Эта увлекательная химия

Очевидно, что чем больше смещена в молекуле электронная пара к атому кислорода, тем легче отделится протон, тем легче диссоциирует соединение. В спиртах углеводородный радикал "нагнетает" электронную плотность на гидроксильную группу, электронная плотность между атомами кислорода и водорода в гидроксиле повышена, диссоциация происходит с трудом:

Иная картина в случае кислоты. Как распределяются электроны в карбонильной группе? Кислород — более электроотрицательный элемент, он оттягивает на себя электроны двойной связи. Атом углерода в карбониле обеднен электронами и поэтому "тянет" электроны от соседнего атома — гидроксильного кислорода. Кислород, в свою очередь, оттягивает на себя электроны связи кислород — водород. Результат такой — облегчается процесс диссоциации кислоты, т. е. отщепления протона:

Действие, аналогичное оттягиванию электронов карбонильной группой, оказывает и бензольное кольцо. Оно как бы стремится затянуть в себя электронную плотность связи О — Ни таким образом облегчает диссоциацию. Поэтому ароматические спирты — фенолы — кислоты более сильные, чем спирты алифатические.

Мы говорим: более сильные, менее сильные. А как оценить количественно, во сколько раз одна кислота сильнее другой? Для таких оценок вводится понятие константы диссоциации кислоты. Константа эта равна произведению концентраций ионов Н+ и анионов кислоты А~, деленному на концентрацию молекул не диссоциировавшей кислоты НА:

Сопоставим константы диссоциации некоторых кислот:

Химические свойства кислородсодержащих органических соединений

Мы видим, что этиловый спирт диссоциирует в меньшей степени, чем вода, фенол — кислота гораздо более слабая, чем уксусная. А хлоруксусная кислота, в свою очередь, на два порядка сильнее уксусной (сказывается влияние атома хлора, который "тянет" на себя электроны).

Мы не будем здесь обсуждать способы получения и свойства кислородсодержащих органических соединений. Основные реакции показаны на схеме. Отметим только, что в начале главы мы легко "превратили" в спирт этан, "заместив" атом водорода на гидроксильную группу. Разумеется, это просто только на бумаге, в действительности осуществить этот синтез довольно сложно.

Остановимся для примера на двух реакциях. Первая — получение сложных эфиров. Мы уже говорили об этой реакции по аналогии с реакцией нейтрализации между неорганическими основанием и кислотой и о том, что эта аналогия лишь формальная. На самом деле механизмы реакции нейтрализации и этерификации — т. е. образования сложного эфира из спирта и кислоты — существенно различаются. При этерификации от молекулы спирта отщепляется водород, а от молекулы кислоты — гидроксил. Доказано это было таким образом. Была проведена реакция бензойной кислоты с метиловым спиртом, содержащим небольшое количество тяжелого изотопа кислорода (СН₃¹⁸ОН). В полученной после реакции воде 180 не обнаружили, и отсюда можно было сделать вывод, что реакция идет по такой схеме:

Но почему реакция идет именно так, каков ее механизм? Реакция этерификации протекает под действием иона водорода следующим образом:

Протон атакует гидроксильную группу кислоты. Разрывается связь гидроксила с углеродом и одновременно завязывается связь с подошедшим протоном, т. е. образуется вода. Молекула спирта атакует положительно заряженный углерод в остатке кислоты. При этом разрывается связь кислорода с водородом и "освободившаяся" пара электронов идет на образование новой связи с углеродом.

Реакция обратима, т. е. под действием воды и ионов Н+ сложный эфир омыляется с образованием спирта и кислоты. Для того чтобы понять, как проходит эта реакция, нужно написанное выше уравнение прочитать справа налево.

Но гидролиз сложного эфира можно провести и под действием ионов гидроксила. В этом случае первой стадией реакции будет атака отрицательно заряженного гидроксил-иона на углеродный атом, несущий частичный положительный заряд:

На этой схеме пунктирными стрелками обозначено смещение электронных пар, а в квадратные скобки заключен промежуточно образующийся комплекс.

Вторая реакция, о которой мы хотим упомянуть,- это реакция Кучерова (присоединение воды к ацетиленам). Реакция идет в присутствии солей ртути. Вода присоединяется по тройной связи в соответствии с правилом Марковникова. Получается спирт, в котором гидроксильная группа соседствует с двойной связью. Однако такое соединение неустойчиво и перегруппируется в кетон (в случае ацетилена — в альдегид) :

И в заключение этого раздела отметим, что очень многие соединения — производные углеводородов с кислородсодержащими функциональными группами — имеют аналоги среди серу содержащих соединений. Например, замена кислорода в гидроксильной группе на атом серы приводит к тиоспиртам, или меркаптанам,- соединениям с очень сильным и крайне неприятным запахом. Известны и тиокислоты — органические кислоты, в которых один или оба атома кислорода заменены на серу.

Те же и азот