Главная
Каталог
Библиотека
Избранное
Порталы
Библиотеки вузов
Отзывы
Новости
 
12+
 
Предварительный просмотр документа

Органическая химия (краткий курс для студентов сельскохозяйственного факультета)

Автор/создатель: Воржев В.Ф.
Год: 2008 
В пособии представлены основные разделы органической химии, приведены решения задач, которые охватывают обязательный минимум образования и расширяют базовые знания, полученные учащимися в средней школе. Пособие позволяет систематизировать знания и отработать навыки решения задач.
Пособие предназначено для абитуриентов и студентов сельскохозяйственного факультета Елецкого государственного университета всех форм обучения.
Показать полное описание документа
Популярные ресурсы рубрик:
РЕЙТИНГ

Оценка пользователей: 4.5
Количество голосов: 2
Оцените ресурс:
5 4 3 2 1

ОТЗЫВЫ


Популярные ресурсы по теме

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра. Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
2.9.3. Применение простых эфиров Первый представитель простых эфиров - диэтиловый эфир (С2Н5ОС2Н5) используют в качестве растворителя в органическом синтезе, а также в медицине в качестве усыпляющего средства. Циклические эфиры диоксан и тетрагидрофуран применяют в качестве растворителей. Полиэфирные смолы состава -RCH-CH2-О-CH2-CHR- О- широко используют для получения синтетических материалов, таких как искусственная кожа и т.д. 2.10. Альдегиды и кетоны Соединения, в которых углеводородный радикал связан с карбонильной группой , называют карбонильными. Они подразделяются на два типа: кетоны, в которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами: и альдегиды, в которых карбонильная группа связана с одним углеводородным радикалом и атомом водорода: Простейший альдегид, называемый муравьиным альдегидом или формальдегидом, содержит альдегидную группу, связанную с атомом водорода, и имеет строение , или, сокращенно, Н-СНО. В остальных альдегидах предельного ряда место одного атома водорода занимает алкил: СnН2n+1-СНО. Альдегиды можно также рассматривать как продукт замещения в предельных углеводородах атома водорода на альдегидную группу, т.е. как однозамещенные производные углеводородов гомологического ряда метана. Следовательно, здесь гомология и изомерия те же, что и для других однозамещенных производных предельных углеводородов. Названия альдегидов производят от тривиальных названий кислот с тем же числом атомов углерода в молекуле. Так, альдегид СН3-СНО называется уксусным альдегидом или ацетальдегидом, СНз-СН2-СНО - пропионовым альдегидом и т.д. По международной номенклатуре названия альдегидов производят от названий углеводородов с тем же числом углеродных атомов, присоединяя к ним суффикс -аль. Например: метаналь Н-СНО, этаналь СН3- СНО, 2-метилпропаналь СН3СН(СН3)-СНО и т. д. От простейшего кетона диметилкетона (ацетона) СН3-СО-СН3 можно произвести гомологический ряд последовательным замещением атомов водорода на метил. Таким образом, следующий гомолог ацетона - 51 метилэтилкетон - имеет строение СН3-СО-СН2-СН3. Третий гомолог может существовать в трех изомерных формах: СН3-СО-СН2СН2СН3 СН3-СО-СН(СН3)2 СН3СН2-СО-СН2СН3 метилпропилкетон метилизопропилкетон диэтилкетон По международной номенклатуре названия кетонов, как и названия альдегидов, производят от названий углеводородов с тем же числом атомов углерода, присоединяя к ним суффикс -он и цифру, указывающую место атома углерода карбонильной группы, считая от начала нормальной углеродной цепи. Ацетон, таким образом, носит название пропанон, диэтилкетон - пентанон-3, метилизопропилкетон - 2-метилбутанон и т. д. Альдегиды и кетоны с одинаковым числом атомов углерода в молекуле изомерны друг другу. Общая формула для гомологических рядов предельных альдегидов и кетонов: СnН2nО. 2.10.1. Получение альдегидов и кетонов 1. Альдегиды и кетоны могут быть получены окислением спиртов, причем при окислении первичных спиртов образуются альдегиды (а), при окислении вторичных - кетоны (б): Окислителем, обычно применяющимся для этой цели в лаборатории, является хромовая кислота. 2. При пропускании паров спирта через нагретые трубки с мелкораздробленной медью происходит дегидрирование спирта. Первичные спирты распадаются на альдегид и водород, а вторичные - на кетон и водород: 3. Раньше в промышленности для получения карбонильных соединений использовали гидратацию ацетиленов в присутствии ртутных катализаторов (реакция Кучерова): 4. В последние годы все более широкое применение находят способы получения карбонильных соединений, основанные на окислении алкенов в присутствии катализаторов: 52 2.10.2. Химические свойства альдегидов и кетонов Химические свойства альдегидов и кетонов определяются карбонильной группой. В карбонильной группе атом углерода находится в sр2-гибридном состоянии (см. юниту 1), поэтому заместители при карбонильной группе лежат в одной плоскости, а углы между связями R-C и С=О равны 120°. В молекулах альдегидов и кетонов связь между атомами углерода и кислорода осуществляется двумя парами электронов: Электронное облако связи смещено к кислороду как более электроотрицательному атому, в результате чего он приобретает частичный отрицательный заряд (δ-). В то же время карбонильный углерод в результате оттягивания от него электронов приобретает частичный положительный заряд (δ+): Таким образом, группа сильно поляризована, что обусловливает большую реакционную способность органических соединений, содержащих карбонильную группу: с одной стороны, атом кислорода в альдегидах оказывает влияние на атом водорода, соединенный с карбонильной группой, в результате чего он легко окисляется; с другой стороны, для группы , как и для всех кратных связей, характерны реакции присоединения и полимеризации. 1. Реакции окисления. Окисление альдегидов протекает очень легко - альдегиды способны отнимать кислород от многих соединений, даже кислород воздуха Так, при нагревании формальдегида с аммиачным раствором оксида серебра происходит окисление формальдегида в муравьиную кислоту HСОOH и восстановление серебра: При этом серебро выделяется в виде тонкого налета на стенках сосуда, образуя зеркальный налет, - так называемая "реакция серебряного зеркала". Образование "серебряного зеркала" служит качественной реакцией на альдегидную группу. Следует отметить, что из карбонильных соединений (альдегидов и кетонов), альдегиды оказываются более реакционноспособными, поскольку в 53 их молекулах частичный положи; ильный заряд на атоме углерода карбонильной группы частично компенсируется за счет положительного индуктивного эффекта лишь одной алкильной группы. Кетоны с окисляются значительно труднее альдегидов - только при действии сильных окислителей (КМnО4). При этом обычно разрывается связь между карбонильной группой и одним из алкилов и образуются кислоты с меньшим числом атомов углерода в молекуле. Реакция окисления кетонов может быть использована для определения их строения. 2. Общий механизм реакции присоединения по карбонильной группе рассмотрим на примере присоединения спиртов к альдегидам с образованием ацеталей. Молекула спирта - слабый нуклеофил, поэтому карбонильную группу активируют добавлением каталитических количеств сильной безводной кислоты. Присоединение одной молекулы спирта с последующим депротонированием приводит к полуацеталю Полуацетали нестабильны, и их обычно не удается выделить из реакционной смеси. Дальнейшее протонирование гидроксильной группы полуацеталя и отщепление молекулы воды приводят к присоединению второй молекулы спирта и образованию полного ацеталя: Образование ацеталей играет важную роль в природных процессах, например в химических превращениях сахаров. 3. Другой важной реакцией присоединения по карбонильной группе является восстановление альдегидов и кетонов до соответствующих спиртов. В промышленности обычно предпочитают проводить каталитическое гидрирование: 2.10.3. Применение альдегидов и кетонов Альдегиды широко используются для получения полимеров, красителей, лекарственных веществ и ядохимикатов. Формальдегид в виде 40%-ного водного раствора (формалин) используется в медицине, ацетальдегид (уксусный альдегид) главным образом применяется в производство уксусной кислоты. Ацетон как растворитель используется во многих отраслях 54 промышленности (производство искусственного шелка, бездымного пороха, кинопленки, лаков, лекарств и др.). Он служит исходным веществом для синтеза многих органических соединений. 2.11. Карбоновые кислоты Карбоновыми кислотами называются органические соединения, в молекулах которых содержится функциональная карбоксильная группа (карбоксил) (или –COOH). Название карбоксил произошло от слов карбонил и гидроксил. В простейшей муравьиной кислоте карбоксильная группа связана с атомом водорода: Если в молекуле содержится одна карбоксильная группа, то кислота называется одноосновной, две - двухосновной и т. д. Приведем примеры представителей гомологического ряда одноосновных карбоновых кислот (даны названия тривиальные, а в скобках - систематические). H-COOH - муравьиная (метановая) кислота СН3-СООН - уксусная (этановая) кислота СН3-СН2-СООН - пропионовая (пропановая) кислота СН3-(СН2)2-СООН - масляная (бутановая) кислота СНз-(СН2)3-СООН - валериановая кислота СН3-(СН2)4-СООН - капроновая кислота СН3-(СН2)5-СООН - энантовая кислота СНз-(СН2)14-СООН - пальмитиновая кислота СН3-(СН2)16-СООН - стеариновая кислота Как видно из примеров, карбоновые кислоты можно рассматривать как производные углеводородов, в которых атомы водорода замещены на карбоксильные группы. Общая формула гомологического ряда СnН2n+1СООН, или R-COОH (у первого гомолога вместо R - атом водорода). По систематической номенклатуре названия кислот производят от названий углеводородов с тем же числом атомов углерода, что и в кислоте (учитывается и атом углерода в карбоксиле), прибавляя окончание -овая и слово кислота (см. выше). Изомерия кислот зависит от строения радикала. Изомеры появляются, начиная с масляной кислоты С3H7COOH: 55 Карбоновые кислоты состава С1-С4 - подвижные жидкости, легко растворимые в воде. Кислоты состава С5-С10 - маслянистые жидкости с ограниченной растворимостью в воде. Высшие кислоты (от С10) - твердые вещества, практически нерастворимые в воде. 2.11.1. Получение карбоновых кислот В большинстве случаев карбоновые кислоты получают окислением спиртов или альдегидов: В промышленности карбоновые кислоты получают окислением алканов, сопровождающимся расщеплением углеродного скелета: 2.11.2. Химические свойства карбоновых кислот Многие свойства карбоновых кислот обусловлены наличием в их молекулах карбоксильных групп. Электронное строение карбоновых кислот можно представить схемой: Атом кислорода, связанный с углеродом двойной связью, оттягивает электроны в свою сторону. Углерод приобретает некоторый положительный заряд и притягивает электроны второго атома кислорода из группы -ОН, что приводит к сдвигу электронного облака связи О-Н в направлении кислорода. Взаимное влияние атомов в карбоксильной группе можно изобразить схемой: В результате взаимного влияния атомов в карбоксильной группе связь С=О более прочная, чем в карбоксильной группе, а связь О-Н менее прочная, чем в спиртах. Характерной особенностью карбоновых кислот является образование между их молекулами прочных водородных связей: 56 Поэтому кислоты имеют гораздо более высокие температуры кипения, чем альдегиды. Для карбоновых кислот характерны свойства как карбонильных соединений (например, присоединение по связи С=О) (§ 2.10.2), так и свойства спиртов (например, кислотные свойства, возможность замены гидроксила на другие группы RO-, галогены и т.д.). Однако взаимное влияние карбонильной и гидроксильной групп оказывает существенное воздействие на химические свойства карбоновых кислот. Так, с одной стороны, сопряжение между карбонилом и атомом кислорода гидроксила за счет положительного мезомерного эффекта последнего уменьшает частичный положительный заряд на атоме углерода и затрудняет нуклеофильное присоединение по карбонильной группе. С другой стороны, карбонильная группа вследствие отрицательного мезомерного эффекта стабилизирует анион карбоновой кислоты, что резко увеличивает кислотность гидроксильной группы: Таким образом, можно выделить следующие важнейшие направления реакций карбоновых кислот: - проявление карбоновыми кислотами свойств слабой кислоты, - замена гидроксильной группы в карбоновых кислотах на другие функциональные группы (на галоген, алкоксигруппы и др.). 1. Кислотные свойства карбоновых кислот. Карбоновые кислоты проявляют свойства, характерные для слабых кислот - взаимодействуют с щелочными металлами, щелочами и вытесняют углекислый газ из гидрокарбоната натрия NaHCО3(сода): СН3СООН + Na → CH3COONa + Н2↑ СН3СООН + КОН→ СН3СООК + Н2О СН3СООН + NaHCО3→ CH3COONa + СО2↑ + Н2О Рассматривая кислотные свойства карбоновых кислот, следует учитывать, что углеродный скелет и заместители в нем оказывают большое влияние на их силу. Так, заместители, обладающие -М и -/-эффектами, стабилизируют анион кислоты и, следовательно, увеличивают ее кислотность: Группы, дестабилизирующие анион кислоты, наоборот, снижают ее кислотность. 57 2. Замена гидроксила на алкоксигруппу, образование сложных эфиров. При взаимодействии карбоновых кислот со спиртами в присутствии катализатора (концентрированной серной кислоты) получают сложные эфиры: Реакция образования сложного эфира из кислоты и спирта называется реакцией этерификации (от греч. "этер" - эфир). Она имеет важное значение в органической химии. Сложные эфиры (где R и R' - углеводородные радикалы) можно рассматривать как производные кислот, у которых водород в гидроксиле замещен на радикал. 3. Замена гидроксила в карбоновых кислотах на галоген. Под действием галогенангидридов неорганических кислот (в частности, РС13) карбоновые кислоты могут быть переведены в соответствующие галогенангидриды: 4. Наряду со сложными эфирами и галогенангидридами существует еще несколько типов органических соединений, которые формально можно рассматривать как продукты замещения гидроксильной группы в карбоновых кислотах. Например, амиды карбоновых кислот получают дегидратацией аммониевых солей карбоновых кислот: Ангидриды карбоновых кислот получают нагреванием кислот с водоотнимающими агентами (например, Р2О5) или при взаимодействии солей карбоновых кислот с галогенангидридами: 58 2.11.3. Применение карбоновых кислот Первый гомолог карбоновых кислот - муравьиную кислоту - используют в кожевенном производстве, пищевой и химической промышленности. Ее эфиры используют как растворители и душистые вещества. Уксусная кислота применяется как вкусовое и консервирующее средство; в производстве растворителей, красителей, лекарственных средств. Ее соли - ацетаты - используют для борьбы с вредителями сельского хозяйства. Большое количество уксусной кислоты идет на производство ацетатного волокна. Высшие карбоновые кислоты используются в производстве мыла. 2.11.4. Жиры Жиры являются сложными эфирами, образованные высшими одноосновными карбоновыми кислотами, главным образом пальмитиновой, стеариновой (насыщенные кислоты) и олеиновой (ненасыщенная кислота) и трехатомным спиртом глицерином. Общие названия таких соединений - триглицериды. Природные жиры представляют собой не индивидуальное вещество, а смесь различных триглицеридов. Образование одного из триглицеридов, например триглицерида стеариновой кислоты, можно изобразить уравнением: Жиры содержатся во всех растительных и животных организмах. Жидкие жиры обычно называются маслами. Твердые жиры (говяжий, бараний и др.) состоят главным образом из триглицеридов предельных (твердых) кислот, жидкие (подсолнечное масло и др.) - из триглицеридов непредельных (жидких) кислот. Жидкие жиры превращаются в твердые путем реакции гидрогенизации. Водород присоединяется по месту разрыва двойной связи в углеводородных радикалах молекул жиров: 59 Продукт гидрогенизации - твердый жир (искусственное сало), называется саломасом, идет на производство мыла, стеарина и глицерина. Маргарин - пищевой жир, состоит из смеси гидрогенизированных масел (подсолнечного, хлопкового и др.), животных жиров, молока и т.д. Важное химическое свойство, жиров, как и всех сложных эфиров, - способность подвергаться гидролизу (омылению): Жиры - необходимая составная часть пищи. Они широко используются в промышленности (получение глицерина, жирных кислот, мыла). 2.11.5. Мыла Мыла - это соли высших карбоновых кислот. Обычные мыла состоят главным образом из солей пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот. Натриевые соли образуют твердые мыла, калиевые соли - жидкие мыла. Мыла получают гидролизом жиров в присутствии щелочей: Омыление жиров может протекать и в присутствии серной кислоты (кислотное омыление). При этом получаются глицерин и высшие карбоновые кислоты. Последние действием щелочи или соды переводят в мыла. 2.12. Углеводы Углеводы - органические соединения, состав которых обычно выражается формулой Сn(Н20)m (n и m > 4). Углеводы - очень распространенные природные соединения, они входят в состав всех растений и животных организмов. В растениях они образуются в результате фотосинтеза. В большинстве организмов фотосинтез происходит при участии хлорофилла. Фотосинтез представляет собой процесс получения глюкозы в зеленых листьях растений под действием солнечного света и воды: nС02 + mH2О Cn(H2О)m + О2 Реакция протекает с поглощением энергии, а глюкоза выполняет роль энергоносителя. Далее в животных организмах глюкоза вновь окисляется до углекислого газа и воды, а высвободившаяся при этом энергия идет на обеспечение их жизнедеятельности. Процесс полного окисления глюкозы до углекислого газа и воды протекает в несколько стадий, причем некоторые микроорганизмы способны остановить реакцию на более ранних стадиях. Например, в пищевой промышленности широко используется спиртовое и молочнокислое брожение углеводов под действием бактерий: 60
Яндекс цитирования