Органическая химия. Методические рекомендации

Общий вид уравнения реакции алкена (или циклоалкана) с бромом будет иметь следующий вид:

Решая уравнение, полученное из пропорции 3,5 / 14n = = 11,5 / (14n + 160), получаем значение n = 5. Возможные структуры исходного углеводорода состава C5H10 — этилциклопропан или пент-1-ен:

CH3

H3C CH2

1.2. Выделенная контрольная работа № 1 — вариант для самоконтроля

Задание 1. Назовите соединение по систематической номенклатуре. Для каждого атома углерода подпишите тип его гибридизации.

O

O CH3

CH3

Задание 2. Для соединения из задания 1 приведите структурные формулы:

а) одного его изомера, принадлежащего к другому классу соединений (назовите этот класс);

б) одного из его гомологов.

11

Задание 3. Напишите уравнения трех реакций, соответствующих схеме:

Приведите названия для каждого из веществ X, Y и Z.

Задание 4. Напишите уравнение реакции, протекающей при сплавлении натриевой соли 3-этилпентановой кислоты с твердой щелочью. Напишите название и структурную формулу получившегося соединения.

Задание 5. Углеводород массой 1,64 г обесцвечивает бромную воду, присоединяя при этом 8,2 г брома и образуя тетрабромалкан. Предложите структурную формулу возможного углеводорода и назовите его по систематической номенклатуре.

1.3. Выделенная контрольная работа № 2 (ВКР-2) с решением

Задание 1. Назовите соединения, используя систематическую номенклатуру. Подпишите классы веществ, к которым они относятся.

Решение задания 1.

Представленные структуры являются производными карбоновых кислот (сложный эфир и нитрил соответственно). Их названия рекомендуется строить путем добавления к названию соответствующего класса органического соединения названия соответствующей кислоты в родительном падеже (в первом случае это эфир кислоты, а во втором — нитрил кислоты). Для удобства восстановим структурные формулы дан-

12

ных кислот и пронумеруем их главные цепи, в которые входит старшая — карбоксильная группа.

Полные названия соединений выглядят следующим образом:

–– этиловый эфир гекс-3-еновой кислоты;

–– нитрил фенилэтановой кислоты.

Задание 2. Напишите уравнения реакций:

а) кислотного гидролиза диизопропиламида уксусной кислоты;

б) щелочного гидролиза нитрила 2-метилпропионовой кислоты.

Решение задания 2.

Все производные карбоновых кислот подвергаются гидролизу в условиях кислотного или щелочного катализа с образованием в первом случае кислоты, а во втором — соответствующей соли карбоновой кислоты. Необходимо учитывать, что побочные продукты гидролиза нитрилов или амидов — аммиак или амины — способны взаимодействовать с взятой в качестве катализатора сильной кислотой (обычно соляной или серной) с образованием аммонийных солей.

Уравнения гидролиза соединений из условия задачи выглядят следующим образом:

13

Задание 3. Напишите уравнения трех реакций, соответствующих схеме:

Приведите названия для каждого из веществ X, Y и Z.

Решение задания 3.

1.Алкены способны окисляться пеманганатом калия как

внейтральной (мягкое окисление), так и в кислой среде (жесткое окисление). Последнее приводит к полному разрыву двойной С-С-связи и образованию двух углеродсодержащих фрагментов, содержащих карбонильные группы на месте разрыва связи. В общем случае первоначально образующийся альдегид далее окисляется в карбоновую кислоту, а простейший представитель класса альдегидов — формальдегид — в угольную кислоту, самопроизвольно распадающуюся на углекислый газ и воду. Кетоны, карбоновые кислоты и углекислый газ — конечные возможные продукты жесткого окисления алкенов

всистеме KMnO4/H+.

В данном случае поэтапное решение задания выглядит следующим образом:

Суммарная схема реакции выглядит следующим образом:

14

2. Амины реагируют с карбоновыми кислотами, давая аммонийные соли, а при нагревании в присутствии водоотнимающего средства — серной кислоты — амиды:

3) Амиды подвергаются щелочному гидролизу с образованием амина и соли:

Систематические названия соединений X, Y и Z: X: 2-метилпропановая кислота;

Y: метиламид 2-метилпропановой кислоты;

Z: метилпропаноат калия (или калиевая соль 2-метилпро- пановой кислоты).

Задание 4. Соединение, имеющее брутто-формулу C5H10O, не обесцвечивает бромную воду и не вступает в реакцию серебряного зеркала, зато окисляется перманганатом калия в кислой среде с образованием соединения C5H8O. Напишите структурную формулу возможного вещества, его название, а также уравнение (или схему) возможной реакции.

Решение задания 4.

Среди кислородсодержащих соединений к окислению перманганатом калия способны только два класса — альдегиды и спирты. Одновременно с этим отсутствие реакции на бромную воду указывает на отсутствие в структуре кратных С-С-связей (двойных или тройных), а неспособность вступать в реакцию с оксидом серебра говорит о непринадлежности заданного соединения к классу альдегидов. Из этого заключаем, что соединение относится к насыщенным спиртам, обычно имеющим общую формулу CnH2n+2O, которая, однако, отличается от за-

15

данной. К насыщенным системам с удвоенным числом атомов водорода по сравнению с количеством атомов углерода относятся циклические соединения, поэтому заданное соединение состава C5H10O может представлять собой циклопентанол. Его окисление перманганатом калия, действительно, приводит к веществу состава C5H8O, представляющему собой циклопентанон:

OH KMnO4, H+ O

Задание 5. При сжигании 2,2 г органического вещества, плотность паров которого по метану равна 5,5, выделилось 2,24 л углекислого газа и 1,8 г воды. Предложите структурные формулы трех возможных изомеров, принадлежащих к различным классам.

Решение задания 5.

1. Найдем молярную массу органического соединения, зная его плотность по метану:

M(исх) = D ·M(CH4) = 5,5 · 16 = 88 г/моль. Количество вещества исходного соединения:

n(исх) = m(исх) / M(исх) = 2,2 / 88 = 0,025 моль.

2.Найдем число моль образовавшихся молекул CO2 и H2O,

атакже число моль атомов углерода и водорода, содержащихся в них.

Количества вещества образовавшихся молекул CO2 и H2O:

n(CO2) = V(CO2) / Vm = 2,24 / 22,4 = 0,1 моль; n(H2O) = m(H2O) / M(H2O) = 1,8 / 18 = 0,1 моль.

Число моль атомов углерода и водорода найдем из числа моль молекул CO2 и H2O:

n(C) = n(CO2) = 0,1 моль;

n(H) = 2 · n(H2O) = 2 · 0,1 = 0,2 моль.

16

Соотношение атомов углерода к водороду в исходном соединении 1:2.

3.Расчеты показали, что 0,025 моль исходного соединения содержит 0,1 моль атомов углерода и 0,2 моль атомов водорода, откуда следует, что 1 моль исходного соединения (0,025 · 40) содержит 4 моль (0,1 · 40) атомов углерода и 8 моль (0,2 · 40) атомов водорода.

4.Молярная масса вещества найденного состава C4H8 равна 56 г/моль, что не соответствует найденной в первом шаге 88 г/моль. Разница молярных масс, равная 32 г/моль, вызвана наличием в структуре исходного соединения двух атомов

кислорода, не дающих при сжигании отличных от CO2 и H2O продуктов, по которым сделан расчет.

Истинной брутто-формуле искомого соединения C4H8O2 можно отнести структурные формулы альдегида, кетона и карбоновой кислоты:

1.4. Выделенная контрольная работа № 2 — вариант для самоконтроля

Задание 1. Назовите соединения, используя систематическую номенклатуру. Подпишите классы веществ, к которым они относятся.

Задание 2. Напишите уравнения реакций:

а) кислотного гидролиза нитрила 3-фенилмасляной кислоты; б) щелочного гидролиза диэтиламида 2-метилбут-3-еновой

кислоты.

17

Задание 3. Напишите уравнения трех реакций, соответствующих схеме:

Приведите названия для каждого из веществ X, Y и Z.

Задание 4. Соединение, имеющее брутто-формулу C5H8O2, обесцвечивает бромную воду и реагирует с водным раствором Na2CO3 c выделением газа. Соединение может быть окислено подкисленным раствором перманганата калия при нагревании до вещества состава C4H6O3. Предложите структурную формулу возможного вещества, его название, а также уравнение (или схему) реакции с подкисленным раствором перманганата калия.

Задание 5. При сжигании 4,8 г органического вещества, плотность паров которого по азоту равна 3,43, выделилось 6,72 л углекислого газа и 4,5 г воды. Установите брутто-фор- мулу вещества и предложите структурные формулы трех возможных изомеров, принадлежащих к различным классам органических соединений.

18

2.ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ

2.1.Вариант домашнего задания № 1

срешением

Задание 1. Приведите структурную формулу соединения по его названию:

5,5-дигидрокси-4-нитро-2-оксопент-3-еналь.

Решение задания 1.

1. В первую очередь, необходимо определить основную углеродную цепь соединения, длина которой задается корнем в названии. В данном случае корень -пент- указывает на длину основной цепи в пять атомов углерода.

2 4

1 3 5

2. Название любого органического соединения оканчивается на суффикс, определяющий старшую функциональную группу и класс, к которому это соединение принадлежит. Суффикс -аль- показывает, что соединение имеет старшую группу — карбонильную (альдегидную) и относится к классу альдегидов. Отсутствие цифры-локанта перед этим суффиксом объясняется тем, что альдегидная группа всегда является концевой и в альдегидах образована первым атомом углерода:

O 2 4

1 3 5

3.Дополнительный суффикс -ен- вместе с относящимся

кнему локантом 3 показывают наличие двойной углерод-угле- родной связи в третьем положении (между атомами 3 и 4):

O 2 4

1 3 5

4. К получившейся основе следует добавить заместители, перечисленные в начале названия, в позиции, обозначенные

19

цифрами-локантами. Соединение содержит две гидроксильные группы в положении 5, одну нитрогруппу в положении 4, а также карбонильную (кетонную) группу в положении 2:

O NO2

1 3 5OH

Приведенная выше структура соответствует заданному условием задания названию.

Задание 2. Изобразите формулу химического соединения так, чтобы были показаны все атомы, входящие в его структуру (углерода, водорода и кислорода). Перед этим изобразите структуру в том виде, в котором она приведена в задании.

Приведите название соединения по систематической номенклатуре. Подпишите тип гибридизации каждого атома углерода на одной из изображенных структурных формул.

O

CH3

Решение задания 2.

Структура с отображением всех атомов углерода и водорода выглядит следующим образом:

O

CH3

Атомы углерода при двойной связи имеют тип гибридизации sp2, все стальные — sp3.

Составление название органического соединения состоит из четырех шагов.

20