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有机化学基础与综合应用

  1. 01有机物分类、命名、研究方法与碳骨架
  2. 02烷烃、同系物与有机物空间结构
  3. 03烯烃、炔烃与化石燃料
  4. 04苯与芳香烃入门
  5. 05卤代烃基础
  6. 06醇和酚
  7. 07醛和酮
  8. 08羧酸、酯与酰胺
  9. 09氨基酸、蛋白质与含氮有机物
  10. 10加成、取代、消去和氧化反应
  11. 11同分异构与限定条件下的异构体判断
  12. 12有机合成路线设计
  13. 13有机化合物的分类、命名与研究方法
  14. 14生物大分子与合成高分子
  15. 15有机综合推断
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课程化学有机化学基础与综合应用醇和酚

醇和酚:同一个 —OH,为什么性格不同?

打开酒精消毒液,里面的主角是乙醇;再看某些消毒剂和树脂原料,会遇到苯酚。它们都带有羟基 −OH\mathrm{-OH}−OH,却不能把“有羟基”简单地等同于“性质一样”。关键问题是:羟基接在什么位置?

当 −OH\mathrm{-OH}−OH 接在饱和碳原子上,得到醇;当它直接接在苯环上,得到酚。连接位置改变了电子的分布,也改变了反应的优先路线。本章用乙醇和苯酚两位代表物,练习从“结构”预测“性质”。

乙醇羟基与氢键示意图

醇的羟基连接在饱和碳原子上,例如 CH3CH2OH\mathrm{CH_3CH_2OH}CH3​CH2​OH;酚的羟基直接连接在苯环上,例如 C6H5OH\mathrm{C_6H_5OH}C6​H5​OH。C6H5CH2OH\mathrm{C_6H_5CH_2OH}C6​H5​CH2​OH 的 −OH\mathrm{-OH}−OH 接在侧链碳上,叫苄醇,属于醇而不是酚。

一、先看结构:醇如何分类

把烃分子中的一个氢原子换成羟基,且羟基连在饱和碳上,通常就得到醇。链状饱和一元醇可写作 CnH2n+1OH\mathrm{C_nH_{2n+1}OH}Cn​H2n+1​OH(n≥1n\ge1n≥1)。按每个羟基所连碳原子再连接几个碳原子,可以把醇分为伯醇、仲醇和叔醇:

  • RCH2OH\mathrm{RCH_2OH}RCH2​OH 是伯醇;
  • R2CHOH\mathrm{R_2CHOH}R2​CHOH 是仲醇;
  • R3COH\mathrm{R_3COH}R3​COH 是叔醇。

这里的“伯、仲、叔”数的是羟基所连碳的邻碳数,不是数分子中羟基的数量。甲醇的羟基所连碳没有连接其他碳,通常归入伯醇讨论。

为什么小分子醇容易溶于水、沸点又较高?

把羟基想成一个能和水分子“握手”的接口:氧原子附近的电子分布使醇能与水分子形成氢键。因此甲醇、乙醇、丙醇能和水混溶;碳链逐渐变长时,疏水的烃基占比增大,溶解性会下降。醇分子之间也能形成氢键,所以其沸点往往高于相对分子质量相近的烃。

“含羟基就易溶于水”不完整。羟基增多通常有利于溶解;但对一元醇来说,碳链越长,烃基的影响越明显,水中溶解度会降低。

二、乙醇:同一分子,条件决定反应路线

餐桌上的酒精、消毒用酒精都让乙醇很熟悉;但考试真正要问的是:给出试剂和条件后,乙醇会从哪里断键、形成什么产物?先不要背一串方程式,先观察乙醇中两类“可动部位”:O−H\mathrm{O-H}O−H 键和与羟基相连的碳附近的键。

1. 与金属钠:羟基中的氢被置换

乙醇与钠反应,钠取代羟基中的氢,生成乙醇钠和氢气:

2CH3CH2OH+2Na→2CH3CH2ONa+H2↑\mathrm{2CH_3CH_2OH+2Na\rightarrow2CH_3CH_2ONa+H_2\uparrow}2CH3​CH2​OH+2Na→2CH3​CH2​ONa+H2​↑

现象是钠逐渐消失并有气泡产生。这里气体是氢气,但它不能作为乙醇的专一检验,因为水、酚和许多醇也能与钠放出氢气。

2. 催化氧化:伯醇可生成醛

乙醇蒸气与空气(或氧气)混合,通过灼热的铜丝;也可在铜催化、加热条件下反应,生成乙醛:

2CH3CH2OH+O2→ΔCu2CH3CHO+2H2O\mathrm{2CH_3CH_2OH+O_2\xrightarrow[\Delta]{Cu}2CH_3CHO+2H_2O}2CH3​CH2​OH+O2​CuΔ​2CH3​CHO+2H2​O

可以怎么预判?羟基所连的碳上若有氢,温和催化氧化可能发生;伯醇通常氧化为醛,仲醇通常氧化为酮,叔醇在这一高中常用条件下不被氧化为醛或酮。

乙醇催化氧化装置与现象

图示为反应循环,并非实验装置。将第二步乘以 2 后与第一步相加,可约去 Cu、CuO,得到总反应;单独看第二步时,CuO 是被消耗的氧化剂。

3. 脱水:140 ℃与170 ℃不是装饰条件

浓硫酸既提供酸性环境又有脱水作用,温度会把反应导向不同的路径:

2CH3CH2OH→140 ∘C浓 H2SO4CH3CH2OCH2CH3+H2O\mathrm{2CH_3CH_2OH\xrightarrow[140\ ^\circ C]{浓\ H_2SO_4}CH_3CH_2OCH_2CH_3+H_2O}2CH3​CH2​OH浓 H2​SO4​140 ∘C​CH3​CH2​OCH2​CH3​+H2​O CH3CH2OH→170 ∘C浓 H2SO4CH2=CH2↑+H2O\mathrm{CH_3CH_2OH\xrightarrow[170\ ^\circ C]{浓\ H_2SO_4}CH_2{=}CH_2\uparrow+H_2O}CH3​CH2​OH浓 H2​SO4​170 ∘C​CH2​=CH2​↑+H2​O

前者是分子间脱水,得到乙醚;后者是分子内脱水,得到乙烯。醇发生消去反应还要检查结构:与羟基相连的碳的相邻碳上必须有氢原子。没有这样的相邻氢,就不能按这一路径消去。

乙醇取代与消去反应路径

4. 与氢卤酸:羟基被卤素取代

例如乙醇与氢溴酸在加热条件下反应:

CH3CH2OH+HBr→ΔCH3CH2Br+H2O\mathrm{CH_3CH_2OH+HBr\xrightarrow{\Delta}CH_3CH_2Br+H_2O}CH3​CH2​OH+HBrΔ​CH3​CH2​Br+H2​O

这提醒我们:有机反应式不要只盯“出现了什么元素”,还要回到官能团和条件。−OH\mathrm{-OH}−OH 在这里被 −Br\mathrm{-Br}−Br 替换,属于取代反应。

互动中的每一关都只改变一个条件。完成后回头问自己:是“乙醇会什么反应”,还是“乙醇在此条件下优先走哪条反应路线”?后者才是稳定的解题思路。

例题:由产物倒推条件

乙醇在某条件下主要生成一种有机产物 XXX,已知 XXX 是常温气体、难溶于水,且能使溴水褪色。XXX 最可能是什么?

常温气体、难溶于水且能使溴水褪色,提示 XXX 含有碳碳双键;乙醇本身没有碳碳双键。这些排他证据也排除了常温下为液体的乙醚等脱水产物。
乙醇若发生分子内脱水,会生成乙烯 CH2=CH2\mathrm{CH_2{=}CH_2}CH2​=CH2​;乙烯是常温气体、难溶于水,能和溴发生加成而使溴水褪色。
因此 XXX 是乙烯,条件应为浓硫酸、约 170 ∘C170\ ^\circ\mathrm{C}170 ∘C。若题目给的是约 140 ∘C140\ ^\circ\mathrm{C}140 ∘C,应想到乙醚而不能写乙烯。

检验乙醇脱水生成的乙烯时,不能把“酸性高锰酸钾褪色”直接当作唯一证据。反应体系中可能有挥发的乙醇或副产物 SO2\mathrm{SO_2}SO2​,它们也会使酸性高锰酸钾褪色;应先除去干扰,再检验乙烯。

三、苯酚:苯环和羟基彼此影响

苯酚的结构简式为 C6H5OH\mathrm{C_6H_5OH}C6​H5​OH。它看起来像“把乙醇的乙基换成苯基”,但苯环不是普通碳链。苯环会影响羟基:使羟基中的氢比醇羟基更容易电离;羟基也会反过来影响苯环:使环上邻、对位的氢更容易被取代。

苯酚的羟基直接连在苯环碳上,结构简式为 C6H5OH\mathrm{C_6H_5OH}C6​H5​OH。苯环使羟基氢较醇羟基氢容易电离;羟基又使苯环的邻、对位较苯更容易发生取代。下面的溴代反应结构图可以核对羟基的连接位置。

1. 苯酚显弱酸性,但不等于羧酸

苯酚能与氢氧化钠溶液反应,生成可溶于水的苯酚钠:

C6H5OH+NaOH→C6H5ONa+H2O\mathrm{C_6H_5OH+NaOH\rightarrow C_6H_5ONa+H_2O}C6​H5​OH+NaOH→C6​H5​ONa+H2​O

这正是它与乙醇的显著区别:乙醇不与 NaOH\mathrm{NaOH}NaOH 溶液发生这一中和反应。向苯酚钠溶液通入 CO2\mathrm{CO_2}CO2​,碳酸的酸性强于苯酚,苯酚又会游离出来,溶液可变浑浊:

C6H5ONa+CO2+H2O→C6H5OH↓+NaHCO3\mathrm{C_6H_5ONa+CO_2+H_2O\rightarrow C_6H_5OH\downarrow+NaHCO_3}C6​H5​ONa+CO2​+H2​O→C6​H5​OH↓+NaHCO3​

自问:既然能和 NaOH\mathrm{NaOH}NaOH 反应,为什么不能和 NaHCO3\mathrm{NaHCO_3}NaHCO3​ 放出 CO2\mathrm{CO_2}CO2​?苯酚的酸性弱于碳酸,不能使 HCO3−\mathrm{HCO_3^-}HCO3−​ 转化为 H2CO3\mathrm{H_2CO_3}H2​CO3​,故不放出 CO2\mathrm{CO_2}CO2​。苯酚的水溶液通常也不能使紫色石蕊变红;这是其酸性很弱的表现,不能仅由它与碳酸的酸性比较推出。

2. 与钠反应:有氢气,但不作为鉴别依据

2C6H5OH+2Na→2C6H5ONa+H2↑\mathrm{2C_6H_5OH+2Na\rightarrow2C_6H_5ONa+H_2\uparrow}2C6​H5​OH+2Na→2C6​H5​ONa+H2​↑

乙醇和苯酚都能和钠反应。因此“有气泡”只能说明样品可能含有能与钠反应的羟基或水,不能据此区分醇和酚。

3. 溴水:苯环上的取代反应更容易发生

苯酚遇浓溴水,在常温下无需催化剂即可生成 2,4,6-三溴苯酚白色沉淀:

C6H5OH+3Br2→C6H2Br3OH↓+3HBr\mathrm{C_6H_5OH+3Br_2\rightarrow C_6H_2Br_3OH\downarrow+3HBr}C6​H5​OH+3Br2​→C6​H2​Br3​OH↓+3HBr

为什么苯需要催化剂,而苯酚在浓溴水中反应很快?不是苯环“消失了”,而是羟基使苯环的邻、对位更活泼。这个现象说明了羟基对苯环的影响。

苯酚与浓溴水反应生成白色沉淀

4. FeCl3\mathrm{FeCl_3}FeCl3​ 显色:快速识别酚羟基

苯酚能使氯化铁溶液显紫色,这是酚类的特征反应之一;乙醇无此现象。答实验题时应写清“滴加 FeCl3\mathrm{FeCl_3}FeCl3​ 溶液,溶液显紫色”,不要只写“颜色改变”。

这个对照实验把“都能与钠放氢”与“只有苯酚能与 NaOH\mathrm{NaOH}NaOH 反应”放在同一张判断表中。后者说明反应性不同,却没有可直接作为鉴别结论的特征颜色或沉淀;鉴别时应优先依据浓溴水产生白色沉淀或 FeCl3\mathrm{FeCl_3}FeCl3​ 溶液显紫色。

四、别被“苯环 + OH”迷惑:分类与鉴别

分类时先问:分子中是否含有 O−H\mathrm{O-H}O−H 键?若不含 O−H\mathrm{O-H}O−H 键,如 C6H5OCH3\mathrm{C_6H_5OCH_3}C6​H5​OCH3​,其中的氧连接两个碳原子,属于醚键等含氧结构,不按醇或酚分类。若含有羟基,再沿 O−C\mathrm{O-C}O−C 键判断羟基所连的碳:羟基直接连在苯环上的是酚,如 C6H5OH\mathrm{C_6H_5OH}C6​H5​OH;羟基连在侧链饱和碳上的是醇,如 C6H5CH2OH\mathrm{C_6H_5CH_2OH}C6​H5​CH2​OH(苄醇)。苯酚和苄醇含羟基,苯甲醚含醚键,三者性质并不相同。

做完结构侦探后,建议把分类步骤压缩成一句话:先看是否含 O−H\mathrm{O-H}O−H 键;有羟基时,再沿 O−C\mathrm{O-C}O−C 键看羟基连接的那个碳是否在苯环上。 这比凭名称或“是否画了苯环”可靠得多。

例题:两瓶无色液体如何区分?

有两瓶无色液体,分别是乙醇和苯酚溶液。选用什么试剂最简便?

先寻找“只对其中一种有明显特征”的反应。两者遇钠都可能放氢,不能优先选择。
滴加 FeCl3\mathrm{FeCl_3}FeCl3​ 溶液:显紫色的是苯酚溶液,无明显特征显色的是乙醇。
也可滴加浓溴水:出现白色沉淀的是苯酚。但若样品中混有其他能与溴水反应的物质,FeCl3\mathrm{FeCl_3}FeCl3​ 显色更适合作为本题的直接依据。

苯酚有毒,可经皮肤吸收并造成腐蚀。若接触皮肤,应立即告知教师、迅速脱去污染衣物,按实验室应急预案处理并寻求医疗帮助;不能等待寻找酒精,更不能用碱中和。无专用去污剂时立即使用安全淋浴充分冲洗,避免用少量水擦拭而扩大污染。

五、把结构、现象和结论连成一条线

观察或条件乙醇苯酚应得到的结论
与 Na放出 H2\mathrm{H_2}H2​放出 H2\mathrm{H_2}H2​不能据此鉴别
与 NaOH 溶液不反应生成苯酚钠苯酚显弱酸性
通入 CO2\mathrm{CO_2}CO2​ 至苯酚钠溶液—苯酚析出碳酸酸性强于苯酚
加浓溴水无特征反应白色沉淀羟基使苯环邻、对位活泼
加 FeCl3\mathrm{FeCl_3}FeCl3​ 溶液无特征显色显紫色可检验酚羟基

最后再回看章首的问题:同一个 −OH\mathrm{-OH}−OH 为什么表现不同?因为官能团从不完全脱离分子骨架而独立存在。乙醇中,羟基连接在脂肪链上;苯酚中,羟基与苯环发生相互影响。用“连接位置—电子影响—反应现象”的链条组织答案,就能把零散方程式变成可迁移的判断能力。

练习:即时自测

1
下列物质中,属于酚类的是?
2
鉴别苯酚溶液和乙醇的最简便试剂是?
3
乙醇与浓硫酸共热,欲使主要有机产物为乙烯,应控制在约什么温度?

章末提示

若题目给出 C6H5CH2OH\mathrm{C_6H_5CH_2OH}C6​H5​CH2​OH,先问“羟基直接连苯环了吗?”;若给出 NaOH,再问“羟基中的氢是否因苯环影响而表现出弱酸性?”;若给出浓硫酸和温度,再问“此时乙醇走分子间脱水还是分子内脱水?”每一次都从结构和条件出发,答案自然会收敛。

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