Embed Size (px)
Citation preview
Лекція №1
Тема: Вступ. Основи будови органічних сполук
Органічна хімія – це наука, яка вивчає сполуки Карбону з іншими
елементами. Крім Карбону, до складу органічних сполук можуть входити
такі елементи як: H, O, Cl, I, Br, N, P, S тощо.
Сучасна органічна хімія – одна з найбільших галузей
природознавства. Виділення її в самостійний розділ хімічної науки
спричинене великою кількістю і різноманіттям органічних сполук, істотною
відмінністю їх реакційної здатності, а також винятковою важливістю
органічної хімії в житті людини і суспільства.
Причинами відокремлення органічної хімії в окрему науку є :
а) велика кількість органічних сполук;
б) особливі властивості органічних сполук (горючість, нестійкість, не
проводять електричного струму, реакції відбуваються повільно, характерне
явище ізомерії та ін.);
в) велике практичне застосування.
Сьогодні відомо понад 16 млн. органічних сполук, тоді як неорганічних –
лише близько 700 тисяч. Щороку одержують приблизно 250-300 тисяч
нових органічних сполук. Органічні речовини відіграють важливу роль у
життєдіяльності рослинних і тваринних організмів, вони є основою вияву
життя. Досягнення органічної хімії широко використовується в
повсякденному житті людини – це пластмаси і синтетичний каучук,
барвники і вибухові речовини, штучні волокна і паливо, лікарські і
косметичні речовини. Надзвичайно важливе місце посідає органічна хімія і
в системі фармацевтичної освіти, скільки майже 90% лікарських препаратів
складають органічні сполуки.
В розвитку органічної хімії виділяють чотири періоди:
а) емпіричний (початок і середина 18 ст.);
б) аналітичний (кінець 18ст. - початок 19ст.);
в) структурний (друга половина 19 ст. початок 20 ст.);
г) сучасний (середина 20ст. і до наших днів).
Важливим періодом в розвитку органічної хімії є структурний, який
характеризується бурхливим розвитком органічної хімії як самостійної
науки. Особливого значення набуває органічний синтез, за допомогою якого
одержано тисячі невідомих в природі речовин. З’являються нові галузі з
виробництва синтетичних барвників, вибухових речовин, лікарських
засобів. На основі сучасної органічної хімії розвивається хімія
гетероциклічних, високомолекулярних сполук, алкалоїдів, вітамінів,
гормонів, хімія елемент органічних сполук.
Основоположником органічної хімії є російський хімік
О. М. Бутлеров, який створив теорію хімічної будови органічних речовин –
вчення про взаємозв’язок, розміщення і взаємний вплив атомів у молекулах
органічних сполук.
Основні положення теорії хімічної будови О. М. Бутлерова:
1. Атоми в молекулах органічних речовин сполучені один з одним у
певній послідовності, відповідно до їх валентності.
2. Властивості речовин залежать не тільки від якісного і кількісного
складу молекули, але й від послідовності розміщення атомів у
молекулі, тобто, від хімічної будови молекул. Речовини можуть мати
однаковий якісний та кількісний склад, але різну будову молекул. Такі
речовини називають ізомерами.
3. Атоми або групи атомів, які входять до складу молекули, взаємно
впливають один на одного, від чого і залежить реакційна здатність
молекули.
4. Вивчаючи реакційну здатність речовини, можна встановити її будову,
і навпаки, за будовою речовини можна судити про її властивості.
Теорія О. М. Бутлерова має фундаментальне значення для розвитку
хімії, оскільки визначає основні особливості хімічної будови молекул. На
основі теорії О. М. Бутлерова розроблено сучасну номенклатуру і
класифікацію органічних сполук.
Номенклатура.
Хімічна номенклатура - це сукупність назв індивідуальних хімічних
сполук, їх груп і класів, а також правила складання їх назв.
Номенклатура буває тривіальна (емпірична); раціональна;
систематична або міжнародна (IUPAC).
1. Тривіальна (емпірична) номенклатура найчастіше вказує на
джерела одержання тієї чи іншої сполуки (яблучна кислота, винний спирт),
а також вказує на спосіб добування сполуки (піровиноградна кислота – це
виноградна кислота після термічної обробки).
2. Раціональна – враховує будову сполук. В її основу покладено поділ
органічних сполук на певні класи у вигляді гомологічних рядів. Наприклад,
триметилметан гексаметилетан
Однак, для утворення назв складніших сполук раціональна
номенклатура непридатна і тепер не рекомендована.
3. Міжнародна номенклатура IUPAC передбачає декілька варіантів
утворення назв органічних сполук. Найчастіше використовують
радикально-функціональну та замісникову номенклатури.
Радикально-функціональна номенклатура утворюється з назв
радикала і природи функціональної групи, що відноситься до певного класу
органічних сполук:
- н-пропіловий спирт;
- діетиламін
Замісникова номенклатура використовується при заміні атома або
атомів водню у головній структурі найпростіших вуглеводнів іншими
залишками або функціональними групами, які називаються замісниками.
При складанні назв необхідно визначити всі функціональні групи, що
входять до складу сполуки, і вибрати серед них головну.
2-метилпропан 2,2,3,3-тетраметилбутан
Послідовність складання назви включає:
1) визначення головної (старшої) групи;
2) вибір родоначальної структури;
3) нумерація родоначальної структури;
4) називають в алфавітному порядку функціональні групи (крім
старшої) та вуглеводневі радикали.
Послідовність складання назви має загальний вигляд:
Назва = префікс + корінь + суфікс
Хімічна формула - символічний запис, що показує якісний і кількісний
склад хімічної речовини.
Проста хімічна формула - показує співвідношення елементів, що
входять до складу хімічної речовини.
Молекулярна формула - показує кількість атомів кожного з елементів,
що входять до складу молекули (брутто-формула).
Структурна хімічна формула - показує порядок з'єднання атомів у
молекулі.
Ізомери.
Ізомери – це сполуки, які мають однаковий якісний та кількісний
склад, але різну будову і різні фізико-хімічні властивості. Ізомерія буває
двох видів – структурна та просторова:
1) Структурна:
а) ізомерія карбонового ланцюга;
б) ізомерія положення кратного звязку;
в) ізомерія функціональних груп (міжкласова ізомерія).
2) Просторова ізомерія (стереоізомерія):
а) конфігураційна;
б) конформаційна ізомерія.
Структурна ізомерія – ізомерія, яка повязана з різним порядком
сполучення атомів у молекулі.
Ізомерія карбонового ланцюга - це ізомерія речовин, які мають різну
будову ланцюга атомів Карбону, різні фізичні властивості. Наприклад, для
двох ізомерів гексану С6Н14 спостерігається різний порядок сполучення
атомів Карбону:
н-гексан (С6Н14)
2-метилпентан (С6Н14)
Насичений вуглеводень бутан C4H10 утворює два ізомери, які
відрізняються порядком сполучення атомів Карбону. Ароматичні
вуглеводні антрацен і фенантрен мають однакову молекулярну формулу
С14H10, але відрізняються порядком сполучення атомів Карбону, тобто є
ізомерами.
бутан ізобутан
Ізомерія положення звязку – це ізомерія сполук, які мають різне
положення подвійного або потрійного зв’язку в ланцюгу.
Ізомерія функціональних груп – це вид структурної ізомерії, коли
ізомери відрізняються функціональними групами.
Ізомерія положення звязку та функціональних груп:
Просторова ізомерія
Стереоізомери – речовини, які мають однаковий склад і порядок
зв'язування атомів у молекулі, але відрізняються між собою різним
розміщенням у просторі атомів та атомних груп. Для характеристики
просторових відмінностей у стереоізомерії використовують поняття
конфігурації і конформації.
Конфігурація – це розташування атомів і атомних груп довкола якогось
елемента молекули. Найчастіше таким елементом молекули є подвійний
зв'язок або асиметричний (хіральний) атом Карбону. За цією ознакою
конфігураційні ізомери поділяють на:
- геометричні( цис-, транс-) ізомери;
- дзеркальні (оптичні) ізомери.
Геометричні (цис-, транс-) ізомери – речовини, які мають однаковий
склад і різне розташування атомів та атомних груп молекул відносно
подвійного звязку.
До цис-ізомерів відносять такі, що мають однакові замісники по одну
сторону від площини, в якій розташований π-зв’язок. До транс-ізомерів
відносять такі, що мають однакові замісники по різні сторони від площини,
в якій розташований π-зв’язок.
бутен-2 бутен-2
цис-ізомер транс-ізомер
Дзеркальні (оптичні) ізомери – це ізомери, які виникають в
результаті різного розташування елементів молекули довкола хірального
атома Карбону.
Хіральним атомом називають такий атом, у якого всі чотири
замісники різні. Його позначають зірочкою С*. Дзеркальні (оптичні)
ізомери часто називають енантіомерами.
Хімічний зв’язок в молекулах органічних сполук
Якщо в неорганічній хімії домінує йонний зв'язок, то в органічній хімії
найчастіше зустрічається ковалентний зв'язок. У більшості органічних
сполук цей зв'язок неполярний, лише в окремих речовинах, що містять
функціональні групи –ОН, -С=О, -СООН, -NH2, він є полярним.
Зміну форми атомних орбіталей при утворенні хімічного звязку
називають гібридизацією.
Для атома Карбону характерні три види гібридизації за участю s- і p-
орбіталей: sp3-, sp
2-, sp-гібридизація. Кожному з цих видів відповідає
певний валентний стан атому.
sp3-гібридизація
(перший валентний стан) - відбувається внаслідок
взаємодії однієї s- і трьох p-орбіталей, в результаті утворюється чотири
якісно нові, рівноцінні sp3-гібридні орбіталі спрямовані під кутом 109
о28′.
Будова молекули в просторі – тетраедрична.
sp2-гібридизація (другий валентний стан)- відбувається внаслідок
взаємодії однієї s- і двох p-орбіталей. В результаті утворюється три sp2-
гібридні орбіталі, що лежать в одній площині під кутом 120о. Будова
молекули в просторі – трикутна (тригональна).
sp-гібридизація (третій валентний стан) – виникає у результаті
перекриття однієї s- і однієї p-орбіталі. При цьому утворюється дві sp-
гібридні орбіталі, розташовані одна до другої під кутом 180о. Будова
молекули у просторі – лінійна.
Основні характеристики ковалентного зв'язку
Тип
гібридизації Зв'язок
Довжина
звязку ℓ, нм
Валентний
кут, α
Енергія
звязку,
кДж/моль
sp3
C-C 0,154 109о28' ~ 350
sp2
C=C 0,134 120º ~ 610
sp C≡C 0,121 180º ~ 820
Довжина зв'язку – це відстань між ядрами атомів, які його утворили.
Енергія зв'язку – енергія, що виділяється при його утворенні.
Полярність зв'язку – нерівномірний розподіл електронної густини між
двома сусідніми атомами, які відрізняються своєю електронегативністю.
Якщо хімічний зв'язок утворюють атоми з однаковою електронегативністю,
то такий зв'язок буде неполярним, а якщо цей зв'язок утворюють атоми з
різною електронегативністю, то він буде полярним.
Напрямленість зв'язку - валентний кут, який характеризує просторову
будову молекули.
Поляризованість зв’язку – зміна розподілу електронної густини під дією
зовнішніх факторів (реагентів, розчинників, каталізаторів).
Взаємний вплив атомів в органічних сполуках
Усі атоми в органічних молекулах взаємозв’язані та взаємно
впливають один на одного. Зміщення електронних хмар (електронної
густини) у молекулі під впливом замісників називають електронними
ефектами.
Замісники, які містяться у молекулі, можуть суттєво впливати на
характер розподілу в ній електронної густини. Передача електронного
впливу шляхом зміщення електронної густини найчастіше відбувається за
σ- і π-зв'язками і називається електронним ефектом.
Індукційний ефект – передача електронного впливу при поляризації
σ-зв'язків внаслідок різної електронегативності атомів, учасників зв'язку.
Позначають літерою І. Буває: позитивним ( +І ) і негативним (-І ).
Атоми або групи атомів, які притягують до себе електрони мають
-І ефект, а замісники, які відштовхують від себе електрони, мають +І ефект
. Позитивний індукційний ефект мають алкільні радикали (СН3-, С2Н5- і т.д).
Всі інші замісники, зв’язані з атомом Карбону, мають негативний
індукційний ефект.
Мезомерним ефектом називають перерозподіл електронної густини
вздовж спряженої системи.
+М ефект виявляють замісники, які надають електрони у спряжену
систему. До них відносять атоми, що містять неподілені пари електронів або
негативний заряд, а також атомні групи, котрі мають на першому атомі
неподілені електронні пари або негативний заряд.
- М ефект виявляють замісники, які відтягують електронну густину
спряженої системи. Це замісники, перший атом яких несе позитивний заряд,
а також атомні групи, в яких перший атом зв’язаний кратним зв’язком з
більш електронегативним атомом.
Виявлення мезомерного ефекту є сильнішим, ніж індукційного.
Ефект надспряження – взаємодія, що виникає при перекриванні
електронної хмари С-Н зв'язку з вакантною р-орбіталлю суміжного атома,
розташованого в α–положенні до цього зв'язку. Тобто, надспряження
характерне для речовин, в котрих атом Карбону, який несе принаймні один
атом Гідрогену, зв’язаний з ненасиченим угрупуванням:
Кислотність і основність органічних сполук
Для характеристики кислотно-основних властивостей органічних
сполук використовують дві теорії: протонну теорію Бренстеда та
електронну теорію Льюїса.
Теорія Бренстеда
В основі теорії Бренстеда лежить здатність хімічної сполуки
приєднувати або віддавати протон. Кислота – це речовина, яка здатна
віддавати протон, а основа – речовина, що приєднує протон. Кислота,
віддавши протон, перетворюється на основу, яку називають спряженою
основою даної кислоти.
NH3 + HCl → NH4+ + Cl
-
основа кислота спряжена спряжена
кислота основа
Типи органічних кислот:
1. ОН – кислоти: карбонові кислоти, спирти, феноли, вода та інші
сполуки, які вміщують гідроксигрупу.
2. SН – кислоти: тіоли, тіолові кислоти та інші сполуки з SН- групою.
3. NН – кислоти: аміни, аміди кислот, іміди.
4. СН – кислоти: сполуки, що вміщують сильнополярні С-Н - зв'язки.
Типи органічних основ:
1. Амонієві : (центр основності атом Нітрогену) аміни, нітрили.
2. Оксонієві: (центр основності атом Оксигену ) спирти, етери.
3. Сульфонієві: (центр основності атом Сульфуру), тіоспирти, тіоетери.
Теорія Льюїса
Основа – будь-яка частинка, що віддає електронну пару на утворення
ковалентного зв'язку. Кислота – будь-яка частинка, що приймає пару
електронів.
Кислоти:
м'які: жорсткі:
Сu2+
, Ag+, I2, Br2 Li
+, Na
+, К
+, AlCl3, Ca
2+
низька електронегативність, висока
електронегативність,
великий об'єм, малий об'єм,
низький позитивний заряд високий позитивний заряд
Основи:
м'які жорсткі
СN-, C6H6, C2H4, RSH Н2О, ОН
-, F
-, Cl
-, CH3COO
-, R-
O-R
атоми-донори, атоми-донори,
низька електронегативність, висока електронегативність,
висока поляризованість низька поляризованість
Лекція №2 Тема: Найважливіші класи органічних сполук. Вуглеводні. Насичені
вуглеводні
Класифікація органічних сполук за будовою карбонового скелету
Ациклічні (аліфатичні) сполуки мають відкритий ланцюг
карбонових атомів. Серед них розрізняють насичені та ненасичені. До
насичених відносять такі, які мають лише одинарні С-С зв’язки. В
молекулах ненасичених сполук знаходяться подвійні С=С або (і) потрійні
СС зв’язки.
Насичена аліфатична сполука :
алкан
Ненасичені аліфатичні сполуки:
алкен
алкін
Органічні
сполуки
Ациклічні
(аліфатичні)
Циклічні
Карбоциклічні Гетероциклічні
Аліциклічні Ароматичні
алкадієн
Циклічні сполуки поділяються на:
- карбоциклічні, які мають цикл, побудований лише з атомів Карбону;
- гетероциклічні, що містять у циклі поряд з атомами Карбону різні за
природою елементи (переважно N, O, S) і бувають насичені та
ненасичені.
Карбоциклічні сполуки поділяють на аліциклічні та ароматичні.
Ароматичні містять в молекулі одне або більше бензенових ядер. Для
аліциклічних сполук така структура не характерна.
Класифікація органічних сполук за природою функціональної групи
Функціональні групи – це групи атомів, які надають речовинам
певних хімічних властивостей. Наприклад, карбоксильна функціональна
група –СООН визначає властивості будь-якої сполуки як кислоти, а група –
ОН - як спирту.
За природою функціональної групи органічні сполуки поділяють на
класи.
Клас сполук Функціональна
група
Назва групи
1 2 3
Галогенопохідні
вуглеводні
-F, -Cl,
-Br, -I
Галогено-
Спирти, феноли -OH Гідроксильна
Альдегіди
Альдегідна
Кетони
Карбонільна (оксо-)
Карбонові кислоти
Карбоксильна
(карбокси-)
Сульфокислоти Сульфо-
Естери
Алкоксикарбонільна
Аміди кислот
Амідна
Нітросполуки -NO2 Нітро-
Аміни Аміно-
Органічні сполуки, які складаються з двох хімічних елементів –
Карбону і Гідрогену, називають вуглеводнями.
Вуглеводні поділять на три групи:
- насичені,
- ненасичені,
- ароматичні.
Алкани (або парафіни) - це вуглеводні аліфатичного ряду, в
молекулах яких атоми зв’язані між собою лише простими ковалентними
зв’язками. Їх ще називають насиченими вуглеводнями. Загальна формула
алканів CnH2n+2 Молекули цих сполук максимально насичені Гідрогеном і
містять лише одинарні зв’язки між атомами С – С і С – Н , валентний кут
між зв'язками 109о
28΄, характерна sp3-гібридизація, наявність σ-
зв'язку між атомами. Це найпростіший клас органічних сполук, які
поширені в природі у трьох агрегатних станах: газоподібному (природний
газ), рідкому (нафта) і твердому.
Алкани утворюють гомологічний ряд, першим представником якого є
метан. Кожний член цього ряду відрізняється від наступного на групу
атомів СН2 (гомологічна різниця).
Перші члени гомологічного ряду алканів
Назва Молекулярна формула
Метан
Етан
Пропан
Бутан
Пентан
Гексан
Гептан
Октан
Нонан
Декан
СН4
С2Н6
С3Н8
С4Н10
С5Н12
С6Н14
С7Н16
С8Н18
С9Н20
С10Н22
Метан і його гомологи. Найпростішим представником алканів є
метан,
Молекулярна формула метану: СН4
Структурна формула метану:
Електронна формула метану:
Будова молекули метану. Молекула метану утворена за допомогою
4 ковалентних σ-звязків. Вони виникають внаслідок перекриття s-орбіталей
атома Гідрогену і sp3
– гібридних АО атома Карбону. Усі зв’язки рівноцінні
за енергією і симетрично напрямлені у просторі.
Будова молекули метану Будова молекули етану
Молекула метану має тетраедричну форму, атом Карбону
розташований в центрі тетраедра.
Молекула етану С2Н6 складається з двох тетраедрів, молекула
пропану – з трьох.
Основним видом ізомерії алканів є ізомерія карбонового скелета.
Починаючи з бутану С4Н10, одній і тій самій молекулярній формулі
відповідає декілька алканів, що відрізняються будовою карбонового
ланцюга, (тобто числом атомів Карбону в головному ланцюгу). Наприклад,
пентан С5Н12 має три ізомери:
н-пентан ізопентан,
2-метилбутан
неопентан,
2,2-диметилпропан
Способи добування
1. Виділення з нафти, природного газу, нафтового газу, коксового газу та
ін;
2. Гідроліз алюміній карбіду - одержання метану:
3. Каталітичне гідрування СО (синтез Фішера-Тропша):
суміш н-алканів
4. Взаємодія галогенпохідних алканів з металічним натрієм (реакція
В’юрца):
5. Нагріванням суміші натрій ацетату з лугом сухим (реакція Дюма):
Фізичні властивості
Властивості гомологів змінюються відповідно до зростання їх
молекулярної маси. Перші чотири члени гомологічного ряду алканів С1 – С4
за звичайних умов – гази, С5 - С15 – рідини, а інші тверді речовини.
Метан – безбарвний газ без запаху, практично нерозчинний у воді, у
два рази легший за повітря. Метан і деякі його гомологи є складовою
частиною природного газу (80-97%), також метан міститься у нафтовому та
коксовому газах (до 25%).
Хімічні властивості
За звичайних умов метан і його гомологи хімічно інертні. Вони стійкі
до дії концентрованих кислот, не реагують з розплавами лугів, не
окиснюються сильними окисниками.
1. Реакція галогенування проходить за вільнорадикальним механізмом
(ініціювання, зростання ланцюга і його обрив). Заміщення атомів
Гідрогену проходить вибірково спочатку біля третинного, потім біля
вторинного, а далі біля первинного атома Карбону. Реакція
проходить при УФ-опроміненні або нагріванні до температури
3000С:
2. Реакція нітрування (реакція Коновалова) :
3. Реакції окиснення (горіння) :
4. Крекінг алканів :
5. Піроліз метану (промисловий метод отримання сажі і водню):
промисловий метод отримання ацетилену:
6. Сульфохлорування:
(алкансульфохлориди)
7. Сульфоокислення:
(алкансульфокислоти)
8. Дегідрогенізація (дегідрування) алканів:
Циклопарафіни
Насичені вуглеводні, які містять замкнуті цикли з атомів Карбону,
сполучених між собою одинарними σ-зв’язками, називають
циклоалканами або циклопарафінами. Їх поділяють на:
- малі цикли (3- і 4-членні)
- звичайні (5-, 6- і 7-членні)
- середні (8- 11-членні)
- макроцикли (12- і більше членні).
Циклоалкани бувають:
- моноциклічні,
- біциклічні,
- поліциклічні.
Біциклічні поділяються на:
- спірани (2 кільця і один спільний атом С),
- конденсовані (2 кільця і 2 спільні атоми С)
- місткові (2 кільця і три або більше спільних атомів С).
Ці сполуки утворюють гомологічний ряд, члени якого також
відрізняються на одну або декілька груп -СН2. Загальна формула CnH2n , де n
– число атомів Карбону з найменшим значенням n, яке дорівнює три.
Назва
цикло-
алкану
Циклопропан Циклобутан Циклопентан Циклогексан
Структурна
формула
Спрощена
формула
Для утворення назви циклоалканів та їх похідних перед назвою
відповідного вуглеводню додають префікс «цикло», а для похідних – перед
префіксом «цикло» вказують назву замісника.
Для циклоалканів характерна структурна, оптична і геометрична
ізомерії.
Структурна ізомерія зумовлена різною величиною циклу, різним
положенням замісників, різною структурою бокових ланцюгів.
Оптична ізомерія характерна для молекул, які не мають площини
симетрії.
Геометрична ізомерія зумовлена різним розташуванням замісників
відносно площини циклу (цис - і транс-ізомери).
Хімічні властивості
За хімічними властивостями вони подібні до алканів (реакція
радикального заміщення), а три- і чотиричленні циклоалкани вступають в
реакції приєднання, що супроводжується розривом циклу і приєднанням
різних речовин (Н2, Н2О, НCl, галогенів).
Добувають циклоалкани з природньої сировини, дигалогенопохідних,
піролізом солей дикарбонових кислот і димеризацією алкенів.
Окремі представники та застосування їх у медицині
Алкани та циклоалкани є цінною сировиною для синтезу багатьох
лікарських препаратів.
Вазелінову олію (суміш алканів до С15) застосовують для виготовлення
деяких лікарських форм і як компонент у парфумерно-косметичній
промисловості.
Вазелін (суміш алканів С12-С15) – як основа для виготовлення мазей.
Парафін (суміш алканів С18-С35) – біла тверда маса з високою
теплоємністю, яку використовують як фізіотерапевтичний засіб.
Озокерит – природна суміш вищих алканів, яку також використовують
у фізіотерапії.
Фторотан – летка рідина, що має сильну наркотичну дію (для
інгаляційного наркозу).
Етилхлорид (хлоретил, хлоретан) – у зв’язку з високою леткістю при
взаємодії з шкірою швидко випаровується, спричинюючи різке
охолодження і знеболюючу дію, що обумовлює його застосування в
медичній практиці як засобу для місцевого знеболювання.
Мідантан – застосовується як препарат, що має противірусну дію
(проти вірусів грипу типу А2), а також для лікування хвороби Паркінсона.
Ремантадин – використовують як противірусний засіб.
Лекція №3 Тема: Ненасичені вуглеводні.
Алкени
Алкени (олефіни) – це ненасичені вуглеводні, які мають один
подвійний зв'язок між атомами Карбону, sp2-гібридизацію, валентний кут
120оС, наявність σ- і π- зв'язків. Загальна формула алкенів СnH2n. Вони
утворюють гомологічний ряд етилену. Тому алкени називають ще
етиленовими вуглеводнями. А також їх називають олефінами, оскільки,
приєднуючи галогени, утворюють олії.
У алкенів можлива структурна ізомерія як за рахунок різної будови
карбонового ланцюга, так і за рахунок положення подвійного зв'язку.
Наприклад, сполуці С4Н8 (бутену) відповідає три ізомери:
бутен-1 бутен-2
2-метилпропен-1
Також для алкенів можлива просторова (геометрична) ізомерія
(цис- і транс- ізомери). Якщо два замісники однакові, то використовують
цис-транс-ізомерію. Якщо біля атомів, зв'язаних подвійним зв'язком 3 або 4
замісники різні, то використовують Е, Z-системи. Е - старші замісники, які
знаходяться біля одного атома Карбону і розміщені по одну сторону від
подвійного зв’язку, Z - по різні сторони.
Номенклатура. За правилом ІЮПАК алкени мають закінчення –ен.
Головний ланцюг нумерують, починаючи з того кінця, до якого ближче
подвійний зв'язок.
етен (етилен)
бутен-2 4,4-диметилпентен-2
2-метилбутен-1
Способи добування
1. Крекінг алканів нафти:
2. Дегідратація спиртів (згідно правила Зайцева):
Якщо в молекулі спирту атоми Карбону, що суміжні з атомом Карбону,
який зв’язаний з гідроксигрупою, нерівноцінні, то відщеплення води
проходить переважно таким чином, що разом з гідроксилом відходить
Гідроген від менш гідрогенізованого сусіднього атома Карбону. Ця
закономірність була встановлена російським хіміком О.М. Зайцевим і
дістала назву правила Зайцева.
3. Відщеплення галогенів (Cl2, Br2):
4. Відщеплення галогеноводню (HCl, HBr дегідрогалогенування згідно
правила Зайцева):
5. Гідрування алкінів:
Етен і його гомологи
Молекулярна формула етилену: С2Н4.
Структурна формула:
Електронна формула:
Будова молекули. Зв'язок між атомами Карбону подвійний ( один σ- і
один π-), стан гібридизації АО атомів Карбону sp2, валентні кути 120
о, ядра
всіх атомів розміщені в одній площині.
Схема утворення зв’язків в молекулі етилену
Фізичні властивості
Етилен – це безбарвний газ з солодкуватим запахом, нерозчинний у
воді, дещо легший за повітря. В природі зустрічаються рідко, внаслідок
великої хімічної активності. В незначній кількості міститься в нафті і
природному газі.
Хімічні властивості
За хімічними властивостями етилен і його гомологи досить
реакційноздатні, вступають в реакції:
1. Реакції приєднання:
а) гідрогенізації:
б) галогенування:
(1,2-диброметан)
в) гідрогаленування: (брометан)
г) гідратація в присутності сильних кислот:
(етиловий спирт)
Реакції проходять за електрофільним механізмом. Реакції
приєднання галогеноводнів і води проходять вибірково, згідно правила
Марковнікова. Суть цього правила формулюється таким чином: при
взаємодії галогеноводнів і споріднених з ними сполук з несиметричними
алкенами атом Гідрогену приєднується за місцем розриву подвійного
зв’язку до більш гідрогенізованого атома Карбону, тобто до атома Карбону,
який зв’язаний з більшою кількістю атомів Гідрогену.
2. Реакції оксидації .
Оксидація проходить при дії розчину KMnO4 в нейтральному і
слаболужному середовищі, при цьому утворюються двохатомні спирти і
відбувається знебарвлення розчину та випадання коричневого осаду MnO2.
Концентровані розчини KMnO4 оксидують алкени з розривом подвійного
зв'язку і утворенням кетонів, альдегідів, карбонових кислот. Алкени легко
озонуються з утворенням озонідів.
а) реакція Вагнера (окиснення Калій перманганатом у лужному
середовищі:)
б) реакції окиснення Калій перманганатом у кислому середовищі:
етилен етиленгліколь
3. Реакція гідрування (відновлення):
4. Реакції полімеризації – процес сполучення одна з одною молекул
низькомолекулярних речовин (мономерів) з утворення
високомолекулярних сполук (полімерів).
Алкіни
Вуглеводні, в молекулах яких міститься потрійний зв'язок між атомами
Карбону і мають загальну формулу СnH2n-2, називають алкінами або
ацетиленовими вуглеводнями. Алкіни містять у молекулі один потрійний
зв'язок, який складається з одного σ- та двох π-зв’язків. Атомні орбіталі
атомів Карбону, з’єднаних потрійним зв’язком, знаходяться в стані sp-
гібридизації, валентний кут 180о. Першим представником цього ряду
сполук є ацетилен (етин) С2Н2.
Номенклатура та ізомерія
Назви алкінів утворюють від назв відповідних алканів замінюючи
суфікс –ан на –ін (-ин). Якщо алкін має розгалужений карбоновий ланцюг,
то як головний вибирають той, що містить потрійний зв'язок. Перед назвою
головного ланцюга вказують номер атома Карбону, біля якого знаходиться
замісник. Місце положення потрійного зв’язку вказується в кінці назви.
етин(ацетилен) бутин-2 бутин-1
Для алкінів властива структурна ізомерія, зумовлена як
розгалуженням карбонового ланцюга, так і положенням потрійного
зв’язку, наприклад:
бутин-2 бутин-1
3-метилбутин-1
пентин-1
Оскільки загальна формула алкінів СnH2n-2 відповідає формулі
алкадієнів, то вони є міжвидовими ізомерами:
бутин-1 бутадієн-1,3
На відміну від алкенів, просторова ізомерія для алкінів не характерна.
Ацетилен та його гомологи
Молекулярна формула :
Структурна:
Електронна:
Будова молекули ацетилену
У молекулі ацетилену зв'язок між атомами Карбону потрійний, який
складається з одного σ- та двох π-зв’язків, причому π-зв’язки розміщені у
двох взаємно перпендикулярних площинах. Атоми Карбону, які з’єднані
потрійним зв'язком, знаходяться в стані sp-гібридизації, тобто в процесі
гібридизації беруть участь одна s- і одна p-орбіталі.
Добування ацетилену та його гомологів
1. Гідроліз кальцій карбіду:
2. Піроліз метану:
3. Отримання через галогенпохідні:
Фізичні властивості
Ацетилен – безбарвний газ, легший за повітря, малорозчинний у воді,
горить яскравим полум’ям, з повітрям утворює вибухові суміші. При
згоранні ацетилену в кисні виділяється велика кількість тепла. Подібно до
інших вуглеводнів, алкіни утворюють гомологічний ряд. Формули і назви
цього ряду наведено в таблиці.
С2Н2 С3Н4 С4Н6 С5Н8
етин
(ацетилен)
пропін бутин-1 пентин-1
Хімічні властивості
За хімічними властивостями алкіни подібні до алкенів. Характерні
реакції:
1. Приєднання галогенів:
;
2. Приєднання галоген оводнів(за правилом Марковникова):
3. Гідрогенізація:
4. Реакція Кучерова (реакція приєднання води):
5. Реакція Реппе (тримеризація ацетилену):
6. Реакції утворення ацетиленідів:
7. Димеризація ацетилену з утворенням вінілацетилену:
Ацетиленові вуглеводні проявляють наркотичну дію, але не
використовуються з цією метою, внаслідок токсичності. Головною галуззю
застосування ацетилену є хімічна промисловість. Ацетилен служить
вихідною сировиною для синтезу таких важливих хімічних продуктів, як
пластмаси, бензен, ацетатна кислота та ін. У техніці значні кількості
ацетилену використовуються при автогенному зварюванні і різанні металів.
Алкадієни. Полімерні сполуки
Вуглеводні, які містять в карбоновому ланцюзі два подвійних зв’язки,
називають дієновими або алкадієнами. Загальна формула цих сполук -
СnH2n-2
У залежності від розташування подвійних зв’язків, дієнові вуглеводні
поділяють на :
- кумульовані (або аленові) – коли подвійні зв’язки розміщені поруч:
- кон’юговані (або спряжені) – коли подвійні зв’язки розміщені через
один одинарний зв'язок:
- ізольовані – коли подвійні зв’язки розміщені через два і більше:
Властивості алкадієнів розглянемо на прикладі двох сполук, які
набули найширшого застосування:
бутадієн-1,3(дивініл)
2-метилбутадієн-1,3 (ізопрен)
Як видно з наведених формул, головний ланцюг містить два
подвійних зв’язки, розділені одним простим звязком.
Ізомерія
Для алкадієнів характерні такі самі види ізомерії, як і для алкенів:
- ізомерія карбонового скелета;
- ізомерія положення подвійних звязків;
- геометрична (цис-, транс-) ізомерія.
Фізичні властивості
Бутадієн-1,3 – безбарвний газ, що легко зріджується, має неприємний
запах. Ізопрен – рідина з низькою температурою кипіння, розчинна у спирті.
Хімічні властивості
За хімічними властивостями бутадієн та ізопрен нагадують алкени.
Для них характерні реакції приєднання та полімеризації. Оскільки два
подвійних зв’язки в молекулі алкадієнів функціонують як єдина система, то
реакції приєднання можуть відбуватися у двох напрямках: до одного з
подвійних зв’язків (1,2-приєднання) або до крайніх атомів Карбону з
утворенням нового подвійного зв’язку всередині карбонового ланцюга (1,4-
приєднання). Підбираючи реагенти й умови реакції, можна одержати різні
продукти.
1. Реакції галогенування та гідрогалогенування:
2. Реакції приєднання водню (гідрування):
(бутен-2)
3. Реакції полімеризації – утворення різних видів каучуку.
Зараз відомо більше 2 тис. різних видів каучуків. При їх вулканізації
одержують гуму.
Розрізняють два види каучуків – натуральний і синтетичний.
Синтетичні каучуки за своїми властивостями не поступаються натуральним.
Натуральний (ізопреновий) каучук добувають із соку каучукових
рослин: гевеї, фікусу, ваточника тощо. За хімічною природою натуральний
каучук – це полімер ізопрену, тобто поліізопрен.
Макромолекули натурального каучуку мають структуру цис- 1,4-полі-
ізопрену (метильні групи –СН3 розміщені по один бік подвійного звязку).
Такі просторово впорядковані полімери називають
стереорегулярними. Вони мають лінійну будову у просторі.
Синтетичний (бутадієновий) каучук одержують полімеризацією
1,3-бутадієну за наявності натрію як каталізатора. Сировиною для
добування бутадієну є бутан або етанол. Щоб бутадієновий каучук не
поступався перед натуральним еластичністю та зносостійкістю, то він має
бути стереорегулярної будови, його називають дивініловим каучуком.
Для перетворення каучуків на гуму їх вулканізують, тобто проводять
реакцію взаємодії каучуку з сіркою. В результаті гума стає більш
еластичною, міцнішою і нерозчинною в бензині.
Лекція №4 Тема: Ароматичні вуглеводні.
Арени
Аренами називають органічні сполуки, в молекулах яких міститься
один або декілька бензенових циклів. Бензеновий цикл містить шість атомів
Карбону, замкнутих у кільце з особливим характером хімічного зв’язку між
ними. Арени часто називають ароматичними вуглеводнями, оскільки ці
речовини мають приємний запах і були виділені з природних духмяних
речовин.
У залежності від кількості ароматичних ядер, арени поділяють на:
- одноядерні (моноциклічні);
- багатоядерні (поліциклічні), до яких, у свою чергу, належать арени з
конденсованими циклами та ізольованими циклами.
Способи добування
Джерелами добування аренів є нафта та кам'яне вугілля. З нафти їх
добувають шляхом ароматизації, тобто нагрівають при високих
температурах і тиску в присутності каталізаторів. При цьому одержують
бензен і його гомологи. З кам'яного вугілля арени виділяють під час
коксування. Синтетично одержують шляхом тримеризації ацетиленових
вуглеводнів, цикломеризацією алканів, алкілуванням за реакцією Фріделя-
Крафтса.
Будова бензену. Ароматичність
Найпростішим представником одноядерних ароматичних вуглеводнів є
бензен С6Н6. Вперше структуру бензену у вигляді циклу, в якому
чергуються прості і подвійні зв’язки, запропонував німецький хімік А.
Кекуле:
або
В молекулі бензену всі атоми Карбону розташовані в одній площині.
Карбоновий скелет молекули бензену має форму шестикутника, у вершинах
якого містяться атоми Карбону, які формально зв'язані між собою трьома
одинарними і трьома подвійними зв'язками.
За сучасними уявленнями шість атомів Карбону перебувають у стані
sp2-гібридизації. Кожний атом утворює локалізовані σ-зв’язки з двома
іншими атомами Карбону та з одним атомом Гідрогену, причому атоми
Карбону лежать в одній площині, утворюючи правильний шестикутник
(120о), тобто σ-скелет молекули бензену. Атоми Гідрогену також розміщені
під кутом 120о:
Атомна орбіталь четвертого р-електрона, який не взяв участі в
sp2-гібридизації, має форму гантелі і орієнтована перпендикулярно до
площини бензенового циклу. Ці орбіталі перекриваються між собою над і
під площиною кільця, утворюючи спільну електронну хмару і єдиний
делокалізований π-зв'язок. Відстань між атомами Карбону дорівнює
в)
б)
б) а
)
0,14 нм. Отже, зв'язок між сусідніми атомами в молекулі бензену проміжний
між одинарним (l=0,154 нм) і подвійним (l=0,133 нм). Утворені зв’язки
рівноцінні, чим і зумовлюються характерні властивості бензенового циклу.
Це приклад кругового спряження, який є для молекули енергетично
вигідним процесом. У результаті спряження всі карбон-карбонові зв’язки в
молекулі бензену вирівняні.
Таким чином, у бензеновому кільці немає одинарних і подвійних
зв’язків. На кожний карбон-карбоновий зв'язок, окрім двох σ-електронів,
припадає електронна густина одного π-електрона. Такий зв'язок називають
ароматичним.
Сукупність специфічних властивостей бензену, а саме висока
стабільність, інертність в реакціях приєднання та схильність до реакцій
заміщення, одержала назву ароматичність або ароматичні властивості.
Згідно з правилом Хюккеля, критерієм ароматичності органічної
сполуки є наявність в його структурі плоского циклу, що вміщує замкнену
спряжену систему, яка включає (4n+2) π-електронів, де n=0, 1, 2, 3 і т.д. До
найбільш поширених ароматичних систем, котрі містять 6π-електронів
(n=1), відноситься бензен і його похідні. Правило Хюккеля застосовується і
до систем з конденсованими ядрами, такими, як нафталін, антрацен і
фенантрен.
Моноциклічні арени – це бензен та його гомологи, в яких один чи декілька атомів Гідрогену
заміщені на аліфатичні бокові ланцюги (насичені чи ненасичені).
Ізомерія монозаміщених моноядерних аренів зумовлена будовою замісника, наприклад:
Фізичні властивості
Моноциклічні арени – безбарвні леткі рідини, нерозчинні у воді, але добре розчинні у
малополярних розчинниках. Самі вони також є добрими розчинниками. Температури кипіння гомологів
бензену зростають із підвищенням молекулярної маси. Всі арени мають характерні запахи, деякі (толуол)
виявляють помітну наркотичну дію. Бензен і більшість конденсованих поліаренів належать до
високотоксичних речовин. Вдихання їх парів викликає головний біль, а при високих концентраціях –
отруєння.
Хімічні властивості
Незважаючи на велику ненасиченість аренів, для них не є характерними реакції приєднання.
Більше того, ненасиченість бензену не відкривається за допомогою звичайних якісних реакцій: він не
знебарвлює ні бромну воду, ні розчин KMnO4.
1. Реакції приєднання:
гідрування та хлорування:
циклогексан
1,2,3,4,5,6- гексахлорциклогексан
2. Реакції заміщення :
а) реакція нітрування:
нітробензен
б) реакція сульфування:
бензенсульфокислота
в) алкілування за Фріделем-Крафсом:
етилбензел
г) ацилювання за Фріделем-Крафсом:
д) реакції галогенування (Cl2, Br2):
хлорбензен
Багатоядерні арени - сполуки, які складаються з декількох бензенових ядер. Вони, у свою чергу,
поділяються на конденсовані та неконденсовані, або ізольовані.
До неконденсованих (ізольованих) аренів відносять:
Найбільш важливими представниками конденсованих багатоядерних аренів є наступні сполуки:
нафталін антрацен фенантрен
Окремі представники та їх застосування у медицині
Діамантовий зелений – антисептичний засіб використовують у вигляді спиртових розчинів («зеленка»), а
також для виготовлення бактерицидних пластирів.
β-нафтол – дезинфікуючий засіб.
Вікасол – препарат для підвищення згортання крові.
Оксолін – антивірусний препарат.
Лекція №5
Тема: Похідні вуглеводнів (галогено-, гідрокси-, карбоксильні).
Галогенопохідні вуглеводнів.
Галогенопохідними вуглеводнів називають такі їхні похідні, які містять у молекулі один або
кілька атомів галогенів.
В залежності від природи вуглеводневого радикалу їх класифікують на аліфатичні, аліциклічні
та ароматичні. Аліфатичні в свою чергу поділяються на насичені (галогеналкани) та ненасичені
(галогеналкени, галогеналкіни). Ароматичні галогенопохідні поділяють на сполуки, у яких атом галогену
безпосередньо зв’язаний з ароматичним ядром (галогенарени), та речовини, які містять атом галогену в
боковому ланцюзі (арилалкілгалогеніди).
За природою атома галогену галогенопохідні поділяють на флуоро-, хлоро-, бромо- та
йодопохідні.
CH3F CH3Cl CH3Br CH3I
флуорометан хлорометан бромометан
йодометан
(метилфлуорид) (метилхлорид) (метилбромід)
(метилйодид)
За числом атомів галогену в молекулі розрізняють моно-, ди-, три- та полігалогенопохідні
вуглеводнів:
CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4
хлорометан дихлорометан трихлорометан
тетрахлорометан
(метилхлорид) (метиленхлорид) (хлороформ)
(тетрахлоран)
Галогенопохідні, в яких два атоми галогену розміщені біля одного атома Карбону, називають
гемінальними. Якщо два атоми галогену розміщені біля сусідніх атомів Карбону, то такі похідні
називають віцінальними.
Номенклатура
За замісниковою номенклатурою ІЮПАК назви галогенопохідних складають аналогічно назвам
відповідних вуглеводнів. Атоми галогенів позначаються у вигляді префікса, до якого додають назву
родоначальної структури (головний карбоновий ланцюг або цикл) і читають в алфавітному порядку.
Ізомерія
Для галогенопохідних характерна структурна, геометрична та оптична ізомерія. Структурна
ізомерія зумовлена різною структурою карбонового скелета молекули і різним положенням атомів
галогенів у ланцузі, а також конформаційна ізомерія.
Галогеналкани.
Способи добування
1. Галогенування алканів проходить за вільнорадикальним механізмом (зростання ланцюга і його обрив).
Заміщення атомів Гідрогену проходить вибірково спочатку в третинного, потім вторинного, а далі
первинного атома Карбону. Реакція проходить при УФ-опроміненні або нагріванні 3000С:
2. Приєднання галогеноводнів до алкенів:
хлоретан
3. Одержання із спиртів:
етанол йодетан
Фізичні властивості
Галогеналкани мають характерний запах і багато з них проявляють наркотичну дію, майже
нерозчинні у воді, проте добре розчиняються в органічних розчинниках (спирті, естері) і самі є
розчинниками. Нижчі галогеналкани – газоподібні речовини, середні – безбарвні рідини, а вищі – тверді
речовини, забарвлені в жовтий колір.
Хімічні властивості
За хімічними властивостями галогеналкани є дуже реакційноздатними речовинами. Для них
найбільш характерні реакції нуклеофільного заміщення, відщеплення, метилування та відновлення.
Нуклеофільне заміщення проходить за механізмом SN1 i SN2 (реакції гідролізу, з алкоголятами і
фенолятами, з солями карбонових кислот, з ціанідами лужних металів, з солями нітритної кислоти).
Реакція відщеплення (елімінування) проходять за механізмом Е1 і Е2.
1. Гідроліз. При кипятінні галогеналканів з водою проходить заміщення атома галогену на гідроксильну
групу:
спирт
Проте, в таких умовах реакція проходить досить повільно. Тому з цією метою краще
використовувати водний розчин лугу:
2. Взаємодія з аміаком з утворенням первинних амінів:
первинний
амін
Первинний амін може реагувати далі з молекулою галогенопохідного з утворенням вторинного
аміну і т.д.:
вторинний
амін
3. Взаємодія з ціанідами лужних металів з утворенням нітрилів (ціанідів):
4. При дії спиртового розчину лугу утворюються ненасичені сполуки (відмінність від дії водного розчину
лугу):
етилен
5. Взаємодія з металами. При дії магнію в присутності безводного
діетилового ефіру утворюються розчини, що містять змішані
магнійорганічні сполуки (реактиви Гриньяра):
(метилмагніййодид)
Галогеналкени.
Галогеналкенами називають похідні алкенів, у яких один або декілька атомів Гідрогену заміщені
атомами галогенів.
За взаємним розміщенням подвійного звязку і атома галогену галогеналкени поділяють на :
1. Вінілгалогеніди – це сполуки, які містять атом галогену біля Карбону, який утворює подвійний
зв'язок:
хлористий вініл 1-бромпропен
2. Алілгалогеніди – сполуки, в яких атом галогену знаходиться в α-поло-женні до Карбону, який
утворює подвійний зв'язок:
хлористий аліл
3. Сполуки, в яких атом галогену і атом Карбону, що утворює подвійний зв'язок, розділені двома та
більше простими вуглець-вуглецевими звязками:
4-бромбутен-1 5-хлорпентен-2
Способи добування
1. Гідрогалогенування алкінів:
хлористий вініл
2. Галогенування алкенів в алільне положення при температурі 500-600оС :
хлористий аліл
Хімічні властивості
По подвійному зв’язку галогеналкени здатні вступати в реакції характерні для алкенів (приєднання,
полімеризації та ін.), а по звязку Карбон-галоген – в реакції заміщення та відщеплення, властиві
галогеналканам. Реакційна здатність галогеналкенів залежить і від взаємного розміщення атома галогену
та подвійного звязку в молекулі. Якщо в сполуці атом галогену та подвійний зв'язок досить віддалені один
від одного, то кожна з цих груп поводить себе незалежно від іншої.
Окремі представники та застосування їх в медицині
Хлороформ CHCl3 – засіб для інгаляційного наркозу.
Йодоформ CHI3 проявляє антисептичні властивості. Використовують зовнішньо для виготовлення
антисептичних мазей, присипок.
Етилхлорид C2H5-Cl застосовують для місцевої анестезії.
Фторотан CF3-CHClBr проявляє сильну наркотичну дію при низькій токсичності. Використовують для
комбінованого інгаляційного наркозу при хірургічних операціях.
Лекція №6 Тема: Гідроксильні похідні вуглеводнів.
Гідроксильними похідними називають похідні вуглеводнів, в яких
один або декілька атомів Гідрогену заміщені на гідроксильну групу.
В залежності від типу гібридизації атома Карбону, безпосередньо
зв’язаного з гідроксильною групою, гідроксильні похідні поділяють на:
спирти; феноли; еноли.
Залежно від числа гідроксильних груп у молекулі розрізняють одно-,
дво-, три- та поліатомні спирти та феноли.
За розміщенням гідроксильної групи у карбоновому ланцюзі спирти
класифікують на: первинні (група –ОН розміщена при первинному атомі
Карбону); вторинні (група –ОН розміщена при вторинному атомі Карбону);
третинні (група – ОН розміщена при третинному атомі Карбону).
Одноатомні Двоатомні (діоли) Триатомні (тріоли)
метанол
етанол
пропанол
етандіол
(етиленгліколь)
пропантріол
(гліцерол)
Первинні Вторинні Третинні
пропанол-1
(n-пропіловий спирт)
пропанол-2
(втор-пропіловий спирт)
2-метилпропанол-2
(трет-бутиловий спирт)
При заміні атома Оксигену гідроксильних похідних вуглеводнів на
атом Сульфуру утворюються аналоги гідроксильних похідних, котрі
називають тіолами, тіоспиртами або тіофенолами.
Одноатомними спиртами називають гідроксильні похідні
вуглеводнів, що містять одну гідроксильну групу, зв’язану з атомом
Карбону в sp3-гібридизації.
За природою вуглеводневого радикалу одноатомні спирти поділяють
на:
а) насичені (алканоли та циклоалканоли);
б) ненасичені (алкеноли, алкіноли, циклоалкеноли);
в) ароматичні (арилалканоли).
Гомологічний ряд насичених одноатомних спиртів відповідає загальній
формулі CnH2n+1OH. Приклади деяких гомологів одноатомних спиртів
наведено в таблиці:
Назва спирту
Формула
Назва спирту
Формула
Метанол
(метиловий спирт)
СН3ОН Бутанол-1
(н-бутиловий спирт)
С4Н9ОН
Етанол
(етиловий спирт)
С2Н5ОН Пентанол-1
(аліловий спирт)
С5Н11ОН
Пропанол-1
(н-пропіловий
спирт)
С3Н7ОН Гексанол-1
(гексиловий спирт)
С6Н13ОН
Для спиртів характерна структурна, геометрична та оптична ізомерія.
Структурна ізомерія спиртів зумовлена різною будовою Карбонового
скелету, а також різним положенням гідроксильної групи у Карбоновому
скелеті:
бутанол-1 бутанол-2
2-метилпропанол-1 2-метилпропанол-2
Для ненасичених спиртів структурна ізомерія може зумовлюватися й
положенням кратного зв’язку:
бутен-3-ол-1 бутен-2-ол-1
Геометрична ізомерія характерна для ненасичених спиртів та
визначається різним розміщенням замісників відносно подвійного звязку:
цис-бутен-2-ол-1 транс-бутен-2-ол-1
Оптична ізомерія можлива для спиртів, що мають у своїй структурі
асиметричний атом Карбону:
S-бутанол-2 R-бутанол-2
Способи добування
1. Отримання метанолу із синтез-газу:
2. Отримання етанолу:
а) гідратація етилену:
б) бродіння глюкози:
3. Гідратація алкенів за правилом Марковнікова:
4. Гідроліз галогенопохідних вуглеводнів:
Фізичні властивості
На відміну від гомологів алканів і алкенів, у ряду спиртів не має
газуватих речовин. Спирти з числом атомів Карбону в молекулі до 11 – це
безбарвні рідини, а більше 11 – тверді речовини. Спирти мають досить
високі температури кипіння.
Хімічні властивості
Для спиртів характерні реакції за участю зв’язку О–Н, зв’язку С–О і
реакції окислення-відновлення. Спирти виявляють слабкі кислотні та слабкі
основні властивості, тобто є амфотерними речовинами і вступають в
наступні хімічні реакції:
1. Кислотні властивості спиртів: спирти проявляють дуже слабкі
кислотні властивості – реагують з лужними або лужноземельними
металами з утворенням алкоголятів:
,
які легко гідролізуються:
2. Реакції з галогеноводнями (HCl, HBr):
3. Реакції дегідратації:
а) внутрішньомолекулярна дегідратація:
б) міжмолекулярна дегідратація:
Обидві реакції протікають при нагріванні у присутності сульфатної
кислоти і конкурують між собою. При температурі вище за 140оС переважає
реакція утворення алкену.
4. Реакції окислення:
а) первинні спирти окислюються найбільш легко – спочатку до
альдегідів, а потім до карбонових кислот:
б) вторинні спирти окислюються до кетонів:
в) третинні спирти стійкі до дії звичайних окислювачів:
г) горіння спиртів:
Багатоатомні спирти містять дві або більше груп –ОН. Двоатомні
спирти називають діолами або гліколями.
В залежності від положення гідроксильних груп у Карбоновому
ланцузі гліколі поділяють:
1) α-гліколі, гідроксильні групи знаходяться при сусідніх Карбонових
атомах, тобто в положенні 1,2;
2) β-гліколі, ОН-групи в положенні 1,3;
3) γ-гліколі, групи-ОН у положенні 1,4 і т.д.
α-гліколь
β-гліколь
γ-гліколь
α-Гліколі ще називають віцинальними гліколями. Гліколі з
гідроксильними групами при одному атомі Карбону називають
гемінальними гліколями.
Триатомні спирти містять три гідроксильні групи і називають їх
триолами або гліцеринами. Спирти, які містять більше трьох
гідроксильних груп, називають поліолами або багатоатомними спиртами.
Чотириатомні спирти мають назву – еритрити, п’ятиатомні – пентити і т.д.
Для них характерна структурна та оптична ізомерія.
Представниками багатоатомних спиртів є етиленгліколь і гліцерин.
Способи добування
1. Отримання етиленгліколю з етилену:
і за реакцією Вагнера:
2. Отримання гліцерину при лужному гідролізі жирів:
Хімічні властивості
Етиленгліколь вступає у всі реакції, що є характерними для
одноатомних спиртів, але є і особливості, пов'язані з наявністю двох
гідроксогруп.
1. Реакція з лужними металами дає два ряди гліколятів:
2. При взаємодії з галогеноводневими кислотами (HCl або HBr) легко
заміщується лише одна гідроксогрупа:
3. На відміну від одноатомних спиртів, характерною особливістю
етиленгліколю є реакція взаємодії з Купрум (ІІ) гідроксидом, в результаті
якої утворюється розчинний комплекс яскраво-синього забарвлення:
Гліцерин за своїми властивостями більш подібний до етиленгліколю,
ніж до одноатомних спиртів. Так, гліцерол дає три ряди гліцератів і три
ряди похідних при взаємодії з галогеноводнями. Як і етиленгліколь,
гліцерин при взаємодії з Купрум (ІІ) гідроксидом утворює з комплекс
яскраво-синього забарвлення.
Окремі представники та застосування їх в медицині
Етиловий спирт С2Н5ОН – використовують для виготовлення
настоянок, екстрактів.
Гліцерин – для приготування мазей, кремів.
Нітрогліцерин – у вигляді спиртових розчинів або таблеток
застосовують при стенокардії.
Феноли
Фенолами називають похідні ароматичних вуглеводнів, в яких один
або декілька атомів Гідрогену бензенового ядра заміщені гідроксильною
групою.
За кількістю гідроксильних груп, що містяться у фенолах, їх
класифікують на:
Одноатомні Двоатомні Триатомні
фенол
(гідроксибензен)
пара-дигідроксибензен
(гідрохінон)
орто- ізомер
(пірокатехін)
мета- ізомер (резорцин)
1,2,3-
тригідроксибензен
(пірогалол)
Способи добування
1. З кам'яновугільної смоли – продукту коксування смоли.
2. З кумену (ізопропілбензену). Спосіб добування фенолу оснований на
окисленні кумену. Як вихідні продукти використовують бензен і пропілен:
3. Окислювальне декарбоксилювання ароматичних карбонових
кислот. При нагріванні аренкарбонових кислот до температури 200-3000С
у присутності солей міді (ІІ) відбувається утворення фенолів:
Фізичні властивості
Фенол – безбарвна кристалічна речовина з характерним запахом. У
процесі зберігання окислюється і набуває рожевого забарвлення. Отруйна
речовина, при потраплянні на шкіру викликає опіки. Вбиває багато різних
мікробів, отже, має антисептичні властивості.
Хімічні властивості
1. Кислотні властивості фенолів виражені значно сильніше, ніж у
спиртів. Так, феноли реагують не тільки з лужними металами, але і з
водними розчинами лугів. Фенол є дуже слабкою кислотою і тому
феноляти легко гідролізуються і руйнуються навіть такими слабкими
кислотами, як карбонатна кислота:
2. Реакції заміщення протікають значно легше, ніж у випадку бензену,
оскільки гідроксогрупа суттєво активує бензенове ядро.
а) реакція нітрування:
фенол о-нітрофенол n-нітрофенол
б) реакція галогенування (Cl2, Br2):
в) реакція сульфування:
о-гідроксибензен- n-гідроксибензен-
сульфокислота сульфокислота
3. Утворення етерів:
4. Утворення естерів:
Окремі представники та застосування їх у медицині
Фенол – дезинфікуючий засіб.
Резорцинол під назвою «резорцин» - антисептик для лікування деяких
шкірних захворювань.
Тимол – антигельмінтний (протиглисний) засіб, в стоматології
використовують для знеболювання дентину.
Лекція №7
Тема: Карбонільні похідні: альдегіди та кетони.
Альдегідами називають похідні вуглеводнів, які містять у своєму
складі карбонільну (альдегідну) групу —COH. Тому вони ще мають назву
«карбонільні сполуки».
В альдегідах карбонільна група зв’язана з вуглеводневим радикалом і
атомом Гідрогену.
Загальна формула альдегідів: RCOH, або CnH2nO
Номенклатура та ізомерія альдегідів
У номенклатурі альдегідів застосовують назви:
Тривіальні
Систематичні.
Тривіальні назви альдегідів походять від назв кислот, на які вони
перетворюються при окисненні. Наприклад, альдегід, при окисненні якого
одержують мурашину кислоту, має назву мурашиний альдегід, або
формальдегід; альдегід, при окисненні якого утворюється оцтова кислота,—
оцтовий альдегід, або ацетальдегід, етаналь тощо.
За замісниковою номенклатурою IUРАС назви альдегідів утворюють
від назви вуглеводню з такою самою кількістю атомів Карбону в головному
ланцюзі (включаючи Карбон альдегідної групи) із додаванням суфікса -аль.
Нумерацію головного карбонового ланцюга починають з атома
Карбону альдегідної групи.
Фізичні властивості альдегідів
Перший член гомологічного ряду альдегідів HCHO — безбарвний газ,
декілька наступних альдегідів — рідини. Вищі альдегіди — тверді
речовини. Температура кипіння альдегідів підвищується зі збільшенням
молекулярної маси. Киплять вони за нижчої температури, ніж відповідні
спирти, бо не здатні утворювати водневі зв’язки, наприклад пропаналь за
48,8 °С, а пропанол — за 97,8 °С. Густина альдегідів менша за одиницю.
Метаналь і етаналь добре розчиняються у воді, наступні — гірше. Нижчі
альдегіди мають різкий, неприємний запах, деякі вищі — приємний запах.
Способи добування альдегідів
1. Окиснення одноатомних спиртів (первинних)
«Окиснення спирту до альдегіду»
2. Реакція Кучерова (гідратація етину):
3. Каталітичне окиснення етену:
4. Окиснення метану:
Хімічні властивості альдегідів
Хімічні властивості альдегідів визначаються наявністю в їхніх
молекулах карбонільної групи. Атом Карбону карбонільної групи перебуває
в стані sp2 -гібридизації. Три δ-зв’язки розташовані в одній площині під
кутом 120°. Негібридизована p-орбіталь атома Карбону перекривається з p-
орбіталлю атома Оксигену, утворюючи π-зв’язок. Атом Оксигену, як більш
електронегативний, притягує до себе δ- та π-електрони подвійного зв’язку
(останні більш рухливі). У результаті цього подвійний зв’язок карбонільної
групи сильно поляризований, на атомі Оксигену виникає частковий
негативний заряд, а на атомі Карбону — частковий позитивний.
1. Реакції окиснення
а) амоніачним розчином аргентум(I) оксиду — якісна реакція на аль-
дегіди. (реакція «срібного дзеркала»)
Альдегіди, навіть за наявності таких слабких окисників, якими є йони Ag2+
і
Cu2+
, дуже легко окиснюються, перетворюючись на карбонові кислоти.
Реакцію окиснення альдегідів амоніачним розчином аргентум нітрату
(реактив Толленса) часто називають реакцією «срібного дзеркала».
Аргентум-йон у цій реакції відновлюється до вільного срібла, яке
виділяється у вигляді дзеркала на стінках пробірки.
«Окиснення метаналю (етаналю) аргентум(I) оксидом»
б) купрум(ІІ) гідроксидом (свіжовиготовленим)
«Окиснення метаналю (етаналю) купрум(II) гідроксидом»
Реакції окиснення альдегідів амоніачним розчином аргентум(I) оксиду і
купрум(II) гідроксидом застосовують в аналітичній практиці для виявлення
альдегідної групи;
в) повне окиснення:
2. Реакції приєднання внаслідок розриву π-зв’язку карбонільної групи
а) відновлення воднем (гідрогенізація) до спиртів. Реакцію відновлення
альдегідів широко застосовують для одержання спиртів. У техніці спирти
добувають у результаті каталітичного гідрування; приєднання водню
відбувається за наявності кобальту, нікелю або платини:
б) реакція полімеризації формальдегіду:
в) реакція поліконденсації метаналю:
Поліконденсація — процес отримання полімерів, який супроводжується
утворенням побічної низькомолекулярної речовини (наприклад, вода).
У результаті поліконденсації метаналю з фенолом утворюється
формальдегідна смола.
Застосування метаналю та етаналю
Кетони. Кетонами називаються речовини, що містять карбонільну групу
— С (О) -, пов’язану з двома радикалами.
Загальна формула кетонів: RC (O)-R ‘.
Радикали можуть бути аліфатичними (граничними чи неграничними),
аліциклічними, ароматичними.
Ароматичні кетони можна розділити на дві підгрупи:
1) змішані жирно-ароматичні, що містять один ароматичний залишок;
2) чисто ароматичні кетони, що містять два ароматичних залишку.
Номенклатура і ізомерія кетонів.
Зазвичай кетони називають по радикалам, що входять до їх молекулу,
додаючи слово кетон. Так, найпростіший представни:
Н3С-С (О) — СН3 називають диметилкетонами,
Н3С-С (О) — С2Н5 — метилетилкетон,
Н3С-С (О) — С6Н5 — метілфенілкетоном,
С6Н-С (О) — С6Н5 — діфенілкетоном і т. д.
За міжнародною номенклатурою найменування кетонів виробляють
від назв відповідних вуглеводнів, додаючи до цієї назви закінчення — він.
Так, диметилкетон називатиметься про-Панонія, метилетилкетон — бутанон
і т. д.
Для позначення положення карбонільної групи нумерують атоми
вуглецю, починаючи з того кінця, до якого ближче знаходиться
карбонильная група, і, називаючи кетон, відповідною цифрою позначають
місце карбонила.
Деякі кетони мають, крім того, і свої емпіричні назви. Наприклад,
диметилкетон зазвичай називають ацетоном, метілфенілкетон — ацетофено-
ном, діфенілкетон — Бензофенон.
Ізомерія кетонів залежить від положення карбонільної групи в
ланцюзі, а також від ізомерії радикалів. способи отримання
Хімічні властивості.
Кетони можна отримати способами, аналогічними тим, якими
отримують альдегіди.
1. Окислення вторинних спиртів.
2. Отримання з дігалогенопроізводних, у яких обидва атоми галогену
знаходяться у одного і того ж вторинного атома вуглецю.
3. Отримання з кальцієвих солей карбонових кислот шляхом їх сухої
перегонки. Так, з ацетату кальцію виходить ацетон.
Для отримання змішаних кетонів (з різними радикалами) беруть солі
відповідних кислот, що містять потрібні радикали.
При сухій перегонці дерева виходять деякі кетони, наприклад ацетон
і метилетилкетон.
Ароматичні кетони зручно отримувати реакцією Фріделя-Крафтса,
діючи на хлорангидрид жирної або ароматичної кислоти ароматичним
вуглеводнем в присутності хлориду алюмінію.
Фізичні властивості.
1. Найпростіший кетон — ацетон — рідина. Наступні представники також
є рідинами.
2. Вищі аліфатичні, а також ароматичні кетони — тверді речовини.
3. Найпростіші кетони змішуються з водою.
4. Всі кетони добре розчиняються в спирті й ефірі.
5. Найпростіші кетони володіють характерним запахом.
