Лабораторная работа №2 - Томский Государственный

Федеральное агентство по образованию
Томский государственный
архитектурно-строительный университет
КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
Методические указания к лабораторной работе
Составители Н.С. Елугачёва, А.Н. Павлова
Томск 2007
Кислородсодержащие органические соединения: методические указания к лабораторной работе. / Сост. Н.С. Елугачёва,
А.Н. Павлова. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та,
2007. – 15 с.
Рецензент к.б.н., доцент Т.М. Южакова
Редактор Е.Ю. Глотова
Методические указания к лабораторной работе «Кислородсодержащие органические соединения» по дисциплине «Органическая
химия».
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям: 270112 «Водоснабжение и водоотведение», 280202 «Инженерная защита окружающей среды», 280102
«Безопасность технологических процессов и производств», 270106
«Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Печатаются по решению методического семинара кафедры химии № 9 от 2.07.2006 г.
Утверждены и введены в действия проректором по учебной работе В.С. Плевковым
с 01.01.2007
по 01.01.2012
Подписано в печать Формат 60х90/16.
Бумага офсет. Гарнитура Таймс, печать офсет.
Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ №
Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
2
Кислородсодержащие органические соединения
1. Цель работы: На практике познакомиться со способами получения и с некоторыми химическими свойствами кислородсодержащих соединений: спиртов, альдегидов, кетонов,
простых и сложных эфиров, карбоновых кислот.
2. Задачи:
– получить этилат натрия и доказать кислотный характер;
– доказать кислотный характер многоатомных спиртов;
– получить оксосоединения и изучить их важнейшие химические свойства;
– получить карбоновую кислоту;
– различными методами получить простые и сложные эфиры.
3. Реактивы и оборудование: этиловый спирт, металлический натрий, фенолфталеин, дистиллированная вода, сульфат
меди, гидроксид натрия, глицерин, этиленгликоль, концентрированная серная кислота, хромовая смесь, борная кислота, формальдегид, уксусный альдегид, ацетон, фуксинсернистая кислота, гидроксид натрия, нитрат серебра, аммиак, оксид меди (II),
ацетат натрия, ступки, кружки фильтровальной бумаги, пробирки с газоотводными трубками, фарфоровая пластинка, штатив с
пробирками, спираль из медной проволоки, спиртовка.
4. Основные сведения
Спирты, или алкоголи – производные углеводородов, в
молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены на соответствующее число гидроксильных групп (-ОН).
Общая формула одноатомных спиртов C n H 2n+1 OH.
Способы получения
1. Взаимодействием галогенопроизводных со щелочами:
3
CH3CH2OH + NaCl.
CH3CH2Cl + NaOH
хлорэтан
этанол
2. Гидратация этиленовых углеводородов:
CH2 CH2 + H2O
H2SO4
этилен
CH3 CH2OH.
этанол
3. Восстановление альдегидов и кетонов. В присутствии
катализаторов (Ni, Pt, Co) альдегиды при восстановлении переходят в первичные спирты, а кетоны – во вторичные:
O
CH3 CH2OH.
CH3 C
H
этанол
этаналь
Химические свойства
1. Взаимодействие с щелочными металлами (образуются
алкоголяты):
C2H5ONa + 1/2 H2.
C2H5OH + Na
алкоголят
(этилат) натрия
слот:
2. Действие на спирты минеральных или органических ки-
CH3 C
O
CH3
+ H O CH3
OH
уксусная кислота
метанол
C
O
+ H2O.
O CH3
этилацетат
3. Межмолекулярная дегидратация:
2CH3CH2OH
CH3 CH2 O CH2 CH3 + H2O.
диэтиловый эфир
этанол
4. Окисление:
CH3 CH2OH
этанол
4
[O]
CH3
C
этаналь
O
H
[O]
CH3 C
O
OH
.
уксусная кислота
Многоатомные спирты (двухатомные и трехатомные)
Двухатомные спирты (гликоли) – спирты с двумя гидроксильными группами при разных углеродных атомах. Общая
формула C n H 2n (OH) 2 .
Трехатомные спирты (глицерины) содержат три гидроксильные группы при разных углеродных атомах. Общая формула C n H 2n-1 (OH) 3 .
Качественной реакцией обнаруживающей наличие многоатомного спирта, является взаимодействие со свежеприготовленным гидроксидом меди (II):
Cu(OH)2 + Na2SO4;
CuSO4 + 2NaOH
H
CH2 OH
2 CH
CH2
OH + Cu(OH)2
OH
глицерин
H
H2C
O
H
O
CH2
C
O
Cu
O
C
H2C
O
H.
H O CH2
H
глицерат меди
Аналогично протекает взаимодействие гидроксида меди (II)
с этиленгликолем. С этиловым спиртом подобная реакция не идет.
Оксосоединения (альдегиды и кетоны)
Альдегиды и кетоны – производные углеводородов, в молекулах которых содержится одна или более карбонильных
групп >С=О. Общая формула С n H 2n O.
Если карбонильная группа связана с одним радикалом и
водородом, то такие соединения называют альдегидами.
Соединения, в которых карбонильная группа соединена с двумя одинаковыми или разными радикалами, называют кетонами.
Способы получения оксосоединений
1. Гидратация ацетилена и его гомологов:
5
H C
C H + H2O
HgSO4
[H C
C H]
CH3 C
H OH
O
виниловый спирт
CH3 C CH + H2O
HgSO4
H;
уксусный альдегид
CH3 C
[CH3 C CH2]
CH3.
O
OH
ацетон (кетон)
2. Дегидрирование спиртов. При окислении первичных
спиртов образуются альдегиды, а вторичных – кетоны:
O
[O]
;
CH3 CH2 CH2OH
CH3 CH2 C
H
пропиловый
спирт
CH3 CH CH3
пропионовый
альдегид
[O]
CH3 C
OH
CH3.
O
изопропиловый
спирт
ацетон
диметилкетон
3. Окисление хромовой смесью.
Одноатомные предельные спирты окисляются хромовой
смесью с образованием альдегидов:
3C2H5OH + K2Cr2O7 + 4H2SO4
хромовая смесь
O + K2SO4
+ Cr2(SO4)3.
H + 7H2O
уксусный альдегид
3 CH3
C
Химические свойства
Одной из качественных реакций, обнаруживающих присутствие альдегида, является реакция «серебряного зеркала»:
6
CH3
O
C + 2[Ag(NH3)2]OH
H
CH3
O + 3NH3
C
+ H2O;
OH + 2Ag
Ag2O + NH3 + NH4OH = 2[Аg(NH3)2]OH.
аммиачный раствор
оксида серебра
Другой качественной реакцией на альдегид может служить взаимодействие его c фуксинсернистой кислотой. Подобно тому, как фенолфталеин окрашивает щелочной раствор в малиновый цвет, фуксинсернистая кислота придает раствору уксусного альдегида розово-фиолетовый цвет, а раствору формальдегида – фиолетовый.
Карбоновые кислоты
Карбоновыми кислотами называют производные углеводородов, которые содержат в молекуле одну или несколько карбоксильных групп – СООН.
Типичным представителем карбоновых кислот, с общей
формулой R-COOH, является уксусная кислота CH 3 COOH.
Способы получения
1. Окисление спиртов, альдегидов, кетонов, алканов (см. выше).
2. Гидролиз нитрилов:
CH3 C
N + 2H2O
этанонитрил
HCl, t0
O
+ NH4Cl.
OH
уксусная кислота
CH3 C
3. Магнийорганический синтез с использованием реактивов Гриньяра:
CH3 CH2 Cl + Mg
хлорэтан
абсолютный эфир
O
CH3 CH2 C
+ MgOHCl.
OH
пропановая кислота
4. Щелочной гидролиз (омыление) сложных эфиров:
7
O
CH3 C
+ NaOH
O C2H5
этилацетат
t0
O
+ C2H5OH;
ONa
ацетат натрия
CH3 C
O
CH3 C
O
+ HCl
ONa
CH3 C
+ NaCl.
OH
уксусная кислота
Химические свойства
O
+ Me
+ MeO
+ PCl5
O
R
CH2 C
+ NaOH
+
R
CH2 C
R
CH2 C
R
CH2 C
O
+ OH
+ H2O;
OMe
O
+ POCl3 + HCl;
Cl
O
R
CH2 C
OH
+ SOCl2
+ H2;
OMe
ONa
+ H2O;
O
R
CH2CH3
CH2 C
Cl
+ SO2 + HCl;
O
R
CH2 C
O
+ H2O.
CH2CH3
Простые эфиры
Простые эфиры – это органические соединения, в которых два углеродных радикала связаны между собой атомом кислорода (кислородным мостиком): R1 – O – R2. Радикалы могут
быть одинаковыми или разными.
8
Способы получения простых эфиров
1. Межмолекулярная дегидратация:
2CH3CH2OH
этанол
CH3CH2 O CH2CH3 + H2O.
диэтиловый эфир
2. Взаимодействие алкоголятов с галогеналканами (реакция Вильямсона):
C2H5 O C2H5 + NaI.
диэтиловый эфир
C2H5 ONa + I
C2H5
этилат натрия иодэтан
Химические свойства
1. Взаимодействие с металлическим натрием:
CH3CH2 ONa + CH3CH2 Na.
этилат натрия
этилнатрий
C2H5 O C2H5 + 2Na
диэтиловый эфир
2. Окисление. При длительном пребывании на воздухе
простые эфиры окисляются с образованием взрывоопасных
гидропероксидов и пероксидов:
C2H5 O
C2H5
[O]
CH3 CH
O
CH2CH3.
O OH
гидропероксид
диэтиловый эфир
Сложные эфиры
Сложные эфиры – это производные карбоновых кислот, у
которых гидроксил в карбоксильной группе замещен на остаток
спирта. Общая формула:
O
R
C
O
ции):
R,
Способы получения сложных эфиров
1. Взаимодействие кислот со спиртами (реакция этерифика9
CH3 C
O
+ H O CH3
OH
уксусная кислота
метанол
CH3
C
O
+ H2O.
O CH3
этилацетат
2. Взаимодействие галогенангидридов с алкоголятами
спиртов:
O
O
CH3 C
+ C2H5ONa
CH3 C
+ NaCl;
OH
OC2H5
уксусная кислота этилат натрия
CH3 C
O
Cl
ацетилхлорид
+ C2H5ONa
этилат натрия
этилацетат
CH3 C
O
OC2H5
+ NaCl.
этилацетат
5. Порядок выполнения работы
Опыт 1. Образование и свойства этилата натрия
В сухую пробирку наливают 2 мл обезвоженного этилового спирта и аккуратно вносят кусочек металлического натрия.
Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой. (Что
происходит?) Через несколько минут после начала реакции
поджигают выделяющийся газ у конца газоотводной трубки.
Если реакция сильно замедляется, пробирку можно немного
подогреть. В пробирку добавляют 1 каплю спиртового раствора
фенолфталеина, а затем 1 – 2 капли дистиллированной воды.
Что происходит с раствором? Какие свойства спирта (основные
или кислотные) проявляются в реакции с металлическим натрием? Запишите уравнения соответствующих реакций.
Опыт 2. Получение глицерата и гликолята меди
В пробирку наливают 3 – 4 капли 2%-го раствора сульфата меди (II) и 2 – 3 мл 10%-го раствора гидроксида натрия. К
образовавшемуся осадку добавляют несколько капель глицери10
на. Что происходит? Напишите уравнения реакции образования
глицерата меди.
Опыт повторяют с этиленгликолем. Напишите уравнение
реакции образования гликолята меди. Какие свойства глицерина и
этиленгликоля проявляются в опытах с гидроксидом меди (II)?
Опыт 3. Получение формальдегида и уксусного альдегида окислением спиртов оксидом меди (II)
Несколькими каплями метилового спирта смачивают стенки
сухой пробирки. В пламени газовой горелки нагревают спираль из
медной проволоки до образования на ее поверхности черного налета оксида меди (II). Раскаленную докрасна спираль опускают в
заранее подготовленную пробирку со спиртом. Операцию повторяют несколько раз. Для обнаружения формальдегида используют
фуксинсернистую кислоту. В пробирку наливают 1 мл раствора
фуксинсернистой кислоты. Что происходит?
Для получения уксусного альдегида опыт повторяют, но
вместо метилового спирта стенки пробирки смачивают этанолом. Что наблюдается? Выразите происходящие процессы
уравнениями реакций.
Опыт 4. Получение уксусного альдегида окислением
хромовой смеси
В сухую пробирку приливают 2 мл раствора бихромата
калия, 1 мл разбавленной серной кислоты, 2 мл этилового спирта. Смесь разогревается. Какие изменения наблюдаются с содержимым пробирки? Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой и закрепляют в лапке штатива. Конец газоотводной трубки опускают в пробирку-приемник с дистиллированной водой. Приемник предварительно помещают в стакан со
льдом. Пробирку с реакционной смесью осторожно нагревают
на пламени горелки и отгоняют летучие продукты в течение 3 –
4 мин. Что происходит?
11
Напишите уравнение реакции окисления спирта дихроматом калия в кислой среде и подберите коэффициенты методом
электронного баланса.
Опыт 5. Реакция «серебряного зеркала»
В пробирку приливают 2 – 3 мл уксусного альдегида и 1
мл свежеприготовленного аммиачного раствора оксида серебра.
Что наблюдается? Запишите уравнение реакции.
Опыт 6. Получение ацетона
В сухую пробирку насыпают безводный ацетат натрия
(высота порошка должна составлять около 3 мм) и равномерно
распределяют его по нижней ее стенке. Закрывают пробирку
пробкой с газоотводной трубкой, нижний конец которой опускают в пробирку с 1 – 2 мл дистиллированной воды (рис. 1).
Держа пробирку с ацетатом натрия в горизонтальном положении, нагревают ее в пламени горелки. Пары ацетона конденсируются в воде, находящейся во второй пробирке.
После остывания пробирки добавляют в нее каплю концентрированной HCl. Что происходит? Напишите уравнения реакций.
1
2
Рис. 1. Схема установки для получения метана:
1 – пробирка с ацетатом натрия;
2 – пробирка с дистиллированной водой
Опыт 7. Реакция альдегидов и кетонов с нитропруссидом натрия
В две пробирки наливают по 1 мл дистиллированной воды,
затем в одну из них добавляют 2 – 3 капли формалина, а во вто12
рую – 2 – 3 капли ацетона или метилэтилкетона. К полученным
смесям приливают по несколько капель 1 М раствора гидроксида
натрия. Сравните наблюдаемые явления и запишите уравнения
реакций.
Опыт 8. Получение уксусной кислоты
В пробирку помещают 0,5 г ацетата натрия и 2 мл концентрированной серной кислоты. Пробирку закрывают пробкой с
газоотводной трубкой и осторожно подогревают. К отверстию
пробирки поднесите лакмусовую бумажку, смоченную водой.
Что происходит? Запишите уравнение реакции.
Опыт 9. Получение этилового эфира борной кислоты
В фарфоровую чашку помещают небольшое количество
борной кислоты (H 3 BO 3 ), которую смачивают метиловым или
этиловым спиртом. Поджигают, отмечают цвет пламени. Напишите уравнение реакций.
Опыт 10. Получение диэтилового эфира
В сухой пробирке прокаливают 1 г борной кислоты до
полного ее обезвоживания (пробирку необходимо держать в
горизонтальном положении и периодически всю ее прогревать
для удаления капелек воды). После полного расплавления кристалликов кислоты пробирку охлаждают. К затвердевшему расплаву добавляют 2 – 3 мл этилового спирта и 1 мл концентрированной серной кислоты. В пробирку вносят несколько кусочков фарфора, закрывают ее пробкой с газоотводной трубкой и
осторожно нагревают. При помощи лучины поджигают выделяющиеся пары у конца газоотводной трубки. В какой цвет окрашивается пламя? Напишите уравнения реакций.
Опыт 11. Получение этилового эфира уксусной кислоты
В пробирку помещают 2 мл этилового спирта, 2 мл ацетата натрия и 1 мл концентрированной серной кислоты (что про13
исходит?). Содержимое пробирки медленно нагревают до кипения и кипятят 10 – 15 минут. Затем раствор охлаждают. Для
выделения эфира к содержимому пробирки приливают 3 – 4 мл
раствора хлорида натрия. Объясните происходящие явления и
запишите уравнения реакций.
6. Контрольные вопросы
1. Составьте уравнения реакций, которые надо провести
для осуществления следующих превращений:
пропанол-1 → А → Б → 2,3-диметилбутан.
2. Напишите структурные формулы следующих соединений:
а) 2-метилпентанол-3; б) 2,4-диметилпентанол-2; в) этандиол-1,1;
г) 2-метилбутин-3-ол-2; д) 2-метилбутанол-1.
3. Напишите и назовите, структурные формулы изомерных
альдегидов и кетонов состава: С 6 Н 12 О.
4. Напишите структурные формулы (и назовите) кетонов,
изомерных изовалериановому альдегиду.
5. Синтезируйте изомасляную кислоту из ацетона.
6. Какие вещества образуются, если взаимодействуют следующие соединения: втор-бутилмагнийбромид и диэтилкетон?
7. Напишите структурные формулы соединений:
а) хлоруксусная кислота; б) 3-метилпентановая кислота;
в) пропандиовая кислота; г) 2,2-диметилпропановая кислота;
д) янтарная кислота.
8. Какое соединение образуется, если на изомасляную кислоту подействовать пятихлористым фосфором и полученное
вещество обработать аммиаком?
9. Какое соединение образуется при гидролизе изопропилового эфира и валериановой кислоты?
7. Список рекомендуемой литературы:
1. Артеменко, А.И. Органическая химия: учеб. для строит.
спец. вузов / А.И. Артеменко. – 5-е изд., испр.– М.: Высш. шк.,
2005. – 605 с.
14
2. Грандберг, И.И. Практические работы и семинарские занятия по органической химии: пособие для студ. вузов / И.И.
Грандберг. – 4-е изд., перераб. и доп.– М.: Дрофа, 2001. – 352 с.
3. Нейланд О.Я. Органическая химия: учеб. для хим. спец.
вузов / О.Я. Нейланд. – М.: Высш. шк., 1990. – 751 с.
15