- •Органическая химия
- •I. Методические рекомендации по изучению теоретических основ органической химии
- •Раздел 1. Теоретические основы органической химии
- •1.1. Введение. Теория химического строения имени а.М. Бутлерова
- •1.2. Классификация органических соединений. Номенклатура органических соединений
- •Название соединения:
- •4. Составить название соединения:
- •Префиксы и суффиксы характеристических групп (функциональные группы, заместители, радикалы)
- •Название некоторых радикалов
- •1. Укажите, какое число соединений обозначено приведенными ниже структурными формулами:
- •2. Укажите основные классификационные признаки органических соединений.
- •3. Среди представленных соединений укажите моно-, поли - и гетерофункциональные соединения ациклического и циклического строения:
- •4. Назовите соединения по заместительной номенклатуре июпак:
- •5. Напишите структурные формулы соединений:
- •1. Дать названия по заместительной номенклатуре июпак следующим соединениям.
- •2. Написать структурную формулу 2 –амино – 4 – этоксипентандиовой кислоты.
- •1.3. Химическая связь. Типы межмолекулярных взаимодействий. Взаимное влияние атомов в молекуле
- •1. В каких из указанных ниже соединений следует ожидать образования водородных связей:
- •3. Рассмотрите взаимное влияние атомов в молекулах пропиламина, виниламина и анилина.
- •4. Рассмотрите распределение электронной плотности в молекулах пропеналя и хлорэтена.
- •1. 4. Изомерия органических соединений
- •1. Напишите структурные формулы структурных изомеров состава с4н8о. Укажите, к каким классам относятся изомеры. Назовите соединения по заместительной номенклатуре.
- •4. Определите число оптических изомеров хлоряблочной кислоты (2-гидрокси-3-хлорбутандиовая кислота). Назовите и представьте их в виде проекций Фишера.
- •5. Определите число оптических изомеров винной кислоты (2,3-дигидроксибутандиовая кислота). Назовите и представьте их в виде проекций Фишера.
- •Раздел 2. Углеводороды
- •2.1. Алканы (Предельные углеводороды)
- •1. Напишите структурные формулы изомерных углеводородов состава с6н14. Назовите их по номенклатуре июпак.
- •2. Какие углеводороды можно получить по реакции Вюрца, используя смесь галогеналканов (алкилгалогенидов) – хлорэтана и хлорметана?
- •3. Какой углеводород получится при сплавлении ацетата натрия со щелочью?
- •4. Какие продукты образуются при галогенировании и нитровании по Коновалову (14-20% раствор нnо3, 1400с) пропана?
- •2.2. Алкены (Этиленовые углеводороды)
- •2. Напишите схему реакции присоединения воды к 2- метилбутену-2. Назовите полученное соединение.
- •3. Напишите схемы реакций окисления 2-метилпентена-2 перманганатом калия в слабощелочной и кислой средах.
- •4. Какой алкен получится в качестве основного продукта в реакции дегидратации бутанола-2?
- •2.3. Алкины (Ацетиленовые углеводороды)
- •1. Напишите структурные формулы изомеров состава с5н8. Назовите изомеры по номенклатурам – рациональной и июпак.
- •2. Закончите уравнения реакций (в соответствующих условиях) бутина-1 со следующими реагентами:
- •3. Осуществите следующие превращения:
- •4. Осуществите превращение: бутин-1 → бутин-2
- •2.4. Арены (Ароматические углеводороды)
- •1. Напишите структурные формулы изомерных алкилбензолов состава с9н 12. Назовите их.
- •3. Определите характер группы - осн3 (заместитель 1 или 2 рода, о-, п - или м-ориентант) в молекуле метоксибензола.
- •5. Предложите наиболее рациональный способ получения из бензола 2-хлор-4-нитротолуол.
- •6. Осуществите превращения:
- •Раздел 3. Кислородсодержащие соединения
- •3.1. Спирты. Фенолы.
- •1. Напишите структурные формулы изомеров состава с4н10о. Назовите соединения по рациональной номенклатуре и июпак. Среди них укажите первичные, вторичные и третичные спирты, простые эфиры.
- •2. С помощью каких реакций и реагентов можно из бутанола-2 получить следующие соединения:
- •3. Как с помощью химических реакций отличить друг от друга глицерин, фенол, бензиловый спирт?
- •4. Какие соединения могут быть получены при окислении раствором kMnO4 пропилового спирта, изопропилового спирта, фенола?
- •5. Какой спирт можно получить в результате следующих превращений:
- •6. Осуществить превращения:
- •3.2. Альдегиды и кетоны (карбонильные соединения)
- •1. Напишите структурные формулы изомеров карбонильных соединений с общей формулой c5h10o и назовите их по рациональной номенклатуре, номенклатуре июпак.
- •2. Напишите уравнения реакций окисления хромовой смесью бутаналя и 2-метилпентанона-3.
- •3. Напишите схемы реакций ацетона и уксусного альдегида с синильной кислотой, гидроксиламином. Сравните реакционную активность карбонильных соединений в этих реакциях.
- •4. Получите возможными способами ацетон.
- •3.3. Карбоновые кислоты и их производные
- •1. Сравните кислотные свойства кислот: бутановой (масляной), пропановой (пропионовой),
- •2. Сравните кислотные свойства бензойной, п-нитробензойной и п-оксибензойной кислот.
- •3. Получите пропионовую кислоту (пропановую) всеми возможными способами.
- •4. Напишите уравнение реакции взаимодействия уксусной кислоты с этиловым спиртом. Назовите полученное соединение. Напишите уравнения гидролиза сложного эфира в кислой и щелочной средах.
- •5. Напишите уравнение реакции, протекающей при нагревании β-гидроксимасляной кислоты.
- •6. Напишите уравнения реакции олеииодистеарина с водородом, бромом, перманганатом калия, полного щелочного гидролиза стеарина. Назовите продукты реакций.
- •7. Напишите уравнения реакций, протекающих при последовательном действии на пропановую кислоту следующих реагентов: 1. Хлора (в присутствии следов фосфора); 2. Гидроксида калия в спиртовой среде;
- •3. Бромоводорода; 4. Водного раствора гидроксида калия; 5. Избытка хлорида фосфора (III). Назовите промежуточные и конечные продукты реакций.
- •Раздел 4. Углеводы
- •2. Напишите, используя перспективные формулы Хеуорса, пиранозные и фуранознгые и- формы рибозы. Назовите эти формы, укажите гликозидный (полуацетальный) гидроксил.
- •3. Напишите уравнения реакций окисления (реакция «серебряного зеркала») d-рибозы и её взаимодействия с метиловым спиртом. Назовите продукты реакций.
- •1. Напишите уравнения образования восстанавливающего и невосстанавливающего дисахарида из двух молекул ,d–рибофуранозы. Назовите полученные соединения.
- •Раздел 5. Азотсодержащие соединения
- •5.1. Амины. Аминокислоты
- •1. Напишите структурные формулы следующих аминов:
- •2. Сравните основные свойства следующих аминов: этиламин, аммиак, диэтиламин, анилин, п-нитроанилин. Напишите уравнения реакций диэтиламина и анилина с соляной кислотой.
- •4. Сравните действие азотистой кислоты на метиламин, п-толуидин, n-метиланилин.
- •5. Из нитробензола получите м-, о- и п- нитроанилины.
- •6. Представьте формулы биполярных ионов аланина (2-аминопропановая кислота), аспарагиновой кислоты (аминобутандиовая кислота), орнитина (2,5-диаминопентановая кислота).
- •7. Напишите уравнение образования трипептида из аланина.
- •II. Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ
- •1. Фильтрование
- •2. Кристаллизация (перекристаллизация)
- •3. Перегонка
- •4. Экстракция
- •5. Возгонка
- •1.3. Лабораторная работа №2. Качественный элементный анализ органических соединений
- •1. Обнаружениеуглерода пробой на обугливание
- •2. Обнаружение углерода и водорода
- •4. Обнаружение галогенов
- •5. Обнаружение серы
- •1. 1. Отношение алканов к брому
- •1. 2. Отношение алканов к окислителям
- •1. 3. Горение алканов
- •2. Алкены, диены, алкины (Непредельные углеводороды)
- •2.1. Отношение непредельных углеводородов к брому
- •2.2. Отношение непредельных углеводородов к окислителям
- •2.3. Особые свойства алкинов (получение ацетиленида меди)
- •3 Арены (Ароматические углеводороды)
- •3. 1. Отношение бензола к брому (тяга!)
- •3. 2. Отношение бензола и его гомологов к окислителям
- •5. Горение ароматических углеводородов (тяга!)
- •1. Спирты
- •2. Альдегиды и кетоны (Карбонильные соединения)
- •2. 1. Отношение альдегидов и кетонов к нуклеофильным реагентам
- •2. 2. Отношение карбонильных соединений к слабым окислителям
- •3. Карбоновые кислоты и их производные
- •3. 1. Растворимость предельных монокарбоновых кислот кислот в воде и органических растворителях
- •3. 2. Кислотные свойства предельных карбоновых кислот
- •3.3. Сравнение кислотных свойств карбоновых и минеральных кислот
- •3. 4. Производные карбоновых кислот
- •1. Реакция на гидроксильные группы в углеводах
- •2. Реакции на карбонильную группу в углеводах
- •3. Взаимодействие крахмала с иодом
- •III. Задания для самостоятельного решения
- •1) Назовите соединения по заместительной номенклатуре июпак (а-п):
- •2. Напишите структурные формулы следующих соединений (а-п):
- •2. Обозначьте графически электронные эффекты в нижепредставленных соединениях. На примере одного соединения рассмотрите виды сопряжения и напишите его мезоформулу (а-п):
5. Предложите наиболее рациональный способ получения из бензола 2-хлор-4-нитротолуол.
Решение:
При получении указанного соединения из бензола необходимо ввести в кольцо три группы: - Cl, -NО2 и –СН3. Все реакции электрофильного замещения – хлорирование, нитрование, алкилирование. Учитывая ориентирующий характер трех групп, необходимо в следующей последовательности осуществить превращения:
1. алкилирование (СН3СI в присутствии FeCI3), в полученном соединении - толуоле группа - СН3 заместитель 1 рода и ориентирует вхождение в кольцо второй группы в о- и п- положения (для дальнейших реакций необходим только п-изомер);
2. нитрование (смесь концентрированных азотной и серной кислот), в полученном соединении - п-нитротолуоле группа -NО2 заместитель 2 рода и ориентирует входящую группу в м-положение. Таким образом, в п-нитротолуоле ориентирующее действие обеих групп согласованное (совпадающая ориентация), третья входящая группа будет замещать атом водорода у второго атома углерода бензольного кольца;
3. галогенирование (Cl2 в присутствии FeCI3) приводит к образованию 2-хлор-4-нитротолуола.
6. Осуществите превращения:
С2Н5Cl Вr2 Вr2 КОН КМnО4
Бензол → А → В → С → Д → Е + Ж.
Fe Fe t спирт Н2SО4
Решение:
Раздел 3. Кислородсодержащие соединения
3.1. Спирты. Фенолы.
Литература
1. Иванов, В.Г. Органическая химия: учеб. пособие для вузов / В.Г. Иванов, В.А. Горленко. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. -С. 171-191, 409-421.
2. Грандберг, И.И. Органическая химия: учеб. для вузов / И.И. Грандберг. - М.: Дрофа, 2002. -С. 278- 302.
3. Петров, А.А. Органическая химия: учеб. для вузов / А.А. Петров. - С-Пб.: Иван Федоров, 2002. -С. 129-153, 363-384.
4. Артеменко, А.И. Органическая химия: учеб. для вузов / А.И. Артеменко. - М.: Высшая школа, 2009. -С. 126-147, 388-402.
Раздел в рекомендуемых учебниках [1,2,4] излагается значительно шире, чем в учебнике [3], в котором электронное строение спиртов и фенолов, изомерия, химические свойства освещены кратко. Студентам нехимических специальностей при работе с учебникам [1,2,4] следует отбирать материал в соответствии с программой и методическими указаниями.
Спиртами (RОН) и фенолами (АrОН) называют производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильные группы (-ОН). По числу гидроксильных групп, содержащихся в молекуле, спирты и фенолы могут быть одно (одна ОН-группа)-, двух (две ОН-группы)-, трех- и многоатомные.
При изучении данной темы студенту следует обратить внимание на сходства и различия в строении, свойствах спиртов и фенолов, обусловленные характером взаимного влияния радикала и гидроксильной группы.
Изучение темы следует начать с рассмотрения наиболее простого класса – предельных одноатомных спиртов, общая формула которых СnН2n+1ОН. На примере трех-четырех представителей гомологического ряда следует рассмотреть правила составления названий по номенклатуре ИЮПАК (см. «Номенклатура органических соединений»), рациональной и тривиальной номенклатурам.
Особое внимание при изучении данной темы следует обратить на структурную изомерию предельных спиртов, которая обусловлена различием в строении углеродной цепи, расположении гидроксильной группы в цепи. Для спиртов характерна межклассовая изомерия (метамерия), спиртам изомерны простые эфиры с общей формулой
R – O - R.
По положению гидроксильной группы в цепи различают первичные (R-СН2-ОН), вторичные (R2СН-ОН) и третичные (R3С-ОН) спирты.
Для спиртов, содержащих в молекуле асимметрический атом углерода, характерна оптическая изомерия (см. «Оптическая изомерия»).
Изучение фенолов следует начать с рассмотрения одноатомных фенолов, имеющих общую формулу Сn Н2n-7ОН. На примере трех-четырех представителей гомологического ряда следует рассмотреть правила составления названий по номенклатуре ИЮПАК, при этом студенту необходимо выучить тривиальные названия некоторых соединений (например, фенол, крезол).
При изучении изомерии фенолы следует сравнить с ароматическими углеводородами (см. «Арены»), поскольку для этих соединений возможны одни и те же виды структурной изомерии – различный состав и строение бокового радикала, различное положение радикалов и ОН-группы в кольце.
При изучении электронного строения спиртов на примере этанола следует, используя гипотезу о sp3 - гибридизации атомов углерода и кислорода, рассмотреть схемы образования (см. «Химическая связь») в молекуле σ - С-С, С-О, С-Н, О-Н- связей и их характеристики.
На примере фенола необходимо рассмотреть взаимное влияние бензольного кольца и гидроксильной группы (р,π-сопряжение), изменения в характеристиках σ- С-О, О-Н-связей по сравнению со спиртами (см. «Электронные эффекты»).
Наличие гидроксильной группы оказывает существенное влияние на физические свойства спиртов и фенолов. Образование межмолекулярных водородных связей (см. «Химическая связь») приводит к повышению температур кипения и плавления спиртов и фенолов по сравнению с углеводородами, галогенпроизводными углеводородов. Возможность образования водородных связей между молекулами спиртов и воды способствует растворению спиртов в воде.
Поскольку спирты и фенолы имеют одинаковую функциональную группу, для них характерен ряд общих химических свойств: кислотные свойства, реакции нуклеофильного замещения, окисления. Однако при этом следует учитывать влияние природы радикала на свойства функциональной группы. В фенолах, по сравнению со спиртами, более подвижен водород гидроксильной группы (усиление кислотных свойств) и менее подвижна сама гидроксильная группа (не характерны реакции нуклеофильного типа).
Наряду с общими химическими свойства для спиртов и фенолов характерны специфические – внутримолекулярная дегидратация у спиртов (по правилу Зайцева) и электрофильное замещение атомов водорода в бензольном кольце (о, п-положениях, см. «Арены») фенолов.
При изучении двух- и трехатомных спиртов и фенолов необходимо подчеркнуть, что увеличение числа гидроксильных групп в молекулах спиртов приводит к усилению их кислотных свойств, в молекулах фенолов – к большей способности к окислению.
Студенту необходимо знать общие способы получения спиртов - гидролиз галогенпроизводных углеводородов, гидратация и окисление непредельных соединений, рассмотреть генетическую связь между соединениями разных классов.
Из общих методов получения фенолов необходимо знать следующие: перегонка каменноугольной смолы, сплавление сульфокислот со щелочами, окисление изопропилбензола.
При изучении спиртов и фенолов следует подробно рассмотреть практическое значение, экологические последствия производства и применения этих соединений.
Контрольные вопросы и упражнения:
1. Напишите структурные формулы всех изомерных соединений состава С5Н12О. Укажите среди них первичные, вторичные и третичные спирты, простые эфиры. Назовите их по двум вариантам номенклатуры ИЮПАК. Какие из изомеров оптически активны?
3. Напишите уравнения реакций 3-метилбутанола-2 со следующими соединениями: соляной кислотой, пентахлоридом фосфора (PCl5), концентрированной серной кислотой при нагревании. Укажите тип реакций. Назовите полученные соединения по номенклатуре ИЮПАК.
4. Напишите уравнения реакций этерификации, в результате которых образуются сложные эфиры: метиловый эфир уксусной кислоты (этановой), этиловый эфир пропионовой (пропановой) кислоты, трипальмитин. Укажите условия реакций.
5. Напишите уравнения реакций окисления первичных и вторичных изомерных спиртов состава С5Н12О (примеры - см. упр. 1) дихроматом калия в кислой среде. Назовите полученные соединения по номенклатуре ИЮПАК. Сравните реакционную активность спиртов в этой реакции.
6. Напишите структурные формулы всех изомерных ароматических соединений состава С7Н8О. Укажите среди них фенолы, ароматические спирты. Назовите их.
7. Напишите уравнения реакций, протекающие при последовательном действии на 2-метилпропен следующих реагентов: брома; водного раствора гидроксида натрия; 2 моль уксусной кислоты. Назовите промежуточные и конечные соединения.
8. Напишите уравнения реакций, протекающие при последовательном действии на бензол следующих реагентов: серной кислоты (концентр.); гидроксида натрия; избытка гидроксида натрия при нагревании; иодметана (при нагревании); хлорида алюминия (при нагревании); азотной кислоты. Назовите промежуточные и конечные соединения.
П р и м е р ы р е ш е н и я т и п о в ы х з а д а ч