Классификация органических соединений и функциональных групп.

Функциональная группа			Класс соединений и общая формула
Обозначение	Название функцио-нальной группы	Окончание по меж-дународной номенк-латуре
*старшая груп-па	карбоксильная группа (карбокси-)	-овая кислота	карбоновые кислоты
	сульфогруппа (сульфо-)		сульфоновые кислоты
	карбоксилат-		соли карбоновых кислот
	сложноэфирная группировка		сложные эфиры
	нитрильная группа нитрил-		нитрилы кислот
	карбонильная группа (альдегидная группа) оксо-	-аль	альдегиды      Н
	карбонильная группа (кетогруппа) оксо-	-он	кетоны       R
	гидроксильная группа гидрокси-	-ол	спирты
	гидроксильная группа гидрокси-		фенолы
	алкоксигруппа алкокси-		простые эфиры
	меркаптогруппа тиол-	-тиол	тиоспирты
	аминогруппа	-амин	амины
старшинство	галоген фтор, хлор, бром, иод		галогенопроизводные углеводородов
		-ин	алкины
½ ½		-ен	алкены
½ ½ ½ ½		-ан	алканы
	углеводородный радикал (алкил)	-ил	алканы

 

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 C_nH_{2 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

	Радикал  (формула)	Название
		метил
	(С2Н5-)	этил
		пропил
		изопропил (втор-пропил)
		н-бутил
		вторичный бутил (втор-бутил)
		первичный изобутил (изобутил)
		третичный изобутил (трет-бутил)
		винил
		аллил
		фенил

 

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

                                                 (t_кип = 37⁰С)                                      (t_кип = 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 H_{2 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 (S_R).

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

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: