РАВИТИЕ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Цель: ознакомиться с

Лекция 1 ( 2 часа)
РАВИТИЕ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Цель: ознакомиться с задачами, стоящими перед современной органической химией, изучение теорий органической химии, классифика ции , номенклатуры, алканов, алкенов,алкинов.
Желаемый результат:
Студенты должны знать:
- основные задачи органической химии:
- значение химии в развитии современной промышленности
- проблемы защиты окружающей среды
- теории органической химии;
уметь:
- проводить химические реакции и расчеты
иметь представление:
- об основных классах органических веществ
Учебные вопросы:
Значение органической химии в развитии современной промышлен ности
2. Основные теории органической химии
3. Классификация органических веществ и органических реакций.
4. Предельные и непредельные углеводороды
1.
Учебная информация
Органическая химия - наука, которая изучает углеводороды и их
соединения (К.Шорлеммер,1889г). Современное состояние органической химии характеризуется большим объемом фактического материал ( известно
несколько миллионов органических соединений и их число непрерывно увеличивается), развитыми теоретическими представлениями, позволяющими
синтезировать, объяснять и прогнозировать свойства новых органических соединений и возрастающим значением этих соединений в жизни человека (товары народного потребления, одежда и пища, т.д.). В органической химии
используются современные физические и физико-химические методы исследования.
Многие разделы органической химии выросли в самостоятельные дисциплины: стереохимия, химия высокомолекулярных соединений и полиме-
ров, элементоорганических соединений, гетероциклических соединений и
т.д.
Химические реакции лежат в основе всех жизненных процессов, протекающих в организме растений и животных. Знание химии используется в
производстве материалов, используемых в различных отраслях промышленности. Достижения органической химии имеют огромное значение в производстве новых материалов для развития техники, пластмасс, химических волокон красителей, строительных материалов, продуктов переработки нефти,
синтетических каучуков, лекарственных препаратов, витаминов, изделий медицинской техники, пестицидов и др. веществ.
Первые теории органической химии:
Теория радикалов ( Дюма, Ю. Либих, Я. Берцелиус). Радикал – фрагмент
молекулы с одной или несколькими валентностями, который переходит в
неизменном виде при химических реакциях в другие молекулы.
Теория типов( Ш.Жерар, Ж. Дюма). Органические соединения выводились
из типичных неорганических и органических соединений (HCl, H2O, NH3,
СН4) путем замены в них атомов водорода на органические радикалы.
Основные положения теории химического строения М.А.Бутлерова (1861г):
1. Химическая природа каждой сложной молекулы определяется приро-
дой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением.
2. Химическое строение – это определенный порядок в чередовании атомов в молекул, взаимное влияние атомов друг на друга (как соседних,
так и через другие атомы).
3. Химическое строение вещества определяет его физические и химические свойства.
4. Изучение свойств веществ позволяет определять их химическое строение.
Данная теория позволила классифицировать весь накопленный экспериментальный материал, предсказывать возможное число органических соединений определенного состава и пути его синтеза. Она стала общей теорией органической химии. Строение органических веществ изображается с помощью структурных формул, которые показывают порядок соединения атомов в молекуле. Каждому соединению отвечает только одна структурная
формула. Для написания структурной формулы любого органического соеди-
нения используют четыре основных свойства углерода: четырехвалентность,
способность его атомов соединяться в цепи, образовывать двойные, тройные
связи и циклы.
Основные классы органических соединений:
1.
Углеводороды (R-H)
2.
Галогенпроизводные (R-Hal)
3.
Спирты ( R-OH)
4.
Эфиры простые и сложные (R– O –R, R – CO –OR)
5.
Карбонильные соединения – альдегиды и кетоны (R– CHO,
R – CO –R)
6.
Карбоновые кислоты ( R – COOH )
7.
Амины ( R –NH2, R2NH, R3N)
8.
Нитрооединения (R –NO2)
9.
Сульфокислоты (R –SO3H)
10.
Металлоорганические соединения (R –Me)
Классификация органических реакций:
1. Замещения
2. Присоединения
3. Окисления
4. Восстановления
5. Окисления
6. Отщепления
7. Полимеризации
8. Поликонденсации
9. Изомеризации
Реакции, протекающие с изменением углеродного скелета ( цик-
10.
лизация, раскрытие цикла, сжатие и расширение цикла и т.д.).
Механизмы реакций органических соединений. В органических соединениях атомы связаны между собой ковалентной связью. Разрыв связи может происходить:
1) по гомолитическому механизму ( образуются свободные радикалы
А:В →
A• + • B
2) по гетеролитическому механизму ( образуются ионы)
А : В → А+ + :ВУглеводородами называются простые органические соединения, в состав которых входят только углерод и водород. По характеру связей между
атомами углерода все алифатические углеводороды можно разделить на предельные (насыщенные) и непредельные (ненасыщенные) углеводороды. Предельные и непредельные углеводороды образуют гомологические ряды, которые отличаются по составу на одну CH2 – группу, и обладают общими свойствами.
Алканы - предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны простой (одинарной) σ - связью. К непредельным относятся
алкены, алкадиены, содержащие двойные связи, и алкины, содержащие тройные связи. Все непредельные углеводороды наряду с σ - связями, содержат
π - связи. Алканы, родоначальником которых служит метан, отвечают общей
формуле CnH2n+2. Они образуют гомологический ряд: метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан. Алкены, гомологи этена
(этилена, CH2=CH2), отвечают общей формуле CnH2n. Алкины, гомологи этина (ацетилена, CH ≡ СН) общей формуле CnH2n-2.
Лабораторные способы получения предельных углеводородов:
1. Сплавлением солей карбоновых кислот со щелочами:
CH3 – COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3
уксуснокислый
метан
натрий
2.
Синтез Вюрца. Реакция заключается в действии металлического на-
трия на галогеналкилы:
CH3–J + 2Na + J–CH3 → CH3 – CH3 + 2NaJ
иодметан
иодметан
этан
3.
Восстановлением производных алканов (галогеналкилов, спиртов, ке-
тонов и др.) иодоводородной кислотой при нагревании:
CH3J + HJ → CH4 + J2
иодметан
метан
CH3OH + 2HJ → CH4 + H2O + J2
метанол
метан
4.
Гидрированием непредельных углеводородов в присутствии катали-
заторов (Pt, Pd, Ni):
C2H4 + H2 → C2H6
метан
этан
C2H2 + 2H2 → C2H6
этин
этан
Непредельные углеводороды могут быть получены:
1. Дегидратацией спиртов:
1400, kat
-H2O
CH3–CH2–OH+Н2SO4
этанол
CH3–CH2–O–SO3H
этансульфокислота
160-1700C
-H2SO4
C2H2= C2H2
этен
2. Действием спиртового раствора гидрооксида калия на галогеналкилы. В соответствии с правилом Зайцева А. М. водород отщепляется от наименее гидрогенизированного атома углерода:
CH3
CH3
|
|
→
CH3 – CH– CH2Cl + KOH CH3 – C= CH2 + KCl +H2O
2-метилхлорпропан-1 (спирт. р-р) 2-метилпропен
CH3 – CHCl – CH2Cl + 2KOH → CH3 – C ≡ CH + 2KCl + 2H2O
1,2дихлорпропан
(спирт. р-р) пропин
3. Дегалогенированием (действием Zn или Mg) дигалогенпроизводных с
атомами галогена при соседних углеродных атомах:
CH3 – CHCl – CH2Cl + Zn → CH3 – CН =CH2 + Zn Cl2
1,2дихлорпропан
пропен
4. Разложением водой карбида кальция:
CaC2 + 2H2O → CH ≡ CH + Ca(OH)2
В молекулах предельных углеводородов все атомы связаны между собой прочными σ - связями, а валентности углеродных атомов полностью насыщены водородом, поэтому алканы не вступают в реакции присоединения.
Они проявляют при обычных условиях химическую инертность и не взаимодействуют с кислотами, щелочами, окислителями, активными металлами.
Основные химические реакции алканов протекают при нагревании или при
УФ-облучении. Для алканов характерны реакции замещения с разрывом связи С–Н и расщепления с разрывом как связи С–Н, так и связей С–С.
Обычно реакции протекают по радикальному механизму. Все радикальные реакции включают инициирование (зарождение цепи), рост цепи и
заканчиваются обрывом цепи в результате взаимодействия свободных радикалов. Алканы могут вступать в реакции нитрования, сульфирования, сульфохлорирования В этих реакциях легче всего происходит замещение атома
водорода, связанного с третичным углеродным атомом, труднее – со вторичным и совсем трудно – с первичным. Одной из важнейших реакций алканов
является галогенирование – реакция металлепсии. В этом процессе различают четыре стадии:
CH4
Cl2, hυ
-HCl
метан
Cl2, hυ
-HCl
CH3Cl
хлорметан
CH2Cl2
Cl2, hυ
-HCl
дихлорметан
CHCl3
Cl2, hυ
-HCl
трихлорметан
CCl4
тетрах -
лорметан
При действии на алканы разбавленной (12-14 %) азотной кислотой образуются нитросоединения (реакция Коновалова):
140 C
CH3 – CH2– CH3 + НNO3    → CH3 – CH– CH3+ H2O
|
NO2
пропан
2-нитропропан
0
При слабом нагревании дымящая серная кислота сульфирует алканы:
CH3 – CH2– CH3 + Н2SO4 → CH3 – CH– CH3+ H2O
|
SO3H
пропан
пропан-2-сульфокислота
Окисляя алканы, можно получить кислородосодержащие соединения:
спирты, альдегиды, кетоны, кислоты и т.д.
Метан в воде нерастворим, легче воздуха, не имеет запаха, горит бесцветным пламенем, образуя оксид углерода и воду:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Химические свойства непредельных углеводородов определяют двойная и тройная связи. При действии на них различных реагентов разрывается
π - связь как наименее прочная и более реакционноспособная. В результате
разрыва π - связи освободившиеся валентности углеродных атомов затрачиваются на присоединение атомов молекул реагента. Поэтому они легко вступают в реакции присоединения:
НBr
СН ≡ СН  НBr
2 → СН2=CH2   2 → CH3– CH3
этин
этен
этан
CH2 = CH2 + Br2
этен
→
CH2Br– CH2Br
1,2-дибромэтан
НBr
СН ≡ СН  НBr
2 → СНBr=CHBr   2 → CHBr2– CHBr2
этин
1,2-диброэтен
1,1,2,2-тетрабромэтан
СН ≡ СН  HCl
  → СН2=СНСl  HCl
  → СН3–СНСl2
пропин
хлорпропен
1,1-хлорпропан
Присоединение к несимметричным алкенам происходит в соответствии
с правилом В. В. Марковникова: водород присоединяется по месту двойной
связи к наиболее гидрогенизированному атому углерода, а галоген – к менее
гидрогенизированному.
CH3 – CH = CH2 + HBr
пропен
→
CH3 – CHBr – CH3
2-бромпропан
Характерными особенностями химического взаимодействия диеновых
соединений с сопряженными двойными связями является повышенная реакционная способность (в реакциях присоединения) в 1,2- или 1,4положениях). Реакция присоединения галогенводородов к сопряженным диенам идет через стадии образования π - и σ - комплексов. Полученный аллильный катион присоединяет анион Br- либо ко второму (1,2-присоединение), либо к четвертому (1,4-присоединение) атому углерода, образуя соответственно соединения (а) и (б):
+
Н+
СН2 – СН = СН= СН2
СН2 =СН – СН = СН2   → Н
1,3-бутадиен
−
 Br
 →
СН3 –СНBr – СН = СН2 (а)
−
 Br
 →
2-бромбутен-1
СН3– СН =СН – СН2Br (б)
1-бромбутен-2
Присоединение воды к алкинам (реакция Кучерова):
О
СН ≡ СН +
этин
Н2O  HgSO
  4 →
[СН2=СНOH] →
этенол
СН3–СН //\
H
этаналь
OH
О
|
||
CH3 – CH ≡ CH + Н2O  HgSO
  4 → [СН3–СН=СH2] → CH3 – C –CH3
пропин
2-пропенол
пропенон
Реакция конденсации с карбонидбными соединениями (Реакция Фаворского):
О
||
ОН
|
,400 → CH3 – C –C ≡ CH Н 2
CH3 – C –CH3 + CH ≡ CH  КОН
  
  →
|
CH3
ОН
|
→ CH3 – C –C=CH2  −Н2О → CH2 = C –C=CH2
|
|
CH3
CH3
2-метил-1,3-бутадиен
Для ацетилена возможна реакция замещения, например, с аммиачным
раствором оксида серебра или хлорида меди:
CH ≡ CH + 2CuCl → CuC ≡ CCu + 2HCl
ацетиленид меди
Непредельные углеводороды довольно легко окисляются с частичным
или полным разрывом кратной связи:
3CH2 = CH2 + 2KMnO4 + 4H2O → 3CH2OH – CH2OH + 2MnO2 + 2KOH
этен
этандиол-1,2
t
CH2 = CH2 + 4KMnO4   → 2CO2 + 4MnO2 + 4KOH
0

O

O




CH ≡ CH   → HOOC – COOH   → CO2 + HCOOH
этин
этандиовая кислота
метановая кислота
3CH ≡ CH + 8KMnO4 → 3K2C2O4 + 2KOH + 2H2O
этин
оксалат калия
Непредельные углеводороды горючи, у этилена пламя светящееся, а у
ацетилена – коптящее за счет выделения сажи.
2CH ≡ CH + 4O2 → 3CO2 + 2H2O + C
Для непредельных углеводородов характерна реакция полимеризации,
при которой из множества молекул мономера образуется крупная полимерная молекула, например, из этилена полиэтилен:
t ,P  →
n CH2 = CH2   атм
(-CH2 – CH2 -)n
этилен
полиэтилен
0
СН2 =СН – СН = СН2 → (– СН2 – СН = СН – СН2–) n
1,3-бутадиен
полибутадиен
Свойства полимера сильно отличаются от свойств мономера. Если этилен – бесцветный газ, полиэтилен – твердое вещество, более легкое, чем вода
и стойкое к агрессивным средам, пластичное в нагретом состоянии.
Резюме по теме:
Достижения органической химии имеют огромное значение в производстве
новых материалов для развития техники, пластмасс, химических волокон
красителей, строительных материалов, продуктов переработки нефти, синтетических каучуков, лекарственных препаратов, витаминов, изделий медицинской техники, пестицидов и др. веществ.
Первые теории органической химии:
Теория радикалов ( Дюма, Ю. Либих, Я. Берцелиус).
Теория типов( Ш.Жерар, Ж. Дюма).
Основные положения теории химического строения М.А.Бутлерова (1861г)
Углеводородами называются простые органические соединения, в состав которых входят только углерод и водород. По характеру связей между
атомами углерода все алифатические углеводороды можно разделить на предельные (насыщенные) и непредельные (ненасыщенные) углеводороды. Предельные и непредельные углеводороды образуют гомологические ряды, которые отличаются по составу на одну CH2 – группу, и обладают общими свойствами.
1.
2.
3.
4.
5.
Вопросы для самопроверки
Значение органической химии в развитии современной промыш ленности
Основные теории органической химии
Классификация органических веществ
Классификация органических реакций.
Предельные и непредельные углеводороды
6. Химические свойства предельных углеводородов.
7. Химические свойства непредельных углеводородов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Основная
1. Петров А.А., Балаян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. – М.: Высшая школа, 2003. – 620с.
2.Ким А.М. Органическая химия: учеб. пособие.- 3-е изд., испр. и доп.-Новосибирск: Сиб. унив. изд-во,2002.- 971 с.
3. Органическая химия./ В.А. Белобородов, С.А. Зурабян, А.П. Лузин,
Н.А Тюкавин – М.: Дрофа,2003.-644 с.