Реакции спиртов. Кислотно-основные свойства спиртов. Реакции с участием нуклеофильного центра

Спирты представляют собой соединения общей формулы ROH, в которых гидроксильная группа присоединена к насыщенному атому углерода. По номенклатуре ИЮПАК насыщенные спирты называют алканолами, нумерация в которых определяется гидроксильной группой. Гидроксильная группа при наличии двойной и тройной связей является старшей.

этанол 1-пропанол 2-пропанол 2-пропен-1-ол 2-пропин-1-ол

этиловый пропиловый изопропиловый аллиловый пропаргиловый спирты

1-бутанол 2-бутанол 2-метил-1-пропанол 2-метил-2-пропанол

н-бутиловый втор-бутиловый изобутиловый трет-бутиловый спирты

При нумерации атомов главной цепи спиртов гидроксильная группа имеет преимущество перед алкильными группами, атомами галогенов и кратной связью.

транс-3-(2’-гидроксиэтил)-1-циклопентанол

Часто спирты называют по углеводородной группе (этиловый спирт). В этой номенклатуре положение заместителя в алкильной группе спирта обозначается буквами греческого алфавита:

g-бромпропиловый спирт b-метоксиэтиловый спирт

В зависимости от того, является ли атом углерода, к которому присоединена гидроксильная группа, первичным 1^о, вторичным 2^о или третичным 3^о спирты бывают 1^о (RCH₂OH), 2^о (R₂CHOH) или 3^о (R₃COH). Например, из четырех возмож-ных бутиловых спиртов два – бутиловый и изобутиловый являются первичными 1^о, втор-бутиловый - вторичным 2^о итрет-бутиловый – третичным 3^о.

Число гидроксильных групп в молекуле определяет так называемую атомность спирта. По числу гидроксильных групп в молекуле спирты подразделяются на одноатомные, двухатомные, трехатомные и т.д. Например, этанол является одноатомным спиртом, этиленгликоль ^_ двухатомным, а глицерин ^_ трехатомным.

этиленгликоль глицерин

1. Реакции спиртов

Функциональная группа спиртов содержит электроотрицательный атом кислорода с двумя неподеленными парами электронов. В молекуле спиртов можно выделить следующие реакционные центры:

1. ОН-кислотный центр, обусловливающий возможность отщепленя протона вследствие высокой полярности связи О-Н;

2. нуклеофильный и n-основный центр - атом кислорода, имеющий неподеленные пары электронов;

3. электрофилный центр -a-атом углерода, на котором дефицит электронов вызван -I-эффектом соседней гидроксильной группы;

4. b-С-кислотный центр, в котором поляризация связи С-Н также обусловлена электроноакцепторным влиянием гидроксильной группы.

1.1. Кислотно-основные свойства спиртов

Спирты являются слабыми ОН-кислотами Бренстеда и жесткими кислотами по Пирсону. По кислотности спирты близки к воде. Кислотные свойства спиртов определяются способностью к протонизации атома водорода гидроксильной группы. Последняя обусловливается не только разницей в электроотрицательностях между атомами кислорода (3,5) и водорода (2,1), но и природой радикала. Метанол (pK_a= 15,5), несколько более сильная кислота, чем вода (pK_a= 15,7), но большинство спиртов являются более слабыми кислотами, чем вода. Причиной этого являются стерические препятствия, мешающие в разветвленных спиртах сольватации образующегося алкоксид-аниона. Сольватация стабилизирует алкоксид-анион и следовательно усиливает кислотные свойства.

(26)

pKa = 15.5

Образование межмолекулярной водородной связи в жидкой фазе определяет различие в кислотности первичных, вторичных и третичных спиртов. В водном растворе кислотность спиртов уменьшается в ряду:

pK_{a (в воде)} 5.0 15,5 15,7 15,9 17,0 18,0

тогда как в газовой фазе наблюдается прямо противоположная последователь-ность

3⁰ 2⁰ 1⁰ 1⁰

В жидкой фазе определяющим фактором стабилизации алкоксид-анионов является эффект сольватации, который тем больше, чем меньше стерические препятствия для сольватации, т.е. чем меньше в молекуле углеводородных радикалов и меньше их размер. Разветвленность алкильной группы снижает кислотность спиртов, а введение в их молекулы атомов галогена, наоборот повышает ее.

Кислотные свойства спиртов проявляются во многих реакциях, например:

(27)

метоксид натрия

(MeO‾Na⁺)

(28)

этоксид натрия

(EtO‾Na⁺)

(29)

трет-бутоксид калия

(t-BuO‾K⁺)

1.2. Реакции с участием нуклеофильного центра

Высокая электроотрицательность атома кислорода (3,5 по шкале Полинга), являющегося основным центром, позволяет рассматривать спирты как слабые n-основания Бренстеда и жесткие основания по Пирсону. Неудивительно, что спирты способны образовывать соли оксония только с сильными протонными кислотами и жесткими кислотами по Пирсону (фторид бора, хлорид цинка и др.).

(30)

гидроний этилоксоний

Таким образом, спирты обладают слабыми кислотными и слабыми основными свойствами, т.е. являются амфипротонными соединениями.

При достаточно высокой температуре и в отсутствие хорошего нуклеофила протонированные спирты способны к реакции Е1, т.е. к реакции дегидратации.

Будучи жесткими основаниями, вследствие низкой поляризуемости и высокой электроотрицательности, атома кислорода спирты являются слабыми нуклеофилами. Кислоты Бренстеда протонируют атом кислорода гидроксигруппы.

(31)

метилгидроксоний хлорид

Кислоты Люиса образуют со спиртами доноро-акцепторные комплексы, в которых атом кислорода является донором неподеленной электронной пары.

(32)

В общем, спирты являются сравнительно слабыми основаниями: значения pK_a их сопряженных кислот ROH₂⁺ составляют около -2. Разветвление алкильной группы в молекуле спирта увеличивает его основность.

К реакциям, протекающим с участием нуклеофильного центра, можно отнести реакции О-ацилирования и О-алкилирования спиртов.

А. О-Ацилирование

Спирты реагируют с карбоновыми кислотами с образованием сложных эфиров (эстеров) по реакции конденсации получившей название этерификация.

(33)

уксусная кислота 1-бутанол бутилацетат

Реакция этерификации катализируется кислотами. Без добавления кислоты равновесие достигается очень медленно, но если же смесь спирта и кислоты нагревать в присутствии небольшого количества концентрированной серной кислоты или хлороводорода равновесие устанавливается достаточно быстро.

В качестве ацилирующих реагентов могут использоваться как неорганические, так и органические кислоты, и их функциональные производные. С неорганически-ми кислотами без осложнений реагируют только первичные спирты, в результате чего образуются сложные эфиры (кислые или средние):

(34)

этилгидросульфат

Эта реакция имеет промышленное значение, т.к. с ее помощью из высших спиртов получают синтетические моющие средства:

(35)

При использовании избытка спирта можно получать диалкилсульфаты. Так при нагревании метанола с олеумом получают диметилсульфат.

(36)

Диметилсульфат - это нервный яд, он хорошо адсорбируется кожей. Его используют для получения метилиодида.

(37)

Вторичные и третичные спирты при нагревании с серной кислотой подвергаются дегидратации.

При действии на спирты азотной кислоты образуются нитраты. Тринитрат глицерина, неправильно называемый тринитроглицерином, является взрывчатым веществом, однако он очень чувствителен к удару, поэтому его применяют в виде динамита, представляющего собой опилки, пропитанные тринитроглицерином. Взрывчатыми веществами являются нитраты и других полиолов.

(38)

глицерин тринитрат глицерина

Спирты реагируют с фосфорной кислотой, давая алкилфосфаты:

(39)

фосфорная к-та алкилдигидро- диалкилгидро- триалкилфосфат

Фосфат фосфат

При нагревании фосфорной кислоты она превращается в ангидриды, называемые дифосфорной и трифосфорной кислотой. Ди- и трифосфорная кислоты также реагируют со спиртами давая эфиры. Эфиры фосфорной кислоты играют очень важную роль в биохимических реакциях. Особенно большое значение имеют эфиры трифосфорной кислоты. В воде они способны медленно гидролизоваться с выделением тепла. В организме эти реакции катализируются энзимами.

(40)

Б. О-Алкилирование

В качестве алкилирующих агентов используются галогенопроизводные, диалкилсульфаты и алкилсульфонаты. Для увеличения нуклеофильности спиртов их превращают в алкоксиды щелочных металлов.

(41)

этоксид натрия пропилбромид пропилэтиловый эфир

Активность спиртов как нуклеофильных реагентов может быть увеличена, если использовать в качестве среды полярные апротонные растворители, например диметилсульфоксид. Растворители этого типа в меньшей степени сольватируют спирты, т.к. не образуют с ними водородных связей. Отсутствие сольватации повышает нуклеофильность спиртового атома кислорода. В этом случае можно использовать спирт и щелочь вместо алкоголята:

(42)

бутилпропиловый эфир

Эта реакция, называемая синтезом Вильямсона, протекает по механизму S_N2.

Использование в синтезе Вильямсона вторичных и третичных галогеноалканов приводит к получению простых эфиров с более низким выходом, поскольку нуклеофильное замещение сопровождается конкурентной реакцией дегидрогалогенирования с образованием алкенов. Также ограничено применение в синтезе Вильямсона алкоголятов вторичных и третичных спиртов, основность которых сопоставима с их нуклеофильностью, что способствует конкурентному протеканию реакции дегидрогалогенирования. Синтетические возможности реакции Вильямсона расширяются при использовании диалкилсульфатов и алкилсульфонатов вместо галогеноалканов. Этот вариант применется главным образом для метилирования и этилирования спиртов:

(43)

пропоксид натрия диметилсульфат метилпропиловый эфир