Общая формула, строение и номенклатура

Общая формула предельных многоатомных спиртов — $\mathrm{C_nH_{2n+2-x}(OH)_x}$ или $\mathrm{C_nH_{2n+2}O_x}$ , где $x$ — число гидроксильных групп в молекуле ( $x \ge 2$ ). Важное правило: на одном атоме углерода не может находиться две или более $\mathrm{-OH}$ группы, так как такие соединения неустойчивы.

Простейшие представители многоатомных спиртов:

Этандиол-1,2 (этиленгликоль): $\mathrm{HO-CH_2-CH_2-OH}$ (двухатомный спирт)
Пропандиол-1,2: $\mathrm{CH_3-CH(OH)-CH_2-OH}$ (двухатомный спирт)
Пропандиол-1,3: $\mathrm{HO-CH_2-CH_2-CH_2-OH}$ (двухатомный спирт)
Пропантриол-1,2,3 (глицерин): $\mathrm{HO-CH_2-CH(OH)-CH_2-OH}$ (трёхатомный спирт)

Названия по международной номенклатуре:

Выбирается самая длинная углеродная цепь.
Цепь нумеруется с того конца, к которому ближе гидроксильные группы.
Положения $\mathrm{-OH}$ групп указываются цифрами, затем добавляется название углеводорода с суффиксами "-диол", "-триол" и т.д.

Для многоатомных спиртов характерна изомерия углеродного скелета и изомерия положения гидроксильных групп.

Получение и физические свойства

Получение:

Окисление алкенов (реакция Вагнера): Алкены мягко окисляются водным раствором перманганата калия при комнатной температуре, образуя соответствующие диолы. Например, окисление этилена даёт этиленгликоль: $\mathrm{CH_2=CH_2 + [O] + H_2O \xrightarrow{KMnO_4} CH_2OH-CH_2OH}$
Гидролиз дигалогеналканов: Дигалогеналканы, содержащие атомы галогена у соседних атомов углерода, при гидролизе водным раствором щелочи образуют многоатомные спирты: $\mathrm{CH_2Cl-CH_2Cl + 2NaOH \to CH_2OH-CH_2OH + 2NaCl}$
Получение глицерина: В промышленности глицерин получают путём гидролиза жиров (реакция омыления). В промышленности его также синтезируют хлорированием пропена с последующим гидролизом.

Физические свойства: Многоатомные спирты имеют более высокие температуры кипения по сравнению с одноатомными спиртами из-за образования множественных водородных связей между молекулами. Они хорошо растворимы в воде и многие из них имеют сладкий вкус.

Этиленгликоль — бесцветная, без запаха, сладкая на вкус, вязкая, ядовитая жидкость. Температура кипения 197°C.
Глицерин — бесцветная, без запаха, сладкая на вкус, густая, вязкая жидкость. Температура кипения 290°C. Поглощает влагу из воздуха (гигроскопичен).

Химические свойства и применение

Химические свойства: Многоатомные спирты проявляют все свойства одноатомных спиртов, но наличие нескольких гидроксильных групп усиливает интенсивность некоторых реакций или придаёт новые свойства.

Реакции с активными металлами: Атомы водорода гидроксильных групп могут замещаться активными металлами. Например, этиленгликоль реагирует с натрием: $\mathrm{HO-CH_2-CH_2-OH + 2Na \to NaO-CH_2-CH_2-ONa + H_2 \uparrow}$
Реакции с галогеноводородными кислотами: $\mathrm{-OH}$ группы могут замещаться атомами галогена: $\mathrm{HO-CH_2-CH_2-OH + 2HCl \to Cl-CH_2-CH_2-Cl + 2H_2O}$
Образование сложных эфиров с азотной кислотой: Многоатомные спирты реагируют с азотной кислотой, образуя сложные эфиры. Например, глицерин с азотной кислотой образует нитроглицерин (тринитрат глицерина) — мощное взрывчатое вещество: $\mathrm{CH_2OH-CH(OH)-CH_2OH + 3HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} CH_2ONO_2-CH(ONO_2)-CH_2ONO_2 + 3H_2O}$
Качественная реакция с гидроксидом меди(II): Многоатомные спирты, содержащие не менее двух $\mathrm{-OH}$ групп у соседних атомов углерода, реагируют с гидроксидом меди(II), образуя ярко-синий прозрачный раствор. Эта реакция является качественной на многоатомные спирты: $\mathrm{2C_2H_4(OH)_2 + Cu(OH)_2 \to (C_2H_4(OH)O)_2Cu + 2H_2O}$
Окисление: Как и одноатомные спирты, многоатомные спирты могут окисляться. Например, этиленгликоль может окисляться до альдегидов, карбоновых кислот или щавелевой кислоты.
Дегидратация: При высоких температурах и в присутствии кислотных катализаторов может происходить внутримолекулярная дегидратация.

Применение:

Этиленгликоль: Используется как антифриз (снижает температуру замерзания воды), в производстве лавсана (полиэфирного волокна) и других полимеров.
Глицерин: Применяется в производстве взрывчатых веществ (нитроглицерин), в косметической и фармацевтической промышленности как увлажнитель, в пищевой промышленности как пищевая добавка (E422).

Запомните

Общая формула $\mathrm{C_nH_{2n+2-x}(OH)_x}$ ( $x \ge 2$ ); у одного атома углерода не более одной группы OH.
Высокие температуры кипения, хорошая растворимость в воде, сладкий вкус (например, этиленгликоль, глицерин).
Реагируют с активными металлами (замещение H), с галогеноводородными кислотами (замещение OH).
Образуют сложные эфиры с азотной кислотой (например, нитроглицерин).
Дают ярко-синий раствор с гидроксидом меди(II) (качественная реакция).

Разобранные примеры

Пример 1
Напишите структурную формулу соединения 2,3-диметилбутандиол-1,4 и определите тип гибридизации атомов углерода в молекуле.
Решение
1. Исходя из названия, 'бутандиол-1,4' является основной цепью, что означает 4 атома углерода и гидроксильные ( $\mathrm{-OH}$ ) группы у 1-го и 4-го атомов углерода.
2. Часть '2,3-диметил' указывает на наличие метильных ( $\mathrm{-CH_3}$ ) групп у 2-го и 3-го атомов углерода.
3. Структурная формула выглядит следующим образом: $\mathrm{HO-CH_2-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-OH}$
4. Все атомы углерода в молекуле образуют четыре одинарные связи (с другими атомами углерода, водорода или кислорода). Это означает, что все атомы углерода находятся в состоянии $sp^3$ -гибридизации.
Ответ: $\mathrm{HO-CH_2-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-OH}$ ; все атомы углерода в $sp^3$ -гибридизации.
Пример 2
Какой объём (н.у.) водорода выделится при полном взаимодействии 6,2 г этиленгликоля с натрием?
Решение
1. Формула этиленгликоля — $\mathrm{C_2H_4(OH)_2}$ . Рассчитаем его молярную массу ( $M$ ): $\mathrm{M(C_2H_4(OH)_2) = 2 \cdot 12 + 4 \cdot 1 + 2 \cdot (16+1) = 24 + 4 + 34 = 62}$ г/моль.
2. Найдём количество вещества ( $\nu$ ) этиленгликоля: $\nu(\mathrm{C_2H_4(OH)_2}) = \frac{6{,}2 \text{ г}}{62 \text{ г/моль}} = 0{,}1$ моль.
3. Запишем уравнение реакции этиленгликоля с натрием: $\mathrm{HO-CH_2-CH_2-OH + 2Na \to NaO-CH_2-CH_2-ONa + H_2 \uparrow}$
4. Согласно уравнению реакции, 1 моль этиленгликоля при взаимодействии образует 1 моль газообразного водорода. Следовательно, 0,1 моль этиленгликоля даст 0,1 моль водорода.
5. Рассчитаем объём ( $V$ ) 0,1 моль водорода при нормальных условиях: $\mathrm{V(H_2) = 0{,}1 \text{ моль} \cdot 22{,}4 \text{ л/моль} = 2{,}24}$ л.
Ответ: 2,24 л водорода.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Какое вещество не вступает в реакцию с гидроксидом меди(II)?
1. этиленгликоль
2. пропанол-1
3. глицерин
4. пропандиол-1,2
5. бутантриол-1,2,3
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B пропанол-1
Многоатомные спирты (содержащие не менее двух соседних $\mathrm{-OH}$ групп) дают качественную реакцию с гидроксидом меди(II). Пропанол-1 является одноатомным спиртом и не вступает в эту реакцию. Остальные варианты — многоатомные спирты.
Какая масса глицерата натрия образуется при полном взаимодействии 9,2 г глицерина с натрием?
1. 11,4 г
2. 13,6 г
3. 15,8 г
4. 18,0 г
5. 20,2 г
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C 15,8 г
Формула глицерина $\mathrm{C_3H_5(OH)_3}$ , молярная масса $M=92$ г/моль. При полном взаимодействии с натрием замещаются все атомы водорода в $\mathrm{-OH}$ группах, образуя тринатрийглицерат $\mathrm{C_3H_5(ONa)_3}$ . Его молярная масса $M = 3 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 3 \cdot (16+23) = 36 + 5 + 3 \cdot 39 = 41 + 117 = 158$ г/моль. $\nu(\mathrm{C_3H_5(OH)_3}) = \frac{9{,}2 \text{ г}}{92 \text{ г/моль}} = 0{,}1$ моль. Согласно уравнению реакции, из 1 моль глицерина образуется 1 моль $\mathrm{C_3H_5(ONa)_3}$ . Следовательно, из 0,1 моль глицерина образуется 0,1 моль $\mathrm{C_3H_5(ONa)_3}$ . $\mathrm{m(C_3H_5(ONa)_3) = 0{,}1 \text{ моль} \cdot 158 \text{ г/моль} = 15{,}8}$ г.
Сколько моль натрия потребуется для полного взаимодействия с 0,2 моль глицерина (реагируют все группы $\mathrm{-OH}$ )?
1. 0,2
2. 0,4
3. 0,6
4. 0,8
5. 1,2
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C 0,6
В молекуле глицерина 3 гидроксильные группы: $\mathrm{2C_3H_5(OH)_3 + 6Na \to 2C_3H_5(ONa)_3 + 3H_2\uparrow}$ . Значит, на 1 моль глицерина нужно 3 моль натрия, а на 0,2 моль глицерина $0{,}2 \cdot 3 = 0{,}6$ моль натрия.

Типичные ошибки

Считать, что на одном атоме углерода может существовать две $\mathrm{-OH}$ группы. Такие соединения неустойчивы и не существуют.
Принимать реакцию многоатомных спиртов с гидроксидом меди(II) за общую качественную реакцию для всех спиртов. Только многоатомные спирты с соседними $\mathrm{-OH}$ группами вступают в эту реакцию.
Считать реакцию превращения глицерина в нитроглицерин реакцией окисления. Это реакция образования сложного эфира.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото