ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ КИРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ЦЕНТР ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ОДАРЕННЫХ ШКОЛЬНИКОВ

ХИМИЧЕСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ

МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ ХИМИИ

М.А. ЗАЙЦЕВ

КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ

ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Учебное пособие

Киров

2009

ББК 74.26

З-17

Рецензенты: В.П. Исупов, методист и преподаватель химического отделения ЦДООШ;

Е.В. Береснева, доцент кафедры химии и методики обучения химии ВятГГУ, кандидат педагогических наук.

З-17 Зайцев М.А. Кислород- и азотсодержащие органические соединения. Учебное пособие. Для учащихся ЦДООШ. – Киров: ЦДООШ, 2009. – 40 с.

В учебном пособии рассмотрены строение молекул, способы получения и свойства спиртов, альдегидов и кетонов, карбоновых кислот, жиров, углеводов, аминов, аминокислот, белков, азотсодержащих гетероциклов, нуклеиновых кислот. Приведены примеры задач по химии кислород- и азотсодержащих органических соединений. Пособие будет полезно не только учащимся заочного химического отделения ЦДООШ, но и другим школьникам при подготовке к олимпиадам, абитуриентам при подготовке к вступительным экзаменам, студентам вузов, изучающим химию и учителям средних школ.

 ЦДООШ, 2009

 НИЛМОХ ВятГГУ, 2009

 М. А. Зайцев, 2009

Кислородсодержащие органические соединения спирты

Спирты – производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильные группы.

В зависимости от числа гидроксилов в молекуле спирты делятся на следующие группы.

1. Одноатомные:

СН₃–СН₂–ОН этанол (этиловый спирт)

СН₂=СН–СН₂–ОН пропен-2-ол-1 (аллиловый спирт)

С₆Н₅–СН₂–ОН бензиловый спирт

2. Двухатомные (гликоли):

НО–СН₂–СН₂–ОН этандиол-1,2 (этиленгликоль)

3. Трехатомные:

пропантриол-1,2,3 (глицерин)

4. Многоатомные:

миоинозит

В зависимости от характера углеводородного радикала спирты делят на ациклические (насыщенные и ненасыщенные), циклические и ароматические.

Одноатомные спирты

Номенклатура и изомерия

По заместительной номенклатуре названия спиртов составляют из названия родоначального углеводорода с прибавлением суффикса -ол. Нумерацию главной цепи начинают с того конца, ближе к которому находится гидроксильная группа. По радикало-функциональной номенклатуре название производят от названия углеводородного радикала, связанного с гидроксильной группой, с прибавлением слова спирт.

СН₃–СН₂–ОН СН₃–СН₂–СН₂–ОН СН₃–СН(ОН)–СН₃

Этанол Пропанол-1 Пропанол-2

(этиловый спирт) (пропиловый спирт) (изопропиловый спирт)

В зависимости от того, при каком атоме углерода находится гидроксильная группа, различают первичные (пропанол-1, бутанол-1), вторичные (пропанол-2, бутанол-2) и третичные (2-метилпропанол-2) спирты.

Структурная изомерия спиртов определяется изомерией углеродного скелета и изомерией положения гидроксильной группы:

Число структурных изомеров в гомологическом ряду спиртов быстро возрастает. Например, на основе бутана существует 4 изомера, пентана – 8, а декана – уже 567.

Способы получения

1. Гидратация алкенов в кислой среде (этот способ получения спиртов имеет большое промышленное значение – этим способом получают спирты из газов крекинга).

СН₂=СН₂ + Н₂О  СН₃–СН₂ОН (первичный спирт);

этанол

(вторичный спирт);

пропанол-2

(третичный спирт);

2-метилпропанол-2

Условия: прямая гидратация – смесь алкенов с водяным паром пропускают над фосфатным катализатором (Н₃РО₄ на алюмосиликате с солями кадмия, меди, кобальта), 300С, 8 МПа.

2. Получение из галогенопроизводных (гидролиз):

R–Cl + KOH R–OH + KCl

3. Восстановление альдегидов и кетонов:

Этаналь (ацетальдегид) Этанол

Пропанон (ацетон) Пропанол-2

Физические свойства

Физические свойства спиртов существенно зависят от строения углеводородного радикала и положения гидроксильной группы. Первые представители гомологического ряда спиртов – жидкости, высшие спирты – твердые вещества. Для низших нормальных (неразветвленных) первичных спиртов разность температур кипения гомологов составляет примерно 20°С (табл. 1).

Таблица 1

Физические свойства спиртов

Отдельные представители		Физические свойства
Название	Структурная формула	Тпл., С	Ткип., С
Метанол (метиловый)	СН3ОН	–97	64,5
Этанол (этиловый)	СН3–СН2–ОН	–115	78
Пропанол-1 (н-пропиловый)	СН3–СН2–СН2–ОН	–127	97
Пропанол-2 (изопропиловый)	СН3–СН(ОН)–СН3	–86	82,5
Бутанол-1 (н-бутиловый)	СН3–(СН2)2–СН2–ОН	–80	118
2-Метилпропанол-1 (изобутиловый)	(СН3)2СН–СН2–ОН	–108	108
Бутанол-2 (втор-бутиловый)	СН3–СН(ОН)–СН2–СН3	–114	99,5
2-Метилпропанол-2 (трет-бутиловый)	(СН3)3С–ОН	25,5	83
3-Метил-1-бутанол (изоамиловый спирт)	(СН3)2СН–СН2–СН2–ОН	–117,2	131,4
Циклогексанол	С6Н11ОН	24	161,5
Фенилметанол (бензиловый)	С6Н5–СН2–ОН	–15	205
Пропен-2-ол-1 (аллиловый)	СН2=СН–СН2–ОН	–129	97

Метанол, этанол и пропанол смешиваются с водой во всех соотношениях. С ростом молекулярной массы растворимость спиртов в воде резко падает. Высшие спирты практически не растворимы в воде. Низшие спирты обладают характерным алкогольным запахом, запах средних гомологов сильный и часто неприятный. Высшие спирты практически не имеют запаха. Третичные спирты обладают особым характерным запахом плесени.

Низшие гликоли – вязкие бесцветные жидкости, не имеющие запаха; хорошо растворимы в воде и этаноле, обладают сладким вкусом.

С введением в молекулу второй гидроксильной группы происходит повышение относительной плотности и температуры кипения спиртов. Например, плотность этиленгликоля при 0°С – 1,13, а этилового спирта – 0,81.

Водородные связи

Спирты обладают аномально высокими температурами кипения по сравнению с представителями таких классов органических соединений, как алканы, галогеналканы, тиолы, амины, например, температура кипения этанола 78°С, тогда как хлорэтана – 13°С, а этана – –88,5°С. Эти различия объясняются особенностями строения спиртов. Атом кислорода в молекуле спирта обладает большой электроотрицательностью и оттягивает на себя электронную плотность -связей связанных с ним атомов, в частности атома водорода. Связь О–Н в молекуле спирта сильно поляризована RОН. Электронная плотность на атоме водорода оказывается пониженной. Поэтому он может взаимодействовать с неподеленной парой электронов атома кислорода другой молекулы спирта. Между двумя молекулами возникает нековалентная водородная связь. Молекулы, связанные между собой водородными связями, образуют ассоциаты:

Образование ассоциатов как бы увеличивает массу спирта и понижает его летучесть. Прочность водородных связей невелика, но для их разрыва при переходе молекулы из жидкого в газообразное состояние требуется дополнительная энергия. Этим и объясняются высокие температуры кипения спиртов. Наибольшую склонность к образованию водородных связей проявляют первичные спирты. Для вторичных и особенно третичных спиртов способность к ассоциации уменьшается, поскольку образованию водородных связей препятствуют разветвленные углеводородные радикалы.

Химические свойства

Главные химические свойства спиртов обусловливает функциональная группа – гидроксильная. Связи С–О и О–Н поляризованы, причем отрицательным полюсом диполя является атом кислорода как более электроотрицательный. На атомах С и Н имеются частичные положительные заряды:

R–С^+Н₂О^–Н^+.

Такой электронный характер гидроксильной группы предопределяет ее склонность к реакциям гетеролитического типа, в ходе которых может разрываться связь С–О или О–Н.