ponjatija-org-himiippt52a14e335c722
реклама
Основные понятия органической химии Литвищенко Л.Д. План • Основные понятия органической химии (первичный, вторичный , третичный и четвертичный атомы углерода, радикал, структура радикалов, функциональная группа, изомерия, гомология, гомологический ряд. • Типы разрыва связей. Понятие о механизме реакций. Классификация реагентов. Атомы углерода CH3 CH3 H3C CH CH2 C CH3 CH3 Первичный Вторичный Третичный Четвертичный 2,2,4-триметилпентан Радикал R-X органическое соединение Радикалом называется остаток углеводорода без одного (иногда двух) атомов водорода. Радикалы алканов СnН2n+2 имеют общую формулу -СnН2n+1, а общее название- алкилы. Радикалы (их строение и масса) определяют, в основном, физические свойства веществ: агрегатное состояние, Ткип., Тпл., ρ и т.д. Алканы. Номенклатура. Углеводород (алкан) СnН2n+2 Формула Название Радикал (алкил) Формула -СnН2n+1 Название CH4 метан CH3— метил CH3CH3 этан CH3CH2— этил CH3CH2CH3 пропан CH3CH2CH2— пропил CH3(CH2)2CH3 бутан CH3(CH2)2CH2— бутил CH3(CH2)3CH3 пентан CH3(CH2)3CH2— пентил CH3(CH2)4CH3 гексан CH3(CH2)4CH2— гексил CH3(CH2)5CH3 гептан CH3(CH2)5CH2— гептил CH3(CH2)6CH3 октан CH3(CH2)6CH2— октил CH3(CH2)7CH3 нонан CH3(CH2)7CH2— нонил CH3(CH2)8CH3 декан CH3(CH2)8CH2— децил (декин) 5 Функциональная группа Х Функциональная группа – атом или группа определенным способом связанных атомов, наличие которой в молекуле органического вещества придает ему характерные свойства и определяет его принадлежность к тому или иному классу соединений. O CH3 C O C OH уксусная кислота O OH бензойная кислота H2N CH2 C OH глицин (аминокислота) Классификация органических соединений Соединения могут содержать не одну, а несколько функциональных групп. Если эти группы одинаковые, то соединения называются полифункциональными. CHCl3 CH2 CH CH2 OH OH OH хлороформ глицерин Классификация органических соединений Соединения, содержащие различные функциональные группы, называются гетерофункциональными. CH3 CH COOH CH2 CH2 OH NH2 OH молочная кислота коламин Структура радикалов 1. Первичные – имеют свободную валентность у первичного атома углерода: Нормального строения - (неразветвленные) н-, n-. I СН3-СН2-СН2-СН2-СН2- н-пентил Изо- строения - содержат (изопропильную вилку) изо-, i-. I -СН2- СН CH 3 CH 3 Изо-структура первичный радикал Нео-строения- (нео-, neo-), СН3 I СН3-С СН2СН3 Нео-пентил или нео-амил Структура радикалов 2. Вторичные – содержат свободную валентность у вторичного атома углерода ( вторично- или втор): 3. Третичные – содержат свободную валентность у третичного атома углерода (трет-): Структура радикалов CH 3 II СН CH 3 Изо-пропил или втор-пропил CH3 III С CH3 CH3 Трет-бутил Изомерия Изомеры — это вещества, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное химическое строение, а поэтому обладают разными свойствами. Алканы. Номенклатура Число изомеров в ряду алканов Название Формула Число изомеров Формула Название Число изомеров CH4 метан 1 C11H24 ундекан 159 C2H6 этан 1 C12H26 додекан 355 C3H8 пропан 1 C13H28 тридекан 802 C4H10 бутан 2 C14H30 тетрадекан 1 858 C5H12 пентан 3 C15H32 пентадекан 4 347 C6H14 гексан 5 C20H42 эйкозан C7H16 гептан 9 C25H52 пентакозан 36 797 588 C8H18 октан 18 C30H62 триаконтан 4 111 846 763 C9H20 нонан 35 C40H82 тетраконтан C10H22 декан 75 366 319 62 491 178 805 831 15 Изомерия Изомерия (от греч. isos — равный) С4Н10 CH3 H3C CH2 CH2 CH3 H3C CH CH3 н-бутан Ткип= -0,5С изобутан Ткип= -11,7С Изомерия ИЗОМЕРИЯ Структурная Пространственная Углеродного скелета Оптическая Положения функциональной группы или кратных связей Валентная Геометрическая Изомеры – соединения, имеющие одинаковый элементный состав (брутто-формулу), но отличающиеся последовательностью соединения атомов (структурные изомеры). Алканы. Структурная изомерия С5Н12 H3C CH2 CH2 CH2 CH3 пентан Ткип= 36.2С H3C CH CH2 CH3 CH3 2-метилбутан Ткип= 28С CH3 H3C C CH3 CH3 2,2-диметилпропан 19 Ткип= 9.5С Изомерия Структурная изомерия Изомерия положения функциональной группы CH3CH2CH2CH2OH CH3CHCH2CH3 OH бутанол-1 CH2 CHCH3CH3 бутен-1 бутанол-2 CH3CH CHCH3 бутен-2 Изомерия Структурная изомерия Изомерия положения функциональной группы α CH3CHCOOH NH2 -аминопропионовая кислота β α CH2CH2COOH NH2 -аминопропионовая кислота CH2 CH C C CH CH2 дивинилацетилен бензол Изомерия Структурная изомерия С6Н6 Валентная изомерия бензвален бензол бицикло[2.2.0]гекса-2,5-диен "бензол Дьюара" призман "бензол Ладенбурга" Изомерия Пространственная изомерия (Стереоизомерия) Геометрическая изомерия CH3 CH3 CH3 цис-1,2-диметилциклопентан CH3 транс-1,2-диметилциклопентан Пространственные (геометрические) изомеры – имеют одинаковый порядок (последовательность) связей в молекуле, но отличаются расположением атомов (групп) в пространстве Изомерия Пространственная изомерия (Стереоизомерия) Геометрическая изомерия HOOC COOH HOOC C C H H C C H малеиновая кислота (цис-1,2-этилендикарбоновая кислота) H COOH фумаровая кислота (транс-1,2-этилендикарбоновая кислота) 26 Оптическая изомерия Энантиомеры – зеркальные антиподы, несовпадающие друг с другом Хиральность Молекула является хиральной, если не совпадает со своим зеркальным изображением. Необходимое условие наличия хиральности – отсутствие плоскости симметрии. Наиболее частая причина хиральности молекулы – наличие асимметрического центра – атома в состоянии гибридизации sp3, несущего четыре различных заместителя. b a Z c d b c Z a d Z = углерод, азот, фосфор, сера и др. энантиомеры неподеленная пара электронов как один из заместителей может обеспечить хиральность, но, как правило, не обеспечивает существование индивидуальных энантиомеров вследствие легкого взаимопревращения последних (инверсия) a a N b c c N b b N a c конфигурационно-неустойчивые энантиомеры Гомологи –соединения, брутто-формула которых отличается на «гомологическую разницу» - (CH2)n и которые обладают одинаковыми существенными структурными признаками. H2 C H3C CH3 H3C C3H8 C H2 H2 C H2C CH2 C3H6 H3C CH4O CH3 гомологи C4H10 H2 C CH2 C H не гомологи (циклоалкан и алкен - разные классы соединений C4H8 OH H3C H2 C H3C H2 C O OH C2H6O гомологи (спирты) H3C C H2 C3H8O CH3 не гомолог (простой эфир) Гомология Группы органических соединений однотипной структуры с одинаковыми функциональными группами, отличающиеся друг от друга по количеству групп CH2 в углеродной цепи, составляют гомологический ряд. Гомологический ряд метана CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 и т.д. Алканы СnН2n+2 Гомологический ряд метана CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 и т.д. Гомологический ряд изобутана CH3 CH3CHCH3 CH3 CH3CHCH2CH3 CH3 CH3CHCH2CH2CH3 CH3 CH3CHCH2CH2CH2CH3 28 Гомология Гомологический ряд изобутана CH3 CH3CHCH3 CH3 CH3 CH3CHCH2CH3 CH3CHCH2CH2CH3 CH3 CH3CHCH2CH2CH2CH3 Гомологический ряд метанола CH3OH CH3CH2OH CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2OH и т.д. Виды разрыва ковалентных связей • Гомолитически – с образованием свободных радикалов – частиц, имеющих неспаренный электрон, не имеющих заряда и очень активных. Такому разрыву подвергаются малополярные и неполярные ковалентные связи, при этом пара электронов разрывается поровну между атомами, образующими связь. Факторы, способствующие такому разрыву связи, следующие: облучение, высокая температура, присутствие инициаторов свободных радикалов, неполярный растворитель. Если реакция протекает с образованием свободного радикала, то механизм реакции называют радикальным. Гомолитический разрыв связи H H C H H СН3• + Н• Свободный радикал R• • Гетеролитически (по ионному типу) – с образованием пары ионов: катиона и аниона. Если заряд + на атоме углерода, то его называют карбокатионом. А если на атоме углерода заряд –, то такую частицу называют карбоанионом. Это заряженные частицы и подчиняются законам электростатического притяжения и отталкивания. Карбокатион содержит свободную орбиталь, а карбоанион имеет орбиталь, на которой находится пара электронов. • Разрыву с образованием пары ионов способствуют следующие факторы: полярные связи, катализатор, полярный растворитель. Если реакцию начинает частица с положительным зарядом (E- электрофил), то механизм реакции электрофильный, а если реакция начинается с отрицательно заряженной частицы (N-нуклеофила), то механизм реакции нуклеофильный. Гетеролитический (ионный) разрыв связи H H C H H 1 СН3+ + Н- карбокатион гидрид-ион 2 СН3карбоанион + Н+ протон Механизм реакции • Типы реакций с указанием механизма обозначаются следующим образом: • Реакции замещения S (SR, SE, SN) • Реакции присоединения A (AR, AE, AN) • Реакции отщепления E (ER, EE, EN). Классификация органических соединений Классификация органических соединений Классификация органических соединений Марковников В.В. • Легче всего идет замещение у третичного атома углерода, затем у вторичного, в последнюю очередь – у первичного. I СН3 II I IY II Н3С-СН- С-СН2-СН2-СН3 III • I СН3 СН3 I I Алканы. Химические свойства Галогенирование (Механизм реакции) 4. Реакционная способность водорода у третичного атома углерода выше, чем у вторичного, а вторичного выше, чем у первичного. CH3 CH3 C > CH3 CH CH3 > CH3CH2 > CH3 CH3 376 кДж/моль 390 кДж/моль 415 кДж/моль 39 Задача № 1 • При хлорировании углеводорода А может образоваться единственное монохлорпроизводное В. Отношение плотностей паров соединений А и В равно 0,676. Определите структурную формулу А и В. В каких условиях может происходить реакция хлорирования и каков ее механизм? Решение 1. Примем, что углеводород- ароматический. СnН2n-6 , допустим, А- С6Н6 , а В- С6Н5Сl М(С6Н6) =78 г/моль М(С6Н5Сl)=113,5г/моль, проверим D(A/B) D(A/B) = 78/113,5= 0,68 Механизм реакции хлорирования- ионный (электрофильный, SE), протекает в присутствии катализатора FeCl3 (Fe порошок) FeCl3 С6Н6 + Cl2 = C6H5Cl + HCl 2.Углеводород- предельный СnH2n+2 M(A) = 12n+2n+2 = 14n+2 M(B) = 14n+1+35,5= 14n+36,5 Составим пропорцию: М(А)/М(В) = 14n+2 / 14n+36,5 = 0,676 14n+2 = 0,676 ·(14n+36,5), n= 5 A- C5H12 Или М/М+34,5 = 0,676 М=72 n=5 Структура единственная –нео-пентан С(СН3)4 СН3 СН3-С-СН3 СН3 Механизм реакции – радикальный (SR) Условия проведения: • на свету, • при введении инициаторов (источников свободных радикалов) • при высокой температуре • при различных видах облучения С(СН3)4 + Сl2= C(CH3)3CH2CI +HCl Задача 2 • В молекуле алкана содержится x первичных, y вторичных и z четвертичных атомов углерода. Найдите число третичных атомов углерода. Решение • В молекуле алкана CnH2n+2 содержится x групп CH3, y групп CH2, w групп CH и z четвертичных атомов C. Тогда можно выразить количества атомов углерода и водорода: • Ответ: Число третичных атомов углерода равно x – 2z –2. Задача 3 • Смесь паров пропина и изомерных монохлоралкенов при 145˚С и давлении 96,5 кПа занимает объем 18 л и при сжигании в избытке кислорода образует 18 г воды. Напишите все возможные структурные формулы монохлоралкенов. Вычислите объем 1,7%-ного раствора нитрата серебра (ρ=1,01 г/мл), который может прореагировать с продуктами сжигания исходной смеси, если известно, что ее плотность по воздуху равна 1,757. Краткое условие задачи • Дано: • V (С3Н4 + СnH2n-1CI) = 18л • • • • • Р= 96,5 кПа D(воздух) =1,757 m (H2O) =18 г ρ(AgNO3)= 1,01г/мл ω (AgNO3)=1,7 % Формулы СnH2n-1CI ? V раствора AgNO3 = ? Решение • РV=nRT Р=96,5·103 Па; Т=418˚ К; V= 18·10-3м R=8,31 • n=PV/RT n=96,5·103·18·10-3/418·8,31=0,5 n=0,5 моль смеси паров С3Н4 + СnH2n-1CI • Примем за Y количество моль С3Н4 • C3H4+4O2 →3CO2 +2H2O y моль 2y моль CnH2n-1Cl +(3n-1)/2 O2 → nCO2 +(n-1) H2O + HCl (0,5-y)моль (0,5-y)·(n-1)моль • Мr(C3H4) =40 Мr(CnH2n-1Cl) =14n+34,5 m(C3H4)=40y m(CnH2n-1Cl) =(0,5-y)·(14n+34,5) n(H2O) = 18/18=1моль выделилось • М(смеси) =1,757·29= 51г/моль • М(смеси) =(m1+m2)/(n1+n2) • Cоставим систему уравнений: 51=40y+(0,5-y)·(14n+34,5) / 0,5 (для смеси) 1=2y+(0,5-y)·(n-1) (для воды) Решив её, получим 36,5у=13 у=0,356 моль, т.е. n(С3Н4)=0,356 моль n(CnH2n-1Cl) =0,5-0,356= 0,144моль Подставим значение у в уравнение (2) системы и найдем n: 1=2y+(0,5-y)·(n-1) 1=0,356·2+0,144·(n-1) 1= 0,712 + 0,144n - 0,144 0,144n= 0,432 n=3 C3H5Cl СН2=СН-СН2Сl 3-хлорпропен ; Cl-CH=CH-CH3; 1-хлорпропен СН2=С(Сl)-СН3; СН2 2-хлорпропен H2C СН-Cl • Качественная реакция на хлорид-ион HCl + AgNO3 = AgCl↓ + HNO3 Mr=170 n(AgCl)=n(HCl)=n(CnH2n-1Cl) =0,144 моль m(AgNO3)=0,144моль·170г/моль=24,48 г ω(AgNO3)= m(AgNO3)·100% / m(р-ра) m(р-ра)= m(AgNO3)·100% /ω =24,48·100/1,7 m(р-ра)=1440г m(р-ра)=V·ρ V=m/ρ V=1440г/1,01г/мл=1425,7мл Галоидирование алканов F2 очень энергичен и если не принять мер предосторожности, полностью разрушает органические молекулы. Сl2 и Вr2 применяют для радикального замещения атомов водорода в алканах. I2 не способен к реакции прямого замещения водорода Энергия связи • С-Н у первичного (99 ккал/моль) • у вторичного (94 ккал/моль) • у третичного (90 ккал/моль) • Особенно избирательно действует бром (Br2):скорости бромирования у первичного, вторичного и третичного атомов углерода относятся как: 1 : 32 : 1000 Для хлорирования (Cl2): 1: 3,9 : 5,1 Задача 4 Рассчитать выход изомеров при реакциях: • хлорирования и • бромирования изопентана ( 2метилбутана) Решение Cl-CH2-CH(CH3)CH2-CH3 CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-Cl l lll ll l СН3-СН- СН2-СН3 + Сl2 СН3 l CH3-C(Cl)(CH3)-CH2-CH3 CH3-CH(CH3)-CH(Cl)-CH3 Количество атомов Н при первичных атомах углерода 9 Вторичных 2 Третичных 1 • Доля продуктов реакции от всей смеси продуктов =V·n (число атомов водорода определенного вида): • Для первичных 1 · 9 = 9 21,9 • Для вторичных 3,9 · 2 = 7,8 • Для третичных 5,1 · 1 = 5,1 • ω1= (9/21,9)·100% = 41% • ω2= (7,8/21,9)·100% = 36% • ω3= (5,1/21,9)·100% = 23% Задача 5 Решение: Задача 6 При окислении смеси органических соединений А и Б избытком подкисленного раствора перманганата калия образуются оксид углерода (IV) и белое кристаллическое вещество В, которое превращается в бензол при нагревании с гидроксидом натрия. Определите качественный и количественный состав смеси А и Б, если известно, что количество гидроксида натрия, необходимое и достаточное для поглощения выделившегося при окислении газа, равно 0,25 количества NaOH, пошедшего на превращение в бензол вещества В. При реакции исходной смеси с хлором на свету могут образоваться только три монохлорпроизводных углеводорода. Решение • Решение задачи ведем с конца: только три монохлорпроизводных, значит, только три типа атомов углерода в боковых цепях С6Нx(СН2)nСН3. Соединений - два, типов Сатомов - три, значит, в смеси присутствует толуол А (первый тип боковых С-атомов) и еще одно органическое соединение Б гомолог толуола, дающий при окислении СO2 5С6Н5-СН3+6КMnO4+9H2SO4→ 5C6H5-COOH + + 6MnSO + 3K SO + 14H O 4 2 4 2 A КMnO4+ H2SO4 С6Н5-(CH2)nСН3 Б → C6H5-COOH + nCO2 бензойная к-та t0C С6Н5-СOOH+2NaOH→ C6H6 + Na2CO3+H2O В • Из 1 моль толуола (А) и 1 моль Б образуется 2 моль бензойной кислоты, которую можно декарбоксилировать 4 моль NaOH. • Значит, на поглощение СO2 потребовалось 0,25 · 4 = 1 моль щелочи: NaOH + CO2 NaHCO3. Таким образом, на 1 моль Б образуется 1 моль СО2 (n =1), т. е. Б - этилбензол Основы номенклатуры органических соединений Систематическая номенклатура ИЮПАК ИЮПАК [от английского названия Международного союза чистой и прикладной химии — International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)] Систематические названия составлены из слов, специально созданных или выбранных для описания структурных особенностей соединения. Систематическая номенклатура ИЮПАК Характеристическая группа Префикс Суффикс —(C)OOH — -овая кислота —COOH карбокси- -карбоновая кислота —SO3H сульфо- -сульфокислота —(C)H=O оксо- -аль —CH=O формил- -карбальдегид оксо- -он —OH гидрокси-2 -ол —SH меркапто- -тиол —NH2 амино- -амин —NO2 ннтро- — —OR алкокси- — =С=О —F, —Cl, (Hal) —Br, —I фтор-, хлор-, бром-, иод- (галоген-) — Алканы. Номенклатура Систематическая номенклатура ИЮПАК 1) выбирают самую длинную цепь атомов углерода (родовую структуру), если несколько одинаковых, то наиболее разветвленную (главную); 2) главную цепь нумеруют так, чтобы сумма цифр заместителей была наименьшей; 3). Боковые цепи-заместители, их названия ставят перед названием главной цепи, цифрой (локант) указывают номер атома углерода в главной цепи, у которого находится заместитель, а затем в виде префикса называют этот заместитель; Алканы. Номенклатура 4) Радикалы перечисляются в алфавитном порядке. Если заместители одинаковые, то к их названию добавляют умножительные приставки ди-, три-, тетра-, пента- и т. д. 5).Называют родовую структуру (корень) и добавляют окончание класса соединений Общая схема названия органических соединений Локант Префикс Кореньродовая структура Цифры (положение Заместителей) Название радикаловзаместителей Главная УВ-цепь Суффикс Окончание -ан, -ол
