методичка по органической химии

Основные методы очистки и выделения органических

соединений.

Вопросы для подготовки к занятию:

1.Теоретические основы методов выделения, очистки и разделения смеси веществ.

2.Дать определение процессу фильтрации, возгонки, перегонки, кристаллизации, хроматографии.

3.Перечислить виды перегонки органических соединений

иопределить их различия.

4.Хроматография и ее виды.

5.Привести примеры использования данных методов выделения и очистки органических соединений в различных отраслях промышленности.

Лабораторная работа:

1.Кристаллизация.

2.Возгонка.

3.Экстракция.

4.Перегонка.

5.Хроматография.

3.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Цель занятия:

1.Ознакомление с методами определения основных физических характеристик органических веществ: температур плавления, кипения, показ

2.Идентификация органических соединений по физическим константам;

3.Установление степени чистоты органических веществ.

Исходный уровень знаний:

1. Основные физические константы органических веществ.

Вопросы для подготовки к занятию:

1.Физические константы твердых, жидких и газообразных органических соединений.

2.Дать определение методу кристаллизации.

3.Что такое возгонка органических веществ.

4.Перегонка органических соединений и ее виды.

5.Обоснования выбора метода очистки органических веществ.

6.Привести примеры использования данных методов в различных отраслях промышленности.

Лабораторная работа:

1.Определение температуры плавления

2.Определение температуры кипения.

3.Определение плотности органических веществ.

3.4ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТНОМ АНАЛИЗЕ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Цель занятия:

1.Ознакомление с методами определения химических элементов, входящих в состав органических соединений

2.Общие представления об элементном органическом анализе.

Исходный уровень знаний:

1.Качественный анализ

2.Количественный анализ

Вопросы для подготовки к занятию:

1.Элементный анализ

2.Качественные реакции на углерод, водород, азот, галогены, серу.

3.Количественный анализ

Лабораторная работа:

1.Качественные реакции на С, N, Н, СI, S

2.Решение практических задач на установление эмпирической формулы углеводорода.

3.5 УГЛЕВОДОРОДЫ

Цель занятия:

1.Составить четкие представления о предельных, непредельных и ароматических углеводородах.

2.Приобретение навыков экспериментального проведения реакций их получения и химических превращений.

Исходный уровень знаний:

1.Природа С-С, С-Н, двойной, тройной связи.

2.Классификация, номенклатура углеводородов

3.Строение и химические свойства углеводородов.

4.Способы получения углеводородов.

Вопросы для подготовки к занятию:

1.Гомологические ряды алканов, алкенов, алкинов.

2.Сравнение реакционной способности.

2.1Реакции замещения алканов. Цепной механизм радикальной реакции.

2.2Реакции электрофильного присоединения для алкенов. Качественная реакция на двойную связь.

2.3Механизм электрофильного замещения бензольного ядра. Взаимное влияние атомов в молекуле. J- и М- эффекты.

3. Общие представления о механизме реакций σ- и π- комплексов.

Лабораторная работа:

1.Получение метана, этилена, ацетилена.

2.Отношение алканов, алкенов, алкинов к бромной воде, окислителям.

3.Окисление толуола. Сульфирование толуола.

3.6ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДОВ

Цель работы:

Изучить химические свойства и способы получения галогенпроизводных углеводородов.

Исходный уровень знаний:

1.Классификация галогенпроизводных углеводородов.

2.Номенклатура галогенпроизводных углеводородов.

3.Влияние введения галогена на реакционную способность органического соединения.

4.Взаимное влияния атомов в молекуле. Индуктивный и мезомерные эффекты.

Вопросы для подготовки к занятию:

1.Изомерия и номенклатура галогенпроизводных:

2.Способы получения.

3.Химические свойства галогенпроизводных углеводородов.

4.Механизм реакций нуклеофильного замещения атома галогена в галогеналкилах. Переходное состояние, энергетика реакции.

5.Взаимное влияние атомов в галогенпроизводных углеводородов.

6.Сравнительная активностьатомов галогена в различного типа галогенпроизводных. Неподвижность галогена у кратной связи.

Лабораторная работа:

1.Получение бромистого изопропила.

2.Поведение галогенов в бензольном кольце и в боковой цепи кольца.

3.7 ГИДРОКСИСОЕДИНЕНИЯ

Цель занятия:

Изучить основные химические свойства и способы получения оксисоединений.

Исходный уровень знаний:

1.Классификация. Изомерия и номенклатура оксисоединений

2.Получение оксисоединений (из галогенпроизводных, непредельных соединений, сульфокислот, реакцией Гриньяра).

3.Химические свойства образование алкоголятов, взаимодействие с галогенводородными кислотами, галогенидами фосфора, дегидратация, окисление.

4.Различие свойств фенолов и спиртов.

5.Сравнительная кислотность гидроксила в различного типа соединениях.

6.Водородная связь.

7.Взаимное влияние бензольного ядра и гидроксильной группы в молекуле фенола.

8. Влияние заместителей и их положения в ядре фенола на кислотность гидроксильной группы.

Лабораторная работа:

1.Образование алкоголята натрия и его гидролиз

2.Окисление этилового спирта.

3.Качественная реакция на многоатомные спирты.

4.Получение фенолятов. Реакция фенолов с хлорным железом, с бромом.

3.8 ОКСОСОЕДИНЕНИЯ

Цель занятия:

1. Изучить основные химические свойства оксосоединений.

Исходный уровень знаний:

1.Классификация. Изомерия и номенклатура оксосоединений

2.Типы химических реакций оксосоединений.

Вопросы для подготовки к занятию:

1.Распределение электронной плотности в молекуле оксосоединения. п- связь в альдегидах и кетонах.

2.Реакционные центры в молекуле альдегидов и

кетонов.

3.Механизм реакции присоединения к карбонильной

группе.

4.Полимеризация альдегидов. Альдольная и кротоновая конденсация.

5.Окисление альдегидов и кетонов.

6.Реакции замещения.

7.Получение альдегидов и кетонов.

Лабораторная работа:

1.Образование альдегида при окислении спирта.

2.Отношение альдегидов и кетонов к окислению.

3.Реакция «серебряного зеркала».

4.Взаимодействие кетона с фенилгидразином.

5.Альдольная и кротоновая конденсация ацетальдегида.

6.Получение ацетона из уксуснокислого натрия.

3.9. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Цель занятия:

1. Научиться объяснять физико-химические свойства карбоновых кислот, исходя из их строения.

Исходный уровень знаний:

1.Классификация, номенклатура карбоновых кислот.

2.Химические свойства карбоновых кислот.

Вопросы для подготовки к занятию:

1.Одноосновные карбоновые кислоты.

1.1Способы получения

1.2Химические свойства

2.Непредельные одноосновные кислоты.

3.Двухосновные предельные кислоты.

4.Двухосновные непредельные кислоты.

Лабораторная работа:

1.Получение муравьиной кислоты из хлороформа и ее открытие.

2.Окисление муравьиной кислоты марганцевокислым

калием.

3.Реакции карбоновых кислот с металлами, гидроокисями и карбонатами металлов.

4.Открытие уксусной кислоты, получение комплексной соли и разложение ее при кипячении.

5.Получение натриевой соли щавелевой кислоты.

6.Получение уксусноэтилового эфира.

7.Сравнение рН среды растворов карбоновых и минеральных кислот.

8.Изомеризация олеиновой кислоты в элаидиновую.

3.10 АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ. НИТРОСОЕДИНЕНИЯ. АМИНЫ

Цель занятия:

1.Составить четкие представления об органических соединениях содержащих азот.

2.Уметь дать отличительные признаки нитросоединений, аминов жирного и ароматического ряда.

Исходный уровень знаний:

1.Составить четкие представления об органических соединениях, содержащих азот.

2.Уметь дать отличительные признаки нитросоединений. Аминов ациклического и ароматического рядов.

Исходный уровень знаний:

1.Классификация азотсодержащих соединений.

2.Строение нитро-, аминогруппы.

3.Изомерия и номенклатура.

4.Химические свойства.

Вопросы для подготовки к занятию:

1.Понятие первичности, вторичности и третичности нитросоединений.

2.Получение нитросоединений (механизм по Титову) химические свойства нитросоединений.

3.(Реакции восстановления, реакция Зимина, реакции с азотистой кислотой).

4.Методы получения аминов (восстановление нитросоединений, реакция Гофмана).

5.Химические свойства аминов. Реакции аминов с алкилирующими и ацилирующими агентами. Изонитрильная реакция, реакция с азотистой кислотой.

Лабораторная работа

1.Восстановления нитробензола в анилин.

2.Цветная реакция солей анилина с лигнином.

3.Цветная реакция солей анилина с двухромовокислый

казеин.

4.Образование триброманилина.

5.Образование и разложение соли анилина.

3. 11 ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Цель занятия:

1.Систематизировать знания в области гетероциклических соединений.

2.Обоснование физических и химических свойства гетероциклических соединений исходя из их строения и состава.

Исходный уровень знаний:

1.Классификация гетероциклических соединений.

2.Строение и химические свойства пяти-, шестичленных гетероциклов.

3.Способы получения.

Вопросы для подготовки к занятию.

1.Взаимные превращения фурана, тиофена, пиррола. Ароматический характер.

2.Реакции электрофильного замещения в пятичленных гетероциклических соединениях.

3.Реакции электрофильного и нуклеофильного замещения в шестичленных гетероциклических соединениях.

Лабораторная работа.

1.Окисление фурфурола аммиачным раствором оксида серебра.

2.Реакции фурфурола с фенилгидразином.

3.Конденсация фурфурола с анилином.

3.12 СОЕДИНЕНИЯ СО СМЕШАННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ГРУППАМИ

Цель занятия:

Показать взаимное влияние атом в молекулах гетерофункциональных производных углеводородов.

Исходный уровень знаний:

1.Химические свойства галогензамещенных карбоновых кислот.

2.Химические свойства оксикислоты.

3.Оксокислоты

4.Фенолкарбоновые кислоты.

Вопросы для подготовки к занятию.

1. Показать взаимное влияние атомов в молекулах гетерофункциональных производных углеводородов.

1.Химические свойства соединений со смешанными функциональными группами.

2.Способы получения.

Лабораторная работа:

1.Качественные реакции на α оксикислоты с хлоридом железа.

2.Образование кислой и средней солей винной кислоты.Фелинга.

3.Отношение аминокислот к индикаторам.

4.Реакции образования медной соли глицина.

5.Взаимодействие аминокислот с азотистой кислотой.

6.Цветная реакция аминокислот с нингидрином.

3.13.УГЛЕВОДЫ

Цель занятия:

3.Систематизировать знания в области углеводов.

4.Обоснование физических и химических свойства углеводов исходя из их строения и состава.

Исходный уровень знаний:

4.Классификация углеводов

5.Строение и химические свойства моно-, ди- и полисахаридов.

6.Способы получения.

Вопросы для подготовки к занятию.

4.Оптическая изомерия на примере углеводов.

5.Понятия: рацематы, энантиомеры, диастереомеры, хиральный центр.

6.Таутомерия. Циклические формы моносахаридов, перспективные формулы (Хеуорса), явление таутомерии.

7.Химические свойства углеводов.

8.Пути синтеза, обмена, распада углеводов.

Лабораторная работа.

1.Общая реакция на углеводы (реакция Молиша).

3.Окисление моносахаридов реактивом Фелинга..

4.Восстановление аммиачного раствора окиси серебра глюкозой.

5.Получение азазона глюкозы.

6.Получение пектаацетилглюкозы.

7.Реакция Селиванова на фруктозу.

8.Доказательство наличия гидроксильных групп в сахарозе.

9.Отсутствие восстанавливающей способности в сахарозе.

10.Доказательство гидролиза сахарозы.

11.Наличие восстанавливающей способности в лактозе.

12.Взаимодействие крахмала и гликогена с йодом.

13.Кислотный гидролиз крахмала.

14.Гидролиз клетчатки.

3.14 ЛИПИДЫ

Цель занятия:

1.Систематизировать знания о строении липидов.

2.Обосновать особенности физико-химических свойств липидов.

Исходный уровень знаний:

1.Структура липидов.

2.Высшие жирные кислоты липидов.

3.Строение глицеридов.

4.Физические свойства жиров и масел.

5.Химические свойства жиров

6.Мыла и детергенты.

Вопросы для подготовки к занятию.

1.Классификация липидов.

2.Химические свойства жиров (гидролиз, алкоголизм, гидрогенизация, окисление).

3.Аналитическая характеристика жиров.

Лабораторная работа.

1.Растворимость жира в органических растворителях.

2.Элаидиновая проба.

3.Гидролиз жира в водном растворе (омыление).

4.Гидролиз жира щелочью в спиртовом растворе (омыление).

5.Растворимость жиров в различных растворителях.

6.Оценка непредельности жира.

7.Взаимодействие жира с водным раствором перманганата калия (реакция Вагнера).

8.Обменные реакции мыла.

9.Выделение жирных кислот.

10.Обменные реакции мыла.

11. Эмульгирующие и моющие свойства мыла.

3.15 БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

Цель занятия:

3.Систематизировать знания о строении белков.

4.Обосновать особенности физико-химических свойств, исходя из строения.

Исходный уровень знаний:

7.Классификация аминокислот.

8.Строение и свойства аминокислот.

9.Строение белковой молекулы.

10.Химические свойства данных биоорганических

соединений.

Вопросы для подготовки к занятию.

4.Классификация белков..

5.Физико-химические свойства белков (Амфотерный характер, гидролиз, осаждение: высаливание, денатурация).

6.Синтез белковой молекулы.

7.Специфическая роль белковых веществ в явлениях

жизни.

Лабораторная работа.

1.Растворимость белков.

2.Буферные свойства белков.

3.Обратимое осаждение белков из растворов.

4.Осаждение белков концентрированными минеральными кислотами.

5.Осаждение белков солями тяжелых металлов.

6.Цветные реакции белков.

а) биуретовая реакция б) нингидриновая реакция

в) ксантопротеиновая реакция.

7. Аминокислоты и их отношение к индикаторам.

3.16 СИНТЕЗ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Студент получает от преподавателя указание, какую задачу и по какому руководству ему следует выполнять синтез вещества на следующем занятии. План работы и все расчеты

должны быть проделаны дома, чтобы в лаборатории не тратить время, которое рассчитано только на выполнение работы.

Целесообразно составлять план экспериментов по следующей форме:

•основная и промежуточная реакция

•тип основной реакции

•побочные реакции

Для основной и промежуточных реакций со стехиометрическими коэффициентами, с указанием механизма и переходных состояний процессов (если это известно), и использованием структурных формул.

Расчет синтеза

Таблицу «Расчет синтеза» заполняют следующим образом. В графу 1 вписывают структурные формулы всех исходных соединений и их названия. В графе 2 проставляют значения молекулярных масс с точностью до 0,1, рассчитанные самостоятельно. В графу 3 вносят данные из приложения. Графы 4 и 9 заполняют в тех случаях, когда в реакции используются не только индивидуальные вещества, но и растворы (растворы кислот и щелочей). Как правило, плотности этих растворов приводятся в химических справочниках. Затем заполняют графу 8, а по данным этой графы и графы 2,5,6, заполняют графу 7. Сравнивая графы 7и

30

5, выясняют, какие вещества берутся в избытке и какие в недостатке и для первых заполняют графы 10 и 11

В конце плана работы отмечают специфические свойства получаемого соединения: устойчивость, токсичность, физиологическое действие и заполняют графу « Константа» по литературным данным в таблице

«Характеристика полученного соединения». План работы должен самостоятельно переосмысленной методикой, приведенной в руководстве, а не являться ее копией.

Отчет о выполнении синтеза пишут в процессе его выполнения. Сначала описывают очистку исходных веществ, если она производилась, затем проверку концентраций растворов кислот и щелочей по плотности.

Потом подробно описывают синтез данного вещества: дают описание прибора и указывают количество каждого из реагентов, вводившихся в реакцию (в граммах и в молях), а также растворителей, указывают условия проведения реакций

ихарактерные особенности ее течения. Особо отмечают изменения, происходящие в реакционной смеси при реакции,

ипризнаки, характеризующие течение реакции (изменение цвета, разогревание и. т.д.)

Особое внимание уделяют описанию способа выделения и очистки продукта реакции, обязательно указывая выход неочищенного продукта. При выделении жидкого продукта реакции указывают способ фракционирования с описанием прибора и указанием числа выделенных фракций, температуры их кипения, массы их при каждой перегонке, потерь при перегонке, констант препарата на каждой стадии очистки вплоть до получения вещества в чистом виде с константами, подтверждающими его чистоту.

При получении кристаллического вещества описывают способ его кристаллизации с указанием количества вещества, взятого для перекристаллизации, и количества растворителя. Обязательно указывают температуру плавления вещества как неочищенного, так и после кристаллизации.

Приводят данные хроматографического анализа и в журнал вклеивают эскизы хроматограмм. Если выполнялись

съемки ИК- и УФспектров, то вклеивают и полученные спектры.

В отчет включают также и описание неудачно проведенной работы с указанием причины неудачи.

Константы и выходы полученных веществ приводят в конце отчета в таблице « Характеристика полученного соединения».

Характеристика полученного соединения

4. УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЙ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Студент по учебному плану должен выполнить четыре контрольные работы. Каждое задание носит комплексный характер, отражающий теорию строения, изомерию, номенклатуру, электронные эффекты, реакционную способность, взаимное влияние атомов в молекуле, и должно быть представлено в виде химических превращений.

Первая контрольная работа. В ней углубленно отражены теоретические проблемы органической химии (химическое, электронное , пространственное строения , природа химических превращений), характерные реакции , явления гомологии, изомерия и ее виды, номенклатура, классификация органических соединений В заданиях работы включены химические превращения ароматических углеводородов. Подробно должны быть рассмотрены реакционная

способность на конкретных примерах и их механизмы химических реакций, даны названия и их применение.

Вторая контрольная работа посвящена, в основном, реакциям получения и химическим превращения углеводородов, кислород -, азотсодержащих производных углеводородов, соединений со смешанными функциональными группами. В работе должны быть отражены взаимные переходы, генетическая связь между соединениями разных классов, подробно рассмотрены механизмы реакции в одной из стадии химических превращений, даны названия и ИХ применение. Во второй контрольной

4.1. Задания для контрольных работ

работе также включены задачи на установление строения органических соединений по эмпирической формуле и известным свойствам.

Втретьей контрольной работе рассматриваются вопросы, посвященные серосодержащим соединениям (тиоспирты, тиоэфиры, сульфакислоты), а также замещённым кислотам (окси -, оксокислоты, галогенкислоты). Нужно привести примеры их

получения и основные свойства. Во второй части контрольной работы даны задания по теме «Углеводы»- строение, стереохимия, химические превращения и применение.

Вчетвертой контрольной работе в основном рассматриваются вопросы строения и химических превращений биоорганических соединений (липиды, белки) Должны быть даны названия, области их применения.

При выполнении и оформлении контрольных работ студент должен придерживаться следующих правил:

1. В заголовке должны быть ясно написаны фамилия студента, его инициалы, шифр, номер контрольного задания, дата выполнения

2.При выполнении контрольной работы полностью выписать условия задания

3.Ответы излагать достаточно подробно, избегая длинных описаний. В каждом задании показать механизм одной из стадий.

4.Студент выбирает задание в таблице следующим образом: первую, четвертую контрольную работу он находит против начальной буквы своей фамилии, вторую - против начальной буквы имени, а третью контрольную работу - против начальной буквы отчества. Например, Степанова Римма Николаевна выполняет в первой контрольной работе задания - 15. 35; во второй - 54.74: в третьей-номера 91.111; в четвертой-135. 155.

4.2. Примеры решения типовых задач

Пример 1: В соединениях а, б показать валентное состояние атомов углерода, перекрытие электронных облаков третьего атома:

для третьего атома углерода, возможные виды изомерии и действие индукционного и мезомерного эффектов.

Ответ: СН = СН − СН3

СН3−СН−СН3 Соединение а) может иметь структурные изомеры:

1)изомерию скелета СН3−СН2−СН = СН− СН2 −СН3

2)изомерию положения двойной связи в цепи:

3)геометрические изомеры:

ֵ

В соединении -δСН2 = +δСН → ׃Cl׃ полярность связи СН − Сl,

¨

обусловленная отрицательным индукционным эффектом (-I, прямая стрелка) уменьшена за счет мезомерного эффекта (сопряжения)- взаимодействия π-электронов двойной связи с р-электронами атома хлора(+М, кривая стрелка) или р-π-сопряжение.

Пример 2: Дать характеристику анилина: а) какой заместитель находится в бензольном кольце; б) распределение электронных облаков в молекуле; в) написать уравнение и механизм реакции бромирования; г) дать названия продуктам реакции; д) сравнить реакционную способность с бензолом и дать объяснение.

Ответ: В молекуле анилина в бензольном ядре находится группа NH2

– заместитель I рода, электродонорная группа. Вследствие взаимного

Молекула анилина в реакции электрофильного замещения обладает большей реакционной способностью по сравнению с молекулой самого бензола, поскольку аминная группа, являясь электродонорной, обогащает бензольное ядро электронами или увеличивает электронную плотность ядра, тем самым повышает реакционнуюспособность анилина.

Пример 3: Провести химические превращения по заданной схеме Алкан→алкен→бромопроизводное→спирт→альдегид→карбоновая кислота→сложный эфир→уксусная кислота и этиловый спирт.

Согласно приведенному заданию перед студентом ставится проблемная задача синтеза широко известных органических веществ уксусной кислоты и этилового спирта по предложенной технологической схеме. Для этого он должен использовать схему химических превращений, которая представлена в задании. Исходным сырьем является предельный углеводород (алкан). Используя алкан, путем преобразований органических соединений, студент должен определить, какие вещества могут быть взяты для осуществления химических превращений и получения в конечном итоге заданных веществ.

Вданном задании конечным продуктом является уксусная кислота

иэтиловый спирт, полученные из сложного эфира, соответственно он представляет уксусно-этиловый эфир, который синтезирован из уксусной кислоты при действии этилового спирта. Согласно заданию уксусная кислота получена из соответствующего альдегида, а уксусный альдегид – из этилового спирта путем его окисления. Спирт, в свою очередь, получен из бромопроизводного углеводорода с двумя атомами углерода (бромэтана). Бромэтан синтезирован из алкена (двумя атомами углерода и этилена), а этилен –путем дегидрирования соответствующего алканаэтана. Отсюда, схема химических превращений представляет:

СН3-СН3→СН2=СН2→СН3-СН2-Br→CH3-CH2-OH→CH3-CHO→CH3-

COOH→CH3-C-O-CH2-CH3→CH3-COOH + CH3-CH2-OH

║

O

Дать всем соединениям названия по соответствующим номенклатурам, написать механизм реакции гидролиза бромэтана, показать взаимное влияние атомов в молекуле (действие индукционного, мезомерного эффекта) согласно заданиям.

37

4.3. ЗАДАНИЯ К КОНРОЛЬНОЙ РАБОТЕ I

Задание 1

Алгоритм задания: Для нижеуказанных соединений:

-расставить атомы водорода с учетом валентности элементов;

-к какому классу органических соединений (гомологическому ряду) они относятся;

-дать названия по рациональной и систематической номенклатуре и тривиальное название;

-в какой гибридизации находится каждый атом углерода в данных соединениях;

-указать равноценность атома углерода (первичные, вторичные и др.) римскими цифрами;

-какие возможные виды изомерии могут они иметь;

-какой тип реакции характерен для них? Привести примеры реакций.

-показать распределение электронной плотности, индукционного (I) и мезомерного (М) эффектов в соединениях б) и в).

38