Методические указания по изучению дисциплины и задания для выполнения контрольных работ для студентов-заочников - umotnas.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1страница 2страница 3
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Методические указания, контрольные задания и типовые примеры по теоретической... 8 994.88kb.
Методические указания и оборазцы выполнения контрольных заданий для... 1 163.81kb.
Методические указания, контрольные задания и методика выполнения... 3 746.11kb.
Методические указания по самостоятельному изучению дисциплины, задания... 3 1199.85kb.
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников... 1 310.89kb.
Методические указания по выполнению контрольных работ по дисциплине... 2 704.74kb.
Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ для... 1 918.56kb.
Темы контрольных работ 1 201.13kb.
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников... 4 821.38kb.
Методические указания по выполнению контрольных работ для студентов... 1 272.62kb.
Методические указания и контрольные задания по предмету «навигация... 2 460.74kb.
Баллы для научных сотрудников подразделения за 2011-2012 гг. 1 244.79kb.
Викторина для любознательных: «Занимательная биология» 1 9.92kb.

Методические указания по изучению дисциплины и задания для выполнения контрольных - страница №1/3



Министерство сельского хозяйства

и продовольствия республики беларусь




­­­­­­­­главное управление образования, науки и кадров




Учреждение образования

«Белорусская государственная

сельскохозяйственная академия»


Кафедра химии

Органическая

и биологическая химия
Ч а с т ь 1
Методические указания по изучению

дисциплины и задания

для выполнения контрольных работ
для студентов-заочников

специальности 1-74 03 01 – зоотехния

Горки 2005

Одобрено методической комиссией агробиологического факультета 22.03.2005.

Составили: А. Р. ЦЫГАНОВ, И. В. КОВАЛЕВА, И. В. Сучкова.

УДК 547+547.19(072)



Органическая и биологическая химия. Ч а с т ь 1: Методические указания/Белорусская государственная сельскохозяйственная академия; Сост. А. Р. Ц ы г а н о в, И. В. К о в а л е в а, И. В. С у ч к о в а. Горки, 2005. 76 с.
Приведены методические указания по выполнению контрольных работ по органической химии, варианты заданий, рекомендуемая литература и вопросы для самоконтроля при изучении основных тем курса.

Для студентов-заочников специальности 1-74 03 01–зоотехния.

Таблиц 1. Библиогр. 8.
Рецензент М. М. МУРТАЗАЕВ, канд. биол. наук, доцент.

Составление. А. Р. Цыганов,



И. В. Ковалева, И. В. Сучкова, 2005

Учреждение образования



«Белорусская государственная

сельскохозяйственная академия», 2005

ВВедение
Настоящее и будущее научно-технического прогресса всецело определяется стремительным развитием различных отраслей современного естествознания. Среди них одно из ведущих мест по праву принадлежит органической и биологической химии.

Перед работниками сельского хозяйства в области животноводства поставлена сложная задача по увеличению приспособленности животных и реализации генетического потенциала продуктивности. Ускоренное решение этой проблемы может быть достигнуто при широком внедрении в практику животноводства новейших достижений биологической науки, в том числе биохимии. Выяснение обменных процессов в организме животного позволит выработать приемы регулирования, интенсивного выращивания, использования животных. Это связано с тем, что продуктивные и племенные качества животного обуславливаются уровнем биохимических процессов в организме. В связи с этим возрастает значимость изучения органической и биологической химии, так как индивидуальные характеристики животного по взаимосвязи хозяйственных показателей с уровнем в организме (например, в крови) тех или иных органических соединений могут быть использованы как тесты для прогнозирования продуктивности животных. Это, в свою очередь, позволит вести эффективную и целенаправленную селекционную работу.

Таким образом, освоение материала по органической и биологической химии даст возможность студентам углубить знания в области химических дисциплин и тем самым окажет положительное влияние на формирование биологического мышления будущего специалиста-животновода высшей квалификации.

Настоящие методические указания составлены в соответствии с программой курса «Органическая и биологическая химия», утвержденной Главным управлением образования и кадров 26 декабря

2000 г. по специальности С 02.01.00 – зоотехния.

Весь материал в соответствии с программой разбит на отдельные темы. В отдельную тему выделены основные теоретические вопросы, касающиеся особенностей соединений углерода, их многообразия и роли в живой природе. В первой теме даны сведения об основных положениях теории строения органических соединений А. М. Бутлерова, типах химических связей и механизмах реакций. В остальные темы включена характеристика отдельных классов органических соединений. Помимо вопросов органической химии, согласно программы дисциплины, в настоящих методических указаниях рассматриваются две темы статической биохимии: «ферменты» и «витамины». Данные темы предполагают изучение строения, физико-химических свойств и поведение в живом организме ферментов и витаминов. Органическая химия является фундаментом для последующего освоения материала по биохимии животных. Поэтому, чтобы приобрести знания по биологической химии, студенту, прежде всего, необходимо хорошо знать теоретические основы органической химии, строение и свойства органических соединений.

В период лабораторно-экзаменационной сессии по общетеоретическим и труднодоступным для понимания вопросам студентам читаются лекции.

Основной формой учебы студента-заочника является самостоятельная работа с рекомендуемой литературой. Приступая к изучению дисциплины, целесообразно вначале ознакомиться с программой и прочитать весь материал, включенный в программу по учебнику. Для основательного освоения материала рекомендуется конспектировать отдельные положения, формулировки, выводы и тренироваться в написании строения формул органических веществ и уравнений реакций.

После изучения каждой темы необходимо ответить на вопросы для самопроверки, приведенные в методических указаниях. Только после этого можно приступить к выполнению контрольной работы. При необходимости студент может получать на кафедре письменные и устные консультации преподавателей.

В соответствии с учебным планом, до вызова на сессию, студенты зооинженерного факультета выполняют две контрольные работы (одну – по органической химии, другую – по биологической химии).

Вопросы и условия задач контрольной работы студент обязан переписывать полностью и указывать номера задач в соответствии с его шифром.

Если контрольная работа преподавателем не зачтена, то студент выполняет ее повторно, учитывая при этом замечания рецензента. Исправлять и удалять замечания рецензента нельзя. Исправленные и доработанные ответы оформляют в этой же тетради.

Учебный процесс в период сессии состоит из лекций, лабораторных занятий, консультаций, зачета (по органической химии) и экзамена (по биологической химии). Курс лекций и лабораторно-практические занятия проводятся согласно учебному плану.
1. Органическая химия
1.1. Теоретические основы органической химии
Органическая химия – химия соединений углерода. В связи с этим необходимо вспомнить из курса общей химии строение атома углерода и его валентное состояние с различными типами гибридизации (sp3, sp2, sp), особенности σ-, π-связей, которые встречаются в органических соединениях. Уяснить основные понятия органической химии: гомологический ряд, гомолог, углеводородный радикал, функциональная группа, изомерия.

Необходимо основательно разобраться в номенклатуре органических соединений (тривиальной, рациональной, систематической) и научиться давать названия различным веществам по систематической номенклатуре.

В молекулах органических соединений встречаются различные типы связей (ковалентная, электровалентная, водородная, семиполярная), необходимо вспомнить способ образования указанных связей.

Для более полного восприятия и глубокого понимания вопросов курса органической химии следует обратить серьезное внимание на основные положения теории строения органических соединений А. М. Бутлерова:

1. В молекулах соединений существует определенный порядок связи атомов, который и носит название строения.

2. Химические свойства соединения определяются составом и строением его молекул.

3. Различное строение при одном и том же составе и молекулярной массе вещества обуславливает явление изомерии.

4. Химический характер атомов, входящих в молекулу, меняется в зависимости от того, с какими атомами они связаны в данной молекуле.

Это изменение химического характера обуславливается главным

образом взаимным влиянием непосредственно связанных атомов. В настоящее время различают две основные формы такого влияния: индуктивный эффект и эффект сопряжения.

Все химические превращения могут осуществляться в строго определенных условиях (температура, давление, катализатор, растворитель), в значительной мере зависящих от механизма реакции. Под механизмом реакции подразумевают способ разрыва имеющихся валентных связей и образование новых, а также совокупность состояний, через которые проходят реагирующие вещества.

По способу разрыва старых связей и образования новых различают гомолитические и гетеролитические реакции, в зависимости от того, разрываются ли связи «симметрично» или «несимметрично». Объясним более подробно.

(1)

А• + •В

А׃ В (2) А׃σ- + Вσ+



(3) Аσ+ + ׃Вσ-


Механизм (1) называется гомолитическим (радикальным). Образующиеся незаряженные частички А• и •В, имеющие неспаренные электроны, называются радикалами. Радикальный механизм характерен, например, для реакций замещения водорода в молекулах предельных углеводородов.

Механизмы (2) и (3) – гетероциклические (ионные) способы разрыва связей. Ковалентные связи разрываются несимметрично: обобщенная пара электронов передается одному атому, обладающему большей электроотрицательностью.

Частицы, несущие положительный заряд (Аσ+, Вσ+), например Н+, N+O2, H3+O, а также молекулы, имеющие центры с пониженной электронной плотностью (H2SO4, BF3, AlCl3), – называются электрофильными реагентами, а реакции, в которых они участвуют – электрофильными. Примером может служить реакция электрофильного замещения в молекулах ароматических углеводородов.

Частицы, несущие отрицательный заряд (А:σ-, В:σ-) –CN-, –OH-,

­–NH2-, HAl, RCOO- и др., а также молекулы, имеющие центры с повышенной электронной плотностью (NH3, NR3), называются нуклеофильными реагентами. Реакции, в которых они принимают участие, – нуклеофильные. Примером может служить щелочной гидролиз галогенпроизводных.

Как правило, электронная плотность в молекулах соединений

располагается несимметрично. Симметричное распределение электронной плотности характерно для соединений с ковалентной неполярной связью (H-H, Cl-Cl). Если же в состав молекулы входят атомы элементов с разной электроотрицательностью, то происходит смещение электронной плотности к атому с большей электроотрицательностью +, -.

Индуктивный эффект (I-эффект) – эффект смещения электронной плотности вдоль σ-связей. Тот атом, который притягивает к себе электронную пару связи, обладает отрицательным индуктивным эффектом (-I-эффект). Например, CH3σ+ Iσ-. Тот атом, который смещает электронную пару связи в сторону другого атома, обладает положительным индуктивным эффектом (+I-эффект). Например, CH3σ-Naσ+. При этом на атомах возникают эффективные частичные долевые заряды, обозначаемые +, -.

Индуктивный эффект может передаваться по цепи атомов с быстрым затуханием:

σ"+ σ'+ σ+ σ- σ+ > σ'+ > σ"+

CH3  CH2  CH2  Cl

π-связи характеризуются большей легкостью смещения электронов, чем σ-связи:

σ+  σ-

CH3CH=CH2 (+I-эффект).



Если в молекуле имеются двойные связи, чередующиеся с простыми, то такие связи называются сопряженными. Например, в молекуле бутадиена-1,3

1 2 3 4


CH2=CH-CH=CH2.

Атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации, т. е. имеют по одной негибридной р-орбитали, которые перекрываются не только у первого и второго, третьего и четвертого атомов, но и у второго и третьего, образуя для всех четырех атомов единое π-электронное облако. Таким образом, образуется общая система разделения электронной плотности.

Эффект сопряжения или мезомерный эффект (М-эффект) – это эффект перераспределения электронной плотности в молекуле, происходящий с участием π-орбиталей. В отличие от индуктивного эффекта мезомерный эффект с расстоянием не затухает. Мезомерный эффект принято считать (как и индуктивный) отрицательным, если замести-

тель оттягивает электроны связи на себя (-М-эффект), и положитель-

ным (+М-эффект), если он отдает их в цепь:

Oσ-



C σ+=C–C C=C-O-CH3

Н

-М – эф. группы С=О +М – эф. группы –О–СН3


Л и т е р а т у р а: [1, с.11-13, 25-82].
Вопросы для самопроверки
1. Приведите электронные конфигурации атома углерода в основном и возбужденном состоянии.

2. Какие виды гибридизации возможны для атома углерода? Охарактеризуйте в каждом случае форму и пространственную направленность атомных орбиталей.

3. Дайте определение σ- и π-связям.

4. Какие частицы называются свободными радикалами? Чем они отличаются от ионов? Приведите примеры органических радикалов.

5. Дайте характеристику основным типам связи в молекулах органических соединений.

6. В чем особенности индуктивного эффекта и эффекта сопряжения?

7. В чем различие между гетеролитическим и гомолитическим способами разрыва ковалентных связей?
Углеводороды
Изучение органической химии необходимо начинать с класса углеводородов. Это объясняется не только тем, что они имеют простой состав, но главным образом тем, что углеводороды являются как бы родоначальниками всех других классов органических соединений.

Углеводороды – класс простейших органических соединений, состоящих из углерода и водорода. Путем замещения атомов водорода различными группами или радикалами из углеводородов можно получить самые разнообразные соединения.

В зависимости от характера строения углеводородного скелета и связи между атомами углерода, углеводороды делятся на предельные, непредельные и ароматические.

В свою очередь соединения перечисленных углеводородов группи-

руются в гомологические ряды, в которых каждый последующий гомолог отличается от предыдущего на группу –СН2–, называемую гомо-

логической разностью. Каждый гомологический ряд объединяет большое количество соединений и имеет свою общую формулу.

По характеру строения углеводородного скелета углеводороды делятся на ациклические (алифатические) и циклические. Ациклические углеводороды имеют открытую неразветвленную или разветвленную цепь:

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-CH=CH2-CH3

пентан CH3

2-метилбутан (изопентан)

CH3

CH3-C-CH3

CH3

2,2-диметилпропан (неопентан).

В зависимости от наличия в молекуле алифатических углеводородов одинарных и кратных углерод-углеродных связей они делятся на насыщенные (алканы) и ненасыщенные (алкены, алкины и др.).

Циклические углеводороды в зависимости от строения циклов делятся на алициклические (насыщенные и ненасыщенные) и ароматические.



CH3

циклогексан циклогексен бензол толуол



Общие обозначения и названия наиболее распространенных классов органических соединений, получаемых на основе

углеводородов

R-Hal** R-OH

галогенпроизводные спирты и фенолы

О

R-C R* - H R-NH2



H амины

альдегиды

R-C-R O R-NO2

O R-C нитросоединения

кетоны OH

карбоновые кислоты

R* - остаток углеводорода (радикал)

Hal** - галогены (фтор, хлор, бром, йод)
Л и т е р а т у р а: [1, с. 115-190].

Предельные углеводороды (алканы)
Предельными углеводородами (алканами) называются соединения, состоящие из атомов углерода и водорода, соединенных между собой только σ-связями и не содержащие циклов. В алканах атомы углерода находятся в степени гибридизации sp3. Общая формула ряда СnH2n+2.

Первые углеводороды гомологического ряда получили случайные названия (тривиальные): СН4 – метан, СН3-СН3 – этан, СН3-СН2-СН3 – пропан, СН3-(СН2)2-СН3 – бутан. В основу названий следующих неразветвленных гомологов были положены греческие числительные, соответствующие числу атомов углерода с окончанием – ан: пентан, гексан и т.д.

Если от молекулы предельного углеводорода отнять атом водорода, то остаток называется алкильным радикалом R: CH3 – метил; С2Н5 – этил; С3Н7 – пропил и т.д.

При выведении структурной формулы углеводородов следует обратить внимание на то обстоятельство, что молекулы их могут быть не только с прямой цепью, но и с разветвленной.

Органические соединения, имеющие одинаковый химический состав, но различную структурную формулу , называются изомерами. Для алканов характерна изомерия углеродного скелета (структурная).

C4H10


CH3-(CH2)2-CH3 CH3-CH­-CH3

бутан CH3

2-метилпропан (изобутан)

Углеродные атомы, составляющие цепь в молекулах углеводородов и их производных, могут быть первичными, когда они соединены с одним атомом углерода, вторичными – с двумя атомами углерода, третичными – с тремя атомами углерода и четвертичными – с четырьмя.



I

СH3



I II III IV I

CH3–CH2–CH–C–CH3



I I

CH3 CH3

I – первичный атом

II – вторичный атом

III – третичный атом

IV – четвертичный атом.


Атомы водорода при таких атомах углерода соответственно называются первичными, вторичными, третичными.

С конца прошлого столетия начала разрабатываться международная систематическая номенклатура, которая претерпела ряд преобразований и в конечном варианте получила название номенклатура ИЮПАК (международный союз по чистой и прикладной химии). Согласно этой номенклатуре, все органические вещества рассматриваются как производные неразветвленно построенных углеводородов. За основу выбирается самая длинная и самая сложная углеродная цепь. Нумерацию начинают с того конца, от которого ближе разветвление. Если разные углеводородные радикалы (алкилы) находятся на равном расстоянии от обоих концов цепи, то нумерацию начинают с того конца, к которому ближе радикал с меньшим числом атомов углерода. Несколько одинаковых заместителей обозначают приставками от греческих числительных: ди-, три-, тетра- и т. д. Цифрами показывается положение этих заместителей в главной цепи. В заключение называется нормальная углеводородная цепь:

1 2 3 4 5

CH3-CH-CH-CH2-CH3 2-метил-3-этилпентан

СH3 CH2

CH3


CH3

1 2 3 4 5

CH3-C-CH2-CH-CH3 2,2,4-триметилпентан.

CH3 CH3

Приступая к изучению химических свойств, следует иметь в виду, что предельные углеводороды при обычных условиях обладают большой химической инертностью. Это объясняется тем, что все σ-связи углерод-углерод и углерод-водород в них весьма прочны. К реакциям присоединения они вообще не способны вследствие насыщенности всех связей атомов углерода. Алканы устойчивы к действию кислот, щелочей и даже таких сильных окислителей как хромовая кислота и перманганат калия. При высоких t алканы сгорают с образованием углекислого газа и воды:

CH4 + 2O2  CO2 + 2 H2O.

Для предельных углеводородов характерными реакциями являются реакции радикального замещения (галогенирование, нитрование, сульфирование), обязательными условиями которых являются облучение ультрафиолетовыми лучами или нагревание.

Классический пример – хлорирование алканов. На первой стадии под влиянием света происходит гомолитический разрыв связи в моле-

куле хлора, и она распадается на 2 радикала:


  1. Cl : Cl 2Cl • инициирование цепи

На следующей стадии реакции радикал Cl• атакует молекулу алкана, образуя хлороводород и генерируя алкильный радикал:

2) CH4 + Cl• HCl + CH3• рост цепи

CH3• + Cl2  CH3Cl + Cl•

Течение цепной реакции ограничивается процессами обрыва цепи, при которых радикалы, реагируя между собой, выбывают из процесса:

3) CH3• + CH3•  CH3-CH3

Cl• + Cl•  Cl2 обрыв цепи

CH3• + Cl•  CH3Cl

Общая схема реакции такова:

CH4 + Cl2  CH3Cl + HCl

хлористый метил (хлорметан)

CH3Cl + Cl2  CH2Cl2 + HCl

хлористый метилен (дихлорметан)

CH2Cl2 + Cl2  CHCl3 + HCl

хлороформ (трихлорметан)

CHCl3 + Cl2  CCl4 + HCl

четыреххлористый углерод (тетрахлорметан).

Бромирование и нитрование проходит селективно только по третичному атому углерода:

Br

CH3-CH-CH3+Br-Br CH3-C-CH3



CH3 -HBr CH3

2-бром-2-метилпропан

NO2

CH3-CH-CH3+HO-NO2 CH3-C-CH3

CH3 - HOH CH3

2-нитро-2-метилпропан

(реакция Коновалова)
Л и т е р а т у р а: [1, с. 120-132].
Вопросы для самопроверки
1. В чем заключаются основные положения теории строения органических соединений?

2. Что такое гомологические ряды и их значение в органической химии?

3. Что такое изомерия? Напишите изомеры гептана.

4. Напишите структурные формулы: а) 4-изопропилгептана;

б) 2,3-диметилбутана; в) 2,2-диметил-3-этилоктана.

5. Какие реакции свойственны предельным углеводородам?


Этиленовые углеводороды (алкены)
Углеводороды, содержащие одну π-связь (т.е. двойную связь), называются алкенами или, по первому члену ряда – этилену, этиленовыми углеводородами. Общая формула гомологического ряда CnH2n. Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp2-гибридизации.

Название каждого члена гомологического ряда этиленовых углеводородов соответствует названию предельного углеводорода с тем же числом атомов углерода, но только окончание «ан» замещается на «ен».

CH3-CH3 CH3-CH2-CH3

этан пропан


CH2=CH2 CH2=CH-CH3

этен пропен

При названии этиленовых углеводородов с разветвленной цепью углеродных атомов в качестве главной цепи выбирают цепь, включающую двойную связь, даже если эта цепь и не является самой длинной. Нумерацию проводят так, чтобы атом углерода, от которого начинается двойная связь, получал наименьший номер, этим номером и указывают положение двойной связи.

1

CH2



2CH

1 2 3 4 3 4 5 6 7

CH2=CH-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH-CH2-CH2-CH2-CH3

CH3

3-метилбутен-1 3-пропилгептен-1

В гомологическом ряду алкенов благодаря наличию двойной связи появляется уже несколько видов изомерии:

1) Изомерия углеродного скелета.

2) Изомерия положения двойной связи.

CH2=CH-CH2-CH3  CH3-CH=CH-CH3

бутен-1  бутен-2.

3) Пространственная геометрическая (цис-, транс-изомерия).
Геометрические изомеры различаются пространственным расположением заместителей по отношению к двойной связи. Если одинаковые заместители расположены по одну сторону плоской двойной связи, то изомеры называются цис-, если по разные стороны, то транс-изомерами.

H CH3 H CH3

C C

C C


H CH3 H3C H

цис-бутен-2 транс-бутен-2

Изучая алкены, необходимо усвоить, что их химические свойства определяются прежде всего наличием π-связи. Эти соединения проявляют непредельный характер, т. е. легко вступают в реакции присоединения с разрывом π-связи и образованием насыщенных соединений.

Присоединение водорода к алкенам приводит к образованию алканов:

R-CH=CH2 + H2 R-CH2-CH3

Галогены присоединяются к алкенам с образованием вицинальных дигалогенпроизводных, т.е. содержащих атомы галогена у соседних атомов углерода:

R-CH=CH2 + Br2 R-CH-CH2.

Br Br


Полярные вещества, такие как галогенводороды, вода и др., в случае несимметричных алкенов присоединяются селективно по правилу Марковникова, т. е. водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода (связанному с наибольшим числом атомов водорода), а оставшаяся часть молекулы – к менее гидрогенизированному.

+ -


+HCl

+- R-CH-CH3

R-CH=CH2 Cl

+HOH

R-CH-CH3

OH

Полярность молекулы алкена обусловлена положительным индуктивным эффектом алкильной группы (+I –эф.), сдвигающей π-электронное облако в сторону наиболее обогащенного водородом ненасыщенного атома углерода.



Следует обратить внимание на такие реакции алкенов, как окисление и полимеризация, в результате которых получаются ценные про-

дукты, имеющие большое народнохозяйственное значение.


Л и т е р а т у р а: [1, с. 135-146].
Вопросы для самопроверки
1. Какие виды изомерии характерны для этиленовых углеводородов? Покажите на примере углеводорода C4H8.

2. Напишите структурные формулы следующих соединений: 2-метилпентен-1; 2,3,4-триметилпентен-2, 3-метилбутен-1.

3. Изложите основные химические свойства этиленовых углеводородов и приведите уравнения реакций.

4. В чем заключается правило Марковникова? Напишите уравнение реакции взаимодействия пропена с HBr.

5. Особенности окисления алкенов в нейтральной и кислой средах. Напишите уравнения реакций окисления пропена в нейтральной и кислой средах.

6. Напишите схемы полимеризации этилена, пропилена.


Ацетиленовые углеводороды (алкины)
Ацетиленовые углеводороды относятся к ненасыщенным соединениям, имеют общую формулу CnH2n-2 и характеризуются наличием одной тройной связи между атомами углерода. Тройная связь представляет собой сочетание одной σ-связи и двух π-связей, углерод при этом находится в состоянии sp-гибридизации.

По международной номенклатуре ацетиленовые углеводороды называются алкинами. Каждый член гомологического ряда алкинов называется в соответствии с числом углеродных атомов и добавляется окончание -ин.

HCCH HCC-CH3

этин пропин

Изомерия ацетиленовых углеводородов обусловлена строением углеводородного скелета и местоположением тройной связи:

HCC–CH2–CH2–CH3 HCC–CH–CH3

CH3

пентин-1 3-метилбутин-1


HCC-CH2-CH3 CH3-CC-CH3

бутин-1 бутин-2

Алкины изомерны алкадиенам.

При изучении химических свойств алкинов обратите внимание, что типы реакций для них характерны те же, что и у алкенов: присоединение, оксиление и полимеризация.

У алкинов следует обратить внимание на своеобразие реакции присоединения воды (реакция Кучерова). Разберитесь в механизме этой

реакции. Большое значение имеют реакции присоединения к ацетилену синильной кислоты, спиртов, карбоновых кислот, альдегидов, кетонов, так как продукты этих реакций используются в народном хозяйстве.

В отличие от алкенов для алкинов характерна реакция замещения атома водорода, находящегося у тройной связи, на металлы.
Л и т е р а т у р а: [1, с. 147-154].
Вопросы для самопроверки
1. Какие углеводороды называются алкинами?

2. Напишите структурные формулы следующих соединений: 3-ме-тилпентин-1, этилизопропилацетилен.

3. Напишите уравнения реакций присоединения избытка (одного или двух молей) водорода, хлора, хлористого водорода к ацетилену.

4. Напишите уравнения реакций взаимодействия ацетилена и метилацетилена с водой.

5. Напишите уравнения реакций димеризации, тримеризации ацетилена.
Ди- и полиеновые углеводороды
Диеновыми углеводородами называются углеводороды с двумя двойными связями. Их общая формула CnH2n-2. Названия диеновых углеводородов образуются от названий соответствующих предельных углеводородов с добавлением окончания «диен». Цифрами указывается положение двойных связей:

CH3-CH2-CH2-CH3 ; CH2=CH-CH-CH2

бутан бутадиен-1,3

При изучении диеновых углеводородов обратите внимание на изомерию ненасыщенных связей. В зависимости от местоположения двойных связей диены подразделяются на углеводороды с кумулированными связями (две двойные связи расположены у одного атома

углерода), сопряженными (две двойные связи разделены одной

одинарной), изолированными (двойные связи разделены двумя и более одинарными связями). У диеновых углеводородов имеет место и изомерия углеродного скелета.

При изучении химических свойств диеновых углеводородов обратите внимание на свойства сопряженных диенов. Присоединение к ним реагентов может протекать как в положение 1,4, так и 1,2. В случае присоединения по концам молекулы (1,4) происходит перемещение двойной связи в положение 2,3.

σ+σ-


+HCl

CH2-CH=CH-CH3

Cl

1-хлорбутен-2



CH2=CH-CH=CH2

+HCl


CH2=CH-CH-CH3

Cl

3-хлорбутен-1



При полимеризации алкадиенов-1,3 образуются каучуки:

nCH2=CH-CH=CH2(-CH2-CH=CH-CH2-)n

бутадиеновый каучук



nСH2=C-CH=CH2  (-CH2-C=CH-CH2-)n

CH3 CH3

изопреновый (натуральный) каучук

Структура изопрена очень распространена в природе и входит во многие природные соединения. Все соединения, углеродный скелет которых построен из изопреновых единиц, соединенных последовательно «голова к хвосту», называют изопреноидами.



–С–С = С–С–

СH3

голова хвост

В эфирных маслах растений, растительных смолах, бальзамах находятся терпены – непредельные углеводороды состава C10H16, а также сексвитерпены и дитерпены составов C15H24 и C20H32. Широко распространены в природе каротиноиды C40H56, являющиеся провитамином витамина А.


Л и т е р а т у р а: [1, с. 155-165].
Вопросы для самопроверки
1. Какие углеводороды называются диеновыми?

2. Напишите формулы изомеров пентадиена и укажите типы связи

(кумулированные, сопряженные, изолированные).

3. Напишите уравнения реакций взаимодействия бутадиена-1,3 с бромом и бромоводородом.

4. Напишите уравнение полимеризации изопрена. Как используется полученный полимер в народном хозяйстве.
Ароматические углеводороды (арены)

Характерной особенностью ароматических углеводородов является то, что их молекулы представляют собой плоские циклы, содержащие (4n+2) обобщенных электронов (правило Хюккеля), где n может принимать значения 0, 1, 2, 3 и т.д. Согласно этому правилу, системы, содержащие 2, 6, 10, 14 и т. д. обобщенных р-электронов, являются ароматическими. Важнейшими представителями ароматических углеводородов являются бензол

и его гомологи, образующиеся в результате замещения атомов водорода бензольного кольца алифатическими радикалами, например толуол:



CH3.
Эти соединения содержат делокализованную систему из 6(р)-электронов (n=1).

Общая формула гомологического ряда бензола CnH2n-6. Первый гомолог бензола – толуол не имеет изомеров положения, так как все шесть атомов углерода бензольного кольца равноценны. Второй гомолог может существовать в виде четырех изомеров:

CH2-CH3 CH3 CH3 CH3

CH3

CH3



CH3

этилбензол ортоксилол метаксилол параксилол

(1,2-диметилбензол) (1,3-диметилбензол) (1,4-диметилбензол)

По химическому составу бензол и его гомологи являются непредельными соединениями. Их непредельный характер не проявляется в типичных реакциях. Они не обесцвечивают бромную воду, устойчивы в обычных условиях к действию окислителей. Для ароматических соединений в основном характерны реакции замещения(1, 2, 3, 4), а не присоединения (5, 6).


Важнейшие реакции бензола
к. HNO3 NO2 NO2

[H2SO4]

NO2

1 Br2 Br

2


[FeBr3]

к. HO-SO3H

3 SO3H



4 CH3

CH3Cl

CH3 CH3

5 [AlCl3]



3H2

6 кt, t

3Cl2 Cl Cl



hν Cl Cl


Cl Cl

В реакциях замещения производных бензола следует учитывать, что каждый заместитель в бензольном ядре обладает определенным направляющим действием. Все заместители делятся на 2 группы:

1. заместители первого рода, или орто-пара-ориентанты.

К заместителям этого рода относятся –NH2, - OH, алкильные радикалы, галогены. Эти заместители, обладая положительным индуктивным и мезомерным эффектом, увеличивают электронную плотность бензольного кольца (за исключением галогенов), особенно в орто- и параположениях, в которые и направляются электрофильные реагенты.



CH3 OH

σ - σ- σ- σ-

σ- σ-

+I - эф. гр. –CH3 +M – эф. гр. – OH



Например: при моносульфировании толуола получается 2 изомера:
CH3 CH3 CH3

σ- σ+ SO3H

+ HO-SO3H

-HOH


σ- о-толуолсульфокислота SO3H

n-толуолсуль-

фокислота

2. Заместители второго рода или мета-ориентанты. К ним относятся заместители, обладающие отрицательным индуктивным или мезомерным эффектами:

+ + σ+ σ+ O σ+ O σ+ O

-NH3; -NO2; -SO3H; –C ; –C ; –C .

H R OH

Они оттягивают электронную плотность от бензольного кольца и дезактивируют его. Реакции протекают трудней, чем в бензоле. В наибольшей степени обедняются электронной плотностью орто- и параположения, в метаположениях она несколько выше, что и обусловливает большую реакционную способность мета- положения:



+

NO2



++
--

+



-I-эф. и М-эф. группы NO2.

Например, при моносульфировании нитробензола получается один изомер нитробензолсульфокислоты:

NO2 NO2



+ НО–SO3H

SO3H

м-нитробензолсульфокислота

При окислении гомологов бензола боковые цепи любой длины превращаются в конечном итоге в карбоксильные группы. В результате этого образуются кислоты ароматического ряда, окисление протекает по -атому:





СH2–CH3 СOOH+CO2+H2O

этилбензол бензойная кислота


Л и т е р а т у р а: [1, с. 168-189].


Вопросы для самопроверки
1. Классификация ароматических углеводородов.

2. Напишите формулы изомеров ксилола.

3. Какие типы реакций характерны для аренов?

4. На какие группы делятся заместители по характеру своего направляющего действия?

5. Напишите уравнения реакций нитрования и бромирования бензола, толуола.

6. Что такое гексахлоран, как он получается и где применяется?


Галогенпроизводные углеводородов
Галогенпроизводными углеводородов называются органические соединения, образующиеся при замене атомов водорода в углеводородах на атомы галогенов (фтор, хлор, бром, йод).

В зависимости от числа атомов водорода, замещенных галогеном, различают моно-, ди-, тригалогенпроизводные и т. д. Например:

СН3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4

хлористый хлористый хлороформ четыреххлористый

метил метилен углерод

Галогенпроизводные – продукты многотоннажного производства, среди которых такие ценные вещества, как пестициды, растворители, хладоагенты (фреоны), мономеры для каучуков и пластмасс. Они являются обезболивающими и обеззараживающими веществами. Для названия галогенпроизводных по системе ИЮПАК, нумерацию цепи начинают с того конца, ближе к которому стоит атом галогена.

4 3 2 1

СН3–СН–СН–СН3



СН3 Сl

2-хлор-3-метилбутан

Существует несколько способов получения галогенпроизводных: галогенирование углеводородов, замещение гидроксила на галоген, присоединение галогенов и галогенводородов по кратным связям.

У галогенпроизводных галоген непрочно соединен с углеродом (полярная связь) С+Наl-, поэтому галоген легко отщепляется, замещаясь на различные группы.


Типичные реакции галогеналканов:
Na+OH-

R–OH+ NaHal

спирт


R’O–Na

R–O–R’+NaHal

простой эфир

O

R’C О


O-Na+ R–C + NaHal

О–R


R–Hal cложный эфир

К+CN-

R–CN + KHal

нитрил


Na+NO2-

R–NO2 + NaHal

нитросоединение

избыт. NH3

R–NH2 + HHal

амин
Л и т е р а т у р а: [1, с. 209-221].


Вопросы для самопроверки
1. Какие вещества называются галогенпроизводными? Их классификация и номенклатура.

2. Напишите структурные формулы всех изомеров состава C5H11Br. Назовите их по тривиальной и систематической номенклатурам. Что такое изомерия положения и что такое изомерия углеродного скелета? Какие из этих бромистых алкилов являются первичными, вторичными, третичными?

3. Какими способами можно получить хлорэтан? Напишите соответствующие уравнения реакций.

4. Хлороформ, его получение и применение.

5. Напишите схемы полимеризации хлоропрена и хлорвинила.

Напишите уравнения реакций взаимодействия 2-бромпропана с цианидом калия, с металлическим натрием, с аммиаком, со спиртовым раствором щелочи и с ацетатом серебра.



Спирты
Спирты – это производные углеводородов, где одна или несколько

групп –ОН связаны с углеводородным радикалом.

В зависимости от числа гидроксогрупп спирты делятся на одно-,

двух-, трехатомные и т. д. Общая формула ряда предельных одноатомных спиртов CnH2n+1–OH.

В зависимости от того, с каким радикалом связаны гидроксогруппы, спирты делятся на первичные, вторичные и третичные:

R

R–CH2–OH R–CH–R R–C–R



OH OH

первичный вторичный третичный

спирт спирт спирт
В соответствии с номенклатурой ИЮПАК, при построении названия одноатомного спирта к названию соответствующего предельного углеводорода добавляется суффикс –ол.

CH3–CH2–CH2–OH – пропанол-1 CH3–CH–CH3 – пропанол-2

ОН

При определении начала нумерации гидроксогруппа имеет преимущество перед галогенами, двойной (тройной) связью, алкильными радикалами. Следовательно, нумерацию начинают с того конца цепи, ближе к которому находится гидроксогруппа. Если же в молекуле имеются более старшие группы, то группа –ОН получает название «окси».



4 3 2 1

СН2=СН–СН–СН2–ОН – 2-хлорбутанол-1-ен-3

Cl
1 2 3 4 5

СН3–С–СН2–СН–СН3 – 4-оксипентанон-2

О ОН

В ряде случаев для названия спиртов используется тривиальная номенклатура.



Спирты не обладают ярко выраженными кислотными или основными свойствами, но алкильный радикал в молекуле спирта вызывает смещение электронной плотности к атому кислорода. Диссоциация связи С–ОН проходит в большей степени, чем диссоциация связи О–Н, поэтому легче идут реакции замещения гидроксила.

При изучении химических свойств необходимо обратить серьезное внимание на реакцию окисления первичных и вторичных спиртов, на

реакцию образования алкоголятов, гликолятов, глицератов, сахаратов, а также на получение простых и сложных эфиров.

Наряду с этим надо иметь в виду , что химический характер соединения определяется не только реакциями той группы, которая характе-

ризует данный класс органических веществ, но и реакциями связанного с ней радикала. Этим объясняется различие в химических свойствах предельных и непредельных спиртов жирного ряда.

Типичные реакции спиртов:

Na

R–O-Na+

H–Hal R–Hal

или PHal3

R–OH PHal5





R–COORH Rэ–COOR

180oC



H2C=CH2

(к)H2SO4 140oC

C2H5OH C2H5–O–C2H5

0oC



C2H5–O–SO3H
Реакции окисления:

О О


R–CH2OH  R–C  R–C

H OH


первичный альдегид кислота

спирт
R–CH–R  R–C–R

OH O

вторичный кетон



спирт

полное


Спирты  CO2 + H2O

сгорание


Для многоатомных спиртов характерны реакции одноатомных спиртов с тем лишь различием, что в реакции могут участвовать как одна, так и более спиртовых групп. Строение глицерина С3Н8О3 доказывается тем, что он образует три ряда производных: моно-, ди- и триметаллические производные (глицераты), кроме того, при действии

избытка галогенводородной кислоты (например НBr) он превращается

в вещество состава С3Н5Br3. Следовательно, в его молекуле находятся 3 гидроксильные группы С3Н5(ОН)3.

Получают глицерин гидролизом жиров, брожением сахаристых веществ, а также синтетическим путем из пропилена.

Окисляясь, глицерин образует глицериновый альдегид и диоксиацетон:

О

СН2ОН СН2(ОН)–СН(ОН)–С



Н

СНОН [O]



CH2OH CH2(OH)–C–CH2OH

O следующая страница >>