Классификация по типу функциональной группы

В большинстве органических соединений, кроме атомов углерода и водорода, содержатся атомы других элементов (не входящие в скелет). Эти атомы или их группировки, во многом определяющие физические и химические свойства органических соединений, называют функциональными группами.

Функциональная группа оказывается окончательным признаком, по которому соединения относятся к тому или иному классу. Важнейшие группы приведены в табл. 1.1.

Соединения, которые содержат несколько функциональных групп, называют полифункциональными.

Соединения, имеющие одинаковые функциональные группы, но различающиеся числом атомов углерода, обладают похожими физическими и химическими свойствами. Такие соединения называются гомологами. Совокупность всех гомологов образует гомологический ряд.

 

Таблица 1.1. Важнейшие функциональные группы

 

Функциональная группа	Класс соединения
Обозначение	Название
− F, − Cl, − Br, − I	галоген	галогенопроизводные
− OH	гидроксил	спирты, фенолы
> C=O	карбонил	альдегиды, кетоны
− COOH	карбоксил	карбоновые кислоты
− NH2, > NH, > N−	аминогруппа	амины
− NO2	нитрогруппа	нитросоединения
− SO3H	сульфогруппа	сульфокислоты

 

Номенклатура органических соединений

Современная номенклатура (система присвоения названий) должна быть систематической и международной, чтобы специалисты всего мира могли отобразить в названии структуру соединения и, наоборот, по названию однозначно представить структуру. В настоящее время в органической химии используется систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC − Международный союз теоретической и прикладной химии).

В основу названия соединения по этой номенклатуре положена углеродная цепь молекулы, содержащая максимальное число функциональных групп и кратных связей. Начало нумерации цепи определяет наиболее старшая функциональная группа. Порядок старшинства основных функциональных групп следующий:

− COOH > − C≡ N > − CHO > > C=O > − OH > − NH₂ > − NO₂ > Hal

Основу названия соединения составляет корень слова, обозначающий предельный углеводород с тем же числом атомов, что и главная цепь; затем следует суффикс, характеризующий степень ненасыщенности углеродной цепи (− ан, − ен, − ин), а после суффикса арабскими цифрами указывается положение кратной связи. Далее в суффикс выносится название самой старшей функциональной группы в молекуле с указанием ее положения цифрой. Прочие заместители обозначаются с помощью приставок. При этом они перечисляются не в порядке старшинства, а по алфавиту. Положение заместителя указывается цифрой перед приcтавкой. Например:

 

1 2 3 4 5 6 5 4 3 2 1

CH₃—CH—CH—CH₂—CH—CH₃ CH₂=CH—CH₂—CH—CH₃

| | | |

CH₃ C₂H₅ CH₃ OH

2, 5-диметил-3-этилгексан пентен-4-ол-2

 

 

Алифатические углеводороды

 

План лекции

1. Предельные углеводороды (алканы)

2. Этиленовые углеводороды (алкены)

3. Диены

4. Углеводороды с одной тройной связью (алкины)

 

Углеводороды – это соединения, молекулы которых содержат только атомы углерода и водорода. Углеводороды можно рассматривать как фундамент органической химии.

Предельные углеводороды (алканы)

Предельными углеводородами называют соединения, состоящие из атомов углерода и водорода, соединенных между собой только σ -связями, и не содержащие циклов. Общая формула алканов C_nH_2n+2, где n – число атомов углерода. Для таких соединений характерно тетраэдрическое состояние атома углерода (sp³-гибридное состояние).

Номенклатура и изомерия алканов

Первые четыре члена гомологического ряда предельных углеводородов имеют тривиальные названия: метан (CH₄), этан (C₂H₆), пропан (C₃H₈), бутан (C₄H₁₀). За основу названий следующих гомологов берутся греческие числительные, соответствующие числу атомов углерода, и окончание –ан: пентан (C₅H₁₂), гексан (C₆H₁₄) и т. д.

Номенклатура разветвленных алканов связана с выбором наиболее длинной главной углеродной цепи. Нумерацию атомов углерода проводят таким образом, чтобы сумма локантов (номеров углеродных атомов) в названии была наименьшей. Алкильные группы рассматриваются как заместители.

5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6

СН₃− СН₂− СН₂− СН− СН₃ СН₃− СН− СH− СН₂− СН− СН₃

ê | | |

CH₃ CH₃ C₂H₅ CH₃

2-метилпентан 2, 5-диметил-3-этилгексан

 

Единственным видом изомерии в ряду алканов является изомерия углеродного скелета. Возможность существования соединений с разветвленной цепью − изомеров нормальных углеводородов возникает, начиная с бутана С₄Н₁₀ (n=4). У бутана два изомера:

СН₃

ê

CH₃− CH₂− CH₂− CH₃ CH₃− CH− CH₃

_{н- бутан изобутан}

 

С увеличением числа углеродных атомов n число изомеров возрастает. У октана С₈Н₁₈ (n=8) 18 изомеров, у декана С₁₀Н₂₂ (n=10) − 75.

Методы получения алканов.

Алканы, как правило, получают разделением природных смесей углеводородов. Лабораторных способов получения немного:

1. Гидрирование алкенов

С_n Н_2n + Н₂ С_n H_2n+2

2. Реакция Вюрца (взаимодействие галогеналканов с активными металлами)

2 RBr + 2 Na R—R + 2 NaBr

3. Реакция Дюма (термическое декарбоксилирование солей органиче- ских кислот)

t

R− COONa + NaOH R− H + Na₂CO₃

Химические свойства алканов

Предельные углеводороды при обычных условиях химически инертны. Это объясняется большой прочностью неполярных и малополярных σ -связей С− С и С− Н. Алканы не вступают в реакции присоединения, при умеренных температурах не взаимодействуют с сильными окислителями. При сравнительно низких температурах протекает лишь небольшое число реакций замещения, при которых происходит замена атомов водорода на другие атомы и группы.

1.3.1. Реакция галогенирования

Смесь простого алкана (метана, этана, пропана) и хлора может существовать без следов взаимодействия при комнатной температуре в темноте. Однако облучение такой смеси ультрафиолетовым светом или нагревание до 300^о приводит к бурной экзотермической реакции с образованием галогенозамещенных углеводородов (галогеналканов) по уравнению:

 

RH + X₂ RX + HX (Х: Сl, Br; R: алкил)

 

СН₄ + Сl₂ CH₃Cl + HCl

метан хлорметан

Реакция протекает по свободнорадикальному механизму, который включает следующие стадии:

1. Инициирование. Процесс начинается с поглощения молекулярным хлором кванта УФ-света и распада на два радикала:

Сl : Cl 2 Cl ·

2. Рост цепи. Образовавшийся атом хлора может оторвать атом водорода от молекулы метана с получением метильного радикала и хлористого водорода:

CH₄ + Cl · CH₃ · + НCl

Свободный метильный радикал может дальше оторвать атом хлора от молекулы хлора и образовать хлористый метил и новый атом хлора:

CH₃ · + Cl₂ CH₃Cl + Cl ·

Реакции такого типа называются цепными, поскольку один атом хлора может инициировать хлорирование бесконечного числа молекул метана.

3. Обрыв цепи. На практике протекание процесса галогенирования ограничивается обрывом цепи, при которых два радикала реагируют друг с другом:

CH₃ · + Cl · CH₃Cl

Cl · + Cl · Cl₂

В этой реакции образуются не только монозамещенные, но и ди-, три- и тетразамещенные производные метана:

CH₃Cl + Cl₂ CH₂Cl₂ (дихлорметан, хлористый метилен)

СH₂Cl₂ + Cl₂ CHCl₃ (трихлорметан, хлороформ)

CHCl₃ + Cl₂ CCl₄ (тетрахлорметан, четыреххлористый углерод)

При хлорировании разветвленных алканов следует иметь в виду, что замещение атомов водорода при различных углеродных атомах протекает неодинаково. В первую очередь замещается водород при третичных атомах углерода, затем при вторичных, и в последнюю очередь замещается водород при первичных атомах углерода. В итоге, как правило, получается смесь продуктов галогенирования.

Сl

_hν |

СH₃− CH− CH₂− CH₃ + Сl₂ СH₃− C− CH₂− CH₃ +

| |

CH₃ CH₃

2-метилбутан 2-метил-2-хлорбутан

Сl

|

+ СH₃− CН− CH− CH₃ + СlСH₂− CH− CH₂− CH₃ + СH₃− CН− CH₂− CH₂Сl

| | |

СН₃ СН₃ СН₃

2-метил-3-хлорбутан 2-метил-1-хлорбутан 3-метил-1-хлорбутан

 

1.3.2. Нитрование алканов (реакция Коновалова)

Протекает по свободнорадикальному механизму в условиях высокой температуры, которая способствует распаду молекул азотной кислоты на активные частицы.

t > 450

RH + HNO₃ RNO₂ + H₂O

По аналогии с хлорированием процесс нитрования включает следующие стадии:

t

a) HO : NO₂ HO · + · NO₂

б) RH + · OH R · + H₂O

в) R · + · NO₂ RNO₂

г) R · + HONO₂ RNO₂ + · OH и т. д.

CH₃− CH₃ + HNO₃ CH₃− CH₂ − NO₂

этан нитроэтан

При нитровании этана и высших алканов образуются только мононитропроизводные.

При высоких температурах протекают реакции с разрывом как С− Н, так и С− С – связей: горение, дегидрирование, крекинг, изомеризация.

1.3.3. Горение алканов

Алканы горят на воздухе с выделением большого количества тепла:

2 C₂H₆ + 7 O₂ 4 CO₂ + 6 H₂O

1.3.4. Реакции дегидрирования

При сильном нагревании (выше 1000 º С) разлагаются на простые вещества:

CH₄ C + 2 H₂

Если метан нагреть до более высокой температуры (1500 º С), то образуется ацетилен:

2 CH₄ H− C≡ C− H + 3 H₂

Эта реакция имеет большое практическое значение, так как открывает путь к синтезу многих органических соединений.

Под действием катализаторов и при высокой температуре алканы отщепляют водород и превращаются в непредельные углеводороды:

Cr₂O₃, t

CH₃− CH₃ CH₂=CH₂ + Н₂

этан этилен

1.3.4. Крекинг алканов

Пиролиз или крекинг алканов при высоких температурах и давлениях без доступа воздуха приводит к расщеплению молекул:

C₈H₁₈ C₄H₁₀ + C₄H₈

октан бутан бутен

Применение алканов

Алканы применяют в качестве топлива в быту и на производстве. Особенно широко используется метан в составе природного газа – это сырье для промышленного получения водорода, ацетилена, сажи, галогенопроизводных. Изомеры углеводородов разветвленного строения используют в производстве каучуков, высококачественных сортов бензина.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. CASE-средства. Общая характеристика и классификация
2. I. 3. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ I. 3.1. Классификация
3. II этап. Обоснование системы показателей для комплексной оценки, их классификация.
4. III РАСШИРЕНИЕ ГРУППЫ И РАЗВИТИЕ ИНДИВИДУАЛЬНОСТИ
5. Адаптивная способность группы
6. Административное принуждение и его классификация.
7. Акриловые материалы холодного отверждения. Классификация эластичных базисных материалов. Сравнительная оценка полимерных материалов для искусственных зубов с материалами другой химической природы.
8. АКСИОМЫ СТАТИКИ. СВЯЗИ И ИХ РЕАКЦИИ. ТРЕНИЕ. КЛАССИФИКАЦИЯ СИЛ
9. Активные группы синтазы жирных кислот
10. Альтернативные многокомпонентные хладагенты группы ГФУ
11. Аминокислотные медиаторы подразделяются на две группы: возбуждающие (глутамат, аспартат) и тормозные (гамма – аминомасляная кислота, глицин, бета – аланин и, таурин).
12. Анализ ближайших конкурентов. Стратегические группы конкурентов.