Органическая химия для поступающих в вузы. Учебное пособие
.pdf
¾¾® |
+ 3Н2 |
t,kt |
|
бензол
б) изомеризация
СН│ 3
СН3─СН2─СН2─СН3 ¾¾®t,kt СН3─СН─СН3 бутан 2-метилпропан
в) алкилирование |
|
|
|
|
СН3 |
СН3 |
|
СН3 |
СН3 |
│ |
│ |
¾¾® |
│ |
│ |
СН3─СН─СН3 |
+ СН3─С═ СН2 |
СН3 ─С─СН2─СН─СН3 |
||
|
|
t,kt |
|
|
2-метилпропан |
2-метилпропен |
│ |
|
|
|
|
|
СН3 |
|
|
|
|
2,2,4-триметилпентан |
|
|
|
|
(изооктан) |
|
Коксохимическое производство
Уголь – твердое горючее полезное ископаемое органического происхождения.
Состав:
–свободный углерод (до 10 %);
–циклические органические соединения, содержащие С, Н, О, N, S;
–неорганические вещества (зола);
–вода.
Коксование – нагревание каменного угля (t≈1000 оС) без доступа воздуха. При этом образуются:
– кокс (С – 96–98 %; зола – 2–4 %), используется в доменных печах;
– каменноугольная смола, используется для получения ароматических УВ;
51
– аммиачная вода (аммиак, соли аммония), используется для получения азотных удобрений;
– коксовый газ (Н2 – 60 %, СН4 – 25 %, СО – 5 %…), используется в качестве топлива, химического сырья [2].
Задача 2.4. Составьте уравнения реакций расщепления С14Н30.
Решение
Крекинг – это расщепление углеводородов (УВ) нефти на УВ с меньшим числом атомов углерода:
С14Н30 |
→ С7Н16 |
+ С7Н14 |
|
тетрадекан |
гептан |
гептен |
|
C7Н16 |
¾® С4Н10 + С3Н6 |
||
гептан |
|
бутан |
пропен |
C4Н10 |
¾® С2Н6 + С2Н4 |
||
бутан |
|
этан |
этен |
Задача 2.5. Что такое коксование каменного угля и какие продукты получаются при коксовании?
Решение
Это нагревание каменного угля (t≈1000 оС) без доступа воздуха. При этом образуются кокс, каменноугольная смола, аммиачная вода, коксовый газ.
Тренировочный тест
1.В отличие от непредельных углеводородов бензол:
1)имеет циклическую сопряженную π-электронную систему;
2)не имеет в своем составе атомов водорода;
3)представляет собой твердое вещество;
4)имеет одновременно все перечисленные выше признаки.
2.Формула гексахлорбензола имеет вид:
1) С6Н5Cl; 2) С6Н6Cl6; 3) С6Cl6; 4) С6Н13Cl.
52
3. Укажите гомолог бензола: |
|
С4Н9; |
4) C≡CH |
|
1) |
2) |
3) |
||
|
|
|
| |
| |
–CH 3
4. |
Укажите изомеры: |
|
|
||
|
1) |
СH2–C Н3; 2) СH=CH–C Н3; |
3) СН=CН2; 4) |
||
|
|
│ |
│ |
│ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– СН3 |
|
– СН3 |
|
5. |
К заместителям первого рода не относится: |
||||
|
1) |
– С3Н7; |
2) –NO 2; 3) –OH; |
4) –CH 3. |
|
6. |
Продуктом коксования каменного угля не является: |
||||
|
1) |
каменноугольная смола; |
2) гудрон; |
||
|
3) |
коксовый газ; |
4) кокс. |
||
7. Из перечисленных соединений – бензол, бутен-1, ацетилен – при комнатной температуре в отсутствии катализатора бромную воду
обесцвечивают: |
|
1) все соединения; |
2) бензол и ацетилен; |
3)бутен-1 и ацетилен; 4) не обесцвечивают все соединения.
8.В промышленности ароматические углеводороды получают:
1) |
из нефти; |
2) из природного газа; |
3) |
из остатков горных пород; |
4) из торфа. |
9. Назовите число возможных ароматических изомеров дихлорнитробензола, напишите их структурные формулы и дайте названия:
1) 4; |
2) 5; |
3) 6; |
4) 7. |
53
10. Назовите промежуточный продукт и составьте уравнения реакций, протекающих по схеме: метан → Х→ бензол.
1) этилен; 2) ацетилен; 3) этан; 4) циклогексан.
11. Реакции протекают по схеме:
1,6-дибромгексан ¾¾®а) Х → бензол ¾¾®б) Y→ стирол.
|
Укажите неизвестные вещества и типы реакций: |
|
1) |
а) циклогексан, дегалогенирование; б) этилбензол, алкилирование; |
|
2) |
а) гексан, дегидрирование; |
б) метилбензол, алкилирование. |
3) |
а) циклогексан, дегидрирование; |
б) толуол, гидрирование; |
4) |
а) гексен, дегидрирование; |
б) циклогесан, дегидрирование. |
12. В синтезе лекарственных веществ используются:
1) |
хлорбензол; |
2) нитробензол; |
|
3) |
бромбензол; |
|
4) сульфобензол. |
13. При нитровании 156 г бензола получили 210 г нитробензола. |
|||
Выход реакции составляет: |
|
||
1) |
117 %; 2) 85 %; |
3) 49 %; 4) 100 %. |
|
14. Из ацетилена объемом 3,36 л (н.у.) получен бензол объемом 2,5 мл. Определите массовую долю выхода продукта, если плотность
бензола равна 0,88 г/мл. |
|
1) 83,6 %; 2) 56,4 %; |
3) 40,6 %; 4) 100 %. |
15. Из природного газа объемом 40 л (н.у.) получен хлорметан массой 30,3 г. Определите объемную долю (%) метана в природном газе, если массовая доля выхода хлорметана равна 40 % от
теоретически возможного. |
|
|
||||
1) 34,4; |
2) |
8,4; |
3) 3,43; |
4) |
84. |
|
Ответы: № 1 |
– 1; |
№ 2 – 3; № 3 – |
3; № 4 – 1.3; № 5 – 2; № 6 – 2; |
|||
№ 7 – 3; |
№ 8 |
– 1; |
№ 9 – 3; № 10 – 2; |
№ 11 – 1; № 12 – 4; № 13 – 2; |
||
№ 14 – 2; |
№ 15 – 4. |
|
|
|
|
|
54
Глава 3. КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
3.1. СПИРТЫ
Спирты (алкоголи) – это производные углеводородов (УВ), содержащие в молекуле одну или несколько гидроксильных групп ─ОН у насыщенных атомов углерода: R─ОН, R─(ОН)m. R – углеводородный радикал, m – число ОН-групп (определяет атомность спирта).
|
|
Спирты |
|
|
|
|
|
Предельные (алканолы) |
Ароматические |
||
СН3ОН-метанол |
СН2ОН |
||
(метиловый спирт) |
| |
|
|
|
|
|
|
фенилметанол |
|||
|
|
|
|
(бензиловый спирт) |
|||
|
|
Непредельные |
|
|
|
|
|
|
Алкенолы |
|
|
Алкинолы |
|
|
|
|
СН2═СН─СН2ОН |
|
|
СН≡С─СН2ОН |
|
||
|
пропен –2- ол-1 |
|
|
пропин-2-ол-1 |
|
||
|
(аллиловый спирт) |
|
(пропаргиловый спирт) |
||||
|
|
Атомность спиртов |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|||
Одноатомные |
Двухатомные |
Трехатомные |
|||||
(олы) |
(диолы) |
(триолы) |
|
||||
С2Н5ОН – этанол |
СН2 – СН2 |
СН2 – СН – СН2 |
|||||
(этиловый спирт) |
|
|
|
|
|
||
|
|
ОН |
ОН |
ОН |
ОН |
ОН |
|
|
|
этандиол-1,2 |
пропантриол-1,2,3 |
||||
|
|
(этиленгликоль) |
(глицерин) |
||||
55
Гомологический ряд спиртов представлен в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Предельные одноатомные спирты (алканолы) СnН2n+1ОН. Гомологический ряд спиртов
Формула |
|
Название |
|
|
|
|
Заместительная |
Радикально-функциональная |
|
номенклатура |
номенклатура |
|
|
|
СН3ОН |
Метанол |
Метиловый спирт |
С2Н5ОН |
Этанол |
Этиловый спирт |
С3Н7ОН |
Пропанол |
Пропиловый спирт |
С4Н9ОН |
Бутанол |
Бутиловый спирт |
С5Н11ОН |
Пентанол |
Амиловый спирт |
С6Н13ОН |
Гексанол |
Гексиловый спирт |
С7Н15ОН |
Гептанол |
Гептиловый спирт |
С8Н17ОН |
Октанол |
Октиловый спирт |
С9Н19ОН |
Нонанол |
Нониловый спирт |
С10Н21ОН |
Деканол |
Дециловый спирт |
|
|
|
Электронное строение
Н
↓..
R→Cδ+→Oδ-←Hδ+
↑¨
H
Атомы углерода в алканолах находятся в состоянии sp3- гибридизации. Атом кислорода имеет частичный отрицательный заряд δ. Полярность связи О─Н больше полярности связи С─О. Однако она недостаточна для диссоциации ее на ионы Н+. Поэтому спирты являются неэлектролитами [10].
Изомерия и номенклатура
Возможна изомерия:
–цепи;
–положения функциональной группы.
56
Например:
С4Н9ОН |
|
Изомерия цепи |
Изомерия положения |
4СН3─3СН2─2СН2─1СН2ОН |
ОН-группы |
н-бутиловый спирт |
4СН3─3СН3─2СН─1СН3 |
бутанол-1 (первичный спирт) |
|
СН3 |
ОН |
|
бутанол-2 |
3СН3─2СН─ 1СН2ОН |
вторичный бутиловый спирт |
изобутиловый спирт |
СН3 |
2-метилпропанол-1 |
|
(первичный спирт) |
СН3─С─СН3 |
|
|
|
ОН |
|
2-метилпропанол-2 |
|
третичный бутиловый спирт |
Спирты изомерны простым эфирам. |
|
Например: |
|
С3Н8О |
|
С3Н7ОН |
СН3─О─С2Н5 |
пропанол |
метилэтиловый эфир |
Физические свойства |
|
СН3ОН, С2Н5ОН,… С11Н23ОН |
С12Н25ОН, …. СnН2n+1ОН |
жидкости |
твердые вещества |
(резкий запах) |
(без запаха) |
Ткип. и Тпл. увеличиваются Растворимость в воде уменьшается (высшие нерастворимы)
57
Химические свойства
Для алканолов характерны |
реакции, которые протекают |
с расщеплением связей О– Н, С– О, |
С– Н. Это реакции замещения, |
отщепления, окисления. |
|
Н |
|
│ |
|
R─C ─ O ─ H |
|
│ |
|
H |
|
1. Реакции замещения:
а) взаимодействие с активными металлами с образованием алкоголятов:
2С2Н5ОН + 2Na ¾® 2 С2Н5ОNa + Н2↑
этанолят натрия Алкоголяты гидролизуются водой:
С2Н5ОNa + Н2О ¾® С2Н5ОН + NaОН
б) реакция этерификации (взаимодействие с кислотами):
|
|
О |
O |
|
|
\\ |
|| |
|
|||
|
|
t,H2SO4конц. |
|
С2Н5О Н + С─СН3 ¬¾¾¾¾¾® CH3─C─O─C2H5 + H2O |
|||
/ |
этиловый эфир |
||
|
|
HO |
уксусной кислоты |
|
уксусная кислота |
(этилацетат) |
|
|
(этановая) |
|
|
СН3ОН + НОNО2 ¬¾¾¾¾® СН3─О─NO2 + Н2О
метиловый эфир азотной кислоты (метилнитрат)
в) взаимодействие с галогеноводородами с образованием галогеналканов:
|
t,H+ |
|
¾¾¾® |
С2Н5 |
ОН + Н Br ¬¾¾¾¾ C2H5Br + H2O |
|
t,OH- |
|
бромэтан |
58
г) взаимодействие с аммиаком с образованием аминов:
С2Н5 ОН + Н NН2 ¾t,¾Al¾2О3 ® С2Н5NH2 + H2O этиламин
2. Реакции отщепления:
а) дегидратация (отщепление воды):
– межмолекулярная с образованием простых эфиров (R–O–R`):
С2Н5О Н + НО С2Н5 ¾t,¾H2¾SO¾4конц¾.® С2Н5─О─С2Н5 + Н2О диэтиловый эфир
(этоксиэтан)
– внутримолекулярная с образованием алкенов:
НН
| |
| |
|
|
|
|
t,H2SO4конц. |
+ Н2О |
Н─С─С─Н ¾¾¾¾¾® CН2═СН2 |
|||
|
|
этилен |
|
Н |
ОН |
|
|
Для вторичных и третичных спиртов по правилу Зайцева
СН3─СН─СН─СН3 |
t,H2SO4конц. |
|
+ Н2О |
|
¾¾¾¾¾® СН3─СН═СН─СН3 |
||||
|
|
|
бутен -2 |
|
ОН Н |
|
|
|
|
бутанол-2 |
|
|
|
|
б) дегидрирование: |
|
|
|
|
– первичных спиртов с образованием альдегидов: |
|
|||
Н Н |
|
О |
|
|
│ │ |
|
// |
|
|
|
t,Cu |
Н2 |
|
|
Н─С─С─О─Н ¾¾¾® СН3─С─Н + |
|
|||
│ │ |
|
этаналь |
|
|
Н Н |
|
(ацетальдегид) |
|
|
59
– вторичных спиртов с образованием кетонов:
CН3─С Н ─СН3 |
¾¾¾® |
СН3─С─СН3 + Н2 |
|
t,Cu |
|
| |
|
|| |
О– Н |
|
О |
|
|
диметилкетон |
пропанол-2 |
|
(ацетон) |
– третичные спирты не дегидрируются. 3. Реакции окисления:
а) горение (полное окисление):
С2Н5ОН + 3О2 ¾t ® 2СО2 + 3Н2О;
б) неполное окисление под действием окислителей (кислорода воздуха в присутствии катализатора (Cu), KMnO4, K2Cr2O7 и т. д.):
Н |
О |
│ |
// |
Н─СН─О─ Н + [O] |
→ Н─С─Н + Н2О |
метиловый спирт |
метаналь |
[O] – из окислителя. |
|
СН3– СН2– СН– СН3 + [O] → СН3– СН2– С– СН3 + H2O |
|
| |
|| |
OH |
O |
вторичный спирт |
кетон |
Способы получения спиртов
1. Гидратация алкенов (по правилу Марковникова):
Н2С═СН2 |
300о С,H PO |
|
+ Н2О ¾¾¾¾¾® СН3─СН2ОН |
||
|
3 |
4 |
СН3─СН═СН2 + Н2О ¾¾t,H2¾SO¾4конц¾.® СН3─СН─СН3
|
ОН пропанол-2
60