Ген ети ч еская св я зь м еж д у угл е в о д о р о д ам и и их п р о и зв о д н ы м и Классификация органических соединений

Ген ети ч еская св я зь м еж д у угл е в о д о р о д ам и и их п р о и зв о д н ы м и Классификация органических соединений Изучая органическую химию в XI классе, мы узнали, что мир органических соединений очень разнообразен и многочислен, установили причины этого и научились ориентироваться в этом мире, состоящем из более 12-ти миллионов органических соединений. Основой органических соединений являются углеводороды. Из различных типов углеводородов (предельных, непредельных, ароматических), путем замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле другим атомом или группой атомов, называемых функциональными группами (например, -ОН, -N02, ^ Н 2), получаем производные или другие классы органических соединений. Таким образом, заменив в алканах один атом водорода Н на группу ОН или N 0^ NН2, СН=0 и др., получаем классы соответственно - спиртов (алканолов), нитроалканов, аминоалканов (аминов), *альдегидов (алканалей) и др. Подобным образом можно получить производные классы органических веществ от алкенов, алкинов, аренов и др. Попробуем проиллюстрировать вышеизложенное в общем виде: классифицируем вещества на основе алканов в виде таблицы, к которой будем возвращаться по ходу изучения органической химии в XII классе. Путеводителем нам будет служить: по горизонтали - строение молекул - представителей класса соединений (по типу содержащейся функциональной группы), а по вертикали - последующие представители гомологического ряда для большинства классов соединений, учитывая явление изомерии. Таблица выглядит следующим образом: Алканы (Сп 2 п+ 2) Галогенопроизводные алканов Спирты (алканолы) Амины (алкиламины) *Альдегиды (алканали) Гомологи, изомеры X СНзС1 СНз ОН СН3НЧН2 X 1 0 X II 2 6 2 5 С1 2 5 ОН 2 5 -1ЧН2 X со 1 0 X II (X) X со 3 7С1 3 7ОН 3 7 -1ЧН2 2 5-СН=О 1 © П роверим свои ком петенц и и Перепишите приведенную таблицу на большой лист бумаги, дополняя общими формулами новых представителей гомологического ряда и изомерами (по вертикали) и другими классами соединений (например, нитроалканами), затем назовите таблицу (например, „Классификация основных классов органических веществ", Иванов А.). О) з О) а. Е <0 с: 8 Эта таблица похожа на «открытое окно» к другим соединениям, с которыми мы познакомились частично в 11-м классе, а также к тем, которые мы будем изучать в текущем году. Известные органические соединения были описаны в специальной литературе. Возможно, в природе существуют и другие органические соединения, которые могут быть получены химическим путем. Тогда эту таблицу можно сравнить с «путем в бесконечность», потому что она является открытой для продолжения как «вправо, так и вниз». С уверенностью можно предположить, что будут открыты новые вещества, относящиеся к известным типам углеводородов или классам веществ, или же будут окрыты новые классы органических веществ. Номенклатура В химии номенклатура - это способ составления названий веществ. Существует много типов номенклатур. Мы знакомы с исторической номенклатурой (тривиальной), имеющей случайное или греческое происхождение и связанной с условиями открытия веществ. Современная (систематическая) номенклатура основывается на научной систематизации и позволяет назвать вещество на основании его строения, и наоборот, определить строение вещества, основываясь на его названии. В основе любого класса веществ лежат различные типы углеводородов. Основу названия, как и в случае с углеводородами, составляет количество атомов углерода (С -мет, С2 -эт, С3 -проп, С4 -бут, С5 -пент и др.) плюс разные суффиксы: -ан признак предельных углеводородов (алканов); -ен - для углеводородов, содержащих двойную связь; -ин - для углеводородов с тройной связью. Для производных углеводородов (классов органических соединений) название функциональной группы может указываться в виде приставки в названии углеводорода (галогено-, нитро-, амино-) или в виде дополнительного суффикса (-ол, *-аль, *-он, *-овая), указывая при этом, если есть необходимость, место нахождения группы или кратной связи и их количество (ди-, три-, если их 2-3). Нумерацию углеродной цепи начинают с того конца, к которому ближе функциональная группа или кратная связь. Например: Систематическое название СН3 - С1 хлорм етан 5 СНз - 4 3 2 ■ СН2 - СН=СН - пент-2-ен 1 СН3 з 2 1 СН3 - СН2 - СН2— ОН пропан-1- ол 1.2. он но, 1 2 3 4 .0 ‘СН.-С/ 3 \ * С» С-»*5 3 2 1 51 II ,-С^ Н дС^З^Н сн3-сн-сн2-сн3 1ЧН2 сн.-сн-соон 3 1 снз N0, 2 - аминобутан этаналь 2-метилпропановая 2,4,6 - тринитрофенол кислота 1.3. Гомология и изомерия Гомологами называются вещества, отвечающие одной общей формуле, сходные по строению и свойствам, молекулы которых отличаются на одну или несколько групп -СН2. Гомология - явление существования гомологов. Таким образом, зная отдельные вещества, мы можем составить и охарактеризовать гомологический ряд углеводородов или соответствующего класса соединений. Изомеры - это вещества, имеющие один и тот же состав, но разное строение, а следовательно, обладающие разными свойствами. Изомерия - это явление существования изомеров. Явлениями изомерии и гомологии объясняются многообразие и разнообразие органических веществ. Изучая органическую химию, мы уже познакомились с некоторыми видами изомерии: 1) Изомерия углеродной цепи (углеродного скелета) 9 с н 3 . 1 Пример: а) СН,-СН2-СН2- СН3 и СН3-С Н -С Н3 с н 3 б) и 2) Изомерия положения (кратной связи или функциональной группы) Пример: а) СНз-С Н =СН-СН3 и СН2 = СН-СН2-СН3 бут-2-ен бут-1-ен б) и ОН ОН пропан-1-ол пропан-2-ол *3) Функциональная изомерия, где изомерами могут быть представители разных классов органических соединений: Пример: а) СН2=СН-СН=СН2 и СН=С-СН2-СН3 алкадиен алкин б) с н 3- с н 2- о н и сн 3- о - с н 3 спирт (алканол) простой эфир Взаим освязь меж ду строением и свойствами органических вещ еств Предельные углеводороды. Алканы и *циклоалканы при обычных условиях химически устойчивы, потому что являются насыщенными углеводородами и не содержат активных функциональных групп, к тому же химические связи - (С-С) и (С-Н) - являются слабо поляризованными. В жестких условиях они участвуют в реакциях замещения (хлорирования), отщепления (дегидрирования), окисления. Например: 1) СН4 + С12 — -► СН3 - С1 + НС1 (замещение) метан хлорметан 2) Р(, 350°С _ С2Н6 С2Н4 + Н2 (отцепление - дегидрирование) этан этен 3) С6Н12 + 9 0 2 -----► 6С02 + 6Н20 + О (полное окисление, циклогексан Непредельные углеводороды (алкены, алкадиены, алкины). Непредельные углеводороды являются химически более активными, чем соответствующие предельные углеводороды, *благодаря наличию п-связи (более слабой, чем а-связь). Для них характерны реакции присоединения, окисления, полимеризации: 1) Присоединение: N1, р, 1° Н+ а) СН2=СН2 + Н2 СН3-СН3 в) СН2=СН2 + НОН СН3-СН2-ОН б) СН2=СН2 + НС1 СН3-СН2С1 г) СН=СН + 2 С12 СНС12—СНС12 10 *Примечание. Присоединение галогеноводородов или воды по двойной связи к несимметричным алкенам идет согласно правилу Марковникова (галоген, или группа ОН присоединяется к менее гидрированному атому углерода): СНз-СН=СН2 + НВг ----► СН3-СН-СН3 I Вг 2) Окисление: а) *СН2=СН2 + [О] + НОН---► Н^—СН^СН^ОН (мягкое окисление) б) 2СН=СН + 5О2 ► 4СО2 + 2Н2О + О (полное окисление, горение) 3) Полимеризация: а) п СН2 СН2 ----► ( - СН2-СН2 - )п б) п сн2=сн- сн=сн2 — ► ( -сн2- сн=сн- сн2- )п Ароматические углеводороды (арены). Бензольное ядро является химически стабильным, так как все углерод-углеродные связи совершенно одинаковы (6 а-связей и 6 общих р-орбиталей). Для аренов характерны реакции замещения в бензольном ядре (нитрования, галогенирования). При определенных условиях протекают и реакции присоединения (водорода, хлора). Гомологи бензола химически более активны, что объясняется взаимным влиянием алкильной группы и бензольного ядра. Замещение: н н Н^ С\ Г /Н 1 || + В г: Вг . [ Ре В г3 ] 1 Н" с ^ с^ с - Вг ^ 1 II н - ^ с - ^ н -НВг / X =о \ о ­ // -о X \ 1 н 1 н (бромбензол) Гидроксильные производные (спирты и фенолы). Физические и химические свойства определены наличием в молекуле гидроксильной группы ОН. Спиртам характерны реакции замещения, окисления и дегидратации. 1) Гидроксильные производные реагируют со щелочными металлами: 2СН3—ОН + 2 № ► 2СН3-О № + Н2! 2С6Н5-ОН + 2 № ► 2С6Н5-О № + Н2! 2) В молекуле фенола химическая связь О-Н более поляризована, чем в спиртах, вследствие чего атом водорода является более подвижным. Таким образом, фенолы, в отличие от спиртов, легко реагируют со щелочами: С6Н5-О -Н + №ОН---► С6Н5-О -№ + Н2О *3) При окислении первичных спиртов образуются альдегиды, при окислении же вторичных - образуются кетоны: СН 3—СН 2—ОН + СиО ------► 0 Н 3- С Н = О + Си + Н20 этиловым спирт уксусный альдегид ОН О I II СН3-СН-СН3 + [О] ----► СН3-С -С Н 3 + Н2О пропан-2-ол пропанон Горение спиртов протекает согласно реакции: 2СН3-ОН + 3О2 ----► 2СО2 + 4Н2О + О 4) При дегидратации этанола в зависимости от условий может образоваться этен (а), *простой эфир (б) или *бута-1,3-диен (в): Н2$04 конц., 180оС а) СН3— СН2 - ОН СН2 = СН2 + Н2О Н2$04 конц., 135 оС *б) 2СН3-СН2-ОН СН3-СН2-О -С Н2-СН3 + Н2О А120 3, 2 0 *в) 2СН3-СН2-ОН СН2=СН-СН=СН2 + 2Н2О + Н2 425 оС В молекуле фенола существует два реакционных центра: группа -ОН и бензольное ядро. Вследствие этого фенол вступает и в реакции замещения, характерные для бензольного ядра. Благодаря наличию группы -ОН замещение протекает легче, по сравнению с бензолом, в положениях 2, 4, 6: ОН I I н + 3Н 0Ы 02 -3Н20 02М н он I I N0, 1М02 н (2,4,6 - тринитрофенол) Амины, анилин содержат функциональную аминогруппу и, подобно аммиаку, обладают основными свойствами, взаимодействуя с кислотами. *Протон из молекулы кислоты образует связь с неподеленной электронной парой атома азота из амминогруппы: С Н з - | 2+ Н :С| метиламин Н . СН3 - ЫН2 С1 или СНз - ИНз хлорид метиламмония + С1- В молекуле анилина, как и в молекуле фенола, существует два реакционных центра: группа -ЫН2 и бензольное ядро, которые обусловливают его свойства. В бензольном ядре наиболее активны положения 2, 4, 6. Таким образом, анилин легко обесцвечивает бромную воду: н н 1МН2 ж 2 „с н -с СС с*' с ' 3Вг2 1 II -ЗНВг / о \ 1 // о \ с н н с н н Вг (2,4,6 - триброманилин) ^Карбонильные соединения (альдегиды, кетоны). Карбонильным соединениям характерны реакции восстановления (1) и окисления (2), причем альдегиды окисляются намного легче кетонов. 11 О ОН II N1 г1" 1) 2) ГС— С ^° + [О] ------ - ГС—С^° Н ОН *Карбоновые кислоты и сложные эфиры. Для карбоновых кислот характерна водородная связь. Карбоновые кислоты являются более слабыми по сравнению с минеральными кислотами. Они реагируют с основными реагентами (металлами, основными оксидами, основаниями, солями более слабых кислот, аммиаком) и со спиртами (реакции этерификации). 12 а) СНз-СООН + №ОН СН3-СОО№ + Н2О б) СН3—СООН + НО-СН3 СН3-СООСН3 + Н2О Особенности муравьиной кислоты. Благодаря своему строению муравьиная кислота совмещает в себе две функциональные группы: карбоксильную (кислотную) и альдегидную, придающие ей двойственный характер. Таким образом, муравьиная кислота отличается от своих гомологов, она легко окисляется, например дает реакцию «серебряного зеркала»: альдегидная группа О II Н - С 1 - ОН карбоксильная группа 1ЧНз СО2 + Н2О + 2 Ад I Выполните! Дополните схему генетической связи общими формулами и напишите уравнения реакций, с помощью которых из алканов можно получить: а) аминоэтан; б) анилин; в) фенол; г) *этаналь; *д) этилацетат. 1.5. Генетическая связь между классами изученны х органических соединений Повторяя изученный материал из курса органической химии (химические свойства, способы получения, области применения углеводородов и их производных, изучая разные простые схемы генетических связей, с помощью которых демонстрируются взаимосвязи представителей гомологических рядов), можно разработать общую схему генетических связей, которая будет отображать все изученные ранее органические соединения: 1.6.1. Упражнения 1. Напишите структурные формулы пяти углеводородов, не имеющих изомеры. Решение: Не имеют изомеров следующие углеводороды: а) СН4 б) СН3-С Н 3 в) СН3-С Н 2-С Н 3 г) СН2=СН2 д) СН=СН *2. Какие из приведенных углеводородов являются гомологами (1) и изомерами (2) гексадиена С6Н10: а) ацетилен; б) 3-метилоктан; в) циклогексан; г) гекс-2-ин; д) 3,3-диметилбут-1-ин; е) бута-1,3-диен; ж) окта-2,4-диен. Решение: 1) Гомологами гексадиена будут вещества, принадлежащие к гомологическому ряду алкадиенов и отличающиеся от него гомологической разницей (СН2)П. Это вещества, приведенные в пунктах е, ж. 2) Изомеры должны соответствовать формуле С6Н10. Это вещества, приведенные в пунктах г, д. 3. Для каких из веществ, указанных в пунктах а-ж, характерна водородная связь: а) этан; б) изопрен; в) этан-1,2-диол; г) фенол; *д) пропаналь; *е) уксусная кислота; *ж) этилформиат? Решение: Среди органических веществ, изученных ранее, водородная связь характерна только для спиртов, фенолов и карбоновых кислот, т. е. для веществ, приведенных в пунктах в, г и е. 13 *4. Какие из веществ, указанных в пунктах а-к, дают реакцию «серебряного зеркала» при нагревании с реактивом Толленса? а) этен б) хлорэтан в) пропаналь г) пропанон д) этилформиат е) этин ж) этанол з) пропин и) метановая кислота к) анилин Решение: Реакцию «серебряного зеркала» дают только вещества, содержащие альдегидную группу (-СН=0). Это вещества, приведенные в пунктах в, д, и. *1.6.2. Расчетные задачи Определение молекулярной формулы вещества по массовым долям элементов (ш), относительной молекулярной массе вещества (Мг) или по принадлежности к определенному классу органических веществ 1. Массовые доли углерода и водорода в молекуле некоторого алканола соответственно равны: 52,17% (С) и 13,04% (Н). Определите его молекулярную формулу и напишите его структурную формулу. Дано: ш(С) = 52,17% ш(Н) = 13,04% СхНу0 2 - ? Решение 1) Находим массовую долю кислорода в алканоле: ш(0) = 100% - ш(С) - ш(Н) = 100% - 52,17% - 13,04% = 34,79% 2) Определяем соотношение количеств вещества углерода, водорода и кислорода в органическом веществе массой 100 г: V(С) : ЦН) : V(0) = 52,17 г 13,04 г 34,79 г = 4,34 моль : 13,04 моль : 2,17 моль 12 г/моль 1 г/моль 16 г/моль 3) Согласно условию задачи, алканол является одноатомным спиртом, т. е. содержит один атом кислорода, тогда, поделив полученные количества веществ на наименьшее значение, получим: 4,34 2,17 13,04 : 2,17 2,17 : 2,17 2 : 6 : 1 Ответ: Молекулярная формула вещества - С2Н60, структурная формула соответственно - СН3-СН2-0Н. 2. Некоторое органическое вещество (А), имеющее относительную молекулярную массу, равную 60, содержит углерод, водород и кислород в массовых соотношениях 6 : 1 : 8. Рассчитайте молекулярную формулу этого вещества и напишите его возможные структурные формулы. Дано: МГ(А) = 60 т (С ) : т(Н ) : т(0 )= = 6 : 1: 8 Решение Вещество А= Сх Ну 0 2 1) Находим молярное соотношение углерода, водорода и кислорода в веществе А: СхНу0 х : у : 2 = 6/12 : 1/1 : 8/16 = 0,5 : 1 : 0,5 = Получаем брутто-формулу: СН20. 2) По относительной молекулярной массе вещества лярную формулу: Мг (СН20 )п = (12 + 2 + 16) п = 30 п Мг (А) = 60 = 30 п п = 2 Молекулярная формула вещества А - С2Н40 2. Выведем возможные структурные формулы: СН3 - С00Н; Н - С00СН3 Ответ. Вещество А может быть уксусной кислотой или метилформиатом. 1 : 2 : 1 рассчитываем молеку- 14 УПРАЖНЕНИЯ И ЗАДАЧИ 1. 2. 3. 4. *5. 6. 7. 8. 9. *10. *11. 12 . *13. *14. *15. *16. *17. * 18. Напишите структурные формулы трех алканов, не имеющих изомеров и назовите их. Проанализируйте каждую пару органических веществ и определите степень их «родства» (гомологи, изомеры или производные): а) 2,3-диметилбутан и 2-метилпентан; *г) бензол и толуол; б) пентан и пропан; *д) бутин и бута-1,3-диен; в) пропан и пропанол; *е) этановая кислота и метилфлормиат. Даны вещества: а) 2,3-диметилпентан; б) гекса-1,4-диен; в) 3-метилпент-1-ин; г) циклогексан; д) бута-1,3-диен; е) пента-1,3-диен. Выберите гомологи (1) и изомеры (2) гекса-1,5-диена. Для гекс-1-ена напишите по одному изомеру: а) скелета, б) положения кратной связи. Выберите вещества, которые подвергаются гидролизу, и напишите уравнения реакций: а) этен; г) хлорметан; ж) этанол; б) пропен; д) бута-1,3-диен; з) метилацетат; в) бензол; е) фенол; и) анилин. Проанализируйте строение веществ а-и из предыдущего упражнения. Выберите из них те, которые способны присоединять воду? Напишите уравнения реакций. Укажите различия между реакциями гидролиза и гидратации. Приведите по одному примеру к каждому классу изученных углеводородов. Напишите для каждого по две характерные реакции. Приведите по одному примеру к каждому классу изученных органических веществ. Напишите для каждого по две характерные реакции. Напишите по одному уравнению реакций, характеризующих практическое применение веществ: а) метан; *б) бута-1,3-диен; в) ацетилен; г) бензол; д) этанол; е) *анилин; *ж) этаналь. Напишите по одному уравнению с участием фенола в реакциях: а) замещения; б) присоединения; в) обмена. Приведите схему превращений, в результате которой можно получить фенол из неорганических веществ. Рассчитайте объем метана (н. у.), необходимый для получения ацетилена массой в 1 тонну. Определите молекулярную формулу алкена, относительная плотность которого по азоту равна 2, и напишите формулы его возможных изомеров. Ароматический углеводород содержит 91,3% углерода. Определите его молекулярноую формулу и приведите возможные структурные формулы. При сжигании органического вещества массой 2,96 г, относительная плотность паров которого по воздуху равна 2,55, образуется углекислый газ массой 7,04 г и вода массой 3,6 г. Определите молекулярную формулу вещества. Напишите структурные формулы шести изомеров и назовите их. Рассчитайте количество вещества метаналя, содержащегося в растворе объемом 1,5 л (плотность раствора равна 1,06 г/мл). Массовая доля вещества в растворе равна 20%. Карбид кальция количеством вещества 3,2 моль превращен в ацетальдегид, одна половина массы которого была окислена, а вторая - восстановлена. Полученные продукты подвергли реакции этерификации. Рассчитайте массу полученного сложного эфира. На основании квитанции об оплате за природный газ (метан), потребленный вашей семьей в предыдущем месяце, рассчитайте: а) объем метана (н. у.), содержащегося в потребленном природном газе, если известно, что природный газ, поставляемый в Республику Молдова, содержит 3% негорючих примесей; б) объем кислорода (н. у.), израсходованный на сгорание газа; в) количество выделенного тепла, если извес