基本介紹
- 中文名：飽和一元醇
- 英文名：Saturated Monobasic Alcohol
- 化學式：CnH2n+1OH
- 分子量：14n+18
- 沸點：隨著n遞增
- 水溶性：n小的可與水混溶
- 密度：一般小於水
- 外觀：無色液體
定義及解釋,物理性質,化學性質,酸鹼性,電子效應,空間效應,中氫的反應,含氧無機酸,取代反應,氧化,脫氫,常見製法,
定義及解釋
醇，有機化合物的一大類，是脂肪烴、脂環烴或芳香烴側鏈中的氫原子被羥基取代而成的化合物。一般所指的醇，羥基是與一個飽和的，sp3雜化的碳原子相連。醇可以根據分子中所含羥基的數目來分類。含一個羥基的稱為一元醇，含兩個羥基的稱為二元醇，二元以上的醇統稱為多元醇。醇也可以根據羥基所連線碳原子的級來分類，羥基連在一級碳原子的醇成為一級醇，也稱為伯醇；羥基連在二級碳原子上的醇稱為二級醇或仲醇，羥基連在三級碳原子上的醇稱為三級醇或叔醇。
羥基與不飽和碳原子相連，如RCH=CHOH，稱為烯醇，這種醇很不穩定，很容易異構化為醛、酮。而不同於烯醇，飽和醇沒有碳碳雙鍵或三鍵，如乙醇，即（酒精）；丙三醇，即（甘油）。因此飽和一元醇，只含有一個羥基，沒有碳碳雙鍵或三鍵。
物理性質
低級的一元飽和醇為無色中性液體，具有特殊的氣味和辛辣味道。水與醇均具有羥基，彼此可以形成氫鍵，根據相似相溶的原則，甲醇、乙醇和丙醇可與水以任意比例混溶，4～11個碳的醇為油狀液體，僅可部分地溶於水；高級醇為無臭、無味的固體，不溶於水。隨著相對分子質量的增大，烷基對整個分子的影響也越來越大，從而使高級醇的物理性質與烷烴近似。一元飽和醇的密度雖比相應的烷烴大，但仍比水輕。醇的沸點隨相對分子質量的增大而升高，在同系列中，少於10個碳原子的相鄰兩個醇的沸點差為18～20℃，高於10個碳原子者，沸點差較小。叉鏈醇的沸點總比相同碳原子數的直鏈醇低。
低級醇的熔點和沸點比碳原子數相同的碳氫化合物的熔點和沸點高得多，這是由於醇分子間有氫鍵締合作用的結果。實驗結果顯示，氫鍵的斷裂約需要21～30KJ/mo1，這表明它比原子間弱得多（105～418KJ/mol）。醇在固態時，締合較為牢固；液態時，氫鍵斷開後，還會再形成；但在氣相或非極性溶劑的稀溶液中，醇分子彼此相距甚遠，各個醇分子可以單獨存在單獨存在。多元醇分子中有兩個以上位置可以形成氫鍵，因此沸點更高，如乙二醇沸點197℃。分子間的氫鍵隨著濃度增高而增加，分子內氫鍵卻不受濃度的影響。
化學性質
酸鹼性
醇羥基的氧上有兩對孤對電子，氧能利用孤對電子與質子結合。所以醇具有鹼性。在醇羥基中，由於氧的電負性大於氫的電負性，因此氧和氫共用的電子對偏向於氧，氫表現出一定的活性，所以醇也具有酸性。醇的酸性和鹼性與和氧相連的烴基的電子效應相關，烴基的吸電子能力越強，醇的鹼性越弱，酸性越強。相反，烴基的給電子能力越強，醇的鹼性越強，酸性越弱。烴基的空間位阻對醇的酸鹼性也有影響，因此分析烴基的電子效應和空間位阻影響是十分重要的。
電子效應
在氣相下研究一系列醇的酸性次序，其排列情況如下：
(CH3)3CCH2OH > (CH3)3COH > (CH3)2CHOH > C2H5OH > CH3OH > H2O
這說明烷基是吸電子基團。醇在氣態時，分子處於隔離狀態。因此烷基吸電子反映了分子內在的本質。
空間效應
在液相中測定的醇的酸性次序與電子效應方面正好相反：
CH3OH > RCH2OH > R2CHOH > R3COH
這是因為在液相中有溶劑化作用，R3CO-由於R3C體積增大，溶劑化作用小，負電荷不易被分散，穩定性差，因此R3COH中的質子不易解離，酸性小。而RCH2O-體積小，溶劑化作用大。因此RCH2OH中的質子易於解離，酸性大。一般pKa值是在液相測定的，很多反應也是在液相中進行的。因此根據液相中各類醇的酸性的大小順序，認為烷基是給電子的。
各類醇的共軛酸在水中酸性的強弱，也由它們的共軛酸在水中的穩定性來決定，共軛酸的空間位阻小，與水形成氫鍵而溶劑化的程度愈大，酸性就愈低。如空間位阻大，溶劑化作用小，質子易離去，酸性強。
中氫的反應
由於醇羥基中的氫具有一定的活性，因此醇可以和金屬鈉反應，氫氧鍵斷裂，形成醇鈉（CH3CH2ONa）和放出氫氣。
由於在液相中，水的酸性比醇強，所以醇與金屬鈉的反應沒有水和金屬鈉的反應強烈。若將醇鈉放入水中，醇鈉會全部水解，生成醇和氫氧化鈉。雖然如此，在工業上制甲醇鈉或乙醇鈉還是用醇與氫氧化鈉反應，然後設法把水除去，使平衡有利於醇鈉一方。常用的方法是利用形成共沸混合物將水帶走轉移平衡。所沸共合物是指幾種沸點不同而又完全互溶的液體混合物，由於分子間的作用力，它們在蒸餾過程中因氣相和液相組成相同而不能分開，得到具最低沸點（比所有組分沸點都低）或晟高沸點（比所有組分沸點都高）的餾出物。這些餾出物的組成與溶液的組成相同，直到蒸完沸點一直恆定，如乙醇一苯一水組成三元共沸混合物，其沸點為64.9℃（乙醇18. 5%，苯74%，水7.5%），苯一乙醇組成二元共沸混合物，其沸點為68.3℃（乙醇32.4%，苯67. 6%）。由於乙醇一水形成共沸混合物，其沸點為78℃（乙醇95. 57%，水4. 43%），所以乙醇中含有少量的水不能通過蒸餾方法除去，可計算加入比形成乙醇苯一水三元共沸混合物稍過量的苯，先將水除去，然後過量苯與乙醇形成二元共沸混合物除去，剩下為無水乙醇。醇鈉的醇溶液，可通過上述去水方法得到。醇鈉及其類似物在有機合成中是一類重要的試劑，並常作為鹼使用。
含氧無機酸
醇與含氧無機酸反應失去一分子水，生成無機酸酯。
醇與硝酸的反應過程如下：醇分子作為親核試劑進攻酸或其衍生物的帶正電荷部分，氮氧雙鍵打開，而後醇分子的氫氧鍵斷裂，硝酸部分失去一分子水重新形成氮氧雙鍵。
該類反應主要用於無機酸一級醇酯的製備。無機酸三級醇酯的製備不宜用此法，因為三級醇與無機酸反應時易發生消除反應。
醇與含氧無機酸的醯氯和酸酐反應，也能生成無機酸酯。
取代反應
1.與氫鹵酸的反應
(1）一般情況
氫鹵酸與醇反應生成鹵代烷，反應中醇羥基被鹵原子取代。
ROH+HX—∆—>RX+H20
醇羥基不是一個好的離去基團，需要酸的幫助，使羥基質子化後以水的形式離去。各種醇的反應性為3°>2°>1°，三級醇易反應，只需濃鹽酸在室溫振盪即可反應，氫溴酸在低溫也能與三級醇進行反應。如用氯化氫、溴化氫氣體在0℃通過三級醇，反應在幾分鐘內就可完成，這是制三級鹵代烷的常用方法。
在氫鹵酸中，氫碘酸酸性最強，氫溴酸其次，濃鹽酸相對最弱，而鹵離子的親核能力又是I->Br->Cl-，故氫鹵酸的反應性為HI> HBr>HCl。若用一級醇分別與這三種氫鹵酸反應，氫碘酸可直接反應，氫溴酸需用硫酸來增強酸性，而濃鹽酸需與無水氯化鋅混合使用，才能發生反應。氯化鋅是強的路易斯酸，在反應中的作用與質子酸類似。
氧化
一級醇及二級醇與醇羥基相連的碳原子上有氫，可以被氧化成醛、酮或酸；三級醇與醇羥基相連的碳原子上沒有氫，不易被氧化，如在酸性條件下，易脫水成烯，然後碳碳鍵氧化斷裂，形成小分子化合物。
1.用高錳酸鉀或二氧化錳氧化
二級醇可氧化為酮。但由於二級醇用高錳酸鉀氧化為酮時，易進一步氧化使碳碳鍵斷裂，故很少用於合成酮。
三級醇在中性、鹼性條件下不易為高錳酸鉀氧化，在酸性條件下，則能脫水成烯，再發生碳碳鍵斷裂，生成小分子化合物。
高錳酸鉀與硫酸錳在鹼性條件下可製得二氧化錳，新制的二氧化錳可將β碳上為不飽和鍵的一級醇、二級醇氧化為相應的醛和酮，不飽和鍵可不受影響。
2.用鉻酸氧化
一級醇常用NaCr2O7與40%～50%硫酸混合液氧化，先得醛，醛進一步氧化為酸。如控制合適的氧化條件，在氧化成醛後立即將其從反應體系中蒸出，可避免醛進一步被氧化為酸，反應需在低於醇的沸點，高於醛的沸點溫度下進行將丙醇滴加到溫度為～75℃的NaCr2O7，H2SO4，H2O的溶液中，一旦生成丙醛，就被蒸餾出來。這種反應產率不高，因為總有一部分醛氧化為酸。醛的沸點低於100℃才能用此法，因此它的用途是非常有限的。
二級醇常用上述幾種鉻酸氧化劑氧化，酮在此條件下比較穩定。因此是比較有用的方法。
用鉻酐（CrO3）與吡啶反應形成的鉻酐一雙吡啶絡合物是吸潮性紅色結晶，稱Sarrett（沙瑞特）試劑，可使一級醇氧化為醛，二級醇氧化為酮，產率很高，因為吡啶是鹼性的，對在酸中不穩定的醇是一種很好的氧化劑，反應一般在二氯甲烷中於25℃左右進行。分子中如有雙鍵、三鍵，氧化時不受影響。
二級醇還可以被Jones（瓊斯）試劑氧化成相應的酮，若反應物是不飽和的二級醇，用Jones試劑氧化時生成相應的酮而雙鍵不受影響，該試劑是把鉻酐溶於稀硫酸中，然後滴加到要被氧化的醇的丙酮溶液中，反應在15～20℃進行，可得較高產率的酮。
如用過量鉻酸並反應條件強烈，雙鍵也被氧化成酮或酸。
【用鉻酐的硫酸水溶液鑑別一級醇、二級醇】
一級醇、二級醇可使清澈的鉻酐的硫酸水溶液由橙色變為不透明的藍綠色。三級醇無此反應。烯烴、炔烴也無此反應。上述反應的原因是一級醇與二級醇起了氧化作用。
3.用硝酸氧化
一級醇能在稀硝酸中氧化為酸。二級醇、三級醇需在較濃的硝酸中氧化，同時碳碳鍵斷裂，成為小分子的酸。環醇氧化，碳碳鍵斷裂成為二元酸。
脫氫
一級醇、二級醇可以在脫氫試劑（dehydrogenating agent）的作用下，失去氫形成羰基化合物，醇的脫氫一般用於工業生產，常用銅或銅鉻氧化物等作脫氫劑，在300℃下使醇蒸氣通過催化劑即可生成醛或酮。此外Pd等也可作脫氫試劑。
常見製法
在工業生產上，除甲醇外，多數常用的簡單飽和一元醇是由烯烴做原料生產的，但在石油工業尚未興起之前，有些醇是靠發酵的方法生產的。
1.甲醇
最早是用木材乾餾法生產甲醇，故甲醇也叫木醇，1920年以後逐漸停止使用這個方法。現在幾乎所有的甲醇均用合成氣（ synthesis gas）——一氧化碳和氫氣——催化轉化生產，即
CO+2H2——ZnO/Cr2O3,400℃，20～30MPa——>CH3OH ΔH=-92KJ/mol
這是一個放熱反應，幾乎可以得到定量的純甲醇。近20年來用活化的氧化銅做催化劑，可在250℃，5～10MPa條件下進行反應，比上述條件更經濟。
甲醇是可燃的無色液體，可與有機溶劑完全混溶。從水中分餾甲醇，純度可以達到99%左右，要除去其中近1%的水，可加入適量的鎂，甲醇和鎂反應，生成甲醇鎂，它和水反應生成不溶的氧化鎂和甲醇，經蒸餾得無水甲醇（99.9%以上）。
即便小量的甲醇對有機體也是有毒的，甚至會造成嚴重的永久性損傷，例如失明。含有甲醇的酒精稱為變性酒精。飲用這種酒精有致盲的危險。在酒精中加入甲醇為的是防止奸商利用便宜的工業酒精勾兌假酒。
甲醇有多種用途，主要用於製備甲醛，做溶劑及甲基化試劑；另外，也可混入汽油中或單獨用做汽車或噴氣式飛機的燃料。
2.乙醇
工業上大量生產乙醇是用石油裂解氣（petroleum pyrolysis gas）中的乙烯做原料。一種方法是把乙烯在100℃吸收於濃硫酸中，然後水解。此法優點是乙醇產率高，但要用大量硫酸，對設備有強烈的腐蝕作用，還存在對廢酸的回收利用問題。
另一種方法在烯烴酸催化下加水時，用磷酸做催化劑，在300℃和7MPa壓力下，把水蒸氣通人乙烯中，此法步驟簡單，沒有硫酸腐蝕及廢酸的回收利用問題，但需用高濃度的乙烯，且在高壓下操作，生產設備要求很高，且一次轉化成乙醇的量很少，要反覆循環，消耗能量較大。
上述兩法，成本差別不是很大，由於乙烯可大量地從石油加工得到，受到各國重視。
生產乙醇的第三種方法叫做發酵法（fermentation method），這是與上述方法完全不同的，是通過微生物進行的一種生物化學方法。飲用的酒就是用這種方法生產的。中國的乙醇發酵是用乾薯、馬鈴薯及其它含澱粉的物質做主要原料，這些原料先和黑麴黴作用進行糖化，即把澱粉轉變成單糖，然後，加入培養的酵母發酵，把糖變為酒和二氧化碳。二氧化碳是副產品，產率均為95%，可將之降溫，壓縮裝入鋼瓶中，並成為同體，叫做乾冰，在常壓下即成為二氧化碳氣體。在酵母的作用下把糖變為酒是一個很複雜的過程，現在對這個過程已經有了很清楚的了解，它是許多專一反應共同作用的結果，不過各專一反應都是由特殊作用的酶進行的，目前，從酵母複合酶中已分離出12種酶。酶是一種專一而又活性極高的有機催化劑。在制酒的發酵過程中，還產生少量戊醇的兩個異構體及少量丁二酸，這些產物不是來自澱粉，而是由原料中所含蛋白質的發酵產生的。
乙醇和甲醇不同，它和水形成共沸混合物，不能用蒸餾的方法把它們完全分開。因此，工業上制無水乙醇是在普通乙醇中加入一定量的苯，先通過蒸出乙醇苯一水三元共沸混合物除去水，再通過蒸出乙醇一苯二元共沸混合物除去多餘的苯，剩下的為無水乙醇。
為了去掉乙醇中的少量水（如1%），也可以用金屬鎂處理。
乙醇為無色液體，具有特殊氣味，易燃，火焰呈淡藍色。乙醇在染料、香料、醫藥等工業中都很有用，實驗室中常用它做試劑，是日前最重要的溶劑之一。
小量乙醇對人體的作用是先興奮、後麻醉；大量的乙醇對人體有毒。
3.正丙醇
工業上生產正丙醇是用乙烯、一氧化碳和氫在高壓及加熱下，用鈷為催化劑進行反應得到醛，此反應稱羰基合成（oxo synthesis），醛進一步在催化劑作用下還原為醇，這是在工業上生產醛和醇的極為重要的方法。
上法也可用於生產高級醛，不過常生成兩種異構體，醛可進一步還原為醇。
這種高級醇（C12 -C18）是制洗滌劑（dctcrgent) [CH3(CH2)nCH2OSO3-Na+]的一種原料。
