Самостійна робота № 3

ОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ , ЩО МІСТЯТЬ ОКСИГЕН

До оксигенвмісних органічних похідних відносять спирти, альдегіди, кетони, прості та складні естери, карбонові кислоти, вуглеводи т.щ..

При вивченні цього розділу особливу увагу треба звернути на те, що всі специфічні властивості перерахованих вище класів органічних речовин – результат впливу функціональної групи, характерної для кожного класу. Так для спиртів характерна гідроксильна група (-ОН), для альдегідів і кетонів – карбонільна (>С=О), для карбонових кислот – карбоксильна (-СООН), для складних естерів – (-СООR).

Виходячи з електронної будови функціональних груп обґрунтуйте будову молекул оксигенвмісних похідних та їх хімічні властивості. При вивченні методів одержання оксигенвмісних сполук звернути увагу на специфіку введення відповідної функціональної групи. Враховуючи те, що оксигенвмісні органічні сполуки знаходять широке застосування в різних галузях господарства, в тому числі і при виробництві будівельних матеріалів, при їх вивченні користуйтесь не тільки підручниками з органічної хімії, а також підручниками та монографіями з будівництва.

Спирти розглядаються як похідні вуглеводнів, у яких один або кілька атомів Гідрогену заміщені на гідроксили. Кількість гідроксильних груп визначає атомність спирту. Розрізняють насичені, ненасичені й ароматичні, спирти.

Одноатомні спирти (алканоли) — похідні алканів, у яких один атом Гідрогену заміщений на гідроксильну групу. Загальна формула — C_nH_2n+1OH. Ізомерія алканолів залежить від будови карбонового ланцюгу та положення гідроксильної групи. Розрізняють первинні, вторинні й третинні спирти.

Назва насичених одноатомних спиртів: за раціонального номенклатурою — як замі­щені карбінолу (метилового спирту), за систематичною — наз­ву утворюють від назв вуглеводнів із добавкою закінчення -ол і числовим позначенням атома карбону, біля якого знаходить­ся гідроксильна група.

У вільному стані в природних умовах зустрічаються тіль­ки деякі спирти. Зазвичай їх добувають синтетичними метода­ми, із яких найбільше значення мають гідроліз галогенопохід­них, гідратація алкенів, відновлення альдегідів і кетонів, гідроліз естерів, синтез за допомогою металоорганічних сполук і бродіння цукристих речовин. Наявність гідроксильної групи в молекулі речовини зумов­люють її фізико-хімічні властивості. Підвищення температури кипіння пояснюється асоціацією молекули спирту, що відбува­ється завдяки водневим зв'язкам. З хімічного погляду спирти виявляють високу реакційну здат­ність. Вони легко вступають у різні хімічні перетворення: реакції заміщення, дегідратації, дегідрування, естерифікації, окиснення.

Багатоатомні спирти розглядаються як похідні вуглевод­нів, у яких два або кілька атомів Гідрогену заміщені на гідро­ксили. Двохатомні спирти називають гліколями, трьохатомні – гліцеринами, чотирьохатомні – еритритами, п'ятиатомні – пентитами, шестиатомні – гекситами і т.д. За номенклатурою IUPAC назви двохатомних спиртів мають закінчення -діол, трьохатомних – -триол. Цифрами вказується положення гідро­ксильних груп у карбоновому ланцюзі.

Для альдегідів і кетонів характерна наявність карбонільної групи в їх молекулах, причому одна валентність атома карбону кар­бонільної групи в молекулах альдегідів зв'язана з вуглеводневим залишком, а друга – з атомом Гідрогену; в молекулах кетонів обидві валентності атома Карбону зв'язані, з вуглеводневими залишками. Альдегіди й кетони з однаковою кількістю атомів карбо­ну в молекулі ізомерні один одному. Альдегіди й кетони залежно від залишків розрізняють на насичені, ненасичені та ароматичні. Альдегіди називають або за назвою кислоти, в яку вони переходять під час окислення (тривіальна номенклатура), або за назвою насичених вуглеводнів із закінченням -аль (система­тична номенклатура IUPAC). Кетони за раціональною номенклатурою називають за на­звою залишків, які входять до молекули із закінченням -кетон. За систематичного номенклатурою IUPAC кетони називають за назвою відповідного вуглеводню із закінченням -он та зазначен­ням місцезнаходження карбонільної групи. Добувають альдегіди й кетони окисленням і дегідруван­ням спиртів, омиленням дигалогенопохідних, гідратацією аце­тиленових вуглеводнів за реакцією М.Г. Кучерова, сухою пере­гонкою кальцієвих солей карбонових кислот і оксосинтезом.

Наявність карбонільної групи зумовлює високу реакцій­ну здатність альдегідів і кетонів і визначає їх здатність до чис­ленних і різноманітних реакцій. Подвійний зв'язок у карбонільній групі складається з одно­го σ- і одного л-зв'язку. Завдяки більшій спорідненості до електро­на у атома оксигену, ніж карбону, подвійний зв'язок поляризова­ний так, що електронна густина поблизу атома оксигену більша, ніж біля карбону. Зміщен­ня електронної густини до оксигену викликає відповідну орієнта­цію і полярної молекули, що приєднується:

Одноосновними карбоновими кислотами називають похід­ні вуглеводнів, у яких один атом Гідрогену заміщений на кар­боксильну групу – COOН. У цій складній функціональній групі з'єднані дві прості оксигеновмісні групи: карбонільна >С=О і гід­роксильна – ОН. Число карбоксильних груп визначає основність кислот. Залежно від характеру вуглеводневого залишку розріз­няють насичені, ненасичені й ароматичні карбонові кислоти.

Загальна формула гомологічного ряду насичених одноосновних карбонових кислот – C H_n2n+1COOH.

Для одноосновних карбонових кислот найуживаніші триві­альні назви, які здебільшого походять із природних джерел першо­го отримання кислот (мурашина, винна). За систематичною номенклатурою IUPAC назви кислот складаються з назв вуглеводнів із тим самим числом атомів карбону, що і кисло­ти, із доданням закінчення -ова і слова "кислота". Залишок будь-якої карбонільної кислоти R–CO–, що уто­рився при відніманні гідроксильної групи карбоксилу, назива­ється кислотним, або ацильним залишком. Карбонові кислоти добувають: за допомогою реакцій окис­нення первинних спиртів, альдегідів, кетонів; реакцією омилення тригалогенопохідних, нітрилів, амідів, естерів, ангід­ридів; реакцій з металоорганічними сполуками й оксосинтезу.

Молекули кислот асоційовані. У водному розчині кислоти дисоційовані на іони. Під впливом карбонільної групи рухливість атому гідрогену в гідроксилі настільки збільшується, що він здатний до відщеплення від молекули кислоти у вигляді протона. Це пояс­нюється зміщенням електронної густини під впливом атома оксигену карбоксильної групи. Зв'язок між гідрогеном і ато­мом оксигену гідроксильної групи слабкий і відщеплення ато­ма гідрогену у вигляді іона полегшується:

Хімічні властивості одноосновних карбонових кислот зумов­лені властивостями карбоксильної групи і зв'язаного з нею вугле­водневого залишку, а також їх взаємним впливом. Усі реакції, що в них вступають кислоти, поділяються на чотири групи:

реакції атома гідрогену в карбоксилі;

реакції гідроксильних груп;

реакції зв'язаного з карбоксилом вуглеводневого залишку;

реакції карбоксильних груп у цілому.

Карбонові насичені кислоти легко утворюють солі, ангід­риди, хлорангідриди, аміди, нітрили, естери. Ненасичені кислоти, крім того, здатні до реакцій приєднання, окиснення і полімеризації.

Двохосновні карбонові кислоти мають історичні назви – щавлева, малонова, бурштинова, глутарова, адипінова і т.п. За систематичною номенклатурою IUPAC назви кислот склада­ються з назв вуглеводнів із тим самим числом атомів карбону, враховуючи атоми карбону обох карбоксильних груп, із додан­ням закінчення -діонова та слова "кислота". Амінокислоти належать до сполук з змішаними функціо­нальними групами. В їх молекулах знаходяться дві групи: карбо­ксильна – COOH, аміногрупа – NH₂. Амінокислоти розглядають як похідні карбонових кислот, у вуглеводневих залишках яких один або кілька атомів гідрогену заміщені на аміногрупу. Чис­ло карбоксильних груп у молекулі амінокислот визначає їх основ­ність. За числом аміногруп розрізняють моно-, ди- і поліамінокислоти. За положенням аміногруп щодо карбоксильної групи розрізняють α-, β-, γ- та інші амінокислоти.

Вуглеводи (найпоширеніший у природі клас органічних сполук – продукти фотосинтезу)– оксигенвмісні органічні сполуки поділяються на прості (монози – глюкоза – С₆Н₁₂О₆- п’ятиатомний альдегідоспирт, фруктоза – кетоспирт т.щ., дисахариди – сахароза, лактоза тощо) та складні (поліози – полісахариди – целюлоза, крохмаль (С₆Н₁₀О₅)_n ).

Моносахариди — найпростіші цукристі речовини, солодкі на смак, розчинні у воді, оптично активні, здатні до бродіння й гідролізу. Залежно від кількості атомів карбону, що переваж­но дорівнює кількості атомів оксигену, моносахариди поділя­ються на тетрози, пентози, гексози, гептози, октози і т.д. За хімічною будовою моносахариди відносять до багато­атомних оксіальдегідів або оксикетонів. Завдяки цьому розріз­няють альдози й кетози. Ізомерія моносахаридів визначається положенням карбо­нільної групи, наявністю асиметричного атома карбону та циклоланцюговою таутомерією. Моносахариди в кристалічному стані являють собою внутрішні циклічні напівацеталі багатоатомних альдегідо- або кетоспиртів. У розчинах циклічні форми пере­бувають у динамічній рівновазі зі своїми нециклічними (оксикарбонільнимії) формами. У моносахаридів циклічної будови з'являється нова гідро­ксильна група з карбонільного кисню, що називається напівацетальпим, або глікозидним гідроксилом. Від решти гідрокси­дів груп вона відрізняється більшою реакційною здатністю. Моносахариди, які містять шестичленний цикл, назива­ються піранозами, п'ятичленний — фуранозами. За положен­ням напівацетального гідроксилу розрізняють α- і β-форми.

Хімічні властивості моносахаридів зумовлені наявністю карбонільної групи (окиснення, відновлення, приєднання й замі­щення), спиртових груп (утворених сахаратів, етерів та естерів, дегідратація) і глікозидного гідроксилу в напівацетальній формі (утворення складних цукрів і глікозидів).

Дисахариди відносять до складних вуглеводів, або олігосахаридів. Під час гідролізу вони розпадаються на дві молеку­ли моносахаридів. Дисахариди – природні речовини, містять­ся у плодах, овочах і утворюються за умови часткового гідролі­зу полісахаридів. До дисахаридів належать сахароза, мікоза, лактоза, мальтоза, целобіоза та ін. Усі дисахариди мають одну формулу — C₁₂H₂₂O₁₁. Ці тверді речовини, добре розчинні у воді, оптично активні й солодкі на смак, широко використовуються у харчовій промисловості. За будовою і хімічними властивостями дисахариди поді­ляються на дві групи: відновні (редукуючі) і невідновні (нередукуючі).

Полісахариди – природні високомолекулярні сполуки (біополімери – целюлоза, крохмаль, глікоген, амілопектин тощо), молекули яких складаються з великої кількості залишків молекул (наприклад – гексоз). До полісахаридів відносять і пентозани загальною форму­лою (C₅H₈O₄)_n, у будові якої беруть участь не гексози, а пентози. Полісахариди — це тверді, зовні аморфні, не розчинні у воді, нездатні плавитися, не леткі та не солодкі речовини. Мають висо­ку молекулярну масу, не проявляють редукуючи (відновних) властивос­тей, здатні до реакції гідролізу.

Крохмаль та клітковина є найважливішими глюканами, бо складаються з полісахаридів, які гідролізують до глюкози. Широко використовуються модифіковані крохмалі (розщеплені та заміщені) – в харчовій (стабілізатори, загусники), у текстильній (для приготування шліхти, апретури, загусників для фарб) галузях, у палітурній справі та целюлоза (клітковина, віскозний шовк, целофан) і особливо її естери (нітроцелюлоза – колоксиліни та піроксиліни, ацетати целюлози – лаки, кіноплівка, ацетатний шовк).

Завдання для самостійної роботи № 3.

1.Класифікація спиртів ( за будовою радикалу, що зв’язаний з гідроксильною групою; за кількістю функціональних груп). Навести приклади та дати назви сполукам (позначте первинні, вторинні та третинні спирти):

А) Написати структурні формули всіх ізомерних спиртів складу С₄Н₁₀О

Б) Написати структурні формули всіх ізомерних спиртів складу С₅Н₁₂О

2. Методи отримання спиртів ( лабораторні та промислові). Запропонувати по 4 методи синтезу наступних спиртів:

А) етанол; 2-метил-1-бутанол

Б) метанол; 2-пентанол

3. Хімічні властивості одноатомних спиртів. Написати реакції, що демонструють ці властивості, вказати тип реакцій та назви всіх речовин для наступних спиртів:

А) 4-метил-2-пентанол; метанол

Б) етанол; 2,3-диметил-3-пентанол

4. Багатоатомні спирти. Написати формули, дати назви, пояснити хімічні властивості та якісні реакції для вказаних спиртів:

А) етиленгліколь; гексит (сорбіт)

Б) гліцерин; петит

5. Порівняйте хімічні властивості альдегідів та кетонів. За допомогою якого реагенту можна розрізнити наступну пару сполук ( напишіть всі можливі реакції):

А) Пропаналь та пропанон

I₂ + NaOH; H₂N–NH₂; HCN; NaHSO₃; [Ag(NH₃)₂]OH

Б) Бутанол та пропанон

Na(мет.); KMnO₄; NH₂OH ; I₂ + NaOH; [Ag(NH₃)₂]OH

6. Написати всі реакції, вказати механізм та тип реакцій, дати назву всіх сполук:

А) Яка з наведених реакцій не приводить до утворення етанолу?

Б) Яка органічна сполука, утворюється при нагріванні брометану з водним розчином гідроксиду калію? (отримайте кожну з наведених сполук)

1), 2), 3), 4) або 5)

1) 2) 3) 4)

5)

7. Які реагенти використовують для визначення альдегідної групи ? ( якісні реакції).Напишіть реакції, що характеризують вказані альдегіди:

А) Розгляньте взаємодію акролеїну СН₂=СН–СНО з реагентами: Br₂(CCl₄), НBr, C₂Н₅OH( Н⁺), KMnO₄, [Ag(NH₃)₂]OH;LiAlH₄; HCN

Б) Напишіть схеми реакцій мурашиного альдегіду із наступними реагентами: HCN; PCl₅; [Ag(NH₃)₂]OH; NaBH₄;Н₂О(H⁺)

8. Дайте визначення та наведіть приклади синтезу (простих) етерів та (складних) естерів.

А) Напишіть реакції та поясніть, які продукти утворюються для вказаних пар реагентів: СН₃ОН та С₂Н₅ОН; С₂Н₄ (ОН)₂ та С₃Н₇СООН; С₂Н₅СООН та СН₃ОН;

Б) Отримайте наступні сполуки : С₃Н₇ – О – С – С₄Н₉

||

O

СН₃СООСН₂СН₃; С₂Н₅СООСН₃; С₃Н₇ОС₄Н₉

9. Напишіть реакції та зробіть необхідні розрахунки

А) У промисловості ацетальдегід добувають за способом Кучерова. Яку масу ацетальдегіду можна добути , виходячи із технічного кальцій карбіду масою 500кг, масова частка домішок у якому становить 10,4%. Вихід ацетальдегіду 75%.

Б) Під час каталітичного гідрування формальдегіду добули спирт, при взаємодії якого з надлишком металічного натрію утворився водень об’ємом 8,96 л (н.у). Вихід продуктів на кожній із стадій синтезу становив 80%. Визначте вихідну масу формальдегіду.

10. Карбонові кислоти: класифікація ( приклади – одно, двох –основних кислот, насичених, ненасичених, вищих жирних карбонових кислот). Будова карбоксильної групи -СООН. Методи добування. Отримайте двома методами:

А)оцтову, масляну та акрилову кислоти (де вони використовуються?)

Б) олеїнову, щавлеву та капронову кислоти ( застосування)

11. Напишіть формули похідних карбонових кислот – солі, складні естери, ангідриди, галогенангідриди, аміди. Напишіть реакції синтезу вказаних сполук:

А) ангідрид оцтової кислоти, етилацетат, амід валеріанової кислоти, ацетат феруму(ІІІ)

Б) хлорангідрид пропанової кислоти, діетиловий естер етиленгліколю, оксалат калію, ангідрид масляної кислоти

12. Напишіть структурні формули та реакції омилення жирів та олій. Вищі жирні кислоти, мила та миючі засоби (ПАР- поверхнево-активні речовини, їх застосування в будівництві). До якого класу сполук вони відносяться?

А) Скільки гліцерину можна добути лужним гідролізом 3 кг тристеарату (основного компоненту деякого жиру), в якому масова частка домішок становить 3%?

Б) На виробництво 1 кг туалетного мила, в якому масова частка натрій стеарату становить 60% , витрачається 748 кг жирних кислот (стеаринової) і 124 кг розчину їдкого натру (лугу), в якому масова частка NaOH 92%. Яка масова частка виходу мила від теоретично можливого?

13. Дайте визначення наступним термінам ( проілюструйте ці терміни прикладами конкретних сполук):

А) вуглеводи, моносахариди, кетози, полісахариди, формули Фішера, глюкопіраноза;

Б)дисахариди, альдози, пентози, естери целюлози, фруктофуранозна форма.

14. Продемонструйте взаємний зв’язок ( хімічні перетворення) оксигенвмісних органічних сполук – спиртів, альдегідів, кетонів, карбонових кислот та їх похідних. Запропонуйте схеми синтезу ( дайте назви сполук та реакцій) :

А)етанол→оцтова кислота→етилацетат→етанол→диетиловий етер;

2-пропанол→пропанон→оцтова кислота→ангідрид оцтової кислоти

Б) метанол→метаналь→метанова кислота→диметиловий естер етиленгліколю;

2-бутанол→бутанон→оцтова кислота→пропіловий естер оцтової кислоти→пропанол→етилпропіловий етер

15. Продемонструйте відмінність хімічних властивостей представників різних гомологічних рядів оксигенвмісних сполук. Якісні реакції. Напишіть реакції та порівняйте активність в реакціях окиснення, приєднання та ін. для:

А) пропаналь та пропанон, етанол та гліцерин, метанова кислота та стеаринова кислота

Б) етиленгліколь та формальдегід, етилацетат та діетиловий етер, бутанон та бутаналь.