Из всего многообразия химических соединений большая часть (свыше четырех миллионов) содержит углерод. Почти все они относятся к органическим веществам. Органические соединения встречаются в природе, например углеводы, белки, витамины, они играют важную роль в жизнедеятельности животных и растений. Многие органическиё вещества и их смеси (пластмассы, каучук, нефть, природный газ и другие) имеют большое значение для развития народного хозяйства страны.

Химия соединений углерода называется органической химией. Так определил предмет органической химии великий русский химик-органик А.М. Бутлеров. Однако не все соединения углерода принято относить к органическим. Такие простейшие вещества, как оксид углерода (II) СО, диоксид углерода СО2, угольная кислота Н2СО3 и ее соли, например, СаСО3, К2СО3, относят к неорганическим соединениям. В состав органических веществ кроме углерода могут входить и другие элементы. Наиболее часто - это водород, галогены, кислород, азот, сера и фосфор. Существуют также органическиё, вещества, содержащие другие элементы, в том числе металлы.

2. Строение атома углерода (С), структура его электронной оболочки

2.1 Значение атома углерода (С) в химическом строении органических соединений

УГЛЕРОД (лат. Carboneum), С, химический элемент подгруппы IVa периодической системы; атомный номер 6, атомная масса 12,0107, относится к неметаллам. Природный углерод состоит из двух стабильных нук лидов - 12С (98,892% по массе) и 13С (1,108%) и одного нестабильного - С с периодом полураспада 5730 лет.

Распространённость в природе. На долю углерода приходится 0,48% от массы земной коры, в которой он по содержанию занимает среди других элементов 17-е место. Основные углерод-содержащие породы - природные карбонаты (известняки и доломиты); количество углерода в них составляет около 9,610 т.

В свободном состоянии углерод встречается в природе в виде горючих ископаемых, а также в виде минералов - алмаза и графита. Около 1013 т углерода сосредоточено в таких горючих ископаемых, как каменный и бурый уголь, торф, сланцы, битумы, образующих мощные скопления в недрах Земли, а также в природных горючих газах. Алмазы чрезвычайно редки. Даже алмазоносные породы (кимберлиты) содержат не более 9-10 % алмазов массой, как правило, не более 0,4 г. Найденным крупным алмазам обычно присваивают особое название. Самый большой алмаз «Куллинан» весом 621,2 г (3106 карат) был найден в Южной Африке (Трансвааль) в 1905 г., а самый большой русский алмаз «Орлов» весом 37,92 г (190 карат) -в Сибири в середине 17 в.

Чёрно-серый непрозрачный жирный на ощупь с металлическим блеском графит представляет собой скопление плоских полимерных молекул из атомов углерода, непрочно наслоённых друг на друга. При этом атомы внутри слоя связаны между собой сильнее, чем атомы между слоями.

Другое дело алмаз. В его бесцветном, прозрачном и сильно преломляющем свет кристалле каждый атом углерода связан химическими связями с четырьмя такими же атомами, расположенными в вершинах тетраэдра. Все связи одинаковы по длине и очень прочны. Они образуют в пространстве непрерывный трёхмерный каркас. Весь кристалл алмаза представляет собой как бы одну гигантскую полимерную молекулу, не имеющую «слабых» мест, т.к. прочность всех связей одинакова.

Плотность алмаза при 20°С равна 3,51 г/см 3 , графита - 2,26 г/см 3 . Физические свойства алмаза (твёрдость, электропроводность, коэффициент термического расширения) практически одинаковы по всем направлениям; он является самым твёрдым из всех найденных в природе веществ. В графите же эти свойства по разным направлениям - перпендикулярному или параллельному слоям атомов углерода - сильно различаются: при небольших боковых усилиях параллельные слои графита сдвигаются друг относительно друга и он расслаивается на отдельные чешуйки, оставляющие след на бумаге. По электрическим свойствам алмаз - диэлектрик, графит же проводит электрический ток.

Алмаз при нагревании без доступа воздуха выше 1000 °С превращается в графит. Графит при постоянном нагревании в тех же условиях не изменяется вплоть до 3000°С, когда он возгоняется без плавления. Прямой переход графита в алмаз происходит только при температуре выше 3000°С и огромном давлении - около 12 ГПа.

Третья аллотропная модификация углерода -карбин - получена искусственно. Это мелкокристаллический чёрный порошок; в его структуре длинные цепочки атомов углерода расположены параллельно друг другу. Каждая цепочка имеет строение (-С=С) Л или (=С=С=) Л. Плотность карбина средняя между графитом и алмазом -2,68-3,30 г/см 3 . Одна из важнейших особенностей карбина - его совместимость с тканями человеческого организма, что позволяет применять его, например, при изготовлении не-отторгаемых организмом искусственных кровеносных сосудов (рис. 1).

Название своё фуллерены получили не в честь химика, а по имени американского архитектора Р. Фуллера, который предложил строить ангары и другие сооружения в виде куполов, поверхность которых образуют пяти- и шестиугольники (такой купол построен, например, московском парке «Сокольники»).

Для углерода характерно также состояние с неупорядоченной структурой - это т. наз. аморфный углерод (сажа, кокс, древесный уголь) рис. 2. Получение углерода (С):

Большинство окружающих нас веществ - органические соединения. Это ткани животных и растений, наша пища, лекарства, одежда (хлопчатобумажные, шерстяные и синтетические волокна), топливо (нефть и природный газ), резина и пластмассы, моющие средства. В настоящее время известно более 10 миллионов таких веществ, и число их каждый год значительно возрастает благодаря тому, что учёные выделяют неизвестные вещества из природных объектов и создают новые, не существующие в природе соединения.

Такое многообразие органических соединений связано с уникальной особенностью атомов углерода образовывать прочные ковалентные связи, как между собой, так и с другими атомами. Атомы углерода, соединяясь друг с другом как простыми, так и кратными связями, могут образовывать цепочки практически любой длины и циклы. Большое разнообразие органических соединений связано также с существованием явления изомерии.

Почти все органические соединения содержат также водород, часто в их состав входят атомы кислорода, азота, реже - серы, фосфора, галогенов. Соединения, содержащие атомы любых элементов (за исключением О, N, S и галогенов), непосредственно связанные с углеродом, объединены под названием элементоорганические соединения; основную группу таких соединений составляют металлоорганические соединения (рис. 3).

Огромное число органических соединений требует их четкой классификации. Основу органического соединения составляет скелет молекулы. Скелет может иметь открытую (незамкнутую) структуру, тогда соединение называют ациклическим (алифатическим; алифатические соединения называют также соединениями жирного ряда, т.к. они впервые были выделены из жиров), и замкнутую структуру, тогда его называют циклическим. Скелет может быть углеродным (состоять только из атомов углерода) либо содержать другие, отличные от углерода атомы - т. наз. гетероатомы, чаще всего кислород, азот и серу. Циклические соединения подразделяют на карбоцикличе-ские (углеродные), которые могут быть ароматическими и алициклическими (содержащими один или несколько циклов), и гетероциклические.

Атомы водорода и галогенов в скелет не входят, а гетероатомы входят в скелет лишь в том случае, если они имеют, по меньшей мере, две связи с углеродом. Так, в этиловом спирте СН3СН2ОН атом кислорода не включён в скелет молекулы, а в диметиловом эфире СН3ОСН3 включён в него.

Кроме того, ациклический скелет может быть неразветвлённым (все атомы расположены в один ряд) и разветвлённым. Иногда неразветвлённый скелет называют линейным, однако следует помнить, что структурные формулы, которыми мы чаще всего пользуемся, передают лишь порядок связи, а не реальное расположение атомов. Так, «линейная» углеродная цепь имеет зигзагообразную форму и может закручиваться в пространстве различными способами.

В скелете молекулы различают четыре типа атомов углерода. Принято атом углерода называть первичным, если он образует только одну связь с другим атомом углерода. Вторичный атом связан с двумя другими атомами углерода, третичный - с тремя, а четвертичный все свои четыре связи затрачивает на образование связей с атомами углерода.

Следующим классификационным признаком является наличие кратных связей. Органические соединения, содержащие только простые связи, называются насыщенными (предельными). Соединения, содержащие двойные или тройные связи, называются ненасыщенными (непредельными). В их молекулах на один атом углерода приходится меньшее число атомов водорода, чем в предельных. Циклические ненасыщенные углеводороды ряда бензола выделяют в отдельный класс ароматических соединений.

Третьим классификационным признаком является наличие функциональных групп-групп атомов, характерных для данного класса соединений и определяющих его химические свойства. По количеству функциональных групп органические соединения делятся на монофункциональные - содержат одну функциональную группу, полифункциональные - содержат несколько функциональных групп, например глицерин, и гетерофунк-циональные - в одной молекуле несколько различных групп, например аминокислоты.

В зависимости от того, у какого атома углерода находится функциональная группа, соединения делятся на первичные, например этилхлорид СН 3 СН 2 С1, вторичные - изопропилхлорид (СНз)2СНС1 и третичные - бутилхлорид (СН 8) 8 ССl.

Известно, что все сложные вещества условно можно разделить на органические и неорганические.

В состав неорганических веществ может входить любой элемент периодической системы. Основными классами неорганических веществ являются оксиды, кислоты, основания и соли. Свойства этих веществ были рассмотрены в первых двух разделах.

В состав органических веществ обязательно входит атом углерода, который в подавляющем числе органических соединений образует цепи. Эти цепи имеют разную длину и разное строение, поэтому органических соединений теоретически может быть бесчисленное множество.

Основу любого органического соединения составляет углеводородная цепь, которая может соединяться с функциональными группами.

Свойства органического соединения описывают по схеме:

• определение;
• гомологический ряд;
• изомерия;
• номенклатура (названия);
• строение молекулы (углеводородной цепи и функциональных групп);
• свойства, связанные со строением
  • функциональной группы;
  • углеводородного радикала;
• особые свойства;
• получение и применение.

Прочитав очередной урок, попробуйте описать изучаемые соединения на любом примере, используя эту схему. И всё получится!

Органические вещества известны людям с давних пор. Ещё в древности люди использовали сахар, животные и растительные жиры, красящие и душистые вещества. Все эти вещества выделялись из живых организмов . Поэтому такие соединения стали называться органическими , а раздел химии, который изучал вещества, образующиеся в результате жизнедеятельности живых организмов, получил название «органическая химия ». Это определение было дано шведским учёным Берцелиусом* в 1827 году.

* Берцелиус Йенс Якоб (20.08.1779–7.08.1848) - шведский химик. Проверил и доказал ряд основных законов химии, определил атомные массы 45 химических элементов, ввёл современное обозначение химических элементов (1814) и первые химические формулы, разработал понятия «изомерия», «катализ» и «аллотропия».

Уже первые исследователи органических веществ отмечали особенности этих соединений. Во-первых , все они при сжигании образуют углекислый газ и воду, значит, все они содержат атомы углерода и водорода. Во-вторых , эти соединения имели более сложное строение, чем минеральные (неорганические) вещества. В-третьих , возникали серьёзные затруднения, связанные со способами получения и очистки этих соединений. Полагали даже, что органические соединения невозможно получить без участия «жизненной силы», которая присуща только живым организмам, то есть органические соединения нельзя, казалось, получить искусственно.

И, наконец, были обнаружены соединения одинакового молекулярного состава, но различные по свойствам. Такое явление не было характерно для неорганических веществ. Если для неорганического вещества известен состав, то известны и его свойства.

Вопрос. Какими свойствами обладают H 2 SO 4 ; Ca(OH) 2 ?

А химики-органики обнаружили, что вещество состава С 2 Н 6 О у одних исследователей является достаточно инертным газом, а у других - жидкостью, активно вступающей в разнообразные реакции. Как это объяснить?

К середине 19-го века было создано немало теорий, авторы которых пытались объяснить эти и другие особенности органических соединений. Одной из таких теорий стала теория химического строения Бутлерова *.

* Бутлеров Александр Михайлович (15.09.1928–17.08.1886) - русский химик. Создал теорию химического строения органических веществ, лежащей в основе современной химии. Предсказал изомерию многих органических соединений, заложил основы учения о таутомерии.

Некоторые её положения были изложены А. М. Бутлеровым в 1861 году на конференции в г. Шпейере, другие были сформулированы позже в научных работах А. М. Бутлерова. В целом, основные положения этой теории в современном изложении можно сформулировать так.

1. Атомы в молекулах располагаются в строгом порядке, согласно их валентности.

2. Атом углерода в органических молекулах всегда имеет валентность равную четырём .

3. Порядок соединений атомов в молекуле и характер химических связей между атомами называется химическим строением .

4. Свойства органических соединений зависят не только от того, какие атомы и в каких количествах входят в состав молекулы, но и от химического строения :

• вещества разного строения имеют разные свойства;
• вещества похожего строения имеют похожие свойства.

5. Изучая свойства органических соединений, можно сделать вывод о строении данного вещества и описать это строение одной-единственной химической формулой.

6. Атомы в молекуле влияют друг на друга, и это влияние сказывается на свойствах вещества.

При изучении органической химии нужно чаще вспоминать эти положения и, прежде чем описывать свойства какого-либо вещества, следует указать его строение при помощи химической формулы, в которой будет показан порядок соединения атомов в молекуле - графическая формула .

Особенности строения органических соединений

Органическая химия изучает строение молекул и свойства соединений углерода, кроме самых простых (угольная и синильная кислоты и их соли).

В состав неорганических соединений могут входить любые из 114 известных в настоящее время химических элементов. Сейчас известно более 0,5 млн неорганических веществ.

В состав органических молекул обычно входят атомы 6 химических элементов: C, H, O, N, P, S . И тем не менее в настоящее время известно более 20 миллионов органических соединений.

Почему органических веществ так много?

Поскольку в состав любого органического соединения входит атом углерода, попробуем найти ответ на этот вопрос, рассмотрев особенности строения атома углерода.

Углерод - химический элемент 2-го периода, IV группы Периодической системы химических элементов Менделеева, следовательно, строение его атома можно изобразить так:

Таким образом, на внешнем уровне атома углерода находится четыре электрона. Являясь неметаллом, атом углерода может и отдавать четыре электрона, и принимать до завершения внешнего уровня также четыре электрона. Поэтому:

• атом углерода в органических соединениях всегда четырёхвалентен ;
• атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя цепи различной длины и строения;
• атомы углерода соединяются друг с другом и с другими атомами при помощи ковалентной связи, которую в формуле обозначают чёрточкой; так как валентность атома углерода равна четырём, - общее число чёрточек (химических связей) у одного атома углерода тоже равно четырём.

В состав углеродных цепочек может входить разное число атомов углерода: от одного до нескольких тысяч. Кроме того, цепочки могут иметь разное строение:

Между атомами углерода могут возникать химические связи разного типа:

Поэтому всего лишь четыре (!) атома углерода могут образовать более 10 соединений разного строения, даже если в состав таких соединений будут входить только атомы углерода и водорода. Эти соединения будут иметь, например, следующие «углеродные скелеты»:

и другие.

Задание 17.1. Попробуйте составить сами 2–3 цепочки атомов углерода иного строения из четырёх атомов углерода.

Выводы

Способность атомов углерода образовывать УГЛЕРОДНЫЕ ЦЕПИ разного состава и строения - главная причина многообразия органических соединений.

Классификация органических соединений

Поскольку органических соединений очень много, их классифицируют по разным признакам:

• по строению углеродной цепи - линейные, разветвлённые, циклические соединения;
• по типу химической связи - предельные, непредельные и ароматические соединения;
• по составу - углеводороды, кислородсодержащие соединения, азотсодержащие соединения и другие.

В данном пособии будут рассмотрены свойства соединений различных классов, поэтому определения и примеры будут даны позднее.

Формулы органических соединений

Формулы органических соединений можно изображать по-разному. Состав молекулы отражает молекулярная (эмпирическая) формула:

Но эта формула не показывает расположения атомов в молекуле, т. е. строения молекулы вещества. А в органической химии это понятие - химическое строение молекулы вещества - самое главное! Последовательность соединения атомов в молекуле показывает графическая (структурная) формула . Например, для вещества строения С 4 Н 10 можно написать две такие формулы:

Можно показать все химические связи:

Такие развёрнутые графические формулы наглядно показывают, что атом углерода в органических молекулах четырёхвалентен. При составлении графических формул нужно сначала изобразить углеродную цепь, например:

Затем чёрточками обозначить валентность каждого атома углерода:

У каждого атома углерода должно быть четыре чёрточки!

Затем заполнить «свободные» валентности атомами водорода (или другими одновалентными атомами или группами).

Теперь можно переписать эту формулу в сокращённом виде:

Если вы хотите сразу написать такую формулу для бутана - ничего сложного нет, нужно только считать до четырёх. Изобразив углеродный «скелет», нужно задать себе вопрос: сколько валентностей (чёрточек) имеет данный конкретный атом углерода?

Две. Значит, нужно добавить 2 атома водорода:

Следует помнить, что графические формулы можно записывать по-разному. Например, графическую формулу бутана можно записать так:

Поскольку последовательность расположения атомов не нарушилась, то это формулы одного и того же соединения (!) Проверить себя можно, составив названия этих соединений (см урок 17.7). Если названия веществ совпадают, то это - формулы одного и того же вещества .

Изомерия

К середине 19-го века, когда было получено и изучено достаточно много органических соединений, химики-органики обнаружили непонятное явление: соединения, имеющие одинаковый состав, имели разные свойства! Например, газ , который с трудом вступает в реакции и не реагирует с Nа, имеет состав C 2 H 6 O. Но существует жидкость , имеющая тот же состав и очень активная в химическом отношении. В частности, эта жидкость состава C 2 H 6 O активно реагировала с Na, выделяя водород. Совершенно разные по физическим и химическим свойствам вещества имеют одинаковую молекулярную формулу ! Почему? Ответ на этот вопрос можно получить при помощи теории строения органических соединений Бутлерова, одно из положений которой утверждает: «Свойства органических соединений зависят от химического строения их молекул» .

Так как химические свойства рассматриваемых соединений различны, значит, их молекулы имеют разное строение. Попробуем составить графические формулы этих соединений. Для вещества состава C 2 H 6 O можно предложить только два вида цепочек:

Заполнив эти «скелеты» атомами водорода, получаем:

Вопрос. Какое из этих соединений способно реагировать с Nа, выделяя водород?

Очевидно, к такому взаимодействию способно только вещество (I), содержащее связь «О–Н» , которой нет в молекуле (II). И газ Н 2 выделяется потому, что разрушается связь «О–Н» . Если бы для образования водорода нужно было бы разрушить связь «С–Н» , то поскольку такие связи есть в обоих веществах, газ Н 2 выделялся бы в обоих случаях. Таким образом, формула (I) отражает строение молекулы жидкости, а формула (II) - газа.

Существование соединений, которые имеют одинаковый состав, но разное химическое строение, называется изомерией .

ИЗОМЕРЫ - это соединения, которые имеют одинаковый состав, но разное химическое строение, а значит, и разные свойства.

Поэтому молекулы органических соединений следует изображать при помощи графических (структурных) формул, так как в этом случае будет видно строение изучаемого вещества, а значит, будет видно, как и за счёт чего происходит химическая реакция.

Упражнение 17.1 . Среди следующих соединений найдите изомеры:

Решение . Поскольку изомеры имеют одинаковый состав , определим состав (молекулярные формулы) всех этих соединений, то есть пересчитаем число атомов углерода и водорода:

Ответ . Соединения а) и б) изомерны друг другу, так как имеют одинаковый состав C 4 H 10

Соединения в) и г) изомерны друг другу, так как имеют одинаковый состав C 5 H 12 , но различное химическое строение.

Задание 17.2. Среди следующих соединений найдите изомеры:

Гомологи

Из того же положения теории строения органических соединений Бутлерова следует, что вещества, имеющие похожее (сходное) строение молекул, должны иметь и похожие (сходные) свойства. Органические соединения, которые имеют похожее строение, а, значит, и похожие свойства, образуют гомологические ряды.

Например, углеводороды, в составе молекул которых есть только одна двойная связь алкенов :

Углеводороды, в молекулах которых имеются только простые связи , образуют гомологический ряд алканов :

Члены любого гомологического ряда называются ГОМОЛОГАМИ.

Гомологи - это органические соединения, которые похожи по химическому строению и, значит, по свойствам. Гомологи отличаются друг от друга по составу на группу СН 2 или (СН 2) n .

Убедимся в этом на примере гомологического ряда алкенов:

Задание 17.3 . Сравните состав членов гомологического ряда алканов (гомологов алканов) и убедитесь, что по составу они отличаются на группу СН 2 или (СН 2) n .

Выводы

Гомологи похожи по строению, а значит, и по свойствам; гомологи отличаются по составу на группу СН 2 . Группа СН 2 называется гомологической разностью .

Названия углеводородов. Правила международной номенклатуры

Для того чтобы понимать друг друга, нужен язык. Люди говорят на разных языках и не всегда понимают друг друга. Химики же, для того чтобы понимать друг друга, пользуются одним и тем же международным языком. Основу этого языка составляют названия соединений (номенклатура).

Правила номенклатуры (названий) органических соединений были приняты в 1965 году. Они называются правилами ИЮПАК (IUPAC)*.

* IUPAC - International Union of Pure and Applied Chemistry - Международный союз чистой и прикладной химии.

За основу названий органических соединений принимаются названия гомологов-алканов:

• СН 4 - МЕТ ан,
• C 2 H 6 - ЭТ ан,
• С 3 Н 8 - ПРОП ан,
• С 4 Н 10 - БУТ ан**,
• С 5 Н 12 - ПЕНТ ан**,
• C 6 H 14 - ГЕКС ан**,
• C 7 H 16 - ГЕПТ ан**,
• C 8 H 18 - ОКТ ан**.

** Для этих соединений имеется ввиду, что они имеют линейное строение.

В этих названиях КОРНИ слов (полужирный шрифт) - мет- , эт- , проп- и так далее - указывают на число атомов углерода в цепи:

• МЕТ - 1 атом углерода,
• ЭТ - 2 атома углерода,
• ПРОП - 3 атома углерода и так далее.

Задание 17.4. Сколько атомов углерода содержит углеродная цепь соединений:

1. мет аналь;
2. эт иловый спирт;
3. проп анон;
4. бут ановая кислота?

Суффикс в названии указывает на характер (тип) связей. Так, суффикс -ан- показывает, что все связи между атомами углерода простые .

Задание 17.5. Вспомните, что такое гомологи, и установите, являются ли гомологами алкан ов следующие вещества:

1. октан ?
2. пропен ?
3. 2-метилпропан ?

В названиях могут быть и другие суффиксы:

• -ен- , если в цепи имеется одна двойная связь;
• -ин- , если в цепи имеется одна тройная связь.

Упражнение 17.2. Попробуйте составить графические формулы ЭТан а, ЭТен а и ЭТин а.

Решение. Все эти вещества имеют корень -ЭТ- , то есть в состав этих веществ входит .?. атома углерода. В первом веществе имеется .?. связь, так как суффикс -ан- :

Рассуждая аналогично, Вы получите:

Предположим, нужно изобразить графическую формулу пропина .

1. Корень -проп- указывает, что в цепи 3 атома углерода:

2. Суффикс -ин- указывает, что имеется одна тройная связь:

3. Каждый атом углерода имеет валентность IV. Поэтому допишем недостающие атомы водорода:

Алканы (предельные углеводороды, парафины) – ациклические насыщенные углеводороды общей формулы С n H 2n+2 . В соответствии с общей формулой алканы образуют гомологический ряд.

Первые четыре представителя имеют полусистематические названия – метан (CH 4), этан (С 2 Н 6), пропан (С 3 Н 8), бутан (С 4 Н 10). Названия последующих членов ряда строятся из корня (греческие числительные) и суффикса -ан : пентан (С 5 Н 12), гексан (С 6 Н 14), гептан (С 7 Н 16) и т. д.

Атомы углерода в алканах находятся в sp 3 -гибридном состоянии. Оси четырех sp 3 - орбиталей направлены к вершинам тетраэдра, валентные углы равны 109°28 .

Пространственное строение метана:

Энергия С-С связи Е с - с = 351 кДж/моль, длина С-С связи 0,154 нм.

Связь С-С в алканах является ковалентной неполярной. Связь С-Н – ковалентная слабополярная.

Для алканов, начиная с бутана, существуют структурные изомеры (изомеры строения), различающиеся порядком связывания между атомами углерода, с одинаковым качественным и количественным составом и молекулярной массой, но различающихся по физическим свойствам.

Способы получения алканов

1. С n H 2n+2 >400–700 °C > С p H 2p+2 + С m H 2m ,

Крекинг нефти (промышленный способ). Алканы также выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменный уголь).

(гидрирование непредельных соединений)

3. nCO + (2n + 1)Н 2 > С n H 2n+2 + nH 2 O (получение из синтез-газа (CO + Н 2))

4. (реакция Вюрца)

5. (реакция Дюма) CH 3 COONa + NaOH >t > CH 4 + Na 2 CO 3

6. (реакция Кольбе)

Химические свойства алканов

Алканы не способны к реакциям присоединения, т. к. в их молекулах все связи насыщены, для них характерны реакции радикального замещения, термического разложения, окисления, изомеризации.

1. (реакционная способность убывает в ряду: F 2 > Cl 2 > Br 2 > (I 2 не идет), R 3 C > R 2 CH > RCH 2 > RCH 3 )

2. (реакция Коновалова)

3. C n H 2n+2 + SO 2 + ?O 2 >h? > C n H 2n+1 SO 3 H – алкилсульфокислота

(сульфоокисление, условия реакции: облучение УФ)

4. CH 4 >1000 °C > С + 2Н 2 ; 2CH 4 >t>1500 °C > С 2 Н 2 + ЗН 2 (разложение метана – пиролиз)

5. CH 4 + 2Н 2 O >Ni, 1300 °C > CO 2 + 4Н 2 (конверсия метана)

6. 2С n H 2n+2 + (Зn+1)O 2 > 2nCO 2 + (2n+2)Н 2 O (горение алканов)

7. 2н- С 4 Н 10 + 5O 2 > 4CH 3 COOH + 2Н 2 O (окисление алканов в промышленности; получение уксусной кислоты)

8. н- С 4 Н 10 > изо- С 4 Н 10 (изомеризация, катализатор AlCl 3)

2. Циклоалканы

Циклоалканы (циклопарафины, нафтены, цикланы, полиметилены) – предельные углеводороды с замкнутой (циклической) углеродной цепью. Общая формула С n H 2n .

Атомы углерода в циклоалканах, как и в алканах, находятся в sp 3 -гибридизованном состоянии. Гомологический ряд циклоалканов начинает простейший циклоалкан – циклопропан С 3 Н 6 , представляющий собой плоский трехчленный карбоцикл. По правилам международной номенклатуры в циклоалканах главной считается цепь углеродных атомов, образующих цикл. Название строится по названию этой замкнутой цепи с добавлением приставки «цикло» (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и т. д.).

Структурная изомерия циклоалканов связана с различной величиной цикла (структуры 1 и 2), строением и видом заместителей (структуры 5 и 6) и их взаимным расположением (структуры 3 и 4).

Способы получения циклоалканов

1. Получение из дигалогенопроизводных углеводородов

2. Получение из ароматичесих углеводородов

Химические свойства циклоалканов

Химические свойства циклоалканов зависят от размера цикла, определяющего его устойчивость. Трех– и четырехчленные циклы (малые циклы), являясь насыщенными, резко отличаются от всех остальных предельных углеводородов. Циклопропан, циклобутан вступают в реакции присоединения. Для циклоалканов (С 5 и выше) вследствие их устойчивости характерны реакции, в которых сохраняется циклическая структура, т. е. реакции замещения.

1. Действие галогенов

2. Действие галогеноводородов

С циклоалканами, содержащими пять и более атомов углерода в цикле, галогеново-дороды не взаимодействуют.

4. Дегидрирование

Алкены (непредельные углеводороды, этиленовые углеводороды, олефины) – непредельные алифатические углеводороды, молекулы которых содержат двойную связь. Общая формула ряда алкенов С n Н 2n .

По систематической номенклатуре названия алкенов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суффикса – ан на – ен : этан (CH 3 -CH 3) – этен (CH 2 =CH 2) и т. д. Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно включала в себя двойную связь. Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к двойной связи конца цепи.

В молекуле алкена ненасыщенные атомы углерода находятся в sp 2 -гибридизации, а двойная связь между ними образована?– и?-связью. sp 2 -Гибридные орбитали направлены друг к другу под углом 120°, и одна негибридизованная 2р -орбиталь, расположена под углом 90° к плоскости гибридных атомных орбиталей.

Пространственное строение этилена:

Длина связи С=С 0,134 нм, энергия связи С=С Е с=с = 611 кДж/моль, энергия?-связи Е? = 260 кДж/моль.

Виды изомерии: а) изомерия цепи; б) изомерия положения двойной связи; в) Z, Е (cis, trans ) – изомерия, вид пространственной изомерии.

Способы получения алкенов

1. CH 3 -CH 3 >Ni, t > CH 2 =CH 2 + H 2 (дегидрирование алканов)

2. С 2 Н 5 OH >H,SO 4 , 170 °C> CH 2 =CH 2 + Н 2 O (дегидратация спиртов)

3. (дегидрогалогенирование алкилгалогенидов по правилу Зайцева)

4. CH 2 Cl-CH 2 Cl + Zn > ZnCl 2 + CH 2 =CH 2 (дегалогенирование дигалогенопроизводных)

5. HC?CH + Н 2 >Ni, t > CH 2 =CH 2 (восстановление алкинов)

Химические свойства алкенов

Для алкенов наиболее характерны реакции присоединения, они легко окисляются и полимеризуются.

1. CH 2 =CH 2 + Br 2 > CH 2 Br-CH 2 Br

(присоединение галогенов, качественная реакция)

2. (присоединение галогеноводородов по правилу Марковникова)

3. CH 2 =CH 2 + Н 2 >Ni, t > CH 3 -CH 3 (гидрирование)

4. CH 2 =CH 2 + Н 2 O >H + > CH 3 CH 2 OH (гидратация)

5. ЗCH 2 =CH 2 + 2КMnO 4 + 4Н 2 O > ЗCH 2 OH-CH 2 OH + 2MnO 2 v + 2KOH (мягкое окисление, качественная реакция)

6. CH 2 =CH-CH 2 -CH 3 + КMnO 4 >H + > CO 2 + С 2 Н 5 COOH (жесткое окисление)

7. CH 2 =CH-CH 2 -CH 3 + O 3 > Н 2 С=O + CH 3 CH 2 CH=O формальдегид+пропаналь > (озонолиз)

8. С 2 Н 4 + 3O 2 > 2CO 2 + 2Н 2 O (реакция горения)

9. (полимеризация)

10. CH 3 -CH=CH 2 + HBr >перекись > CH 3 -CH 2 -CH 2 Br (присоединение бро-моводорода против правила Марковникова)

11. (реакция замещения в?-положение)

Алкины (ацетиленовые углеводороды) – ненасыщенные углеводороды, имеющие в своем составе тройную С?С связь. Общая формула алкинов с одной тройной связью С n Н 2n-2 . Простейший представитель ряда алкинов CH?CH имеет тривиальное название ацетилен. По систематической номенклатуре названия ацетиленовых углеводородов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суффикса –ан на -ин : этан (CH 3 -CH 3) – этин (CH?CH) и т. д. Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно включала в себя тройную связь. Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к тройной связи конца цепи.

В образовании тройной связи участвуют атомы углерода в sp -гибридизованном состоянии. Каждый из них имеет по две sp- гибридных орбитали, направленных друг к другу под углом 180°, и две негибридных p -орбитали, расположенных под углом 90° по отношению друг к другу и к sp -гибридным орбиталям.

Пространственное строение ацетилена:

Виды изомерии: 1) изомерия положения тройной связи; 2) изомерия углеродного скелета; 3) межклассовая изомерия с алкадиенами и циклоалкенами.

Способы получения алкинов

1. СаО + ЗС >t > СаС 2 + CO;

СаС 2 + 2Н 2 O > Са(OH) 2 + CH?CH (получение ацетилена)

2. 2CH 4 >t>1500 °C > HC = CH + ЗН 2 (крекинг углеводородов)

3. CH 3 -CHCl 2 + 2KOH >в спирте > HC?CH + 2KCl + Н 2 O (дегалогенирова-ние)

CH 2 Cl-CH 2 Cl + 2KOH >в спирте > HC?CH + 2KCl + Н 2 O

Химические свойства алкинов

Для алкинов характерны реакции присоединения, замещения. Алкины полиме-ризуются, изомеризуются, вступают в реакции конденсации.

1. (гидрирование)

2. HC?CH + Br 2 > CHBr=CHBr;

CHBr=CHBr + Br 2 > CHBr 2 -CHBr 2 (присоединение галогенов, качественная реакция)

3. CH 3 -С?CH + HBr > CH 3 -CBr=CH 2 ;

CH 3 -CBr=CH 2 + HBr > CH 3 -CBr 2 -CHg (присоединение галогеноводородов по правилу Марковникова)

4. (гидратация алинов, реация Кучерова)

5.(присоединение спиртов)

6.(присоединение карбоновых ислот)

7. CH?CH + 2Ag 2 O >NH 3 > AgC?CAgv + H 2 O (образование ацетиленидов, качественная реакция на концевую тройную связь)

8. CH?CH + [О] >КMnO 4 > HOOC-COOH > HCOOH + CO 2 (окисление)

9. CH?CH + CH?CH > CH 2 =CH-С?CH (катализатор – CuCl и NH 4 Cl, димеризация)

10. 3HC?CH >C, 600 °C > С 6 Н 6 (бензол) (циклоолигомеризация, реакция Зелинского)

5. Диеновые углеводороды

Алкадиены (диены) – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат две двойные связи. Общая формула алкадиенов С n Н 2n _ 2 . Свойства алкадиенов в значительной степени зависят от взаимного расположения двойных связей в их молекулах.

Способы получения диенов

1. (метод СВ. Лебедева)

2. (дегидратация)

3. (дегидрирование)

Химические свойства диенов

Для сопряженных диенов характерны реакции присоединения. Сопряженные диены способны присоединять не только по двойным связям (к C 1 и С 2 , С 3 и С 4), но и к концевым (С 1 и С 4) атомам углерода с образованием двойной связи между С 2 и С 3 .

6. Ароматические углеводороды

Арены, или ароматические углеводороды, – циклические соединения, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов с замкнутой системой сопряженных связей, объединяемые понятием ароматичности, которая обуславливает общие признаки в строении и химических свойствах.

Все связи С-С в бензоле равноценны, их длина равна 0,140 нм. Это означает, что в молекуле бензола между углеродными атомами нет чисто простых и двойных связей (как в формуле, предложенной в 1865 г. немецким химиком Ф. Кекуле), а все они выровнены (дел окал изованы).

формула Кекуле

Гомологи бензола – соединения, образованные заменой одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы (R): С 6 Н 5 -R, R-С 6 Н 4 -R. Общая формула гомологического ряда бензола С n Н 2n _ 6 (n > 6). Для названия ароматических углеводородов широко используются тривиальные названия (толуол, ксилол, кумол и т. п.). Систематические названия строят из названия углеводородного радикала (приставка) и слова «бензол» (корень): С 6 Н 5 -CH 3 (метилбензол), С 6 Н 5 -С 2 Н 5 (этилбензол). Если радикалов два или более, их положение указывается номерами атомов углерода в кольце, с которыми они связаны. Для дизамещен-ных бензолов R-С 6 Н 4 -R используется также и другой способ построения названий, при котором положение заместителей указывают перед тривиальным названием соединения приставками: орто– (o -) – заместители соседних атомов углерода кольца (1,2-); мета– (м -) – заместители через один атом углерода (1,3-); пара– (п -) – заместители на противоположных сторонах кольца (1,4-).

Виды изомерии (структурная): 1) положения заместителей для ди-, три– и тетра-замещенных бензолов (например, о-, м- и п -ксилолы); 2) углеродного скелета в боковой цепи, содержащей не менее 3 атомов углерода; 3) заместителей (R), начиная с R=С 2 Н 5 .

Способы получения ароматических углеводородов

1. С 6 Н 12 >Pt, 300 °C > С 6 Н 6 + ЗН 2 (дегидрирование циклоалканов)

2. н- С 6 Н 14 >Cr 2 O 3 , 300 °C > С 6 Н 6 + 4Н 2 (дегидроциклизация алканов)

3. ЗС 2 Н 2 >С, 600 °C > С 6 Н 6 (циклотримеризация ацетилена, реакция Зелинского)

Химические свойства ароматических углеводородов

По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов. Для аренов наиболее характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а именно реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом. Другие реакции (присоединение, окисление), в которых участвуют делокали-зованные С-С связи бензольного кольца и нарушается его ароматичность, идут с трудом.

1. C 6 H 6 + Cl 2 >AlCl 3 > C 6 H 5 Cl + HCl (галогенирование)

2. C 6 H 6 + HNO 3 >H 2 SO 4 > C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O (нитрование)

3. С 6 Н 6 >H 2 SO 4 > С 6 Н 5 -SO 3 H + H 2 O (сульфирование)

4. С 6 Н 6 + RCl >AlCl 3 > С 6 Н 5 -R + HCl (алкилирование)

5. (ацилирование)

6. С 6 Н 6 + ЗН 2 >t, Ni > С 6 Н 12 циклогексан (присоединение водорода)

7. (1,2,3,4,5,6-гексахлороциклогексан, присоединение хлора)

8. С 6 Н 5 -CH 3 + [О] > С 6 Н 5 -COOH кипячение с раствором КMnO 4 (окисление алкилбензолов)

7. Галогеноуглеводороды

Галогеноуглеводородами называются производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода заменены на атомы галогена.

Способы получения галогеноуглеводородов

1. CH 2 =CH 2 + HBr > CH 3 -CH 2 Br (гидрогалогенирование ненасыщенных углеводородов)

CH?CH + HCl > CH 2 =CHCl

2. CH 3 CH 2 OH + РCl 5 > CH 3 CH 2 Cl + POCl 3 + HCl (получение из спиртов)

CH 3 CH 2 OH + HCl > CH 3 CH 2 Cl + Н 2 O (в присутствии ZnCl 2 , t°C )

3. а) CH 4 + Cl 2 >hv> CH 3 Cl + HCl (галогенирование углеводородов)

Химические свойства галогеноуглево-дородов

Наибольшее значение для соединений этого класса имеют реакции замещения и отщепления.

1. CH 3 CH 2 Br + NaOH (водн. р-р) > CH 3 CH 2 OH + NaBr (образование спиртов)

2. CH 3 CH 2 Br + NaCN > CH 3 CH 2 CN + NaBr (образование нитрилов)

3. CH 3 CH 2 Br + NH 3 > + Br --HBr - CH 3 CH 2 NH 2 (образование аминов)

4. CH 3 CH 2 Br + NaNO 2 > CH 3 CH 2 NO 2 + NaBr (образование нитросоединений)

5. CH 3 Br + 2Na + CH 3 Br > CH 3 -CH 3 + 2NaBr (реакция Вюрца)

6. CH 3 Br + Mg > CH 3 MgBr (образование магнийорганических соединений, реактив Гриньяра)

7. (дегидрогалогенирование)

Спиртами называются производные углеводородов, в молекулах которых содержится одна или несколько гидроксильных групп (-OH), связанных с насыщенными атомами углерода. Группа -OH (гидроксильная, оксигруппа) является в молекуле спирта функциональной группой. Систематические названия даются по названию углеводорода с добавлением суффикса -ол и цифры, указывающей положение гидроксигруппы. Нумерация ведется от ближайшего к OH-группе конца цепи.

По числу гидроксильных групп спирты подразделяются на одноатомные (одна группа -OH), многоатомные (две и более групп -OH). Одноатомные спирты: метанол CH 3 OH, этанол С 2 Н 5 OH; двухатомный спирт: этилен-гликоль (этандиол-1,2) HO-CH 2 -CH 2 -OH; трехатомный спирт: глицерин (пропантриол-1,2,3) HO-CH 2 -CH(OH)-CH 2 -OH. В зависимости от того, с каким атомом углерода (первичным, вторичным или третичным) связана гидроксигруппа, различают спирты первичные R-CH 2 -OH, вторичные R 2 CH-OH, третичные R 3 C-OH.

По строению радикалов, связанных с атомом кислорода, спирты подразделяются на предельные, или алканолы (CH 3 CH 2 -OH), непредельные, или алкенолы (CH 2 =CH-CH 2 -OH), ароматические (С 6 Н 5 CH 2 -OH).

Виды изомерии (структурная изомерия): 1) изомерия положения OH-группы (начиная с С 3); 2) углеродного скелета (начиная с С 4); 3) межклассовая изомерия с простыми эфирами (например, этиловый спирт CH 3 CH 2 OH и диметиловый эфир CH 3 -О-CH 3). Следствием полярности связи О-Н и наличия неподеленных пар электронов на атоме кислорода является способность спиртов к образованию водородных связей.

Способы получения спиртов

1. CH 2 =CH 2 + Н 2 O/Н + > CH 3 -CH 2 OH (гидратация алкенов)

2. CH 3 -CHO + Н 2 >t, Ni > С 2 Н 5 OH (восстановление альдегидов и кетонов)

3. C 2 H 5 Br + NaOH (водн.) > С 2 Н 5 OH + NaBr (гидролиз галогенопроизводных)

ClCH 2 -CH 2 Cl + 2NaOH (водн.) > HOCH 2 -CH 2 OH + 2NaCl

4. CO + 2Н 2 >ZnO, CuO, 250 °C, 7 МПа > CH 3 OH (получение метанола, промышленность)

5. С 6 Н 12 O 6 >дрожжи > 2С 2 Н 5 OH + 2CO 2 (брожение моноз)

6. 3CH 2 =CH 2 + 2KMnO 4 + 4Н 2 O > 3CH 2 OH-CH 2 OH - этиленгиликоль + 2KOH + 2MnO 2 (окисление в мягких условиях)

7. а) CH 2 =CH-CH 3 + O 2 > CH 2 =CH-CHO + Н 2 O

б) CH 2 =CH-CHO + Н 2 > CH 2 =CH-CH 2 OH

в) CH 2 =CH-CH 2 OH + Н 2 O 2 > HOCH 2 -CH(OH)-CH 2 OH (получение глицерина)

Химические свойства спиртов

Химические свойства спиртов связаны с наличием в их молекулу группы -OH. Для спиртов характерны два типа реакций: разрыв связи С-О и связи О-Н.

1. 2С 2 Н 5 OH + 2Na > Н 2 + 2C 2 H 5 ONa (образование алкоголятов металлов Na, К, Mg, Al)

2. а) С 2 Н 5 OH + NaOH ? (в водном растворе не идет)

б) CH 2 OH-CH 2 OH + 2NaOH > NaOCH 2 -CH 2 ONa + 2Н 2 O

в) (качественная реакция на многоатомные спирты – образование ярко-синего раствора с гидроксидом меди)

3. а) (образование сложных эфиров)

б) С 2 Н 5 OH + H 2 SO 4 > С 2 Н 5 -О-SO 3 H + Н 2 O (на холоду)

4. а) С 2 Н 5 OH + HBr > С 2 Н 5 Br + Н 2 O

б) С 2 Н 5 OH + РCl 5 > С 2 Н 5 Cl + POCl 3 + HCl

в) С 2 Н 5 OH + SOCl 2 > С 2 Н 5 Cl + SO 2 + HCl (замещение гидроксильной группы на галоген)

5. С 2 Н 5 OH + HOC 2 H 5 >H 2 SO 4 , <140 °C > C 2 H 5 -O-C 2 H 5 + H 2 O (межмолекулярная гидротация)

6. С 2 Н 5 OH >H 2 SO 4 , 170 °C > CH 2 =CH 2 + H 2 O (внутримолекулярная гидротация)

7. а) (дегидрирование, окисление первичных спиртов)

Фенолами называются производные аренов, в которых один или несколько атомов водорода ароматического кольца замещены на гидроксильные группы. По числу гидроксильных групп в ароматическом кольце различают одно– и многоатомные (двух– и трехатомные) фенолы. Для большинства фенолов используются тривиальные названия. Структурная изомерия фенолов связана с различным положением гидроксильных групп.

Способы получения фенолов

1. С 6 Н 5 Cl + NaOH(p, 340°C) > С 6 Н 5 OH + NaCl (щелочной гидролиз галогеноуглеводородов)

2. (кумольный способ получения)

3. C 6 H 5 SO 3 Na + NaOH (300–350°C) > С 6 Н 5 OH + Na 2 SO 3 (щелочное плавление солей ароматических сульфоновых кислот)

Химические свойства фенолов

Фенолы в большинстве реакций по связи О-Н активнее спиртов, поскольку эта связь более полярна за счет смещения электронной плотности от атома кислорода в сторону бензольного кольца (участие непо-деленной электронной пары атома кислорода в системе л-сопряжения). Кислотность фенолов значительно выше, чем спиртов.

Для фенолов реакции разрыва связи С-О не характерны. Взаимное влияние атомов в молекуле фенола проявляется не только в особенностях поведения гидроксигруппы, но и в большей реакционной способности бензольного ядра.

Гидроксильная группа повышает электронную плотность в бензольном кольце, особенно в орто– и пара- положениях (+М-эффект OH-группы). Для обнаружения фенолов используется качественная реакция с хлоридом железа(III). Одноатомные фенолы дают устойчивое сине-фиолетовое окрашивание, что связано с образованием комплексных соединений железа.

1. 2С 6 Н 5 OH + 2Na > 2C 6 H 5 ONa + Н 2 (так же, как и этанол)

2. С 6 Н 5 OH + NaOH > C 6 H 5 ONa + H 2 O (в отличие от этанола)

C 6 H 5 ONa + Н 2 O + CO 2 > С 6 Н 5 OH + NaHCO 3 (фенол более слабая кислота, чем угольная)

Фенолы не образуют сложные эфиры в реакциях с кислотами. Для этого используются более реакционноспособные производные кислот (ангидриды, хлорангидриды).

4. С 6 Н 5 OH + CH 3 CH 2 OH >NaOH > С 6 Н 5 OCH 2 CH 3 + NaBr (О-алкилирование)

(взаимодействие с бромной водой, качественная реакция)

6.(нитрование разб. HNO 3 , при нитрировании конц. HNO 3 образуется 2,4,6-тринитрофенол)

7. n C 6 H 5 OH + n CH 2 O > n H 2 O + (-C 6 H 3 OH-CH 2 -) n (поликонденсация, получение фенолформальдегидных смол)

10. Альдегиды и кетоны

Альдегидами называются соединения, в которых карбонильная группа

соединена с углеводородным радикалом и атомом водорода, а кетонами – карбонильные соединения с двумя углеводородными радикалами.

Систематические названия альдегидов строят по названию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса –аль . Нумерацию цепи начинают с карбонильного атома углерода. Тривиальные названия производят от тривиальных названий тех кислот, в которые альдегиды превращаются при окислении: Н 2 С=O – метаналь (муравьиный альдегид, формальдегид); CH 3 CH=O – этаналь (уксусный альдегид). Систематические названия кетонов несложного строения производят от названий радикалов с добавлением слова «кетон». В более общем случае название кетона строится по названию соответствующего углеводорода и суффикса –он ; нумерацию цепи начинают от конца цепи, ближайшего к карбонильной группе. Примеры: CH 3 -CO-CH 3 – диметилкетон (пропанон, ацетон). Для альдегидов и кетонов характерна структурная изомерия. Изомерия альдегидов: а) изомерия углеродного скелета, начиная с С 4 ; б) межклассовая изомерия. Изомерия кетонов: а) углеродного скелета (с С 5); б) положения карбонильной группы (с С 5); в) межклассовая изомерия.

Атомы углерода и кислорода в карбонильной группе находятся в состоянии sp 2 - гибридизации. Связь С=O сильно полярна. Электроны кратной связи С=O смещены к электроотрицательному атому кислорода, что приводит к появлению на нем частичного отрицательного заряда, а карбонильный атом углерода приобретает частичный положительный заряд.

Способы получения альдегидов и кетонов

1. а) (дегидрирование, окисление первичных спиртов)

б) (дегидрирование, окисление вторичных спиртов)

2. а) CH 3 CH 2 CHCl 2 + 2NaOH >в воде > CH 3 CH 2 CHO + 2NaCl + H 2 O (гидролиз дигалогенопроизводных)

б) CH 3 СCl 2 CH 3 + 2NaOH >в воде > CH 3 COCH 3 + 2NaCl + H 2 O

3. (гидратация алкинов, реакция Кучерова)

4. (окисление этилена до этаналя)

(окисление метана до формальдегида)

CH 4 + O 2 >400–600 °C, NO > H 2 C=O + H 2 O

Химические свойства альдегидов и ке-тонов

Для карбонильных соединений характерны реакции различных типов: а) присоединение по карбонильной группе; б) восстановление и окисление; в) конденсация; д) полимеризация.

1. (присоединение циановодородной кислоты, образование гидроксинитрилов)

2. (присоединение гидросулбфита натрия)

3. (восстановление)

4. (образование полуацеталец и ацеталей)

5. (взаимодействие с гидроксоламином, образование оксима ацетальдегида)

6. (образование дигалогенопроизводных)

7. (?-галогенирование в присутствии OH?)

8. (албдольная конденсация)

9. R-CH=O + Ag 2 O >NH 3 > R-COOH + 2Agv (окисление, реакция «серебряного зеркала»)

R-CH=O + 2Cu(OH) 2 > R-COOH + Cu 2 Ov, + 2H 2 O (красный осадок, окисление)

10. (окисление кетонов, жесткие условия)

11. n CH 2 =O > (-CH2-O-) n параформ n = 8-12 (полимеризация)

11. Карбоновые кислоты и их производные

Карбоновыми кислотами называются органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп -COOH, связанных с углеводородным радикалом. По числу карбоксильных групп кислоты подразделяются на: одноосновные (монокарбоновые) CH 3 COOH (уксусная), многоосновные (дикарбоновые, трикарбоновые и т. д.). По характеру углеводородного радикала различают кислоты: предельные (например, CH 3 CH 2 CH 2 COOH); непредельные (CH 2 =CH(-COOH); ароматические (С 6 Н 5 COOH).

Систематические названия кислот даются по названию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса –овая и слова «кислота»: HCOOH – метановая (муравьиная) кислота, CH 3 COOH – этановая (уксусная) кислота. Для карбоновых кислот характерная структурная изомерия: а) изомерия скелета в углеводородном радикале (начиная с С 4); б) межклассовая изомерия, начиная с С 2 . Возможна цис-транс-изомерия в случае непредельных карбоновых кислот. Электронная плотность?- связи в карбонильной группе смещена в сторону атома кислорода. Вследствие этого у карбонильного углерода создается недостаток электронной плотности, и он притягивает к себе неподеленные пары атома кислорода гидроксильной группы, в результате чего электронная плотность связи О-Н смещается в сторону атома кислорода, водород становится подвижным и приобретает способность отщепляться в виде протона.

В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют на ионы:

R-COOH - R-COО? + Н +

Растворимость в воде и высокие температуры кипения кислот обусловлены образованием межмолекулярных водородных связей.

Способы получения карбоновых кислот

1. CH 3 -СCl 3 + 3NaOH > CH 3 -COOH + 3NaCl + Н 2 O (гидролиз тригалогенопроизводных)

2. R-CHO + [О] > R-COOH (окисление альдегидов и кетонов)

3. CH 3 -CH=CH 2 + CO + Н 2 O/Н + >Ni, р, t > CH 3 -CH 2 -CH 2 -COOH (оксосинтез)

4. CH 3 C?N + 2Н 2 O/ Н + > CH 3 COOH + NH 4 (гидролиз нитрилов)

5. CO + NaOH > HCOONa; 2HCOONa + H 2 SO 4 > 2HCOOH + Na 2 SO 4 (получение HCOOH)

Химические свойства карбоновых кислот и их производных

Карбоновые кислоты проявляют высокую реакционную способность и вступают в реакции с различными веществами, образуя разнообразные соединения, среди которых большое значение имеют функциональные производные: сложные эфиры, амиды, нитрилы, соли, ангидриды, гало-генангидриды.

1. а) 2CH 3 COOH + Fe > (CH 3 COO) 2 Fe + Н 2 (образование солей)

б) 2CH 3 COOH + MgO > (CH 3 COO) 2 Mg + Н 2 O

в) CH 3 COOH + KOH > CH 3 COОК + Н 2 O

г) CH 3 COOH + NaHCO 3 > CH 3 COONa + CO 2 + Н 2 O

CH 3 COONa + H 2 O - CH 3 COOH + NaOH (соли карбоновых кислот гидролизуются)

2. (образование вложных эфиров)

(омыление вложного эфира)

3. (получение хлорангидридов кислот)

4. (разложение водой)

5. CH 3 -COOH + Cl 2 >hv > Cl-CH 2 -COOH + HCl (галогенирование в?-положение)

6. HO-CH=O + Ag 2 O >NH 3 > 2Ag + Н 2 CO 3 (Н 2 O + CO 2) (особенности HCOOH)

HCOOH >t > CO + Н 2 O

Жиры – сложные эфиры глицерина и высших одноатомных карбоновых кислот. Общее название таких соединений – триглицериды. В состав природных триглицеридов входят остатки насыщенных кислот (пальмитиновой С 15 Н 31 COOH, стеариновой С 17 Н 35 COOH) и ненасыщенных (олеиновой С 17 Н 33 COOH, линолевой С 17 Н 31 COOH). Жиры состоят главным образом из триглицеридов предельных кислот. Растительные жиры – масла (подсолнечное, соевое) – жидкости. В состав триглицеридов масел входят остатки непредельных кислот.

Жирам как сложным эфирам свойственна обратимая реакция гидролиза, катализируемая минеральными кислотами. При участии щелочей гидролиз жиров происходит необратимо. Продуктами в этом случае являются мыла – соли высших карбоновых кислот и щелочных металлов. Натриевые соли – твердые мыла, калиевые – жидкие. Реакция щелочного гидролиза жиров называется также омылением.

Амины – органические производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы. В зависимости от числа углеводородных радикалов различают первичные RNH 2 , вторичные R 2 NH, третичные R 3 N амины. По характеру углеводородного радикала амины подразделяются на алифатические (жирные), ароматические и смешанные (или жирноароматические). Названия аминов в большинстве случаев образуют из названий углеводородных радикалов и суффикса –амин. Например, CH 3 NH 2 – метиламин; CH 3 -CH 2 -NH 2 – этиламин. Если амин содержит различные радикалы, то их перечисляют в алфавитном порядке: CH 3 -CH 2 -NH-CH 3 – ме-тилэтиламин.

Изомерия аминов определяется количеством и строением радикалов, а также положением аминогруппы. Связь N-Н является полярной, поэтому первичные и вторичные амины образуют межмолекулярные водородные связи. Третичные амины не образуют ассоциирующих водородных связей. Амины способны к образованию водородных связей с водой. Поэтому низшие амины хорошо растворимы в воде. С увеличением числа и размеров углеводородных радикалов растворимость аминов в воде уменьшается.

Способы получения аминов

1. R-NO 2 + 6[Н] > R-NH 2 + 2H 2 O (восстановление нитросоединений)

2. NH 3 + CH 3 I > I? >NH 3 > CH 3 NH 2 + NH 4 I (алкилирование аммиака)

3. а) С 6 Н 5 -NO 2 + 3(NH 4) 2 S > С 6 Н 5 -NH 2 + 3S + 6NH 3 + 2H 2 O (реакция Зинина)

б) С 6 Н 5 -NO 2 + 3Fe + 6HCl > С 6 Н 5 -NH 2 + 3FeCl 2 + 2Н 2 O (восстановление нитросоединений)

в) С 6 Н 5 -NO 2 + ЗН 2 >катализатор, t > C 6 H 5 -NH 2 + 2Н 2 O

4. R-C?N + 4[H] > RCH 2 NH 2 (восстановление нитрилов)

5. ROH + NH 3 >Al 2 O 3 ,350 °C > RNH 2 + 2H 2 O (получение низших алкиламинов С 2 -С 4)

Химические свойства аминов

Амины имеют сходное с аммиаком строение и проявляют подобные ему свойства. Как в аммиаке, так и в аминах атом азота имеет неподеленную пару электронов. Для аминов характерны ярко выраженные основные свойства. Водные растворы алифатических аминов проявляют щелочную реакцию. Алифатические амины – более сильные основания, чем аммиак. Ароматические амины являются более слабыми основаниями, чем аммиак, поскольку не-поделенная электронная пара атома азота смещается в сторону бензольного кольца, вступая в сопряжение с его?-электронами.

На основность аминов влияют различные факторы: электронные эффекты углеводородных радикалов, пространственное экранирование радикалами атома азота, а также способность образующихся ионов к стабилизации за счет сольватации в среде растворителя. В результате донорного эффекта алкильных групп основность алифатических аминов в газовой фазе (без растворителя) растет в ряду: первичные < вторичные < третичные. Основность ароматических аминов зависит также от характера заместителей в бензольном кольце. Электроноакцепторные заместители (-F, -Cl, -NO 2 и т. п.) уменьшают основные свойства ариламина по сравнению с анилином, а электронодонорные (алкил R-, -OCH 3 , -N(CH 3) 2 и др.), напротив, увеличивают.

1. CH 3 -NH 2 + Н 2 O > OH (взаимодействие с водой)

2. (CH 3) 2 NH + HCl > [(CH 3) 2 NH 2 ]Cl хлорид диметиламмония (взаимодействие с кислотами)

[(CH 3) 2 NH 2 ]Cl + NaOH > (CH 3) 2 NH + NaCl + H 2 O (взаимодействие солей аминов со щелочами)

(ацителирование, с третичными аминами не идет)

4. R-NH 2 + CH 3 I > I? >NH 3 > CH 3 NHR + NH 4 I (алкилирование)

5. Взаимодействие с азотистой кислотой: строение продуктов реакции с азотистой кислотой зависит от характера амина. Поэтому данная реакция используется для различия первичных, вторичных и третичных аминов.

а) R-NH 2 + HNO 2 > R-OH + N 2 + H 2 O (первичные жирные амины)

б) С 6 Н 5 -NH 2 + NaNO 2 + HCl > [С 6 Н 5 -N?N] + Cl? – соль диазония (первичные ароматические амины)

в) R 2 NH + Н-О-N=O > R 2 N-N=O (N-нитрозамин) + Н 2 O (вторичные жирные и ароматические амины)

г) R 3 N + Н-О-N=O > при низкой температуре нет реакции (третичные жирные амины)

(третичные ароматические амины)

Свойства анилина. Для анилина характерны реакции как по аминогруппе, так и по бензольному кольцу. Бензольное кольцо ослабляет основные свойства аминогруппы по сравнению с алифатическими аминами и аммиаком, но под влиянием аминогруппы бензольное кольцо становится более активным в реакциях замещения по сравнению с бензолом.

C 6 H 5 -NH 2 + HCl > Cl = C 6 H 5 NH 2 HCl

C 6 H 5 NH 2 HCl + NaOH > C 6 H 5 NH 2 + NaCl + H 2 O

C 6 H 5 NH 2 + CH3I >t > + I?

14. Аминокислоты

Аминокислотами называются гетеро-функциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно аминогруппу и карбоксильную группу. В зависимости от взаимного расположения амино– и карбоксильной групп аминокислоты подразделяют на?-, ?-, ?– и т. д. По ИЮПАК, для наименования аминокислот группу NH 2 - называют приставкой амино-, указывая цифрой номер углеродного атома, с которым она связана, а затем следует название соответствующей кислоты.

2-аминопропановая кислота (?-аминопропановая, ?-аланин) 3-аминопропановая кислота (?-аминопропановая, ?-аланин) 6-аминогексановая кислота (?-аминокапроновая)

По характеру углеводородного радикала различают алифатические (жирные) и ароматические аминокислоты. Изомерия аминокислот зависит от строения углеродного скелета, положения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе. Для аминокислот характерна еще оптическая изомерия.

Способы получения аминокислот

1. (аммонолиз галогенокислот)

2. CH 2 =CH-COOH + NH 3 > H 2 N-CH 2 -CH 2 -COOH (присоединение аммиака к?, ?-непредельным кислотам)

(действие HCN и NH 3 на альдегиды или кетоны)

4. Гидролиз белков под влиянием ферментов, кислот или щелочей.

5. Микробиологический синтез.

Химические свойства аминокислот

Аминокислоты проявляют свойства оснований за счет аминогруппы и свойства кислот за счет карбоксильной группы, т. е. являются амфотерными соединениями. В кристаллическом состоянии и в среде, близкой к нейтральной, аминокислоты существуют в виде внутренней соли – дипо-лярного иона, называемого также цвиттер-ион H 3 N + -CH 2 -COO?.

1. H 2 N-CH 2 -COOH + HCl > Cl? (образование солей по аминогруппе)

2. H 2 N-CH 2 -COOH + NaOH > H 2 N-CH 2 -COO?Na + + H 2 O (образование солей)

(образование сложного эфира)

(ацилирование)

5. + NH 3 -CH 2 -COO? + 3CH 3 I >-HI > (CH 3) 3 N + -CH 2 -COO? – бетаин аминоуксусной кислоты

(алкилирование)

(взаимодействие с азотистой кислотой)

7. n H 2 N-(CH 2) 5 -COOH > (-HN-(CH 2) 5 -CO-) n + n H 2 O (получение капрона)

15. Углеводы. Моносахариды. Олигосахариды. Полисахариды

Углеводы (сахара) – органические соединения, имеющие сходное строение и свойства, состав большинства которых отражает формула С х (Н 2 O) y , где х, у ? 3.

Классификация:

Моносахариды не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Олиго-и полисахариды расщепляются при кислом гидролизе до моносахаридов. Общеизвестные представители: глюкоза (виноградный сахар) С 6 Н 12 O 6 , сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) С 12 Н 22 О 11 , крахмал и целлюлоза [С 6 Н 10 О 5 ] n .

Способы получения

1. mCO 2 + nН 2 O >hv, хлорофилл > C m (H 2 O) n (углеводы)+ mO 2 (получение при фотосинтезе)

углеводы: С 6 Н 12 O 6 + 6O 2 > 6CO 2 + 6Н 2 O + 2920 кДж

(метаболизм: глюкоза окисляется с выделением большого количества энергии в живом организме в процессе метаболизма)

2. 6nCO 2 + 5nН 2 O >hv, хлорофилл > (С 6 Н 10 О 5) n + 6nO 2 (получение крахмала или целлюлозы)

Химические свойства

Моносахриды. Все монозы в кристаллическом состоянии имеют циклическое строение (?– или?-). При растворении в воде циклический полуацеталь разрушается, превращаясь в линейную (оксо-) форму.

Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в молекуле функциональных групп трех видов (карбонила, спиртовых гидроксилов и гликозидного (полуацетального) гидроксила).

1. С 5 Н 11 O 5 -CHO (глюкоза) + Ag 2 O >NH 3 > CH 2 OH-(CHOH) 4 -COOH (глюконовая кислота) + 2Ag (окисление)

2. С 5 Н 11 O 5 -CHO (глюкоза) + [Н] > CH 2 OH-(CHOH) 4 -CH 2 OH(сорбит)(восстановление)

(моноалкилирование)

(полиалкилирование)

5. Важнейшим свойством моносахаридов является их ферментативное брожение, т. е. распад молекул на осколки под действием различных ферментов. Брожению подвергаются в основном гексозы в присутствии ферментов, выделяемых дрожжевыми грибками, бактериями или плесневыми грибками. В зависимости от природы действующего фермента различают реакции следующих видов:

а) С 6 Н 12 O 6 > 2С 2 Н 5 OH + 2CO 2 (спиртовое брожение);

б) С 6 Н 12 O 6 > 2CH 3 -CH(OH)-COOH (молочнокислое брожение);

в) С 6 Н 12 O 6 > С 3 Н 7 COOH + 2CO 2 + 2Н 2 O (маслянокислое брожение);

г) С 6 Н 12 O 6 + O 2 > HOOC-CH 2 -С(OH)(COOH)-CH 2 -COOH + 2Н 2 O (лимоннокислое брожение);

д) 2С 6 Н 12 O 6 > С 4 Н 9 OH + CH 3 -CO-CH 3 + 5CO 2 + 4Н 2 (ацетон-бутанольное брожение).

Дисахариды. Дисахариды – углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных друг с другом за счет взаимодействия гидроксильных групп (двух полуацетальных или одной полуацетальной и одной спиртовой). Отсутствие или наличие гликозидного (полуацетального) гидроксила отражается на свойствах дисахаридов. Биозы делятся на две группы: восстанавливающие и невосстанавливающие. Восстанавливающие биозы способны проявлять свойства восстановителей и при взаимодействии с аммиачным раствором серебра окисляться до соответствующих кислот, содержат в своей структуре гликозидный гидроксил, связь между монозами – гликозид-гликозная. Схема образования восстанавливающих биоз на примере мальтозы:

Для дисахаридов характерна реакция гидролиза, в результате которой образуются две молекулы моносахаридов:

Примером наиболее распространенных в природе дисахаридов является сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Молекула сахарозы состоит из остатков?-D-глюкопиранозы и?-D-фруктофуранозы, соединенных друг с другом за счет взаимодействия полуацетальных (гликозидных) гидроксилов. Биозы этого типа не проявляют восстанавливающих свойств, так как не содержат в своей структуре гликозидного гидроксила, связь между монозами – гликозид-гликозидная. Подобные дисахариды называют невосстанавливающими, т. е. не способными окисляться.

Схема образования сахарозы:

Инверсия сахарозы. При кислом гидролизе (+)сахарозы или при действии инвертазы образуются равные количества D(+)глюкозы и D(-)фруктозы. Гидролиз сопровождается изменением знака удельного угла вращения [?] с положительного на отрицательный, поэтому процесс называют инверсией, а смесь D(+)глюкозы и D(-)фруктозы – инвертным сахаром.

Полисахариды (полиозы). Полисахариды – природные высокомолекулярные углеводы, макромолекулы которых состоят из остатков моносахаридов. Основные представители: крахмал и целлюлоза, которые построены из остатков одного моносахарида – D-глюкозы. Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (С 6 Н 10 О 5) n , но различные свойства. Это объясняется особенностями их пространственного строения. Крахмал состоит из остатков?-D-глюкозы, а целлюлоза – из?-D-глюкозы. Крахмал – резервный полисахарид растений, накапливается в виде зерен в клетках семян, луковиц, листьев, стеблей, представляет собой белое аморфное вещество, нерастворимое в холодной воде. Крахмал – смесь амилозы и амилопектина, которые построены из остатков?-D-глюкопиранозы.

Амилоза – линейный полисахарид, связь между остатками D-глюкозы 1?-4. Форма цепи – спиралевидная, один виток спирали содержит 6 остатков D-глюкозы. Содержание амилозы в крахмале – 15–25 %.

амилоза
амилопектин

Амилопектин – разветвленный полисахарид, связи между остатками D-глюкозы – 1?-4 и 1?-6. Содержание амилопектина в крахмале 75–85 %.

1. Образование простых и сложных эфиров (аналогично биозам).

2. Качественная реакция – окрашивание при добавлении иода: для амилозы – в синий цвет, для амилопектина – в красный цвет.

3. Кислый гидролиз крахмала: крахмал > декстрины > мальтоза > ?-D-глюкоза.

Целлюлоза. Структурный полисахарид растений, построен из остатков?-D-глюкопиранозы, характер соединения 1?-4. Содержание целлюлозы, например, в хлопчатнике – 90–99 %, в лиственных породах – 40–50 %. Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенки растительных клеток.

Характеристика химических свойств

1. Кислый гидролиз (осахаривание): целлюлоза > целлобиоза > ?-D-глюкоза.

2. Образование сложных эфиров

Из растворов ацетата целлюлозы в ацетоне изготавливают ацетатное волокно.

Нитроцеллюлоза взрывоопасна, составляет основу бездымного пороха. Пироксилин – смесь ди– и тринитратов целлюлозы – используют для изготовления целлулоида, коллодия, фотопленок, лаков.

Органическая химия – наука, изучающая соединения углерода, назы­ваемые органическими веществами. В связи с этим органиче­скую химию называют также химией соединений углерода.

Важнейшие причины выделения органической химии в отдельную науку заключаются в следующем.

1.Многочисленность органических соединений по сравнению с неорганическими.

Число известных органических соединений (около 6 млн.) значительно превышает число соединений всех остальных эле­ментов периодической системы Менделеева. В настоящее время известно около 700 тыс. неорганических соединений, пример­но 150 тыс. новых органических соединений получают сейчас в один год. Это объясняется не только тем, что химики особен­но интенсивно занимаются синтезом и исследованием органи­ческих соединений, но и особой способностью элемента углеро­да давать соединения, содержащие практически неограничен­ное число атомов углерода, связанных в цепи и циклы.

2. Органические вещества имеют исключительное значение как вследствие их крайне многообразного практического примене­ния, так и потому, что они играют важнейшую роль в процес­сах жизнедеятельности организмов.

3. Имеются существенные отличия в свойствах и реакцион­ной способности органических соединений от неорганических , вследствие чего возникла необходимость в развитии многих спе­цифических методов исследования органических соединений.

Предметом органической химии является изучение способов получения, состава, строения и областей применения важнейших классов органических соединений.

2. Краткий исторический обзор развития органической химии

Органическая химия как наука оформилась в начале XIX в., однако знакомство человека с органическими вещест­вами и применение их для практических целей началось еще в глубокой древности. Первой известной кислотой был уксус, или водный раствор уксусной кислоты. Древним народам было известно брожение виноградного сока, они знали примитив­ный способ перегонки и применяли его для получения скипи­дара; галлы и германцы знали способы варки мыла; в Египте, Галлии и Германии умели варить пиво.

В Индии, Финикии и Египте было весьма развито искусство крашения при помощи органических веществ. Кроме того, древ­ние народы пользовались такими органическими веществами, как масла, жиры, сахар, крахмал, камедь, смолы, индиго и т. д.

Период развития химических знаний в средние века (при­близительно до XVI в.) получил название периода алхимии. Однако изучение неорганических веществ было значительно более успешным, чем изучение веществ органических. Сведе­ния о последних остались почти столь же ограниченными, как и в более древние века. Некоторый шаг вперед был сделан бла­годаря совершенствованию методов перегонки. Таким путем, в частности, было выделено несколько эфирных масел и полу­чен крепкий винный спирт, считавшийся одним из веществ, с помощью которых можно приготовить философский камень.

Конец XVIII в. ознаменовался заметными успехами в изуче­нии органических веществ, причем органические вещества на­чали исследовать с чисто научной точки зрения. В этот период был выделен из растений и описан ряд важнейших органиче­ских кислот (щавелевая, лимонная, яблочная, галловая) и уста­новлено, что масла и жиры содержат в качестве общей состав­ной части «сладкое начало масел» (глицерин) и т. д.

Постепенно начали развиваться исследования органиче­ских веществ - продуктов жизнедеятельности животных ор­ганизмов. Так, например, из мочи человека были выделены мочевина и мочевая кислота, а из мочи коровы и лошади - гиппуровая кислота.

Накопление значительного фактического материала яви­лось сильным толчком к более глубокому изучению органиче­ского вещества.

Впервые понятия об органических веществах и об органиче­ской химии ввел шведский ученый Берцелиус (1827). В учеб­нике химии, выдержавшем много изданий, Берцелиус выска­зывает убеждение, что «в живой природе элементы повинуются иным законам, чем в безжизненной» и что органические веще­ства не могут образовываться под влиянием обычных физиче­ских и химических сил, но требуют для своего образования особой «жизненной силы». Органическую химию он и опреде­лял как «химию растительных и животных веществ, или ве­ществ, образующихся под влиянием жизненной силы». После­дующее развитие органической химии доказало ошибочность этих взглядов.

В 1828 г. Вёлер показал, что неорганическое вещество - циановокислый аммоний - при нагревании превращается в продукт жизнедеятельности животного организма - моче­вину.

В 1845 г. Кольбе синтезировал типичное органическое вещество - уксусную кислоту, использовав в качестве исход­ных веществ древесный уголь, серу, хлор и воду. За сравнитель­но короткий период был синтезирован ряд других органиче­ских кислот, которые до этого выделялись только из растений.

В 1854 г. Бертло удалось синтезировать вещества, относя­щиеся к классу жиров.

В 1861 г. А. М, Бутлеров действием известковой воды на параформальдегид впервые осуществил синтез метиленитана - вещества, относящегося к классу Сахаров, которые, как из­вестно, играют важную роль в процессах жизнедеятельности организмов.

Все эти научные открытия привели к краху витализма - идеалистического учения о «жизненной силе».

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Основные понятия органической химии

Органическая химия – это область химии, изучающая соединения углерода . Углерод выделяется среди всех элементов тем, что его атомы могут связываться друг с другом в длинные цепи или циклы. Именно это свойство позволяет углероду образовывать миллионы соединений, изучением которых занимается органическая химия.

Теория химического строения А. М. Бутлерова.

Современная теория строения молекул объясняет и огромное число органических соединений, и зависимость свойств этих соединений от их химического строения. Она же полностью подтверждает основные принципы теории химического строения, разработанные выдающимся русским ученым А. М. Бутлеровым.

Основные положения этой теории (иногда ее называют структурной):

1) атомы в молекулах соединены между собой в определенном порядке химическими связями согласно их валентности;

2) свойства вещества определяются не только качественным составом, но и строением, и взаимным влиянием атомов.

3) по свойствам вещества можно определить его строение, а по строению – свойства.

Важным следствием теории строения был вывод о том, что каждое органическое соединение должно иметь одну химическую формулу, отражающую ее строение. Такой вывод теоретически обосновывал хорошо известное уже тогда явление изомерии ,- существование веществ с одинаковым молекулярным составом, но обладающих различными свойствами.

Изомеры – вещества, одинаковые по составу, но разные по строению

Структурные формулы . Существование изомеров потребовало использования не только простых молекулярных формул, но и структурных формул, отражающих порядок связи атомов в молекуле каждого изомера. В структурных формулах ковалентная связь обозначается черточкой. Каждая черточка означает общую электронную пару, связывающую атомы в молекуле.

Структурная формула - условное изображение строения вещества с учетом химических связей .

Классификация органических соединений .

Для классификации органических соединений по типам и построения их названий в молекуле органического соединения принято выделять углеродный скелет и функциональные группы.

Углеродный скелет представляет собой последовательность химически связанных между собой атомов углерода.

Типы углеродных скелетов . Углеродные скелеты разделяют на ациклические (не содержащие циклов), циклические и гетероциклические.

В гетероциклическом скелете в углеродный цикл включается одни или несколько атомов, отличных от углерода. В самих углеродных скелетах нужно классифицировать отдельные атомы углерода по числу химически связанных с ними атомов углерода. Если данный атом углерода связан с одним атомом углерода, то его называют первичным, с двумя - вторичным, тремя - третичным и четырьмя - четвертичным.

Поскольку атомы углерода могут образовывать между собой не только одинарные, но и кратные (двойные и тройные) связи, то соединения, содержащие только одинарные связи С––С, называют насыщенными , соединения с кратными связями называют ненасыщенными .

Углеводороды – соединения, в которых атомы углерода связаны только с атомами водорода .

Углеводороды признаны в органической химии родоначальными. Разнообразные соединения рассматриваются как производные углеводородов, полученные введением в них функциональных групп.

Функциональные группы . В большинстве органических соединений, кроме атомов углерода и водорода, содержатся атомы других элементов (не входящие в скелет). Эти атомы или их группировки, во многом определяющие химические и физические свойства органических соединений, называют функциональными группами.

Функциональная группа оказывается окончательным признаком, по которому соединения относятся к тому или иному классу.

Важнейшие функциональные группы

Функциональные группы		Класс соединения
обозначение	название
F, -Cl, - Br, - I		галогенопроизводные углеводородов
	гидроксил	спирты, фенолы
	карбонил	альдегиды, кетоны
	карбоксил	карбоновые кислоты
	аминогруппа
	нитрогруппа	нитросоединения

Гомологический ряд . Для описания органических соединений полезным является понятие гомологического ряда. Гомологический ряд образуют соединения, отличающиеся друг от друга на группу -СН 2 - и обладающие сходными химическими свойствами. Группы СН 2 называются гомологической разностью .

Примером гомологического ряда может служить ряд предельных углеводородов (алканов). Простейший его представитель - метан СН 4 . Гомологами метана являются: этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 , пентан С 5 Н 12 , гексан С 6 Н 14 , гептан С 7 Н 16 и т. д. Формула любого последующего гомолога может быть получена прибавлением к формуле предыдущего углеводорода гомологической разности.

Состав молекул всех членов гомологического ряда может быть выражен одной общей формулой. Для рассмотренного гомологического ряда предельных углеводородов такой формулой будет С n Н 2n+2 , где n - число атомов углерода.

Номенклатура органических соединений . В настоящее время признана систематическая номенклатура ИЮПАК (IUРАС - Международный союз теоретической и прикладной химии).

По правилам ИЮПАК название органического соединения строится из названия главной цепи, образующего корень слова, и названий функций, используемых в качестве приставок или суффиксов.

Для правильного построения названия необходимо провести выбор главной цепи и нумерацию атомов углерода в ней.

Нумерацию атомов углерода в главной цепи начинают с того конца цепи, ближе к которому расположена старшая группа. Если таких возможностей оказывается несколько, то нумерацию проводят таким образом, чтобы либо кратная связь, либо другой заместитель, имеющийся в молекуле, получили наименьший номер.

В карбоциклических соединениях нумерацию начинают от того атома углерода, при котором находится старшая характеристическая группа. Если при этом невозможно выбрать однозначную нумерацию, то цикл нумеруют так, чтобы заместители имели наименьшие номера.

В группе циклических углеводородов особо выделяются ароматические углеводороды, для которых характерно наличие в молекуле бензольного кольца. Некоторые широко известные представители ароматических углеводородов и их производных имеют тривиальные названия, использование которых разрешено правилами ИЮПАК: бензол, толуол, фенол, бензойная кислота.

Радикал С 6 Н 5 -, образованный из бензола, называется фенил, а не бензил. Бензилом называют радикал С 6 Н 5 СН 2 -, образованный из толуола.

Составление названия органического соединения . Основу названия соединения составляет корень слова, обозначающий предельный углеводород с тем же числом атомов, что и главная цепь (мет-, эт-, проп-, бут-, пент: гекс- и т. д.). Затем следует суффикс, характеризующий степень насыщенности, -ан , если в молекуле нет кратных связей, -ен при наличии двойных связей и -ин для тройных связей, (например пентан, пентен, пентин). Если кратных связей в молекуле несколько, то в суффиксе указывается число таких связей: -ди ен, -три ен, а после суффикса обязательно арабскими цифрами указывается положение кратной связи (например, бутен-1, бутен-2, бутадиен-1,3):

Далее в суффикс выносится название самой старшей характеристической группы в молекуле с указанием ее положения цифрой. Прочие заместители обозначаются с помощью приставок. При этом они перечисляются не в порядке старшинства, а по алфавиту. Положение заместителя указывается цифрой перед приставкой, например: 3 -метил; 2 -хлор и т. п. Если в молекуле имеется несколько одинаковых заместителей, то перед названием соответствующей группы словом указывается их количество (например, ди метил-, трихлор- и т. д.). Все цифры в названиях молекул отделяются от слов дефисом, а друг от друга запятыми. Углеводородные радикалы имеют свои названия.

Предельные углеводородные радикалы:

Непредельные углеводородные радикалы:

Ароматические углеводородные радикалы:

В качестве примера назовем следующее соединение:

1) Выбор цепи однозначен, следовательно, корень слова - пент; далее следует суффикс−ен , указывающий на наличие кратной связи;

2) порядок нумерации обеспечивает старшей группе (-ОН) наименьший номер;

3) полное название соединения заканчивается суффиксом, обозначающим старшую группу (в данном случае суффикс -ол указывает на наличие гидроксильной группы); положение двойной связи и гидроксильной группы указывается цифрами.

Следовательно, приведенное соединение называется пентен-4-ол-2.

Тривиальная номенклатура представляет собой совокупность несистематических исторически сложившихся названий органических соединений (пример: ацетон, уксусная кислота, формальдегид ит.д.).

Изомерия.

Выше было показано, что способность атомов углерода к образованию четырех ковалентных связей, в том числе и с другими атомами углерода, открывает возможность существования нескольких соединений одного элементного состава - изомеров. Все изомеры делят на два больших класса - структурные изомеры и пространственные изомеры.

Структурными называют изомеры с разным порядком соединения атомов.

Пространственные изомеры имеют одинаковые заместители у каждого атома углерода и отличаются лишь их взаимным расположением в пространстве .

Структурные изомеры . В соответствии с приведенной выше классификацией органических соединений по типам среди структурных изомеров выделяют три группы:

1 ) соединения, отличающиеся углеродными скелетами:

2) соединения, отличающиеся положением заместителя или кратной связи в молекуле:

3) соединения, содержащие различные функциональные группы и относящиеся к различным классам органических соединений:

Пространственные изомеры (стереоизомеры). Стереоизомеры можно разделить на два типа: геометрические изомеры и 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.

Взаимное влияние атомов в молекуле .

Все составляющие молекулу атомы находятся во взаимосвязи и испытывают взаимное влияние. Это влияние передается в основном через систему ковалентных связей с помощью так называемых электронных эффектов.

Электронными эффектами называют смещение электронной плотности в молекуле под влиянием заместителей.

Атомы, связанные полярной связью, несут частичные заряды, обозначаемые греческой буквой “дельта” (δ). Атом, “оттягивающий” электронную плотность δ -связи в свою сторону, приобретает отрицательный заряд δ − . При рассмотрении пары атомов, связанных ковалентной связью, более электроотрицательный атом называют электроноакцептором. Его партнер по δ -связи соответственно будет иметь равный по величине дефицит электронной плотности, т. е. частичный положительный заряд δ +, и будет называтьсяэлектронодонором.

Смещение электронной плотности по цепи σ -связей называется индуктивным эффектом и обозначается I.

Индуктивный эффект передается по цепи с затуханием. Направление смещения электронной плотности всех σ -связей обозначается прямыми стрелками.

В зависимости от того, удаляется ли электронная плотность от рассматриваемого атома углерода или приближается к нему, индуктивный эффект называют отрицательным (-I) илиположительным (+I). Знак и величина индуктивного эффекта определяются различиями в электроотрицательности между рассматриваемым атомом углерода и группой, его вызывающей.

Электроноакцепторные заместители, т.е. атом или группа атомов, смещающие электронную плотность σ -связи от атома углерода, проявляют отрицательный индуктивный эффект (−I-эффект).

Электронодонорные заместители, т. е. атом или группа атомов, смещающие электронную плотность к атому углерода, проявляют положительный индуктивный эффект(+I-эффект).

I-эффект проявляют алифатические углеводородные радикалы, т. е. алкильные радикалы (метил, этил и т. д.).

Большинство функциональных групп проявляют -I-эффект: галогены, аминогруппа, гидроксильная, карбонильная, карбоксильная группы.

Индуктивный эффект проявляется и в случае, когда связанные атомы углерода различны по состоянию гибридизации. Так, в молекуле пропена метильная группа проявляет +I-эффект, поскольку атом углерода в ней находится в sp3-гибридном состоянии, а sp2-гибридизованный атом (при двойной связи) выступает в роли электроноакцептора, так как имеет более высокую электроотрицательность:

При передаче индуктивного эффекта метильной группы на двойную связь в первую очередь ее влияние испытывает подвижная π -связь.

Влияние заместителя на распределение электронной плотности, передаваемое по π -связям, называют мезомерным эффектом (М). Мезомерный эффект также может быть отрицательным и положительным. В структурных формулах его изображают изогнутой стрелкой, начинающейся у центра электронной плотности и завершающейся в том месте, куда смещается электронная плотность.

Наличие электронных эффектов ведет к перераспределению электронной плотности в молекуле и появлению частичных зарядов на отдельных атомах. Это определяет реакционную способность молекулы.

Классификация органических реакций

− Классификация по типу разрыва химических связей в реагирующих частицах. Из их числа можно выделить две большие группы реакций - радикальные и ионные.

Радикальные реакции - это процессы, идущие с гомолитическим разрывом ковалентной связи. При гомолитическом разрыве пара электронов, образующая связь, делится таким образом, что каждая из образующихся частиц получает по одному электрону. В результате гомолитического разрыва образуются свободные радикалы:

Нейтральный атом или частица с неспаренным электроном называется свободным радикалом.

Ионные реакции - это процессы, идущие с гетеролитическим разрывом ковалентных связей, когда оба электрона связи остаются с одной из ранее связанных частиц :

В результате гетеролитического разрыва связи получаются заряженные частицы: нуклеофильная и электрофильная.

Нуклеофильная частица (нуклеофил) - это частица, имеющая пару электронов на внешнем электронном уровне. За счет пары электронов нуклеофил способен образовывать новую ковалентную связь.

Электрофильная частица (электрофил) - это частица, имеющая незаполненный внешний электронный уровень. Электрофил представляет незаполненные, вакантные орбитали для образования ковалентной связи за счет электронов той частицы, с которой он взаимодействует .

−Классификация по составу и строению исходных веществ и продуктов реакции. В органической химии все структурные изменения рассматриваются относительно атома (или атомов) углерода, участвующего в реакции. Наиболее часто встречаются следующие типы превращений:

присоединение

замещение

отщепление (элиминирование)

полимеризация

В соответствии с вышеизложенным хлорирование метана под действием света классифицируют как радикальное замещение, присоединение галогенов к алкенам - как электрофильное присоединение, а гидролиз алкилгалогенидов - как нуклеофильное замещение.