидами), а также металлоорганические соединения меди и лития реагируют с карбонильными группами (C=O) альдегидов с образованием первичных и вторичных спиртов в зависимости от механизма присоединения.Аналогичные реакции с кетонами приводят к третичным спиртам.

Реакция Барбье протекает между галогеналканом и карбонильной группой в качестве электрофильного субстрата в присутствии магния, алюминия, цинка, индия, олова или его солей. Продуктом реакции является первичный, вторичный или третичный спирт. Механизм ее протекания аналогичен реакции Гриньяра с той разницей, что реакция Барбье является синтезом в одном сосуде, тогда как реактив Гриньяра получают отдельно перед добавлением карбонильного соединения.

Являясь реакцией нуклеофильного присоединения, она происходит с относительно недорогими и водостойкими металлами или их соединениями в отличие от реагентов Гриньяра или органолитиевых реагентов. По этой причине возможно во многих случаях запускать ее в воде, что делает процесс частью зеленой химии. Реакция Барбье назван в честь Филиппа Барбье - учителя Виктора Гриньяра.

Реакция восстановления

Альдегиды или кетоны восстанавливаются до спиртов с боргидридом натрия (NaBH 4) или (после кислотной обработки) с литийалюминий гидридом (LiAlH).

В реакции Меервейна-Пондорфа-Верли (MPV) получение спиртов путем восстановления их из кетонов и альдегидов происходит с использованием алюминиевого алкоксидного катализатора. Достоинства MPV заключаются в ее высокой хемоселективности и использовании дешевого, экологически чистого металлического катализатора. Реакция была обнаружена Меервейном и Шмидтом, и независимо Верли в 1925 г. Они обнаружили, что смесь алюминиевого этоксида и этанола может восстановить альдегиды до их спиртов. Понндорф применил реакцию к кетонам и обновил катализатор до изопропилата алюминия (Al(O-i-Pr) 3 , где i-Pr означает изопропиловую группу (CH(CH 3) 2). в целях получения изопропанола.

Общее уравнение получения спирта путем MPV-восстановления кетонов до спиртов выглядит так:

Это, конечно, не все, что можно сказать относительно спиртов и их свойств, но общее представление о них, надеемся, вам составить удалось.

Алкены или олефины (C n H 2n) - класс органических веществ, активно вступающих в реакции с другими соединениями. Поэтому в природе алкены в чистом виде встречаются редко. Получением алкенов занимается промышленная химия. Существует несколько способов выделения олефинов из природного сырья.

Получение

В современной химии алкены получают промышленными и лабораторными методами. Сырьём для выделения олефинов являются нефть, газ, алканы и их производные. Основные способы получения алкенов приведены в таблице.

Вид получения	Способ	Пример
Промышленный	Крекинг и пиролиз нефтепродуктов, коксование угля - высокотемпературная (400-700°С) переработка полезных ископаемых. С помощью крекинга и пиролиза нефтепродуктов получают четыре первых алкена в гомологическом ряду - этилен, пропилен, бутилен, пентен. Коксование угля выделяет этилен и пропилен	C n H 2n+2 (алканы) → C n H 2n (алкены) + C n H 2n+2: C 8 H 18 → CH 2 =CH 2 -CH 2 -CH 2 + C 4 H 10 ; C 7 H 16 → CH 3 -CH=CH 2 + C 4 H 10
	Дегидрирование алканов - отщепление атомов водорода за счёт разрыва связи С-Н. Происходит при высокой температуре под действием катализатора	C n H 2n+2 → C n H 2n + H 2: CH 3 -CH 3 → CH 2 =CH 2 + H 2 ; CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH=CH-CH 3 + H 2
	Гидрирование алкинов - присоединение водорода в присутствии малоактивного катализатора (Pb(CH 3 COO) 2). Длительность реакции превращает алкины в алканы	C n H 2n-2 + H 2 → C n H 2n: 2HC ≡CH + 2H 2 → CH 3 -C(CH 3)=CH 2 (изобутилен)
Лабораторный	Дегидратация спиртов - отщепление молекулы воды под действием температуры выше 150°C и в присутствии реагентов, способных отнимать воду. Например, в присутствии концентрированной серной кислоты	R-CH 2 -CH 2 -OH → R-CH=CH 2 + H 2 O: CH 3 -CH-H-CH 2 -OH → CH 3 -CH=CH 2 + H 2 O
	Дегидрогенирование моногалогеналканов - отщепление атомов галогенов и водорода под действием спиртового раствора щёлочи	CH 3 -CH 2 -CH 2 -Br + NaOH (спирт. р -р) → CH 3 -CH=CH 2 + NaBr + H 2 O
	Дегалогенирование дигалогеналканов - отщепление атомов галогенов под действием металлов	CH 2 -Br-CH-Br-CH 3 + Mg → CH 2 =CH-CH 3 + MgBr 2

Рис. 1. Крекинг.

Также существуют другие способы синтеза алкенов из карбонильных соединений, альдегидов, кетонов, спиртов, аммониевых оснований и других соединений.

Реакции дегидратации и дегидрогенирования при получении алкенов протекают по правилу Александра Зайцева. В 1875 году химик Зайцев определил опытным путём, что водород отщепляется от менее гидрогенизированного атома углерода.

Рис. 2. Александр Зайцев.

Применение

Алкены используются в качестве промышленного сырья. Из них производят:

• тефлон;
• пластмассы;
• каучук;
• полиэтилен;
• этиловый спирт;
• уксусную кислоту;
• масла;
• растворители.

Рис. 3. Материалы, которые изготавливают из алкенов.

Широкое применение имеет этилен, поэтому в мире производят более 100 млн. тонн этилена в год.

Что мы узнали?

Алкены синтезируют для химических нужд промышленными и лабораторными методами. В промышленности для производства алкенов используются нефтепродукты и каменный уголь. При нагревании, дегидрировании, гидрировании алканов выделяются алкены. В лабораториях алкены получают с помощью дегидратации спиртов, дегидрогенирования моногалогеналканов, дегалогенирования дигалогеналканов. Существуют и другие способы синтеза олефинов. Алкены применяются для изготовления прочных материалов, растворителей, масел.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 222.

3. Получение алкенов

Среди большого числа методов получения алкенов необходимо выделить три наиболее общих способа создания двойной углерод-углеродной связи. Один из них основан на элиминировании двух групп от вицинальных (соседних) атомов углерода насыщенного соединения. Другой способ синтеза алкенов заключается в стереоселективном или стереоспецифическом восстановлении тройной углерод-углеродной связи в алкинах до двойной связи цис- или транс -конфигурации. Третий способ создания двойной углерод-углеродной связи основан на многочисленных реакциях карбонил-метиленовой конденсации карбонильных соединений с соединениями с "активной метиленовой группой". В данной методической разработке приводится только краткая сводка основных методов синтеза алкенов.

1.Дегидрогалогенирование алкилгалогенидов

Например:

2.Дегидратация спиртов

Например:

3.Дегалогенирование вицинальных дигалогенидов

Например:

4.Термическое разложение гидроксидов тетраалкиламмония по А. Гофману

Например:

5.Дегидрирование алканов

Например:

Эта реакция имеет практическое значение только для промышленного получения низших алкенов: этилена из этана, пропилена из пропана, бутенов из н -бутана, а также из газообразных продуктов термического крекинга.

6.Стереоселективное восстановление алкинов до цис - и транс -алкенов

*Катализатор Линдлара - это палладий, адсорбированный на нейтральном носителе BaSO 4 или CaCO 3 , дезактивированный хинолином

Например:

*Катализатор P-2-Ni - это Ni(OAc) 2 ; NaBH 4 ; C 2 H 5 OH; NH 2 CH 2 CH 2 NH 2 , коллоидный никель, полученный восстановлением диацетата никеля боргидридом натрия в ситеме этанол-этилендиамин. Этилендиамин препятствует дальнейшему гидрированию двойной связи

Например:

Например:

7.Моногидроборирование алкинов с последующим разложением образующихся винилборанов уксусной кислотой (подробно об этом двухстадийном методе восстановления алкинов до алкенов можно прочитать в разделе

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Алкенами называются ненасыщенные углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную связь. Строение молекулы алкенов на примере этилена приведено на рис. 1.

Рис. 1. Строение молекулы этилена.

По физическим свойствам алкены мало отличаются от алканов с тем же числом атомов углерода в молекуле. Низшие гомологи С 2 - С 4 при нормальных условиях - газы; С 5 - С 17 - жидкости; высшие гомологи - твердые вещества. Алкены нерастворимы в воде. Хорошо растворимы в органических растворителях.

Получение алкенов

В промышленности алкены получают при переработке нефти: крекингом и дегидрированием алканов. Лабораторные способы получения алкенов мы разделили на две группы:

• Реакции элиминирования (отщепления)

— дегидратация спиртов

CH 3 -CH 2 -OH → CH 2 =CH 2 + H 2 O (H 2 SO 4 (conc) , t 0 = 170).

— дегидрогалогенированиемоногалогеналканов

CH 3 -CH(Br)-CH 2 -CH 3 + NaOH alcohol → CH 3 -CH=CH-CH 3 + NaBr + H 2 O (t 0).

— дегалогенированиедигалогеналканов

CH 3 -CH(Cl)-CH(Cl)-CH 2 -CH 3 + Zn(Mg) → CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 3 + ZnCl 2 (MgCl 2).

• Неполное гидрирование алкинов

CH≡CH + H 2 →CH 2 =CH 2 (Pd, t 0).

Химические свойства алкенов

Алкены - весьма реакционноспособоные органические соединения. Это объясняется их строением. Химия алкенов - это химия двойной связи. Типичные реакции для алкенов - реакции электрофильного присоединения.

Химические превращения алкенов протекают с расщеплением:

1) π-связи С-С (присоединение, полимеризация и окисление)

— гидрирование

CH 3 -CH=CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 2 (kat = Pt).

— галогенирование

CH 3 -CH 2 -CH=CH 2 + Br 2 → CH 3 -CH 2 -CH(Br)-CH 2 Br.

— гидрогалогенирование (протекает по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется преимущественно к более гидрированному атому углерода)

CH 3 -CH=CH 2 + H-Cl → CH 3 -CH(Cl)-CH 3 .

— гидратация

CH 2 =CH 2 + H-OH → CH 3 -CH 2 -OH (H + , t 0).

— полимеризация

nCH 2 =CH 2 → -[-CH 2 -CH 2 -]- n (kat, t 0).

— окисление

CH 2 =CH 2 + 2KMnO 4 + 2KOH → HO-CH 2 -CH 2 -OH + 2K 2 MnO 4 ;

2CH 2 =CH 2 + O 2 → 2C 2 OH 4 (эпоксид) (kat = Ag,t 0);

2CH 2 =CH 2 + O 2 → 2CH 3 -C(O)H (kat = PdCl 2 , CuCl).

2) σ- и π-связей С-С

CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 3 + 4[O] → CH 3 COOH + CH 3 CH 2 COOH (KMnO 4 , H +, t 0).

3) связей С sp 3 -Н (в аллильном положении)

CH 2 =CH 2 + Cl 2 → CH 2 =CH-Cl + HCl (t 0 =400).

4) Разрыв всех связей

C 2 H 4 + 2O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O;

C n H 2n + 3n/2 O 2 → nCO 2 + nH 2 O.

Применение алкенов

Алкены нашли применение в различных отраслях народного хозяйства. Рассмотрим на примере отдельных представителей.

Этилен широко используется в промышленном органическом синтезе для получения разнообразных органических соединений, таких как галогенопроизводные, спирты (этанол, этиленгликоль), уксусный альдегид, уксусная кислота и др. В большом количестве этилен расходуется для производства полимеров.

Пропилен используется как сырье для получения некоторых спиртов (например, пропанола-2, глицерина), ацетона и др. Полимеризацией пропилена получают полипропилен.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	При гидролизе водным раствором гидроксида натрия NaOH дихлорида, полученного присоединением 6,72 л хлора к этиленовому углеводороду, образовалось 22,8 г двухатомного спирта. Какова формула алкена, если известно, что реакции протекают с количественными выходами (без потерь)?
Решение	Запишем уравнение хлорирования алкена в общем виде, а также реакцию получения двухатомного спирта: C n H 2 n + Cl 2 = C n H 2 n Cl 2 (1); C n H 2 n Cl 2 + 2NaOH = C n H 2 n (OH) 2 + 2HCl (2). Рассчитаем количество вещества хлора: n(Cl 2) = V(Cl 2) / V m ; n(Cl 2) = 6,72 / 22,4 = 0,3 моль, следовательно, дихлорида этилена тоже будет 0,3 моль (уравнение 1), двухатомного спирта также должно получиться 0,3 моль, а по условию задачи это 22,8 г. Значит молярная масса его будет равна: M(C n H 2 n (OH) 2) = m(C n H 2 n (OH) 2) / n(C n H 2 n (OH) 2); M(C n H 2 n (OH) 2) = 22,8 / 0,3 = 76 г/моль. Найдем молярную массу алкена: M(C n H 2 n) = 76 - (2×17) = 42 г/моль, что соответствует формуле C 3 H 6 .
Ответ	Формула алкенаC 3 H 6

ПРИМЕР 2

Задание	Сколько граммов потребуется для бромирования 16,8 г алкена, если известно, что при каталитическом гидрировании такого же количества алкена присоединилось 6,72 л водорода? Каков состав и возможное строение исходного углеводорода?
Решение	Запишем в общем виде уравнения бромирования и гидрирования алкена: C n H 2 n + Br 2 = C n H 2 n Br 2 (1); C n H 2 n + H 2 = C n H 2 n +2 (2). Рассчитаем количество вещества водорода: n(H 2) = V(H 2) / V m ; n(H 2) = 6,72 / 22,4 = 0,3 моль, следовательно, алкена тоже будет 0,3 моль (уравнение 2), а по условию задачи это 16,8 г. Значит молярная масса его будет равна: M(C n H 2n) = m(C n H 2n) / n(C n H 2n); M(C n H 2 n) = 16,8 / 0,3 = 56 г/моль, что соответствует формуле C 4 H 8 . Согласно уравнению (1) n(C n H 2 n) :n(Br 2) = 1:1, т.е. n(Br 2) = n(C n H 2 n) = 0,3 моль. Найдем массу брома: m(Br 2) = n(Br 2) × M(Br 2); M(Br 2) = 2×Ar(Br) = 2×80 = 160 г/моль; m(MnO 2) = 0,3 × 160 = 48 г. Составим структурные формулы изомеров: бутен-1 (1), бутен-2 (2), 2-метилпропен (3), циклобутан (4). CH 2 =CH-CH 2 -CH 3 (1); CH 3 -CH=CH-CH 3 (2); CH 2 =C(CH 3)-CH 3 (3);
Ответ	Масса брома равна 48 г

Алкены - непредельные углеводороды, в составе которых есть одна двойная связь. Примеры алкенов:

Методы получения алкенов.

1. Крекинг алканов при 400-700°С. Реакция идет по свободнорадикальному механизму:

2. Дегидрирование алканов:

3. Реакция элиминирования (отщепление): от соседних атомов углерода отщепляются 2 атома или 2 группы атомов, и образуется двойная связь. К таким реакциям относят:

А) Дегидратацию спиртов (нагрев свыше 150°С, при участии серной кислоты , как водоотнимающего реагента):

Б) Отщепление галогенводородов при воздействии спиртового раствора щелочи:

Атом водорода отщепляется преимущественно от того атома углерода, который связан с меньшим числом атомов водорода (наименее гидрогенизированного атома) - правило Зайцева .

В) Дегалогенирование:

Химические свойства алкенов.

Свойства алкенов обуславливаются наличием кратной связи, поэтому алкены вступают в реакции электрофильного присоединения, которое протекает в несколько стадий (Н-Х - реагент):

1-я стадия:

2-я стадия:

.

Ион водорода в такого типа реакциях принадлежит тому атому углерода, который имеет более отрицательный заряд. Распределение плотности такое:

Если в качестве заместителя стоит донор, который проявляется +I- эффект, то электронная плотность смещается в сторону наиболее гидрогенизированного атома углерода, создавая на нем частично отрицательный заряд. Реакции идут по правилу Марковникова : при присоединении полярных молекул типа НХ (HCl , HCN , HOH и т.д.) к несимметричным алкенам водород присоединяется преимущественно к более гидрогенизированому атому углерода при двойной связи.

А) Реакции присоединения:
1) Гидрогалогенирование:

Реакция идет по правилу Марковникова. Но если в реакции присутствует пероксид , то правило не учитывается:

2) Гидратация. Реакция идет по правилу Марковникова в присутствие фосфорной или серной кислоты :

3) Галогенирование. В результате происходит обесцвечивание бромной воды - это качественная реакция на кратную связь:

4) Гидрирование. Реакция протекает в присутствие катализаторов.