Document 445972

Министерство образования Российской Федерации
Алтайский государственный технический университет
Бийский технологический институт
Н.В. Степанова
ХИМИЯ
УЧЕБНОМЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКТ
ДЛЯ АБИТУРИЕНТОВ
Методические рекомендации по выполнению
контрольного задания №10
Барнаул 2001
УДК 54(075.4)
Степанова Н.В. Химия: Учебно-методический комплект для абитуриентов. Методические рекомендации по выполнению контрольной
работы №10.
Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск.
Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2001. – 16 с.
Настоящие методические рекомендации представляют собой десятую часть единого учебно-методического комплекта по курсу
«Химия» для абитуриентов.
Данная часть посвящена теме: «Углеводы и амины. Аминокислоты и пептиды. Азотосодержащие гетероциклические соединения» и
включает теоретические вопросы и задачи, отражающие основное содержание темы.
Рекомендуются учащимся школ, гимназий и лицеев, а также абитуриентам химических вузов.
Комплект рассмотрен и утвержден
на заседании кафедры «Общая химия
и экспертиза товаров».
Протокол №194 от 3.06.2001 г.
Рецензент: доцент каф. «Общая химия и экспертиза
товаров» Разгоняева Т.П.
 БТИ АлтГТУ, 2001
2
Контрольное задание №10
1 Углеводы
Углеводы – это природные органические соединения, имеющие
общую формулу Cm(H2O)n (m, n >3). Углеводы делят на три группы:
моносахариды, дисахариды и полисахариды.
Моносахаридами называются такие углеводы, которые не могут
гидролизоваться с образованием более простых углеводов. По числу
атомов углерода моносахариды делятся на тетрозы (С4Н8O4), пентозы
(C5H10O5) и гексозы (С6Н12О6). Важнейшие гексозы – глюкоза и
фруктоза.
Дисахариды – это продукты конденсации двух моносахаридов,
например сахароза, C12H22O11. Полисахариды (крахмал, целлюлоза)
образованы большим числом молекул моносахаридов.
Молекулы всех моносахаридов, а также многих дисахаридов могут существовать в линейной и циклической формах. Моносахариды –
бифункциональные соединения, в состав их молекул входят несколько
гидроксильных групп, а также карбонильная группа. Моносахариды
проявляют свойства многоатомных спиртов и некоторые свойства карбонильных соединений.
Задачи с решениями
Задача 1. С помощью каких реакций можно осуществить следующие превращения: сахароза  глюкоза  глюконовая кислота?
Решение. Сахароза гидролизуется при нагревании в подкисленном растворе:
C12H22O11 +
H2O
t, H+
сахароза
C6H12O6 +
C6H12O6
глюкоза
фруктоза .
Глюкоза окисляется свежеосажденным гидроксидом меди (II) с
образованием глюконовой кислоты (С6Н12О6):
СН2OН–(СНОН)4–СН=O + 2Cu(OH)2 
 СН2OН–(СНОН)4–СООН +Cu2O + 2Н2O.
Задача 2. Полученное из глюкозы соединение С3Н6О3 в реакции с
натрием образует соединение состава С3Н4Nа2O3, с карбонатом кальция – С6Н10СаО6, с этанолом в присутствии серной кислоты – С5Н10О3.
Назовите это соединение и напишите уравнения реакций.
3
Решение. При молочнокислом брожении из глюкозы получается
молочная (2-гидроксипропановая) кислота:
C6H12O6  2СН3–СН(ОН)–СООН.
В реакции молочной кислоты с натрием участвуют и гидроксильная, и карбоксильная группы:
СН3–СН(ОН)–СООН + 2Na  СН3–СН(ОNа)–СООNа + H2.
С карбонатом кальция и с этанолом молочная кислота реагирует
как обычная карбоновая кислота:
СаСО3 + 2СН3СН(ОН)СООН  (СН3СН(ОН)СОО)2Са +СO2+Н2O.
СH3CH(OH)COOH + C2H5OH
t, H+
СH3CH(OH)COOC2H5 + H2O .
Задача 3. Рассчитайте, сколько серебра можно получить при взаимодействии 18 г глюкозы с избытком аммиачного раствора оксида
серебра. Какой объем (н.у.) газа выделится при спиртовом брожении
такого же количества глюкозы, если выход продукта реакции составляет 75%?
Решение. Запишем уравнение реакции с аммиачным раствором
оксида серебра в упрощенном виде:
C6H12O6 +
Ag2O
NH3
C6H12O7 +
2Ag
(на самом деле образуется не глюконовая кислота С6Н12О7, а ее аммонийная соль, однако на массу серебра это упрощение не влияет).
(C6H12O6) = 18/180 = 0,1 моль,
(Ag) = 2(С6Н12О6) = 0,2 моль.
m(Ag) = 0,2108 = 21,6 г.
Реакция спиртового брожения глюкозы описывается уравнением:
С6Н12O6  2C2H5OH + 2СO2.
Из 0,1 моль глюкозы теоретически можно получить 0,2 моль СO2,
а практически – 0,20,75 = 0,15 моль объемом 0,1522,4 = 3,36 л.
Ответ: 21,6 г серебра, 3,36 л углекислого газа.
Задача 4. Галактоза – это изомер глюкозы, отличающийся от нее
положением гидроксильной группы при четвертом атоме углерода.
4
Напишите структурную формулу дисахарида, образованного двумя
остатками -галактозы, которые связаны между собой 1-4-гликозидной
связью. Напишите структурную формулу продукта взаимодействия
этого дисахарида с метиловым спиртом в присутствии хлороводорода.
Могут ли эти соединения вступать в реакцию «серебряного зеркала»?
Напишите уравнения необходимых реакций.
Решение. Циклические формулы -глюкозы и -галактозы:
CH2OH
O OH
H
4
1
OH H
OH
H
H
OH
CH2OH
O OH
OH
H
4
1
OH H
H
H
H
OH
глюкоза
галактоза
H
Молекулы этого углевода могут образовывать между собой связи
с участием первого и четвертого углеродных атомов:
CH2OH
CH2OH
*
O
OH
O OH
O
H
H
4
1
4
1
OH H
OH H
H
H
H
H
H
OH
H
OH
.
Звездочкой обозначен гликозидный гидроксил, который может
замещаться на группу –ОСН3 при реакции с метанолом:
CH2OH
CH2OH
*
O
OH
O OH
O
H
H
4
1
4
1
OH H
OH H
H
H
H
H
H
OH
H
OH
+
CH2OH
CH2OH
O
OH
O O CH
O
3
H
H
4
1
4
1
OH H
OH H
H
H
H
H
H
OH
H
OH
5
HCl
СH3OH
+
H2O
.
Благодаря наличию гликозидного гидроксила дисахарид
-галактозы может в водном растворе превращаться в линейную форму
с альдегидной группой (подобно глюкозе), поэтому он дает реакцию
серебряного зеркала (уравнение приведено в упрощенном виде):
C12H22O11 + Ag2O
C12H22O12 + 2Ag .
Монометиловый эфир дисахарида -галактозы не содержит гликозидного гидроксила, поэтому он не может существовать в линейной
форме и не вступает в реакцию серебряного зеркала.
2 Амины
Амины – это производные аммиака, в которых атомы водорода
частично или полностью замещены углеводородными радикалами
алифатического, алициклического или ароматического ряда.
Амины характеризуются наличием функциональной группы NH2
– аминогруппы. В зависимости от того, сколько атомов водорода в аммиаке замещено радикалами, различают амины первичные RNH2, вторичные R2NH и третичные R3N. Таким образом, в аминах понятия
"первичный", "вторичный", "третичный" связаны не с характером углеродного атома, а со степенью замещения водородов при атоме азота
аммиака.
Изомерия аминов связана с количеством и строением радикалов у
атома азота. Алифатические амины обычно называют так же, как замещенные производные аммиака: к наименованию радикала, входящего в состав амина, добавляется суффикс –амин.
В алифатических аминах связи C–N и N–H достаточно прочные,
поэтому амины не проявляют заметных кислотных свойств. Неподеленная пара валентных электронов на атоме азота в аминах может образовывать новую связь. Поэтому амины, как и аммиак, обладают
свойствами оснований. Это проявляется, например, в образовании солей при взаимодействии аминов с кислотами и с алкилгалогенидами.
Эти соли снова превращаются в амины при действии сильного
основания.
Наиболее известным представителем первичных ароматических
аминов является анилин. В анилине неподеленная пара электронов
атома азота образует с ароматическим кольцом единую -электронную
систему. Это приводит к частичному смещению пары электронов азота
в сторону кольца и обогащению его электронами. Поэтому анилин обладает меньшей основностью, чем алифатические амины (он реагирует
только с сильными кислотами). Однако реакции электрофильного
6
замещения в бензольное кольцо анилина значительно облегчены.
Так, анилин в отличие от бензола легко реагирует с бромной водой
с образованием 2,4,6-триброманилина.
Задачи с решениями
Задача 1. Напишите структурные формулы всех третичных аминов состава C5H13N и назовите их по рациональной номенклатуре.
Решение. Общая формула третичных аминов:
R'
R N R'' ,
где R, R', R" – предельные углеводородные радикалы. Пять атомов углерода разбить на три радикала можно двумя способами:
1) один радикал СН3 и два радикала C2H5;
2) два радикала СН3 и один радикал С3Н7.
Последнему способу соответствуют два изомера, так как существует два радикала состава С3Н7: –СН2СН2СН3 (пропил) и –СН(СН3)2
(изопропил). Таким образом, всего существует три третичных амина
состава C5H13N:
CH3
CH3 CH2 N
CH3
CH2 CH3
CH3 N
CH2 CH2 CH3
CH3
CH3 N
CH CH3
CH3
мeтилдиэтиламин
димeтилпропиламин
димeтилизопропиламин
Названия аминов по рациональной номенклатуре строятся путем
прибавления названия всех трех радикалов к слову "амин", например:
метилдиэтиламин.
Ответ: три изомера.
Задача 2. Каким образом можно осуществить превращения:
нитробензол  анилин  бромид фениламмония?
Приведите уравнения реакций.
Решение. Нитробензол восстанавливается в анилин под действием различных восстановителей, например сульфида аммония (реакция
Зинина):
С6Н5–NO2 + 3(NH4)2S  C6H5–NH2 + 3S + 6NН3 + 2Н2O.
7
Анилин реагирует с сухим бромоводородом с образованием бромида фениламмония:
С6Н5–NН2 + НВr  [С6Н5–NН3]Вr.
Задача 3. Напишите общие уравнения реакций восстановления
нитросоединений в амины а) в кислой среде; б) в щелочной среде;
в) в газовой фазе.
Решение. а) Восстановление нитросоединений в растворе удобно
проводить водородом в момент выделения, который является сильным
восстановителем. В кислой среде для этого используют цинк или
железо:
RNO2 + 3Zn + 7НСl  RNН3Сl + 3ZnCl2 + 2Н2O.
RNO2 + 7H+ + 6е–  RNН3+ + 2Н2O 1
Zn – 2e–  Zn2+
3
Образующийся амин реагирует с избытком соляной кислоты, давая соль аммониевого типа RNН3+Сl–.
б) В щелочной среде для получения водорода в момент выделения используют алюминий:
RNO2 + 2Al + 2NaOH + 4Н2O  C6H5NH2 + 2Na[Al(OH)4].
RNO2 + 4Н2O + 6е–  RNH2 + 6OН–1
Al + 4OН– – 3е–  [Al(OH)4]–
2
в) В газовой фазе восстановление проводят водородом при
250…350°С на никелевом или медном катализаторе:
RNO2 + 3Н2  RNH2 + 2Н2O.
Задача 4. Образец нитробензола массой 85 г, содержащий 7%
примесей, восстановили до анилина, выход реакции равен 85%. Вычислите массу образовавшегося анилина.
Решение. Запишем уравнение реакции:
C6H5NO2 + 6[Н]  C6H5NH2 + 2H2O.
m(С6Н5NО2) = 850,93 = 79 г.
(C6H5NO2) =79/123 = 0,64 моль.
Теоретически из такого количества нитробензола могло получиться
0,64
моль
анилина,
а
практически
получилось
0,640,85 = 0,55 моль массой 0,5593 = 51 г.
Ответ: 51 г анилина.
8
Задача 5. Какой объем хлороводорода (н.у.) может прореагировать с 20,0 г смеси, состоящей из диметиламина и этиламина?
Решение. Амины, содержащиеся в смеси, – (CH3)2NH и C2H5NH2
– являются изомерами (общая формула C2H7N), поэтому количество
прореагировавшего хлороводорода определяется только общим количеством аминов и не зависит от содержания каждого из них в смеси.
Общее уравнение реакций:
C2H7N + НСl = [C2H7NH]Cl.
общ(аминов) = 20,0/45 = (HCl).
V(HCl) = 0,44422,4 = 9,95 л.
Ответ: 9,95 л НСl.
3 Аминокислоты и пептиды
Аминокислоты – это бифункциональные органические соединения, в молекуле которых имеются аминогруппа и карбоксильная группа. По их взаимному расположению различают -, -, -аминокислоты.
Среди них особое место занимают -аминокислоты, поскольку в них
имеется по меньшей мере один асимметрический атом углерода:
H2N CH COOH
R
.
Аминокислоты называют обычно как замещенные производные
соответствующих карбоновых кислот, обозначая положение аминогруппы буквами греческого алфавита.
Изомерия аминокислот связана с положением функциональных
групп и со строением углеродного скелета.
Функциональные группы в аминокислотах реагируют между собой. Поэтому молекулы аминокислот представляют собой биполярные
ионы (внутренние соли), например, H3N+CH2COO–.
Аминокислоты – амфотерные соединения, они реагируют с кислотами и основаниями. Им свойственны обычные реакции по карбоксильной группе и аминогруппе. Однако, кислотные и основные
свойства выражены очень слабо. В результате межмолекулярного взаимодействия амино– и карбоксильной групп аминокислоты вступают в
реакции поликонденсации с образованием пептидов различного строения.
9
Задачи с решениями
Задача 1. Определите строение сложного эфира -аминокислоты,
если известно, что он содержит 15,73% азота по массе.
Решение. Сложные эфиры -аминокислот описываются общей
формулой:
H2N CH C O
R O
R'
,
где R – водород или углеводородный радикал;
R' – углеводородный радикал.
В одном моле этого вещества содержится 1 моль азота массой
14 г, что составляет 15,73% от общей (молярной) массы, следовательно, молярная масса эфира равна:
M(H2N–CH(R)–COOR') = 14/0,1573 = 89 г/моль.
На долю двух радикалов приходится:
M(R+R') = 89 – M(H2N+CH+COO) = 16 г/моль.
Это возможно только в том случае, если R = Н, R' = СН 3. Таким образом, искомый эфир – метилглицинат, то есть метиловый эфир аминоуксусной кислоты:
Н2N–СН2–СОО–СН3.
Ответ: метиловый эфир аминоуксусной кислоты.
Задача 2. Какой объем 10%-ного раствора гидроксида натрия
(плотность 1,1 г/мл) может прореагировать с глицином, полученным из
32 г карбида кальция?
Решение. Глицин можно получить из карбида кальция по схеме:
СаС2  C2H2  СН3СНО  СН3СООН 
СlCН2СООН  H2NCH2COOH.
В соответствии с этой схемой, число молей глицина равно числу
молей карбида кальция: (H2NCH2COOH) = (CaC2) = 32/64 = 0,5 моль.
Количество щелочи, необходимой для реакции с глицином по уравнению Н2NСН2СООН + NaOH = H2NCH2COONa + H2O, также равно
0,5 моль.
10
m(NaOH) = 0,540 = 20 г,
m(p–pa NaOH) = 20/0,1 = 200 г.
V(p–pa NaOH) = 200/1,1 = 182 мл.
Ответ: 182 мл.
Задача 3. Этиловый эфир глицина массой 2,06 г прокипятили с
раствором, содержащим 1,50 г гидроксида калия, и полученный раствор выпарили. Рассчитайте массу сухого остатка.
Решение. При кипячении происходит щелочной гидролиз сложного эфира с образованием калиевой соли глицина:
H2NCH2COOC2H5 + КОН  H2NCH2COOK + С2Н5OН.
(H2NCH2COOC2H5) = 2,06/103 = 0,02 моль,
(KOH) = 1,50/56 = 0,0268 моль – избыток.
В результате реакции образуется 0,02 моль глицината калия
H2NCH2COOK массой 0,02113 = 2,26 г, и остается неизрасходованным гидроксид калия массой 1,5 – 0,0256 = 0,38 г. Этанол и вода улетучиваются из раствора при выпаривании. Масса сухого остатка равна
2,26 + 0,38 = 2,64 г.
Ответ: 2,64 г.
Задача 4. Напишите структурную формулу одного из природных
трипептидов, в молекуле которого на четыре атома кислорода приходится три атома серы.
Решение. Общая формула природных трипептидов:
H2N CH C NH CH C NH CH COOH
R' O
R''
R O
,
где R, R', R" – остатки -аминокислот. Мы видим, что эти остатки не
содержат атомов кислорода, но содержат три атома серы. Среди природных аминокислот нет ни одной, которая бы содержала более одного
атома серы, поэтому каждый остаток в данном пептиде содержит
11
ровно один атом серы. Простейший вариант – пептид, образованный
тремя остатками серосодержащей аминокислоты цистеина:
H2N CH CONH CH CONH CH COOH
CH2SH
CH2SH
CH2SH
Ответ: трипептид, состоящий из трех остатков цистеина.
Задача 5. Определите строение вещества, имеющего состав
C6H12O3S2N2, если известно, что из него можно получить соединение
состава С3Н9O6S2N.
Решение. Конечное соединение содержит в два раза меньше атомов углерода, чем исходное, поэтому можно предположить, что схема
реакций включала гидролиз и что исходное вещество – дипептид. Конечное соединение содержит азот и серу, поэтому вероятно, что это –
сернокислая соль аминокислоты. Если из формулы С3Н9O6S2N вычесть
H2SO4, то получим C3H7O2SN. Это – молекулярная формула аминокислоты цистеина. Если эту формулу умножить на 2 и вычесть Н2O, то
получим С6Н12O3S2N2 – формулу исходного соединения.
Таким образом, исходное соединение С6Н12O3S2N2 – дипептид цистеина, конечное соединение С3Н9O6S2N – сульфат цистеина
(НS–
СН2–СН(NН3НSO4)–СООН).
Сульфат цистеина можно получить из дипептида цистеина в одну
стадию путем гидролиза дипептида при нагревании с избытком серной
кислоты:
H2N CH CO NH CH COOH + 2H2SO4 + H2O
CH2SH
CH2SH
2 HSCH2 CH COOH
NH3HSO4
Процесс можно провести в две стадии, если сначала гидролизовать дипептид в щелочной среде, а затем добавить избыток серной
кислоты.
Ответ: С6Н12О3S2N2 – дипептид цистеина.
4 Азотсодержащие гетероциклические соединения
В азотсодержащих гетероциклических соединениях атом азота
входит в состав цикла. В зависимости от числа атомов в цикле различают пяти– и шестичленные гетероциклы. Важнейший пятичленный
гетероцикл – пиррол, шестичленный – пиридин.
12
В молекуле пиррола неподеленная пара электронов атома азота
входит в состав ароматической -электронной системы, поэтому пиррол лишен основных свойств. Напротив, неподеленная пара электронов
атома азота в пиридине свободна, поэтому пиридин проявляет свойства
слабого основания.
Нуклеиновые кислоты – это природные высокомолекулярные соединения, полинуклеотиды, которые играют огромную роль в хранении и передаче наследственной информации. Молекулярная масса
нуклеиновых кислот может меняться от 100 тыс. до 100 млн. Мономерной единицей нуклеиновых кислот являются нуклеотиды.
В состав нуклеотидов входят остатки азотистых оснований, углеводов (-рибозы или -дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты, состоящие из рибонуклеотидов, называются рибонуклеиновые кислоты (РНК). Нуклеиновые кислоты, состоящие из дезоксирибонуклеотидов, называются дезоксирибонуклеиновые кислоты
(ДНК).
Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот,
делят на два класса – пиримидиновые и пуриновые основания. Пиримидиновые основания – это производные пиримидина: урацил, тимин,
цитозин. Пуриновые основания – это производные пурина: аденин,
гуанин.
В состав РНК входят аденин, гуанин, цитозин и урацил. В состав
ДНК входят эти же основания, за исключением урацила, который заменяется тимином.
Задачи с решениями
Задача 1. Напишите уравнения трех реакций, в которые может
вступать 4-нитропиридин. Предложите способ обнаружения этого соединения в его водно-спиртовом растворе.
Решение. 1) 4-нитропиридин проявляет основные свойства за
счет пиридинового атома азота:
NO2
NO2
+
HCl
+
N
N Cl
H
13
2) Нитрогруппа может быть восстановлена железом в кислой среде, образующаяся при этом аминогруппа и азот в пиридиновом кольце
реагируют с соляной кислотой:
NO2
NH3Cl
+
3Fe
+
8HCl
+
N
+
3FeCl2
+
2H2O
N Cl
H
.
3) При взаимодействии 4-нитропиридина с водородом происходит восстановление нитрогруппы до аминогруппы и гидрирование пиридинового кольца:
NO2
NH2
+
6H2
Pt
N
+
2H2O
N
H
.
Обнаружить 4-нитропиридин в водно-спиртовом растворе можно
с помощью лакмуса, поскольку раствор имеет слабощелочную среду.
Задача 2. При сжигании образца азотсодержащего гетероциклического соединения, не содержащего заместителей в кольце, образовалось 1,2 л углекислого газа, 0,8 л паров воды и 0,4 л азота (объемы измерялись при одинаковых условиях). Установите возможную структуру этого соединения.
Решение. Общая формула азотсодержащего гетероциклического
соединения, не содержащего заместителей в кольце – CxHyNz. Уравнение сгорания имеет вид:
CxHyNz + (х+у/4)O2  хСО2 + у/2Н2O + z/2N2.
По закону Авогадро отношение объемов продуктов реакции равно отношению коэффициентов в уравнении реакции, поэтому:
x:у/2:z/2 = 1,2:0,8:0,4 = 3:2:1.
Минимальные значения х, у, z, удовлетворяющие этому соотношению, равны: х = 3, y = 4, z = 2. Молекулярная формула гетероцикла –
С3Н4N2. Его можно рассматривать как производное пиррола (C4H5N),
14
в котором группа СН в кольце замещена на атом азота, например имидазол или пиразол:
N
N
N
N
H
H
имидазол
пиразол
Ответ: С3Н4N – имидазол или пиразол.
15
Степанова Наталья Владимировна
ХИМИЯ
Учебно-методический комплект для абитуриентов
Методические рекомендации по выполнению контрольного
задания №10
Редактор Идт Л.И
Подписано в печать 02.07.2001. Формат 60х84 1/16
Усл. п. л. - 0,86. Уч. изд. л. - 1,0
Печать – ризография, множительно - копировальный
аппарат «RISO TR - 1510»
Тираж 50 экз. Заказ 2001-68
Издательство Алтайского государственного
технического университета
655099, г. Барнаул, пр-т. Ленина, 46
Оригинал-макет подготовлен ИВЦ БТИ АлтГТУ
Отпечатано на ИВЦ БТИ АлтГТУ
659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 29
16