Строение органических соединений. Причины их многообразия. Анализ соединений. метан

Строение органических соединений.
Причины их многообразия.
Анализ соединений.
H
H
C
молекулярные формулы
H
метан
СН4
H
H
H
H
C
C
H
H
H
этан
С2Н6
CH3
CH3
сокращенная
структурная
формула
® к.х.н., доцент А.В.Мануйлов. Новосибирский государственный университет. 2007
CH3
CH2
CH3
пропан
CH3
CH2
CH2
CH3
С3Н8
бутан
С4Н10
H3C
CH
CH3
изобутан
H3C
Изомеры: имеют одинаковую молекулярную формулу,
но разное строение.
С …2s2 2p2
H
.. ..
.. H
.. H
.. H
:H
:
:
:
:
O
C
C
C
H: C
..
..
.. .. ..
HHHH
.
.C .
.
+
CH3
.H
.H
.H
.H
H
..
H: C
.. :H
H
CH2
..
O
..
CH2
CH2
бутанол (спирт)
H
Энергии химических связей (кДж/моль):
Lange’s Handbook of Chemistry, 15-th ed. by Dean J.A., 1999.
368
H3C
CH2
CH3
HO
418
..
O
..
CH
682
H2C
CH2
962
HC
CH
CH
CH2
214
..
O
..
OH
..
O
..
Цепи из молекул кислорода
неустойчивы.
Валентность (II) не позволяет
существовать изомерам.
Энергии химических связей (кДж/моль):
Lange’s Handbook of Chemistry, 15-th ed. by Dean J.A., 1999.
H3C
368
272
CH3
S4R2
C4H8R2
CH2
R
..
S
..
R
CH2
CH2
SH
SH
..
S
..
R
Такие цепи уже устойчивы,
но нет изомеров!
CH2
CH2
..
S
..
..
S
..
R
R
CH3
CH2
CH
R
CH2
CH2
R
CH3
CH
CH2
CH2
CH2
Здесь – много изомеров
R и т.д.
Энергии химических связей (кДж/моль):
Lange’s Handbook of Chemistry, 15-th ed. by Dean J.A., 1999.
H3C
C
368
+
H
H3Si
CH3
+
Si
H
2.55
2.1
1.8
2.1
электроотрицательность атомов
339
SiH3
SiH4 - силан
SiH3 SiH3
SiH3 SiH2 SiH3
……………………
SiH3 (SiH2)4 SiH3
(больше нет)
Силаны – весьма реакционноспособные соединения и
в земных условиях сразу превращаются в другие вещества:
2Si4H10 + 13O2 = 8SiO2 + 10H2O (самопроизвольно);
Si2H6 + 6H2O = 2H2SiO3 + 7H2 (например, в морской воде: pH > 7).
368
H3C
CH
H2C
682
418
CH2
962
HC
кДж
H2N
CH3
297
CH
NH2
HN
Затратили: 418·3 = 1254 кДж
Выиграли: 3·(962 – 682) = 3·280 = 840 кДж
456
NH
946
N
N
Итог: проиграли (1254 – 840) = 414 кДж
CH
H
H
H
H
C
H
C
C
C
C
C
H
H
C
C
C
+
H
C
H
C
C
H
H
H
распад невыгоден
368
H3C
CH
H2C
682
418
кДж
CH3
CH
NH2
HN
456
NH
946
N
N
Затратили: 297·3 = 891 кДж
CH2
962
HC
H2N
297
Выиграли: 3·(946 – 456) = 3·490 = 1470 кДж
CH
Итог: выиграли (1470 – 891) = 579 кДж
N
N
N
N
N
N
+
N
N
N
N
N
N
распад выгоден!
Академик В. А. Коптюг
H
H
C
H
C
C
C
C
H
H
C
H
В энергиях связей причина того, что существуют углеродные цепи:
C
CH2
(карбин)
C
C
C
CH2
CH2
(алканы) и т.д.
CH2
CH2
CH2
C
C
И не существуют подобные соединения:
N
N
N
N
N
NH
N
NH
NH
N
N
N
N
N
NH
NH
N
NH
Алканы (СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 и т.д.): CnH2n+2
Большинство из них существует в виде изомеров, например:
CH3
CH3 CH2 CH2 CH3
бутан
CH3 CH CH3
изобутан
-
изомеры
С4Н10
Изомеры пентана С5Н12
CH3
CH3 CH2 CH2 CH2 CH3
CH3
CH CH2 CH3
CH3
CH3
C
CH3
CH3
н-пентан
изопентан
неопентан
Число изомеров алканов CnH2n+2 в зависимости от n
n
Число изомеров
1
1
CH4
2
1
CH3 CH3
3
1
CH3 CH2 CH3
4
2
5
3
10
75
15
4 347
20
366 319
25
36 797 588
или другое изображение:
C10H22
C15H32
C20H42
C25H52
Анализ органических соединений методом сожжения:
C2H5OH + O2 = CO2 + H2O
спирт
Весь водород образца
теперь в Н2О
Масса С в образце =
= (масса СО2)·12/44
Масса Н =
= (масса Н2О)·2/18
C2 H6 O + O2 = CO2 + H2O
Весь углерод образца оказывается в СО2
Пример: сожгли образец вещества массой 2,3 г.
Получили: СО2 – 4,4 г, Н2О – 2,7 г.
Масса углерода в образце: (4,4·12/44) = 1,2 г.
Масса водорода в образце: (2,7·2/18) = 0,3 г.
1,5 г
Кислорода в образце: 2,3 г – 1,5 г = 0,8 г.
Образец (масса известна)
О2
нагревают,
чтобы поджечь
образец
поглотитель
СО2 (NaOH)
поглотитель Н2О (CaCl2 прокаленный)
Итак:
С - 1,2 г.
Н - 0,3 г.
О - 0,8 г.
Тогда соотношение атомов в молекуле:
1,2 г
0,3 г : 0,8 г
:
С:Н:О=
1
16
12
г на моль атомов
= 0,1 : 0,3 : 0,05
теперь достаточно разделить
на меньшее из этих чисел (0,05)
С:Н:О=2:6:1
Получили формулу С2Н6О
Это – эмпирическая формула
(показывает соотношение атомов в молекуле)
поглотитель
СО2 (NaOH)
поглотитель Н2О (CaCl2 прокаленный)
В данном случае эмпирическая формула совпадает
с истинной – молекулярной формулой : С2Н6О.
(соединения С4Н12О2, С6Н18О3 и т.д. не существуют!)
Но в общем случае молекулярная формула может быть
кратна эмпирической.
А вот структурную формулу (строение данного вещества)
мы сможем выяснить только дополнительными
экспериментами:
изомеры
С2Н6О
CH3 CH2 OH + Na = CH3 CH2 ONa
спирт
CH3
O CH3 + Na
эфир
нет реакции
+ H2
выделение
водорода
Современные методы установления строения
Газовый хроматомасс-спектрометр Agilent 5973N EI/PCI
на Факультете естественных наук НГУ
Как устроен хромато-масс спектрометр?
Робот для вкалывания смесей
органических соединений
Виалы со смесями, которые
ждут очереди на анализ
Термошкаф
Тонкий кварцевый капилляр
длиной 30 м
Робот для загрузки проб
в хроматограф
Виалы (контейнеры)
со смесями для анализа
Шприц робота, который
автоматически прокалывает
резиновые крышечки
контейнеров с пробами и
вкалывает их в хроматограф
Сюда робот подает смесь
органических веществ
Здесь разделенные вещества
по очереди покидают колонку
и попадают в детектор
Здесь, проходя долгий путь по
кварцевому капилляру,
смесь разделяется
Детектор записывает – сколько прошло вещества, через какое
время после вкалывания смеси в хроматограф.
Количество вещества пропорционально площади пика на графике.
Такой график называется хроматограммой:
92 минуты
60 минут
96 минут
0 минут
(время удерживания
вещества
в колонке)
Из детектора разделенные вещества по очереди
попадают в масс-спектрометр:
Масс-спектр
отправляется
в компьютер
с базой данных
на 300 тыс.
соединений
Как устроен масс-спектрометр?
Ионы попадают
в магнит
Сюда попадает вещество
Здесь оно подвергается
электронному удару:
М + е = М+ + 2е
Здесь регистрируется
слабый ток ионов
детектор
Чем меньше масса иона,
тем сильнее он отклоняется
магнитным полем
Прибор различает массы ионов по месту их попадания
на пластину детектора
Так выглядит масс-спектр:
Массспектр
вещества
Массспектр
эталона из
базы данных
Рассмотрим: масс-спектр детальнее
В детекторе C12H26 - алкан с молекулярной массой 170 а.е.м.
«осколки»
молекулы
В баночке – фракция нефти.
Какие задачи позволяет решать
такой метод?
Вот что получилось после прохождения смеси через прибор:
Хроматограмма всей смеси
Масс-спектр одного
из веществ смеси
(додекана С12Н24)
Хроматограмма нефтяной фракции на Agilent 5973N EI/PCI
Abundance
TIC: MAN4.D
3800000
3600000
3400000
3200000
3000000
2800000
2600000
2400000
2200000
2000000
1800000
1600000
1400000
1200000
1000000
800000
600000
400000
200000
125 12.10 0.23 C:\Database\NIST02.L
Heptylcyclohexane
44142 005617-41-4 78
Heptylcyclohexane
44140 005617-41-4 49
Cyclohexane, 2-propenyl10318 002114-42-3 49
126 12.50 0.16 C:\Database\NIST02.L
Dodecane, 2,6,10-trimethyl64589 003891-98-3 91
Hexadecane, 2,6,10,14-tetramethyl- 107666 000638-36-8 86
Hexadecane, 2,6,10,14-tetramethyl- 107670 000638-36-8 64
127 12.81 0.31 C:\Database\NIST02.L
Tetradecane
55008 000629-59-4 97
4.00
6.00
8.00
Time-->
Гексадекан, 2,6,10,14-тетраметил
или фитан:
10.00
12.00
14.00
16.00
18.00
C20H42
Фитан – свидетель биологического происхождения нефти?
фитан C20H42
Современные методы анализа
позволяют быстро решать
сложные задачи на
установление строения
органических веществ!
Хлорофилл α
N
N
Mg
N
N
O
O
O
O
O
Фитановая боковая цепь C20
O
Благодаря современным физическим методам
установления строения
органическая химия становится
все более эффективной наукой
Спасибо за внимание
N
N
Mg
N
N
O
O
O
O