Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Органическая химия. Курс лекций. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
ФГБОУ ВО
Е. В. КОМАРОВА, П. Н. САВВИН, В. М. БОЛОТОВ
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ.
КУРС ЛЕКЦИЙ
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
2-е издание, переработанное и дополненное
ВОРОНЕЖ
2024
УДК 547
К Без объявл
.
ã
ББК Г21я7
К63
Научный редактор профессор О. В. КАРМАНОВА
Р е ц е н з е н т ы:
зав. кафедрой органической химии
Воронежского государственного университета
проф. Х.С. ШИХАЛИЕВ;
д-р хим. наук О.Б. РУДАКОВ
(Воронежский государственный технический университет)
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Воронежского государственного университета инженерных технологий
Комарова, Е. В.
К63
Органическая химия. Курс лекций: учеб. пособие. / Е.В.
Комарова, П. Н. Саввин, В.М. Болотов; Воронежский
государственный университет инженерных технологий – 2-е
изд., перераб. и доп. – Воронеж : ВГУИТ, 2024. – 206 с. - Текст:
непосредственный.
ISBN 978-5-00032-694-7
Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки
выпускников по нехимическим специальностям и направлениям подготовки бакалавров.
Оно предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплины. Приведены
сведения о строении, способы получения, физические и химические свойства различных
классов органических соединений.
1705000000-06
ОК2(03)-2024
ISBN 978-5-00032-694-7
Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского
государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование
(воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.
Комарова Е. В., Гребенникова О.И.,
Саввин П.Н., 2011
ã ГОУ ВПО «Воронеж. гос. технол.
акад.», 2011
ã Комарова Е. В., Саввин П.Н., Болотов
В.М., 2024, с изменениями
ã ФГБОУ ВО «Воронеж. гос. ун-т инж.
технол.», 2024
УДК 547
ББК Г21я7
ОТ АВТОРОВ
Учебное пособие разработано для бакалавров,
обучающихся по направлениям 19.03.01, 19.03.02, 19.03.03,
19.03.04, 36.03.01, 06.03.01, 06.05.01. Современная технология
хранения и переработки сельскохозяйственного сырья, получение
из него пищевых продуктов требуют глубоких знаний
химических и биохимических процессов, протекающих на всех
этапах производства, начиная от заготовок сырья и кончая
получением из него готовых продуктов. Питательная ценность
последних определяется составом, количеством и соотношением
содержащихся в них белков, углеводов, липидов, витаминов и
других соединений. Не меньшее значение имеет знание
органической химии для технологов микробиологической
отрасли, призванной обеспечить получение сложных
органических соединений – белков, ферментов, липидов,
витаминов, аминокислот и т. д.
Курс органической химии излагается на основе
современных теоретических представлений для химикотехнологических специальностей. Авторы уделили особое
внимание общим закономерностям, останавливаясь в то же время
на свойствах наиболее важных органических соединений.
Подробно рассматриваются те соединения, которые составляют
основную массу органического вещества пищевого сырья и
готовой продукции (карбоновые и аминокислоты, углеводы,
липиды, белки).
В основу построения пособия положена классификация
органических соединений по функциональным
(характеристическим) группам. Теоретический материал
излагается по мере описания основных классов органических
соединений, что, по мнению авторов, способствует их лучшему
восприятию.
В издании даны сведения о строении, способах получения,
физических и химических свойствах различных классов
органических соединений.
3
ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ
Органические вещества известны человечеству с
древнейших времен. Применяя сравнительно простые способы
переработки растений, люди издавна умели получать сахар,
душистые и лекарственные вещества, красители, мыло и т. д.
Например, сахар выделяли из тростника, краситель синего цвета
«индиго» - из восточноазиатских растений, краситель пурпурного
цвета «античный пурпур» - из морских улиток, а ализарин - из
корней морены. Люди не только научились выделять
органические вещества, но и подвергали их различным
превращениям. Издавна вино получали из виноградного сока, а
уксус - из перебродившего вина.
Поиски новых превращений химических веществ оказались
весьма плодотворными в средние века, когда интенсивно
развивалась алхимия. Не зная состава доступных в то время
органических веществ, алхимики чисто эмпирически получали из
них многие полезные продукты.
После фундаментальных работ М. В. Ломоносова и
А.Л.Лавуазье, сформулировавших закон сохранения массы
вещества, химики научились определять состав органических
веществ и выражать его в виде эмпирической формулы,
отражающей минимальное целочисленное отношение атомов в
молекуле, а затем и в виде молекулярной формулы, отражающей
число атомов каждого элемента, входящего в состав молекулы.
Эти работы открыли возможность развития органической химии
как науки.
В конце XVIII–начале XIX в. были выделены важнейшие
углеводороды и установлены их молекулярные формулы. Метан
СН4выделил Л. Вольта в 1776 г. при исследовании болотного
газа. Этилен С2Н4 впервые был получен в 1795 г. Ж. Дейманом и
сотрудниками при действии концентрированной серной кислоты
на этиловый спирт. Бензол С6Н6 был выделен М. Фарадеем в
1825 г. из конденсата светильного газа. Ацетилен С2Н2 был
открыт Э. Дэви в 1836 г., в 1862 г. был получен Ф. Вёлером
действием воды на карбид кальция, а М. Бертло - из угля и
водорода.
4
Наличие углерода в каждом органическом веществе
позволило шведскому химику И. Берцелиусу определить
«органическую химию как химию соединений углерода» (1806).
Впоследствии это определение ввел в свой учебник по
органической химии и Ф. Кекуле. Оно является общепринятым и
в настоящее время.
Берцелиус полагал, что органические соединения,
содержащиеся в растениях и организмах животных, обязаны
своим происхождением особой жизненной силе: «Жизненная
сила лежит целиком за пределами неорганических элементов и не
связана ни с каким из их обычных свойств... Что представляет
собой эта сила, как она возникает и где кончается - мы не знаем».
Тем не менее, вскоре были проведены первые синтезы органических веществ из неорганических.
К настоящему времени известно более 50млн органических
соединений. Каждый год химики синтезируют и выделяют из
природных источников сотни тысяч новых соединений. Чтобы
ориентироваться в этом многообразии, органические соединения
принято классифицировать.
Химики-органики XVIII-XIX вв. остро ощущали
необходимость теоретического осмысления огромного
экспериментального материала. Молекулярные формулы,
определявшие состав органических соединений, оказывались
явно недостаточными для понимания их свойств. Из ранних
структурных теорий следует отметить теорию радикалов
(Ж. Дюма и Ю. Либих, 1837) и теорию типов (Ш. Жерар, 1851).
Переломным моментом в развитии органической химии явилось
создание в 1858-1864 гг. учений о химическом строении.
Теория радикалов. Родоначальниками этой теории были
Дюма, Либих, Берцелиус. Сущность теории заключалась в
следующем: одна часть органической молекулы – «радикал» – не
изменяется, а переходит из одного соединения в другое
(CH3CH2OН, СН3СН2Сl). Позднее было установлено, что в
результате некоторых реакций радикал изменяет свое строение,
при этом свойства вещества существенно не меняются:
5
C
l
O
O
OH
Cl2, P
HCl
CCl
C
3
OH
C
2
CH
O
OH
Cl2, P
HCl
C
3
CH
C
2
OH
Cl2, P
CHCl
HCl
Таким образом, наличие фактов изменяемости радикалов
требовало создания новой теории.
Теория типов. Жерар и Лоран уделили внимание той части
молекулы, которая может изменяться в результате реакции.
Согласно этой теории, органические вещества рассматривались
как производные неорганических веществ, в которых атомы
водорода замещены на радикалы. Было открыто 4 основных типа:
водорода, воды, хлористого водорода и аммиака:
O
тип водорода
H
H
тип воды
H
H
метиловый метилэтиловый
спирт эфир
тип хлористого водорода
тип аммиака
H
H
H
CH
3
H
CH
O
3
H
ì åòèëî âû é
ñï èðò
H
Cl
CH
3
N
H
H H
метиламин
CH
3
CH
3
CH
O O
3
C2H
5
ì åòèëýòè ëî âûé
ýôèð
CH
3
Cl
хлористый
метил
CH
3
N
C2H
5
метилэтиламин
N
В отличие от теории радикалов авторы теории типов
главное внимание уделяли изменяемой части молекулы, которая
определяла ее основные химические свойства. Таким образом
была установлена взаимосвязь между свойствами органических и
неорганических веществ.
6
К концу 60-х гг. XIX в. накопился большой
экспериментальный материал, ставящий под сомнение теорию
типов. К этому времени было установлено, что углерод –
четырехвалентен (Кольбе, Кекуле), а Купер предложил систему
изображения строения химических соединений, в которой связи
указываются с помощью черточек. К сожалению, типовые
формулы не могли объяснить некоторые химические свойства и
пути получения органических соединений. Дальнейшее развитие
науки требовало новых теоретических представлений.
В 1886 г. выдающийся русский химик Александр
Михайлович Бутлеров предложил теорию строения органических
соединений. Сущность теории состоит в следующем:
1) свойства органических веществ определяются не только
природой и количеством входящих в состав молекулы атомов, но
и порядком их соединения (т. е. химическим строением);
2) атомы, входящие в состав молекулы органического
вещества, оказывают взаимное влияние друг на друга и на
свойства молекулы;
3) химическая структура молекулы может быть
представлена только одной формулой.
Продолжателем этой теории стал ученик А.М.Бутлерова –
В.В. Марковников. Сформулированные А.М. Бутлеровым
положения легли в основу современной теоретической
органической химии.
Органические соединения, известные к настоящему
времени, могут быть разделены на классы по двум признакам:
1) по типу функциональной группы: галогенопроизводные
(–Cl, –Br, –I, –F), гидроксильные производные – спирты и
фенолы (–ОН), простые эфиры (–О–), карбонильные
соединения – альдегиды и кетоны (–СН=О и >С=О
соответственно), карбоновые кислоты (–СООН) и их
многочисленные производные, тиолы (–SH), тиоэфиры (–S–),
сульфокислоты (–SO2–OH), амины (–NH2 – первичные, –NH– –
вторичные, >N– – третичные), нитросоединения (–NO2),
нитрозосоединения (–N=O), гидразины (–NH–NH2),
гидразосоединения (–NH–NH–), азосоединения (–N=N–) и
множество других азотсодержащих соединений,
7
фосфорорганические соединения, металлорганические
А
лифатические
Ц
иклические
М
оноциклические
Органические соединения
соединения;
2) по типу углеродного скелета молекулы (рис. 1):
(ациклические)
Предельные
Непредельные
Карбоциклические Гетероциклические
Алкены
Алкины
Рис. 1. Классификация органических соединений
Алкадиены
Ненасыщенные
Насыщенные
Ароматические
Полициклические
Кроме монофункциональных соединений существуют
многофункциональные соединения, которые, в свою очередь,
могут содержать или несколько однотипных функциональных
групп (полифункциональные соединения), или различные
группы – соединения со смешанными функциями
(гетерофункциональные соединения). Каждый из
вышеприведенных классов может быть разделен на следующих
уровнях по другим признакам.
8
ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
(АЛКАНЫ И ЦИКЛОАЛКАНЫ)
Насыщенные соединения (алканы и циклоалканы) – это
простые органические соединения, состоящие из С и Н, все
атомы связаны между собой только одинарными связями, т. е.
имеется два типа связей С-С и С-Н. В зависимости от вида
углеродной цепи различают: ациклические (парафины – от лат.
parumaffinis – лишенный сродства) и циклические – циклоалканы,
циклопарафины, нафтены. Алканы бывают нормальными
(неразветвленными, н-бутан) и разветвленными, циклоалканы –
моно-, би- и полициклическими, содержащие и не содержащие
боковые цепочки.
Состав алканов СnH
бициклоалканов СnH
. Каждый представитель алканов
2n-2
; моноциклоалканов СnH2n,
2n+2
отличается друг от друга на группу атомов –СН2 (метиленовая
группа). Такой ряд родственных соединений с однотипной
структурой, близкими химическими и однотипно
изменяющимися физическими свойствами называется
гомологическим, члены этого ряда – гомологами, группа –СН2, на
которую отличаются члены ряда – гомологической разницей.
По первому представителю алканов – метану (СН4) данные
углеводороды называют рядом метана (гомологами метана):
СН3CH3 – этан,
СН3CH2CH3 – пропан,
СН3CH2CH2CH3 – бутан,
СН3CH2CH2CH2CH3 – пентан,
СН3CH2CH2CH2CH2CH3 – гексан,
СН3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 – гептан,
СН3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 – октан,
СН3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 – нонан,
СН3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 – декан.
Начиная с С5– при названии алканов употребляются греческие
или латинские числительные.
9
При составлении названия разветвленного алкана по
3
3
678
заместительной номенклатуре выбирается углеродная цепочка,
содержащая максимальное число атомов углерода. Цепочка
нумеруется таким образом, чтобы заместители, не вошедшие в
нее, получили наименьшие номера (локанты) при названии их в
алфавитном порядке:
1
3
2 3 4
CHCH
CH
CH
2,3-диметил-5-этилоктан
CH
CH
CH
5
CH CH
2
2
CH
2
3
CH
2
3
CH
Для циклоалканов перед названием углеводорода (корнем
слова) добавляется приставка цикло-:
циклопентан
Заместители перечисляются приставками в алфавитном порядке с
указанием их локантов:
6
1
CH
5
3
4
1-метил-2-этилциклогексан
2
3
CH
CH
3
2
Начиная с С4 в ряду алканов наблюдается изомерия углеродного
скелета – структурная изомерия. Изомеры – это соединения с
одинаковым качественным и количественным составом и
одинаковой молекулярной массой, но различными физическими
и химическими свойствами:
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]