Органическая химия. Методические рекомендации

1.Соединение содержит две циклические системы — пятичленную и шестичленную, однако, как и в случае с ациклическими соединениями, основная цепь должна содержать старшую функциональную группу (СФГ). Старшей в данном случае является карбонильная (кетонная) группа, входящая

всостав пятичленного цикла, поэтому все соединение относится к классу кетонов, окончание слова — суффикс -он, нумерации подлежит пятичленный цикл.

2.Нумерация пятичленного кольца начинается с атома углерода, входящего в состав карбонильной (кетонной) группы, и продолжается в сторону ближайшей кратной связи, а не в сторону ближайшего заместителя. В данном случае нумерация производится против часовой стрелки. Пятичленная циклическая система соответствует корню -циклопент-.

O

2 1

3

5

4

CH3

3.Соединение содержит двойную связь, дающую в названии дополнительный суффикс -ен, а также заместители — метил- и циклогексил-, которые дополняют название, следуя

валфавитном порядке.

4.На последнем этапе происходит составление полного названия соединения по схеме:

заместители + корень + доп. суффиксы + суффикс СФГ. Полное название приведенной структуры — 4-метил-5-

циклогексилциклопент-2-енон.

Задание 3. 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.

21

OH

H3C

Решение задания 3.

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

Атомы углерода при тройной связи имеют тип гибридизации sp, все стальные — sp3.

Составление название органического соединения состоит из четырех шагов.

1.Определение старшей функциональной группы, которой

вданном случае является гидроксильная группа. Соединение относится к классу спиртов, окончание слова -ол.

2.Нумерация основной цепи со стороны, к которой ближе СФГ. При нумерации слева гидроксильная группа окажется

вположении 4, в то время как при нумерации справа гидроксильная группа будет иметь положение 3. Следует отметить, что атом углерода, отмеченный звездочкой, ни в каком случае не подлежит нумерации, так как входит в состав циклопентильного заместителя.

OH

Шесть атомов углерода в основной цепи соответствует корню в названии -гекс-.

22

3.Соединение содержит две тройные связи, дающие в названии дополнительный суффикс -ин и приставку ди-, а также единственный заместитель циклопентил-.

4.На последнем этапе происходит составление полного названия соединения по схеме:

заместители + корень + доп. суффиксы + суффикс СФГ.

Полное название приведенной структуры — 1-циклопен­ тилгексадиин-3-ол.

Задание 4. Используя приведенную брутто-формулу, составьте структурные формулы трех изомеров, принадлежащих к разным классам органических веществ. Изобразите их в любом виде (с отображением или без отображения атомов углерода и водорода). Как минимум одно из трех соединений должно иметь циклическое строение.

C3H6O

Решение задания 4.

Удвоенное количество атомов водорода по сравнению с числом атомов углерода говорит о присутствии в соединении ациклического строения двойной связи либо о насыщенности циклической структуры. В соответствии с этим возможные изомеры могут иметь следующее строение и относиться к классам альдегидов, кетонов и спиртов соответственно:

Задание 5. При сжигании 1,2 г углеводорода, имеющего значение плотности паров по водороду равное 40, образовалось 2,016 л углекислого газа (н.у.) и 1,08 г воды. Найдите бруттоформулу углеводорода, предложите его структурную формулу и приведите его название.

23

Решение задания 5.

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

M(исх) = D · M(H2) = 40 · 2 = 80 г/моль. Количество вещества исходного соединения:

n(исх) = m(исх) / M(исх) = 1.2 / 80 = 0,015 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 = 2,016 / 22,4 = 0,09 моль; n(H2O) = m(H2O) / M(H2O) = 1,8 / 18 = 0,06 моль.

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

n(C) = n(CO2) = 0,09 моль;

n(H) = 2 · n(H2O) = 2 · 0,06 = 0,12 моль.

Соотношение атомов углерода к водороду в исходном соединении 9:12 или 3:4.

3.Расчеты показали, что 0,015 моль исходного соединения содержит 0,09 моль атомов углерода и 0,12 моль атомов водорода, откуда следует, что 1 моль исходного соединения содержит 6 моль атомов углерода и 8 моль атомов водорода.

4.Молярная масса вещества найденного состава C6H8 равна 80 г/моль, что соответствует найденной в первом шаге 80

г/моль. Это означает, что C6H8 — истинная формула искомого соединения. Ей можно приписать несколько структурных формул, например циклогекса-1,3-диена, гекса-1,3,5-триена или гекс-3-ен-1-ина соответственно:

H2CCH2 H3CCH

24

2.2.Вариант домашнего задания № 2

срешением

Задание 1. По названию органического соединения — третбутилциклопентан:

а) составьте структурную формулу соединения; б) приведите структурную формулу одного из его изомеров,

содержащего другое число атомов углерода в основной цепи (или цикле), и его название;

в) напишите схему реакции хлорирования исходного углеводорода, в которой образуется смесь всех возможных монохлорзамещенных продуктов, укажите условия данной реакции;

г) напишите схему реакции монобромирования исходного углеводорода, в которой образуется основной продукт (или смесь основных продуктов), укажите условия.

Решение задания 1.

а) Структурная формула трет-бутилциклопентана включает в себя карбоциклическую пятичленную насыщенную систему, содержащую один трет-бутильный заместитель:

б) Изомерные структуры характеризуются тем же набором атомов, связанных между собой или расположенных в пространстве иначе. Изомером данной структуре с другим размером цикла является, например, изопропилциклогексан:

H3C CH3

25

в) Хлорирование предельных углеводородов — неселективный процесс. Высокая активность хлора приводит к равновероятному замещению атомов водорода у каждого атома углерода, в результате чего образуется смесь изомерных моногалогенпроизводных:

Cl

Стоит отметить, что положения 2 и 5, а также 3 и 4 циклопентановой системы эквивалентны из-за симметричности структуры, поэтому замещение по каждой из этих позиций 2–5 приведет не к четырем, а двум продуктам. Метильные группы трет-бутильного фрагмента также являются эквивалентными, поэтому замещение каждого из девяти водородов данного заместителя приводит к образованию одного и того же продукта. Итоговая смесь продуктов монохлорирования состоит из четырех изомерных монохлорпроизводных (их количества в данной смеси не являются равными, поэтому реакция записана не в виде уравнения, а в виде схемы, коэффициенты в которой не ставятся).

г) Бромирование насыщенных углеводородов — высокоизбирательный процесс. В первую очередь, бром замещает атом водорода при третичном атоме углерода и только затем при вторичном. Замена атомов водорода на бром при первичном атоме углерода идет с наименьшей скоростью. Таким образом, монобромирование описывается следующей схемой, в которой представлен один основной продукт:

26

Задание 2. По названию органического соединения — 4-втор-бутилгепта-1,5-диен:

а) составьте его структурную формулу; б) приведите брутто-формулу этого соединения; в) вычислите его молярную массу.

Решение задания 2.

а) Структурная формула соединения включает в себя пятичленную углеродную цепь, содержащую один втор-бутиль­ ный заместитель в положении 2, а также две двойные связи после атомов 1 и 4:

H3CCH3 H3CCH2

б) Брутто-формула соединения дает информацию об его элементном составе и записывается следующем образом

C11H20.

в) Молярная масса соединения M = 12 · 11 + 20 = 152 г/моль.

Задание 3. По структурной формуле органического соединения:

а) назовите вещество в соответствии с правилами систематической номенклатуры;

б) напишите уравнение реакции гидрохлорирования этого вещества;

в) напишите уравнение реакции бромирования этого вещества, приводящей к соответствующему бромпроизводному алкана;

г) найдите массу 10%-ного раствора брома, которую необходимо взять для получения 36 г продукта бромирования (выход реакции считать равным 100%).

CH3

HC

27

Решение задания 3.

а) Составление название углеводорода состоит из четырех шагов.

1.Определение класса веществ по кратной связи (кратным связям). В данном случае соединение содержит тройную связь

иотносится к классу алкинов, окончание слова -ин.

2.Определение и нумерация основной цепи или старшего цикла, содержащих кратную связь. В данном соединении кратная связь расположена в открытой цепи, поэтому нумерации подлежит она, а не циклическая система. Нумерация производится со стороны кратной связи вправо и не останавливается в месте ветвления, а продолжается вверх на метильную группу. Циклогексильный фрагмент в данном случае — заместитель, поэтому ни один из его атомов не может входить

восновную цепь. Четыре атома углерода в основной цепи соответствуют корню в названии -бут-.

4 CH3

1 2 3

HC

3.Алкин содержит единственный заместитель в третьем положении — циклогексил-.

4.На последнем этапе происходит составление полного названия соединения по схеме:

заместители + корень + суффикс(ы).

Полное название приведенной структуры — 3-цикло­ гексилбут­-1-ин.

б) Гидрохлорирование алкенов и алкинов подчиняется правилу Марковникова, говорящему о присоединении атома водорода к наиболее гидрогенизированному атому углерода. Кроме того, присоединение молекул к алкинам не останавливается на стадии образования алкена, а идет далее до насыщенной структуры:

28

в)  Бромирование ненасыщенных соединений (реакция присоединения) осуществляется бромной водой (качественная реакция на кратную связь) и в случае алкинов также не останавливается на стадии дибромалкена, а идет до конца:

г) Для нахождения необходимой массы брома и массы его раствора необходимо вычислить количество моль конечного продукта. Для этого составим его брутто-формулу и найдем его молярную массу:

Брутто-формула продукта C10H16Br4, M(пр) = = 10 · 12 + 16 + 4 · 80 = 456 г/моль.

Количество моль продукта реакции n(пр) = m(пр) / M(пр) = = 36 / 456 = 0,0789 моль.

По уравнению реакции количество брома, необходимое для получения продукта, в два раза превышает число моль последнего:

n(Br2) = 2 · n(пр) = 2 · 0,0789 = 0,1578 моль.

Массу брома и массу его 10%-ного раствора найдем следующим образом:

m(Br2) = n(Br2) · M(Br2) = 0,1578 · 160 = 25,248 г; m(р-ра Br2) = m(Br2) / ω = 25,248 / 0,1 = 252,48 г.

Для получения 36 г продукта бромирования необходимо 252,48 г 10%-ного раствора брома.

29

Задание 4. Напишите уравнение реакции окисления непредельного углеводорода водным раствором перманганата калия при низкой температуре (реакция Вагнера). Назовите полученное вещество по систематической номенклатуре.

H3CCH3

Решение задания 4.

Реакция Вагнера — одна из характерных реакций на кратные С-С-связи, сопровождаемая визуально наблюдаемым обесцвечиванием интенсивной окраски водного раствора перманганата калия. Мягкие условия реакции позволяют сохранить целостность углеродного скелета молекулы и в случае алкенов получить соответствующий 1,2-диол:

HO OH

KMnO4

Данную реакцию допустимо писать в виде схемы, а не уравнения, показывающей лишь основной продукт реакции и суть процесса, а также избавляющей от необходимости писать побочные продукты и расставлять коэффициенты. Полученное соединение относится к классу спиртов и имеет название 3,5-диметилциклопентан-1,2-диол.

Задание 5. Напишите уравнение реакции между избытком спиртового раствора щелочи и следующим соединением — 3-бром-2-метилпентан.

Решение задания 5.

Реакция галогенаканов со спиртовым раствором щелочи является методом получения ненасыщенных соединений, поскольку инициирует процесс отщепления галогеноводородов от галогеналканов — дегидрогалогенирование. Атом брома при этом покидает непосредственно связанный с ним третий атом углерода, в то время как для атома водорода существует возможность отщепления от одного из двух соседних третьему

30