第7章醇和醚 | 基础有机化学

7.1 醇的概述

💊 紫杉醇(Taxol)——来自太平洋红豆杉的抗癌明星

紫杉醇是从太平洋红豆杉树皮中提取的一种复杂天然产物，是目前最重要的抗癌药物之一。Bristol-Myers-Squibb公司将其开发为商品"Taxol"。紫杉醇分子中含有多个羟基和酯基，其全合成是有机化学领域的重大成就。1994年，Scripps研究所的K.C. Nicolaou和佛罗里达州立大学的Robert Holton分别独立完成了紫杉醇的全合成。

醇的定义： 羟基与饱和碳原子相连的化合物称为醇（alcohol）。醇可以看作是水分子中一个氢被烷基取代的产物。

根据羟基所连碳原子的性质和羟基的数目，醇可以分为不同类型：

按羟基所连碳原子分类

醇的分类

伯醇（一级醇，primary alcohol）—— RCH₂OH

仲醇（二级醇，secondary alcohol）—— R₂CHOH

叔醇（三级醇，tertiary alcohol）—— R₃COH

H | R—C—OH | H

伯醇 (1° alcohol)

R' | R—C—OH | H

仲醇 (2° alcohol)

R' | R—C—OH | R''

叔醇 (3° alcohol)

按羟基数目分类

一元醇

monohydric alcohol
CH₃OH, C₂H₅OH

二元醇

dihydric alcohol
HOCH₂CH₂OH（乙二醇）

多元醇

polyhydric alcohol
甘油、季戊四醇等

烯醇与炔醇：

羟基连在双键碳上的化合物（RCH=CHOH）称为烯醇（enol），它不稳定，会发生互变异构转变为醛。羟基连在叁键碳上的化合物（RC≡COH）称为炔醇（ynol），也不稳定。本章主要讨论羟基连在饱和碳上的醇。

CH₃CH=CHOH ⇌ CH₃CH₂CHO（烯醇-醛互变异构）

7.2 醇的命名

7.2.1 普通命名法

简单醇可以用烷基的名称加"醇"字命名，烷基名称按普通命名法（参见2.7.1~2.7.4节）。

CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂OH

正戊醇 n-pentyl alcohol

(CH₃)₂CHCH₂OH

异丁醇 isobutyl alcohol

(CH₃)₃COH

叔丁醇 tert-butyl alcohol

CH₃CH₂CHOHCH₃

仲丁醇 sec-butyl alcohol

7.2.2 系统命名法（IUPAC命名法）

选取含羟基的最长碳链为主链，按主链碳原子数称为"某醇"。从靠近羟基的一端开始给主链碳原子编号，将羟基的位次写在醇名之前。

CH₃CH₂CH₂OH

1-丙醇 1-propanol

CH₃CHOHCH₃

2-丙醇 2-propanol

(CH₃)₂CHCH₂CH₂OH

3-甲基-1-丁醇 3-methyl-1-butanol

HOCH₂CH₂OH

1,2-乙二醇（乙二醇） 1,2-ethanediol (ethylene glycol)

HOCH₂CHOHCH₂OH

1,2,3-丙三醇（甘油） 1,2,3-propanetriol (glycerol)

含不饱和键的醇

CH₂=CHCH₂OH

2-丙烯-1-醇（烯丙醇） 2-propen-1-ol (allyl alcohol)

C₆H₅CH₂OH

苯甲醇（苄醇） phenylmethanol (benzyl alcohol)

自测题 7-1

用系统命名法命名下列化合物：

(i) H₂C=CHCH₂OH (ii) (CH₃)₃CCH₂OH (iii) (CH₃)₂CHCHCH₂OH(CH₃)

7.3 醇的结构

7.3.1 醇分子的几何构型

醇分子中，氧原子采用sp³杂化，与碳原子和氢原子形成两个σ键，还有两对孤对电子。因此，C—O—H键角约为109°，略小于正四面体角。

甲醇分子结构

结构参数：

C—O键长约143pm，O—H键长约96pm，C—O—H键角约108.9°。氧的电负性大于碳和氢，因此C—O键和O—H键都是极性键，醇分子具有较大的偶极矩。

C—O键特性

键长：143 pm

键能：约360 kJ/mol

极性：δ⁺C—Oδ⁻

O—H键特性

键长：96 pm

键能：约460 kJ/mol

极性：δ⁺O—Hδ⁺

7.3.2 醇的构象

乙醇分子可以绕C—C键和C—O键旋转，形成不同的构象。最稳定的构象是交叉式构象。

7.4 醇的物理性质

常见醇的物理常数

俗名	结构式	IUPAC名称	熔点/°C	沸点/°C	相对密度
甲醇	CH₃OH	methanol	-97	64.7	0.792
乙醇	C₂H₅OH	ethanol	-115	78.4	0.789
正丙醇	CH₃CH₂CH₂OH	1-propanol	-126	97.2	0.804
正丁醇	CH₃(CH₂)₂CH₂OH	1-butanol	-90	117.8	0.810
异丙醇	(CH₃)₂CHOH	2-propanol	-88.5	82.3	0.786
叔丁醇	(CH₃)₃COH	2-methyl-2-propanol	26	82.5	0.789
苄醇	C₆H₅CH₂OH	phenylmethanol	-15	205	1.046
乙二醇	HOCH₂CH₂OH	1,2-ethanediol	-16	197	1.113
甘油	HOCH₂CHOHCH₂OH	1,2,3-propanetriol	18	290	1.261

氢键与沸点

醇分子间通过氢键缔合（association），使其沸点远高于相对分子质量相近的烷烃和醚。

R—O—H ··· O—H ··· O—H | | | R R R

分子间氢键能：21~30 kJ·mol⁻¹

氢键对性质的影响：

氢键的存在使醇的沸点比相对分子质量相近的烷烃高得多。例如，乙醇（M=46）的沸点为78.4°C，而丙烷（M=44）的沸点为-42°C。氢键能（21~30 kJ·mol⁻¹）远小于共价键能（105~418 kJ·mol⁻¹）。

溶解性

低级醇（C₁~C₃）与水混溶，这是因为醇分子中的羟基可以与水分子形成氢键。随着碳链增长，烃基部分增大，醇在水中的溶解度逐渐降低。

共沸物：乙醇与水可以形成共沸混合物（azeotropic mixture），共沸点78°C，含乙醇95.57%，水4.43%。因此，通过普通蒸馏只能得到约95%的乙醇。要制得无水乙醇，需要用特殊方法除水。

7.5 醇的酸性和碱性

醇的酸性

醇是极弱的酸，其酸性比水还弱。醇的pKₐ值约为16~18，而水的pKₐ值为15.7。

ROH ⇌ RO⁻ + H⁺ pKₐ ≈ 16~18

醇的酸性顺序：

CH₃OH > 1° ROH > 2° ROH > 3° ROH > H₂O（酸性减弱）

这是因为烷基的给电子诱导效应使氧上的电子密度增加，O—H键的极性降低，质子更难离去。

与活泼金属的反应

醇可以与活泼金属（如钠、钾、镁、铝）反应，生成醇盐并放出氢气。

与金属钠反应

2RCH₂OH + 2Na → 2RCH₂ONa + H₂↑

反应活性：CH₃OH > 1° ROH > 2° ROH > 3° ROH

与其他金属反应

2(CH₃)₃COH + 2K → 2(CH₃)₃COK + H₂↑

2C₂H₅OH + Mg → (C₂H₅O)₂Mg + H₂↑

6(CH₃)₂CHOH + 2Al → 2[(CH₃)₂CHO]₃Al + 3H₂↑

应用：醇钠常用作有机合成中的强碱。异丙醇铝[(CH₃)₂CHO]₃Al是重要的还原剂，用于Meerwein-Ponndorf-Verley还原反应。

醇的碱性

醇分子中氧原子上有孤对电子，可以接受质子，表现出弱碱性。

ROH + H⁺ ⇌ ROH₂⁺（烊离子）

醇的碱性比水强，这是因为烷基的给电子效应增加了氧上的电子密度，使其更容易接受质子。

7.6-7.7 醇的化学反应

醇的反应类型：

醇的化学反应主要涉及O—H键和C—O键的断裂。O—H键断裂生成醇盐或酯，C—O键断裂则羟基被其他基团取代。

7.6.1 与无机酸的酯化反应

醇可以与无机含氧酸（如硝酸、硫酸、磷酸）反应生成酯。

与硝酸反应

CH₃OH + HONO₂ → CH₃ONO₂ + H₂O（硝酸甲酯）

与亚硝酸反应

CH₃OH + HONO → CH₃ONO + H₂O（亚硝酸甲酯）

与硫酸反应

CH₃OH + HOSO₂OH → CH₃OSO₂OH + H₂O

2CH₃OH + H₂SO₄ → (CH₃O)₂SO₂ + 2H₂O（硫酸二甲酯）

甘油三硝酸酯：甘油与硝酸作用生成甘油三硝酸酯（硝化甘油），是一种烈性炸药，也用于治疗心绞痛。

7.7.1 与氢卤酸的反应

醇与氢卤酸反应，羟基被卤素取代，生成卤代烃。

ROH + HX → RX + H₂O

伯醇的反应机理（S_N2）

1 质子化：RCH₂OH + H⁺ ⇌ RCH₂OH₂⁺

2 亲核取代：X⁻ + RCH₂—OH₂⁺ → RCH₂X + H₂O

叔醇的反应机理（S_N1）

1 质子化：R₃COH + H⁺ ⇌ R₃COH₂⁺

2 离解：R₃COH₂⁺ → R₃C⁺ + H₂O

3 结合：R₃C⁺ + X⁻ → R₃CX

反应活性顺序：

HI > HBr > HCl（氢卤酸的反应活性）

3° ROH > 2° ROH > 1° ROH（醇的反应活性）

Lucas试剂鉴别伯、仲、叔醇

Lucas试剂是浓盐酸和无水氯化锌的混合物，用于鉴别伯、仲、叔醇：

• 叔醇：室温下立即反应，溶液变浑浊

• 仲醇：室温下2~5分钟后变浑浊

• 伯醇：室温下不反应，需加热才能反应

烯丙醇和苄醇反应速度与叔醇相当。

7.7.2 与卤化磷的反应

与三卤化磷反应

3ROH + PX₃ → 3RX + H₃PO₃

与五卤化磷反应

ROH + PX₅ → RX + POX₃ + HX

7.7.3 与亚硫酰氯的反应

与SOCl₂反应

ROH + SOCl₂ → RCl + SO₂↑ + HCl↑

此反应的优点是副产物SO₂和HCl都是气体，易于除去，产物纯净。

7.8 醇的脱水反应

醇在酸催化下加热可以发生脱水反应。根据条件不同，可以发生分子内脱水（生成烯烃）或分子间脱水（生成醚）。

分子内脱水（消除反应）

CH₃CH₂OH ——170°C, H₂SO₄——→ CH₂=CH₂ + H₂O

分子间脱水（生成醚）

2CH₃CH₂OH ——140°C, H₂SO₄——→ CH₃CH₂OCH₂CH₃ + H₂O

Zaitsev规则：

消除反应主要生成取代基较多的烯烃（更稳定的烯烃）。

7.9 醇的氧化和脱氢

氧化产物规律：

伯醇氧化生成醛，进一步氧化生成羧酸；仲醇氧化生成酮；叔醇难以氧化。

RCH₂OH → RCHO → RCOOH

伯醇 → 醛 → 羧酸

R₂CHOH → R₂C=O

仲醇 → 酮

R₃COH → 难氧化

叔醇

7.9.1 铬酸氧化

铬酸（H₂CrO₄）及其衍生物是常用的氧化剂。常用的试剂包括：

Jones试剂

CrO₃/H₂SO₄/丙酮
伯醇→醛→羧酸

PCC

氯铬酸吡啶盐
伯醇→醛（可控制）

PDC

重铬酸吡啶盐
选择性氧化

7.9.2 Swern氧化

Swern氧化是一种温和的氧化方法，使用二甲基亚砜(DMSO)和草酰氯作为氧化剂，可在低温下将伯醇氧化为醛，仲醇氧化为酮。

7.9.3 催化脱氢

在高温下，醇蒸气通过铜或银催化剂可发生脱氢反应。

RCH₂OH ——Cu, 300°C——→ RCHO + H₂

7.9.4 Oppenauer氧化

仲醇在异丙醇铝存在下与丙酮反应，可被氧化为酮。这是Meerwein-Ponndorf-Verley还原的逆反应。

7.9.5 Pfitzner-Moffatt氧化

使用DMSO和DCC(二环己基碳二亚胺)作为氧化剂，是一种温和的氧化方法。

7.10 邻二醇的特性

邻二醇（vicinal diol）具有一些特殊的化学性质。

高碘酸氧化

RCHOH—CHOHR' + HIO₄ → RCHO + R'CHO + HIO₃ + H₂O

高碘酸（HIO₄）可以将邻二醇氧化断裂，生成两个羰基化合物。

频哪醇重排

(CH₃)₂C(OH)—C(OH)(CH₃)₂ ——H⁺——→ (CH₃)₃C—CO—CH₃

频哪醇在酸催化下发生重排，生成频哪酮。

7.11 醇的制备

7.11.1 由烯烃制备醇

酸催化水合

RCH=CH₂ + H₂O ——H⁺——→ RCHOHCH₃

遵循Markovnikov规则，水加在含氢较多的碳上。

硼氢化-氧化

RCH=CH₂ ——1. BH₃/THF 2. H₂O₂/NaOH——→ RCH₂CH₂OH

反-Markovnikov加成，得到伯醇。

羟汞化-脱汞

RCH=CH₂ ——1. Hg(OAc)₂/H₂O 2. NaBH₄——→ RCHOHCH₃

Markovnikov加成，反应条件温和。

7.11.2 由醛酮还原制备醇

催化氢化

RCHO + H₂ ——Pt, Pd或Ni——→ RCH₂OH

金属氢化物还原

RCHO ——NaBH₄或LiAlH₄——→ RCH₂OH

R₂C=O ——NaBH₄或LiAlH₄——→ R₂CHOH

7.11.3 Grignard反应

格氏试剂与羰基化合物反应

HCHO + RMgX → RCH₂OMgX ——H₂O——→ RCH₂OH（伯醇）

R'CHO + RMgX → R'CHOH—R（仲醇）

R'₂C=O + RMgX → R'₂C(OH)R（叔醇）

7.13 醇的工业来源

甲醇

CO + 2H₂ →催化剂→ CH₃OH
合成气法

乙醇

糖类发酵
乙烯水合

异丙醇

丙烯水合
丙酮还原

7.14 硫醇

硫醇 (Thiol)：

硫醇是醇的含硫类似物，通式为RSH。硫醇又称巯基化合物（mercaptan），其官能团—SH称为巯基。

硫醇的特性：

1. 硫醇的酸性比相应的醇强得多（pKₐ ≈ 10~11）

2. 硫醇不能形成氢键，沸点比相应的醇低

3. 硫醇具有令人不愉快的臭味（天然气中加入微量硫醇作为警示剂）

4. 硫醇容易被氧化生成二硫化物：2RSH + [O] → RSSR + H₂O

7.15 醚的概述与命名

醚的定义：

醚是两个烃基通过氧原子连接的化合物，通式为R—O—R'。醚可以看作是水分子中两个氢原子都被烃基取代的产物。

7.15.1 普通命名法

将两个烃基的名称按一定顺序排列，再加上"醚"字。相同的两个烃基只写一次。

CH₃OCH₃

甲醚（二甲醚） dimethyl ether

CH₃OCH₂CH₃

甲乙醚 ethyl methyl ether

C₂H₅OC₂H₅

乙醚（二乙醚） diethyl ether

7.15.2 系统命名法

以较长的烃基为母体，较小的烃氧基（RO—）作为取代基。

CH₃OCH₂CH₃

甲氧基乙烷 methoxyethane

7.15.3 环醚的命名

环氧乙烷

三元环醚 ethylene oxide / oxirane

四氢呋喃 (THF)

五元环醚 tetrahydrofuran

1,4-二氧六环

六元双氧环醚 1,4-dioxane

冠醚

冠醚 (Crown ether)：

冠醚是含有多个氧原子的大环醚，因其结构像王冠而得名。命名时先写出环中的总原子数，再写"冠"，后写氧原子数。

18-冠-6

环中18个原子，6个氧 18-crown-6

冠醚的应用：冠醚能选择性地络合金属离子，大小匹配的冠醚能与特定金属离子形成稳定的配合物。例如，18-冠-6与K⁺离子结合最稳定。冠醚广泛用作相转移催化剂。

7.16-7.17 醚的物理性质与制备

物理性质

名称	结构式	沸点/°C	相对密度
甲醚	CH₃OCH₃	-24	—
甲乙醚	CH₃OC₂H₅	7.9	0.697
乙醚	C₂H₅OC₂H₅	34.5	0.714
正丁醚	(C₄H₉)₂O	142	0.769
苯甲醚	C₆H₅OCH₃	154	0.994
四氢呋喃	C₄H₈O	66	0.889

醚的物理性质特点：

1. 醚分子间不能形成氢键，沸点比相应的醇低得多

2. 醚可以作为氢键的受体，与水和醇有一定的溶解性

3. 醚的密度一般小于1，比水轻

4. 乙醚是优良的有机溶剂，但极易挥发、易燃

7.17 醚的制备

7.22 Williamson合成法

RONa + R'X → ROR' + NaX

这是制备醚最重要的方法。醇钠与卤代烃发生S_N2反应。

醇的分子间脱水

2ROH ——H₂SO₄, 140°C——→ ROR + H₂O

此法只适用于制备对称醚，且伯醇效果较好。

7.18-7.21 醚的化学反应

醚的化学性质：

醚比较稳定，一般不与碱、氧化剂、还原剂反应。但在特定条件下可以发生某些反应。

7.23 醚的裂解

醚与浓氢碘酸或浓氢溴酸在加热时可发生裂解。

与HI反应

ROR' + HI → RI + R'OH

过量HI: ROR' + 2HI → RI + R'I + H₂O

过氧化物的形成

⚠️ 安全警告：醚在空气中久置会缓慢氧化生成过氧化物，过氧化物受热或受撞击会爆炸。使用乙醚前应检测是否含有过氧化物，可用碘化钾-淀粉试纸检验。

7.20-7.21 环氧化合物的反应

环氧乙烷及其衍生物由于三元环的张力较大，化学性质活泼，容易发生开环反应。

酸催化开环

环氧乙烷 + H₂O ——H⁺——→ HOCH₂CH₂OH

酸催化下，亲核试剂进攻取代基较多的碳原子。

碱催化开环

环氧乙烷 + NaOH → HOCH₂CH₂ONa

碱催化下，亲核试剂进攻取代基较少的碳原子（S_N2）。

与Grignard试剂反应

环氧乙烷 + RMgX → RCH₂CH₂OMgX ——H₂O——→ RCH₂CH₂OH

碳链增加两个碳原子，得到伯醇。

7.24 硫醚

硫醚 (Thioether/Sulfide)：

硫醚是醚的含硫类似物，通式为RSR'。硫醚可以被氧化成亚砜（sulfoxide, R₂SO）和砜（sulfone, R₂SO₂）。

R₂S ——[O]——→ R₂SO ——[O]——→ R₂SO₂

章末习题

习题 7-1

用系统命名法命名下列化合物：

(i) (CH₃)₂CHCH₂CH₂OH (ii) CH₃CH₂CH(OH)CH₃ (iii) (CH₃)₃CCH₂OH

习题 7-2

写出下列反应的主要产物：

(i) CH₃CH₂CH₂OH + HBr →

(ii) (CH₃)₃COH + HCl →

(iii) CH₃CH₂OH + SOCl₂ →

习题 7-3

比较下列化合物的酸性强弱，并解释原因：

CH₃OH, (CH₃)₂CHOH, (CH₃)₃COH, H₂O

习题 7-4

完成下列转化（可能需要多步反应）：

(i) CH₃CH=CH₂ → CH₃CHOHCH₃

(ii) CH₃CH=CH₂ → CH₃CH₂CH₂OH

习题 7-5

用Williamson合成法合成下列醚：

(i) CH₃OCH₂CH₃ (ii) C₆H₅OCH₃ (iii) (CH₃)₃COCH₃

习题 7-6

环氧乙烷与下列试剂反应的主要产物是什么？

(i) H₂O/H⁺ (ii) CH₃OH/H⁺ (iii) NH₃ (iv) CH₃MgBr, 然后H₂O

英汉对照词汇

alcohol 醇

primary alcohol 伯醇/一级醇

secondary alcohol 仲醇/二级醇

tertiary alcohol 叔醇/三级醇

monohydric alcohol 一元醇

dihydric alcohol 二元醇

polyhydric alcohol 多元醇

enol 烯醇

methanol 甲醇

ethanol 乙醇

glycol 乙二醇

glycerol 甘油

hydrogen bond 氢键

association 缔合

azeotropic mixture 共沸混合物

alkoxide 醇盐

dehydration 脱水

oxidation 氧化

reduction 还原

Grignard reagent 格氏试剂

ether 醚

diethyl ether 乙醚

crown ether 冠醚

epoxide 环氧化合物

ethylene oxide 环氧乙烷

tetrahydrofuran (THF) 四氢呋喃

Williamson synthesis Williamson合成

thiol 硫醇

thioether/sulfide 硫醚

sulfoxide 亚砜

sulfone 砜

peroxide 过氧化物

Lucas reagent Lucas试剂

pinacol rearrangement 频哪醇重排

Swern oxidation Swern氧化

Jones reagent Jones试剂

PCC 氯铬酸吡啶盐

复习本章的指导提纲

基本概念

伯醇、仲醇、叔醇，一元醇、多元醇，氢键，缔合，共沸混合物，醇盐，Lucas试剂，频哪醇重排，Williamson合成，冠醚，环氧化合物，硫醇，硫醚。

基本反应

醇与活泼金属反应，醇与氢卤酸反应（S_N1和S_N2机理），醇与卤化磷反应，醇与亚硫酰氯反应，醇的脱水反应，醇的氧化反应，邻二醇的氧化断裂，醚的裂解，环氧化合物的开环反应。

合成方法

烯烃水合制醇，硼氢化-氧化制醇，羰基化合物还原制醇，Grignard反应制醇，Williamson合成制醚，醇脱水制醚。

重要试剂

Lucas试剂（HCl-ZnCl₂），Jones试剂（CrO₃/H₂SO₄），PCC，Swern氧化试剂，格氏试剂，高碘酸。