Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сборник задач и заданий по органической химии. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВО
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
___________________________________________________________________________
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
В. Н. ДАНИЛОВ
СБОРНИК ЗАДАЧ И ЗАДАНИЙ
ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
ВОРОНЕЖ
2018
1
УДК 54 (075)
1701000000
-
09
ББК Г1я7
Д36
Научный редактор профессор А. С. БОРСЯКОВ
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра химии Воронежского государственного
педагогического университета;
д-р хим. наук Х. С. ШИХАЛИЕВ
(Воронежский государственный университет)
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Воронежского государственного университета инженерных технологий
Данилов, В. Н.
Д36 Сборник задач и заданий по органической химии [Текст] :
учеб. пособие / В. Н. Данилов; Воронеж. гос. ун-т инж.
технол. – Воронеж: ВГУИТ, 2018.– 147 с.
ISBN 978-5-00032-316-8
Учебное пособие написано для иностранных учащихся подготовительного
факультета, обучающихся по медико-биологическому профилю. Оно предназначено для закрепления теоретического материала курса органической химии и овладения практическими навыками решения химических задач. Пособие включает
тематический текстовый материал, таблицы, рисунки, контрольные вопросы и задания.
Д Без объявл.
ОК2(03)-2018
УДК 54 (075)
ББК Г1я
ISBN 978-5-00032-316-8 © Данилов В. Н., 2018
© ФГБОУ ВО «Воронеж. гос. ун-т
инж. технол.», 2018
Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.
2
ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА
ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
1.1. Предмет органической химии.
Строение атома углерода, его особенности
Понятия «органическое вещество» и «органическая химия»
ввел в 1827 г. шведский химик И. Я. Берцелиус, который определил органическую химию как химию веществ растительного и
животного происхождения (сахар, уксус, эфирные масла).
В XVIII в. было установлено, что элементный состав включает в
себя: углерод, водород, кислород, азот, серу и фосфор.
Однако во времена Берцелиуса химики могли только выделять органические вещества из продуктов жизнедеятельности организмов и анализировать, но не знали их структуры, не умели
получать их искусственным путем. Поэтому многие ученые считали, что причиной образования органических веществ является
особая жизненная сила (vis vit al is), которой обладают только живые организмы.
Первый серьезный удар по витализму был нанесен в 1828 г.
немецким ученым Ф. Велером. Нагревая водный раствор цианата
аммония NH4NCO, который считался минеральным веществом,
Велер получил мочевину (NH2)2CO, являющуюся продуктом
жизнедеятельности животных организмов. Затем были синтезированы следующие первые органические соединения:
- анилин C6H5NH3, который раньше был выделен из при-
родного красителя индиго (1832 г., русский ученый Н. Н. Зинин);
- уксусная кислота (1842 г., немецкий ученый Г. Кольбе и
английский химик Франкланд);
- жиры (1854 г., французский ученый М. Бертло);
- сахаристое вещество (1861 г., русский ученый А. М. Бут-
леров). Таким образом, ученые пришли к выводу, что при образовании органических веществ действуют те же законы, что и при
образовании неорганических.
В настоящее время органическая химия трактуется как химия соединений углерода. Так определил предмет органической
химии великий русский ученый А. М. Бутлеров. Однако не все
3
соединения углерода принято относить к органическим веществам. Так, для таких соединений углерода, как оксиды, карбиды,
соли угольной кислоты характерны типичные свойства неорганических веществ. Хотя резкой границы между органическими и
неорганическими веществами не существует.
Как известно, атом углерода на внешнем электронном слое
имеет четыре электрона (6С 1s22p2). В основном состоянии только
два из них являются неспаренными, и валентность атома углерода равна двум. В органических соединениях атом углерода находится в возбужденном состоянии (6C*1s22s12p3), сопровождающемся разъединением спаренных 2s-электронов, и проявляет валентность, равную четырем:
n = 2 ↑↓ ↑ ↑ n = 2 ↑ ↑ ↑ ↑
n = 1 ↑↓ p n = 1 ↑ p
s
С 1s22s22p
6
2
→
s
C* 1s22s12p3.
6
Атомы углерода, образуя только ковалентные связи, обладают уникальной способностью образовывать между собой достаточно прочные связи и соединяются друг с другом в цепи, различные циклы, объемные структуры. В атоме углерода наблюдается три типа гибридизации электронных орбиталей.
В молекулах алканов в атомах углерода происходит sp3гибридизация всех четырех орбиталей внешнего слоя, которые
участвуют в образовании σ-связей. Между собой атомы углерода
соединены одинарной связью. Молекулы алкенов содержат атомы углерода, которым характерна sp2-гибридизация одной s- и
двух p-орбиталей, участвующих в образовании σ-связей. Негибридная p-орбиталь, расположенная перпендикулярно гибридным
орбиталям, участвует в образовании π-связи. В молекулах алкенов соседние атомы углерода соединены двойной связью, состоящей из одной σ-связи и одной π-связи. В молекулах алкинов
в атомах углерода происходит sp-гибридизация одной s- и одной
p-орбиталей. Две негибридные p-орбитали, расположенные взаимно перпендикулярно, участвуют в образовании двух π-связи.
4
В молекулах алкинов соседние атомы углерода соединены тройной связью, состоящей из одной σ-связи и двух π-связей.
Способность атомов углерода к гибридизации обусловли-
вает существование огромного количества органических веществ.
Органические вещества являются основным материалом
(кроме воды), из которого построены организмы растений и животных. Органические вещества менее устойчивы, чем неорганические, они легко изменяются при нагревании, большинство из
них горючи. Химические реакции между органическими веществами протекают медленнее, чем между неорганическими веществами.
Для органических веществ характерно явление изомерии.
Изомерами называют вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав и одинаковую молекулярную
массу, но разное строение и вследствие этого разные физические
и химические свойства. Например, диметиловый эфир и этиловый спирт выражаются одной эмпирической формулой С2Н6О,
однако имеют разные физические и химические свойства.
Контрольные задания
1. Выберите из следующих веществ органические и неорга-
нические соединения: CO2; CH4; CaC2; C2H5OH; CO; H2CO3;
CaCO3; CH3COOH; C2H4; C6H5OH; NaHCO3; C6H12O6; CH2Cl2;
C6H6; Na2CO3; CCl4; Al4C3; Ca(HCO3)2; (CH3)3CH.
2. Укажите тип гибридизации атомных орбиталей в моле-
кулах следующих веществ: C3H8; C2H2; C5H12; C2H4; C3H4; C3H6;
C2H6; C4H10.
3. Из приведенных ниже органических соединений выберите изомеры: CH2= C = CH2; CH3CHOHCH3; CH3CH2CH2CH3;
C4H9OH; CH3CH2CH2OH; (CH3)3CH; C2H5OC2H5; HC ≡ C – CH3.
4. Найдите эмпирическую формулу вещества, в котором
массовая доля углерода составляет 0 ,90 , а массовая доля водорода составляет 0,10. Составьте структурные формулы изомеров
этого вещества. К какому классу органических соединений относятся эти изомеры?
5
1.2. Теория химического строения
органических веществ А. М. Бутлерова
Теория химического строения описывает строение органических соединений, т. е. последовательность расположения атомов и связей в молекуле, взаимное влияние атомов, а также связь
строения с физическими и химическими свойствами веществ.
Впервые основные положения теории химического строения
органических соединений были высказаны русским ученым
А. М. Бутлеровым в докладе "О химическом строении веществ" на
съезде естествоиспытателей в Германии г. Шпейер в 1861 г.
Основные положения теории химического строения
А. М. Бутлерова заключаются в следующем.
Первое положение. Атомы располагаются в молекулах не
беспорядочно, а соединены друг с другом химическими связями в
определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Химическое строение – последовательность (порядок) связей атомов в молекуле.
Атомы углерода способны соединяться в цепи:
прямые разветвленные замкнутые
А.М. Бутлеров утверждал, что каждое органическое вещество имеет определенное химическое строение, которое может
быть выражено только одной структурной формулой.
Например, порядок соединения атомов в молекуле этена
С2Н4 может быть выражен двумя структурными формулами:
Н Н
׀ ׀
Н – С = С – Н или Н2С = СН2.
6
Второе положение. Свойства вещества зависят не только от
качественного и количественного состава, но и от химического строения их молекул. Еще до создания теории строения были известны
вещества одинакового элементного состава, но c различными
свойствами. Такие вещества были названы изомерами, а само это
явление - изомерией.
В основе изомерии, как показал А.М. Бутлеров, лежит различие в строении молекул, состоящих из одинакового набора
атомов. Изомерия - это явление существования соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но
различное строение и, следовательно, разные свойства. Существует два типа изомерии: структурная и пространственная.
Структурная изомерия – это изомерия, являющаяся ре-
зультатом различий в химическом строении, цепи и положения
кратной связи или функциональной группы.
Примером изомерии цепи является существование двух
изомерных соединений бутана С4Н10:
СН3 – СН2 – СН2 – СН3 CH3 – CH – CH
3
׀
CH
н-бутан изо-бутан
3
Изомерия положения кратной (двойной) связи иллюстрируется примером двух изомеров бутена C4H8:
CH2 = CH – CH2 – CH3 CH3 – CH = CH – CH
бутен-1 бутен-2
3
Изомерия положения функциональной группы, например,
гидроксильной (-OH), представляется двумя изомерами пропилового спирта:
CH3 – CH2 – CH2 – OH CH3 – CH – CH
3
׀
OH
пропанол-1 пропанол-2
7
Структурные изомеры могут принадлежать не только к одному, но и к разным классам органических веществ (межклассовая изомерия):
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – OH СН3 – СН2 – O – СН2 – СН
н-бутиловый спирт диэтиловый эфир
3
Пространственная изомерия (стереоизомерия) – это
изомерия, обусловленная различиями в пространственном строении молекул с одинаковым химическим строением. Разновидностью такой изомерии является геометрическая, которая характерна для соединений, содержащих двойную связь, например, для
бутена-2:
H3C CH3 H3C H
C = C C = C
H H H CH
цис-изомер транс-изомер
3
Теория химического строения объяснила многообразие органических соединений. Причиной его является существование
изомерии, а также способность четырехвалентного углерода образовывать цепи и кольца.
Третье положение. Атомы или группы атомов в молекуле
оказывают друг на друга взаимные влияния – непосредственные
и через другие атомы.
А.М. Бутлеров считал, что при образовании молекул атомы
взаимодействуют друг с другом, вкладывая свою часть химического сродства. В молекулах создается определенный порядок
распределения химического сродства. Под понятием “химическое
строение” ученый подразумевал не только определенный порядок
соединения атомов в молекуле, но и порядок их взаимодействия.
Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию. Опираясь
на положения теории, А.М. Бутлеров дал объяснение явлению
изомерии, предсказал существование различных изомеров и
впервые получил некоторые из них.
8
Контрольные задания
1. Найдите вещества одинакового строения, формулы кото-
рых приведены ниже:
H H H H
H2C ׀ ׀ ׀ ׀
а) CH – CH3; б) H – C – C – C – C – H;
H2C ׀ ׀ ׀ ׀
H H C H
׀
H – C – H
׀
H
CH3 CH
3
׀ ׀
в) CH2 – CH2; г) H – C – CH3;
׀ ׀
CH3 CH
3
д) СН3 – СН2 – СН2 – СН3; е) СН3 – СН2 – СН – СН3.
׀
СH
2. Укажите изомеры среди следующих веществ:
3
а) CH3 – CH – CH2 – CH – CH3; б) CH3 – CH2 – CH – CH – CH3;
׀ ׀ ׀ ׀
CH3 CH3 CH3 CH
CH
3
3
׀
в) CH3 – CH = CH – CH – CH2 –CH3; г) СH3 – C – CH2 – CH3;
׀ ׀
CH3 CH
CH
3
3
׀
д) CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 –CH2 – СH3; е) CH3 – C – CH3.
׀
CH
3
9
1.3. Классификация и номенклатура органических
К
арбоциклические
Гетеро
циклич
е
ские
соединений
Органические соединения отличаются своей многочисленностью и разнообразием, их классифицируют, учитывая два основных структурных признака:
- строение углеродной цепи (углеродного скелета);
- наличие и строение функциональных групп.
Углеродный скелет (углеродная цепь) – последователь-
ность химически связанных между собой атомов углерода.
Функциональная группа – атом или группа атомов, определяющих принадлежность соединения к определенному классу
и ответственных за его химические свойства.
В основу классификации органических соединений положено химическое строение молекул. Важнейшим структурным
элементом органических молекул являются углеродные цепи,
т. е. последовательность связанных атомов углерода (рис. 1).
Органические соединения
Ациклические Циклические
10
Предельные Непредельные
Алициклические Ароматические
Рис. 1. Классификация органических соединений
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]