Физика макромолекул(Капралова В.М) / Капралова_Органическая химия

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.2.Реакционная способность органических соединений …... 18

1.3.Идентификация и установление структуры

органических соединений ……………………………………... 24 Вопросы и задания к разделу 1 ………………………………... 30

2.Углеводороды ………….…………………………………………. 31

2.1.Алканы ……………………………………………………... 31

2.2.Алкены ……………………………………………………... 37

2.3.Алкины …………………………………………………....... 44

2.4.Алкадиены …………………………………………………. 50

2.5.Циклоалканы ………………………………………………. 56

3.Ациклические кислородсодержащие соединения …………..…. 69

3.1.Спирты ……………………………………………………... 69

3.2.Простые эфиры ……………………………………………. 75

3.3.Альдегиды и кетоны ………………………………………. 79

3

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие содержит материал по учебной дисциплине «Органическая химия» и освещает современные сведения о строении и свойствах основных классов органических соединений, содержит теоретические основы современной органической химии.

В настоящее время органическая химия является одной из наук, входящих в междисциплинарный комплекс, составляющий теоретическую и экспериментальную основу развития органической и молекулярной электроники.

Органическая электроника имеет неоспоримые преимущества перед неорганической, которая постепенно подходит к своим физическим пределам. Это низкая (в перспективе) стоимость, недорогое экологичное производство (печатные технологии) органических элементов, их универсальные качества — маленький вес, гибкость, прозрачность, длительный срок хранения и надёжность, возможность печатать многие компоненты электронных устройств одновременно. При этом не требуются затратные вакуумные процессы, стоимость оборудования в десятки раз ниже, чем в микроэлектронном производстве. Основное преимущество органической электроники в том, что на рулоне струйным принтером, гравюрной печатью или другим способом наносятся все компоненты, причём скорость движения рулона может достигать 10 метров в минуту, что говорит о высокой производительности и низкой себестоимости. Возможно быстро и дёшево реализовать любую схемотехническую идею, сначала выполнив её на компьютере, а потом распечатав на подложке. Стоимость таких производств по сравнению с производствами кремниевой электроники на порядок ниже.

Для прогресса в области органической электроники, преодоления технологических и физических трудностей и противоречий при разработке и изготовлении устройств и элементов органической электроники необходимы специалисты, владеющие информацией о струк-

4

туре и свойствах органических соединений и о перспективах их использования в производстве.

Учебная дисциплина «Органическая химия» представляется необходимым элементом образовательной программы по электронике. Однако большинство хороших современных учебников по органической химии предназначены для студентов-химиков, биологов, фармацевтов и медиков, имеют весьма большой объем и предполагают наличие лабораторного практикума. Поэтому настоящее пособие может рассматриваться как краткий справочник по основным классам органических соединений для студентов нехимических и немедицинских направлений обучения. В то же время автор пособия неоднократно наблюдала проблемы в понимании процессов и явлений в материалах и устройствах органической электроники, возникающие вследствие того, что ученые-химики и ученые-физики, будучи членами одной междисциплинарной исследовательской команды, говорят на разных «языках», принятых в их науках. Именно поэтому большое внимание в пособии уделено номенклатуре и изомерии органических соединений, что призвано облегчить студентам-физикам понимание специальной литературы и повысить их «химическую» грамотность. Кроме того, автор является приверженцем междисциплинарного подхода и сочла нужным привести некоторые сведения о физических свойствах органических молекул и их наблюдении физическими методами.

Данное учебное пособие может быть использовано как основное пособие по дисциплине «Органическая химия», читаемой автором в Институте физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбГПУ студентам, обучающимся по направлениям подготовки бакалавров и магистров «Техническая физика» и «Электроника и наноэлектроника».

По характеру изложения данное пособие предполагает знакомство студентов с общей химией в объеме программы подготовки бакалавров по указанным направлениям.

5

Впервом разделе пособия излагаются теоретические основы органической химии.

Разделы со второго по четвертый организованы сходным между собой образом и содержат сведения о номенклатуре, изомерии, физических и химических свойствах, способах получения основных классов органических соединений, а также информацию о практическом и биологическом значении некоторых органических веществ. Рассмотрены такие классы соединений, как углеводороды (алканы, алкены, алкины, алкадиены, циклоалканы, арены), кислородсодержащие соединения (спирты, простые эфиры, альдегиды и кетоны, карбоновые кислоты), галогенсодержащие соединения, тиосоединения, азотсодержащие вещества.

Вконце каждого из разделов имеются задания для самостоятельной работы.

Вбиблиографическом списке приведены монографии, учебники

иучебные пособия, в которых можно найти более полную информацию по вопросам органической химии.

6

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

1.1. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Предметом органической химии являются органические вещества, как природные, так и синтетические. В прошлом длительное время органическая химия считалась химией соединений, которые образуются только живой материей (виталистическая теория), но в 1828 г. Ф. Вёлер показал, что можно получить мочевину, считавшуюся типично органическим соединением, при нагревании неорганической соли цианата аммония. Позднее, в 1860-х гг. синтезы П. Э. М. Бертло окончательно опровергли теорию витализма. В настоящее время органическая химия определяется как химия углеродсодержащих соединений. Однако некоторые простые соединения углерода — оксиды, карбиды, карбонаты — органическая химия не рассматривает. Несомненно, что все же химия соединений углерода существенно более важна для биологических объектов и для жизни, чем химия любых других элементов.

При огромном разнообразии органических веществ — их насчитывается более 5 миллионов — они образованы сравнительно небольшим числом элементов. В состав молекул органических веществ наряду с углеродом входят водород, кислород, азот, сера, галогены, фосфор. Остальные элементы редко встречаются в органических соединениях.

К основным видам (не систематическим классам органических соединений!), имеющим промышленное или биологическое значение, можно отнести нефтепродукты; каучуки; душистые вещества; антибиотики, ферменты, витамины; алкалоиды, гормоны; сельскохозяйственные химикаты (пестициды и удобрения); взрывчатые вещества; реактивное топливо; пластмассы и синтетические волокна; хладоагенты; красители и пигменты; лаки и краски, растворители; сахара; белки. Такое многообразие делает необходимым изучение органиче-

7

ской химии студентами, обучающимися по самым разным направлениям, а особенно — специализирующимися на медицинской физике и электронике.

Основными отличительными чертами органических соединений можно считать следующие.

1.Горючесть.

2.Низкие температуры плавления (< 200 ºС) по сравнению с неорганическими соединениями и необратимые изменения при нагревании без доступа воздуха. Даже при нагревании до 70–80 ºС многие органические вещества видоизменяются или разлагаются.

3.Большинство органических соединений не диссоциируют на

ионы.

4.Низкая скорость реакций органических соединений по сравнению с большинством реакций неорганических веществ, которые протекают почти мгновенно.

5.Реакции органических соединений в большинстве случаев не доходят до конца и часто дают небольшие выходы.

6.Молекулы органических соединений построены из однородных, в основном углеродных, атомов, тогда как неорганические молекулы редко содержат более 2–3 однородных атомов.

7.Огромное разнообразие органических веществ, обусловленное способностью атома углерода соединяться практически с любым элементом (кроме инертных газов). Больше ни один элемент не обладает такой способностью.

8.Свойство изомерии, заключающееся в различии физических и химических свойств соединений одинакового состава, но с различным порядком соединения атомов в молекуле.

9.Важная биологическая роль органических соединений.

Классификация органических соединений

В основе классификации органических соединений лежит классификация углеводородов, так как все остальные органические со-

8

единения являются их производными и образуются путем замещения атомов водорода на другие атомы или группы атомов.

Выделяют 3 большие группы органических соединений.

1. Ациклические (алифатические) соединения, или соединения с открытой цепью.

1.1.Предельные (насыщенные). Это соединения гомологического ряда метана CnH2n+2, построенные за счет σ-связей между атомами углерода, и их производные.

1.2.Непредельные (ненасыщенные). Все остальные гомологические ряды. Цепь углеродных атомов может включать в себя различ-

ное число кратных связей (σ + π, σ + 2π).

2.Карбоциклические (изоциклические) соединения. Содержат замкнутые циклы, образованные атомами углерода.

2.1.Алициклические (предельные и непредельные).

2.2.Ароматические, содержащие в молекуле бензольное кольцо (6-членный цикл с сопряженными связями).

3.Гетероциклические. В образовании циклов участвуют, кроме углерода, другие атомы (O, S, N…).

Следует заметить, что приведенная классификация не является единственно возможной; например, все органические соединения можно разделить на классы в зависимости от элементного состава. Такими классами окажутся углеводороды, кислородсодержащие соединения, азотсодержащие соединения, галогенсодержащие вещества

идругие.

Теория химического строения (А. М. Бутлеров, 1861)

В качестве исторических этапов формирования теории химического строения, которая и в наше время является основной теорией органической химии, необходимо упомянуть следующие.

Теория радикалов (Ж. Л. Гей-Люссак, Ф. Велер, Ю. Либих). Радикалами стали называть группы атомов, переходящие при химических реакциях из одного соединения в другое в неизменном виде. По-

9

нятие сохранилось и поныне, хотя большинство положений теории радикалов оказалось несостоятельно.

Теория типов (Ш. Жерар). Все органические вещества можно разделить на типы, соответствующие определенным неорганическим веществам. Например, к типу воды H–O–H можно отнести спирты R– O–H и простые эфиры R–O–R1. Так была создана довольно совершенная классификация органических веществ, основные принципы которой существуют до сих пор.

Открытие в 1857 г. четырехвалентности углерода (Ф. А. Кеку-

ле).

Открытие в том же году способности атомов углерода соединяться друг с другом с образованием цепей.

Основные положения теории химического строения.

1.Все атомы, образующие молекулы органических веществ, связаны в определенной последовательности, причем для соединения их друг с другом затрачивается определенная доля химического сродства (соответствующее современное понятие — валентность).

Порядок соединения атомов и характер их связей Бутлеров назвал химическим строением. Было установлено, что при соединении атомов углерода может затрачиваться 1, 2, 3 единицы сродства, причем цепи атомов углерода могут быть открытыми и замкнутыми.

2.От химического строения зависят свойства веществ. Этим, в частности, была объяснена изомерия.

3.Изучая свойства вещества, можно определить строение его молекулы и выразить его определенной формулой, отражающей строение и, в известной степени, свойства.

4.Химические свойства атома или атомной группы не неизменны, а меняются в зависимости от присутствия других атомов и атомных групп, причем наиболее сильно взаимное влияние атомов, непосредственно связанных друг с другом. Эта идея была позже развита В. В. Марковниковым.

10

Величайшая заслуга А. М. Бутлерова — не только обобщение огромного фактического материала и формулировка идей, но и блестящее экспериментальное подтверждение своей теории. Так, им было предсказано, исходя из теории, существование ранее неизвестных соединений, например, третичных спиртов, и осуществлен их синтез.

Н

заторможенная заслоненная типа «кОзел»

заторможенная заслоненная проекции Ньюмана

Рис. 1.1. Способы изображения конформаций этана

11

Здесь нужно вспомнить, что для графического отображения состава и строения веществ используются химические формулы общие (или брутто-формулы), передающие элементный состав молекулы, и структурные, с разной долей условности изображающие порядок соединения атомов в молекуле. Естественно, что наряду с полными структурными формулами применяют и сокращенно-структурные, в которых и атомы основной цепи, и боковые группы расположены в одну строку, а заместители берутся в скобки. Кроме плоских структурных формул существуют способы изображения пространственного расположения атомов в молекуле. Продемонстрировать их можно на примере молекулы этана СН3–СН3.

В молекуле этана возможно практически свободное вращение вокруг С–С связи. Такое вращение возможно вокруг всех простых связей, если нет сильных пространственных (стерических) затруднений. Способы изображения двух конформаций этана — заторможенной (более устойчивая) и заслоненной — показаны на рис. 1.1.

Необходимо сделать некоторые замечания по поводу номенклатуры органических соединений. В настоящее время установлена еди-

ная и универсальная номенклатура IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), позволяющая установить однозначное соответствие структурной формулы и названия для любого органического соединения. Эта номенклатура обязательна для изучения. Однако наряду с систематическими названиями существуют и так называемые тривиальные, которые были даны многим соединениям в момент их открытия, синтеза или выделения, а также названия по другим номенклатурам. По историческим причинам в России продолжают употребляться названия органических соединений по так называемой рациональной номенклатуре. Эта номенклатура не является всегда применимой и однозначной, но, тем не менее, автор считает необходимым ознакомить студентов с этой номенклатурой, поскольку названия, построенные в соответствии с ней, встречаются в литературе весьма часто. Именно поэтому при рассмотрении номенклатуры каж-

12