Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Классификация органических соединений и функциональных групп.
Гомологический ряд – последовательность органических соединений с одинаковыми функциональными группами и однотипным строением, отличающаяся друг от друга на группу –СН2-, которую называют гомологической разностью (метиленовая группа). Состав всех членов гомологического ряда может быть выражен общей формулой. Например, для ряда алкенов CnH2 n: C2H4 (этен), C3H6 (пропен), C4H8 (бутен), C5H10 (пентен) и т.д.
Номенклатура органических соединений – это система названий веществ. Применяются систематическая (международная), рациональная (радикальная) и тривиальная (историческая) номенклатуры. Принципы систематической (заместительной) номенклатуры. Название любого ациклического органического соединения строят из названия непрерывной самой длинной цепи углеродных атомов (главная цепь) и названия функциональных групп, используемых в качестве приставок (префиксов) или суффиксов. Самое важное – это выбрать главную цепь, содержащую наибольшее количество углеродных атомов и старшую функциональную группу. Нумерацию атомов углерода в цепи начинают со старшей функциональной группы. Основу названия соединения составляет корень слова, обозначающий предельный углеводород с тем же числом атомов углерода, что и главная цепь. Затем в суффикс вносится название старшей функциональной группы с указанием ее положения цифрой; прочие заместители обозначаются с помощью приставок, перечисленных по алфавиту, с указанием их положения цифрой.
Таблица простейших радикалов
Например: 2-метилпентен-2 (суффикс -ен указывает на наличие кратной связи) 3-метилбутаналь
Здесь альдегидная группа старшая, следовательно, с нее начинается нумерация цепи, и она обозначается суффиксом –аль. 3-гидрокси-6-метил-4-этилгептен-5-овая кислота Изомерия. Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый элементный состав (общая молекулярная формула), но различное химическое строение и поэтому обладающие различными свойствами. Все виды изомерии можно отнести к двум типам: структурная изомерия и пространственная изомерия. Структурная изомерия: Скелетная изомерия обусловлена различным строением углеродного скелета: Например: С5Н12 2-метилбутан 2, 2-диметилпропан Изомерия положения функциональной группы или кратной связи: 2-метилбутен-1 3-метилбутен-1 2-метилбутен-2 3. Метамерия, зависящая от различного распределения углеродных атомов между несколькими углеводородными радикалами, входящими в состав молекулы: этилацетат метилпропионат диметиламин этиламин 4. Межклассовая изомерия – изомеры относятся к разным классам органических соединений: (класс непредельных спиртов) этоксиэтен (винилэтиловый эфир) (класс простых эфиров) Пространственная, или стереоизомерия, обусловлена различным пространственным расположением атомов при одинаковом порядке из связывания. 1. Геометрическая, или цис-, транс-, изомерия, характерна для алкенов и циклоалканов цис-пентен-1 транс-пентен-1 цис-1, 2-диметилциклопропан транс-1, 2-диметилциклопропан (tкип = 370С) (tкип = 290С)
2. Оптическая (зеркальная), изомерия (энантиомерия), обусловлена наличием асимметрического (хирального) атома углерода (С*), т.е. атома углерода, связанного с четырьмя различными заместителями. 1-хлорэтанол 2-гидроксипропановая кислота (молочная кислота) D - глицериновый альдегид L - глицериновый альдегид эталон D-ряда эталон L -ряда Взаимное влияние атомов в молекуле. Атомы и группы атомов, входящие в молекулу органического соединения, оказывают взаимное влияние на химическое поведение друг друга, при этом связанные атомы могут различаться по величине электроотрицательности, что определяет полярность и прочность химических связей в молекуле. Все составляющие молекулы атомы находятся во взаимосвязи и испытывают взаимное влияние. CH3− COO− H+ CCl3← COO← H+ Типичные органические вещества в отличие от неорганических являются неэлектролитами, они имеют неполярные или слабополярные связи. Являются газами (низшие), жидкостями или твердыми веществами с низкой температурой плавления, разрушаются при нагревании, окисляются на воздухе, горючи, нерастворимы или плохо растворимы в воде, но часто хорошо растворимы в органических растворителях.
Пример 1. Четвертичный атом углерода соединен с четырьмя… 1) атомами углерода 2) атомами водорода 3) углеводородными радикалами 4) гидроксильными группами 5) аминогруппами Решение. Четвертичный атом углерода – это атом углерода, который соединен с четырьмя атомами углерода или с четырьмя углеводородными радикалами Ответ: 1, 3
Пример 2. Назовите соединение по международной номенклатуре и укажите количество вторичных атомов углерода в его молекуле. 1) 4-гидрокси-3-метил-6-изопропилгептен-6-он-2, 3 вторичных атома углерода 2) 4-гидрокси-3-метил-6-изопропилпентен-6-он-2, 2 вторичных атома углерода 3) 4-гидрокси-6-изопропил-3-метилгептен-6-он-2, 4 вторичных атома углерода 4) 4-гидрокси-6-изопропил-3-метилпентен-6-он-2, 2 вторичных атома углерода 5) 4-гидрокси-7-диметил-6-метилиденоктанон-2, 4 вторичных атома углерода Решение. Выбираем главную, самую длинную цепь углеродных атомов, содержащую функциональные группы. Самая длинная цепь содержит 8 атомов углерода, но не включает в себя кратную связь. Цепь атомов углерода, в составе которой находятся все функциональные группы (кето-, гидрокси- и кратная связь), состоит из 7 атомов. Т.к. старшей группой является карбонильная группа, то нумерация цепи начинается справа. При наименовании вещества названия заместителей располагают в алфавитном порядке, следовательно, по м.н. данное вещество называется 4-гидрокси-6-изопропил-3-метилгептен-6-он-2 и имеет в молекуле 4 вторичных атома углерода С2, С4, С5 и С7, т.к. связаны с соседними атомами углерода двумя связями. Ответ: 3
Пример 3. Сколько σ - и π -связей содержится в молекуле изопрена? 1) 10σ - и 2π - 2) 11σ - и 2π - 3) 12σ - и 2π - 4) 13σ - и 2π - 5) 14σ - и 2π - Решение. Изопрен, или 2-метилбутадиен-1, 3, имеет формулу: Каждая черточка означает одну s-связь, а двойная связь состоит из одной s-связи и одной p-связи, следовательно, в молекуле изопрена 12 s- и 2 p-связи. Ответ: 3
Пример 4. В каком из перечисленных соединений все атомы углерода находятся в одинаковом гибридном состоянии? 1) изопрен 2) гексатриен-1, 3, 5 3) толуол 4) пентадиин-1, 4 5) метилциклобутан
Решение. Гибридизация атома углерода определяется по числу s-связей, которыми данный атом связан с другими: атом углерода в sp3-гибридизации имеет 4 s-связи, в sp2-гибридизации - 3 s-связи, в sp-гибридизации - 2 s-связи. Рассмотрим каждое из соединений. изопрен (2-метилбутадиен-1, 3) 2) гексатриен-1, 3, 5
3) толуол 4) пентадиин-1, 4 5) метилциклобутан Только в молекулах гексатриена 1, 3, 5 и метилциклобутана атомы углерода имеют одинаковую гибридизацию (sp2 и sp3 соответственно). Ответ: 2, 5
Пример 5. Напишите формулу 3, 3-диэтилгексана. Приведите формулу гомолога, имеющего на один атом углерода больше и не содержащего вторичных атомов углерода.
Решение. 3, 3-диэтилгексан (С10Н22). Гомолог имеет общую формулу С11Н24. Соединение, соответствующее этой формуле и не имеющее вторичных атомов углерода, - это 2, 2, 3, 3, 4, 4-гексаметилпентан. Пример 6. Среди приведенных соединений выберите изомеры: Решение. Изомеры – вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но разное строение. Здесь представлены только алканы, для которых возможна скелетная изомерия. 1) С8Н18 2) С9Н20 3) С7Н16 4) С8Н18 5) С8Н18 Изомерами являются 1-ое, 4-ое и 5-ое соединения. Ответ: 1, 4, 5
Пример 7. В молекуле алкана имеются только первичные и третичные атомы углерода, причем первичных атомов в 2 раза больше, чем третичных. Напишите формулу алкана.
Решение. В молекуле 2, 3-диметилбутана имеется четыре первичных и два третичных углеродных атома. Пример 8. Приведите формулу нециклического углеводорода, в молекуле которого: а) атомы углерода находятся в состоянии sp3-, sp2- и sp-гибридизации; б) все четыре атома углерода находятся в состоянии sp-гибридизации; в) все четыре атома углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации.
Решение. а) В молекуле углеводорода атомы углерода находятся в состоянии sp3-, sp2- и sp-гибридизации, т.е. в молекуле содержится тройная, двойная связи и углеводородный радикал, например, пентен-3-ин-1 или 2-метилбутен-3-ин-1. б) В молекуле углеводорода все четыре атома углерода находятся в состоянии sp-гибридизации, т.е. в молекуле имеются две тройные связи (бутадиин). в) Все четыре атома углерода в молекуле углеводорода находятся в состоянии sp2-гибридизации, значит, в молекуле содержатся две двойные связи (бутадиен-1, 3).
УГЛЕВОДОРОДЫ АЛКАНЫ Алканы – это углеводороды нециклического строения, в молекулах которых все атомы водорода находятся в состоянии sp3-гибридизации и связаны друг с другом только s-связями. Общая формула алканов С n H2 n+2. Угол между s-связями составляет 109028¢, длина С-С-связи равна 0, 154 нм. Вокруг С-С-связей возможно свободное вращение. Номенклатура алканов. Первые четыре члена гомологического ряда имеют тривиальные названия: метан, этан, пропан, бутан. Названия последующих членов ряда образуют от греческих числительных с добавлением окончания –ан: пентан, гексан и т.д. При составлении названия по международной (заместительной) номенклатуре выбирают самую длинную нормальную цепь атомов углерода и нумеруют с того конца, к которому ближе заместитель. В названии соединения цифрой указывают номер, под которым находится радикал, далее – его название и затем название главной цепи. Если радикалы повторяются, то перечисляют цифры, указывающие их положение, а число одинаковых радикалов указывают приставками ди-, три-, тетра-. При наличии нескольких алкильных групп, их перечисляют в алфавитном порядке, например: 5-изопропил-2, 2, 6-триметил-4-этилгептан. Изомерия алканов. Для алканов характерна только структурная изомерия – изомерия углеродного скелета, начиная с n = 4. Так, алкану состава С5Н12 соответствуют соединения строения: Физические свойства. Четыре первых гомолога метана – газообразные вещества, начиная от пентана (С5) до пентадекана (С15) – жидкости, с С16- твердые вещества. Все алканы легче воды. Алканы практически нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях. Метан, этан и высшие гомологи не имеют запаха, средние - обладают запахом бензина. Химические свойства . В обычных условиях алканы обладают низкой реакционной способностью, что связано с прочностью и малой полярностью s-связей. При температуре и на свету (hn) создаются возможности для гомолитического разрыва С-С и С-Н-связей с образованием радикалов. В этих условиях алканы вступают в реакции радикального замещения (SR). I. Реакции замещения. При хлорировании углеводородов обычно образуется смесь хлорпроизводных. Реакции бромирования, нитрования и сульфирования протекают избирательно: легче всего происходит замещение атома водорода у третичного атома углерода, затем – у вторичного и в последнюю очередь у первичного. При вторичном галогенировании замещается преимущественно атом водорода у того атома углерода, который уже подвергался воздействию галогена (для брома избирательность выше, чем для хлора). II. Реакции окисления 1) горение 2) каталитическое окисление При каталитическом окислении метана в зависимости от условий могут быть получены различные продукты окисления (метанол, формальдегид, муравьиная кислота): В промышленности окислением бутана получают уксусную кислоту: 2С4Н10 + 5О2 4СН3СООН + 2Н2О Алканы устойчивы к воздействию перманганата и дихромата калия. III. Изомеризация. Нормальные алканы при определенных условиях легко изомеризуются, образуя алканы с разветвленной углеродной цепью. IV. Крекинг – процесс расщепления углеводородов, содержащихся в нефти, сопровождающийся гомолитическим разрывом С-С-связей при сравнительно высокой температуре (4600 – 5600). В результате крекинга образуются алканы и алкены с меньшей молекулярной массой:
Одновременно протекают реакции изомеризации, циклизации, полимеризации. В результате образуется смесь разнообразных продуктов, состав которой зависит от условий крекинга. Крекинг при более высоких температурах (7000-8000С) называют пиролизом. Пиролиз приводит к более глубоким изменениям (образованию непредельных газообразных углеводородов, например, этилена, ацетилена и др.) и частичному образованию углерода: 2СН4 СНº СН + 3Н2 С2Н6 СН2=СН2 + Н2 СН4 С +2Н2
|
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-09; Просмотров: 509; Нарушение авторского права страницы