Виконання лабораторних дослідів

Дослід 1 Розчинність бензолу у воді

Бензол та його гомологи (толуол, ксилол, етилбензол) майже не розчиняються у воді. Проте вони є добрими органічними розчинниками для різноманітних речовин.

У пробірку наливають 0,5 – 1 мл бензолу і добавляють 3 – 5 мл води. Суміш струшують, дають деякий час постояти. Утворилися два суцільних шари – бензолу і води. Поясніть чому утворились два суцільних шари рідини:

Дослід 2 Горіння бензолу

Молекула бензолу має три подвійні зв’язки. Горіння бензолу певною мірою нагадує горіння ацетилену в кисні повітря, для молекули якого характерна наявність потрійного зв’язку.

У фарфорову чашку наливають кілька крапель бензолу, переносять у витяжну шафу і запалюють. Бензол горить кіптявим полум’ям. Під час горіння руйнується бензольне ядро і виділяється чистий вуглець у вигляді кіптяви. Напишіть рівняння реакції горіння бензолу:

Самостійна робота (2 години) Зміст

Тема 7. Просторова будова та ізомерія органічних сполук.

План:

1. Суть явища ізомерії.

2. Явища конфігурації та конформації.

3. Просторове зображення молекул і молекулярні моделі.

Студент повинен знати: суть явища ізомерії, конфігурації і конформації.

Студент повинен уміти: зображувати на письмі і будувати просторові моделі молекул.

Рекомендована література:

1. Ластухін Ю.О., Воронов С.А. Органічна хімія. Підручник для вищих навчальних закладів. – Львів: Центр Європи, 2000. – с.87

2. Пацак .Й. Органическая химия. Курс для средней школы и техникумов: Пер.с чешск. – М.: Мир, 1986. – с.74

3. Потапов В.М., Татаринчик С.Н. Органическая химия Изд. 2–е, пер. М., Химия, 1976. – с.20

Для уявлення реальної будови молекул органічних сполук важливе значення має інформація про взаємне розташування атомів один відносно одного. Це дає змогу прогнозувати фізичні властивості сполук і особливо їх реакційну здатність. Для визначення будови молекули необхідно знати кількість і природу атомів ,які входять до складу кожної сполуки – так звану брутто – формулу. При цьому часто сполуки з однаковою брутто – формулою проявляють зовсім різні фізичні та хімічні властивості. Наприклад етиловий спирт і дим етиловий ефір мають однакову брутто – формулу. Так, етиловий спирт має температуру кипіння +78,3 ⁰С, а диметиловий етер -24 ⁰С. Із структурних формул названих речовин зрозуміло, що це пов’язано з неоднаковим розташуванням (послідовністю) атомів у молекулі один відносно одного. Різне розташування атомів у молекулі викликає появу надзвичайно важливого для органічних сполук явища – ізомерії.

Ізомерія – це явище існування речовин з однаковою брутто – формулою, але з різними фізичними і хімічними властивостями.

З існуванням ізомерів вперше зустрівся Ю. Лібіх (1823 р.), який отримав «гримучу ртуть» - срібну сіль гримучої кислоти, яка за складом відповідала срібній солі ціанової кислоти, але проявляла інші властивості. З того часу кількість сполук з однаковою брутто – формулою, але різними хімічними властивостями неухильно зростала. Наприклад, Ж. Дюма і Е. Пеліго з’ясували, що метилацетат є аналогом етилформіату.

Я. Берцеліус 1830 р. запропонував для таких сполук термін ізомери (від грецького – однакова частка), а явище їх існування отримало назву ізомерії. На той час відомі приклади ізомерії були пов’язані із структурою сполуки, і її назвали структурною. Ґрунтовне пояснення структурна ізомерія отримала після створення основ теорії хімічної будови. У процесі розвитку теоретичних поглядів органічної хімії Я. Вант – Гоффом і Ж. А. Белем (1874 р.) був обґрунтований інший тип ізомерії – стереоізомерія, яка пояснювала просторове розташування атомів у молекулі та існування стереоізомерів. З часом були відкриті інші типи просторової ізомерії, які належать до конфігураційних і конфірмаційних особливостей будови молекул.

Конфігурація – певне просторове розташування атомів у молекулі, що не може бути перетворено одне в інше при обертанні довкола простих зв’язків.

Конфігурація молекул по суті є якісним критерієм особливості її будови. Так, етан проявляє площинну конфігурацію з кутами між Карбон – Гідроген – зв’язками 120⁰С і перпендикулярним розташуванням до них π – зв’язку. Метан та його похідні характеризуються тетраедричною конфігурацією з кутом між Карбон – Гідроген – зв’язками 109⁰28 .

Конформація – певні просторові форми молекул ,які виникають при внутрішньому обертанні груп атомів довкола простих зв’язків без їх розщеплення.

Явище конформації належить до тонкішої деталізації особливостей будови молекул і пов’язане з обертанням замісників довкола σ- зв’язків, унаслідок чого виникає безліч станів існування молекул – конформерів. Наприклад, в етані безперервно відбувається обертання шістьох Карбон – Гідроген – зв’язків довкола центрального σ _{С – С} зв’язку і молекула весь час знаходиться в певних конформаціях.

При застосуванні поняття конфігурації або конформації молекул виникає проблема їх просторового зображення. Для цього використовують молекулярні моделі, відповідної формули та проекції. Останні застосування для графічного позначення структури на площині.

Молекулярні моделі – це механічні конструкції молекули в певному співвідношенні з фізичною реальністю. Найпоширеніші моделі трьох типів: кулестержньові, Стюарта – Бріглеба і Дрейдінга.

Кулестержньові моделі були одними з перших, за допомогою яких пояснювали просторову будову. Атоми виглядають у них різнокольоровими кульками, які з’єднані між собою стержнями. Подвійному зв’язку відповідають два стержні, потрійному – три. Для кулестержньових моделей можна дотримуватися певного геометричного співвідношення з реальними розмірами молекули (ковалентним радіусом, валентним кутом, довжиною зв’язку). Тому вони зручні при розгляді обертання атомів довкола простого зв’язку і порівнянні оптичних ізомерів між собою.

Моделі Стюарта – Бріглеба дають інформацію про розташування атомів у молекулах з реальними відстанями між атомами і відображають об’єми електронних хмар навколо атомів. Вони певною мірою відтворюють електронне упакування молекул. Але півсферичні моделі Стюарта – Бріглеба непридатні для пояснення величини валентних кутів і обертання замісників довкола зв’язків.

Моделі Дрейдінга демонструють лише зв’язки в молекулі, які розташовані під певними валентними кутами. Ці молекулі показують лише скелет (ланцюг) молекули і корисні при розгляді особливо складних органічних сполук на зразок алкалоїдів, ферментів, біополімерів тощо.

Крім того використовують інші набори моделей, зокрема Фізера – для аналізу геометрії і конформації молекул, Кохрейна – для загального розгляду будови органічних сполук тощо.

З короткої характеристики молекулярних моделей зрозуміло, що кожен їх різновид має свої переваги та недоліки. Вони зручні при безпосередній побудові механічних конструкцій молекул. Головним недоліком при цьому вважають значну витрату часу. Для скорочення процесу побудови молекулярних моделей доцільно застосовувати сучасні ЕОМ. Це дозволяє за допомогою комп’ютерної графіки змінювати та обертати як завгодно тривимірне зображення молекули з кінцевим графічним друком малюнка молекули.

Для показу будови відносно простих молекул на площині застосовують такі проекції або формули:

1. Клиноподібні формули використовують як для насичених, так і для ненасичених сполук.

Кожну молекулу показують як тетраедричні або тригональні конфігурації на площині креслення, і зв’язки, розташовані на цій площині, позначають звичайними рисками. Зв’язки розташовані над (перед) площиною (направлені до спостерігача), позначають зафарбованими клинами, а зв’язки , під (за) площиною (направлені від спостерігача) – не зафарбованими клинами протилежного напрямку.

2. Перспективні формули зображення молекулярних конфігурацій насичених і ненасичених сполук. Вони зручні при розгляді обертання замісників довкола зв’язків для сполук відносно простої будови. Практично для цього частіше користуються проекціями перспективних формул – проекціями М. Ньюмена.

3. Проекційні формули Ньюмена отримують, розглядаючи перспективну формулу уздовж напрямку зв’язку Карбон – Карбон (з боку найближчих до спостерігача груп атомів) так, щоб вісь зв’язку перетворилась у точку. Атом першого до спостерігача вуглецю позначають також точкою, а віддаленого – колом. Проекція Ньюмена використовують при розгляді конфірмаційних ізомерів.

4. Проекційні формули Е. Фішера застосовують з метою позбутися незручності клиноподібних формул і перейти до простіших при розгляді хімічних властивостей оптичних ізомерів.

Таким чином, крім структурної ізомерії існує ще ізомерія, пов’язана з просторовим розташуванням атомів у молекулі. Її називають узагальнюючим терміном – просторовою ізомерією, або стереоізомерією (від. грецької просторовий).

Стереоізомери – молекули, побудовані з однакових атомів і з однаковою послідовністю зв’язків, які відрізняються конфігурацією або розташуванням атомів у просторі.

Взагалі явище ізомерії можна класифікувати таким чином: ізомерія поділяється на структурну і стереоізомерію, структура ізомерія поділяється на статичну і динамічну (таутомерія), стереоізомерія поділяється на енантіометрія, діастереоізомерія, конфірмаційна (поворотна).

Діастереоізомерія включає σ – і π – діастереоізомерію. Остання відоміша як геометрична (цис - , транс – ізомерія). Особливості σ – діастереоізомерії будуть розглянуті нижче.