- •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):
1. Дать названия по заместительной номенклатуре июпак следующим соединениям.
Решение:
а)
4 – гидрокси – 4 – вторбутил – 5 – метил – 6-хлоргептен – 2 – аль.
Старшей характеристической группой является карбонильная группа (-CH=O), родоначальной структурой будет гептен, куда входит максимальное число характеристических групп (перечисление в префиксе по алфавиту). Названия радикалов приведены в таблице 2.
б)
5 – амино - 4 – оксо – 3 – фенилпентановая кислота.
Старшая характеристическая группа - карбоксильная группа (COOH), поэтому родоначальной структурой будет пентан.
в)
3 – третбутил – 4 –метоксигексен – 2 – ин – 5.
г)
3 –бутилфенол.
Старшая характеристическая группа - ОН, поэтому родоначальной структурой является цикл (тривиальное название - фенол).
2. Написать структурную формулу 2 –амино – 4 – этоксипентандиовой кислоты.
Решение:
а) главная углеродная цепь (пентан) и её нумерация:
1 2 3 4 5
С-С-С-С-С
б) расстановка заместителей – 2 группы СООН (- диовая кислота), группа – NH2 у атома С-2, группа - O-C2H5 у атома С-4 (– NH2 старше группы - O-C2H5):
в) дополнение атомами водорода свободных валентностей атомов элементов углерода (до 4-х), азота (до 3-х), кислорода (до 2-х):
.
1.3. Химическая связь. Типы межмолекулярных взаимодействий. Взаимное влияние атомов в молекуле
Литература
1. Иванов, В.Г. Органическая химия: учеб. для вузов / В.Г. Иванов, В.А. Горленко. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. -С. 10-50, 53-61.
2. Грандберг, И.И. Органическая химия: учеб. для вузов / И.И. Грандберг. - М.: Дрофа, 2002. -С. 29-57, 68-78.
3. Артеменко, А.И. Органическая химия: учеб. для вузов / А.И. Артеменко. - М.: Высшая школа, 2009. -С.17-25.
4. Денисов, В.Я. Органическая химия: учеб. для вузов / В.Я.Денисов, Д.Л. Мурышкин, Т.В. Чуйкова. – М.: Высшая школа, 2009. -С. 14-19.
Основные вопросы по данной теме в достаточном объеме освещены в рекомендуемых учебниках [1, 2]. Электронное строение атома углерода, типы гибридизации систематично и кратко рассмотрены в учебнике [3].
Теория химической связи относится к числу важнейших вопросов курса органической химии. Материал данного раздела должен быть изучен со всей тщательностью, так как от этого зависит качество усвоения дальнейшего материала.
При изучении вопроса о типах химической связи в молекулах органических соединений следует обратить внимание на то, что основным типом связи является ковалентная. Необходимо повторить из курса общей химии понятия о квантовых числах, характеризующих состояние электронов в атоме и схемы квантования электронов для элементов второго периода, рассмотреть квантово-механические представления о строении электронной оболочки атомов углерода, азота, кислорода. На основе современных электронных представлений следует рассмотреть природу одинарной, двойной и тройной ковалентной связи.
При изучении темы необходимо рассмотреть различные типы межмолекулярных взаимодействий. При этом следует особое внимание обратить на водородную связь, так как она играет очень большую роль для многих органических соединений.
Согласно теории строения органических соединений атомы в молекулах оказывают влияние друг на друга. Это влияние передается, в основном, через систему ковалентных связей, с помощью так называемых электронных эффектов.
Взаимное влияние, передающееся по цепи σ-связей, называется индуктивным электронным эффектом (направление смещения электронной плотности обозначается прямыми стрелками → и латинской буквой I). Следует рассмотреть причины такого перераспределения электронной плотности, виды и свойства индуктивного электронного эффекта.
Передача взаимного влияния атомов по сопряженной системе называется мезомерным электронным эффектом или эффектом сопряжения. В структурных формулах его изображают изогнутой стрелкой, начинающейся у центра электронной плотности и завершающейся в том месте, куда смещается электронная плотность -и буквой М. Различаютp, π – и π, π – сопряжения.
Электронные эффекты, действие которых приводит к увеличению электронной плотности на углеводородном радикале, называются положительными (+ I, +М), к уменьшению электронной плотности – отрицательными (-I, -М).
Примеры заместителей с –I-эффектом (по уменьшению действия): -NO2 , -СНО, -CN, -F, -Cl, -Br, -I и др.
Примеры заместителей с +I-эффектом (по уменьшению действия): Li-, Mg-, Al-, (CH3)3 C-, (CH3)2CH-, CH3CH2 -, CH3 – и др.
Примеры заместителей с положительным мезомерным эффектом: -NН2, -NНR, -NR2, -ОН, -OR и др.
Примеры заместителей с отрицательным мезомерным эффектом: -NO2 , -СНО, -CN, -СООН и др.
Индуктивный и мезомерный эффекты заместителя не обязательно совпадают по направлению, в таком случае необходимо учитывать результирующее действие этих эффектов. Как правило, мезомерные эффекты сильнее индуктивных эффектов.
Наличие электронных эффектов ведет к перераспределению электронной плотности в молекуле и появлению частичных зарядов (δ+ и δ-) на отдельных атомах.
Электронные эффекты влияют на свойства органических соединений (физические свойства, реакционная активность) и направление реакций. Так, реакционная способность органических соединений определяется не только постоянной поляризацией связей и их поляризуемостью, но и взаимным влиянием атомов в молекуле, приводящем к перераспределению в ней электронной плотности.
Контрольные вопросы и упражнения:
1. Дайте характеристику основным типам связи в молекулах органических соединений. Ковалентная связь, ее разновидности.
2. Дайте характеристику основным типам межмолекулярного взаимодействия. Что такое водородная связь? Рассмотрите условия образования и виды водородной связи.
3. В каких из указанных ниже соединений следует ожидать образования водородных связей? Укажите их тип, представьте схему их образования:
а) CH3-O-CH3 |
б) CH3Br |
в) CH3-CH2-OH
|
г) |
д)
|
е).
|
Сравните температуры кипения соединений в приведенных парах: а) и в); б) и в).
4. Приведите электронные конфигурации атома углерода, кислорода и азота в основном и возбужденном состояниях.
5. Типы гибридизации атомных орбиталей элементов 2 периода: sр3, sр2, sр – гибридизация.
Укажите типы гибридизации атомов углерода, азота и кислорода в соединениях:
а) СH3CH2OH; б) CH2=C=CH-CH3; в) CH3NH2;
г) CHC-CH=O; д) CH3 –СN; е) ; ж).
6. Ковалентные σ- и π- связи в органических соединениях.
Учитывая форму и пространственную направленность атомных орбиталей атомов, графически изобразите схему образования локализованных - и- связей в молекуле бутин-3-аля (атомно-орбитальная модель). Укажите типы перекрывания атомных орбиталей.
7. Индуктивные электронные эффекты. ( +I, - I). Рассмотрите распределение электронной плотности в 9 бутаноле-1.
8. Мезомерные электронные эффекты (+М, -М, М). Укажите графически распределение электронной плотности в бутанале, бутене – 1, бутен-2-але и бутен-1-оле-2. Укажите виды сопряжения в этих соединениях. Напишите мезоформулы.
9. Укажите, в каких случаях в соединениях группа -NH2 проявляет электронодонорные, а в каких - электроноакцепторные свойства: a) CH3-CH2-NH2, CH3-CH=CH-NH2, CH2=CH-CH2-NH2? Укажите графически электронные эффекты в данных соединениях.
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