Химические свойства органических веществ все уравнения

Органическая химия в уравнениях реакций

«Шпаргалки. Химия» — это краткие изложения основных вопросов по курсу органической химии за 10 класс , которые можно использовать для повторения и закрепления пройденного материала по органической химии при подготовке к ЕГЭ Весь материал можно распечатать в виде шпаргалок.

Просмотр содержимого документа
«Органическая химия в уравнениях реакций»

Реакции к основным темам курса 10 класса (для запоминания), проф. класс.

2. р. нитрования – р. Коновалова (р. замещения, радик. мех-зм): R-Н +НО – NО2(разб) −→RNО2 2 внимание: замещение атомов водорода у третичного атома (—с—) проходит легче, чем у вторичного атома(—с—) и тем более первичного атома (с—).

. р. окисления метана ( +[О]) даёт продукты, в зависимости от условий:

2. р. замещения – аналогично алканам (циклы с 6 и атомами углерода);

5. Алкины (непредельные). Общая формула – СпН2п-2. М (СпН2п-2)= (14п-2) г/моль, σ- и 2π-связи, SP-гибридизация, линейное строение обладают слабыми кислотными свойствами

только ацетилен СН≡СН + НОН →СН3-СНО — альдегид

при нагревании, в присутствии катализатора – Pt, Pd продолжение см дальше

5.слабые кислотные свойства у алкинов с «концевой» кратной связью:

6. Арены (непредельные, циклические, ароматические). Общая формула – СпН2п-6, М (СпН2п-6)= (14п-6) г/моль, локализованное π-облако, SP 2 -гибридизация, циклическое строение

в) алкилирование — р. Фриделя-Крафтса – удлинение цепи атомов углерода

помнить: у гомологов бензола замещение в цикле атомов водорода происходит с равной вероятностью в положении 2, 4, 6 относительно имеющегося радикала в присутствии катализаторов FeBr3 и H2SO4.

б) С6Н5-СН3 + 3НО – NО2 → С6Н2(NО2)3 + 3Н2О 1-метил-2,4,6,-тринитробензол.

в) присоединение 2 С6Н5-СН3+ 5Н2 → 2 С6Н11-СН3 или −СН3, метилциклогексан.

Наличие гидроксогруппы — ОН в молекулах спиртов проявляется в слабых кислотных и основных свойств.

2. слабые основные свойства, возрастающие от первичных к третичным спиртам:

3. р. этерификации – взаимодействие с кислотами и образование сложных эфиров:

а) при t 150 0 С – внутримолекулярная (Н2О отрывается от 1 молекулы):

б) при t 0 С – межмолекулярная (Н2О отрывается от 2 молекул):

Различные классы спиртов дегидратируются при различных условиях:

7. качественные реакции на: а) предельные одноатомные спирты – CuO, t

1. подвижность атома водорода и выраженные кислотные свойства –

3. р. электрофильного замещения протекают легче, чем у аренов:

а) реакция с раствором бромной воды – 1-я качественная реакция на фенолы

в) получение фенолформальдегидной смолы – р. поликонденсации

4. реакция с раствором FeCl3 – 2-я качественная реакция на фенолы

Внимание: водород легко присоединяется по связи С=С и очень трудно – по связи С=О. LiAlH4 восстанавливает связи С=О до С – ОН, не затрагивая связь С=С.

1. Химические свойства отличаются от свойств альдегидов:

а) менее активны в реакциях нуклеофильного присоединения, чем альдегиды (с цианидом водорода в присутствии цианида калия) R – С=О + НСN − KCN R C (OH) – C N;

б) присоединение реактива Гриньяра – R MqBr с образованием третичного спирта

г) окисление с трудом, не взаимодействуют с соединениями серебра и меди

2. Иодоформный тест – если карбонильная группа связана со 2-ым атомом углерода от конца углеродной цепи (со щелочным раствором иода)

1. Диссоциируют, т.е. являются донором катиона водорода – слабые электролиты, самая сильная из них – муравьиная НСООН

R – СООН ↔ R – СОО + Н +, сл-но, характерны свойства, типичные для кислот – взаимодействие с Ме, основными оксидами, основаниями и солями слабых кислот.

2. р.замещения группы ОН на хлор, взаимодействие с хлоридом Р(V)

R – СООН + Н – О – СО – R — Р2О5 → R – СО – О – СО — R + Н2О (ангидрид к-ты),

остаток кислоты ↓ остаток спирта

5. получение амидов в реакциях с раствором аммиака, при нагревании

6. р. замещения атома водорода у α–атома (С) на атом брома, в присутствии Ркр

7. р. дегидратации и гидрирование, в присутствии LiAlH4 (см. «альдегиды»)

8.Внимание: муравьиная кислота – самая сильная из органических кислот и сильный восстановитель,

9. Получение: а) из спиртов (окисление, т.е. + [О])

R – СН2 – ОН + [О] → R – СНО (альдегид) и дальше + [О] → R – СООН (кислота);

б) из альдегидов – р. «серебряного и медного зеркала»

6. Сложные эфиры карбоновых кислот. Общая формула – R-С = О

р. гидролиза с Н2О идёт медленно, её катализируют (ускоряют) кислоты и щёлочи

2. р. восстановления, в присутствии LiAlH4 с образованием 2-х спиртов:

особенность: медленная реакция, обратимая, с низким выходом.

Хлорангидриды и ангидриды кислот

Эти два вида производных карбоновых кислот химически очень активны. Хлорангидриды даже более активны, чем ангидриды, и более летучи, что делает обращение с ними очень трудным. Они вступают в быструю реакцию на холоде с водой, аммиаком и с их производными, спиртами и аминами. В каждом случае атом водорода реагирующей молекулы замещается ацильной группой – это реакции ацилирования, а хлорангидриды и ангидриды кислот-ацилирующие агенты. С хлорангидридами:

этот атом водорода замещается на ацильную группу.

С ангидридами кислот:

2. р. восстановления до многоатомных спиртов:

3. синее окрашивание с Си(ОН)2, как у многоатомных спиртов;

4. р. межмолекулярной дегидратации со спиртами: → простые эфиры;

5. р. этерификации с альдегидами → сложные эфиры;

1. Амины обладают основными свойствами, поэтому, как основания,

3. Р. нитрирования (с НО – NО) проходит по-разному:

9. Азотсодержащие соединения – аминокислоты …β α Мr (к-ты) = (14п+75)

Общая формула – R – СН — СООН

1.Аминокислоты обладают амфотерными свойствами, поэтому реагируют:

4. Получение: α- аминокислоты из α-хлорзамещенных карбоновых кислот

Окислительно – восстановительные реакции в органической химии.

Химические реакции в органической химии

Существуют разные системы классификации органических реакций, которые основаны на различных признаках. Среди них можно выделить классификации:

по конечному результату реакции, то есть изменению в структуре субстрата;

по механизму протекания реакции, то есть по типу разрыва связей и типу реагентов.

Взаимодействующие в органической реакции вещества подразделяют на реагент и субстрат. При этом считается, что реагент атакует субстрат.

Реагент — вещество, действующее на объект — субстрат — и вызывающее в нем изменение химической связи. Реагенты делятся на радикальные, электрофильные и нуклеофильные.

Субстратом , как правило, считают молекулу, которая предоставляет атом углерода для новой связи.

В органической химии различают четыре вида реакций по конечному результату и изменению в структуре субстрата: присоединения, замещения, отщепления, или элиминирования (от англ. to eliminate — удалять, отщеплять), и перегруппировки (изомеризации). Такая классификация аналогична классификации реакций в неорганической химии по числу исходных реагентов и образующихся веществ, с изменением или без изменения состава. Классификация по конечному результату основана на формальных признаках, так как стехиометрическое уравнение, как правило, не отражает механизм реакции. Сравним типы реакций в неорганической и органической химии.

Тип реакции в неорганической химии

Пример

Тип реакции в органической химии

Присоединение по кратным связям

частный случай — этерификация

Разновидность

и пример

реакции

4. Обмен (частный случай — нейтрализация)

Pкрасн.⇔P бел.Pкрасн.⇔P бел.

п) без замены их другими.

В зависимости от того, какие атомы отщепляются — соседние CC или изолированные двумя-тремя или более атомами углерода – C –C–C– C –, – C –C–C–C– C –, могут образовываться соединения с кратными связями или циклические соединения. Отщепление галогеноводородов из алкилгалогенидов либо воды из спиртов происходит по правилу Зайцева.

Правило Зайцева : атом водорода Н отщепляется от наименее гидрогенизированного атома углерода.

Например, отщепление молекулы бромоводорода происходит от соседних атомов в присутствии щелочи, при этом образуется бромид натрия и вода.

Перегруппировка — химическая реакция, в результате которой происходит изменение взаимного расположения атомов в молекуле, перемещение кратных связей или изменение их кратности.

Перегруппировка может осуществляться с сохранением атомного состава молекулы (изомеризация) или с его изменением.

Изомеризация — частный случай реакции перегруппировки, приводящая к превращению химического соединения в изомер путем структурного изменения углеродного скелета.

Перегруппировка тоже может осуществляться по гомолитическому или гетеролитическому механизму. Молекулярные перегруппировки могут классифицироваться по разным признакам, например по насыщенности систем, по природе мигрирующей группы, по стереоспецифичности и др. Многие реакции перегруппировки имеют специфические названия — перегруппировка Кляйзена, перегруппировка Бекмана и др.

Реакции изомеризации широко используются в промышленных процессах, например при переработке нефти для повышения октанового числа бензина. Примером изомеризации является превращение н-октана в изооктан:

Разрыв связи в органических соединениях может гомолитическим и гетеролитическим.

Гомолитический разрыв связи — это такой разрыв, в результате которого каждый атом получает неспаренный электрон и образуются две частицы, имеющие сходное электронное строение — свободные радикалы .

Гомолитический разрыв характерен для неполярных или слабополярных связей, например C–C, Cl–Cl, C–H, и требует большого количества энергии.

Образующиеся радикалы, имеющие неспаренный электрон, обладают высокой реакционной способностью, поэтому химические процессы, протекающие с участием таких частиц, часто носят «цепной» характер, их трудно контролировать, а в результате реакции получается набор продуктов замещения. Так, при хлорировании метана продуктами замещения являются хлорметан CH3ClCH3Cl, дихлорметан CH2Cl2CH2Cl2, хлороформ CHCl3CHCl3 и четыреххлористый углерод CCl4CCl4. Реакции с участием свободных радикалов протекают по обменному механизму образования химических связей.

Образующиеся в ходе такого разрыва связи радикалы обуславливают радикальный механизм протекания реакции. Радикальные реакции обычно протекают при повышенных температурах или при излучении (например, свет).

В силу своей высокой реакционной способности свободные радикалы могут оказывать негативное воздействие на организм человека, разрушая клеточные мембраны, воздействуя на ДНК и вызывая преждевременное старение. Эти процессы связаны, в первую очередь, с пероксидным окислением липидов, то есть разрушением структуры полиненасыщенных кислот, образующих жир внутри клеточной мембраны.

Гетеролитический разрыв связи — это такой разрыв, при котором электронная пара остается у более электроотрицательного атома и образуются две заряженные частицы — ионы: катион (положительный) и анион (отрицательный).

В химических реакциях эти частицы выполняют функции « нуклеофилов » («фил» — от гр. любить) и « электрофилов », образуя химическую связь с партнером по реакции по донорно-акцепторному механизму. Частицы-нуклеофилы предоставляют электронную пару для образования новой связи. Другими словами,

Нуклеофил — электроноизбыточный химический реагент, способный взаимодействовать с электронодефицитными соединениями.

Примерами нуклеофилов являются любые анионы (Cl−,I−,NO−3Cl−,I−,NO3− и др.), а также соединения, имеющие неподеленную электронную пару (NH3,H2ONH3,H2O).

Таким образом, при разрыве связи могут образоваться радикалы или нуклеофилы и электрофилы. Исходя из этого выделяют три механизма протекания органических реакций.

Свободно-радикальный механизм : реакцию начинают свободные радикалы, образующиеся при гомолитическом разрыве связи в молекуле.

Наиболее типичный вариант — образование радикалов хлора или брома при УФ-облучении.

Органическая химия

Содержание:

Органическая химия — раздел химии, изучающий соединения углерода, их структуру, свойства, методы синтеза, а также законы их превращений. Органическими называют соединения углерода с другими элементами (в основном с H, N, O, S, P, Si, Ge и др.).

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Органическая химия

Органическая химия – это раздел химической науки, в котором изучаются соединения угл eрода – их строение, свойства, способы получения и практического использования.

Соединения, в состав которых входит углерод, называются органическими. Кроме углерода, они почти всегда содержат водород, довольно часто – кислород, азот и галогены, реже – фосфор, серу и другие элементы.

Углерод и его простейшие соединения, такие как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), угольная кислота, карбонаты, карбиды и т.п., по характеру свойств относятся к неорганическим соединениям. Поэтому часто используется и другое определение:

Органические соединения – это углеводороды (соединения углерода с водородом) и их производные.

Предмет органической химии

Органическими называются соединения, в состав которых входит элемент углерод. Огромное большинство его соединений — природных и синтетических — относят к органическим, и их изучает органическая химия. Простейшие соединения углерода — его оксиды, угольную кислоту и ее соли и некоторые другие — принято относить к неорганическим соединениям. Их изучает неорганическая химия (см. ч. II, гл. 11).

Органические соединения кроме углерода чаще всего содержат элементы водород, кислород, азот, значительно реже — серу, фосфор, галогены и некоторые металлы (порознь или в различных комбинациях).

Органическая химия — большой и самостоятельный раздел химии, предметом которого является химия соединений углерода: их строение, свойства, методы получения, возможности практического использования. Провести четкую грань между неорганической и органической химией практически невозможно.

Органическая химия выделилась в самостоятельную науку в начале XIX в. Этому способствовало открытие и исследование большого числа органических веществ, главным образом тех, которые выделялись из растений и организмов животных. В первой половине XIX в. органические вещества были впервые получены синтетическим путем.

Органическая химия играет большую роль в жизни и практической деятельности человека. Отметим важнейшие отрасли промышленности, которые производят органические вещества или перерабатывают органическое сырье: производство каучука, резины, смол, пластмасс, волокон, нефтехимическая промышленность, пищевая, фармацевтическая, лакокрасочная и др. В наш век исключительно большое значение приобрело производство синтетических высокомолекулярных соединений — полимеров.

Особенности органических соединений

В отличие от неорганических веществ органические вещества имеют ряд характерных особенностей. Прежде всего атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя цепи и кольца, что не так типично для неорганических соединений. Это одна из причин многообразия органических соединений.

В органических молекулах связь атомов ковалентная. Поэтому органические вещества обычно являются неэлектролитами.

Если ионные (неорганические) соединения легко диссоциируют в воде на Ионы и реакции между ними протекают весьма быстро, то органические вещества, содержащие простые (одинарные) С — С и С — Н связи, взаимодействуют между собой с большим трудом или вовсе не взаимодействуют.

При нагревании в пределах 400—600°С органические соединения полностью разлагаются и обугливаются, а в присутствии кислорода сгорают. Это объясняется сравнительно небольшой прочностью связи между атомами углерода (355,6 кДж/моль).

Важной особенностью органических соединений является и то, что среди них широко распространено явление изомерии (см. § 15.3).

Особенности атома углерода объясняются его строением: он имеет четыре валентных электрона. Атомы углерода образуют с другими атомами, а также друг с другом общие электронные пары. При этом на внешнем уровне каждого атома углерода будет восемь электронов (октет), четыре из которых одновременно принадлежат другим атомам.

В органической химии обычно пользуются структурными формулами, поскольку атомы имеют пространственное расположение в молекуле. Структурные формулы — это язык органической химии.

В структурных формулах ковалентная связь обозначается черточкой (см. § 3.10). Как и в структурных формулах неорганических веществ, каждая черточка означает общую электронную пару, связывающую атомы в молекуле. Используются также эмпирические и электронные формулы. Такие формулы изображены в § 3.8 для молекул воды, аммиака и метана. Напишем соответствующие формулы для этилена и ацетилена:

Как отмечалось в § 3.10, в органической химии вместо понятия степени окисления применяют понятие валентности. Валентность атома углерода в возбужденном состоянии всегда равна четырем: он образует четыре ковалентные связи.

Изомерия

Свойства органических веществ зависят не только от их состава, но и от порядка соединения атомов в молекуле. Так, состав этилового (винного) спирта и диметилового эфира выражается одной эмпирической формулой C2H6O, но свойства их различны: этиловый спирт — жидкость с температурой кипения 78,3°С, а диметиловый эфир — газ, сжижающийся при 23,6°С.

Вещества, имеющие одинаковый состав и одинаковую молекулярную массу, но различное строение молекул, а потому обладающие разными свойствами, называются изомерами.

В приведенном примере этиловый спирт и диметиловый эфир — изомеры. Структурные формулы их имеют следующий вид:

В молекуле этилового спирта один атом водорода связан с углеродом через кислород (полярная ковалентная связь), а поэтому этот атом водорода более подвижен, чем атомы водорода, связанные с углеродом. В молекуле диметилового эфира все атомы водорода одинаково связаны с атомами углерода (ковалентная связь). Разным строением молекулы объясняется различное отношение этих веществ к металлическому натрию. Этиловый спирт взаимодействует с натрием по уравнению

Диметиловый эфир с натрием не взаимодействует.

Для углеводорода пентана С5H12 а возможны три изомера: 1) у первого все атомы углерода связаны в виде прямой цепи и каждый атом углерода в середине цепи соединен только с двумя соседними атомами С; 2) у второго средний атом углерода связан одновременно с тремя атомами С, в результате чего цепь разветвляется; 3) у третьего средний атом углерода одновременно соединен с четырьмя атомами С. Структурные формулы изомеров:

Число изомеров резко возрастает по мере увеличения числа углеродных атомов в молекуле. Так, например, бутан С4Н10 имеет 2 изомера, углеводород С5Н12—3, С6Н14—5, С7Н16—9, С10Н22—75, C13H28— 802, а у С20Н42 может быть 366 319 изомеров и т. д. Не все изомеры получены. Однако строение получаемых изомеров можно заранее предвидеть.

Все указанные случаи изомерии обычно относят к структурной изомерии. Кроме нее возможна пространственная изомерия, возникающая в результате различного расположения отдельных частей молекулы в пространстве. Так, молекулы соединений с двойной связью имеют плоское строение в месте, где находятся атомы углерода, соединенные этой связью. Связанные с ними метильные группы могут находиться по одну или по разные стороны этой
плоскости, например:

Пространственная изомерия также приводит к различию свойств изомеров.

Теория химического строения органических соединений А. М. Бутлерова

Крупнейшим событием в развитии органической химии было создание в 60-х годах прошлого столетия великим русским ученым А. М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений. Эта теория заложила научные основы органической химии и объяснила ее важнейшие закономерности. Основные принципы своей теории А. М. Бутлеров изложил в докладе «О теории химического строения» на Международном съезде естествоиспытателей и врачей в Шпейере 19 сентября 1861 г. В дальнейшем она успешно развивалась как самим ученым, так и его учениками.

Основные положения теории строения сводятся к следующему.

  • 1. В молекулах атомы соединены друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов называется химическим строением.
  • 2. Свойства вещества зависят не только от того, какие атомы и в каком количестве входят в состав его молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены между собой, т. е. от химического строения молекулы.
  • 3. Атомы или группы атомов, образовавшие молекулу, взаимно влияют друг на друга, от чего зависит реакционная способность молекулы.

Поясним эти положения. До А. М. Бутлерова считалось невозможным познать строение молекул, т. е. порядок химической связи между атомами. Многие ученые даже отрицали реальность атомов и молекул. А. М. Бутлеров опроверг это мнение. Он исходил из правильных материалистических и философских представлений о реальности существования атомов и молекул, о возможности познания химической связи атомов в молекуле. Он показал, что строение молекулы можно установить опытным путем, изучая химические превращения вещества. И наоборот, зная строение молекулы, можно вывести химические свойства соединения.

Теория химического строения учитывает особенности элемента углерода (см. § 15.2). Изучение строения органических соединений остается основной задачей органической химии и в наше время. Для этого кроме химических широко применяются физические методы исследования, такие, как спектроскопия, ядерный магнитный резонанс, масс-спектрометрия, определение электрических моментов диполей, рентгено- и электронография.

Существование изомеров (см. § 15.3) вытекает из основных положений теории строения органических соединений. Большим успехом А. М. Бутлерова было предсказание двух изомеров бутана на основе теории строения (в углеводородах, начиная с бутана, возможен различный порядок соединения атомов в молекулах). В 1867 г. А. М. Бутлеров синтезировал предсказанный изомер, что явилось блестящим подтверждением правильности теории строения. Это был изобутан, который от нормального бутана отличается строением молекулы, хотя оба имеют эмпирическую формулу С4Н10:

или в сокращенном виде:

Итак, теория химического строения объясняет многообразие органических соединений. Оно обусловлено способностью четырехвалентного углерода образовывать углеродные цепи и кольца, соединяться с атомами других элементов, а также наличием изомерии.

В теории химического строения большое внимание уделяется взаимному влиянию атомов и групп атомов в молекуле. Оно имеет место в молекуле любого вещества (органического или неорганического). Поясним это на примере следующих соединений: NaOH, Аl(ОН)3, С2Н5ОН, NO2—ОН (азотная кислота), SO2(OH)2 (серная кислота). Все они содержат гидроксильную группу (гидроксо- или оксигруппу) ОН. Тем не менее в водном растворе свойства веществ последовательно изменяются: NaOH — сильное основание, Аl(ОН)3 — амфотерный гидроксид, С2Н5ОН — практически нейтральное вещество, азотная и серная кислоты образуют ионы Н + . Причина различного химического характера группы ОН обусловлена влиянием связанных с ней атомов и групп атомов. С возрастанием неметаллических свойств центрального атома ослабляется диссоциация по типу основания и возрастает диссоциация по типу кислоты (в ряду Na, Al, C2H5, NO2, SO2) (см. также § 17.4).

Взаимное влияние могут оказывать друг на друга и атомы, непосредственно не связанные друг с другом. Например, различная реакционная способность хлора в хлорэтане CH3—СН2Сl и хлорэтилене СН2=СН—Сl обусловлена различным влиянием на атом хлора этильной (СН3—СН2—) и винильной (СН2=СН—) групп. В молекуле хлорэтана хлор весьма реакционноспособен, в молекуле хлорэтилена инертен. Большая заслуга в установлении закономерностей взаимного влияния атомов в молекуле принадлежит ученику А. М. Бутлерова В. В. Марковникову.

С современной точки зрения основные положения теории строения требуют некоторого дополнения — указания о пространственном и электронном строении. Тогда в пункте 2 основных положений теории строения следует подчеркнуть, что свойства органических соединений определяются составом их молекул, а также их химическим, пространственным и электронным строением.

Теория химического строения А. М. Бутлерова является важнейшей частью теоретического фундамента органической химии. По значимости ее можно сопоставить с периодической системой элементов Д. И. Менделеева. Подобно последней, она дала возможность систематизировать огромный практический материал, заранее предсказать существование новых веществ, а также указать пути их получения. А это обеспечило невиданные успехи органического синтеза. И в настоящее время теория химического строения служит руководящей основой во всех исследованиях по органической химии.

Гомологические ряды органических соединений

Среди многообразия органических соединений можно выделить группы веществ, которые сходны по химическим свойствам и отличаются друг от друга на группу СН2.

Соединения, сходные по химическим свойствам, состав которых отличается друг от друга на группу СН2, называются гомологами. Гомологи, расположенные в порядке возрастания их относительной молекулярной массы, образуют гомологический ряд. Группа СН2 называется гомологической разностью.

Примером гомологического ряда может служить ряд предельных углеводородов (алканов). Простейший его представитель — метан СН4. Гомологами метана являются: этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан C4H10, пентан С6Н12, гексан С6Н14, гептан С7Н16 и т. д. Формула любого последующего гомолога может быть получена прибавлением к формуле предыдущего углеводорода гомологической разности.

Состав молекул всех членов гомологического ряда может быть выражен одной общей формулой. Для рассмотренного гомологического ряда предельных углеводородов такой формулой будет СnН2n+2, где n — число атомов углерода.

Гомологические ряды могут быть построены дня всех классов органических соединений. Зная свойства одного из членов гомологического ряда, можно сделать выводы о свойствах других представителей того же ряда. Это обусловливает важность понятия гомологии при изучении органической химии.

Классификация органических соединений

Все органические соединения в зависимости от природы углеродного скелета можно разделить на ациклические и циклические.

Ациклические (нециклические, цепные) соединения называют также жирными или алифатическими. Эти названия связаны с тем, что одними из первых хорошо изученных соединений такого типа были природные жиры. Среди ациклических соединений различают предельные, например:

и непредельные, например:

Среди циклических соединений обычно выделяют карбоциклические, молекулы которых содержат кольца из углеродных атомов, и гетероциклические, кольца которых содержат кроме углерода атомы других элементов (кислорода, серы, азота и др.).

Карбоциклические соединения подразделяются на алициклические (предельные и непредельные), похожие по свойствам на алифатические, и ароматические, которые содержат бензольные кольца.

Примеры алициклических соединении:

Рассмотренную классификацию органических соединений можно представить в виде краткой схемы:

В состав многих органических соединений кроме углерода и водорода входят и другие элементы, причем в виде функциональных групп — групп атомов, определяющих химические свойства данного класса соединений. Наличие этих групп позволяет подразделить указанные выше типы органических соединений на классы и облегчить их изучение. Некоторые наиболее характерные функциональные группы и соответствующие им классы соединений приведены в табл. 15.1.

В состав молекул органических соединений могут входить две или более одинаковых или различных функциональных групп, например:

Типы органических реакций

Органические реакции, как и неорганические, обычно подразделяют на 3 основных типа:

1. Реакции замещения, например:

2. Реакции отщепления, например:

3. Реакции присоединения, например:

К реакциям присоединения относятся реакции полимеризации (§ 16.7). Особым типом органических реакций являются реакции поликонденсации (§ 17.8).

Органические реакции можно классифицировать и по механизму разрыва ковалентных связей в реагирующих молекулах.

Таблица 15.1. Классы органических соединений

В зависимости от двух способов ее разрыва и строится данная классификация.

1. Если общая электронная пара делится между атомами, то образуются радикалы — частицы, имеющие неспаренные электроны. Такой разрыв связи называется радикальным или гемолитическим:

Образующиеся радикалы взаимодействуют с имеющимися в реакционной системе молекулами или друг с другом:

По радикальному механизму протекают реакции, в которых разрыву подвергаются связи малой полярности (С — С, С — Н, N — N) при высокой температуре, под действием света или радиоактивного излучения.

2. Если при разрыве связи общая электронная пара остается у одного атома, то образуются ионы — катион и анион. Такой механизм называется ионным или гетеролитическим. Он приводит к образованию органических катионов или анионов:

Органические ионы вступают в дальнейшие превращения. При этом катионы взаимодействуют с нуклеофильными («любящими ядра») частицами (Н2O, NH3, Cl — , Br — , I — и другие анионы кислот и т. п.), а органические анионы — с электрофильными («любящими электроны») частицами (Н + , катионы металлов, галогены и др.), например:

Ионный механизм наблюдается, как правило, при разрыве полярной ковалентной связи (углерод — галоген, углерод — кислород и др.).

Органические ионные частицы подобны ионам в неорганической химии — имеют соответствующие заряды. Однако они и резко отличаются: ионы неорганических соединений присутствуют в водных растворах постоянно, а органические ионные частицы возникают только в момент реакции. Поэтому во многих случаях правильнее говорить не о свободных органических ионах, а о сильно поляризованных молекулах.

Особенности органических веществ

Во втором периоде Периодической системы есть особенный элемент — углерод. Он образует свыше 20 млн. природных и синтетических веществ, и их число постоянно растет. Оно во много раз больше числа соединений всех других химических элементов, вместе взятых (около 1,5 млн.). Вещества, образованные этим элементом, имеют огромное значение в нашей жизни. Они содержатся во всех растительных и животных организмах, входят в состав пищи, служат материалами дня изготовления одежды, образуют различные виды топлива, используются в качестве лекарств, красителей, средств защиты урожая и т. п.

Вещества, в состав которых входит углерод, называют органическими. В состав органических веществ наряду с углеродом чаще всего входят водород, кислород, азот, реже — сера, фосфор, галогены и другие элементы.

Резкой грани между органическими и неорганическими веществами не существует. Например, по наличию в них углерода должны считаться органическими веществами, но по свойствам они близки к неорганическим подобного типа (оксиды, кислоты, соли) и изучаются вместе с ними.

В отличие от неорганических веществ, органические вещества имеют ряд характерных особенностей.

Атомы углерода способны соединяться друг с другом с образованием устойчивых длинных, разветвленных цепочек, колец и других структур. Именно это свойство позволяет углероду образовывать миллионы соединений, изучению которых посвящена целая область науки — органическая химия.

Отмечая валентные связи атомов углерода черточками, можно изобразить простейшую цепь следующим образом:

Наряду с простыми цепями, подобными приведенной выше, встречаются и разветвленные цепи. Например:

или

Кроме ‘‘открытых” цепей, существуют также “замкнутые” цепи, в которых атомы углерода связаны друг с другом так, что образуют кольцо, или “цикл”. Например:


К кольцам, в свою очередь, могут примыкать открытые цепи и другие кольца. Наконец, атомы углерода могут затрачивать на взаимную связь друг с другом не одну, а две или три единицы валентности. Тогда получаются цепи с “двойными” или ‘‘тройными” связями, простейшие из которых можно изобразить следующим образом:

Важной особенностью органических соединений является и то, что среди них широко распространено явление изомерии. Имеется множество соединений углерода, которые обладают одинаковым качественным и количественным составом и одинаковой молекулярной массой, но совершенно различными физическими и химическими свойствами.

Для иллюстрации приведем структурные формулы изомерных соединений:

Этиловый спирт и диметиловый эфир являются межклассовыми изомерами:
и

Связи между атомами органических соединений имеют ярко выраженный ковалентный характер. Органические вещества в большинстве неэлектролиты, не диссоциируют в растворах на ионы.

При нагревании в пределах 400-600 органические соединения полностью разлагаются и обугливаются, а в присутствии кислорода сгорают. Это объясняется сравнительно небольшой прочностью связи между атомами углерода.

Органические вещества имеют более сложное строение, чем неорганические, и многие из них обладают огромной молекулярной массой, например, те, которые являются носителями жизненных процессов: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и т. д.

Органические вещества были известны еще в далекой древности. С давних пор человек применял экстракты из растений для лечения болезней, а природные красители — для окраски тканей. Из жира получали мыло, а способы приготовления уксуса и спиртных напитков знали во всех древних странах.

Элемент углерод образует свыше 20 млн. природных и синтетических веществ, и их число постоянно растет. Вещества, в состав которых входит углерод, называют органическими. Важной особенностью органических соединении является то, что среди них широко распространено явление изомерии.

Связи между атомами органических соединений имеют ковалентный характер. Органические вещества в большинстве неэлектролиты.

При нагревании органические соединения полностью разлагаются и обугливаются, а в присутствии кислорода сгорают.

Органические вещества имеют более сложное строение, чем неорганические, и многие из них обладают огромной молекулярной массой.

Классификация органических соединений

Как и неорганические соединения, органические вещества классифицируются, т. е. разделяются на классы.

Органические соединения классифицируют, учитывая два основных структурных признака:

— строение углеродной цепи (углеродного скелета);

— наличие и строение функциональных групп.

В зависимости от строения углеродной цепи органические соединения делят на ациклические и циклические (схема 7).

Ациклические соединения — соединения с открытой (незамкнутой) углеродной цепью. Эти соединения называются также алифатическими.

Среди ациклических соединении различают предельные (насыщенные), содержащие в скелете только одинарные связи и непредельные (ненасыщенные), включающие кратные I двойные и тройные связи

Например:

Ациклические соединения подразделяют также на соединения с неразветвленной и разветвленной цепью. В этом случае учитывается число связей атома углерода с другими углеродными атомами. Циклические соединения мы будем рассматривать позже.

Классификация соединений по функциональным группам. Углеводороды в органической химии рассматриваются как базовые соединения, все остальные органические соединения можно считать их производными. Углеводородыорганические соединения, состоящие только из атомов углерода и водорода. Общая формула

Большинство органических соединений можно представить формулой: R—X, где R — углеводородный радикал, а X — функциональная группа. Функциональная группа — атом или группа атомов, определяющие принадлежность соединения к определенному классу и ответственные за его химические свойства.

Производные углеводородов — это продукты замещения атомов «Н» в молекуле углеводородов на другие атомы или группы атомов. Например:

По наличию тех или иных функциональных групп соединения подразделяют на классы. Основные функциональные группы и классы соединений, в состав которых они входят, представлены в таблице 31:

Таблица 31

Большинство органических соединении содержат функциональные группы двух или нескольких типов. Например, в состав аминокислот входят карбоксильная и аминогруппа:

Между всеми классами органических соединении существует генетическая связь, опираясь на которую можно осуществлять взаимные превращения веществ.

Органические соединения классифицируют, учитывая два основных структурных признака: строение углеродной цепи (углеродного скелета); наличие и строение функциональных групп.

В зависимости от строения углеродной цепи органические соединения делят на ациклические и циклические. Ациклические соединения подразделяют также на соединения с неразветвленной и разветвленной цепью. Углеводороды в органической химии рассматриваются как базовые соединения, все остальные органические соединения можно считать их производными. Производные углеводородов — это продукты замещения атомов водорода Н в молекуле углеводородов на другие атомы пли группы атомов. По наличию тех пли иных функциональных групп соединения подразделяют на классы. Между всеми классами органических соединений существует генетическая связь, опираясь на которую можно осуществлять взаимные превращения веществ.

Гомологические ряды органических соединений

Среди многообразия органических соединении можно выделить группы веществ, которые сходны по химическим свойствам и отличаются друг от друга на группу Соединения, сходные по химическим свойствам, состав которых отличается друг от друга на
группу называются гомологами. Гомологи, расположенные в порядке возрастания их относительной молекулярной массы, образуют гомологический ряд. Группа атомов называется гомологической разностью. При мером гомологического ряда может служить ряд предельных углеводородов (алканов). Простейший его представитель — метан Гомологами метана являются: этан пропан бутан пентан гексан гептан и т. д.

Формула любого последующего гомолога может быть получена прибавлением к формуле предыдущего углеводорода гомологической разности (схема 8).

Схема 8


Рис. 84. Температуры плавления (синяя) и кипения (красная линия) в гомологическом ряду алканов

Состав молекул всех членов гомологического ряда может быть выражен одной общей формулой. Для рассмотренного гомологического ряда предельных углеводородов такой формулой будет а для предельных одноатомных спиртов где n — число атомов углерода.

Существует понятие ближайшие гомологи. Это члены гомологического ряда, отличающиеся друг от друга на одну группу Например, ближайшими гомологами пропана являются этан и бутан

Члены гомологического ряда характеризуются сходными химическими свойствами. Многие физические свойства (температура кипения, температура плавления и др.) в гомологических рядах изменяются закономерно (рис. 84).

Между гомологическими рядами углеводородов существует генетическая связь, которая обнаруживается в процессе взаимного превращения этих веществ.

Гомологические ряды могут быть построены для всех классов органических соединений. Зная свойства одного из членов гомологического ряда, можно сделать выводы о свойствах других представителей того же ряда. Это обусловливает важность понятия гомологии при изучении органической химии.

Соединения, сходные по химическим свойствам, состав которых отличается друг от друга на группу называются гомологами. Гомологи, расположенные е порядке возрастания их относительной молекулярной массы, образуют гомологический ряд. Состав молекул всех членов гомологического ряда может быть выражен одной обшей формулой, ряды могут быть построены для всех классов органических соединений. Зная свойства одного из членов гомологического ряда, можно сделать выводы о свойствах других представителей того же ряда. Между гомологическими рядами углеводородов существует генетическая связь.

Номенклатура органических соединений

Номенклатура (от лат. nomenclatura — “перечень имен**) — это система названий» употребляющаяся в какой-либо науке.

В органической химии различают тривиальные (исторически сложившиеся названия, например уксусная кислота), рациональные (за основу названия органического соединения принимают название наиболее простого (чаще первого) члена данного гомологического ряда) и систематические названия веществ.

В настоящее время наиболее употребляемой является систематическая номенклатура, разработанная Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPАС), которая называется номенклатурой ИЮПАК.

Для понимания общих принципов построения названий органических соединений по систематической номенклатуре необходимо в первую очередь усвоить номенклатуру углеводородов.

В этой номенклатуре первые четыре предельных углеводорода нормального строения имеют тривиальные названия: метан, этан, пропан и бутан. Названия последующих нормальных (неразветвленных) углеводородов образуются от основы греческих числительных с добавлением суффикса -ан: — пентан, — гексан, — гептан и т. д. (см. табл. 32). Если от молекулы алкана ‘‘отнять” один атом водорода, то образуется одновалентный остаток» — углеводородный радикал (R-). Общее название одновалентных радикалов алканов — алкилы — образовано заменой суффикса -ан на -ил: метан — метил, этан — этил, пропан — пропил и т. д. (табл. 32).

Таблица 32 Название алканов и алкильных заместителей

Для названия разветвленных углеводородов необходимо выбрать самую длинную нормальную цепь. Если в углеводороде можно выделить несколько цепей одинаковой длины, то следует выбрать самую разветвленную цепь. Название этого углеводорода, соответствующего самой длинной цепи, принимается за основу названия данного углеводорода. Самую длинную цепь нумеруют, причем направление нумерации выбирают так, чтобы цифры, указывающие положение боковых цепей, были бы наименьшими. Для каждого бокового заместителя арабской цифрой указывают место расположения его в цепи и дают название. Если в соединении находится несколько одинаковых заместителей, то наряду с указанием места расположения каждого заместителя с помощью умножающих приставок (греческих числительных) ди-, три-, тетра— и указывается их количество. Боковые заместители перечисляют в алфавитном порядке таким образом, чтобы младшая цифра была наименьшей. Например, — метил, затем — пропит, затем — этил и т. п.

Таким образом, приведенное ранее соединение будет называться 2,2,5-триметил-3 -этилгептан.

Название ненасыщенных углеводородов с одной двойной связью (алкены)

Название таких соединений образовывают из неразветвленных предельных углеводородов, заменяя суффикс “-ан» в названии соответствующего предельного углеводорода суффиксом “-ен»:

Местоположение кратных связей (двойной или тройной) обозначается цифрой и указывается после корня слова:

Углеводородные цепи нумеруются таким образом, чтобы двойные связи получили наименьший номер (с той стороны, где ближе расположена двойная или тройная связь):

Для некоторых алкенов сохраняются несистематические названия:

Ненасыщенные углеводороды с одной тройной связью (алкины)

Такие углеводороды называют, заменяя в названии соответствующего насыщенного углеводорода суффикс “ан» суффиксом “ин». Местоположение тройной связи обозначается соответствующей цифрой перед корнем слова либо после корня слова:

Для соединения сохраняется тривиальное название ацетилен.

Ненасыщенные разветвленные углеводороды

Если ненасыщенные углеводороды имеют боковые ответвления, то углеводородную цепь нумеруют таким образом, чтобы положение двойных и тройных связей было минимальным, т. е. с того края, где ближе расположена кратная связь:

Как исключения сохраняются следующие названия радикалов:

— винил (вместо этенил)

— аллил (вместо пропенил)

Спирты

Согласно системе ИЮПАК, спирты рассматриваются как производные углеводородов, образованные замещением атомов водорода в углеводородных молекулах гидроксильной группой (-ОН). Для составления названия предельных одноатомных спиртов в названии соответствующего углеводорода добавляется суффикс “-ол”:

Многие спирты имеют тривиальные названия, например, древесный спирт, винный спирт, фитол и т. д. (табл. 33).

Таблица 33 Названия предельных одноатомных спиртов

Альдегиды

Альдегиды — органические вещества, содержащие карбон ильную группу, связанную с атомом водорода (—СОН):

Название неразветвленного ациклического альдегида образовывают путем добавления окончания «-ал» (“-аль» в русской терминологии) к названию углеводорода, содержащего тоже число атомов углерода, например:

Наличие боковых цепей в молекуле альдегида обозначается аналогично алканам:

Карбоновые кислоты

Карбоновыми кислотами называются производные углеводородов, содержащие в молекуле одну или несколько карбоксильных групп (—СООН).

По номенклатуре ИЮПАК углеродный атом карбоксильной группы считается составной частью уг ле родного скелета, а название кислоты образуется из названия соответствующего углеводорода путем добавления к нему окончания «-овая кислота«. Этот вариант наиболее предпочтителен для простых алифатических кислот (табл. 34).

Таблица 34 Названия карбоновых кислот

При наличии заместителей в углеводородной цепи ее нумеруют либо цифрами, тогда № 1 получает атом углерода, входящий в карбоксильную группу, либо буквами греческого алфавита и т. д.) — тогда первая буква будет приходиться на атом углерода, следующий за карбоксильной группой:

В органической химии различают тривиальные, рациональные и систематические названия веществ.

В настоящее время наиболее употребляемой является систематическая номенклатура, разработанная Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC). которая называется номенклатурой ИЮПАК.

Для понимания общих принципов построения названий органических соединений по систематической номенклатуре необходимо в
первую очередь усвоить номенклатуру углеводородов и знать определенные правила названия веществ.

Изомерия органических соединений

Вам уже известно, что одна из причин многообразия соединений углерода заключается в том, что атомы углерода обладают свойством соединяться друг с другом в цепи, а такое свойство для других химических элементов не столь характерно.

Химическое строение молекул органических веществ записывают с помощью структурных формул, в которых указываются все их химические связи между атомами; связь изображается черточкой. В соответствии с электронной теорией одна черточка (—) в структурных формулах означает электронную пару (••), связывающую атомы. Учитывая четырехвалентность атома углерода, можно легко составить структурные формулы молекул, в которых атомы углерода соединяются с водородом или другими атомами:

Если молекула содержит большее число атомов углерода, они связываются между собой, а остальные единицы валентности (до 4) используются для связи с атомами других элементов, например:

Способность атомов углерода соединяться друг с другом в цепи является одной из причин многообразия органических соединений.

Иногда пользуются электронными формулами, в которых, как вам известно, ковалентную связь обозначают точками. Электронная формула также показывает порядок соединения атомов в молекуле:

Обратите внимание, атомы углерода во всех соединениях четырехвалентны .

Обычно связь между водородом и другими атомами не указывают, такие формулы называют сокращенными структурными. Например, сокращенные структурные формулы этана и пропана приведены ниже:

Такая запись широко используется в органической химии. В очевидных случаях одинарные связи не указывают:

Молекулярные формулы показывают, какие элементы и в каком соотношении входят в состав вещества (т. е. качественный и количественный элементный состав). Они, в отличие от структурных формул, не отражают порядка связывания атомов.

Одна из причин многообразия соединений углерода заключается в том, что атомы углерода обладают свойством соединяться не только в прямые, но и в разветвленные цепи. Например, для бутана возможно двоякое расположение атомов углерода — в виде неразветвленной и разветвленной цепи (рис. 85):


или в сокращенном виде:


Рис. 85. Модели молекулы: а) бутана; б) изобутана

В первом случае каждый атом углерода соединен с одним или двумя атомами углерода, во втором случае появляется атом, соединенный с тремя атомами углерода. Различному порядку соединения атомов при одном и том же составе молекул отвечают разные вещества. В отличие от ранее известного вещества бутана, новое соединение получило название изобутан (рис. 85).

Вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но различное химическое строение и, следовательно, различные свойства, называются изомерами.

Явление существования изомеров называется изомерией.

Таким образом, состав веществ может быть абсолютно одинаковым, но их физические константы (температура кипения, плавления, плотности и др.) и химические свойства могут значительно различаться.

Разветвленные углеводороды кипят при более низкой температуре, чем соответствующие изомеры с неразветвленной цепью. Приведем еще пример для пентана

С увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода количество возможных изомеров резко возрастает. Для гептана существует 9 изомеров, для углеводорода — 1885 изомеров, для углеводорода — свыше 366 000.

Одна из причин многообразия соединений углерода заключается в том, что атомы углерода обладают свойством соединяться не только в прямые, но и в разветвленные цепи. Различному порядку соединения атомов при одном и том же составе молекул отвечают разные вещества.

Вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но различное химическое строение и, следовательно, различные свойства, называются изомерами.

Явление существования изомеров называется изомерией.

Решение задач на тему: вывод молекулярной формулы газообразного вещества по относительной плотности и массовым долям элементов

Этот вид расчетов позволяет на основании экспериментальных данных определить формулу вещества (простейшую и молекулярную). На основании данных качественного и количественного анализов можно найти сначала соотношение атомов в молекуле (или другой структурной единице вещества), т. е. его простейшую формулу. Например, анализ показал, что вещество является углеводородом в котором массовые доли углерода и водорода соответственно равны 0,8 и 0,2 (80% и 20%). Чтобы определить соотношение атомов элементов, достаточно определить их количество вещества (число молей):

Таким образом, является простейшей формулой данного вещества. Соотношению атомов С и Н, равному 1:3, соответствует бесчисленное количество формул: и т. д., но из этого ряда только одна формула является молекулярной для данного вещества, так как и являются невозможными из-за нарушения валентности элементов.

Чтобы вычислить молекулярную формулу, кроме количественного состава вещества, необходимо знать его молекулярную массу. Для определения этой величины часто используется значение относительной плотности газа D. Так, для вышеприведенного случая:

Тогда: 15 • 2 г/моль = 30 г/моль.

Поскольку то для соответствия с истинной молекулярной массой необходимо удвоить индексы в формуле. Следовательно, молекулярная формула вещества:

Задача 1. Определите молекулярную формулу углеводорода, если массовая доля водорода в нем составляет 14,3% , углерода — 85,7% . Относительная плотность углеводорода по водороду равна 21.

Запишем условие задачи.
Дано:
(С) = 85,7%

(Н) =14,3%

21

Найти:
= ?

1. Определим относительную молекулярную массу:

2. Найдем простейшую формулу углеводорода по массовым долям элементов:

3. Так как в состав молекулы не могут входить доли атомов, а только целые числа, для этого выбираем из этих двух чисел самое меньшее и делим на него все другие числа отношения.
Самое маленькое из этих двух чисел 7,14.

Простейшая формула

4. Найдем относительную молекулярную массу простейшей формулы:

5. Найдем значение n, оно определяется делением величины относительной молекулярной массы истинной формулы вещества (п. 1) на величину относительной молекулярной массы простейшей формулы (п. 3):

Это значит, что число атомов углерода и водорода в простейшей формуле надо увеличить в 3 раза. Таким образом, истинная формула углеводорода:
Ответ: пропен.

Задача 2. Найдите молекулярную формулу предельного углеводорода, массовая доля углерода в котором 83,3%, плотность по водороду 29.

Запишем условие задачи.
Дано:

= ?

1. Определим = 2 • 29 = 58.

2. Найдем массовую долю водорода:
= 100% — 83,3% = 16,7%.

3. Найдем индексы и простейшую формулу для углеводорода следовательно, простейшая формула —

4. Найдем истинную формулу. Поскольку общая формула алканов Отсюда истинная формула алкана

Услуги по химии:

Лекции по химии:

Лекции по неорганической химии:

Лекции по органической химии:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.


источники:

http://www.sites.google.com/site/abrosimovachemy/materialy-v-pomos-ucenikam/distancionnoe-obucenie/10-klass/himiceskie-reakcii-v-organiceskoj-himii

http://natalibrilenova.ru/organicheskaya-himiya/