СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ИЗОМЕРИЯ СПИРТОВ - КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Цели урока. Рассмотреть строение, гомологические ряды спиртов различных типов и, в первую очередь, алканов. Познакомить учащихся с основами номенклатуры спиртов и типами изомерии у них. Дать понятие о межмолекулярной водородной связи и познакомить учащихся с физическими свойствами спиртов.

Оборудование: модели молекул Стюарта — Бриглеба, вода, образцы спиртов, пробирка, термометр.

I. Вводная часть урока

Учащимся уже известно, что помимо углерода и водорода в состав органических соединений могут входить атомы кислорода, азота, серы, фосфора и некоторых других элементов. Эти элементы называются органогенами (т. е. рождающими органические вещества). Понятно, подчеркивает учитель, что если соединение состоит из трех элементов — углерода, водорода и кислорода, то оно называется кислородсодержащим.

Простейшими кислородсодержащими органическими веществами являются спирты. Учитель спрашивает, помнят ли ребята, как выглядит функциональная группа спиртов и как она называется? Учащиеся безошибочно называют ее: это гидроксильная группа -ОН, а затем сами дают определение понятия «спирт».

Прежде чем приступать к изложению «сухого» материала по классификации спиртов, учитель может сделать «лирическое отступление», дав краткое сообщение, по истории знакомства человечества с этим классом органических веществ.

Еще в IV в. до н. э. люди умели приготавливать напитки, содержащие этиловый спирт. Вино получали сбраживанием фруктовых и ягодных соков. Однако выделять из него дурманящий компонент научились значительно позже. В XI в. алхимики обнаружили, что при нагревании вина образуются пары летучего вещества, которые при охлаждении конденсируются в бесцветную жидкость со жгучим вкусом. В средние века винный спирт считался одним из сильнейших лекарственных средств, одно из первых его названий — aqua vitae — «жизненная вода».

В соответствии с современными воззрениями, этиловый спирт относится к ксенобиотикам — веществам, которые не содержатся в человеческом организме, но влияют на его жизнедеятельность. Ксенобиотики можно разделить на три группы:

- питательные вещества, которые обеспечивают организм энергией;

- лекарственные средства, влияющие на наше самочувствие, воздействуя на биохимические процессы в организме;

- яды — вещества, нарушающие естественные биологические процессы, вызывая нарушения в работе организма или смерть.

Этиловый спирт можно одновременно отнести ко всем трем группам. Это зависит от количества вещества, поступившего в организм, от состояния здоровья. Потребления алкоголя в средние века было не просто дурной привычкой, за счет этанола организм получал около 25% энергии! Это не в последнюю очередь объясняется тем, что обычным напитком в те времена было пиво, которое и до сих пор нередко называют «жидким хлебом». Известно дезинфицирующее и антибактериальное действие этанола, его влияние на поведение человека. Но чрезмерное его употребление вызывает нарушение психики, разрушение внутренних органов и даже смерть.

Впервые в XV в. слово алкоголь применил к этиловому спирту знаменитый немецкий врач и естествоиспытатель, основатель натрохимии Теофраст Парацельс. В дословном переводе с арабского al-kuhl означает тонкий порошок. Только в XVIII в. А. Лавуазье установил, что в состав этилового спирта входят углерод, водород и кислород, а молекулярную формулу С₂Н₆О определил в 1833 г. И. Я. Берцелиус.

Вторым «алкоголем», открытым химиками, стал метиловый спирт. Его в 1834 г. получили Жан Батист Дюма и Эжен Мелькьор Пелиго нагреванием древесных опилок и конденсацией образующихся паров. Именно поэтому метиловый спирт называют древесным. Дюма и Пелиго сопоставили состав и свойства винного и древесного спиртов, заложив тем самым первые представления об этом классе соединений. Берцелиус предложил распространить термин алкоголи на все подобные вещества.

II. Классификация спиртов

Для облегчения восприятия материала учитель может четко выделить признаки, по которым проводится классификация спиртов: тип углеводородного радикала; число гидроксильных групп; тип атома углерода, связанного с гидроксилом. Для большей наглядности классификация представлена в виде схемы (схема 1). При объяснении схемы учитель делает необходимые комментарии.

1. Классификация по типу углеводородного радикала.

В общеобразовательных классах учитель напоминает ребятам, что гидроксильная группа не может располагаться у атома углерода, связанного двойной или тройной углерод-углеродной связью. В профильных классах учащиеся формулируют это положение как правило Эльтекова и вспоминают изомеризацию винилового спирта в уксусный альдегид.

Может ли гидроксильная группа быть непосредственно связана с ароматическим кольцом? Да, но такие спирты принято называть фенолами и их рассматривают как самостоятельный класс веществ.

2. Классификация по числу гидроксильных групп в молекуле.

Многоатомные спирты тоже имеют свою особенность: две и долее гидроксильные группы не «уживаются» при одном атоме углерода. Для базового уровня констатации факта достаточно. Для профильного учитель изображает на доске, как геминальный диол теряет воду, превращаясь в карбонильное соединение.

3. Классификация спиртов по типу углеродного атома, связанного с гидроксильной группой.

Прежде всего, учитель просит ребят сказать, какие атомы углерода называются первичными, вторичными, третичными и четвертичными. Отсюда и принцип классификации: если группа -ОН связана с первичным атомом углерода, спирт называется первичным и т. д. А вот четвертичные спирты не существуют. Почему?

III. Изомерия и номенклатура спиртов

Для изучения этого вопроса учитель использует схему (см. схему 1). Родоначальником гомологического ряда спиртов является метанол. У него и второго гомолога — этанола — изомеров нет. Изомерия алканолов начинается с третьего представителя гомологического ряда. Ребята отыскивают в схеме формулы изомерных пропанолов и усваивают, как строятся их названия. Учитель подчеркивает, что в спиртах впервые встретился новый тип изомерии — изомерия положения функциональной группы.

Правила номенклатуры закрепляются на названиях изомерных бутанолов, все формулы которых представлены в последней колонке схемы. Какой второй тип изомерии характерен для алканолов? Это хорошо знакомая изомерия углеродного скелета. Будет нелишним вывести общую формулу предельных одноатомных спиртов. Обычно это не представляет особого труда и ребята предлагают для обоих вариантов: С_nН_2n+2O и С_nН_2n+1OH или RCOOH.

С помощью той же схемы можно закрепить номенклатуру многоатомных и непредельных спиртов.

Чаще всего ребятам очень не нравятся корявые названия типа «пропен-2-ол-1». Да и учителю порой непросто разобраться в хитросплетениях женевских или льежских дополнений и уточнений к номенклатуре ИЮПАК. Но нет худа без добра: в ответ на ребячий скепсис учитель настоятельно советует: «Для распространенных соединений простого строения полезно запомнить тривиальные названия!»

Схема 1. Классификация спиртов

По типу углеводородного радикала	По числу гидроксильных групп	По типу атома углерода, связанного с —ОН группой

IV. Особенности электронного строения гидроксильной группы

Физические и химические свойства спиртов определяются наличием функциональной гидроксильной группы, распределением электронной плотности в молекуле. Поэтому учащимся профильных классов необходимо иметь представление об электронном строении этого класса соединений.

Учитель просит кого-либо из ребят рассказать о строении внешнего электронного уровня атома кислорода. Главная информация, которую получает учитель, заключается в том, что атом кислорода в невозбужденном состоянии имеет электронную формулу внешнего энергетического уровня 2s²2р⁴. Из шести электронов два являются неспаренными, для завершения уровня до устойчивого октета атому не хватает двух электронов.

За счет двух неспаренных электронов кислород образует две ковалентные полярные σ-связи с соседними атомами углерода и водорода.

Далее учитель обыгрывает проблемную ситуацию. Как расположены в пространстве оси p-орбиталей? Они взаимно перпендикулярны. Какова должна быть величина валентного угла∠COH? Она должна быть близка к 90°. Однако с помощью физических методов анализа доказано, что валентный угол между связями О—С и О—Н составляет 110°. Что напоминает ребятам это число? Какое предположение можно сделать, исходя из этого? Как правило, класс находит верный ответ. Учитель не скупится на похвалу и подводит итог.

Атом кислорода в спиртах находится в состоянии sp³-гибридизации. За счет двух неспаренных электронов на sp³-орбиталях он образует две ковалентные полярные связи с атомами водорода и углерода. Величина валентного угла связи ∠COH близка к тетраэдрическому (110°), гидроксильная группа имеет уголковую форму. На двух других sp³-орбиталях кислород содержит две неподеленные пары электронов. За счет высокой электроотрицательности и наличия двух электронных пар на атоме кислорода сосредоточен частичный отрицательный заряд. Атомы углерода и водорода обеднены электронной плотностью и имеют частичный положительный заряд. Таким образом, алифатические спирты представляют собой полярные соединения.

V. Физические свойства спиртов

Учитель делает акцент на том, как тесно взаимосвязаны строение вещества и его свойства, в том числе физические. Благодаря полярности гидроксильной группы и наличию в ней электронодефицитного атома водорода, между молекулами спирта возникают особые межмолекулярные связи, называемые водородными.

Учащиеся профильных классов погружаются в проблему чуть глубже. Природа водородной связи двояка. С одной стороны, это электростатическое взаимодействие между атомом с избыточной электронной плотностью и электронодефицитным атомом. В качестве первого выступают самые электроотрицательные элементы: фтор, кислород, азот, реже — хлор или сера. А вот атомом с частичным положительным зарядом может быть только водород, отсюда и название связи — водородная. Почему? Это объясняется не только электростатической, но и частично ковалентной природой водородной связи. s-Орбиталь атома водорода в спирте почти лишена электронной плотности, вакантна. Атом же кислорода имеет sp³-орбиталь с неподеленной электронной парой. В незначительной степени эти орбитали могут перекрываться, придавая водородной связи некоторый донорно-акцепторный характер. На такое перекрывание не способен ни один другой атом, кроме водорода, поскольку у него отсутствуют внутренние электронные оболочки.

Как наличие межмолекулярных водородных связей сказывается на физических свойствах спиртов? Во-первых, их молекулы значительно сильнее ассоциированы между собой по сравнению, например, с углеводородами, поэтому в гомологических рядах спиртов нет газообразных веществ. Во-вторых, водородные связи могут образовываться между молекулами спирта и растворителя, например воды. Это обусловливает растворимость спиртов в воде. Учитель демонстрирует растворимость в воде этилового спирта, но, чтобы сомнений в том, что обе жидкости разные (а не вода), в пробирку, где смешивает равные объемы этанола и воды, он помещает термометр. При смешении 5 мл каждой жидкости температура повышается до 32 °С. Это свидетельствует о том, что образование водородных связей между молекулами воды и спирта — энергетически выгодный процесс. Как называются процессы, протекающие с выделение тепла? Растворение каких веществ также сопровождается большим выделением тепла?

Смешение этилового спирта с водой — богатый материал для внеклассной работы учителя. На заседании химического кружка или факультатива учитель может рассказать сам или послушать сообщения ребят о гидратной теории растворов Д. И. Менделева.

Если позволит время, учитель объясняет учащимся профильных классов сущность явления контракции. Водородные связи между молекулами спирта и воды настолько велики, что происходит уменьшение суммарного объема раствора при смешении двух жидкостей, «сжатие» его (от латинского contractio— сжимание). Если смешать 500 мл этанола и 500 мл воды, то объем полученного раствора составит не 1000, а всего 930 мл. Поэтому при решении соответствующих задач никогда нельзя находить общий объем раствора суммированием объемов его компонентов.

Водородные связи по сравнению с ионными или ковалентными значительно более слабые, при каких-либо воздействиях на вещество (например, при нагревании) они разрываются в первую очередь.

Задание 1. Назовите следующие вещества по международной номенклатуре.

1-й уровень

2-й уровень

Задание 2. Напишите структурные формулы двух изомеров и двух гомологов предложенного спирта. Назовите вещества.

1-й уровень. Бутанол-1.

2-й уровень. 2,3-диметилбутанол-1.

Задание 3

1-й уровень. Составьте структурные формулы всех изомерных спиртов состава С₅Н₁₁ОН и назовите их по международной номенклатуре.

2-й уровень. Немецкий химик Герман Копп в 1842 г. установил, что в гомологическом ряду алканолов температура кипения спиртов нормального строения с положением гидроксила при С, увеличивается на 20 °С на каждую -СН₂— группу. Вычислите примерные температуры кипения пропанола-1, бутанола-1, пентанола-1 и гексанола-1, если температура кипения этилового спирта равна 78 °С. Объясните, почему спирты с разветвленным углеродным скелетом имеют меньшую температуру кипения, чем изомеры нормального строения.