Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Органическая химия. Карбоциклические углеводороды. Учебно-методическое пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский

технологический университет

Р. Н. Бурангулова, М. А. Петрова, Р. Ф. Каримова

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

КАРБОЦИКЛИЧЕСКИЕ

УГЛЕВОДОРОДЫ

Учебно-методическое пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2022

УДК 547(075) ББК Г2я7

Б91

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Б91

Бурангулова Р. Н.

Органическая химия. Карбоциклические углеводороды : учебно-методическое пособие / Р. Н. Бурангулова, М. А. Петрова, Р. Ф. Каримова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 104 с.

ISBN 978-5-7882-3254-6

Бурангулова Р. Н., Петрова М. А., Каримова Р. Ф., 2022

Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2022

УДК 547(075) ББК Г2я7

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р хим. наук, доц. Э. И. Мусина

канд. хим. наук, доц. Г. Г. Сафина

Рассмотрены углеводороды циклического строения (алициклические и аро-

матические углеводороды): методы получения, физические и химические свойства, механизмы реакций.

Предназначено для студентов технологических направлений подготовки оч-

ной и заочной форм обучения, изучающих дисциплину «Органическая химия».

Подготовлено на кафедре органической химии.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................................................... 4

1. АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ.................................................................................... 5

1.1. Классификация и виды углеводородов ................................................................................... 5

1.2. Циклоалканы ............................................................................................................................. 5

1.2.1. Классификация циклоалканов .......................................................................................... 6

1.2.2. Номенклатура циклоалканов ............................................................................................ 6

1.2.3. Изомерия циклоалканов .................................................................................................... 7

1.2.4. Напряжения циклов и конформации циклоалканов ....................................................... 9

1.2.5. Способы получения циклоалканов ................................................................................ 12

1.2.6. Физические свойства циклоалканов .............................................................................. 16

1.2.7. Химические свойства циклоалканов .............................................................................. 16

1.3. Непредельные алициклические соединения ........................................................................ 19

2. АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ .................................................................................... 22

2.1. Бензол ....................................................................................................................................... 22

2.2. Электронная структура бензола ............................................................................................ 25

2.3. Виды ароматических систем .................................................................................................. 26

2.4. Моноядерные ароматические углеводороды ....................................................................... 29

2.4.1. Изомерия и номенклатура моноядерных ароматических углеводородов .................. 29

2.4.2. Способы получения моноядерных ароматических углеводородов ............................ 31

2.4.3. Физические свойства моноядерных ароматических углеводородов .......................... 34

2.4.4. Химические свойства моноядерных ароматических углеводородов ......................... 35

2.4.4.1. Реакции по ароматическому ядру ........................................................................... 36

2.4.4.2. Реакции по боковой цепи ......................................................................................... 51

2.5. Полиядерные ароматические углеводороды ........................................................................ 55

2.5.1. Полиядерные ароматические углеводороды с изолированными ядрами ................... 55

2.5.1.1. Группа бифенила ....................................................................................................... 55

2.5.1.2. Полифенилметаны .................................................................................................... 58

2.5.2. Полиядерные ароматические углеводороды с конденсированными ядрами ............ 62

2.5.2.1. Нафталин ................................................................................................................... 62

2.5.2.2. Антрацен и фенантрен .............................................................................................. 67

3. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАНИЙ ............................................................................................. 71

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ........................................................................................................ 82

ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................................................. 103

В В Е Д Е Н И Е

Органическая химия изучает соединения углерода – углеводо-

роды и их производные, в состав которых могут входить все элементы периодической системы. Данное пособие посвящено углеводородам циклического строения (алициклическим и ароматическим углеводородам). Рассмотрены методы их получения, физические и химические свойства и механизмы реакций, приведены варианты заданий по темам и примеры их решения.

Циклические алифатические углеводороды реже встречаются

в природе, чем углеводороды с открытой цепью атомов углерода, однако функциональные производные циклических углеводородов широко распространены как среди природных соединений (терпеноиды, стероиды, простагландины), так и среди биологически активных соединений.

Изучение строения и свойств ароматических соединений началось уже после создания теории химического строения. Само понятие «ароматичность» также трансформировалось с течением времени, наполняясь новым смыслом.

Среди гомологических рядов углеводородов арены занимают особое место, так как содержат очень устойчивый плоский углеродный цикл С6, входящий в состав не только углеводородов, но и огромного количества их производных с галогенами, кислородом, азотом, серой и другими элементами. В связи с этим изучение способов получения и химического поведения углеводородов циклического строения и гетероциклических соединений является особенно актуальным.

Данное учебное пособие может быть использовано студентами технологических направлений подготовки очной и заочной форм обучения, изучающих дисциплину «Органическая химия».

1 . А Л И Ц И К Л И Ч Е С К И Е У Г Л Е В О Д О Р О Д Ы

1.1. К л а с с и ф и к а ц и я и в и д ы у г л е в о д о р о д о в

При систематизации (классификации) углеводородов принимают во внимание строение углеродного скелета и тип связей, соединяющих атомы углерода.

В зависимости от строения углеродного скелета углеводороды подразделяют на ациклические и карбоциклические.

Ациклические соединения (ациклические углеводороды) – класс органических соединений, в молекулах которых отсутствуют циклы (кольца) и все атомы углерода соединены между собой в прямые или разветвленные (открытые) цепи. Ациклические соединения также в литературе называются алифатическими соединениями.

Карбоциклические соединения (карбоциклические углеводороды) – класс органических соединений, характеризующихся наличием

колец (циклов) из атомов углерода. Карбоциклические соединения отличаются от гетероциклических соединений отсутствием в кольцах каких-либо других атомов, помимо атомов углерода.

В зависимости от кратности углерод-углеродных связей ацикли- ческие углеводороды подразделяют на предельные (алканы) и непре- дельные (алкены, алкины, диены) углеводороды. Предельные ациклические углеводороды также называются насыщенными, а непредельные – ненасыщенными.

В свою очередь, циклические углеводороды в зависимости от

кратности углерод-углеродных связей подразделяются на алицикличе- ские (циклоалканы, циклоалкены, циклоалкины) и ароматические (арены) углеводороды.

1.2. Ц и к л о а л к а н ы

Углеводороды, имеющие замкнутую цепь атомов углерода, включающую атомы углерода в состоянии sp3-, sp2- и sp-гибридизации, назы- ваются алициклическими. Среди них наиболее распространенными

являются циклоалканы – углеводороды, замкнутая цепь которых построена только из атомов углерода в состоянии sp3-гибридизации. Циклоалканы образуют гомологический ряд с общей формулой СnН2n.

1 . 2 . 1 . К л а с с и ф и к а ц и я ц и к л о а л к а н о в

Циклоалканы классифицируются:

а) по числу атомов в цикле;

б) способу соединения циклов, если в молекуле их несколько;

в) числу циклов в молекуле.

В зависимости от того, сколько атомов углерода в цикле, циклоалканы можно разделить на четыре группы:

1) малые циклы, содержащие в цикле 3–4 атома углерода;

2) обычные циклы, которые содержат в цикле 5–7 атомов углерода;

3) средние циклы, содержащие 8–11 атомов углерода;

4) макроциклы, содержащие в цикле 12 и более атомов углерода.

В зависимости от того, сколько циклов в молекуле, циклические углеводороды можно разделить на следующие группы:

1) моноциклические;

2) бициклические;

3) полициклические.

1 . 2 . 2 . Н о м е н к л а т у р а ц и к л о а л к а н о в

По заместительной номенклатуре ИЮПАК названия циклических углеводородов строятся с добавлением префикса -цикло- к названиям соответствующих углеводородов с открытой цепью.

Если в цикле содержится только один заместитель, нумерацию атомов углерода начинают от атома, содержащего данный заместитель. Положение этого заместителя локантом не указывается. Если в цикле находится несколько заместителей, то нумерацию начинают с атома углерода, содержащего младший заместитель, при этом сумма номеров углеродных атомов, где имеются заместители, должна получиться минимальной, например:

C2H

CH2CH2CH

C2H

пропилциклопропан

этилциклобутан

1-метил-2-этилциклопентан

1,3-диметил-

циклогексан

Для радикалов, образованных в результате отрыва атома водорода от циклических углеводородов, используют названия алициклических углеводородов, заменяя суффикс -ан- в названиях исходного углеводорода на -ил-, например: циклопропил, циклобутил, циклопентил, циклогексил:

1 . 2 . 3 . И з о м е р и я ц и к л о а л к а н о в

Для циклоалканов характерны структурная и пространственная изомерия. Структурные изомеры могут различаться размером цикла, строением боковой цепи, а для циклоалканов, содержащих несколько заместителей, – расположением их относительно друг друга. Соответственно, возможны следующие виды изомеров:

1. Изомеры, различающиеся размером цикла:

пропилцикло

пропан

этилциклобутан

метилциклопентан

Циклогексан

C3H

C2H

2. Изомеры, различающиеся числом атомов углерода в заместителе:

1,2-диэтилциклобутан

1-метил-3-бутил

циклопентан

C3H

H9C

C2H

H7C

1-метил-2-пропил

циклобутан

1-этил-3-пропил

циклопентан

3. Изомеры, различающиеся расположением заместителей

в цикле:

C2H

H5C

C2H

H3C

H5C

1,2-диэтил-

1,3-диэтил-

1-метил-3-этил-

1-метил-2-этил-

циклобутан

циклопентан

Для циклоалканов, содержащих два и более заместителей, кроме геминального (когда заместители имеются у одного углеродного атома), возможна геометрическая цис- и транс-изомерия. Изомер называется транс-изомером, если два заместителя располагаются по разные стороны плоскости цикла. Если же два заместителя находятся по одну сторону плоскости цикла, он называется цис-изомером. Такие изомеры в алициклическом ряду очень устойчивы, так как превращение одного геометрического изомера в другой требует разрыва цикла и последующего его замыкания:

Оптическая изомерия в циклоалканах проявляется в том случае, если молекула не имеет плоскости симметрии. В циклогексановом ряду это, например, наблюдается при 1,2-транс-положениях и 1,3-транс-положениях заместителей.

1 . 2 . 4 . Н а п р я ж е н и я ц и к л о в и к о н ф о р м а ц и и

ц и к л о а л к а н ов

Экспериментально установлено, что количество тепла, выделяемого при сгорании одного моля циклоалкана, не прямо пропорционально количеству метиленовых групп. Теплота сгорания в расчете на метиленовую группу достигает минимального значения в циклогексане, а максимальная – у циклопропана. Факторы, влияющие на теплоту сгорания в расчете на СН2-группу, в ряду циклоалканов объединяются термином «напряжение».

Типы напряжений в циклоалканах:

1. Угловое напряжение вызвано отклонением валентных углов от валентных углов, характерных для атома углерода в sp3-гибридизации (напряжение Байера).

2. Торсионное напряжение связано с отклонением от наиболее вы- годной «заторможенной» конформации (питцеровское напряжение).

3. Трансаннулярное напряжение вызвано взаимодействием сбли- женных валентно не связанных атомов и функциональных групп на расстояние, равное или меньшее сумме их ван-дер-ваальсовых радиусов (наряжение Прелога).

4. Напряжение, обусловленное изменением межатомных расстояний (длин связей).

Судя по приведенным данным о минимальной и максимальной

теплотах сгорания, напряжение наиболее ярко выражено для молекулы циклопропана. Она имеет плоский углеродный скелет (три точки всегда лежат в одной плоскости), поэтому атомы водорода находятся в энергетически невыгодном заслоненном положении:

Шаростержневая

модель молекулы

Проекция Ньюмена

для молекулы циклопропана

Все атомы улерода в молекуле циклопропана лежат на одной плос-

кости. Если предположить, что sp3-гибридные орбитали атомов углерода перекрываются по прямой, соединяющей ядра атомов, валентные углы С-С-С должны составлять 60о, а валентные углы Н-С-Н – 118о. На самом деле в циклопропане перекрывание орбиталей происходит с некоторым отклонением от прямой. В результате связи С-С оказываются изогнутыми, их называют «банановыми» или τ-связями, и валентный угол между ними составляет около 104о:

104

Значения валентных углов показывают, что гибридные орбитали

атомов углерода неравноценны. Две орбитали, образующие связи С-Н, имеют больший s-характер, чем обычная sp3-орбиталь, а две орбитали, образующие связи С-С, имеют больший p-характер. Это делает их похожими на p-орбитали. По своему характеру τ-связи занимают

1 / 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]