- •400066, Волгоград, пл. Павших Борцов, 1
- •Правила по технике безопасности при работе в химической лаборатории
- •Глава 1. Номенклатура и изомерия органических соединений.
- •§ 1.1. Теория строения органических соединений а.М. Бутлерова.
- •Свойства вещества определяются не только их качественным и количественным составом, но и порядком соединения атомов в молекуле, т.Е. Химическим строением вещества.
- •Свойства органических соединений зависят не только от состава вещества и порядка соединения атомов в его молекуле, но и от взаимного влияния атомов и групп атомов друг на друга.
- •§ 1.2. Основы строения и реакционной способности оргаических соединений
- •§ 1.2.1. Общая характеристика органических соединений
- •§ 1.2.2. Классификация органических соединений
- •§ 1.2.3. Номенклатура.
- •§ 1.2.3.1. Заместительная номенклатура
- •Некоторые характеристические группы, обозначаемые только префиксами
- •Порядок старшинства характеристических групп, обозначаемых префиксами и суффиксами
- •Номенклатуре
- •§ 1.2.3.2. Радикально-функциональная номенклатура
- •Названия классов соединений, используемые в радикально-функциональной номенклатуре (в порядке убывания старшинства)
- •§ 1.3. Пространствеая структура биоорганических молекул. Виды изомерии
- •Глава 2. Электронное строение органических молекул. Кислотность и основность органических соединений.
- •§ 2.1. Пространственное строение органических соединений. Стереоизомерия
- •§ 2.2. Понятие о взаимном влиянии атомов в молекуле и электронные эффекты
- •Электронные эффекты заместителей
- •§ 2.3. Системы с замкнутой цепью сопряжения.
- •§ 2.4. Гетероциклические ароматические соединения.
- •§ 2.5. Кислотно-основные свойства органических соединений. Типы кислот и оснований. Определение понятий «кислота» и «основание».
- •§ 2.5.1. Кислоты и основания по Бренстеду
- •Значение рКа некоторых кислот Бренстеда
- •Основания Бренcтеда.
- •Величины рКа некоторых кислот и рКb сопряженных с ними оснований в разбавленных водных растворах
- •§ 2.5.2. Льюисовская кислотность и основность органических соединений.
- •§ 2.5.3. Концепция жестких и мягких кислот и оснований (принцип жмко)
- •Классификация кислот и оснований по Пирсону
- •Глава 3. Механизмы реакций органических соединений.
- •§ 3.1. Классификация органических реакций и их компонентов.
- •§ 3.2. Основные типы органических реакций
- •§ 3.3. Механизмы реакций в органической химии
- •§ 3.3.1. Реакции радикального замещения - sr
- •§ 3.3.2. Реакции нуклеофилъного замещения у тетрагонального атома углерода (sn)
- •§ 3.3.3. Реакции элиминирования ( е1 и е2).
- •§ 3.3.4. Реакции электрофильного присоединения, электрофильного замещения.
- •§ 3.3.5. Реакции нуклеофильного замещения, нуклеофильного присоединения ( реакции присоединения-отщепления).
- •Глава 4. Оксосоединения (альдегиды и кетоны).
- •§ 4.1. Общая характеристика реакционной способности
- •Альдегиды и кетоны
- •§4.2. Химические свойства альдегидов и кетонов.
- •§ 4.3. Альдегиды и их производные
- •§ 4.3. Лабораторный практикум.
- •Ход работы.
- •Глава 5. Карбоновые кислоты. Вопросы к занятию.
- •§ 5.1. Строение, номенклатура и физико-химические свойства карбоновых кислот
- •§ 5.2. Химические свойства предельных кислот и их производных
- •§ 5.3. Кислотно-основные свойства.
- •§ 5.4. Карбоновые кислоты как ацилирующие реагенты
- •Реакции декарбоксилирования
- •§ 5.5. Производные карбоновых кислот, их свойства и взаимные превращеия
- •Функциональные производные карбоновых кислоты
- •Сложные эфиры, имеющие приятный аромат
- •§ 5.6. Отдельные представители амидов кислот.
- •§ 5. 7. Дикарбоновые кислоты
- •Некоторые дикарбоновые кислоты, их названия и кислотные свойства
- •§ 5.8. Ненасыщенные карбоновые кислоты
- •Содержание высших ненасыщенных кислот в растительных маслах, % по массе
- •§ 5.9. Лабораторный практикум.
- •Инструкция по технике безопасности.
- •Ход работы.
- •Глава 6. Биологически активные гетерофункциональные соединения.
- •§ 6.1. Классификация поли- и гетерофункциональных соединений
- •§ 6.2. Общая характеристика реакционной способности
- •Специфические реакции.
- •§ 6.3. Аминоспирты
- •§ 6.4. Гидроксикарбоновые кислоты
- •§ 6.5. Оксокарбоновые кислоты
- •§ 6.6. Фенолокислоты. Особенности строения, свойства и биологическая роль.
- •Отдельные представители фенолокислот.
- •§ 6.7. Лабораторный практикум.
- •Ход работы.
- •Глава 7. Биологически активные гетероциклические соединения.
- •§ 7.1. Понятие о гетероциклических соединениях
- •§ 7.1.1. Пятичленные гетероциклы.
- •§ 7.1.2. Шестичленные гетероциклы.
- •§ 7.1.3. Бициклические гетероциклы.
- •§7.2. Лабораторный практикум.
- •Ход работы.
- •Глава 8. Аминокислоты, пептиды, белки
- •§ 8.1.Строение и свойства аминокислот.
- •§ 8.2. Пептиды.
- •§ 8.3. Качественные реакции на аминокислоты и белки.
- •§ 8.4. Физиологическая роль и применение в медицине некоторых аминокислот
- •§ 8.5. Белки
- •1. Каталитическая функция
- •7. Защитная функция
- •§ 8.6. Лабораторный практикум.
- •Ход работы:
- •Глава 9. Углеводы.
- •§ 9.1. Строение и свойства углеводов.
- •§ 9.1. 1. Классификация углеводов.
- •§9.1.2. Изомерия моносахаров.
- •§9.1.3. Химические свойства моносахаридов.
- •§ 9.2. Производные моносахаридов (дезоксисахара и аминосахара)
- •§ 9.3. Олиго- и полисахариды.
- •§ 9.3.1. Полисахариды.
- •§ 9.4. Гетерополисахариды
- •§ 9.5. Функции углеводов и их обмен
- •§ 9.6. Роль углеводов в развитии кариеса зубов
- •Контрольные вопросы
- •§ 9.7. Лабораторная работа «Свойства простых и сложных углеводов»
- •Глава 10. Нуклеиновые кислоты, их структура и свойства. Вопросы к занятию:
- •§ 10.1. Нуклеиновые основания, нуклеозиды, нуклеотиды.
- •§ 10.2. Нуклеотидный состав и структура днк и рнк.
- •§10.3. Биологические функции нуклеиновых кислот.
- •Контрольные вопросы
- •§ 10.4. Лабораторная работа. «Гидролиз нуклеиновых кислот»
- •Глава 11. Омыляемые и неомыляемые липиды.
- •§ 11.1. Липиды. Строение и классификация липидов
- •§ 11.2. Простые липиды
- •§ 11.2.1. Жиры
- •Константы некоторых жиров животного и растительного происхождения
- •§ 11.2.2. Воски
- •§ 11.2.3. Стериды. Стероиды и стероидные гормоны.
- •§11.2.4.Желчные килоты
- •Стероидные гормоны
- •§ 11.3. Сложные липиды
- •§ 11.4. Лабораторный практикум «Омыляемые и неомыляемые липиды. Терпеноиды и стероиды»
- •II. Некоторые свойства скипидара.
- •III. Качественные реакции на холестерин и жёлчные кислоты.
- •IV. Качественная реакция на витамин d2 (кальциферол).
- •Глава 12. Адсорбция на подвижной границе раздела фаз.
- •§ 12.1. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение.
- •Поверхностное натяжение жидкостей на границе с воздухом (298 к)
- •§ 12.2. Поверхностная активность веществ.
- •§ 12.3. Адсорбция.
- •2. Изотерма Ленгмюра:
- •§12.4. Лабораторный практикум «Адсорбция поверхностно-активного вещества на границе раздела жидкость-воздух или жидкость-жидкость».
- •Ход работы.
- •Глава 13. Адсорбция на неподвижной границе раздела фаз. Изотерма адсорбции уксусной кислоты на угле.
- •§ 13.1. Адсорбция на границе твердое тело — раствор. Влияние различных факторов на величину адсорбции.
- •§ 13.1.1. Молекулярная адсорбция.
- •§13.1.2. Адсорбция сильных электролитов.
- •§13.2. Адгезия и когезия.
- •Задание для самостоятельной подготовки
- •Контрольные вопросы
- •§13.3. Лабораторный практикум.
- •Ход работы.
- •Глава 14. Физикохимия дисперсных систем
- •§ 14.1. Дисперсные системы и их классификация.
- •По размерам частиц дисперсной фазы
- •По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды:
- •По характеру взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой:
- •§ 14.2. Получение и устойчивость дисперсных систем
- •§ 14.3. Строение мицелл.
- •§ 14.4. Слюна как дисперсная система.
- •§ 14.5. Лабораторный практикум.
- •Ход работы.
- •Литература основная литература
- •Дополнительная литература
Классификация кислот и оснований по Пирсону
|
Жесткие |
Пограничные |
Мягкие |
Кислоты |
Н+, Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Al3+, BF3, SO2, AlCl3, R – C = O, HHlg |
Fe2+, Zn2+, Sn2+, B(CH3)3, R3C |
CH3Hg+, Cu+, Ag+, Hg+, Pd2+, I2, Br2, карбены, тринитробензол хинионы |
Основания |
H2O, HO-, CH3COO-, ROH, RO-, R2O, NH3, RNH2, N2H4 F-, Cl-, PO, ClO |
C6H5NH2, C5H5N, N, Br- |
I-, R3P, R2S, RSH, RS-, -SCN, CN-, CO, C2H4, C6H6, H-, R- |
Понятия «жесткие» и «мягкие» кислоты и основания не равноценны понятиям сильные и слабые кислоты и основания. Это две независимые характеристики кислот и оснований.
Суть принципа ЖМКО состоит в том, что жесткие кислоты преимущественно реагируют с жесткими основаниями, а мягкие кислоты - с мягкими основаниями. Это выражается в большей скорости реакции и в образовании более устойчивых соединений, так как взаимодействие между орбиталями с близкими энергиями эффективнее, чем между орбиталями, имеющими разную энергию.
По теории Льюиса кислотные и основные свойства соединений определяются их способностью принимать или отдавать электронную пару с образованием связи.
Некоторые органические соединения обладают одновременно и кислотными и основными свойствами, т.е. являются амфотерными. Это обусловливает их межмолекулярную ассоциацию за счет водородных связей. Амфотерные соединения могут существовать в виде внутренних солей, как, например, α-аминокислоты и ароматические амино-
сульфокислоты.
Глава 3. Механизмы реакций органических соединений.
Вопросы к занятию.
-
Классификация органических реакций.
-
Понятие о карбокатионе, свободном радикале, промежуточном комплексе.
-
Механизм реакции нуклефильного замещения SN1 и SN2. Реакции нуклефильного замещения у насыщенного атома углерода в ряду спиртов и галогеналкинов.
-
Механизм реакции электрофильного замещения на примере ароматических соединений (галогенирование, сульфирование, нитрование, алкилирование, ацилирование).
-
Механизм реакции электрофильного присоединения на примере реакции галогенирования (правило Марковникова), гидратации алкенов.
-
Реакции нуклеофильного присоединения и влияние заместителей на их протекание.
-
Реакции элиминирования (отщепления) на примере дегидратации, дегидрогалогенирования и их конкурентность реакциям нуклеофильного замещения.
§ 3.1. Классификация органических реакций и их компонентов.
Любая химическая реакция включает разрыв (расщепление) связей между атомами и образование новых связей. В органической химии принято выделять два типа реагирующих частиц: субстрат — вещество, в котором происходит разрыв старых и образование новых связей с участием атома углерода, и реагент — вещество, под действием которого происходят изменения в субстрате. (Принято говорить об атакующем воздействии реагента на субстрат.) Например, в реакции расщепляется связь С—Вr и образуется связь С—О; в качестве субстрата выступает , в качестве реагента -.
Реакции с участием органических соединений подчиняются тем же законам, что и реакции в неорганической химии, хотя и имеют некоторые специфические особенности. Во-первых, разрыв связей может происходить по-разному с образованием различных промежуточных соединений. Во-вторых, изменению в ходе реакции подвергается, как правило, не вся молекула субстрата, а ее небольшая часть, включающая функциональную группу, кратную связь и т.п., называемая реакционным центром молекулы. Появление реакционных центров обусловлено неравномерным распределением электронной плотности в молекуле.
В неорганической химии в реакциях обычно участвуют ионы, поэтому они протекают очень быстро, а иногда — мгновенно. В реакциях органической химии обычно участвуют молекулы, при этом разрываются одни ковалентные связи и образуются новые. Эти реакции протекают значительно медленнее, чем ионные, и для их успешного осуществления часто необходимы жесткие условия: повышенная температура, повышенное давление и катализаторы. В отличие от неорганических, органические реакции редко приводят к высокому выходу продукта (более 80 %), так как обычно протекает не одна, а несколько реакций. Поэтому в органической химии используются не химические уравнения, а схемы реакций, в которых обычно не приводятся стехиометрические соотношения между участниками, но указываются условия проведения реакции. Например, реакция этилена с водой, протекающая при повышенной температуре, повышенном давлении и в присутствии кислотного катализатора, записывается так:
В ходе большинства биохимических реакций изменению подвергается не вся молекула органического соединения, как это обычно бывает с неорганическими веществами, а только ее часть, которая называется реакционным центром. Реакционные центры в зависимости от природы и структуры имеют разную степень сродства к атакующим частицам, и их можно подразделять в зависимости от типа органической реакции.
Реакции в органической химии принято классифицировать по механизму их протекания и по конечному результату химического превращения.
По механизму протекания реакции делятся на гетеролитические (электпрофилъно-нуклеофилъные) и гомолитические (свободнорадикальные). Поскольку названия «электрофильно-нуклеофильные» или «свободнорадикальные» указывают на характер реагирующих частиц, то они используются в учебнике для харатеристики механизма реакции.
где А и В обозначают атомы или группы атомов, связанные полярной ковалентной связью. При полном гетеролизе связь разрывается с образованием катиона А+ - сильного электрофила — и аниона В– - сильного нуклеофила. Процесс гетеролиза ковалентной связи можно рассматривать как расщепление этой связи по донорно-акцепторному механизму.
Гетеролиз ковалентной связи происходит и в молекуле субстрата, и в молекуле реагента. Результатом электрофильно-нуклеофильной реакции является взаимодействие между фрагментами реагента и субстрата, проявляющими противоположные свойства.
Электрофилами называются частицы или фрагменты молекул, содержащие свободную, доступную орбиталь и имеющие недостаток электронной плотности, которые в результате реакции образуют связь с новым нуклеофилом, акцептируя у него оба электрона на свою вакантную орбиталь.
Электрофилами являются положительно заряженные частицы или фрагменты молекул, проявляющие высокое сродство к электронной паре нуклеофила:
Н-электрофил: протон (Н+);
С-электрофилы: карбкатионы (R3С) или соединения с сильнополярной связью , ,
О-электрофилы: ;
S-электрофилы: ;
N-электрофилы: , ;
Галогены, атомы которых несут частичный положительный заряд: Галδ+—Галδ-.
В электрофильно-нуклеофильных реакциях электрофил выступает акцептором электронной пары нуклеофила. К электрофилам также относятся все кислоты (доноры протона) при кислотно-основном взаимодействии, все окислители (акцепторы электронов) при окислительно-восстановительном взаимодействии и все комплексоообразователи (акцепторы электронов) в реакциях комплексообразования.
Нуклеофилами называются частицы или фрагменты молекул, содержащие подвижную электронную пару, которые в результате реакции образуют связь с новым электрофилом, отдавая ему эту электронную пару.
Нуклеофилами являются отрицательно заряженные частицы или фрагменты молекул, проявляющие высокое сродство к электрофилу:
С-нуклеофилы: карбанионы (R3Сө), металлоорганические соединения (R3C δ-—М δ+), ненасыщенные соединения (R2C=CR2, RC=CR);
N-нуклеофилы:H3, RH2, R2H, R3;
О-нуклеофилы: H2Ö, R— Ö—R', HÖ- , RÖ δ- —M δ+;
S-нуклеофилы: H2, R——R', H-, Rδ- —M δ+;
Галогенид-анионы: F-, Cl-, Br-, I-.
В электрофильно-нуклеофильных реакциях нуклеофил выступает донором электронной пары. К нуклеофилам также относятся все основания при кислотно-основном взаимодействии, все восстановители при окислительно-восстановительном взаимодействии и все лиганды в реакциях комплексообразования.
Таким образом, используемые в органической химии понятия электрофил и нуклеофил имеют более широкий смысл, чем понятия кислота и основание, окислитель и восстановитель, комплексообразователь и лиганд, используемые в неорганической химии. Однако суть электрофильно-нуклеофильных реакций, подобно кислотно-основным, окислительно-восстановительным и реакциям комплексообразования, также заключается в донорно-ак-цепторном взаимодействии компонентов с противоположными свойствами.
Электрофильно-нуклеофильные свойства органических соединений проявляются прежде всего в их способности вступать в реакции: кислотно-основные, окислительно-восстановительные и комплексообразования. Органические соединения вступают также и в другие электрофильно-нуклеофильные реакции, которые нельзя отнести к вышеуказанным. В основном именно для этих реакций в данном учебнике будет использоваться термин «электрофильно-нуклеофильная реакция».
Электрофилы и нуклеофилы характеризуются различной поляризуемостью и качественно подразделяются на жесткие (низкая поляризуемость) и мягкие (высокая поляризуемость).
Жесткие электрофилы имеют сравнительно большой положительный заряд, а их свободная орбиталь, на которую перейдет электронная пара нуклеофила, имеет низкий уровень энергии. Жесткими электрофилами являются:
Н+, Na+, К+, Mg2+, Ca2+, Mn2+, Al3+, A1C13, BF3, R=O
Жесткие нуклеофилы хорошо удерживают свою электронную пару, поскольку ее орбиталь расположена близко к ядрам атомов и имеет низкий уровень энергии. Донорными атомами в жестких нуклеофилах могут быть кислород, азот, хлор, фтор. Жесткими нуклеофилами являются:
Н2О, ОН-, ROH, RO-, ROR, RCOO-, NH3, RNH2, RNH-, Cl-, F-.
Жесткие нуклеофилы трудно окисляются.
Мягкие электрофилы содержат акцепторные атомы большого размера с невысокой электроотрицательностью и с малым положительным зарядом. Их свободная орбиталь, принимающая электронную пару нуклеофила, имеет высокий уровень энергии. Мягкими электрофилами являются: Hg2+, Cu+, Ag+, —I δ+, -Br δ+
Мягкие нуклеофилы плохо удерживают свою электронную пару, поскольку ее орбиталь удалена от ядер атомов и имеет высокий уровень энергии. Донорными атомами в мягких нуклеофилах выступают атомы серы, иода и углерода.
Мягкими нуклеофилами являются:
RS-, RSR, RSH, I-, RC=CR, R2C=CR2
Мягкие нуклеофилы довольно легко окисляются. Существуют электрофилы и нуклеофилы, которые занимают промежуточное положение.
Электрофилы: Cu2+, Fe2+, Zn2+, R3C+, C6H
Нуклеофилы: Br~, C6H5H2.
В соответствии с принципом Пирсона более стабильная связь образуется при взаимодействии жесткого электрофила с жестким нуклеофилом или мягкого электрофила с мягким нуклеофилом. На основе этого принципа можно качественно оценить реакционную способность при взаимодействии нуклеофилов и электрофилов различного типа.