ponjatija-org-himiippt52a14e335c722

Основные понятия
органической химии
Литвищенко Л.Д.
План
• Основные понятия органической химии
(первичный, вторичный , третичный и
четвертичный атомы углерода, радикал,
структура радикалов, функциональная
группа, изомерия, гомология,
гомологический ряд.
• Типы разрыва связей. Понятие о
механизме реакций. Классификация
реагентов.
Атомы углерода
CH3
CH3
H3C CH CH2 C
CH3
CH3
Первичный
Вторичный
Третичный
Четвертичный
2,2,4-триметилпентан
Радикал
R-X
органическое соединение
Радикалом называется остаток
углеводорода без одного
(иногда двух) атомов водорода.
Радикалы алканов СnН2n+2
имеют общую формулу -СnН2n+1, а
общее название- алкилы.
Радикалы (их строение и масса) определяют,
в основном, физические свойства веществ:
агрегатное состояние, Ткип., Тпл., ρ и т.д.
Алканы. Номенклатура.
Углеводород (алкан) СnН2n+2
Формула
Название
Радикал (алкил)
Формула
-СnН2n+1
Название
CH4
метан
CH3—
метил
CH3CH3
этан
CH3CH2—
этил
CH3CH2CH3
пропан
CH3CH2CH2—
пропил
CH3(CH2)2CH3 бутан
CH3(CH2)2CH2—
бутил
CH3(CH2)3CH3 пентан
CH3(CH2)3CH2—
пентил
CH3(CH2)4CH3 гексан
CH3(CH2)4CH2—
гексил
CH3(CH2)5CH3 гептан
CH3(CH2)5CH2—
гептил
CH3(CH2)6CH3 октан
CH3(CH2)6CH2—
октил
CH3(CH2)7CH3 нонан
CH3(CH2)7CH2—
нонил
CH3(CH2)8CH3 декан
CH3(CH2)8CH2—
децил (декин)
5
Функциональная группа
Х
Функциональная группа – атом или группа
определенным способом связанных атомов,
наличие которой в молекуле органического
вещества придает ему характерные
свойства и определяет его принадлежность
к тому или иному классу соединений.
O
CH3 C
O
C
OH
уксусная кислота
O
OH
бензойная кислота
H2N CH2 C
OH
глицин (аминокислота)
Классификация органических соединений
Соединения могут содержать не одну, а несколько
функциональных групп. Если эти группы
одинаковые, то соединения называются
полифункциональными.
CHCl3
CH2 CH CH2
OH OH OH
хлороформ
глицерин
Классификация органических соединений
Соединения, содержащие различные
функциональные группы, называются
гетерофункциональными.
CH3 CH COOH
CH2 CH2
OH
NH2 OH
молочная кислота
коламин
Структура радикалов
1. Первичные – имеют свободную валентность
у первичного атома углерода:
Нормального строения - (неразветвленные)
н-, n-.
I
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2- н-пентил
Изо- строения - содержат (изопропильную
вилку) изо-, i-.
I
-СН2- СН
CH 3
CH 3
Изо-структура первичный радикал
Нео-строения- (нео-, neo-),
СН3 I
СН3-С СН2СН3
Нео-пентил или нео-амил
Структура радикалов
2. Вторичные – содержат свободную
валентность у вторичного атома
углерода ( вторично- или втор):
3. Третичные – содержат свободную
валентность у третичного атома
углерода (трет-):
Структура радикалов
CH 3
II
СН
CH 3
Изо-пропил
или втор-пропил
CH3
III
С
CH3
CH3
Трет-бутил
Изомерия
Изомеры — это вещества, которые
имеют одинаковую молекулярную
формулу, но различное химическое
строение, а поэтому обладают
разными свойствами.
Алканы. Номенклатура
Число изомеров в ряду алканов
Название
Формула
Число
изомеров
Формула
Название
Число изомеров
CH4
метан
1
C11H24
ундекан
159
C2H6
этан
1
C12H26
додекан
355
C3H8
пропан
1
C13H28
тридекан
802
C4H10
бутан
2
C14H30
тетрадекан
1 858
C5H12
пентан
3
C15H32
пентадекан
4 347
C6H14
гексан
5
C20H42
эйкозан
C7H16
гептан
9
C25H52
пентакозан
36 797 588
C8H18
октан
18
C30H62
триаконтан
4 111 846 763
C9H20
нонан
35
C40H82
тетраконтан
C10H22
декан
75
366 319
62 491 178 805 831
15
Изомерия
Изомерия (от греч. isos — равный)
С4Н10
CH3
H3C CH2 CH2 CH3 H3C CH CH3
н-бутан
Ткип= -0,5С
изобутан
Ткип= -11,7С
Изомерия
ИЗОМЕРИЯ
Структурная
Пространственная
Углеродного скелета
Оптическая
Положения функциональной
группы или кратных связей
Валентная
Геометрическая
Изомеры – соединения,
имеющие одинаковый
элементный состав
(брутто-формулу), но
отличающиеся
последовательностью соединения
атомов (структурные изомеры).
Алканы.
Структурная изомерия
С5Н12
H3C CH2 CH2 CH2 CH3
пентан
Ткип= 36.2С
H3C CH CH2 CH3
CH3
2-метилбутан
Ткип= 28С
CH3
H3C
C
CH3
CH3
2,2-диметилпропан
19
Ткип= 9.5С
Изомерия
Структурная изомерия
Изомерия положения функциональной группы
CH3CH2CH2CH2OH
CH3CHCH2CH3
OH
бутанол-1
CH2 CHCH3CH3
бутен-1
бутанол-2
CH3CH CHCH3
бутен-2
Изомерия
Структурная изомерия
Изомерия положения функциональной группы
α
CH3CHCOOH
NH2
-аминопропионовая кислота
β α
CH2CH2COOH
NH2
-аминопропионовая кислота
CH2 CH C C CH CH2
дивинилацетилен
бензол
Изомерия
Структурная изомерия С6Н6
Валентная изомерия
бензвален
бензол
бицикло[2.2.0]гекса-2,5-диен
"бензол Дьюара"
призман
"бензол Ладенбурга"
Изомерия
Пространственная изомерия (Стереоизомерия)
Геометрическая изомерия
CH3
CH3
CH3
цис-1,2-диметилциклопентан
CH3
транс-1,2-диметилциклопентан
Пространственные (геометрические) изомеры – имеют
одинаковый порядок (последовательность) связей в молекуле,
но отличаются расположением атомов (групп) в пространстве
Изомерия
Пространственная изомерия (Стереоизомерия)
Геометрическая изомерия
HOOC
COOH
HOOC
C C
H
H
C C
H
малеиновая кислота
(цис-1,2-этилендикарбоновая кислота)
H
COOH
фумаровая кислота
(транс-1,2-этилендикарбоновая кислота)
26
Оптическая изомерия
Энантиомеры – зеркальные антиподы, несовпадающие друг с другом
Хиральность
Молекула является хиральной, если не совпадает со своим зеркальным изображением.
Необходимое условие наличия хиральности – отсутствие плоскости симметрии.
Наиболее частая причина хиральности молекулы – наличие асимметрического центра –
атома в состоянии гибридизации sp3, несущего четыре различных заместителя.
b
a
Z c
d
b
c Z a
d
Z = углерод, азот, фосфор,
сера и др.
энантиомеры
неподеленная пара электронов как один из заместителей может
обеспечить хиральность, но, как правило, не обеспечивает
существование индивидуальных энантиомеров вследствие легкого
взаимопревращения последних (инверсия)
a
a
N
b
c
c
N b
b N a
c
конфигурационно-неустойчивые энантиомеры
Гомологи
–соединения, брутто-формула которых отличается на «гомологическую
разницу» - (CH2)n и которые обладают одинаковыми существенными
структурными признаками.
H2
C
H3C
CH3
H3C
C3H8
C
H2
H2
C
H2C
CH2
C3H6
H3C
CH4O
CH3
гомологи
C4H10
H2
C
CH2
C
H
не гомологи (циклоалкан и алкен - разные
классы соединений
C4H8
OH
H3C
H2
C
H3C
H2
C
O
OH
C2H6O
гомологи (спирты)
H3C
C
H2
C3H8O
CH3
не гомолог (простой эфир)
Гомология
Группы органических соединений
однотипной структуры с одинаковыми
функциональными группами,
отличающиеся друг от друга по
количеству групп CH2 в углеродной цепи,
составляют гомологический ряд.
Гомологический ряд метана
CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3
и т.д.
Алканы
СnН2n+2
Гомологический ряд метана
CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3
и т.д.
Гомологический ряд изобутана
CH3
CH3CHCH3
CH3
CH3CHCH2CH3
CH3
CH3CHCH2CH2CH3
CH3
CH3CHCH2CH2CH2CH3
28
Гомология
Гомологический ряд изобутана
CH3
CH3CHCH3
CH3
CH3
CH3CHCH2CH3
CH3CHCH2CH2CH3
CH3
CH3CHCH2CH2CH2CH3
Гомологический ряд метанола
CH3OH
CH3CH2OH
CH3CH2CH2CH2OH
CH3CH2CH2OH
и т.д.
Виды разрыва ковалентных связей
• Гомолитически – с образованием свободных
радикалов – частиц, имеющих неспаренный
электрон, не имеющих заряда и очень активных.
Такому разрыву подвергаются малополярные и
неполярные ковалентные связи, при этом пара
электронов разрывается поровну между атомами,
образующими связь. Факторы, способствующие
такому разрыву связи, следующие: облучение,
высокая температура, присутствие инициаторов
свободных радикалов, неполярный растворитель.
Если реакция протекает с образованием
свободного радикала, то механизм реакции
называют радикальным.
Гомолитический разрыв связи
H
H C H
H
СН3•
+ Н•
Свободный
радикал R•
• Гетеролитически (по ионному типу) – с
образованием пары ионов: катиона и аниона. Если
заряд + на атоме углерода, то его называют
карбокатионом. А если на атоме углерода заряд –,
то такую частицу называют карбоанионом. Это
заряженные частицы и подчиняются законам
электростатического притяжения и отталкивания.
Карбокатион содержит свободную орбиталь, а
карбоанион имеет орбиталь, на которой находится
пара электронов.
• Разрыву с образованием пары ионов способствуют
следующие факторы: полярные связи, катализатор,
полярный растворитель. Если реакцию начинает
частица с положительным зарядом (E- электрофил),
то механизм реакции электрофильный, а если
реакция начинается с отрицательно заряженной
частицы (N-нуклеофила), то механизм реакции
нуклеофильный.
Гетеролитический (ионный)
разрыв связи
H
H C H
H
1
СН3+
+ Н-
карбокатион
гидрид-ион
2
СН3карбоанион
+ Н+
протон
Механизм реакции
• Типы реакций с указанием
механизма обозначаются
следующим образом:
• Реакции замещения S (SR, SE, SN)
• Реакции присоединения A
(AR, AE, AN)
• Реакции отщепления E (ER, EE, EN).
Классификация органических соединений
Классификация органических соединений
Классификация органических соединений
Марковников В.В.
• Легче всего идет замещение у третичного
атома углерода, затем у вторичного, в
последнюю очередь – у первичного.
I
СН3
II
I
IY II
Н3С-СН- С-СН2-СН2-СН3
III
•
I
СН3 СН3
I
I
Алканы. Химические свойства
Галогенирование (Механизм реакции)
4. Реакционная способность водорода у третичного атома
углерода выше, чем у вторичного, а вторичного выше, чем у
первичного.
CH3
CH3 C
>
CH3 CH CH3
>
CH3CH2
>
CH3
CH3
376 кДж/моль
390 кДж/моль
415 кДж/моль
39
Задача № 1
• При хлорировании углеводорода А может
образоваться единственное
монохлорпроизводное В. Отношение
плотностей паров соединений А и В равно
0,676. Определите структурную формулу А
и В. В каких условиях может происходить
реакция хлорирования и каков ее механизм?
Решение
1. Примем, что углеводород- ароматический.
СnН2n-6 , допустим, А- С6Н6 , а В- С6Н5Сl
М(С6Н6) =78 г/моль
М(С6Н5Сl)=113,5г/моль, проверим D(A/B)
D(A/B) = 78/113,5= 0,68
Механизм реакции хлорирования- ионный
(электрофильный, SE), протекает в
присутствии катализатора FeCl3 (Fe порошок)
FeCl3
С6Н6 + Cl2 = C6H5Cl + HCl
2.Углеводород- предельный СnH2n+2
M(A) = 12n+2n+2 = 14n+2
M(B) = 14n+1+35,5= 14n+36,5
Составим пропорцию:
М(А)/М(В) = 14n+2 / 14n+36,5 = 0,676
14n+2 = 0,676 ·(14n+36,5), n= 5
A- C5H12
Или М/М+34,5 = 0,676
М=72 n=5
Структура единственная –нео-пентан С(СН3)4
СН3
СН3-С-СН3
СН3
Механизм реакции – радикальный (SR)
Условия проведения:
• на свету,
• при введении инициаторов
(источников свободных радикалов)
• при высокой температуре
• при различных видах облучения
С(СН3)4 + Сl2= C(CH3)3CH2CI +HCl
Задача 2
• В молекуле алкана
содержится x первичных, y
вторичных и z четвертичных
атомов углерода. Найдите
число третичных атомов
углерода.
Решение
• В молекуле алкана CnH2n+2 содержится x
групп CH3, y групп CH2, w групп CH и z
четвертичных атомов C. Тогда можно
выразить количества атомов углерода и
водорода:
• Ответ: Число третичных атомов углерода
равно x – 2z –2.
Задача 3
• Смесь паров пропина и изомерных
монохлоралкенов при 145˚С и давлении 96,5
кПа занимает объем 18 л и при сжигании в
избытке кислорода образует 18 г воды.
Напишите все возможные структурные
формулы монохлоралкенов. Вычислите
объем 1,7%-ного раствора нитрата серебра
(ρ=1,01 г/мл), который может
прореагировать с продуктами сжигания
исходной смеси, если известно, что ее
плотность по воздуху равна 1,757.
Краткое условие задачи
• Дано:
• V (С3Н4 + СnH2n-1CI) = 18л
•
•
•
•
•
Р= 96,5 кПа
D(воздух) =1,757
m (H2O) =18 г
ρ(AgNO3)= 1,01г/мл
ω (AgNO3)=1,7 %
Формулы СnH2n-1CI ?
V раствора AgNO3 = ?
Решение
• РV=nRT
Р=96,5·103 Па; Т=418˚ К; V= 18·10-3м R=8,31
• n=PV/RT n=96,5·103·18·10-3/418·8,31=0,5
n=0,5 моль смеси паров С3Н4 + СnH2n-1CI
• Примем за Y количество моль С3Н4
• C3H4+4O2 →3CO2 +2H2O
y моль
2y моль
CnH2n-1Cl +(3n-1)/2 O2 → nCO2 +(n-1) H2O + HCl
(0,5-y)моль
(0,5-y)·(n-1)моль
• Мr(C3H4) =40 Мr(CnH2n-1Cl) =14n+34,5
m(C3H4)=40y m(CnH2n-1Cl) =(0,5-y)·(14n+34,5)
n(H2O) = 18/18=1моль выделилось
• М(смеси) =1,757·29= 51г/моль
• М(смеси) =(m1+m2)/(n1+n2)
• Cоставим систему уравнений:
51=40y+(0,5-y)·(14n+34,5) / 0,5 (для смеси)
1=2y+(0,5-y)·(n-1)
(для воды)
Решив её, получим 36,5у=13
у=0,356 моль, т.е. n(С3Н4)=0,356 моль
n(CnH2n-1Cl) =0,5-0,356= 0,144моль
Подставим значение у в уравнение (2)
системы и найдем n:
1=2y+(0,5-y)·(n-1) 1=0,356·2+0,144·(n-1)
1= 0,712 + 0,144n - 0,144
0,144n= 0,432 n=3
C3H5Cl
СН2=СН-СН2Сl 3-хлорпропен ; Cl-CH=CH-CH3;
1-хлорпропен
СН2=С(Сl)-СН3;
СН2
2-хлорпропен
H2C
СН-Cl
• Качественная реакция на хлорид-ион
HCl + AgNO3 = AgCl↓ + HNO3
Mr=170
n(AgCl)=n(HCl)=n(CnH2n-1Cl) =0,144 моль
m(AgNO3)=0,144моль·170г/моль=24,48 г
ω(AgNO3)= m(AgNO3)·100% / m(р-ра)
m(р-ра)= m(AgNO3)·100% /ω =24,48·100/1,7
m(р-ра)=1440г
m(р-ра)=V·ρ V=m/ρ
V=1440г/1,01г/мл=1425,7мл
Галоидирование алканов
F2 очень энергичен и если не принять
мер предосторожности, полностью
разрушает органические молекулы.
Сl2 и Вr2 применяют для радикального
замещения атомов водорода в
алканах.
I2 не способен к реакции прямого
замещения водорода
Энергия связи
• С-Н у первичного (99 ккал/моль)
•
у вторичного (94 ккал/моль)
•
у третичного (90 ккал/моль)
• Особенно избирательно действует бром
(Br2):скорости бромирования у первичного,
вторичного и третичного атомов углерода
относятся как:
1 : 32 : 1000
Для хлорирования (Cl2): 1: 3,9 : 5,1
Задача 4
Рассчитать выход изомеров при
реакциях:
• хлорирования и
• бромирования изопентана ( 2метилбутана)
Решение
Cl-CH2-CH(CH3)CH2-CH3
CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-Cl
l
lll
ll
l
СН3-СН- СН2-СН3 + Сl2
СН3
l
CH3-C(Cl)(CH3)-CH2-CH3
CH3-CH(CH3)-CH(Cl)-CH3
Количество атомов Н при первичных атомах углерода 9
Вторичных
2
Третичных
1
• Доля продуктов реакции от всей
смеси продуктов =V·n (число атомов
водорода определенного вида):
• Для первичных 1 · 9 = 9
21,9
• Для вторичных 3,9 · 2 = 7,8
• Для третичных 5,1 · 1 = 5,1
• ω1= (9/21,9)·100% = 41%
• ω2= (7,8/21,9)·100% = 36%
• ω3= (5,1/21,9)·100% = 23%
Задача 5
Решение:
Задача 6
При окислении смеси органических
соединений А и Б избытком
подкисленного раствора
перманганата калия образуются
оксид углерода (IV) и белое
кристаллическое вещество В,
которое превращается в бензол при
нагревании с гидроксидом натрия.
Определите
качественный и количественный состав
смеси А и Б, если известно, что
количество гидроксида натрия,
необходимое и достаточное для
поглощения выделившегося при
окислении газа, равно 0,25 количества
NaOH, пошедшего на превращение в
бензол вещества В. При реакции
исходной смеси с хлором на свету могут
образоваться только три
монохлорпроизводных углеводорода.
Решение
• Решение задачи ведем с конца: только три
монохлорпроизводных, значит, только три
типа атомов углерода в боковых цепях
С6Нx(СН2)nСН3. Соединений - два, типов Сатомов - три, значит, в смеси присутствует
толуол А (первый тип боковых С-атомов) и
еще одно органическое соединение Б гомолог толуола, дающий при окислении СO2
5С6Н5-СН3+6КMnO4+9H2SO4→ 5C6H5-COOH +
+
6MnSO
+
3K
SO
+
14H
O
4
2
4
2
A
КMnO4+ H2SO4
С6Н5-(CH2)nСН3
Б
→ C6H5-COOH + nCO2
бензойная к-та
t0C
С6Н5-СOOH+2NaOH→ C6H6 + Na2CO3+H2O
В
• Из 1 моль толуола (А) и 1 моль Б
образуется 2 моль бензойной кислоты,
которую можно декарбоксилировать 4
моль NaOH.
• Значит, на поглощение СO2
потребовалось 0,25 · 4 = 1 моль щелочи:
NaOH + CO2
NaHCO3.
Таким образом, на 1 моль Б образуется 1
моль СО2 (n =1), т. е. Б - этилбензол
Основы номенклатуры органических
соединений
Систематическая номенклатура ИЮПАК
ИЮПАК [от английского названия Международного
союза чистой и прикладной химии — International
Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)]
Систематические названия
составлены из слов, специально
созданных или выбранных для
описания структурных особенностей
соединения.
Систематическая номенклатура ИЮПАК
Характеристическая
группа
Префикс
Суффикс
—(C)OOH
—
-овая кислота
—COOH
карбокси-
-карбоновая кислота
—SO3H
сульфо-
-сульфокислота
—(C)H=O
оксо-
-аль
—CH=O
формил-
-карбальдегид
оксо-
-он
—OH
гидрокси-2
-ол
—SH
меркапто-
-тиол
—NH2
амино-
-амин
—NO2
ннтро-
—
—OR
алкокси-
—
=С=О
—F, —Cl,
(Hal)
—Br,
—I фтор-, хлор-, бром-,
иод- (галоген-)
—
Алканы. Номенклатура
Систематическая номенклатура ИЮПАК
1) выбирают самую длинную цепь атомов углерода
(родовую структуру), если несколько одинаковых, то
наиболее разветвленную (главную);
2) главную цепь нумеруют так, чтобы сумма цифр
заместителей была наименьшей;
3). Боковые цепи-заместители, их названия ставят перед
названием главной цепи, цифрой (локант) указывают
номер атома углерода в главной цепи, у которого
находится заместитель, а затем в виде префикса называют
этот заместитель;
Алканы. Номенклатура
4) Радикалы перечисляются в алфавитном
порядке. Если заместители одинаковые, то к
их названию добавляют умножительные
приставки ди-, три-, тетра-, пента- и т. д.
5).Называют родовую структуру (корень) и
добавляют окончание класса соединений
Общая схема названия органических
соединений
Локант
Префикс
Кореньродовая
структура
Цифры
(положение
Заместителей)
Название
радикаловзаместителей
Главная УВ-цепь
Суффикс
Окончание
-ан,
-ол