Органическая химия. Сборник задач. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
М.Н. ТИМОФЕЕВА, В.Н. ПАНЧЕНКО
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
СБОРНИК ЗАДАЧ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2019
1
УДК 547(076.1)(075.8) Т 415
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В.В. Ларичкин канд. хим. наук, ст. преп. П.А. Симонов
Работа подготовлена на кафедре инженерных проблем экологии для студентов всех специальностей и форм обучения, изучающих курс органической химии
Тимофеева М.Н.
Т 415 Органическая химия. Сборник задач: учебное пособие / М.Н. Тимофеева, В.Н. Панченко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 68 с.
ISBN 978-5-7782-3931-9
В пособии приведены программа курса органической химии, задачи для самостоятельного решения, классифицированные в соответствии с основными разделами программы курса, и краткая теоретическая информация для их решения. Выполнение многих задач предполагает не только знание механизмов реакций, химических свойств основных классов органических соединений, но и понимание основных связей между классами органических соединений. Главная цель данного пособия – помочь студентам понять основные закономерности, связывающие структуру органических молекул с их химическим поведением.
Учебное пособие предназначено для студентов и учащихся, изучающих курс органической химии.
|
УДК 547(076.1)(075.8) |
ISBN 978-5-7782-3931-9 |
Тимофеева М.Н., Панченко В.Н., 2019 |
|
Новосибирский государственный |
|
технический университет, 2019 |
|
2 |
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Введение
Введение в курс органической химии. Органическая химия и ее ме-
сто среди других химических дисциплин, связь с другими науками. Органические соединения в природе.
Теория химического строения органических соединений А.М. Бут-
лерова. Причины многообразия органических соединений. Типы углеродного скелета: ациклические, циклические и гетероциклические соединения. Типы химических связей: ковалентная (неполярная и полярная), ионная, металлическая. Водородная связь. Индуктивный и мезомерный эффекты. Полярность связи. Гибридизация атомных орбиталей и геометрическое строение молекул. Валентность и степень окисления.
Способы изображения молекул органических соединений: молеку-
лярные, структурные и электронные формулы. Изомерия: структурная, геометрическая, оптическая
Классификация органических соединений. Основные функциональ-
ные группы и классы органических соединений. Генетическая связь между классами.
Номенклатура: рациональная и систематическая (номенклатура ИЮПАК), тривиальные названия.
Классификация органических реакций. Реакции присоединения, за-
мещения, отщепления, разложения, окисления, восстановления, изомеризации, полимеризации, поликонденсации. Механизм химических реакций в органической химии (реакции радикальные, ионные, нуклеофильные, электрофильные). Типы разрыва связи.
Взаимосвязь между строением и реакционной способностью органических соединений.
3
Предельные углеводороды
Алканы. Природа С–С и С–Н связей в алканах. Пространственное строение алканов и понятие о конформерах. Проекции Ньюмена и модели Стьюарта–Бриглера. Конформации этана, пропана, н-бутана. Энергетическая диаграмма конформационного состояния молекулы алкана. Физические свойства алканов и методы их синтеза. Химические свойства алканов: галогенирование, сульфирование, сульфохлорирование, нитрование, дегидрирование, окисление. Механизм реакции радикального замещения в ряду алканов. Селективность радикальных реакций и относительная стабильность алкильных радикалов. Нефтепереработка и крекинг алканов. Моторные топлива. Алканы в основном органическом синтезе.
Циклоалканы. Классификация циклических углеводородов. Изомерия в ряду моноциклических алканов. Оптическая стереоизомерия. Способы получения циклических углеводородов. Нафта и промышленное производство нафтенов. Химические свойства циклоалканов. Реакции малых циклов. Теория напряжения Байера.
Непредельные углеводороды
Алкены. Гомологический ряд алкенов. Природа двойной связи и ее квантово-химическая трактовка. Цис- и транс-изомерия. Физические свойства алкенов. Способы получения олефинов. Реакционная способность двойной связи и химические свойства алкенов. Правило Марковникова и реакции электрофильного присоединения.
Алкадиены. Гомологический ряд и номенклатура алкадиенов. Строение и изомерия диеновых углеводородов. Способы получения алкадиенов. Синтез дивинила и изопрена. Сопряженные диены. Химические свойства алкадиенов. Реакции электрофильного присоединения. Соотношение между 1.2- и 1.4-присоединением в ряду сопряженных диенов. Свободнорадикальное присоединение к сопряженным диенам. Реакции Дильс–Альдера. Реакции полимеризации. Радикальная полимеризация сопряженных диенов. Ионная стереорегулярная полимеризация. Катализаторы Циглера–Натта. Сополимеризация. Реакции поликонденсации.
Алкины. Строение ацетилена. sp-гибридизация углерода и тройная связь. Методы получения ацетилена и его производных. Реакции при-
4
соединения по тройной связи. Реакция Кучерова. Реакции замещения в ряду терминальных ацетиленов. Реагент Иоцича. Реакция Фаворского. Синтез Реппе. Реакции циклизации.
Ароматические углеводороды
Концепция ароматичности. Правило Хюккеля. Ароматические катионы и анионы.
Соединения ряда бензола: Формула Кеккуле и структурные резонансные формулы. Основные положения теории резонанса. Электронное строение бензола. Изомерия в ряду бензола. Физические свойства ароматических соединений бензола. Промышленные источники алкилбензола. Синтез алкилбензолов. Реакции бензольного кольца: окисление, гидрирование, галогенирование. Электрофильное замещение в производных бензола. Правила ориентации в бензольном кольце. Ориентанты первого и второго рода.
Реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду. Клас-
сификация и механизм реакций нитрования, сульфирования, галогенирования, алкилирования и ацилирования.
Реакции нуклеофильного замещения в ароматическом ряду. Общие представления о механизме ароматического нуклеофильного замеще-
ния (SNAr ).
Ароматические соединения с конденсированными ядрами. Класси-
фикация полиядерных ароматических соединений. Нафталин и его строение. Правило Хюккеля. Способы получения нафталиновых соединений. Электрофильное замещение в нафталине. Действие окислителей и восстановителей на ароматическую структуру нафталина. Конго красный. Понятие о нафтахинонах. Антрацен: строение и основные химические свойства. Антрахинон и синтез ализарина. Фенантрен: строение и основные химические свойства.
Функциональные производные углеводородов
Галогеналканы. Моногалогенпроизводные. Номенклатура и методы их синтеза. Характеристика связи галоген-углерод. SN1 и SN2 реакции. Полигалогеналканы. Фреоны.
Нитросоединения. Нитроалканы и ароматические нитросоединения. Строение нитрогруппы. Методы синтеза и химические свойства
5
нитросоединений. Реакции электрофильного замещения в бензольном ядре ароматических нитросоединений.
Амины. Первичные, вторичные и третичные амины. Методы получения аминов. Физико-химические и химические свойства аминов. Реакции электрофильного замещения в бензольном ядре ароматических аминов. Зависимость оснoвных свойств аминов от их строения. Анилин.
Металлоорганические соединения. Магнийорганические соедине-
ния, их получение из органогалогенидов и металла. Реакции магнийорганических соединений с водой, кислородом, диоксидом углерода, альдегидами, кетонами и эпоксидами
Спирты. Одноатомные спирты. Методы их получения из алкенов, алкилгалогенидов, карбонильных соединений, карбоновых кислот, сложных эфиров, оксиранов. Физические и химические свойства спиртов. Двух- и трехатомные спирты. Методы их получения. Физические и химические свойства полиспиртов.
Фенолы. Методы получения фенолов из аренсульфокислот (щелочное плавление) и арилгалогенидов. Получение фенола в промышленности из кумола (изопропилбензола). Физические и химические свойства фенола. Реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце фенолов: галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование, ацилирование, формилирование. Понятие о многоатомных фенолах (пирокатехин, резорцин, гидрохинон, пирогаллол).
Простые и сложные эфиры. Методы синтеза. Физические и химические свойства эфиров. Реакции этерификации и гидролиза.
Альдегиды и кетоны. Строение карбонильной группы. Методы получения альдегидов и кетонов. Промышленное получение формальдегида, ацетальдегида (Вакер-процесс) и высших альдегидов (гидроформилирование). Химические свойства альдегидов и кетонов
Карбоновые кислоты. Строение карбоксильной группы. Предельные, непредельные и ароматические кислоты. Способы их получения. Физические и основные химические свойства кислот. Характеристика отдельных представителей кислот указанных классов.
Природные соединения
Жиры и мыла. Строение и химические свойства. Жиры и мыла. Углеводы. Моносахариды. Строение, физические и химические
свойства моносахаридов. Дисахариды. Полисахариды (крахмал и клетчатка).
6
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
1. Общие рекомендации для выполнения расчетных задач
1. Переведите все физические величины, используемые в задаче, в одну систему единиц, например в систему СИ или СГС.
Давление газа |
1 |
атм = 1.01∙105 Па |
Количество молей вещества |
n = m/M |
|
Объем газа |
1 |
л = 10 3 м3 |
Универсальная газовая постоянная |
8.314 Дж/(моль ∙ К) |
|
Температура |
1 оС = 273 К |
|
Молекулярная масса соединения |
г/моль |
|
2. В некоторых случаях целесообразно объем, занимаемый газом при данных Р1,V1 и Т1 , пересчитать в объем, занимаемый при «нор-
мальных» условиях (105 Па, 273К) (Рн,Vн и Tн ):
PV |
|
P V |
|
1 1 |
|
н н |
. |
|
|||
T |
|
T |
|
1 |
|
н |
|
3. Во многих случаях целесообразно использование количества вещества в молях.
4. Для решения задач обычно используют уравнение Клапейрона – Менделеева
PV Мm RT,
где P – давление газа; V – объем газа; m – масса газа; M – молекулярный вес газа; R – универсальная газовая постоянная; T – температура.
7
Следствие 1. Закон Авогадро
При нормальных условиях (н.у. – 101.3 кПа, 273 К) 1 моль идеального газа занимает 22.4л (Vн.у ) или 22.4 м3 .
Следствие 2. Относительная плотность газа
Массы (mА иmB ) равных объемов газов относятся как их мольные массы (МА и МВ ) при одном и том же давлении газов и температуре:
mA MA .
mD MB
2.Примеры решения расчетных задач
2.1.Определение формулы органического вещества
1.Расчет массовой доли элемента в веществе (процентное содержание элемента).
Например, для определения массовой доли углерода в пропилене (CH3-CH=CH2), в котором содержится три атома углерода и шесть атомов водорода, необходимо вначале рассчитать его молекулярную
массу. Она будет равна: МW С3Н6 = 3 12 + 6 1 = 42 а.е. м. (абсолютная единица массы). Чтобы найти массовую долю углерода в этом ве-
ществе, надо массу углерода, содержащуюся в веществе, разделить на
молярную массу пропилена: |
|
12 3 |
0.857 или 85.7 %. |
|
12 3 1 6 |
||||
C |
|
|
2. Расчет молекулярной (истинной) формулы вещества (формула,
в которой отражается реальное число атомов каждого вида, входящих в молекулу вещества).
Простейшая (эмпирическая) формула показывает соотношение атомов в веществе. Молекулярная формула может совпадать с простейшей формулой или быть кратной ей. Например, истинная форму-
ла бензола С6Н6 , а простейшая формула бензола СН (соотношение
С:Н = 1:1).
Если в задаче приведены только массовые доли элементов, то эти данные позволяют вычислить только простейшую формулу вещества.
8
Для получения истинной формулы в задаче обычно даются дополнительные данные: молярная масса, относительная или абсолютная плотность вещества или другие данные, с помощью которых можно определить молярную массу вещества.
Пример 1. Определить формулу вещества, если оно содержит 84.21 % углерода и 15.79 % водорода и имеет относительную плотность по воздуху, равную 3.93.
Решение
1.Пусть масса вещества равна 100 г. Тогда масса углерода будет равна 84.21 г, а масса водорода 15.79 г.
2.Найдем мольное содержание каждого атома в веществе:
C |
m |
|
84.21 |
7.0175 |
и H |
m |
|
15.79 |
15.79. |
|||
M |
12 |
|
M |
W |
|
1 |
||||||
|
W |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Определим мольное соотношение атомов С и Н:
С : Н = 7.0175 : 15.79 (сократим оба числа на меньшее) = 1: 2.25 (приведем полученные значения к целым числам, умножив их на 4) =
=4 : 9. Таким образом, простейшая формула соединения будетС4Н9 .
4.Исходя из относительной плотности соединения рассчитаем его молярную массу:
МW dвозд 29 = 3.93 29 = 114 г/моль.
5. Молярная масса, соответствующая простейшей формуле С4Н9 ,
составляет 57 г/моль, что в два раза меньше истинной молярной массы. Значит, истинная формула молярной массы будет С8Н18 .
Пример 2. Соединение содержит 62.8 % S и 37.2 % F; 0.51 г вещества занимает объем, равный 118 мл при 98.64 КПа и 7 °С. Определите формулу соединения.
Решение
1. Определим простейшую формулу соединения:
S 62.8/32 1.96 1.
F 37.2/19 1.96 1
Отсюда следует, что простейшая формула будет SF.
9
2. Находим молярную массу соединения (г/моль):
M mRT |
|
(0.51 8.31 280) |
101.95. |
|
|
||||
W |
PV |
|
(98.64 103 118 106) |
|
|
|
|
||
3. Сравним массу простейшей формулы с молярной массой соединения: 101.95 : 51 = 2. Следовательно, формулой соединения будет S2F2 .
Пример 3. Определите формулу вещества, если известно: 1) при сжигании 55.5 мг образуется 99 мг оксида углерода(IV) и 40.5 мг воды; 2) пары вещества массой 1.85 г занимают объем 0.97 л при 473 К и давлении 101.3 кПа.
Решение
1. Запишем условие задачи:
CxHyOz O2 CO2 H2O
55.5 мг |
99 мг 40.5 мг. |
2. Определим мольное соотношение атомов углерода, водорода и кислорода (если он входит в состав) в данном соединении. Для этого определим количество молей углерода и водорода, входящих в состав этого соединения, из условия задачи. Для этого составим пропорции:
|
СО2 |
H2O |
44 |
мг – 1 ммоль |
18 мг – 1 ммоль |
99 |
мг – x ммоль |
40.5 мг – y ммоль |
x = 2.25 ммоль, или 27 мг |
y = 4.5 ммоль, или 4.5 мг |
|
3. Определим, входит ли в состав данного соединения кислород. Для этого проверим материальный баланс:
55.5 мг вещества – 27 мг СО2 – 4.5 мг H2O = 24 мг.
Полученный результат показывает, что в состав молекулы входит кислород. Его количество в составе сожженного вещества равно
24/16 = 1.5 ммоль.
4. Исходя из полученных данных определим мольное соотношение атомов в искомом соединении.
10