Решение задач по органической химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Задача № 1

2. Задача № 2

3. Задача № 3

4. Задача № 4

Список литературы

Задача №1

1. Как доказать, что в составе молока есть белок (казеин) и углевод (лактоза), имея в распоряжении только щёлочь и сульфат меди? Ответ аргументируйте написанием уравнений качественных реакций. Объясните химическую природу казеина и лактозы.

Решение

В результате кипячения сульфата меди с лактозой в щелочной среде получаются глюконовая кислота и выделяется осадок оксида меди (I) красно-бурого цвета. Белки в щелочной среде с сульфатом меди дают фиолетовое окрашивание (биуретовая реакция).

Казеимн (лат. caseus -- сыр) -- сложный белок, образующийся из предшественника казеина -- казеиногена при створаживании молока. Казеин (казеионоген) присутствует в молоке в связанном виде, как соль кальция (казеинат кальция). Свёртывание казеина в молоке происходит под действием протеолитических ферментов сычужного сока (сыр), кислот, вырабатываемых молочнокислыми бактериями (творог), либо при прямом добавлении кислот (технический казеин).

Казеин (казеиноген) является одним из основных белков молока, сыров, творога и других молочных продуктов наряду с сывороточными белками (альбумины и др.). Содержание в коровьем молоке -- 78-87 % от всех белков. Содержание в зрелом грудном молоке женщины -- 40 %, в начале лактации -- существенно меньше. Казеин не содержится в крови, и в молочной железе синтезируется из свободных аминокислот крови.

Было доказано, что казеин разрушается в желудке, при этом образуется пептид казоморфин -- опиоид, который ведёт себя, как релизер гистамина.

Казеин содержит все незаменимые аминокислоты, и поэтому является важным пищевым белком. Высушенный казеин представляет собой белый порошок без вкуса и запаха. В пищеварительном тракте человека под действием ферментов желудка (реннин и др.) казеиноген молока превращается в казеин (ферментативное створаживание молока). При этом казеин сгустками вместе с жиром молока выпадает в осадок. Такой осадок дольше задерживается в желудке, усваивается медленно, расщепляясь пепсином. Молоко и молочные продукты имеют высокую питательную ценность в значительной мере благодаря казеину [5].

Казеин -- богатый источник доступного кальция и фосфора. Препараты казеина широко применяются в медицине, особенно при парентеральном питании. Из-за сбалансированности аминокислотного состава и лёгкой усваиваемости выделенный из молока казеин часто выступает основой питания атлетов, однако из-за довольно медленного расщепления в желудке его приём целесообразен в длительные периоды покоя между тренировками, например, на ночь. Казеин входят в состав мазей, применяемых в дерматологии, и биологических клеев, используемых в хирургии.

Казеин применяется для производства казеиновой краски (англ. casein paint), казеинового клея, пластмасс (галалит и др.), искусственных пищевых продуктов. Для выделения технического казеина из снятого молока (обрата) используют кислоты, в частности уксусную кислоту, либо молочную кислоту.

По структуре казеин относится к фосфопротеинам (англ. phosphoprotein) (содержит фосфатную группу), выполняющий запасающую функцию в молоке млекопитающих. Казеин состоит из нескольких фракций: б-, в- и г- казеин. Фракции отличаются аминокислотным составом. Элементарный состав казеина (в %): углерод -- 53,1; водород -- 7,1; кислород -- 22,8; азот -- 15,4; сера -- 0,8; фосфор -- 0,8.

Лактоза (от лат. lac -- молоко) C12H22O11 -- углевод группы дисахаридов, содержится в молоке и молочных продуктах. Молекула лактозы состоит из остатков молекул глюкозы и галактозы. Лактозу иногда называют молочным сахаром.

Химические свойства:

· При кипячении с разбавленной кислотой происходит гидролиз лактозы;

· При взаимодействии с раствором щёлочи лактоза окисляется до сахариновых кислот..

Получение:

Получают лактозу из молочной сыворотки.

Применение:

Применяют для приготовления питательных сред, например при производстве пенициллина. Используют в качестве вспомогательного вещества (наполнителя) в фармацевтической промышленности.

Из лактозы путём изомеризации получают лактулозу - ценный препарат для лечения кишечных расстройств - запоров, дисбактериозов и других нарушений работы ЖКТ. Свойства лактулозы определяются отсутствием в желудке человека ферментов, расщепляющих лактулозу, вследствие чего она в неизменном виде достигает толстой кишки [5].

Непереносимость лактозы:

Переносимость молока появилась с распространением гена толерантности к лактозе. Известно, что данный ген возник в Северной Европе около 5000 лет до н. э., где в настоящее время имеет наивысшую частоту (см. Непереносимость лактозы). Хорошая переносимость молочного сахара дала носителям этого гена преимущества в борьбе за выживание и позволила широко распространиться.

Несмотря на употребление лактозы в лечебных целях, у некоторых людей лактоза не усваивается и вызывает нарушения в работе пищеварительной системы, в том числе понос, боли и вздутие живота, тошноту и рвоту после употребления молочных продуктов. У этих людей отсутствует или производится в недостаточном количестве фермент лактаза. Назначение лактазы -- расщепление лактозы на ее части, глюкозу и галактозу, которые должны затем адсорбироваться тонкой кишкой. При недостаточной функции лактазы лактоза остается в кишечнике в исходном виде и связывает воду, что вызывает диарею. Кроме того, кишечные бактерии вызывают брожение молочного сахара, в результате чего происходит вздутие живота.

Непереносимость молочного сахара довольно распространена. Так, в Швеции и Дании непереносимость лактозы встречается примерно у 3% взрослых лиц, в Финляндии и Швейцарии -- у 16%, в Англии -- у 20-30%, во Франции -- у 42%, а в странах Юго-Восточной Азии и у афроамериканцев в США -- почти у 100%. Непереносимость лактозы часто встречается среди коренного населения Африки, Америки и ряда стран Азии. Она связана с отсутствием в этих регионах традиционного молочного животноводства. Например, в племенах масаев, фулани и тасси в Африке выращивают молочный скот, и у взрослых представителей этих племен непереносимость лактозы встречается относительно редко. Частота этого явления в России составляет в среднем около 16-18% [5].

Задача №2

Для каких соединений характерна геометрическая изомерия? Чем она обусловлена (укажите существенные признаки)? Какие соединения могут существовать в виде двух геометрических изомеров (ответ аргументируйте):

а) 1,2-дибромэтен, б) пентен-2, в) пропен, г) пентин-2, д) бутендиовая кислота?

Приведите проекционные формулы геометрических изомеров выбранных соединений. Какие из изомеров встречаются в природе и обладают биологической активностью, либо получены синтетическим путем?

Решение

Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойную связь. Необходимым условием существования геометрической изомерии у алкенов является наличие разных заместителей у каждого из атомов углерода, связанных двойной связью:

Геометрические изомеры отличаются конфигурацией пространственного расположения заместителей у С=С связи.

Существуют два способа наименования геометрических изомеров. Традиционно их называют цис- и транс- изомерами. В настоящее время приставки цис - и транс - используют только для названия изомеров 1,2-дизамещенных этиленов и дизамещенных циклических соединений. В других случаях для обозначения конфигурации используют буквы Z (от нем. zusammen - вместе) и E (от нем. entgegen - напротив). Для отнесения изомера к Z- или E-конфигурации определяют старшинство заместителей у каждого атома углерода по правилам Кана-Ингольда-Прелога. Тот изомер, в котором две старшие группы находятся по одну сторону от двойной связи, называют Z-изомером. Если же две старшие группы находятся по разные стороны от двойной связи, то соединение называют Е - изомером [3].

Пример 1

Геометрическая изомерия характерна также для алициклических соединений при наличии в цикле нескольких заместителей.

Пример 5

Описание изомеров:

1. 1,2-дибромэтан (этиленбромид, этилен бромистый) -- органическое соединение состава C2H4Br2. Присутствует в небольших количествах в воде океанов, где, по-видимому, синтезируется водорослями.

Его можно получить по реакции этилена с бромом:

CH2=CH2 + Br2 > BrCH2CH2Br.

В пробирку с отводной трубкой и трубкой подачи газа помещается бром, на дно пробирки заранее кладут кусочки стекла (для увеличения поверхности, на которой происходит взаимодействие газа с жидким бромом). Над поверхностью брома наливают слой воды (для уменьшения потерь брома за счет испарения). В пробирку подают этилен.

Пробирку следует охлаждать холодной водой, так как реакция сопровождается выделением тепла. Пробирку необходимо взбалтывать, соблюдая осторожность, чтобы не выплеснуть бром в отводную трубку. Бромирование заканчивается, когда взятое количество брома полностью прореагирует с этиленом -- наступит обесцвечивание брома.

Сырой дибромэтан промывают в делительной воронке водой, раствором едкого натра и ещё несколько раз водой. После высушивания хлористым кальцием продукт перегоняют из маленькой колбы Вюрца, собирая фракцию 130--132° С [3].

Применение:

1,2-дибромэтан используется в качестве антидетонационной добавки вместе тетраэтилсвинцом в моторном топливе, где в процессе сгорания образует летучие бромиды свинца, предотвращая осаждение последнего на деталях двигателя.

Использовался в качестве фумиганта для обработки брёвен от термитов и жуков.

Также используется для синтеза винилбромида, прекурсора для различных антипиренов, а также для синтеза 1,2-дитиоцианоэтана, 1,4-бензодиоксана, N-бромэтилфталимида. В органическом синтезе используется в качестве источника брома при реакции с карбкатионами, и для активации магния при синтезе реактивов Гриньяра.

2. Малеиновая кислота -- органическое соединение с формулой HOОC-CH=CH-COОH. Название по номенклатуре IUPAC -- цис-бутендиовая кислота. Ее трансизомером является фумаровая кислота. Наиболее часто она используется для получения фумаровой кислоты.

Физические свойства:

Молекула малеиновой кислоты менее стабильна, чем фумаровой кислоты. Разница их теплот сгорания равна 22.7 кДж/моль. Также малеиновая кислота хорошо растворима в воде (78.8г/л при 25 °C), а фумаровая кислота -- плохо (6.3 г/л при 25 °C). Оба свойства объясняются образованием внутримолекулярных водородных связей в молекуле малеиновой кислоты.

История и методы синтеза:

Малеиновая кислота впервые была получена Лассэнем в 1819 г. перегонкой яблочной кислоты. По Перкину (1881 г.), для ее получения яблочною кислоту обрабатывают ацетилхлоридом, получая ацетил-яблочный ангидрид, который разлагается с образованием уксусной кислоты и малеинового ангидрида, гидратацией которого получают малеиновую кислоту.

Применение в промышленности:

Наиболее важным применением малеиновой кислоты является использование ее в производстве фумаровой кислоты. Для производства фумаровой кислоты, малеиновою кислоту каталитически (кат. тиомочевина, неорганические кислоты) изомеризуют. Очень малая растворимость фумаровой кислоты сильно упрощает ее отделение от непрореагировавшей малеиновой кислоты. Хотя обе кислоты являются конформерами, но они не могут самопроизвольно превращатся одна в другую. Это объясняется тем что для их взаимопревращение нужно разорвать двойную углерод-углеродную связь, что не является энергетиически выгодным. Путем озонолиза малеиновою кислоту превращают в глиоксиловою кислоту.

3. Пентен -- непредельный углеводород гомологического ряда алкенов с химической формулой С5Н10. Пентен в своей молекулярной структуре имеет одну ковалентную связь. 1-пентен и 2-пентен различаются по местонахождению ковалентной связи -- в первой или второй углерод-углерод ковалетной связи. 1-пентен называется альфа-олефином.

2-пентен образует два геометрических изомера. Cis-2-пентен используется в реакции обмена олефина. Другие названия пентена-1: амилен, н-амилен или н-пентен (1-пентен) и бета-н-пентен или сим-метил-этил-этилен (2-пентен) [3].

Задача №3

Какую связь называют водородной (Н-связь)? Приведите механизм ее образования. Как влияет водородная связь на некоторые физические свойства органических соединений?

Решение

Водородная связь -- форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом. В качестве электроотрицательных атомов могут выступать N, O или F. Водородные связи могут быть межмолекулярными или внутримолекулярными.

Если водородная связь объединяет части одной молекулы, то говорят о внутримолекулярной водородной связи. Это особенно характерно для многих органических соединений (рис. 42). Если же водородная связь образуется между атомом водорода одной молекулы и атомом неметалла другой молекулы (межмолекулярная водородная связь), то молекулы образуют довольно прочные пары, цепочки, кольца. Так, муравьиная кислота и в жидком и в газообразном состоянии существует в виде димеров:

Механизм образования:

· Донорно-акцепторный механизм. Один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь. Соединения, образованные по донорно-акцепторному механизму, относятся к комплексным соединениям (или координационные соединения-- частицы, которые образуются в результате присоединения к данному атому, называемому комплексообразователем, нейтральных молекул или других ионов, называемых лигандами);

· Обменный механизм. Связь образована путем обобществления валентных электронов двух нейтральных атомов. Каждый атом дает по одному не спаренному электрону в общую электронную пару [6].

Влияние водородной связи на физические свойства вещества:

Рассмотрим влияние водородной связи на физические свойства веществ, а, следовательно и роль водородной связи. Наличием водородных связей обусловлены уникальные свойства многих веществ, в том числе воды. Трехатомная молекула Н2О образует четыре водородные связи. В их образовании принимают участие оба атома водорода, а атом кислорода, имеющий две не поделенные электронные пары, образует две водородные связи с атомами водорода соседних молекул воды. Если бы не было водородных связей, то температуры плавления и кипения воды были бы существенно, ниже, как это наблюдается у других водородных соединений неметаллов. Наличие водородных связей влияет и на кислотные свойства многих веществ. Фтороводородная кислота, в отличие от других галогеноводородных кислот является слабой, так как атомы водорода связаны сразу с двумя атомами фтора, что препятствует их отщеплению (по той же причине большинство карбоновых кислот являются слабыми). Благодаря особо прочным водородным связям фтороводородная кислота - единственная одноосновная кислота, способная образовывать кислые соли, например NaHF2.

Плотность воды

Наибольшей плотности вода достигает при + 4 °С. При охлаждении водоёмов ниже + 4 °С более холодная вода, как менее плотная остаётся сверху и перемешивание слоев прекращается. В дальнейшем самый охлаждённый слой с меньшей плотностью остаётся на поверхности, превращается в лёд и тем самым защищает лежащие ниже слои от замерзания. С понижением температуры увеличивается число водородных связей между её молекулами. Это приводит к такому расположению молекул воды относительно друг друга, при котором образуются пустоты между молекулами. Кристаллическая решётка льда имеет ажурное строение. Попробуем вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала, нормальными свойствами лёд был бы, как и полагается твёрдому веществу, плотнее жидкой воды. Зимой образовавшийся сверху лёд, как более плотный, тонул бы, непрерывно опускаясь на дно водоёма. Летом же лёд, защищённый толщей воды, не смог бы растаять. Постепенно все озёра, пруды, реки, ручьи превращались бы в гигантские ледяные гроты. Промёрзли бы моря, океаны. Наш мир был бы сплошной ледяной пустыней, кое-где покрытой тоненьким слоем талой воды.

Это свойство в технике доставляет определённые трудности. Например, зимой необходимо сливать воду из радиаторов автомобилей, систем водяного отопления, если они не подогреваются. При замерзании объём воды увеличивается примерно на 11%. Если такой процесс идёт в замкнутом пространстве, то возникает громадное избыточное давление, превышающее атмосферное порой в 2500 раз. В результате вода, замерзая, разрывает горные породы, дробит многотонные глыбы, не говоря уже о тонких трубах водяного отопления жилых помещений.

Так же если бы растения не готовились к зиме, то вода, которая течет по их сосудам, при замерзании разрывала бы их, и растение бы погибло. Водородные связи в немалой степени способствуют образованию кристаллов в виде снежинок и измороси [6].

Температура плавления и кипения:

За счёт водородной связи молекулы объединяются друг с другом и образуют целые группы молекул. Это затрудняет испарение воды, а, следовательно, повышает температуру плавления и кипения.

Соседи воды, водородные соединения серы, селена, теллура - газы, их температура плавления ниже 0. Вода превращается в пар при значительно более высокой температуре, хотя относительная молекулярная масса у нее наиболее низкая, значит, и температура кипения должна быть самая низкая. Эта аномалия объясняется сцеплением молекул за счет водородной связи, что затрудняет испарение воды, а значит, и повышает температуру кипения и плавления. Если бы не было водородных связей, вода кипела бы при t -70 оС и замерзала бы при - 900 С.

задача органический химия

Таблица 1. Температура кипения галогенводородов

Теплоемкость:

Теплоёмкость воды составляет 4,18 Дж/г ·К. Это в 10 раз больше, чем у железа, в 40 раз больше, чем у золота. Ни одно вещество не требует таких больших затрат теплоты для повышения его температуры на 1 °С. В ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно. Днём или при переходе от зимы к лету она медленно нагревается. Это делает воду регулятором и переносчиком тепла на всей планете.

Очень высокое поверхностное натяжение:

В отсутствие силы тяжести вода имеет форму шара, которую мы можем наблюдать при падении капель, а космонавты - в космическом корабле. Сферическая форма воды связана с поверхностным натяжением, которое обусловлено способностью молекул воды сцепляться (когезия). Это сцепление молекул вызвано водородными связями. Молекулы воды в поверхностном слое испытывают действие сил межмолекулярного притяжения только с одной стороны. Молекулы, находящиеся во внутренних слоях, стараются втянуть молекулы наружного слоя внутрь, и вследствие этого образуется упругая внешняя плёнка, благодаря которой некоторые предметы (стальная иголка) могут лежать на поверхности воды, слегка её прогибая, или например, в стакан можно постепенно добавлять воду так чтобы образовалась выпуклая поверхность, которая так же будет удерживаться за счет поверхостного натяжения. Многие насекомые (водомерки и др.) легко скользят по поверхности воды. Маленькие улитки- прудовики и катушки - ползают по внутренней стороне плёнки, как по твёрдой поверхности, в поисках пищи.У воды самое высокое поверхностное натяжение из всех жидкостей, кроме ртути. Поверхность воды всегда затянута тончайшей пленкой из молекул, прочно соединенных водородными связями. Водная пленка выдерживает значительные давления. Силы поверхностного натяжения заставляют воду подниматься из глубины почвы и питать растения. Вода сама поднимается вверх по капиллярным сосудам стволов деревьев и стеблям трав.

Свойства органических веществ, обусловленные водородной связью

Водородные связи влияют на перераспределение электронной плотности в молекулах, что не может не отразиться на свойствах веществ. С увеличением энергии водородной связи перераспределение электронной плотности затрагивает все атомы молекул, входящих в молекулярный комплекс, что в конечном итоге приводит к глубоким изменениям физических и химических свойств веществ. На свойства органических соединений оказывают значительное влияние как внутри-, так и межмолекулярные водородные связи. Влияние последних, особенно на физические свойства, является более существенным, так как межмолекулярные взаимодействия приводят к увеличению молекулярной массы со всеми вытекающими последствиями.

Образование внутри- и межмолекулярных водородных связей может существенно влиять на ход и скорость химических реакций, что скорость реакций может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от того, как при образовании водородной связи будет перераспределяться электронная плотность в реакционных центрах молекулы.

Водородная связь в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты. В частности, элементы вторичной структуры (например, б-спирали, в-складки) и третичной структуры в молекулах белков, РНК и ДНК стабилизированы водородными связями. В этих макромолекулах, водородные связи сцепляют части той же самой макромолекулы, заставляя её сворачиваться в определенную форму. Например, двойная спиральная структура ДНК, определяется в значительной степени наличием водородных связей, сцепляющих пары нуклеотидов, которые связывают одну комплиментарную нить с другой.

Многие полимеры усилены водородными связями в их главных цепях. Среди синтетических полимеров самый известный пример - нейлон, где водородные связи играют главную роль в кристаллизации материала. Водородные связи также важны в структуре полученных искусственно полимеров (например, целлюлозы) и во многих различных формах в природе, таких как древесина, хлопок и лён [6].

Как объяснить, что пропиламин - жидкость, имеющая температуру кипения 48,7єС, а бутан, у которого почти такая же относительная молекулярная масса (Mr = 59 и Mr = 58 соответственно) - газ с температурой кипения около -1єС.

Ответ аргументируйте теоретическими положениями.

Связь N-H является полярной, поэтому первичные и вторичные амины способны образовывать межмолекулярные водородные связи. Этим обусловлена высокая температура кипения пропиламина по сравнению с бутаном, в котором полярные связи отсутствуют.

Задача 4

Установите строение ароматического углеводорода ряда бензола состава С9Н10, если известно, что он реагирует с бромной водой (Br2,aq), а при окислении водным раствором перманганата калия при нагревании в кислой среде образуется терефталевая кислота (бензол-1,4-дикарбоновая).

Ответ аргументируйте соответствующими химическими превращениями.

Решение

Список литературы

1. Артеменко А.И. Органическая химия: Учебное пособие.- М.:Высш. шк., 2003.- 605 с.

2. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия: Учебник для вузов / Под ред. М.Д. Стадничука.- СПб.: «Иван Федоров», 2002.- 592 с.

3. Пьянкова В.И. Органическая химия. Лабораторный практикум и методические указания к его выполнению / ПИ(ф) ГОУ ВПО «РГТЭУ», 2012.

4. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. Биооргнаическая химия: Учебник для вузов.- М.: Дрофа, 2005.- 480 с.

5. Органическая химия ru.wikipedia.org

6. Водородная связь http://www.alhimik.ru/stroenie/gl_14.html

Размещено на Allbest.ru