Organicheskaya_khimia

Федеральное агентство по образованию Уральский государственный технический университет–УПИ

имени первого Президента России Б.Н.Ельцина

М.Г. Понизовский, Л.И. Русинова

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Часть 1 Углеводороды

Учебное пособие

Екатеринбург УГТУ-УПИ

2008

УДК 547.99

ББК

П56

Понизовский М.Г. Русинова Л.И.

Рецензенты: кафедра фармации Уральской государственной медицинской академии (д-р фарм. наук А.Ю. Петров); старший научный сотрудник Института органического синтеза УрО РАН канд.хим.наук Г.Л. Левит

П56 Органическая химия: Ч. 1. Углеводороды: учеб. пособие/М.Г.Понизовский, Л.И. Русинова. Екатеринбург: УГТУ―УПИ, 2008. 172 с.

ISBN

Учебное пособие предназначено для организации самостоятельной работы по курсам «Органическая химия и основы биохимии», «Органическая химия и химия биологически активных веществ» студентов II курса ХТФ заочной формы обучения направления 240000 "Химическая технология и биотехнология". Пособие необходимо при подготовке к лекционным, практическим, лабораторным занятиям, промежуточному, итоговому контролю, выполнению домашних заданий и контрольных работ по разделу «Углеводороды». Учебное пособие рекомендовано также для студентов I-III курсов ХТФ, ФСМ, ФТФ, МТФ, РТФ, изучающих дисциплину «Органическая химия».

Библиогр.: 16 назв. Табл. 2. Рис. 31.

	УДК 547.99
	ББК
ISBN	© УГТУ―УПИ, 2008

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.ВВЕДЕНИЕ В КУРС……………………………………………………………4

1.1.Предмет органической химии……………………………………………....4

1.2.Эмпирические, молекулярные и структурные формулы. Изомерия……..5

1.3.Классификация органических веществ…..………………………………...6

1.4.Номенклатура органических веществ….…………………………………...8

1.5.Виды химических связей...……….…………………………………….......10

1.6.Образование молекулярных орбиталей из АО (ЛКАО МО)….….…........12

1.7.Электронная конфигурация и гибридизация углерода

ворганических соединениях……………….………………………………12

1.8.Классификация органических реакций..…………………………………..16

1.9.Энергетические аспекты химических реакций………………………........18

1.10.Равновесные реакции……….……………………………………………..22

1.11.Кинетический и термодинамический контроль….………………….......23

1.12.Кислотно-основные свойства органических соединений…..……….......25

2.АЛИФАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ …………………………………..29

2.1.Алканы (насыщенные ациклические соединения, парафины)……...……29

2.2.Алкены (олефины, этиленовые углеводороды)…………………………...45

2.3.Алкины (ацетиленовые углеводороды)……………………………………67

2.4.Алкадиены………………………………………………………………...…78

3.АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ И АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ….…93

3.1.Циклоалканы………………………………………………………...………93

3.2.Ароматические углеводороды………………………………………….....103 3.2.1. Бензол и его гомологи……………………………………………….103 3.2.2. Многоядерные ароматические углеводороды и их производные..124

4.КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ

РАБОТЫ……………………………………………………………………....138

4.1.Как решать задачи по органической химии?.......................................138

4.2.Примеры решения задач………………………………………………140

4.3.Варианты заданий……………………………………………………..148

5.РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ……………………………...166

Библиографический список …………………………………………………...171

3

1.ВВЕДЕНИЕ В КУРС

•Предмет органической химии. Причины ее выделения в самостоятельную науку и основные этапы развития. Теория строения и ее роль в развитии органического синтеза.

•Эмпирические, молекулярные и структурные формулы. Изомерия. Изомеры строения. Гомологические ряды. Основные функциональные группы и классы органических соединений.

•Основные принципы номенклатуры органических веществ. Заместительная номенклатура, IUPAC. Основные правила составления названий органических соединений.

1.1.Предмет органической химии

Впервые понятие органическая химия ввел шведский химик Берцелиус в 1808 г. Он считал, что различие между неорганическими и органическими веществами состоит в том, что первые могут быть получены в лаборатории обычными препаративными методами, тогда как вторые могут образовываться исключительно в результате процессов жизнедеятельности.

В 1828 г. немецкий химик Ф. Вёлер осуществил превращение неорганического вещества циановокислого аммония в хорошо известное органическое соединение – мочевину:

O NH4CNO

H2N NH2

Открытие Ф. Вёлером органического синтеза стало мощнейшим толчком к развитию органической химии во второй половине XIX века. А. Кекуле и А.Купер независимо друг от друга открыли четырехвалентность углерода. Купер обратил внимание на способность атомов углерода образовывать цепи и предложил использовать формулы, в которых символы атомов связаны валентными черточками. В 1861 г. А.М. Бутлеров выдвинул теорию, согласно которой свойства вещества обусловлены природой, числом составляющих его атомов и способом их связывания друг с другом. Это было названо Бутлеровым химическим строением вещества. Кроме того, Бутлеров утверждал, что изучение свойств веществ позволит установить их строение, а знание строения позволит прогнозировать свойства. В 1874 г. одновременно Вант-Гофф и ЛеБель предположили, что некоторые явления могут быть объяснены пространственной ориентацией валентностей атома углерода. Согласно ВантГоффу, четыре валентности углерода идентичны и направлены к вершинам правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода.

Среди элементов, входящих вместе с углеродом в состав органических веществ, исключительная роль принадлежит водороду, поскольку число органических соединений, не содержащих ни одного водородного атома, чрезвы-

4

чайно мало в сравнении с общим числом известных сегодня химикам-органи- кам веществ.

Набор свойств, определяющих уникальную природу органических соединений, принадлежит не углероду или водороду в отдельности, а веществам, образованным этими двумя элементами – гидридам углерода, или углеводородам. Углеводороды являются основой классификации органических веществ, поскольку все органические соединения можно считать производными углеводородов, образующимися при замещении атомов водорода атомами других элементов. Поэтому органическая химия – химия углеводородов и их производных (К. Шорлеммер, 1889 г.).

Сам термин «органическая» сохраняет силу в связи с тем, что химия углеводородов и их производных более важна для жизни, чем химия любых других элементов.

1.2. Эмпирические, молекулярные и структурные формулы. Изомерия

Объектом изучения химии являются индивидуальные соединения, т.е. вещества, состоящие из одинаковых молекул. В простейшем случае вещество считается чистым, если его температура плавления (для твердого) или температура кипения (для жидкости) не меняются.

Эмпирическая формула – химическая формула, отражающая качественный состав с указанием относительного количества атомов каждого элемента во всем образце (не в одной молекуле) с помощью целых чисел, не имеющих общего кратного. Например, СН – эмпирическая формула бензола.

Молекулярная формула (брутто-формула) показывает качественный и количественный составы молекулы. Молекулярная формула может быть тождественна эмпирической или быть ее целым кратным. С6Н6 – молекулярная формула бензола.

Структурная формула показывает взаимное расположение атомов и функциональных групп в молекуле. Структурная формула бензола

Изомеры (isos – тот же, meros – часть) – вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но различающиеся по строению. Явление изомерии обусловлено существованием молекул, имеющих одинаковый качественный и количественный составы, но обладающих различными физическими и химическими свойствами из-за различного расположения атомов или функциональных групп или их ориентации в пространстве.

Структурная изомерия – два или более соединения, имеющие одну молекулярную формулу, отличающиеся между собой:

5

• строением углеродного скелета, например для С5Н12:

		CH3			CH3
H3C	CH3		CH3	H3C		CH3
		H3C			CH3
	пентан	2-метилбутан		2,3-диметилпропан

•различным расположением одинаковых функциональных групп (при одинаковом углеродном скелете):

	OH
CH2OH		CH3
H3C	H3C
бутанол-1	бутанол-2

Другие виды изомерии будут рассмотрены в дальнейшем.

Гомологический ряд – ряд соединений, в котором каждый член отличается от предыдущего на одинаковую структурную единицу (гомологическую разность). Гомологи – члены гомологического ряда.

1.3. Классификация органических веществ

Основа классификации органических соединений – теория строения. Все органические вещества, содержащие разные радикалы R (где R – органический остаток) и одинаковые функциональные группы, могут быть разделены на соответствующие классы. Это позволяет классифицировать вещества по их химическим и физическим свойствам, характерным для определенного строения.

Безграничное разнообразие органических соединений не позволяет привести полную их классификацию, поэтому на рис. 1 приведен лишь ее фрагмент. Важнейшие функциональные производные органических веществ приведены в табл. 1.

6

	Алканы	CnH2n+2
Алифатические	Алкены	CnH2n
(открытоцепные)
углеводороды	Алкины	CnH2n-2
	Диены	CnH2n-2

		Алициклические
		углеводороды
	Циклические
Углеводороды	углеводороды
		Ароматические
		углеводороды
Органические
соединения
	Монофункциональные	CnHm-1FG
	производные
Функциональные
производные
	Бифункциональные	CnHm-2FG1FG2
	производные

Полифункциональные	CnHm-iFG1FG2...FGi
производные

Рис. 1. Классификация органических веществ

7

Таблица 1 Важнейшие функциональные производные органических веществ

Функциональная	Класс		Функциональная	Класс
группа	соединений		группа	соединений
R-F, Cl, Br, I	Галогенопроизводные		R-C(O)NH2	Амиды
R-OH, Ar-OH	Спирты и фенолы		R-NO	Нитрозосоединения
R-O-R’	Простые	эфиры,	R-NO2	Нитросоединения
	оксираны
R-SH	Тиолы (тиоспирты)		R-NH2, RR’NH,	Амины
			RR’R’’N
R-S-R’	Сульфиды		-N=N-	Азосоединения
R-CHO	Альдегиды		-NH-NH-	Гидразосоединения
R-C(O)-R’	Кетоны		-N=N+	Диазосоединения
				(соли диазония)
R-COOH	Карбоновые кислоты		R-SO2OH	Сульфоновые
				кислоты
R-C(O)OR’	Сложные эфиры		-O-, -S-, -NH-,	Гетероциклические
			-N= в цикле	соединения

1.4. Номенклатура органических веществ

Химическая номенклатура – система, описывающая строение и пространственное расположение атомов в молекуле.

Систематическое название – составленное в полном соответствии с принятыми номенклатурными правилами (рис. 2). В настоящее время наиболее распространенная и универсальная номенклатура IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry):

8

Название вещества

Префикс(ы)	Базовое название	Суффикс

Углеводородные радикалы и	Главная цепь	Главная
не главные характеристичес-	или основной	характеристическая
кие группы	цикл	группа

Базовое название – часть, на которой строится название в целом.

Заместитель – атом или функциональная группа, занимающая место водорода в исходном соединении.

Характеристическая группа – функциональная группа.

Главная группа – та, наличие которой указывает суффикс. Старшинство главных групп убывает в следующем ряду:

карбоновые кислоты > сульфоновые кислоты > сложные эфиры > амиды > нитрилы > альдегиды > кетоны > спирты и фенолы > тиолы > амины > имины

Локант – цифра или буква, которая указывает положение функциональной группы в молекуле.

Число одинаковых заместителей в молекуле указывают приставками ди-, три- и т.п. – умножающими префиксами.

Для того чтобы назвать вещество, необходимо выполнить следующую последовательность действий:

1.Определить главную характеристическую группу (ряд старшинства – см. выше).

2.Определить базовую структуру – найти главную углеродную цепь или цикл. Базовая структура должна соответствовать следующим требованиям:

•включать максимальное число главных групп;

•наибольшее количество кратных связей;

•состоять из максимального числа углеродных атомов;

•иметь наибольшее число заместителей.

3.Назвать базовую структуру с учетом главной группы.

4.Определить и назвать заместители.

5.Пронумеровать атомы углерода базовой структуры так, чтобы главная группа получила наименьший номер. Если однозначный выбор сделать

9

не удается, используют правило наименьших локантов. Базовую структуру нумеруют таким образом, чтобы заместители имели наименьшие номера. Из возможных последовательностей локантов правильная та, в которой раньше встретится меньшая цифра (1,3,6- меньше, чем 1,4,5-);

6.Объединить сделанное выше, создав полное название, перечисляя префиксы в алфавитном порядке.

Пример:

6	5	4	3	2			1	7	6	5	4	3	2	1
H3C					CH3			H C					CH
								3							3
											H3C		CH3
				CH		3
2-Метилгексан									2,2-Диметилгептан

Номенклатура IUPAC конкретных классов органических веществ будет подробно рассмотрена в соответствующих разделах курса.

•Виды связей в органических соединениях. Волновое уравнение, волновая функция, атомные орбитали и их типы. Природа ковалентных связей. Типы молекулярных орбиталей.

•Электронная конфигурация и гибридизация углерода в органических соединениях. σ- и π-связи в органических соединениях, их

характеристики: энергия, длина, полярность, поляризуемость.

1.5. Виды химических связей

Известно несколько видов химических связей: ионная, ковалентная, металлическая, водородная. Органические соединения образованы почти исключительно за счет ковалентных связей.

Движение электрона в зависимости от его энергии описывается

уравнением Э. Шрёдингера (1926)

-h2

∂2ψ

∂2ψ

∂2ψ

+

+

+ U ψ = E ψ ,

(1)

8π2m

∂x2

∂y2

∂z2

где m – масса электрона; h – постоянная Планка; U – потенциальная энергия системы; Е – полная энергия системы; x,y,z – координаты; ψ – волновая функция.

10