Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы коллоидной и органической химии. Учебно-методическое пособие к практическим занятиям для студентов специальности 20.05.01 «Пожарная безопасност
.pdf
51
Многообразие органических соединений, их свойств и превращений
объясняет теория химического строения А.М. Бутлерова.
Химическое строение – это определенная последовательность
расположения атомов в молекуле. Строение молекулы органического
соединения изображается структурной формулой (развернутой или
сокращенной), в которой символы связанных атомов соединяются валентной
чертой, например, для этанола С2Н5ОН (см. рис. 13 и формулу 48).
Рис. 13. Развернутая структурная формула этанола
Сокращенная структурная формула этанола:
СН3—СН2—ОН. (48)
Часто одинарные связи вообще не указывают: СН3СН2ОН.
По строению различают ациклические и циклические органические
соединения. Ациклические соединения характеризуются открытой цепью
атомов углерода (см. рис. 14–15).
Рис. 14. Насыщенные соединения (с одинарными связями С–С)
Рис. 15. Ненасыщенные соединения (с кратными связями С=С и С≡С)
Ациклические соединения могут содержать как прямую цепь атомов
углерода, так и разветвленную. Различают следующие атомы углерода:
1) первичный – соединен с одним другим атомом углерода;
2) вторичный – соединен с двумя атомами углерода;
3) третичный – соединен с тремя атомами углерода;
4) четвертичный – соединен с четырьмя атомами углерода.
Прямая углеродная цепь состоит только из первичных и вторичных
атомов углерода, разветвленная цепь содержит также третичные и
четвертичные атомы (см. рис. 16).
52
Рис. 16. Прямая углеродная цепь (1, 2', 4', 4", 6 – первичные атомы;
2 – третичный атом; 3, 5 – вторичные атомы; 4 – четвертичный атом)
Циклические соединения имеют замкнутую в цикл цепь атомов
углерода (см. рис. 17–18).
Рис. 17. Алициклические соединения
(циклические соединения неароматического характера)
Рис. 18. Ароматические соединения (производные бензола)
Химические свойства органических соединений зависят не только
от состава вещества (числа атомов элементов), но и от его химического
строения. Один и тот же состав может соответствовать нескольким
органическим соединениям с разным строением и, соответственно, разными
свойствами; это явление называется изомерией (см. рис. 19).
Рис. 19. Процесс изомерии
Такие вещества называют структурными изомерами или изомерами
строения. Органические соединения образованы главным образом
ковалентными связями. Если ковалентная связь полярная, электронная
плотность оказывается смещенной в сторону более электроотрицательного
атома. Вследствие этого, на атомах появляются частичные заряды –
положительный (δ–) и отрицательный (δ+) (см. рис. 20).
53
Рис. 20. Структурные изомеры
Химические реакции, типичные для органических соединений, можно
классифицировать по различным признакам:
1. По типу химического превращения:
1) реакции замещения, сопровождающиеся образованием новых
ковалентных связей при замещении одного атома (или группы атомов)
на другие атомы или группы атомов (см. рис. 21);
Рис. 21. Реакция замещения
2) реакции присоединения (синтез), сопровождающиеся
образованием новых σ-связей за счет разрыва π-связи (см. рис. 22);
Рис. 22. Реакция присоединения
3) реакции разложения, сопровождающиеся образованием новых,
более простых по составу молекул (см. рис. 23).
Рис. 23. Реакция разложения
2. По способу разрыва связи:
1) реакции с образованием радикалов, сопровождающиеся
симметричным разрывом связи между атомами элементов с одинаковой
электроотрицательностью (гемолитический разрыв) (см. рис. 24);
Рис. 24. Реакция с образованием радикалов
2) реакции с образованием ионов, сопровождающиеся
несимметричным разрывом связи (гетеролитический разрыв) (см. рис. 25);
Рис. 25. Реакция с образованием ионов
Все органические соединения делятся на классы. Принадлежность
соединения к тому или иному классу определяется наличием в его составе
54
функциональных групп – групп атомов, обусловливающих характерные
химические свойства данного класса соединений (см. рис. 26).
Углеводороды, в свою очередь, не имеют функциональных групп.
Рис. 26. Функциональные группы атомов
Группа атомов органического соединения, которая во многих
реакциях может переходить в молекулу продукта, не изменяясь при этом,
называется радикалом и обозначается литерой R, например, метильный
радикал – СН3.
Углеводороды (состоят только из атомов С и Н) и их производные
образуют гомологические ряды, члены которых имеют сходные строение и
свойства; они отличаются друг от друга на одну или несколько групп СН2
(гомологическая разность) (см. табл. 10).
Таблица 10
Классификация органических соединений
Название,
общая формула
Отличительный
признак
Пример
Углеводороды R-H:
алканы
циклоалканы
алкены
алкадиены
алкины
арены
Цепь С-С
Цикл [C]n
C=C
C=C−C=C
C≡C
Цикл [C=C]3
CH3–CH2–CH3
Цикло–C6H12
CH3–CH=CH
2
CH2=CH–CH=CH2
CH3–C≡CH
C6H5–CH
3
Галогенпроизводные
углеводородов:
R–X(X=F, Cl, Br, I)
C–X
CH3–CH2–Br
Cпирты:
R–OH
(R – ациклический,
алициклический радикал)
C–OH
CH3–CH2–OH
Цикло–С6Н11–ОН
Фенолы
(R – ароматический
радикал)
С(цикл)–ОН
3
С6Н5–ОН
Простые эфиры
R–O–R
C–O–C
CH3–CH2–O–CH
3
Альдегиды
R–C(H)O
55
Продолжение таблицы 10
Кетоны
Карбоновые кислоты
R–COOH
Сложные эфиры
R–COOR′
Углеводы-моносахариды
альдозы
C–OH
Кетозы
Нитросоединения
R–NO
2
C-NO
2
CH3-CH2-NO
2
Аминосоединения
R–NH
2
C-NH2
C6H5-NH2
Аминокислоты(α)
R–CH(NH2)–COOH
Контрольные вопросы к разделу 3
1. В углеводороде со структурной формулой:
1) число первичных атомов С меньше числа вторичных;
2) число вторичных атомов С больше числа третичных;
3) число первичных атомов С равно числу третичных;
4) число вторичных атомов С равно числу третичных?
2. В каком из вариантов представлена правильная структурная формула
углеводорода?
1)
56
2)
3)
4)
3. Название углеводорода с цепью атомов углерода – это
1) 2,3,5–триметилгексан;
2) 2,3,4–триметилгексан;
3) 2,5–диметилгептан;
4) 3,4–диметилпептан?
4. Сопоставьте класс органических соединений (А–Г) с названием(1–4).
А) спирты;
Б) фенол;
В) альдегиды;
Г) карбоновые кислоты;
1) – С(О)–;
2) – СООН;
3) – С(Н)O;
4) – ОН.
5. Сопоставьте молекулы классов соединений (А–В)
с функциональной группой (1–4).
А) простые эфиры;
Б) сложные эфиры;
В) белки;
1) С–О–С;
2) С–С(О)–О–С;
3) C–OH;
4) С(О)–N(H)–С.
6. Выберите группы веществ – функциональные группы углеводов:
1) СООН, ОН;
2) ОН, СО;
3) С(Н)O, OH;
4) СО, С(Н)O.
57
7. Соотнесите органическое соединение с формулой (А–Г) с классом
(1–4).
А) C2H5NH2;
Б) С2H5NO2;
В) NH2CH2COOH;
Г) (C2H5)3N;
1) аминокислоты;
2) амины;
3) нитросоединения;
4) белки.
8. Сопоставьте органическое соединение с формулой (А–Г) с классом
(1–4).
А) СН3–О–С2Н5;
Б) С2Н5–С(Н)O;
В) СН3–С(О)–О–С2Н5;
Г) С6Н5–СН2ОН;
1) сложные эфиры;
2) простые эфиры;
3) альдегиды;
4) спирты.
9. Этан вступает в реакции:
1) изомеризации;
2) замещения;
3) присоединения;
4) Дегидрирования?
10. Для олефинов характерны реакции:
1) замещения;
2) полимеризации;
3) присоединения;
4) разложения?
11. Бензол склонен вступать в реакции:
1) нейтрализации;
2) присоединения;
3) полимеризации;
4) изомеризации?
12. Взаимодействие между реагентами (С6Н6, HNO3; C2H4, НCl; C2H2,
КMnO4) по отношению к углеводороду называется:
1) окислением;
2) присоединением;
3) восстановлением;
4) замещением.
13. Установите соответствие между формулой функциональной
группы и классом органических соединений, который она определяет.
58
14. Установите соответствие между названием соединения и классом,
к которому оно относится.
59
РАЗДЕЛ 4. УГЛЕВОДОРОДЫ. ГОМОЛОГИЯ И ИЗОМЕРИЯ.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ
4.1. Алканы. Циклоалканы
Алканы (парафины) – это соединения углерода с водородом,
в молекулах которых атомы углерода соединены между собой одинарной связью
(предельные углеводороды). Общая формула гомологического ряда алканов:
СnН
2n+2
. (49)
Радикал, получающийся при отрыве одного атома водорода
от молекулы предельного углеводорода, называется алкилом, общая
формула алкилов:
СnН
2n+1
. (50)
Формулы и названия первых шести алканов (С1–С6) и отвечающих им
радикалов (см. рис. 27). Для радикала С5Н11 использование названия амил
не рекомендуется.
Рис. 27. Алканы С1–С
6
Рис. 28. 2,3-диметилпентан
Для составления названий алканов с разветвленной цепью (см. рис. 28)
выбирают самую длинную углеродную цепь (в примере – из пяти атомов) и
получают основу названия (5–пентан). Нумеруют цепь (от 1 до 5) так, чтобы
заместители (–СН3) получили наименьшие номера (2 и 3). В названии
арабскими цифрами указывают положение заместителей, а приставками
«ди-», «три-», «тетра-» и т. д. – число одинаковых заместителей. Таким
образом, в нашем примере алкан должен быть назван 2,3-диметилпентан.
При наличии разных заместителей их названия расставляют по алфавиту, то
есть, например, сначала «метил», а затем «этил».
Для некоторых разветвленных предельных углеводородов, наравне
с систематическими, используются традиционные названия, например, для
алканов состава С4Н10 и С5Н12 с формулами (см. рис. 29):
60
Рис. 29. Молекулы изобутана и изопентана
Такие же названия используются для разветвленных радикалов (см.
рис. 30). При обычных условиях первые алканы – метан, этан, пропан и
бутан (С1–С4) – представляют собой малорастворимые в воде газы без цвета
и запаха. Последующие гомологи (С5–C15) – жидкости (при 20 °C), высшие
гомологи (C16 и выше) – твердые вещества.
Рис. 30. Молекулы изопропила, изобутила, втор-бутила и трет-бутила
В алканах атомные орбитали углерода имеют sр3–гибридизацию;
четыре электронных облака атома углерода направлены в вершины
тетраэдра под углами 109,5°. Ковалентные связи, образуемые каждым
атомом углерода, в алканах малополярны. Поэтому алканы – сравнительно
инертные вещества, вступают только в реакции замещения, протекающие
с симметричным (радикальным) разрывом связей С–Н. Эти реакции обычно
идут в жестких условиях (высокая температура, освещение). В результате
становится возможным замещение водорода на галоген (CI, Br) и
нитрогруппу (NO2), например, при обработке метана хлором (см. рис. 31).
Рис. 31. Схема замещения водорода в алканах
Вторая и последующие стадии реакции протекают легче, чем первая,
из-за смещения электронной плотности к атому хлора (см. рис. 32) и
увеличения подвижности остающихся атомов водорода.
Рис. 32. Смещение электронной плотности к атому хлора
Названия продуктов: СН3Cl – хлорметан, СН2Cl2 – дихлорметан,
СНCl3 – трихлорметан (хлороформ), СCl4 – тетрахлорметан (тетрахлорид
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]