Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Краткий курс органической химии (Для студентов-иностранцев). Учебное пособие
.pdf
21
+
2. Ионные или гетеролитические реакции протекают с образованием заряженных частиц ионов (катионов и анионов).
Ionic or heterolytic reactions occur with the for mation of charged ion
particles (ca tions an d anions).
Les réactions ioniques ou hétér olytiques se produisen t avec la forma-
tion de particul es chargées d'ions ( cations et anions).
تﺎﻧﻮﯾﻷا ﻦﻣ ﺔﻧﻮﺤﺸﻣ تﺎﺌﯾﺰﺟ ﻦﯾﻮﻜﺗ ﻊﻣ ﺔﺴﻧﺎﺠﺘﻤﻟا ﺮﯿﻏ وأ ﺔﯿﻧﻮﯾﻷا تﻼﻋﺎﻔﺘﻟا ﺮﻤﺘﺴﺗ
Гетеролитически разрываются связи между атомами, элек-
троотрицательность которых значительно различается. При этом
общая электронная пара остается у одного из атомов исходных
молекул:
H H
∙ ∙ ∙ ∙
H ׃ C ׃ Cl → H ׃ C + ׃ Cl или CH3Cl → CH
_
+
+ Cl-.
3
∙ ∙ ∙ ∙
H H
метил- метил- хлорид хлорид катион анион
Образовавшиеся катионы реагируют с нуклеофильными («любящими ядра») частицами, например, с молекулами воды, аммиака,
ионами OH-, Cl-, Br-, I-:
Гетероциклический разрыв может происходить и с образова-
нием органических анионов, например, CH
+
CH
+ ׃OH- → CH3OH.
3
-
. Такие анионы взаи-
3
модействуют с электрофильными («любящими электроны») частицами, к которым относятся катионы металлов, ионы водорода:
-
CH
+ H+ → CH4.
3
Ионный механизм обычно наблюдается в реакциях, протекающих с разрывом сильнополярных ковалентных связей, например, углерод – кислород, углерод – галоген. Примером гетероциклического разрыва связи является электролитическая диссоциация
– образование катионов в водном растворе происходит под
действием нуклеофильных частиц (молекул воды).
)تﺎﻧﻮﯿﻧﻷاو تﺎﻧﻮﯿﺗﺎﻜﻟا(.
22
Задачи и упражнения для самостоятельной работы
1. Сколько изомеров имеет гептан? Напишите структурные
формулы этих изомеров и дайте им названия по международной
номенклатуре.
2. Напишите формулы всех циклоалканов, которые содер-
жат шесть углеродных атомов.
3. Сколько изомеров имеет пентен? Напишите структурные
формулы этих изомеров и дайте им названия по международной
номенклатуре.
4. Сколько изомеров имеет пентанол? Изобразите структур-
ные формулы этих изомеров.
5. Массовые доли углерода, водорода и азота во вторичном
амине соответственно равны 61,0; 15,3 и 23,7 %. Определите
формулу амина.
6. К какому классу органических соединений должно относиться вещество, при сжигании 22 г которого образуется 22,4 дм
(н. у.) оксида углерода (IV) и 18 г воды, если молярная масса этого
вещества равна молярной массе углекислого газа?
7. Какова структурная формула предельной одноосновной
кислоты, если объем CO2, образующегося при сжигании некоторого ее количества, в три раза больше объема CO2, выделившегося
при действии на такое же количество данной кислоты избытка
водного раствора гидрокарбоната натрия?
8. При сгорании 0,72 г органического вещества образуется
0,05 моль углекислого газа и 0,06 моль воды. 0, 1 г паров исходно-
го вещества занимает объем 31 см3 при нормальных условиях.
Найдите молекулярную формулу вещества.
9. Определите строение углеводорода, если известно, что
его 8,4 г обесцвечивают бромную воду, присоединяют 3,36 дм
водорода в присутствии никелевого катализатора, а при окислении водным раствором перманганата калия на холоде образует
соединение симметричного строения.
10. Определите строение предельной одноосновной органической кислоты, если известно, что для нейтрализации 1 г этой
кислоты требуется 27 см3 раствора гидроксида натрия с молярной
концентрацией 0,5 моль/дм3.
3
3
23
ГЛАВА 2. УГЛЕВОДОРОДЫ
mologue de
2. 1. Предельные углеводороды
Углеводороды являются самыми простыми органическими
соединениями. Они состоят из двух химических элементов:
углерода и водорода. В зависимости от характера связей между
атомами в углеродной цепи углеводороды делят на: ациклические
(алифатическими) и циклические. Ациклические углеводороды
разделяются на предельные (насыщенные - алканы) и непредельные (ненасыщенные – алкены, алкины и алкадиены). Циклические
углеводороды разделяются на ароматические (арены, например,
бензол) и алициклические (предельные, например, циклогексан, и
непредельные, например, циклогексен).
Углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой связью, а все остальные валентности
насыщены атомами водорода, называются предельными или
насыщенными углеводородами.
Предельные ациклические углеводороды. Алканы – это
насыщенные углеводороды с открытой цепью (табл. 5). Они
образуют гомологический ряд с общей формулой СnН
A homological series is a series of substances similar in composition and
chemical prope rtie s that differ by the homological differenc e CH2 –.
Une série homologue est une série de substances similaires dans la compo-
sition et les propriétés chimiques, qui diffèrent par la différence ho
CH2 –.
ﻒﻠﺘﺨﺗ ﻲﺘﻟا ﺔﯿﺋﺎﯿﻤﯿﻜﻟا ﺺﺋﺎﺼﺨﻟاو ﺐﯿﻛﺮﺘﻟا ﻲﻓ ﺔﮭﺑﺎﺸﺘﻤﻟا داﻮﻤﻟا ﻦﻣ ﺔﻠﺴﻠﺳ ﻲھ ﺔﻠﺛﺎﻤﺘﻤﻟا ﺔﻠﺴﻠﺴﻟا
2n+2
.
ﻞﺛﺎﻤﺘﻟا فﻼﺘﺧﺎﺑH2C – .
Каждый атом углерода в молекуле алкана связан простыми связями с
четырьмя атомами (С или Н) и не может присоединять другие
атомы. Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp3-гибридизации. Каждый из атомов углеродной цепи образует
связи, направленные от центра (углеродный атом) к углам тетраэдра,
то есть под углом 109о28' друг к другу.
Молекула метана СН4 имеет форму тетраэдра (рис. 2, а). Мо-
лекула этана С2Н6 образована из двух углеродных тетраэдров
24
(рис. 2, б). Во всех других алканах углеродная цепь имеет в пространстве форму зигзага также с углом в 109о28' между связями
С – Н. Длина связи С – С в предельных углеводородах равна
0,154 нм. Молекулы алканов неполярные.
Таблица 5
Формулы и названия алканов их радикалов
Эмпирическая формула
углеводорода радикала
1 2 3 4
CH
4
То же CH3 –
То же CH2 –
C2H
6
То же C2H5 –
То же C2H4 =
–
–
Структурная
формула
H
׀
H – C – H
׀
H
H
׀
H – C –
׀
H
H
׀
H – C –
׀
H H
׀ ׀
H – C – C – H
׀ ׀
H H
H H
׀ ׀
H – C – C –
׀ ׀
H H
H H
׀ ׀
H – C – C –
׀ ׀
H
Название
Метан
Метил
Метилен
Этан
Этил
Этилен
25
Окончание табл. 5
б
а
1 2 3 4
H H H
׀ ׀ ׀
C3H
8
–
H – C – C – C – H
׀ ׀ ׀
H H H
H H H
То же C3H7 –
׀ ׀ ׀
H – C – C – C –
׀ ׀ ׀
H H H
H H H
То же C3H6 –
׀ ׀ ׀
H – C – C – C –
׀ ׀ ׀
H H
C4H
10
C5H
12
C6H
14
C7H
16
C8H
18
C9H
20
C10H
22
Пропан
Пропил
Пропилен
Бутан
Пентан
Гексан
Гептан
Октан
Нонан
Декан
Рис. 2. Модели молекулы: а – метан; б - этан
В гомологическом ряду алканов наблюдается изомерия цепи, обусловленная различным порядком соединения атомов
углерода. Метан, этан и пропан изомеров не имеют. Бутан существует в виде двух изомеров, пентан – трех (табл. 6).
26
Таблица 6
Название изомеров алканов
Формула Название
эмпирическая структ урная тривиальное междуна-
родное
С4Н
10
СН3– СН2 – СН2 – СН
3
н – Бутан,
нормальный
Бутан
бутан
1 2 3
С5Н
СН3– СН – СН
3
׀
СН
12
СН3– СН2 – СН2 – СН2 – СН
3
Изобутан 2- Метил-
н-Пентан Пентан
3
пропан
1 2 3 4
СН3– СН – СН2– СН
׀
СН
3
СН
3
3
Изопептан 2-Метил-
бутан
1 2 ׀ 3
СН3– С – СН
׀
СН
3
3
Изопентан 2,2- Диме-
тилпропан
С увеличением числа атомов углерода в молекуле число
возможных изомеров увеличивается. Гексан существует в виде
пяти изомеров, декан – семидесяти пяти.
Предельные алициклические углеводороды. Циклоалка-
ны – предельные углеводороды с замкнутой цепью. Общая
формула гомологического ряда циклоалканов СnН2n. Названия
циклоалканов производят от соответствующих алканов с приставкой цикло. Например:
циклобутан циклогексан
27
2.2. Метан
Простейшим представителем алканов является метан – газ
без цвета и запаха, легче воздуха, плохо растворимый в воде.
Метан является главной составной частью природного газа
(90-98 % мас). В большом количестве он содержится в попутных
газах при добыче нефти и газах, получающихся при переработке
нефти, а также в газах, выделяющихся при сухой перегонке древесины, торфа и каменного угля.
Метан, как и все алканы, химически малоактивен; он не
вступает в реакции присоединения, не взаимодействует с растворами перманганата калия и щелочи, с бромной водой и холодной
концентрированной серной кислотой. Реакции окисления метана
протекают только при высокой температуре.
Метан горит бледным синеватым пламенем:
СН
4(г)
+ 2О
→ СО
2(г)
+ 2Н2О
2(г)
; ΔHо = - 880 кДж.
(ж)
При сильном нагревании (1000оС) метан разлагается на уг-
лерод и водород:
СН4→ С + 2Н2.
Метан вступает в реакции замещения с галогенами, с разбавленной
азотной и концентрированной серной кислотами при нагревании.
Галогенирование происходит постепенно на свету. Под действием
кванта света разрывается ковалентная связь в молекуле галогена,
например хлора. При этом образуются так называемые свободные
радикалы хлора. Радикалы хлора взаимодействуют с углеводородом
и образуют свободные углеводородные радикалы. Свободные углеводородные радикалы, в свою очередь, взаимодействуют с
молекулами хлора, образуя свободные радикалы хлора.
Химические реакции, в которых активная частица (свободный
радикал, атом) вызывает большое число (цепь) превращений исходных молекул вследствие образования активной частицы в каждом
элементарном акте реакции, называют цепными.
28
Chem ica l react ion s in whi ch an a cti ve pa rticl e ( fr ee r a di ca l , at om) ca uses
+d-
d
+
d
-
d
a large number (chain) of transformations of the initial molecules due to the
form ati on of an a ctive pa r ticle i n ea ch el emen tar y reacti on act a re ca ll ed ch ain
reactions.
Les r éactions chimi ques dans l esquell es une pa rticu le activ e (un r adical
libre, un atome) provoque un grand nombre de transformations (chaîne) des
molécu les d'orig ine en ra ison de la formation d'une parti cu le active dans chaque
acte élémentaire de réaction sont appelées chaînes.
ﻂﺸﻨﻟا ﻢﯿﺴﺠﻟا ﺎﮭﯿﻓ ﺐﺒﺴﺘﯾ ﻲﺘﻟا ﺔﯿﺋﺎﯿﻤﯿﻜﻟا تﻼﻋﺎﻔﺘﻟا)ةرﺬﻟا ، ةﺮﺤﻟا روﺬﺠﻟا ( ﺮﯿﺒﻛ دﺪﻋ ﻲﻓ)ﺔﻠﺴﻠﺳ (
تﻼﻋﺎﻔﺘﻟا ﻰﻤﺴﺗ ﻞﻋﺎﻔﺘﻟا ﻦﻣ ﻲﻟوأ ﻞﻌﻓ ﻞﻛ ﻲﻓ ﻂﺸﻧ ﻢﯿﺴﺟ ﻦﯾﻮﻜﺗ ﺐﺒﺴﺑ ﺔﯿﻟوﻷا تﺎﺌﯾﺰﺠﻠﻟ تﻻﻮﺤﺘﻟا ﻦﻣ
ﺔﻠﺴﻠﺴﺘﻤﻟا.
В результате этой реакции получается смесь галогенопроизводных:
СН4+ Cl2→ CH3Cl + HCl; CH3Cl2 + Cl2 → CH2Cl2 + HCl;
хлорметан дихлорметан
СH2Cl2 + Cl2→ CHCl3 + HCl; CHCl3 + Cl2→ CCl4 + HCl.
трихлорметан тетрахлорид углерода
(хлороформ) (четыреххлористый углерод)
Электронное строение галогенопроизводных ряда метана имеет
ряд особенностей. Молекулы СН3С1, СН2С12, СНС13 (в отличие от
СН4) полярные вследствие смещения электронной плотности в
сторону более электроотрицательных атомов хлора. В структурных
формулах такое смещение изображается так:
Н
Н – С – Сl ,
׀
Н
где
которые она соединяет (C и Cl), но и последующие атомы в цепи:
Поэтому в CH3Cl следующие атомы водорода легче замещаются.
Способность атома или группы атомов вызывать в цепи смещение
и
- частичные заряды атомов.
Смещение электронной пары влияет не только на те атомы,
H → CH2 → Cl .
29
электронов, образующих σ-связь, называют индукционным эффектом этого атома или группы атомов.
The ability of an at om or group of atoms to cause the displa cement
of electrons forming a σ-bond in a chain i s cal led the in duction effe ct of
this at om or group of atoms.
La capa cit é d'un atom e ou d'un group e d'a tomes à pr ovoqu er dans
un circuit le déplacement des électrons formant une σ-liaison est
appel ée effet d'in du ct i on de cet atome ou gr oup e d'at om es.
ﻲﺘﻟا تﺎﻧوﺮﺘﻜﻟﻹا ﺔﻠﺴﻠﺳ ﻲﻓ لﻮﺤﺗ ثاﺪﺣإ ﻰﻠﻋ تارذ ﺔﻋﻮﻤﺠﻣ وأ ةرذ ةرﺪﻗ ﻰﻤﺴﺗ
ﺔﻄﺑار ﻞﻜﺸﺗ σتارﺬﻟا ﺔﻋﻮﻤﺠﻣ وأ ةرﺬﻟا هﺬﮭﻟ ﻲﺜﺤﻟا ﺮﯿﺛﺄﺘﻟا.
Индукционный эффект считается отрицательным, когда
атом или радикал притягивает к себе электроны от соседнего
атома.
The inducti on effect is consider ed negative wh en an atom or radi-
cal attracts electrons fr om a neighboring atom.
L'effet d'induction est considéré comme négatif lorsqu'un atome
ou un radical attire des él ectrons d'un atome voisin .
ﻰﻟإ ةروﺎﺠﻣ ةرذ ﻦﻣ تﺎﻧوﺮﺘﻜﻟﻹا يرﺬﺟ وأ ةرذ بﺬﺠﺗ ﺎﻣﺪﻨﻋ ﺎﺒﻟﺎﺳ ﺚﺤﻟا ﺮﯿﺛﺄﺗ ﺮﺒﺘﻌﯾ
ً
ﺎﮭﺴﻔﻧ.
Отрицательный индукционный эффект проявляют группы:
О О
׀׀ ׀׀
– С – О – Н; – С – Н: СH
– NO2; – NH2; – F; – Cl; – Br; – I; – C6H5.
При положительном индукционном эффекте атом или радикал отталкивает от себя электроны.
With a positive induction effect, an atom or radical repels electr on s fr om i ts elf.
Avec un effet d'induction positif, un atome ou un radical
repou ss e les él ect ron s.
ﺎﮭﺴﻔﻧ ﻦﻣ تﺎﻧوﺮﺘﻜﻟﻹا دﺮﻄﺑ رﺬﺠﻟا وأ ةرﺬﻟا مﻮﻘﺗ ، ﻲﺑﺎﺠﯾإ ﻲﺜﺣ ﺮﯿﺛﺄﺗ ﻊﻣ.
= CH –; CH ≡ C –; – OH;
2
Положительный индукционный эффект проявляют
следующие группы: O
׀׀
CH3 –, CHR2 –, CR3 –, – C –, а также атомы металлов.
30
Метан в промышленности получают:
- реакцией соединения водорода и графита при темпера-
туре 500оС в присутствии катализатора:
C + 2H2 → CH4;
- из водяного газа:
CO + 3H2 → CH4 + H2O.
В лабораторных условиях метан получают:
- при взаимодействии карбида алюминия с водой:
А14С3+ 12Н2О → 4А1(ОН)3 + 3СН4;
- при нагревании смеси ацетата натрия с гидроксидом натрия:
CH3COONa + NaOH → Na2CO3 + CH4.
Алканы получают при взаимодействии металлического на-
трия и галогенпроизводных углеводородов (реакция Вюрца):
2CH3 – CН2Br + 2Na → CH3 – CH2 – CH2 – CH3 + 2NaBr.
Метан имеет большое практическое значение. Он используется как сырье для получения важных химических продуктов.
Например, неполным окислением метана при 500 °С получают
ацетилен:
4CH4 + 2O2 → C2H2 + H2O + CO2+ CO + 6H2.
Из метана получают метиловый спирт и формальдегид:
О
׀׀
2СH4+ O2 → 2CH3OH + O2 → 2H – C + 2H2O.
H
Метан, ацетилен, формальдегид, метиловый спирт являются
исходным сырьем в производствах мыла, различных моющих
средств, смазочных материалов, лаков и эмалей. Алканы используются как горючее.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]