Oрганическая химия алифатического ряда

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Сформулируйте основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова. Охарактеризуйте её значение для развития органической химии

1. Основные положения теории А.М. Бутлерова

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).

2. Химическое строение можно устанавливать химическими методами. (В настоящее время используются также современные физические методы).

3. Свойства веществ зависят от их химического строения.

4. По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства.

5. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию. Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров дал объяснение явлению изомерии, предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них.

2. Значение теории.

Теория химического строения позволила объяснить многие факты, накопившиеся в органической химии в начале второй половины ХIХ в., доказала, что с помощью химических методов ( синтеза, разложения и других реакций) можно установить порядок соединения атомов в молекулах ( этим самым была доказана возможность познания строения вещества);

Внесла новое в атомно-молекулярное учение ( порядок расположения атомов в молекулах, взаимное влияние атомов, зависимость свойств от строения молекул вещества). Теория рассматривала молекулы вещества как упорядоченную систему, наделенную динамикой взаимодействующих атомов. В связи с этим атомно-молекулярное учение получило свое дальнейшее развитие, что имело большое значение для науки химии;

Дала возможность предвидеть свойства органических соединений на основании строения, синтезировать новые вещества, придерживаясь плана;

Позволила объяснить многообразие органических соединений;

Дала мощный толчок синтезу органических соединений, развитию промышленности органического синтеза ( синтез спиртов, эфиров, красителей, лекарственных веществ и др.).

Отметим некоторые аспекты мировоззренческого значения теории химического строения, важное для диалектико-материалистического воспитания учащихся.

По своему содержанию теория химического строения - материалистическая. В ней утверждаются материальность мира и возможность его познания, которые проявляются в признании реально существующих атомов и молекул, в возможности познания их строения ( химического и пространственного) и свойств. Химическая формула молекулы вещества, следовательно, отражает реально существующую молекулу, связь в ней атомов.

Разработав теорию и подтвердив правильность ее синтезом новых соединений А.М. Бутлеров не считал теорию абсолютной и неизменной. Он утверждал, что она должна развиваться, и предвидел, что это развитие пойдет путем разрешения противоречий между теоретическими знаниями и возникающими новыми фактами.

Теория химического строения, как и предвидел А.М. Бутлеров, не осталась неизменной. Дальнейшее ее развитие шло главным образом в двух взаимосвязанных направлениях

Первое из них было предсказано самим А.М.Бутлеровым

Он считал,что наука в будущем сможет устанавливать не только порядок соединения атомов в молекуле,но и их пространственное расположение. Учение о пространственном строении молекул, называемое стереохимией ( греч. «стереос» - пространственный), вошло в науку в 80-х годах прошлого столетия. Оно позволило объяснять и предсказывать новые факты, не вмещавшиеся в рамки прежних теоретических представлений.

Второе направление связано с применением в органической химии учения об электронном строении атомов, развитого в физике ХХ века. Это учение позволило понять природу химической связи атомов, выяснить сущность их взаимного влияния, объяснить причину проявления веществом тех или иных химических свойств.

2. Изомеры. Виды изомерии. Приведите примеры

Изомеры - вещества, имеющие один и тот же состав и одну и ту же молекулярную массу, но различающихся по строению или расположению атомов в пространстве и, вследствие этого, по свойствам.

Изомеры имеют разную по величине энергию химических связей и потому характеризуются несколько различными химическими и физическими свойствами.Изомеры наиболее типичны для оргонических соединений. Среди последних известно два рода Изомеров -- структурные и пространственные. Первые различаются по типу сочленения углеродных атомов в молекуле, напр.: СН3 -- CH2 -- CH2 -- CH2 -- СН3 -- н-пентан (пентан нормального строения), tкип + 36, 1 °С;

-- метил-бутан, tкип + 28 "С;

-- тетра-метил-метан, tкип + 9, 5 °С.Пространственные Изомиры(стереоизомеры) различаются при одинаковой структуре, молекулы различаются расположением атомных группировок в пространстве. Стереоизомеры можно разделить на два типа: геометрические изомеры оптические изомеры.

Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойную связь или цикл. В таких молекулах часто возможно провести условную плоскость таким образом, что заместители у различных атомов углерода могут оказаться по одну сторону (цис-) или по разные стороны (транс) от этой плоскости.

Если изменение ориентации этих заместителей относительно плоскости возможно только за счет разрыва одной из химических связей, то говорят о наличии геометрических изомеров. Геометрические изомеры отличаются своими физическими и химическими свойствами.

Оптическими изомерами называют молекулы, зеркальные изображения которых не совместимы друг с другом.

Таким свойством обладают молекулы, имеющие асимметрический центр -- атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями. Например, в виде двух оптических изомеров существует молекула молочной кислоты СН 3-СН(ОН)- СООН, содержащая один асимметрический центр.

Как видно, молекула а-аланина ни при каком перемещении не может совпасть со своим зеркальным отображением. Такие пространственные изомеры называются зеркальными, оптическими антиподами, или энантиомерами. Все физические и практически все химические свойства таких изомеров идентичны.

Изучение оптической изомерии необходимо при рассмотрении многих реакций, протекающих в организме. Большинство этих реакций идет под действием ферментов -- биологических катализаторов. Молекулы этих веществ должны подходить к молекулам соединений, на которые они действуют, как ключ к замку, следовательно, пространственное строение, взаимное расположение участков молекул и другие пространственные факторы имеют для течения этих реакций большое значение. Такие реакции называют стереоселективными.

Большинство природных соединений являются индивидуальными энантиомерами, и их биологическое действие (начиная от вкуса и запаха и кончая лекарственным действием) резко отличается от свойств их оптических антиподов, полученных в лаборатории. Подобное различие в биологической активности имеет огромное значение, так как лежит в основе важнейшего свойства всех живых организмов -- обмена веществ.

3. Что положено в основу классификацииорганических соединений? Покакому принципу определяется принадлежность органического соединения к определенному ряду, классу

В основе классификации органических соединений лежит именно теория строения -- теория А. М. Бутлерова. Классифицируют органические вещества по наличию и порядку соединения атомов в их молекулах. Наиболее прочной и малоизменяемой частью молекулы органического вещества является ее скелет -- цепь атомов углерода. В зависимости от порядка соединения атомов углерода в этой цепи вещества делятся на ациклические, не содержащие замкнутых цепей атомов углерода в молекулах, и карбоциклические, содержащие такие цепи (циклы) в молекулах.

Помимо атомов углерода и водорода, молекулы органических веществ могут содержать атомы и других химических элементов. Вещества, в молекулах которых эти так называемые гетероатомы включены в замкнутую цепь, относят к гетероциклическим соединениям.

Функциональная группа -- группа атомов, которая определяет наиболее характерные химические свойства вещества и его принадлежность к определенному классу соединений.

В молекулах кетонов карбонильная функциональная группа связана с двумя атомами углерода, а в молекулах альдегидов -- с одним атомом углерода и атомом водорода.

Нетрудно заметить, что карбоксильная группа атомов может рассматриваться как объединение других известных вам функциональных групп -- карбонильной и гидроксильной --ОН, что делает понятным и происхождение ее названия.

Простые эфиры можно рассматривать как продукты замещения атома водорода в гидроксильной группе спиртов на углеводородный радикал.

В молекулах этих соединений два углеводородных радикала связаны через оксигруппу --О--, которую часто называют поэтому «кислородным мостиком». Общая формула простых эфиров R1--О--R2.

Сложные эфиры содержат в молекуле функциональную группу атомов, которую так и называют -- сложноэфирная.

Сложные эфиры можно считать производными карбоновых кислот, в которых атом водорода карбоксильной группы замещен на углеводородный радикал, что делает понятными их названия.

Нитросоединения содержат в молекуле нитрогруппу --N02, например:

Замещая в молекуле аммиака атомы водорода на углеводородные радикалы, можно получить первичные (RNН2), вторичные (R2NH) и третичные (R3N) амины:

В состав молекул органических соединений может входить несколько одинаковых (полифункциональные соединения) или разных (гетерофункциональные соединения) групп. Например, полифункциональным соединением является многоатомный спирт -- глицерин.

Среди важных гетерофункциональных соединений выделим углеводы (альдегидоспирты и кетоноспирты) и аминокислоты. Строение и свойства соединений этих классов будут рассмотрены ниже.

В таблице 3 приведены основные классы органических соединений и их представители.

Рассмотрев классификацию ациклических соединений по виду функциональных групп, входящих в их состав, или наличию кратной связи, перейдем к органическим веществам, содержащим в молекуле замкнутую цепь атомов углерода.

4. Карбоциклические (алициклические) соединения

?????????? ???????? ????????

Карбоциклическими соединениями называются органические вещества, содержащие в молекуле замкнутую цепь атомов углерода (цикл).

Цикл может содержать разное количество атомов углерода, связанных одинарными или кратными связями. Структурные формулы алициклических соединений часто упрощают, указывая лишь химические связи скелета молекулы и функциональные группы, входящие в ее состав:

Следует особо отметить ароматические соединения -- арены -- разновидность карбоциклических соединений, содержащих в молекуле специфическую систему чередующихся двойных и одинарных связей (так называемых сопряженных п</span-связей).

Многие соединения этого ряда -- бензальдегид, эфиры бензойной кислоты и другие производные -- были выделены впервые из разного рода приятно пахнущих ладанов, ароматических масел и бальзамов, поэтому их и назвали ароматическими.

Система сопряженных п-связей в цикле обусловливает устойчивость молекул и набор специфических свойств, отличающих их от алифатических соединений с теми же функциональными группами.

Гетероциклические соединения

Вам уже известно, что гетероатомы (О, N, S) могут не только входить в состав функциональных групп, но и быть частью замкнутого скелета молекулы -- цикла. Такие соединения называют гетероциклическими или гетероциклами.

Гетероциклические соединения играют важную роль в биохимических процессах: они входят в состав многих биологически важных веществ -- белков и нуклеиновых кислот.

Некоторые гетероциклы, например пиридин, как и арены (ароматические карбоциклы), содержат сопряженную систему я-связей и, следовательно, могут быть отнесены к ароматическим соединениям.

5. Сформулируйте понятие гомологического ряда. Какова общая формула ряда алкенов

ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ, группы органических соединений с одинаковой химической функцией, но отличающихся друг от друга одной или несколькими метиленовыми (СН2) группировками. Если в простейшем соединении ряда насыщенных углеводородов-- метане, СН4, один из атомов Н заменить СН3- группой, то получится СН3--СН3 (этан); из этана той же заменой может быть образован пропан, СН3--СН2--СН3, из него--бутан, СН3--СН2--СН2--СН3,ит. д. Метан, этан, пропан, бутан и т. д. отличаются друг от друга одной СН2-группой и составляют Г. р. насыщенных углеводородов, в котором каждый последующий член является гомологом предыдущих. Подобным же образом составляются и другие Гомогелогические ряды: алкоголей, альдегидов, кетонов, аминов, кислот, эфира и т. д. Все соединения, входящие в один и тот же ряд, обладают качественно одинаковыми свойствами, получаются аналогичными способами и ведут себя по отношению к определенным реактивам более или менее одинаково. Часто первые члены Г. ряда обнаруживают некоторые отклонения от свойств остальных членов того же ряда; например муравьиная (ряд жирных одноосновных кислот) и щавелевая (ряд жирных двуосновных кислот) кислоты являются весьма энергичными восстановителями, тогда как остальные члены этих рядов восстановительными свойствами не обладают. Аналогичные отклонения наблюдаются и в других Г. рядах. Изменения некоторых физических свойств в Г. рядах протекают вполне закономерно и часто могут быть выражены определенными количественными соотношениями. Молекулярные объемы от одного члена к другому всегда возрастают, при чем это возрастание выражается более или менее постоянной величиной. Теплота сгорания каждого следующего гомолога увеличивается на постоянную величину (154--158 калорий), к-рую т. о. принимают за теплоту сгорания СН2-груп-пы. Это постоянство послужило основанием для вычисления атомных теплот сгорания и теплот образования (энергия образования) связей между двумя атомами С (С--С) и атомами С и Н (С--Н) Моллекулярная рефракция и молекулярная дисперсия в Г. р. возрастают вполне равномерно. Так, каждая СН2-группа вызывает увеличение молекулярной рефракции (для линии D) на 4,6 единиц.-- Точка плавления в Г. ряда с увеличением молекулярного веса изменяется чаще всего в сторону повышения. Однако повышение t° плавления происходит далеко не равномерно, а в высших членах влияние гомологии почти совершенно исчезает. Часто замечаются явления альтернирования, т. е. при переходе от одного члена Г. ряда к следующему происходит повышение t° плавления, затем понижение, потом опять повышение и т. д. Это особенно отчетливо можно наблюдать в Г. рядах жирных кислот, где каждый член с нечетным числом атомов С плавится при более низкой t°, чем следующий за ним четный гомолог. Точка кипения гомологов большей частью повышается на 19--30° в зависимости от характера ряда. В высших членах разница в t° кипения значительно меньше, чем в низших.

Алкенами называются углеводороды с двойной связью. Гомологический ряд алкенов начинается этиленом (по номенклатуре ИЮПАК--этеном):

CH2 CH2 C2H4 этилен (этен)

CH2 CH CH3 или C3H6 пропилен (пропен)

CH2 CH CH2 CH3 или C4H8 бутен-1

CH2 CH CH2 CH2 CH3 или C5H10 пентен-1

и т. д.

В молекулах алкенов только одна двойная связь. В этом случае атомов водорода ровно вдвое больше, чем атомов углерода, поэтому общая формула гомологического ряда алкенов CnH2n. Если двойных связей две, три или больше, такие соединения выделяют в отдельные классы диенов, триенов и т. д. (в общем случае-- полиенов). Химические свойства полиенов обычно отличаются от свойств алкенов, поскольку двойные связи способны влиять друг на друга--в этом мы убедимся уже в следующем параграфе.

Изомерия алкенов более разнообразна по сравнению с алканами, и причина тому--наличие двойной связи. К изомерии углеродного скелета добавляется изомерия положения кратной связи. А поскольку свободное вращение вокруг двойной связи не происходит, к структурным изомерам добавляются еще и пространственные (геометрические).

6. Химические и физические свойства предельных углеводородов.

Химические свойства предельных углеводородов (алканов)

Казалось бы, что может быть неизвестного в алканах. Тем не менее именно кажущаяся банальность и вызвала дефицит информации, различные толкования свойств и даже разночтение. Считается, что предельные углеводороды в обычных условиях не взаимодействуют ни с концентрированными кислотами, ни со щелочами, ни даже с таким активным реагентом как перманганат калия. Для них свойственны реакции замещения водородных атомов и расщепления. Эти реакции вследствие прочности связей C-C и C-H протекают или при нагревании, или на свету, или с применением катализаторов.

Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные C-H и C-C связи относительно прочны и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярны, а связи С - Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы и относятся к у-виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму т.е. с образованием радикалов. Углеводороды ряда метана при обыкновенной температуре химически весьма инертны, почему они и получили название парафинов (от латинских слов parum affinis -- обладающий малым сродством). С большинством химических реагентов эти углеводороды в указанных условиях или вовсе не реагируют, или реагируют чрезвычайно медленно. При сравнительно невысоких температурах протекает лишь небольшое число реакций, при которых происходит замена атомов водорода на различные атомы и группы (реакции металепcuu). Эти реакции ведут к получению производных соответствующих углеводородов.

Физические свойства непредельных углеводородов сходны со свойствами предельных углеводородов. Как и у предельных, низкомолекулярные представители непредельных углеводородов (до бутилена включительно) при обычных температурах и давлении-- газы; средние члены гомологического ряда - жидкости; высшие олефины -- твердые вещества. Олефины нерастворимы в воде, хорошо растворимы в органических растворителях.

7. Спирты одноатомные и многоатомные. Химические свойства спиртов

Одноатомные спирты.

Спиртами называются производные углеводородов, представляющие собой продукты замещения атома (атомов) водорода в углеводородной молекуле гидроксильной группой -ОН. В зависимости от того, какое количество атомов водорода замещено, спирты бывают одноатомными и многоатомными. Т.е. число групп -ОН в молекуле спирта характеризует атомность последнего.

Наибольшее значение имеют предельные одноатомные спирты. Состав членов ряда предельных одноатомных спиртов может быть выражен общей формулой -- СnH2n+1ОН или R-OH.

Несколько первых членов гомологического ряда спиртов и их названия по радикально-функциональной, заместительной и рациональной номенклатурам соответственно приведены ниже:

По радикально-функциональной номенклатуре название спиртов образуется из названия радикалов и слова «спирт», выражающего функциональное название класса.

Химические свойства

1.Спирты реагируют со щелочными металлами (Na, K и т.д.) с образованием алкоголятов:

2R--OH + 2Na ® 2R--ONa + H2

2. Замещение гидроксильной группы спиртов на галоген

R--ОН + Н--X « R--X + H2O

3. Взаимодействие спиртов с кислотами называют реакцией этерификации. В результате ее образуются сложные эфиры:

R--OH + HO--C--R1 « R--O--C--R1 + H2O

4. При высокой температуре кислород воздуха окисляет спирты с образованием СО2 или Н2О (процесс горения). Метанол и этанол горят почти несветящимся пламенем, высшие - более ярким коптящим. Это связано с увеличением относительного увеличением углерода в молекуле.

Растворы KMnO4 и K2Cr2O7 (кислые) окисляют спирты. Раствор KMnO4 обесцвечивается, раствор K2Cr2O7 становится зеленым [Cr2(SO4)3].

Первичные спирты при этом образуют альдегиды, вторичные - кетоны, дальнейшее окисление альдегидов и кетонов приводит к получению карбоновых кислот.

5. При пропускании паров первичных и вторичных спиртов над поверхностью наколенных мелкораздробленных металлов (Cu, Fe) происходит их дегидрирование:

СН3--СН--Н CH3--C--H

Многоатомные спирты.

Двухатомные спирты называются гликолями, трехатомные - глицеринами. По международной заместительной номенклатуре двухатомные спирты называются алкандиолами, трехатомные - алкантриолами. Спирты с двумя гидроксилами при одном углеродном атоме обычно в свободном виде не существуют; при попытках получить их они разлагаются, выделяя воду и превращаясь в соединение с карбонильной группой - альдегиды или кетоны

Трехатомные спирты с тремя гидроксилами при одном углеродном атоме еще более неустойчивы, чем аналогичные двухатомные, и в свободном виде неизвестны:

Поэтому первым представителем двухатомных спиртов является производное этана состава С2Н4(ОН)2 с гидроксильными группами при различных углеродных атомах - 1,2-этандиол, или иначе - этиленгликоль (гликоль). Пропану соответствует уже два двухатомных спирта - 1,2-пропадиол, или пропиленгликоль, и 1,3-пропандиол, или триметиленгликоль:

Гликоли, в которых две спиртовые гидроксильные группы расположены в цепи рядом - при соседних атомах углерода, называются a-гликолями (например, этиленгликоль, пропиленгликоль). Гликоли со спиртовыми группами, расположенными через один углеродный атом, называются b-гликолями (триметиленгликоль). И так далее.

Среди двухатомных спиртов этиленгликоль представляет наибольший интерес. Он используется в качестве антифриза для охлаждения цилиндров автомобильных, тракторных и авиационных двигателей; при получении лавсана (полиэфир спирта с терефталевой кислотой).

Это бесцветная сиропообразная жидкость, не имеющая запаха, сладкая на вкус, ядовита. Смешивается с водой и спиртом. Ткип.=197 оС, Тпл.= --13 оС, d204=1,114 г/см3. Горючая жидкость.

Дает все реакции, характерные для одноатомных спиртов, причем в них может участвовать одна или обе спиртовые группы. Вследствие наличия двух ОН-групп гликоли обладают несколько более кислыми свойствами, чем одноатомные спирты, хотя и не дают кислой реакции на лакмус, не проводят электрического тока. Но в отличие от одноатомных спиртов они растворяют гидроксиды тяжелых металлов. Например, при приливании этиленгликоля к голубому студенистому осадку Cu(OH)2 образуется синий раствор гликолята меди:

При действии PCl5 хлором замещаются обе гидроксидьные группы, при действии HCl - одна и образуются так называемые хлоргидрины гликолей:

При дегидратации из 2-х молекул этиленгликоля образуется диэтиленгликоль:

Последний, может, выделяя внутримолекулярно одну молекулу воды, превращаться в циклическое соединение с двумя группами простого эфира - диоксан:

С другой сторон, диэтиленгликоль может реагировать со следующей молекулой этиленгликоля, образуя соединение тоже с двумя группами простого эфира, но с открытой цепью - триэтиленгликоль. Последовательное взаимодействие по такого рода реакции многих молекул гликоля приводит к образованию полигликолей - высокомелекулярных соединений, содержащих множество группировок простого эфира. Реакции образования полигликолей относятся к реакциям поликонденсации.

Полигликоли используются в производстве синтетических моющих средств, смачивателей, пенообразователей.

Химические свойства

Главной особенностью простых эфиров является их химическая инертность. В отличие от сложных эфиров они не гидролизуются и не разлагаются водой на исходные спирты. Безводные (абсолютные) эфиры в отличие от спиртов при обычных температурах не реагируют с металлическим натрием, т.к. в их молекулах нет активного водорода.

Расщепление простых эфиров происходит под действием некоторых кислот. Например, концентрированная (особенно дымящая) серная кислота поглощает пары простых эфиров, и при этом образуется сложный эфир серной кислоты (этилсерная кислота) и спирт.

Иодистоводородная кислота также разлагает простые эфиры, в результате получаются галогеналкил и спирт.

При нагревании металлический натрий расщепляет простые эфиры с образованием алкоголята и натрийорганического соединения.

Размещено на Allbest.ru