Органическая химия. Учебно-методическое пособие для студентов заочного отделения биологических специальностей вузов-1

вании добавляют 0,5 мл этилового спирта (осторожно, смесь сильно разогревается!). Оранжевый цвет смеси меняется на зеленый. Зеленую окраску имеют соединения хрома (III), которые образуются в результате восстановления дихромата. В пробирке, куда добавили этиловый спирт, ощущается запах уксусного альдегида, напоминающий запах яблок (нюхать осторожно).

Ниже приведено уравнение реакции окисления этилового спирта:

3 C2H5OH + K2Cr2O 7 + 4 H2SO4

3 CH3C(H)O + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7 H2O.

Опыт 2. Окисление изоамилового спирта хромовой смесью.

Окисление изоамилового спирта (3-метилбутанола-1) хромовой смесью проводят аналогично вышеописанному. Ниже приведено уравнение реакции окисления изоамилового спирта:

3(CH3)2CHCH2CH2OH + K2Cr2O 7 + 4 H2SO4

3 (CH3)2CHCH2C(H)O + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7 H2O.

Опыт 3. Окисление этилового спирта перманганатом калия.

Спирты также легко окисляются и перманганатом калия в различных средах (щелочной, нейтральной, кислой).

В пробирку приливают 1 мл раствора перманганата калия (имеет розово-фиолетовый цвет) и 1 мл раствора серной кислоты. К полу- ченной смеси добавляют 0,5—1 мл этилового спирта, пробирку встряхивают несколько раз. Этиловый спирт окисляется до уксусного альдегида (ощущается запах яблок), а перманганат восстанавливается до двухвалентного марганца, при этом наблюдается обесцвечивание раствора. Ниже приведено уравнение реакции.

5C2H5OH + 2 ÊÌnÎ4 + 3 H2SO4

5 CH3C(H)O + 2 ÌnSO4 + K2SO4 + 8 H2O.

Этот опыт можно провести как занимательный. Для этого пипеткой аккуратно, не смачивая стенок, вносят в сухую пробирку, закрепленную в штативе, 1 мл концентрированной серной кислоты. Затем по стенке другой пипеткой осторожно приливают 1 мл этилового спирта так, чтобы получилось два слоя. После этого шпателем насыпают приблизительно 0,5 г перманганата калия (марганцовки). Через некоторое

21

время на границе двух слоев появляются яркие вспышки, ощущается запах уксусного альдегида.

Качественная реакция на многоатомные спирты

Многоатомные спирты легко отличить от одноатомных с помощью качественной реакции с гидроксидом меди (II) в щелочном растворе. При этом голубой осадок свежеосажденного гидроксида меди (II) растворяется с образованием ярко-синего раствора комплексов меди (II) с многоатомными спиртами.

Реактивы: этиленгликоль, глицерин, 2%-ный раствор сульфата меди (II), 10%-ный раствор щелочи (гидроксида натрия или калия).

Оборудование: пипетки, пробирки.

Опыт 4. Взаимодействие этиленгликоля с гидроксидом меди (II).

В пробирку наливают 3—4 капли 2%-ного раствора CuSO4 и 2—3 мл 10%-ного раствора щелочи (NaOH или КОН). К образовавшемуся осадку гидроксида меди (II) голубого цвета приливают несколько капель этиленгликоля и смесь перемешивают. Голубой осадок гидроксида меди (II) растворяется и образуется раствор гликолята меди василькового цвета (ярко-синяя окраска).

Уравнение реакции:

Опыт 5. Взаимодействие глицерина с гидроксидом меди (II). Опыт проводят аналогично вышеописанному. При этом образуется ÿðêî-ñè- ний раствор глицерата меди. Ниже приведено уравнение соответствующей реакции:

22

Свойства фенолов

Фенолы имеют сходные со спиртами свойства, поскольку в их молекулах та же функциональная группа, что и в молекулах спиртов, — гидроксил, ОН. Однако фенолы отличаются от спиртов более выраженными кислотными свойствами. Например, фенолы реагируют со щелочами, тогда как для спиртов эта реакция не характерна.

Реактивы: 5%-ный раствор фенола, 5%-ный раствор гидроксида натрия (или гидроксида калия), бутиловый или изоамиловый спирт, бромная вода (раствор брома в воде), 1—3%-ный раствор хлорида железа (III).

Оборудование: пробирки, пипетки.

Опыт 6. Взаимодействие фенола с растворами щелочей. В пробирку наливают 1 мл раствора фенола и добавляют 1 мл раствора щелочи. Наблюдается полное растворение фенола в щелочи. Одновременно в другую пробирку наливают 1 мл бутилового или изоамилового спирта и добавляют раствор щелочи. В этом случае растворения спирта в щелочи не происходит (наблюдаются два слоя жидкостей: нижний водный и верхний спиртовой), т.к. спирты со щелочами не реагируют. Уравнение реакции:

Ñ6Í5ÎÍ + NaÎÍ Ñ6Í5ÎNa + Í2Î.

Опыт 7. Взаимодействие фенола с бромной водой. В пробирку помещают 1 мл водного раствора фенола и при встряхивании по каплям прибавляют бромную воду (раствор имеет желто-бурую окраску). Раствор бромной воды обесцвечивается и выпадает белый осадок 2,4,6-трибромфенола.

Уравнение реакции:

Br

Опыт 8. Качественная реакция на фенолы. Качественной реакцией на фенолы является взаимодействие их с раствором хлорида железа

23

(III): при этом образуются ярко окрашенные феноляты железа (III). В пробирку наливают 1 мл раствора фенола и прибавляют 1 каплю раствора хлорида железа (III). Моментально появляется интенсивное фиолетовое окрашивание вследствие образования фенолята железа (III). Схема реакции в упрощенном виде:

3 Ñ6Í5ÎÍ + FeCl3 (Ñ6Í5Î)3Fe + 3 ÍCl.

Лабораторная работа 3. Карбонильные соединения

К карбонильным соединениям относятся органические вещества, содержащие в молекуле функциональные карбонильные группы С=О. Типичными карбонильными соединениями являются альдегиды и кетоны. В альдегидах карбонильная функциональная группа концевая, т.е. она находится на конце молекулы. В кетонах карбонильная группа не концевая и располагается в середине молекулы:

O O

R C H ; R C R

Альдегиды Кетоны

Качественные реакции на альдегиды и кетоны

Реактивы: 10%-ный раствор формальдегида, ацетон, фуксинсернистая кислота, насыщенный солянокислый раствор 2,4-динитрофенил- гидразина, 0,5%-ный водный раствор нитропруссида натрия, 1 н. раствор гидроксида натрия.

Оборудование: пробирки, пипетки, стаканы химические (100 мл), лед.

Опыт 1. Реакция с фуксинсернистой кислотой. В пробирку наливают 1 мл раствора фуксинсернистой кислоты и добавляют несколько капель 10%-íîãî раствора формальдегида. Через несколько минут в пробирке с реакционной смесью появляется розово-фиолетовая окраска. Схема реакции:

Опыт повторяют с раствором ацетона.

24

Опыт 2. Реакция с 2,4-динитрофенилгидразином. Карбонильные соединения можно легко обнаружить по реакции их с 2,4-динитрофе- нилгидразином, в результате чего образуются окрашенные в желтый цвет плохо растворимые гидразоны, которые выпадают в виде желтых осадков. В пробирку наливают 1 мл солянокислого раствора 2,4-äè- нитрофенил-гидразина и добавляют 3—5 капель раствора формальдегида. Наблюдают выделение желтого осадка 2,4-динитрофенилгидра- зона формальдегида. При необходимости пробирку со смесью охлаждают ледяной водой. Схема реакции:

Опыт ¹ 3. Реакция с нитропруссидом натрия. В пробирку наливают 1 мл воды и 3—5 капель ацетона, а затем добавляют 1 мл раствора нитропруссида натрия. После приливания нескольких капель раствора щелочи смесь приобретает красно-фиолетовую окраску, которая постепенно переходит в желтую. Опыт повторяют с раствором формальдегида.

Реакции окисления альдегидов

Альдегиды, в отличие от кетонов, легко способны окисляться различными окислителями: дихроматом калия или натрия, перманганатом калия, оксидами и гидроксидами металлов, кислородом и др.

Реактивы: 5%-ный раствор формальдегида, 10%-ный раствор гидроксида натрия, 2%-ный раствор сульфата меди (II), 10%-ный раствор азотной кислоты, 1%-ный раствор нитрата серебра, 5—10%-ный раствор аммиака.

Оборудование: пробирки, пробиркодержатели, «кипятильники» (кусочки битого фарфора), водяные бани, термометры.

25

Опыт 4. Окисление формальдегида аммиачным раствором гидроксида серебра (реакция серебряного зеркала). В пробирке сначала готовят аммиачный раствор гидроксида серебра: к 2—3 ìë 1%-íîãî раствора нитрата серебра прибавляют по каплям при встряхивании 5— 10%-íûé раствор аммиака до тех пор, пока образующийся сначала осадок полностью не растворится. К полученному бесцветному раствору прибавляют несколько капель 5%-íîãî раствора формальдегида и опускают пробирку на несколько минут в водяную баню с температурой воды 60—70°Ñ. На стенках пробирки постепенно выделяется слой серебра в виде зеркала, иногда серебро выделяется в виде темного осадка. Формальдегид окисляется до муравьиной кислоты. Уравнение реакции:

Í2ÑÎ + 2 [Ag(NH3)2]OH ÍCOÎÍ + 2 Ag + 4 NH3 + H2O.

Опыт 5. Окисление формальдегида гидроксидом меди (II). В пробирке вначале получают свежеосажденный гидроксид меди (II). Для этого к 3—5 каплям 2%-íîãî раствора сульфата меди (II) добавляют 2 мл 10%-íîãî раствора гидроксида натрия и сразу наблюдают выпадение голубого осадка гидроксида меди (II). К полученному осадку приливают 2 мл 5%-íîãî раствора формальдегида. Пробирку закрепляют в пробиркодержателе, бросают в нее кусочек битого фарфора («кипятильник») и верхнюю часть жидкости нагревают до начинающегося кипения. Голубая окраска меняется сначала на зеленую, затем на желтую (осадок), а затем на красную (осадок). Эта реакция, как и реакция серебряного зеркала, является качественной реакцией на альдегиды. Уравнение реакции:

Í2ÑÎ + 2 Ñu(ÎÍ)2 ÍCOÎÍ + 2 Ñu2Î + Í2Î.

Лабораторная работа 4. Карбоновые кислоты и их производные

Карбоновые кислоты — это органические вещества, содержащие в молекуле карбоксильные функциональные группы — СООН.

Общие свойства карбоновых кислот

Реактивы: 5—10%-ные растворы муравьиной, уксусной, пропионовой, соляной кислот. Универсальная индикаторная бумага со шкалой рН, раствор метилового оранжевого; цинк гранулированный; 5%-

26

ный раствор гидроксида натрия; кристаллический карбонат натрия; кристаллический гидрокарбонат натрия; «ледяная» (концентрированная) уксусная кислота, изоамиловый спирт, концентрированная серная кислота.

Оборудование: пипетки, пробирки, пробки с обратным холодильником (вставленными в них стеклянными трубками), пробиркодержатели, штатив, «кипятильники» (кусочки битого фарфора), водяная баня.

Опыт 1. Сравнение силы карбоновых и минеральных кислот. На полоску индикаторной бумаги наносят поочередно по 1 капле растворов органических кислот и соляной кислоты. С помощью шкалы определяют рН этих растворов. Результаты опыта записывают в рабочей тетради, сравнивают эти результаты и делают выводы о силе органи- ческих и неорганических (минеральных) кислот. Записывают уравнения процессов диссоциации использованных в опытах кислот:

RCOOH RCOO + H ; ;

HCl H + Cl ..

Опыт 2. Взаимодействие карбоновых кислот с металлами. Карбоновые кислоты, как и неорганические, реагируют с активными металлами. При этом образуются соли — карбоксилаты и выделяется водород.

В пробирку наливают 2—3 мл раствора муравьиной кислоты и опускают в него кусочек гранулированного цинка. Сразу наблюдают выделение пузырьков газа — водорода. В растворе образуется цинковая соль муравьиной кислоты — формиат цинка. Уравнение реакции:

2 НСООН + Zn (НСОО)2Zn + Í2.

Аналогичный опыт повторяют и с раствором уксусной кислоты. При этом образуется цинковая соль уксусной кислоты — ацетат цинка и выделяется водород. Уравнение реакции:

2 ÑÍ3ÑÎÎÍ + Zn (ÑÍ3ÑÎÎ)2Zn + Í2.

Опыт 3. Взаимодействие карбоновых кислот с оксидами металлов. При взаимодействии карбоновых кислот с оксидами металлов образуются соли и вода (сходство с минеральными кислотами).

В пробирку наливают 2—3 мл раствора уксусной кислоты и добавляют в него на кончике шпателя порошкообразный оксид меди (II).

27

Пробирку со смесью закрепляют в пробиркодержателе, помещают туда кусочек битого фарфора («кипятильник») и нагревают в пламени газовой горелки. Через некоторое время раствор приобретает голубую окраску. Это говорит о том, что черный порошок оксида меди (II) прореагировал с уксусной кислотой и в растворе образовалась соль — ацетат меди, имеющая голубую окраску. Уравнение реакции:

2 ÑÍ3ÑÎÎÍ + CuÎ (ÑÍ3ÑÎÎ)2Cu + Í2Î.

Опыт 4. Взаимодействие карбоновых кислот со щелочами. Карбоновые кислоты вступают в реакции нейтрализации со щелочами, образуя соли и воду.

В пробирку наливают 2—3 мл раствора уксусной кислоты, добавляют туда каплю индикатора метилового оранжевого (можно использовать универсальную лакмусовую бумажку). Индикатор (или лакмусовая бумажка) окрашивается в красный цвет. Затем по каплям добавляют раствор гидроксида натрия и наблюдают за изменением окраски индикатора от красной до желтой. Это говорит о том, что уксусная кислота прореагировала с гидроксидом натрия, при этом образовались ацетат натрия и вода. Уравнение реакции:

ÑÍ3ÑÎÎÍ + NaÎÍ ÑÍ3ÑÎÎNa + Í2Î.

Опыт 5. Взаимодействие карбоновых кислот с солями. Карбоновые кислоты реагируют с солями более слабых минеральных кислот, например с солями угольной кислоты — карбонатами.

В пробирку наливают 2—3 мл раствора уксусной кислоты и добавляют в него на кончике шпателя порошкообразный карбонат натрия (соду). Сразу наблюдают выделение пузырьков газа — оксида углерода (IV), или углекислого газа. В растворе образуется натриевая соль уксусной кислоты — ацетат натрия. Уравнение реакции:

2 ÑÍ3ÑÎÎÍ + Na2ÑÎ3 2 ÑÍ3ÑÎÎNa + ÑÎ2 + Í2Î.

Опыт повторяют с раствором уксусной кислоты и гидрокарбонатом натрия (пищевой содой). Уравнение реакции:

ÑÍ3ÑÎÎÍ + NaÍÑÎ3 ÑÍ3ÑÎÎNa + ÑÎ2 + Í2Î.

Опыт 6. Взаимодействие карбоновых кислот со спиртами. Карбоновые кислоты способны образовывать сложные эфиры при нагре-

28

вании их со спиртами в присутствии каталитических количеств концентрированной серной кислоты. Эта реакция называется реакцией этерификации (ester — сложный эфир).

В сухой пробирке смешивают 2 мл изоамилового спирта, 2 мл ледяной уксусной кислоты и 1 каплю концентрированной серной кислоты. Пробирку соединяют с обратным холодильником (резиновая пробка с вставленной в нее стеклянной трубкой). Реакционную смесь нагревают на кипящей водяной бане 8—10 мин, после чего охлаждают и выливают в стакан с холодной водой. Сложный эфир (изоамиловый эфир уксусной кислоты, или изоамилацетат) всплывает, т.к. он не растворим в воде и его плотность меньше плотности воды. Уравнение реакции:

ÑÍ3ÑÎÎÍ + (ÑÍ3)2ÑÍÑÍ2ÑÍ2ÎÍÑÍ3СООСН2ÑÍ2ÑÍ(ÑÍ3)2 + H2O.

Обратите внимание на запах сложного эфира. Пары изоамилацетата вызывают раздражение дыхательных путей, они могут вызвать кашель, поэтому нюхать изоамилацетат нужно осторожно. Изоамиловый эфир уксусной кислоты имеет грушевый запах и называется «грушевой эссенцией», применяется при приготовлении газированных напитков.

Свойства муравьиной кислоты

В молекуле муравьиной кислоты, кроме карбоксильной группы — СООН, типичной для карбоновых кислот, имеется карбонильная группа — С(О)Н, характерная для альдегидов, поэтому она вступает в реакции, типичные для альдегидов, например реакцию серебряного зеркала. В этом заключаются ее отличительные свойства по сравнению с другими карбоновыми кислотами.

Реактивы: 10%-ный раствор муравьиной кислоты (или формиата натрия), 1%-ный раствор нитрата серебра, раствор аммиака (концентрированный или 5—10%-ный), концентрированная серная кислота.

Оборудование: пробирки, пробиркодержатели, бани водяные, изогнутые газоотводные трубки, пипетки, «кипятильники» (кусочки битого фарфора).

29

Опыт 7. Взаимодействие муравьиной кислоты с аммиачным раствором гидроксида серебра (реакция серебряного зеркала). Сна- чала готовят в пробирке аммиачный раствор гидроксида серебра. Для этого к 0,5—1 ìë 1%-íîãî раствора нитрата серебра добавляют по каплям концентрированный раствор аммиака (можно использовать 5— 10%-íûé раствор аммиака) до тех пор, пока первоначально образующийся осадок оксида серебра полностью не растворится в избытке аммиачного раствора. Затем к полученному прозрачному раствору добавляют 0,5 мл раствора муравьиной кислоты или формиата натрия. Пробирку с реакционной смесью нагревают несколько минут на водяной бане (температура воды в бане 60—70°Ñ). Металлическое серебро выделяется в виде зеркального налета на стенках пробирки или в виде темного осадка. Уравнение реакции:

НСООН + 2 [Ag(NH3)2]OH CO2 + 2 H2O + 2 Ag + 4 NH3,

èëè:

НСООН + Ag2O CO2 + H2O + 2 Ag.

Опыт 8. Разложение муравьиной кислоты при нагревании с концентрированной серной кислотой (опыт следует выполнять в вытяжном шкафу!). В сухую пробирку вносят 1 мл муравьиной кислоты или 1 г ее соли (например, формиата натрия) и 1 мл концентрированной серной кислоты. В пробирку бросают кусочек битого фарфора («кипятильник»), закрывают пробкой с газоотводной трубкой и осторожно нагревают. Муравьиная кислота разлагается с образованием оксида углерода (II) СО, или угарного газа, и воды. Уравнение реакции:

НСООН СО + Н2Î.

Оксид углерода (II) поджигают у отверстия газоотводной трубки, угарный газ горит голубоватым пламенем. Уравнение реакции:

ÑÎ + Î2 ÑÎ2.

После окончания работы пробирку с реакционной смесью необходимо охладить, чтобы прекратить выделение ядовитого угарного газа. Оксид углерода (II) получают обычно этим способом.

30