конспект лекций.Химия(органическая химия).dos

Root Entry Заголовок 315Выделение жирнымСимвол нумерацииОсновной текстСодержимое таблицы
Обычный (веб)Основной текст с отступом 21Текст в заданном форматеЗаголовок таблицыСодержимое врезкиTimes New RomanArial Unicode MSBitstream Vera SerifSegoe UIAndale Sans UIArial Unicode MSCourier NewМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»
(ХГУ им. Н.Ф. Катанова)
Институт естественных наук и математики













ХИМИЯ
(ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ)



Конспект лекций по дисциплине для студентов,
обучающихся по специальностям и направлениям
050100.62–«Естественнонаучное образование» профиля «Химия»,
020400.62-«Биология» профиля « Биоэкология»,
280700. 62-профиль «Техносферная безопасность»









Абакан 2013






ББК 24.2
Ф 638




Ф 638 ХИМИЯ (ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ): конспект лекций по дисциплине для студентов,
обучающихся по специальностям и направлениям

050100.62 – «Естественнонаучное образование» профиля «Химия», 020400.62 - «Биология» профиля «Биоэкология», 280700. 62 - профиль «Техносферная безопасность» / Сост. Л.А. Фисун. – Абакан:




Учебное пособие является частью учебно-методического комплекса дисциплины «Химия (Органическая химия)».
Оно включает в себя конспект 17 лекций, охватывающий все разделы читаемого курса. Пособие предназначено для организации самостоятельной работы студентов при подготовке к лекционным, практическим занятиям, итоговому контролю и выполнению домашних заданий и контрольных работ по дисциплине.
Учебное пособие по органической химии предназначено для студентов по направлению подготовки 050100.62 – «Естественнонаучное образование» профиля «Химия», 020400.62 - «Биология» профиля «Биоэкология», 280700. 62 – профиль «Техносферная безопасность», а также может быть полезным студентам других специальностей и направлений.



ББК 24.2



ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

ЛЕКЦИЯ №1. Введение. Предмет органической химии. Основные этапы ее развития............................................................

ЛЕКЦИЯ № 2. Классификация и номенклатура органических соединений......................................... ..............................................

ЛЕКЦИЯ №3. Химическая связь. Взаимное влияние атомов......

ЛЕКЦИЯ №4. Изомерия..................................................................

ЛЕКЦИЯ №5. Классификация органических реакций и реагентов. Органические кислоты и основания.........................

ЛЕКЦИЯ №6. Углеводороды. Алканы............................................

ЛЕКЦИЯ №7. Непредельные углеводороды..................................
ЛЕКЦИЯ №8. Арены (ароматические углеводороды).................

ЛЕКЦИЯ №9. Галогенпроизводные углеводородов.....................

ЛЕКЦИЯ №10. Спирты. Фенолы...................................................

ЛЕКЦИЯ №11. Карбонильные соединения...................................

ЛЕКЦИЯ №12. Карбоновые кислоты и их производные..............

ЛЕКЦИЯ №13. Гетерофункциональные соединения....................

ЛЕКЦИЯ №14. Углеводы..................................................................

ЛЕКЦИЯ №15. Амины....................................................................

ЛЕКЦИЯ №16. Аминокислоты. Пептиды.....................................

ЛЕКЦИЯ №17. Гетероциклические соединения...........................



ПРЕДИСЛОВИЕ


Учебное пособие включает в себя конспект 17 лекций, охватывающий все разделы читаемого курса.
В пособии в компактной и доступной форме представлен обширный теоретический и фактический материал по изучению строения, свойств, получения и применения органических соединений различных классов. В работу включены краткие как исторические, так и современные сведения о достижениях в области органической химии.
Пособие предназначено для организации самостоятельной работы студентов при подготовке к лекционным, практическим занятиям, итоговому контролю и выполнению домашних заданий и контрольных работ по дисциплине.
Учебное пособие по органической химии предназначено для студентов по направлениям подготовки 050100.62 – «Естественнонаучное образование» профиля «Химия», 020400.62 - «Биология» профиля «Биоэкология», 280700. 62 – профиль «Техносферная безопасность», а также может быть полезным студентам других специальностей и направлений.



  Химия (органическая химия) [Текст] : учебно-методический комплекс по дисциплине : конспект лекций / М-во образования и науки Рос. Федерации, ФГБОУ ВПО "Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова" ; [сост. Л. А. Фисун]. - Абакан : Изд-во ФГБОУ ВПО "Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова", 2014. - 136 с.


















ЛЕКЦИЯ №1.

ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ЕЕ РАЗВИТИЯ
План
1. Предмет органической химии.
2. Основные исторические этапы развития органической химии.
3. Основные источники органических соединений.
4. Теория химического строения им. А.М. Бутлерова.

Органическая химия – наука, всесторонне изучающая органические соединения. Органические соединения – это углеводороды и их функциональных производные.
Органические соединения известны человеку с глубокой древности: этиловый спирт, уксусная кислота, масла, растительные красители и другие. Однако систематическое изучение органических соединений началось во второй половине 18 века.
Термины «органическая химия», «органические вещества» введены в начале 19 века (1809г.) шведом Й.Я. Берцелиусом для обозначения веществ, выделяемых из животных и растительных организмов. В настоящее время известно более 10 миллионов органических соединений, при этом число синтетических органических соединений несравнимо больше веществ, встречающихся в природе.
Таблица 1.
Распространение углерода в природе

Источники углерода
Количество, 109т
Источники углерода
Количество, 109т

Газы- гидраты
104
Наземная растительность
830

Уголь,нефть, газ
5000
Торф
500

Почва
1400
Атмосфера
3,6

Вода
980
Морские растения
3,0


Органические соединения образованы небольшим числом элементов - углеродом, водородом, серой, кислородом, азотом, фосфором. В состав организма человека, например, входит 24 элемента, на долю четырех из них – углерода, водорода, кислорода и азота приходится около 99% соединений. Архитектура, состав и строение органических соединений весьма разнообразны, разнообразны и уникальны их свойства.
Современная органическая химия характеризуется достаточно развитыми теоретическими представлениями, позволяющими систематизировать, объяснять и прогнозировать свойства, существование органических соединений и их роль в жизни человека.
Фундаментом теоретической органической химии является теория химического строения им. А.М. Бутлерова (1861 год), основные положения которой сформулированы следующим образом:
1. Атомы в молекулах соединяются между собой в определенной последовательности, согласно их валентности. Химическое строение – это определенная последовательность расположения связей между атомами.
2. Свойства органических веществ зависят не только от природы и числа атомов, но и от химического строения. Каждое химическое соединение имеет только одну химическую формулу, которая дает представление об его химических свойствах.
3. Явление существования нескольких соединений с одинаковым качественным и количественным составом, но с разными строением и свойствами, называется изомерией, а сами соединения – изомерами.
4. Атомы в молекулах оказывают друг на друга взаимное влияние. Химический характер каждого конкретного атома в молекуле зависит от природы связанных с ним атомов.
5. Химическое строение соединения может быть установлено по его химическим и физическим свойствам. И, наоборот, зная строение, можно определить его свойства.
Теория химического строения позволила систематизировать фактический материал органической химии, объяснять ее закономерности, предсказывать новые факты.
Достижения современной теории связаны с развитием стереохимических представлений, электронной теории, квантовой химии, глубоким проникновением физико-химических, физических и математических методов исследований, применением компьютерных технологий.
На рубеже 20 и 21 веков органическая химия достигла впечатляющих успехов в понимании тонких механизмов химических реакций, выявлении закономерностей влияния структуры на свойства органических соединений, направленного синтеза необходимых веществ и материалов.
Многие направления органической химии развивались в последние десятилетия столь интенсивно, что выросли в самостоятельные научные дисциплины – стереохимия, химия высокомолекулярных соединений и полимеров, химия природных и физиологически активных соединений, химия элементоорганических соединений, физическая органическая химия, химия гетероциклов, биоорганическая химия, молекулярная биология и т.д.


ЛЕКЦИЯ № 2.

КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
План
1. Классификация органических соединений:
а) по строению углеродного скелета;
б) по природе функциональных групп.
2. Номенклатура органических соединений.

В органической химии особенно актуальны вопросы классификации и номенклатуры, т.к. объектами изучения являются миллионы соединений. Классифицировать органические соединения можно по разным признакам, например по составу, строению, свойствам, применению. Однако важнейшими признаками классификации органических соединений являются строение углеродного скелета молекулы и наличие в ее составе функциональных групп.
Родоначальными соединениями в органической химии являются углеводороды.
По природе функциональных групп органические соединения делят на классы. Все классы органических соединений взаимосвязаны. Переход от одних классов соединений к другим осуществляется в основном за счет превращения функциональных групп без изменения углеродного скелета.
Соединения близкого строения, но отличающиеся по составу на гомологическую разность (СН2), называются гомологами. Гомологи, расположенные в порядке возрастания их молекулярной массы, образуют гомологический ряд. Состав молекул всех членов гомологического ряда может быть выражен одной общей формулой. Формула любого последующего гомолога может быть получена прибавлением к формуле предыдущего соединения гомологической разности. 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.
Классификация органических соединений:
1. по строению углеродного скелета




























2. по природе функциональных групп.
В молекулах производных углеводородов содержатся функциональные группы, т.е. атомы или группы атомов, определяющие свойства соединения и принадлежность его к определенному классу. Важнейшие функциональные группы и классы органических соединений представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Основные классы органических соединений
Функциональная группа
Общая формула
Класс соединений

отсутствует
R-H или Аr-Н
Углеводороды

карбоксильная
R-СООН
Карбоновые кислоты

алкоксикарбонильная
R-COOR
Сложные эфиры

карбонильная
R-CН=О или R2С=О
Альдегиды и кетоны

гидроксильная
R-ОН или Аr-ОН
Спирты и фенолы

сульфгидрильная
R-SH
Тиолы

сульфо-
R-SО3H
Сульфокислоты

амино-
R-NН2, R2NН, R3N
Амины

алкоксильная
R-O-R
Простые эфиры

нитро-
R-NО2
Нитросоединения

Галоген: F, CI, Br, J (HaI)
R-HаI
Галогенопроизводные


Основные химические превращения с участием органических соединений протекают по связи С-ФГ.
Соединения, в состав которых входит одна функциональная группа, называются монофункциональными, если несколько- полифункциональми (поли - означает «много») соединениями. Соединения, в состав которых входят разные функциональные группы, называются гетерофункциональными («гетеро» - по-латыни означает «разный»).
В настоящее время в органической химии общепринятой является систематическая номенклатура (заместительная и радикально-функциональная), разработанная Международным союзом чистой и прикладной химии (IUPAC). Наряду с ней сохранились и используются тривиальная и рациональная номенклатуры.
Тривиальная номенклатура состоит из исторически сложившихся названий, которые не отражают состава и строения вещества. Они являются случайными и отражают природный источник вещества (молочная кислота, лимонная кислота), характерные свойства (глицерин), способ получения (пировиноградная кислота, пиррол), имя первооткрывателя (кетон Михлера, реактив Гриньяра), область применения (аскорбиновая кислота) и т.д. Преимуществом тривиальных названий является их лаконичность, поэтому употребление некоторых из них разрешено правилами IUPAC.
Рациональная номенклатура учитывает строение называемого соединения. Названия образуются от первых членов гомологического ряда (метан, этилен, ацетилен, метиловый спирт - карбинол и т.д.), у которых один или несколько атомов водорода замещены на другие атомы или группы атомов:
СН3 – СН – СН2 – СН3 СН3 – СН=СН-С2Н5
|
СН3
диметилэтилметан метилэтилэтилен
Номенклатура IUPAC является научной и отражает состав, химическое и пространственное строение соединения. Название соединения выражается при помощи сложного слова, составные части которого отражают определенные элементы строения молекулы вещества.
Название соединения представляет собой составное слово, корень которого включает название родоначальной структуры или основы (систематические – метан, этан и т.д., тривиальные – бензол, фенол и т.д.), префиксы и суффиксы, характеризующих число и характер заместителей, степень ненасыщенности.
Таблица 3.
Гомологический ряд алканов
Значение n в формуле CnH2n+2
Название алкана
Молекулярная формула

1
Метан
СН4

2
Этан
С2Н6

3
Пропан
С3Н8

4
Бутан
С4Н10

5
Пентан
С5Н12

6
Гексан
С6Н14

7
Гептан
С7Н16

8
Октан
С8Н18

9
Нонан
С9Н20

10
Декан
С10Н22


В молекулах углеводородов и их функциональных производных принято различать первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода. Первичный атом углерода связан только с одним атомом углерода, вторичный – с двумя, третичный – с тремя, а четвертичный – с четырьмя другими атомами углерода.


ЛЕКЦИЯ № 3.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ АТОМОВ В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ
План
1. Типы химической связи в органических соединениях.
2. Ковалентная связь, её основные характеристики.
3. Водородная связь, межмолекулярные взаимодействия.
4. Электронные эффекты: индуктивный, мезомерный.

Проблема химической связи является наиболее важной в химии, так как свойства веществ, их реакционная способность зависят от состава, строения и типа химической связи между атомами.
Химическая связь есть результат взаимодействия двух или более атомов, приводящий к уменьшению энергии и образованию устойчивой многоатомной системы, например молекулы.
В зависимости от характера распределения электронной плотности в области связывания атомов различают три основные типа химической связи - ковалентную, ионную и металлическую.
Молекулы органических соединений построены из атомов, как правило, соединенных друг с другом посредством ковалентных связей. Ионные связи в индивидуальных органических соединениях встречаются редко.
Для объяснения свойств химической связи в настоящее время применяют две теории - метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).
Согласно методу валентных связей химическая связь образуется парой электронов, имеющих противоположные спины. При этом происходит повышение электронной плотности в пространстве между ядрами, что приводит к их стягиванию. Ковалентные связи - связи локализованные. Химическая связь образуется в том направлении, где возможность перекрывания атомных орбиталей наибольшая. Чем больше перекрывание атомных орбиталей, тем прочнее связь.
Известны два механизма образования общих электронных пар: обобществление неспаренных электронов с противоположными спинами двух атомов (обменный механизм) и обобществление неподеленной пары одного из атомов (донорно-акцепторный механизм).
Основные характеристики химической связи:
1. Энергия связи. Химическая связь возникает лишь в том случае, если полная энергия взаимодействующих атомов уменьшается, т.е. при образовании связи энергия всегда выделяется. Энергия связи - мера прочности связи. Чем больше выделяется энергии при образовании связи, тем больше энергии надо затратить на её разрыв, следовательно, чем больше энергия связи, тем устойчивее соединение. Энергия связи изменяется в очень широких пределах - от 10 до 1000кДж/моль.
2. Длина связи - расстояние между ядрами связанных атомов, позволяет судить о равноценности или не равноценности химических связей, их кратности. Она зависит от размеров электронных оболочек и степени их перекрывания. С уменьшением длины связи обычно растет энергия связи и устойчивость молекул.
3. Насыщаемость - способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей; благодаря насыщаемости связей молекулы имеют определенный состав.
4. Направленность - определяет пространственную структуру молекул. Атомные орбитали пространственно ориентированы, поэтому их перекрывание происходит по определенным направлениям, что и обусловливает направленность ковалентной связи. Количественно направленность выражается в виде валентных углов между направлениями химической связи в молекулах.
5. Полярность - смещение общей электронной пары в сторону ядра одного из атомов, критерием способности атома притягивать электрон может служить электроотрицательность (ЭО). Связь неполярная, если различие электроотрицательностей атомов (
· ) меньше 0,5; если
· = 0,5-2,0 - связь полярная; если
· > 2,0 , то связь ионная.
Вследствие смещения электронной пары к одному из ядер повышается плотность отрицательного заряда у данного атома, и атом получает заряд, называемый эффективным зарядом
·-, у другого атома плотность отрицательного заряда понижается, его эффективный заряд
·+.
Мерой полярности связи служит дипольный момент связи
· = q
· (Кл. м), равный произведению эффективного заряда на длину диполя.
Дипольный момент молекулы равен векторной сумме всех дипольных моментов химических связей, определяется геометрией молекулы. Чем больше дипольный момент молекулы, тем она полярнее. Полярность молекулы в значительной степени определяет физические и химические свойства вещества.
6. Поляризуемость - способность электронной оболочки атома или молекулы деформироваться под воздействием внешнего поля, например иона, полярной молекулы и т. д. Поляризуемость это временная поляризация, которая исчезает при снятии действия поля. Поляризуемость определяет реакционную способность молекулы и зависит от длины связи.
7. Кратность. При образовании ковалентной связи различают два типа перекрывания атомных орбиталей. Перекрывание атомных орбиталей вдоль оси, соединяющей ядра атомов, называется
·-перекрыванием или
·-связью, симметричной относительно оси связи. Боковое перекрывание р-атомных орбиталей с параллельными осями называется
·- перекрыванием или
·-связью, которая не обладает осевой симметрией и слабее
·-связи. По кратности различают одинарную (
·-связь), двойную (комбинация
· и
·- связей), тройную (комбинация
· и 2
·-связей) связи. При увеличении кратности связи уменьшается длина связи и увеличивается её энергия.
Атом углерода формирует связи за счет электронов разных энергетических состояний – s-р-состояний, но, несмотря на различие форм исходных атомных орбиталей, образованные ими связи, например в метане оказываются равноценными. Для разрешения данной проблемы Л. Полинг сформулировал два постулата - направленной валентности и гибридизации орбиталей. Валентные орбитали,например 2s, 2px, 2pу, 2рz углерода при образовании связи гибридизуются (смешиваются) и образуют эквивалентные (одинаковые по форме и энергии) атомные гибридные орбитали. Электронная плотность гибридизованных орбиталей сконцентрирована по одну сторону от ядра, что обеспечивает максимальное перекрывание орбиталей, а значит образование более прочной химической связи.
sp3- гибридизация. В образовании гибридной орбитали участвуют одна s- и три р-орбитали. 4sp3- гибридизованные орбитали атома образуют 4
·-связи с соседними атомами. Это характерно для насыщенных соединений углерода - углеводородов и их производных.
sp2- гибридизация. В ненасыщенных соединениях атом углерода находится в sp2-гибридном состоянии, в этом случае происходит смешение одной s-орбитали с двумя р-орбиталями с образованием трех эквивалентных sp2-гибридизованных орбиталей, при перекрывании которых с орбиталями соседних атомов образуются 3
·-связи.
Перекрывание негибридизованных р-орбиталей (боковое перекрывание) приводит к образованию другого вида ковалентной связи -
·-связи. Двойная связь между двумя углеродными атомами описывается в рамках теории гибридизации как сочетание одной
·- и одной
·-связей.
sp- гибридизация - комбинация s-орбитали и одной р-орбитали. При этом образуются две эквивалентные гибридные sp-орбитали, при перекрывании которых с орбиталями соседних атомов образутся 2
·-связи. У каждого атома углерода остаются по две негибридизованные р- орбитали, которые, перекрываясь, образуют две
·-связи. Таким образом, тройная связь между двумя углеродными атомами - сочетание одной
·- и двух
·-связей.
Различие в форме и направленности гибридизованных орбиталей проявляется в длинах связей, валентных углах и других характеристиках.
Ниже представлена зависимость структуры соединений от гибридизации атома углерода.
Гибридизация Геометрия молекулы Примеры

sp3 тетраэдрическая алканы и их производные

sp2 тригональная этилен и его гомологи, бензол,
карбонильная и карбоксильная
группы и др.

sp линейная ацетилен и его гомологи,
нитрил, кумулированные
углеводороды и др.

Ионная связь возникает при электростатическом взаимодействии отрицательно и положительно заряженных ионов в химическом соединении. Эта связь возникает лишь в случае большой разности электроотрицательности атомов.
Водородная связь. Атом водорода, связанный с сильно электроотрицательным атомом (фтора, кислорода, азота), способен взаимодействовать с неподеленной электронной парой другого сильно электроотрицательного атома этой же или другой молекулы с образованием дополнительной слабой связи, называемой водородной связью. Если водородная связь образуется между разными молекулами, она называется межмолекулярной, если связь образуется между двумя группами одной и той же молекулы, то она называется внутримолекулярной. Внутримолекулярная связь образуется в том случае, когда возможно замыкание пятичленного или шестичленного цикла. Водородная связь обозначается тремя точками ···. Образование межмолекулярных водородных связей обусловливает ассоциацию молекул, что приводит к существенному изменению физических свойств веществ: повышению вязкости, диэлектрической постоянной, температур плавления и кипения, теплот парообразования и плавления.
Важную роль водородные связи играют в белках, у которых спиральные полимерные структуры объединяются связями N–H···O. Двойные спирали нуклеиновых кислот соединяются межмолекулярными водородными связями N–Н···N и N–H···О.
Между молекулами органических соединений происходят вандерваальсовы взаимодействия ориентационные, индуктивные, дисперсные, которые определяют физические свойства веществ.
Взаимное влияние атомов в молекуле. Отклонения от постоянных свойств химических связей в молекуле связаны с проявлением взаимного влияния атомов. Использование представлений о взаимном влинии позволяет предсказывать свойства стабильных молулекул, определять стабильность органических ионов и радикалов. Это влияние передается, в основном, через систему ковалентных связей, с помощью так называемых электронных эффектов.
Взаимное влияние, передающееся по цепи
·-связей, называется индуктивным электронным эффектом. Индуктивный электронный эффект (обозначается буквой I) может быть положительным и отрицательным.
Большинство функциональных групп проявляют -I-эффект: галогены, аминогруппа, гидроксильная, карбонильная, карбоксильная группы. +I-эффект проявляют алифатические углеводородные радикалы, т. е. алкильные радикалы (метил, этил и т. д.).
Индуктивный эффект передается по цепи с затуханием. Направление смещения электронной плотности всех
·-связей указывается прямыми стрелками ().
Влияние заместителя на распределение электронной плотности, передаваемое по
·-связям, называют мезомерным эффектом (обозначается буквойМ). Мезомерный эффект может быть отрицательным и положительным. В структурных формулах его изображают изогнутой стрелкой, начинающейся у центра электронной плотности и завершающейся в том месте, куда смещается электронная плотность.
Наличие электронных эффектов ведет к перераспределению электронной плотности в молекуле и появлению частичных зарядов на отдельных атомах. Это определяет реакционную способность молекулы, направленность химических реакций с её участием.

ЛЕКЦИЯ № 4.

ИЗОМЕРИЯ
План
1. Структурная изомерия.
2. Конформационная изомерия.
3. Геометрическая изомерия.
4. Оптическая изомерия.

Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав и молекулярную массу, но разные физические и химические свойства. Различия в свойствах изомеров обусловлены различиями в их химическом или пространственном строении. В связи с этим различают два вида изомерии.




























1. Структурная изомерия
Структурные изомеры отличаются химическим строением, т.е. природой и последовательностью связей между атомами в молекуле. Структурные изомеры выделяют в чистом виде. Они существуют как индивидуальные, устойчивые вещества, для их взаимного превращения необходима высокая энергия - порядка 350 - 400 кДж/моль. В динамическом равновесии находятся только структурные изомеры таутомеры. Таутомерия - распространенное явление в органической химии. Она возможна при переносе подвижного атома водорода в молекуле (карбонильные соединения, амины, гетероциклы и т.д.), внутримолекулярных взаимодействиях (углеводы).
Все структурные изомеры представляют в виде структурных формул и называют по номенклатуре ИЮПАК. Например, составу С4Н8О соответствуют структурные изомеры:
а) с различным углеродным скелетом
неразветвленная С-цепь - СН3-СН2-СН2-СН=О (бутаналь, альдегид) и
разветвленная С-цепь -

13 EMBED 1415(2-метилпропаналь, альдегид) или
цикл - 13 EMBED 1415 (циклобутанол, циклический спирт);
б) с различным положением функциональной группы

13 EMBED 1415 бутанон-2, кетон;
в) с различным составом функциональной группы

13 EMBED 1415 3-бутенол-2, непредельный спирт;
г) метамерии
Гетероатом функциональной группы может быть включен в углеродный скелет (цикл или цепь). Один из возможных изомеров этого вида изомерии - СН3-О-СН2-СН=СН2 (3-метоксипропен-1, простой эфир);
д) таутомерии (кето-енольной)



енольная форма 13 EMBED 1415 кетоформа
Таутомеры находятся в динамическом равновесии, при этом в смеси преобладает более устойчивая форма – кетоформа.
Для ароматических соединений структурную изомерию рассматривают только для боковой цепи.
2. Пространственная изомерия (стереоизомерия)
Пространственные изомеры имеют одинаковое химическое строение, различаются по пространственному расположению атомов в молекуле. Это различие и создает разницу в физических и химических свойствах. Пространственные изомеры изображают в виде различных проекций или стереохимических формул. Раздел химии, изучающий пространственное строение и его влияние на физические и химические свойства соединений, на направление и скорость их реакций, называется стереохимией.
а) Конформационная (поворотная) изомерия
Не меняя ни валентных углов, ни длин связей, можно представить себе множество геометрических форм (конформаций) молекулы, отличающихся друг от друга взаимным поворотом углеродных тетраэдров вокруг соединяющей их
·-С-С-связи. В результате такого вращения возникают поворотные изомеры (конформеры). Энергия различных конформеров неодинакова, но энергетический барьер, разделяющий различные конформационные изомеры, для большинства органических соединений невелик. Поэтому при обычных условиях, как правило, нельзя зафиксировать молекулы в одной строго определенной конформации. Обычно в равновесии сосуществуют несколько легко переходящих друг в друга конформационных изомеров.
Способы изображения и номенклатуру изомеров можно рассмотреть на примере молекулы этана. Для нее можно предвидеть существование двух, максимально различающихся по энергии конформаций, которые могут быть изображены в виде перспективных проекций (1) («лесопильные козлы») или проекций Ньюмена (2):




заторможенная конформация заслоненная конформация
В перспективной проекции (1) связь С-С надо представить себе уходящей вдаль; стоящий слева углеродный атом приближен к наблюдателю, стоящий справа - удален от него.
В проекции Ньюмена (2) молекулу рассматривают вдоль связи С-С. Три линии, расходящиеся под углом 120о из центра круга, обозначают связи ближайшего к наблюдателю углеродного атома; линии, «высовывающиеся» из-за круга - связи удаленного углеродного атома.
Изображенную справа конформацию называют заслоненной. Это название напоминает о том, что атомы водорода обеих СН3-групп находятся друг против друга. Заслоненная конформация имеет повышенную внутреннюю эне
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·ргию и поэтому невыгодна. Конформацию, изображенную слева, называют заторможенной, подразумевая, что свободное вращение вокруг связи С-С «тормозится» в этом положении, т.е. молекула существует преимущественно в этой конформации.
Минимум энергии, необходимый для полного вращения молекулы вокруг определенной связи, называется барьером вращения для данной связи. Барьер вращения в молекуле, подобной этану, может быть выражен через изменение потенциальной энергии молекулы как функции изменения двугранного (торсионного -
· ) угла системы. Энергетический профиль вращения вокруг связи С-С в этане показан на рисунке 1. Барьер вращения, разделяющий две формы этана, составляет около 3 ккал/моль (12,6 кДж/моль). Минимумы кривой потенциальной энергии соответствуют заторможенным конформациям, максимумы - заслоненным. Поскольку при комнатной температуре энергия некоторых столкновений молекул может достигать 20 ккал/моль (около 80 кДж/моль), то этот барьер в 12,6 кДж/моль легко преодолевается и вращение в этане рассматривают как свободное. В смеси всех возможных конформаций преобладают заторможенные конформации.

Рис.1. Диаграмма потенциальной энергии конформаций этана.
Для более сложных молекул число возможных конформаций возрастает. Так, для н-бутана можно изобразить уже шесть конформаций, возникающих при повороте вокруг центральной связи С2 - С3 и отличающихся взаимным расположением СН3-групп. Различные заслоненные и заторможенные конформации бутана отличаются по энергии. Энергетически более выгодны заторможенные конформации.





Энергетический профиль вращения вокруг связи С2 -С3 в бутане показан на рисунке 2.

Рис.2. Диаграмма потенциальной энергии конформаций н-бутана.

Для молекулы с длинной углеродной цепью число конформационных форм возрастает.
Для молекулы алициклических соединений характерны различные конформационные формы цикла (например, для циклогексана кресло, ванна, твист-формы).
Итак, конформации - это различные пространственные формы молекулы, имеющей определенную конфигурацию. Конформерами являются стереоизомерные структуры, соответствующие энергетическим минимумам на диаграмме потенциальной энергии, находящиеся в подвижном равновесии и способные к взаимопревращению путем вращения вокруг простых
·-связей.
Если барьер таких превращений становится достаточно высоким, то можно разделить стереоизомерные формы (пример - оптически активные дифенилы). В таких случаях говорят уже не о конформерах, а о реально существующих стереоизомерах.
б) Геометрическая изомерия
Геометрические изомеры возникают в результате отсутствия в молекуле:
1. вращения атомов углерода относительно друг друга - следствие жесткости двойной связи С=С или циклической структуры;
2. двух одинаковых групп при одном атоме углерода двойной связи или цикла.
Геометрические изомеры, в отличие от конформеров, могут быть выделены в чистом виде и существуют как индивидуальные, устойчивые вещества. Для их взаимного превращения необходима более высокая энергия - порядка 125-170 кДж/моль (30-40 ккал/моль).
Различают цис-транс-(Z,E) изомеры; цис-формами называют геометрические изомеры, у которых одинаковые заместители лежат по одну сторону от плоскости
·-связи или цикла, транс-формами называют геометрические изомеры, у которых одинаковые заместители лежат по разные стороны от плоскости
·-связи или цикла.
Простейшим примером могут служить изомеры бутена-2, который существует в виде цис- , транс-геометрических изомеров:
13 EMBED 1415 13 EMBED 1415
цис-бутен-2 транс-бутен-2
температура плавления
-138,90С - 105,60С
температура кипения
3,720С 1,000С
плотность
0,724 0,604

1,2 – дихлорциклопропан существует в виде цис- , транс-изомеров:
13 EMBED 1415 13 EMBED 1415
цис-1,2-дихлорциклопропан транс-1,2-дихлорциклопропан

В более сложных случаях применяется Z,E-номенклатура (номенклатура Канна, Ингольда, Прелога – КИП, номенклатура старшинства заместителей). В соединении
1-бром -2-метил-1-хлорбутене-1 (Br)(CI)С=С(СН3) - СН2-СН3 все заместители при атомах углерода с двойной связью различные; поэтому данное соединение существует в виде Z-, E- геометрических изомеров:

13 EMBED 1415
13 EMBED 1415
Е-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1 Z-1-бром-2-метил-1-хлорбутен-1.
Для обозначения конфигурации изомера указывают расположение старших заместителей при двойной связи (или цикле) – Z-(от немецкого Zusammen - вместе) или Е-(от немецкого Entgegen - напротив).
В Z,E-системе старшими считаются заместители с большим порядковым (атомным) номером. Если атомы, непосредственно связанные с ненасыщенными атомами углерода, одинаковы, то переходят ко "второму слою", в случае необходимости - к "третьему слою" и т. д.
В первой проекции старшие группы находятся напротив друг друга относительно двойной связи, поэтому это Е-изомер. Во второй проекции старшие группы расположены по одну сторону относительно двойной связи (вместе), поэтому это Z-изомер.
Геометрические изомеры широко распространены в природе. Например, природные полимеры каучук (цис-изомер) и гуттаперча (транс-изомер), природная фумаровая (транс-бутендиовая кислота) и синтетическая малеиновая (цис-бутендиовая кислота) кислоты, в составе жиров - цис-олеиновая, линолевая, линоленовая кислоты.
в) Оптическая изомерия
Молекулы органических соединений могут быть хиральными и ахиральными. Хиральность(от греч. сheir - рука) несовместимость молекулы со своим зеркальным отражением.
Хиральные вещества способны вращать плоскость поляризации света. Это явление называют оптической активностью, а соответствующие вещества - оптически активными. Оптически активные вещества встречаются в виде пар оптических антиподов - изомеров, физические и химические свойства которых в обычных условиях одинаковы, за исключением одного - знака вращения плоскости поляризации: один из оптических антиподов отклоняет плоскость поляризации в право (+, правовращающий изомер), другой – влево (-, левовращающий). Определить конфигурацию оптических антиподов можно экспериментально с помощью прибора - поляриметра.
Оптическая изомерия появляется тогда, когда в молекуле присутствует асимметрический атом углерода (существуют и другие причины хиральности молекулы). Так называют атом углерода в sр3 - гибридизации и связанный с четырьмя различными заместителями. Возможны два тетраэдрических расположения заместителей вокруг асимметрического атома. При этом две пространственные формы нельзя совместить никаким вращением; одна из них является зеркальным изображением другой :

Обе зеркальные формы составляют пару оптических антиподов или энантиомеров.
Изображают оптические изомеры в виде проекционных формул Э. Фишера. Их получают в результате проецирования молекулы с асимметрическим атомом углерода. При этом сам асимметрический атом углерода на плоскости обозначают точкой, на горизонтальной линии указывают символы заместителей, выступающих перед плоскостью рисунка. На вертикальной линии (прерывистой или сплошной) указывают заместители, которые удалены за плоскость рисунка. Ниже приведены различные способы записи проекционной формулы, отвечающей левой модели на предыдущем рисунке:


В проекции главную углеродную цепь изображают вертикально; главную функцию, если она находится в конце цепи, указывают в верхней части проекции. Например, стереохимические и проекционные формулы (+) и (-) аланина - СН3 -*СН(NН2)-СООН представляют следующим образом:



Смесь с одинаковым содержанием энантиомеров называется рацематом. Рацемат не обладает оптической активностью и характеризуется отличными от энантиомеров физическими свойствами.
Правила преобразования проекционных формул.
1. Формулы можно вращать в плоскости чертежа на 180о, не меняя их стереохимического смысла:

2. Две (или любое четное число) перестановки заместителей у одного асимметрического атома не меняют стереохимического смысла формулы:

3. Одна (или любое нечетное число) перестановка заместителей у асимметрического центра приводит к формуле оптического антипода:

4. Поворот в плоскости чертежа на 90о превращает формулу в антипод.
5. Вращение любых трех заместителей по часовой стрелке или против не меняет стереохимического смысла формулы:
6. Проекционные формулы нельзя выводить из плоскости чертежа.
Оптической активностью обладают органические соединения, в молекулах которых хиральными центрами являются и другие атомы, например кремния, фосфора, азота, серы.
Соединения с несколькими асимметрическими атомами углерода существуют в виде диастереомеров, т.е. пространственных изомеров, не составляющих друг с другом оптических антиподов.
Диастереомеры отличаются друг от друга не только оптическим вращением, но и всеми другими физическими константами: у них разные температуры плавления и кипения, разные растворимости и др.
Число пространственных изомеров определяют по формуле Фишера N=2n, где n - число асимметрических атомов углерода. Число стереоизомеров может уменьшаться из-за частичной симметрии, появляющейся в некоторых структурах. Оптически неактивные диастереомеры называют мезо-формами.
Номенклатура оптических изомеров:
а) D- , L- номенклатура
Для определения D- или L-ряда изомера конфигурацию (положение ОН–группы у асимметричного атома углерода) сравнивают с конфигурациями энантиомеров глицеринового альдегида (глицериновый ключ):
13 EMBED 1415
L-глицериновый альдегид D-глицериновый альдегид
Применение D-, L-номенклатуры в настоящее время ограничено тремя классами оптически активных веществ: углеводами, аминокислотами и оксикислотами.
б) R -, S-номенклатура (номенклатура Кана, Ингольда и Прелога)
Для определения R(правый)- или S(левый)-конфигурации оптического изомера необходимо расположить заместители в тетраэдре (стереохимической формуле) вокруг асимметрического углеродного атома таким образом, чтобы самый младший заместитель (обычно это водород) имел направление «от наблюдателя». Если переход трех остальных заместителей от старшего к среднему и младшему по старшинству происходит по часовой стрелке - это R-изомер (падение старшинства совпадает с движением руки при написании верхней части буквы R). Если переход происходит против часовой стрелки - это S-изомер (падение старшинства совпадает с движением руки при написании верхней части буквы S).
Для определения R- или S-конфигурации оптического изомера по проекционной формуле необходимо путем четного числа перестановок расположить заместители так, чтобы самый младший из них оказался внизу проекции. Падение старшинства остальных трех заместителей по часовой стрелке соответствует R-конфигурации, против часовой стрелки - S-конфигурации.
Получают оптические изомеры следующими методами:
а) выделение из природных материалов, содержащих оптически активные соединения, например белки и аминокислоты, углеводы, многие оксикислоты (винная, яблочная, миндальная), терпеновые углеводороды, терпеновые спирты и кетоны, стероиды, алкалоиды и др.
б) расщепление рацематов;
в) асимметрический синтез;
г) биохимическое получение оптически активных веществ.

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, ЧТО
-Явление изомерии (от греч.- isos разный и meros - доля, часть) открыто в 1823г. Ю. Либихом и Ф. Вёлером на примере солей двух неорганических кислот: циановой Н-О-С
·N и гремучей Н-О-N= С.
-В 1830 г. Ж.Дюма распространил представление об изомерии на органические соединения.
-В 1831г. термин «изомер» для органических соединений предложил Й. Берцелиус.
-Стереоизомеры природных соединений характеризуются разной биологической активностью (аминокислоты, углеводы, алкалоиды, гормоны, феромоны, лекарственные вещества природного происхождения и т.д.).


ЛЕКЦИЯ № 5.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И РЕАГЕНТОВ.
ОРГАНИЧЕСКИЕ КИСЛОТЫ И ОСНОВАНИЯ
План
1. Классификация органических реакций:
а) по характеру изменения связей в реагирующих веществах;
б) по конечному результату (или по направлению) реакции.
2. Кислотно-основные взаимодействия.

Органических реакций очень много, однако, используя различные критерии, их можно классифицировать. В результате всё многообразие реакций можно свести к небольшому числу типов реакций.
Взаимодействующие в органической реакции вещества подразделяют на реагент и субстрат. При этом считается, что реагент атакует субстрат. Субстратом, как правило, считают молекулу, которая предоставляет атом углерода для новой связи.
Классификация органических реакций:
1. по характеру изменения связей в реагирующих веществах реакции подразделяют на радикальные и ионные.
а) Радикальные реакции протекают с участием радикалов (R.) - частиц с неспаренным электроном и образуемых в результате гомолитического разрыва ковалентной связи, например CI:CI ·CI + ·CI. Для радикалов характерна высокая реакционная активность, реакции с их участием протекают с очень большой скоростью. Примеры радикальных реагентов: ·CI,·Br, ·J, ·NO2, ·OH, ·R(алкил) и др.
б) Ионные реакции протекают с участием ионов, образуемых в результате гетеролитического разрыва ковалентной связи: Е :N Е+ + :N-.
Электрофилы (электро+фил - любящий электрон) (Е): Br+, Cl+, H+, R+, NO2 + и нейтральные молекулы с электронодефицитным центром - SO3, BF3, соли алюминия, цинка, железа (III) и др. Электрофил представляет незаполненные, вакантные орбитали для образования ковалентной связи.
Нуклеофилы (нуклеос+фил - любящий протон) (N): Hal-, OH-, RO-, RS-, RCOO-, R-, CN- и нейтральные молекулы с неподеленной электронной парой, например H2O:, ROH, :NH3, RNH2 и др. За счет пары электронов нуклеофил способен образовывать новую ковалентную связь.
2. по конечному результату (или по направлению) реакции подразделяют:
а) реакции присоединения - символ А (анг.-addition). Присоединение реагента к субстрату происходит по
·-связям или по
·-связям циклических структур (размыкание цикла), в результате реакций образуются новые ковалентные
·-связи. Реакции присоединения могут быть электрофильными (АЕ):

нуклеофильными (АN):

радикальными АR:

.
Реакции присоединения водорода называют гидрированием, воды - гидратацией, галогенов - галогенированием (хлорирование, бромирование и т.д.), галогеноводородов - гидрогалогенированием и др.
б) реакции замещения - символ S (анг.-substitution). Замещение происходит по
·-связям субстрата, в результате реакций образуются новые ковалентные
·-связи. Реакции замещения могут быть электрофильными (SЕ):

нуклеофильными (SN):
Н3С
·+-О
·- H + Н
·+-Cl
·- Н3С-Cl + HОН,
радикальными (SR):
Н3С-H + Cl-Cl Н3С-Cl + HCl.
в) реакции отщепления или элиминирования - символ Е (анг.- elimiation). Отщепление происходит по
·-связям субстрата. В результате
·, Я-отщепления образуются новые
·-связи, в результате
·,
·- или
·,
·-отщепления образуются новые ковалентные
·-связи циклических соединений.
Например:


СI-СН2-СН2-СН2-СI + Zn + Zn СI2
Реакции отщепления водорода называют дегидрированием, воды - дегидратацией, галогенов - дегалогенированием (дехлорирование, дебромирование и т.д.), галогеноводородов - дегидрогалогенированием и др.

г) перегруппировки. В процессе перегруппировок внутри молекулы происходит миграция атома или групп атомов от одного атома к другому. Например:

д) окислительно-восстановительные. Окислительно-восстановительный характер органических реакций определяют иначе по сравнению с неорганическими реакциями. Так, окисление - образование новых связей углерода с атомами более электроотрицательных элементов (галогены, кислород, азот, сера и т.д.), иногда в реакциях этого типа число атомов водорода в продукте реакции может уменьшаться. Например:
СН3-СН2-ОН + [О] СН3-СН=О
Восстановление - образование новых связей С-Н, при этом часто число атомов водорода в продукте реакции увеличивается. Например:
СН3-СН=СН-СН3 + Н2 СН3-СН2-СН2-СН3
е) по числу реагирующих частиц. Большинство органических реакций состоят из нескольких последовательных или параллельных элементарных стадий. В зависимости от числа частиц, участвующих в скорость-определяющей стадии (самой медленной или лимитирующей), различают мономолекулярные и бимолекулярные реакции. Например, реакции мономолекулярного и бимолекулярного нуклеофильного замещения (символы SN1 и SN2), мономолекулярного и бимолекулярного отщепления (символы Е1 и Е2) и др.
Кислотно-основные взаимодействия
В настоящее время существуют две основных теории кислот и оснований: теория Брёнстеда-Лоури (1923 г.) и теория Льюиса (1926 г.).
Кислоты Брёнстеда – это соединения, способные отдавать протон (доноры протона).
Основания Брёнстеда – это соединения, способные присоединять протон (акцепторы протона). Для взаимодействия с протоном основание должно иметь свободную пару электронов или электроны
·-связи.
Кислоты и основания образуют сопряженные кислотно-основные пары:

В зависимости от природы элемента, с которым связан протон, различают четыре основных типа органических кислот Брёнстеда:
O-H-кислоты - карбоновые кислоты, спирты, фенолы;
S-H-кислоты - тиолы;
N-H-кислоты - амины, амиды, имиды;
C-H-кислоты - углеводороды и их производные.
Мерой силы кислоты является константа кислотности (ионизации) Ка или рКа. Чем больше Ка (или меньше рКа), тем сильнее кислота.
В зависимости от природы атома, к неподеленной паре электронов которого присоединяется протон, основания Брёнстеда делят на три основных типа:
N (аммониевые) основания - амины, нитрилы, азотсодержащие гетероциклические соединения;
О (оксониевые) основания - спирты, простые эфиры, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и их функциональные производные;
S (сульфониевые) основания - тиолы, сульфиды.
Особый тип оснований Бренстеда представляют
·-основания, в которых центром основности являются электроны
·-связи (алкены, арены). При прочих равных условиях для элементов одного периода с ростом электроотрицательности атома кислотность соединений увеличивается, так как высокая электроотрицательность атома при кислотном центре стабилизирует образующийся при отщеплении протона анион. Так, кислотность уменьшается в ряду:
OH-кислоты> NH-кислоты> CH-кислоты
Для элементов одной подгруппы с возрастанием заряда ядра и поляризуемости атома кислотность соединений увеличивается:
OH-кислоты < SH-кислоты
Введение заместителя в углеводородный радикал влияет на силу кислоты. Электроноакцепторные (ЭА) заместители увеличивают, а электронодонорные (ЭД) - уменьшают кислотность, поскольку электроноакцепторные заместители стабилизируют сопряженное основание (анион), а электронодонорные заместители - дестабилизируют.
Основность уменьшается в ряду:
N-основания > О-основания > S-основания (NOS)
Введение электронодонорных заместителей увеличивает, а введение электроакцепторных - понижает основность.
Дж. Льюисом была предложена более общая теория кислот и оснований.
Основания Льюиса – это доноры пары электронов (спирты, алкоголят-анионы, простые эфиры, амины и т.д.)
Кислоты Льюиса – это акцепторы пары электронов, т.е. соединения, имеющие вакантную орбиталь (ион водорода и катионы металлов: H+, Ag+, Na+, Fe2+; галогениды элементов второго и третьего периодов BF3, AlCl3, FeCl3, ZnCl2; галогены; соединения олова и серы: SnCl4, SO3). Кислотно-основное взаимодействие по Льюису - это доноро-акцепторное взаимодействие и любую гетеролитическую реакцию можно представить как взаимодействие кислоты и основания Льюиса.


ЛЕКЦИЯ 6.

УГЛЕВОДОРОДЫ. АЛКАНЫ
План
1. Классификация углеводородов.
2. Алканы.
3. Гомологический ряд, номенклатура, получение.
4. Изомерия, строение.
5. Свойства.

Углеводороды - органические соединения, состоящие из атомов двух элементов - углерода и водорода. Поэтому общую формулу углеводородов можно представить в виде СхНy.
Классификацию органических веществ, рассмотренную ранее, можно распространить и на углеводороды. Изучение углеводородов начинается с класса ациклических предельных соединений - алканов.

КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

УГЛЕВОДОРОДЫ






Алканы Алкены Циклоалканы Арены
Алкины
Алкадиены

АЛКАНЫ
Алканы (парафины) - насыщенные или предельные углеводороды с открытой углеродной цепьюи общей формулой – СnH2n+2.
Гомологический ряд:
метан - СН4
этан - СН3-СН3
пропан - СН3-СН2-СН3
бутан - СН3-СН2-СН2-СН3
пентан - СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 и т. д.
Номенклатура. Названия нормальных алканов, за исключением четырех членов ряда (метан, этан, пропан, бутан) образованы от греческих и латинских числительных с добавлением суффикса -ан. Разветвленные углеводороды называют по номенклатуре ИЮПАК.
Общая формула радикалов СnH2n+1. Названия радикалов образуют, заменяя суффикс «ан» в названии соответствующего алкана на суффикс «ил». Например, СН4 – метан, радикал СН3 – метил. Подробно материал по этому разделу представлен в []. При наличии в алкане или алкильном радикале фрагмента СН3-СН(СН3)- к его названию добавляют префикс изо, фрагмента СН3 -С(СН3)2- префикс нео, например,
СН3-СН(СН3)-СН3 - изобутан, СН3-С(СН3)2-СН3 - неопентан.
По рациональной номенклатуре алканам дают названия как производным метана, полученным в результате замещения одного или нескольких атомов водорода на алкильные радикалы. Например, пропан СН3-СН2-СН3 по рациональной номенклатуре будет иметь название - диметилметан.
Нахождение и применение алканов в природе. Алканы широко распространены в природе, являются главными компонентами нефти, природного газа, попутного нефтяного газа, горючих сланцев, природных восков, озокерита.
Основные области применения алканов указываются при рассмотрении свойств этих соединений.
Получение алканов.
1. Промышленные способы получения:
а) переработка различными методами природных источников (перегонка и крекинг нефти, риформинг, пиролиз);
б) гидрирование ненасыщенных углеводородов:

в) синтез Фишера-Тропша:

2. Лабораторные способы получения:
а) реакция Вюрца:
2RHal + 2Na R-R + 2NaHal
б) декарбоксилирование солей карбоновых кислот:
в) электролиз солей карбоновых кислот (синтез Кольбе):
2RCOONa + 2H2O R-R + 2CO2 + 2NaOH + H2
г) восстановление галогеналканов, карбонильных соединений:
RHal + H2 R-H + HHal
Изомерия алканов.
1. Структурная изомерия
Для алканов, начиная с бутана, существуют структурные изомеры, отличающиеся строением углеродной цепи. Например, молекулярной формуле С4Н10 соответствует два соединения -
СН3-СН2-СН2-СН3 нормальный бутан и СН3-СН(СН3)-СН3 изобутан (2-метилпропан).
Число изомеров возрастает с увеличением числа атомов углерода в составе молекулы.
Таблица 4.
Количество структурных изомеров алканов
Количество
Количество

атомов углерода
изомеров
атомов углерода
изомеров

5
3
10
75

6
5
20
366317

8
18
40
624911805891


Атомы углерода в молекулах алканов подразделяются на первичные, вторичные, третичные, четвертичные в зависимости от числа соседних С-атомов.
2. Конформационная изомерия
Этот вид изомерии характерен для углеводородов с числом атомов углерода два и более. Например, молекула этана существует в виде двух пространственных конформационных изомеров заслоненной и заторможенной конформаций:


13 EMBED 1415
1. заслоненная конформация этана; 2. заторможенная конформация этана.
Молекулы с длинными углеродными цепями существуют, в основном, в форме зигзагообразных конформаций. При этом близко оказываются атомы 1-5 или 1-6, что способствует циклизации углеводородной цепи.
3. Оптическая изомерия
Молекулы разветвленных алканов (С7 и более) могут быть хиральными с одним или несколькими асимметрическими атомами углерода. Например:
1 2 3 4 5 6
СН3 - СН2 – *СН – СН2 – СН2 – СН3 3-метилгексан

·
СН3


Это соединение существует в виде двух оптических изомеров - энантиомеров (R, S-конфигурации).
Строение алканов.
Согласно теории гибридизации для атомов углерода в предельных углеводородах характерна sp3-гибридизация. Поэтому в соединениях данного типа существуют только ковалентные
·-связи: С-С (sp3-sp3 - перекрывание) и С-Н(sp3-s - перекрывание).
Ковалентные связи в алканах мало поляризуемые, неполярные. Дипольные моменты молекул предельных соединений равны нулю. В связи с этим межмолекулярные взаимодействия очень слабые, что и предопределяет физические свойства алканов.
Для
·-связей С-Н и С-С характерна высокая прочность (ЕС-С - 347 кДж/моль; ЕС-Н - 415 кДж/моль), которая зависит от типа атомов углерода. Наименее прочными является связи у третичного атома углерода, что делает такие связи наиболее уязвимыми в химических превращениях.
Пространственное строение алканов обусловлено тетраэдрической конфигурацией атомов углерода (валентный угол – 109028/).
Физические свойства.
Поскольку межмолекулярные взаимодействия в алканах очень слабые, для них характерны низкие температуры кипения и плавления, низкая плотность (меньше воды). В гомологическом ряду физические константы углеводородов закономерно увеличиваются. Разветвления углеродной цепи понижают значения указанных характеристик. Алканы практически нерастворимы в воде, однако легко растворяются в мало полярных и неполярных органических растворителях. Жидкие углеводороды имеют «бензиновый» запах.
Химические свойства.
Алканы обладают низкой реакционной способностью (парафины - «низкое сродство»). Их превращения осуществляются в жестких условиях. Причем гомолитический разрыв связей требует значительно меньших энергетических затрат, чем гетеролитический разрыв, поэтому для алканов характерны радикальные реакции (замещение атомов водорода, расщепление углеродного скелета, окисление). Однако в полярных средах могут происходить гетеролитические реакции. В обычных условиях алканы устойчивы к действию концентрированных кислот и щелочей, окислителей, щелочных металлов.
1. Реакции радикального замещения (SR)
Для реакций данного типа характерен цепной радикальный механизм, который включает в себя стадии:
1. инициирования Х:Х 2Х.
2. развитияцепи R-Н + Х. Н-Х + R.
R. + Х:Х R-Х + Х.
На каждой стадии генерируется радикал, что характерно для цепных реакций.
3. обрыва цепи R. + R. R-R
R. + Х. R-Х
Х. + Х. Х-Х
Стабильность радикалов увеличивается в ряду: метильный < первичный < вторичный < третичный:

К реакциям данного типа относятся реакции галогенирования, нитрования, сульфохлорирование.
а) галогенирование



Стадией, определяющей скорость реакции, является стадия отщепления водорода атомом галогена.
Реакционная способность галогенов по отношению к алканам уменьшается в ряду:
F2 >Cl2 >Br2 >I2
Фторирование протекает с большим выделением энергии, что приводит к полному разрушению (осмоление, деструкция) органической молекулы.
При хлорировании углеводородов, как правило, образуется смесь монохлорпроизводных, т.е. реакции протекают нерегиоселективно.
Зная относительную реакционную способность С-Н связей (перв-С-Н < втор-C-Н < трет- С-Н = 1,0:3,8:5,0) и количество С-Н связей определенного типа, можно рассчитать состав смеси продуктов хлорирования.
Бромирование алканов, в отличие от хлорирования, протекает региоселективно; в первую очередь образуются третичные бромпроизводные, что соответствует ряду относительной стабильности алкильных радикалов.
Иодирование – процессы эндотермические, обратимые, поэтому на практике их не проводят.
Моно- и полизамещенные галогеналканы широко используются в качестве растворителей (хлороформ, дихлорэтан, четыреххлористый углерод и т.д.) и для органических синтезов.
б) сульфохлорирование
Сульфохлорирование осуществляют действием смеси хлора и диоксида серы (IV) при УФ-облучении:
RH + SO2 + Cl2 RSO2Cl + HCl
RSO2Cl + 2NaOH RSO2О-Na+ + NaCl + H2O
Алкилсульфохлориды (далее акилсульфонаты) используются как поверхностно-активные вещества (ПАВ).
в) нитрование
Нитрование алканов проводят в жидкой (10-20% раствор НNО3, 120-1500С) и газовой фазах (концентрированная НNО3 , 450-4750 С).
При нагревании алканов с разбавленной азотной кислотой (реакция Коновалова) происходит образование нитросоединений, в первую очередь у наиболее реакционноспособного третичного атома углерода:


Газофазное нитрование протекает неселективно с образованием смеси как продуктов замещения водорода, так и продуктов расщепления С-С связей:

Нитроалканы широко используются в качестве растворителей и для органических синтезов.

2. Окисление
При комнатной температуре даже такие сильные окислители, как KMnO4 и K2Cr2O7, не действуют на алканы.
а) полное окисление (горение)
При высоких температурах в присутствии избытка кислорода алканы сгорают с образованием углекислого газа и воды:
2CnH2n+2 + (3n + 1)O2 2nCO2 + (2n + 2)H2O +
·Н
Реакция сопровождается выделением большого количества теплоты, вследствие чего алканы широко используются как источники энергии (топливо для бытовых и промышленных нужд, для двигателей различного типа ).
б) неполное окисление
Неполное каталитическое (катализаторы - соединения марганца, кобальта, более низкая температура - не выше 2000С) окисление алканов кислородом сопровождается образованием спиртов, кетонов, карбоновых
кислот:







В реакции в первую очередь принимают участие наиболее реакционноспособные третичные или вторичные атомы углерода. Окисление используется в промышленности для синтеза ценных кислородсодержащих соединений и их смесей.

3. Крекинг (от англ. Сrack - растрескивать, ломать) - расщепление углеводородов нефти.
Крекинг является важнейшим методом химической переработки нефти, дает ценное химическое сырье и различные виды топлива. Осуществляют крекинг при температуре 450-6000С либо в присутствии катализаторов (алюмосиликатов) при более низких температурах. Процесс сопровождается разрывом связей С-Н и С-С с образованием насыщенных и ненасыщенных углеводородов с меньшей длиной цепи:
СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 СН3-СН3 + СН3-СН=СН2

4. Изомеризация (протекает в присутствии катализаторов - кислот Льюиса):



5. Дегидрирование:



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, ЧТО
-Химик-органик Михаил Иванович Коновалов в 1888 году открыл реакцию нитрования, его имя реакция носит и поныне. По словам Н.Д. Зелинского, М.И. Коновалов «оживил химических мертвецов».
-Академик Н.Н. Семенов (Россия) и С.-Н. Хиншелвуд (Англия) за цикл работ по разработке теории цепных реакций в 1956 году удостоены Нобелевской премии.
-Метан - болотный, рудничный газ, основной компонент природного и нефтяного газа, применяется как высококалорийное топливо и сырье для промышленных синтезов: водорода, ацетилена, нитрометана, синтез-газа и т. д. Составляет основу атмосферы некоторых планет, например, Сатурна, Юпитера.
-Пропан С3Н8 и бутан С4Н10 легкосжижаемые газы, используются в быту в виде баллонного газа. Пропан - автомобильное топливо, бутан - сырье для получения каучуков.
-Парафин - смесь твердых алканов С18-С35, без запаха, цвета, вкуса, жирный на ощупь продукт, получаемый из нефти.
-Вазелин - мазеобразная масса без вкуса и запаха, получаемая расплавлением парафина в минеральном масле.
-Озокерит - горный воск-минерал, состоящий из углеводородов предельного ряда, желтого, зеленого или бурого цвета, применяется в лакокрасочной, парфюмерной промышленности, медицине.
-Загрязнение атмосферы, почвы, водоемов, подземных вод происходит при добыче, транспортировке жидких и газообразных углеводородов, переработке, производстве, применении алканов.
-При галогенировании при температуре более 3000С на 1 квант света образуется несколько тысяч молекул хлорметана.
- Добавление тетраэтилсвинца в бензин снижает способность детонировать (антидетонатор). Для удаления его с внутренних стенок цилиндра добавляют 1,2-дибромэтан, при этом образуется летучий тетрабромид свинца, который удаляется с выхлопными газами, является сильным ядом. Более безопасный, но дорогой, антидетонатор - циклопентадиенилпентакарбонил марганца С5Н5Мп(СО)5, повышает октановое число топлива до135.

ЛЕКЦИЯ 7.

НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
План
1. Алкены:
а) гомологический ряд, номенклатура, получение;
б) изомерия, строение;
в) свойства.
2. Алкадиены.
3. Алкины.
К непредельным (ненасыщенным) углеводородам относятся соединения, в составе которых присутствуют кратные углерод-углеродные связи: двойные С=С или тройные С
· С (алкены, диены, алкины). Термин «непредельные» связан со способностью этих соединений вступать в реакции присоединения с разрывом кратных связей и с образованием соединений предельного (насыщенного) характера.
1. Алкены
Алкены (олефины) – это углеводороды состава СnH2n, содержащие в молекуле одну двойную связь С=С.
Гомологический ряд:
этен - СН2= СН2
пропен - СН3-СН=СН2
бутен-1 - СН3-СН2-СН=СН2
пентен-1 - СН3-СН2-Н2-СН=СН2 и т. д.
Номенклатура. Названия алкенов образуют от названий алканов, заменяя суффикс -ан на -ен.
Простейшие углеводороды имеют не систематические названия с суффиксом -илен: СН2= СН2 - этилен, СН3-СН=СН2 - пропилен.
Названия некоторых радикалов непредельных углеводородов:
СН2=СН - винил, СН2=СН-СН2 - аллил.
По рациональной номенклатуре алкенам дают названия как производным этилена, полученным в результате замещения одного или нескольких атомов водорода на алкильные радикалы. Например,
пропен СН2=СН-СН3 по рациональной номенклатуре будет иметь название - метилэтилен.
Нахождение в природе. Алкены в природе встречаются в составе нефтяного газа и горючих сланцев. Алкенами являются многие природные соединения растительного и животного происхождения, играющие важную биологическую роль. Например, в составе ненасыщенных и полиненасыщенных кислот растительных жиров, феромонов (половые аттрактанты, выделяемые насекомыми для привлечения особей противоположного пола).
Основные области применения алкенов указываются при рассмотрении свойств этих соединений.
Получение алкенов.
1. Крекинг алканов

2. Дегидрирование алканов


3. Дегидратация спиртов


4. Дегидрогалогенирование галогеналканов


Дегидратация спиртов и дегидрогалогенирование галогеналканов протекают по правилу Зайцева.
5. Дегалогенирование вицинальных дигалогенидов
Изомерия. 1. Структурная (на примере углеводорода состава С5Н10):
а) различное строение углеродной цепи (для углеводородов с числом атомов углерода
· 4) CH3-CH=CH-CH2-CH3 пентен-2 и

2-метилбутен-2
б) различное расположение кратной связи
CH2=CH-CH2-CH2-CH3 пентен-1
в) межклассовая
Алкены и циклоалканы с одинаковым числом атомов углерода являются
изомерами. Например, одним из изомеров будет циклопентан
2. Геометрическая:


цис-пентен-2 транс-пентен-2
Взаимопревращения геометрических изомеров возможны только при высоких температурах или облучении УФ-светом. Подробно материал представлен в разделе «Изомерия».
Строение алкенов. Атомы углерода алкенов, образующие двойную связь, находятся в состоянии sр2-гибридизации. Двойная связь представляет комбинацию
·-С-С (перекрывание sр2-sр2 -орбиталей) и
·- С-С связей (боковое перекрывание р-р-орбиталей).
·-С-С связь, по сравнению с
·-связью, менее прочная, легко поляризуемая, более доступна для реагентов. Все
·-связи С-Н образованы в результате перекрывания sр2 -s или sр3-s -орбиталей.
Дипольный момент этилена равен нулю, поэтому соединение неполярно. У гомологов и изомеров углеводородные радикалы при двойной связи изменяют распределение электронной плотности в двойной связи, поэтому замещенные алкены имеют небольшой дипольный момент, их молекулы полярны. Например, пропен:

·+
·-

Молекула этилена имеет плоское тригональное строение, углы между связями соответствуют 1200, в молекулах гомологов и их изомеров находится только фрагмент плоской структуры.
Физические свойства. По физическим свойствам алкены мало отличаются от алканов. В гомологическом ряду физические свойства изменяются закономерно с ростом молекулярной массы. Различия в свойствах характерны как для структурных, так и пространственных изомеров.
Химические свойства.
Химические свойства алкенов определяются наличием двойной углерод-углеродной связи. Поскольку
·-связь обладает меньшей энергией, по сравнению с
·-связью, она легко разрывается под действием реагентов.
Для алкенов характерны реакции присоединения, окисления, полимеризации.
·-связь оказывает влияние на реакционную способность связи С-Н в аллильном положении, что делает возможным протекание реакций радикального замещения атома водорода у
·-углеродного атома.
1. Реакции электрофильного присоединения(АЕ)
AE реакции – основной тип превращений алкенов. Электрофильное присоединение происходит по ионному механизму. Реакция протекает в две стадии(Е-электрофил, N-нуклеофил):



·-комплекс карбокатион





v1 - быстро, v2 - медленно, v3 быстро.
На первой стадии электрофильный реагент образует
·-комплекс с алкеном, в котором двойная связь выступает как донор, а электрофильный реагент как акцептор электронов. Далее
·-комплекс медленно переходит в карбокатион (или
·-комплекс). На второй стадии происходит быстрое взаимодействие карбокатиона с нуклеофилом (N-) с образованием продукта реакции.
По электрофильному механизму к алкенам могут присоединяться галогены (Нal
·+ - Нal
·-), галогеноводороды (Н
·+ - Нal
·-), серная кислота ( Н
·+ - О
·-SО3Н), вода (Н
·+ - О
·- Н) и другие электрофильные реагенты (Нal
·+ - О
·-Н ).
Электрофильное присоединение к несимметрично построенным алкенам протекает в соответствии с правилом Марковникова (русский химик Владимир Васильевич Марковников, 1869г): электрофил (протон Н+ или Е+) присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода при двойной связи. Правило Марковникова не является универсальным. При введении в состав непредельных углеводородов электроноакцепторной группы (-NO2, -CF3, -CHO, -COOH, -CN и т.д.) присоединение происходит против правила Марковникова.
Региоселективное присоединение обусловлено поляризацией двойной связи в молекуле непредельного соединения и различием в устойчивости промежуточных карбокатионов.
Например:
13 EMBED 1415
пропен 2-бромпропан

13 EMBED 1415
нитроэтилен 1-бром-2-нитроэтан


Карбокатион - промежуточный продукт реакции, очевидно, что реакция электрофильного присоединения протекает в направлении образования более стабильного карбокатиона. При этом электронодонорные группы (например, R - алкильные группы) повышают стабильность карбокатиона, электроноакцепторные (-NO2, -СCl3, - CCF3 ) - уменьшают. Поэтому стабильность карбокатионов в нижеуказанном ряду возрастает:

Поскольку электронодонорные группы повышают электронную плотность двойной связи, в этом же направлении () увеличивается и реакционная способность непредельных соединений:


Таким образом, электрофильное присоединение несимметричных реагентов к несимметричным алкенам протекает в направлении образования наиболее стабильного карбокатиона.
В случае изменения механизма реакции, например в реакциях свободнорадикального типа (АR), присоединение протекает против правила Марковникова: присоединение НВr в присутствии перекиси водорода (эффект Хараша):
Н2 О2
СН3-СН=СН2 + НВr СН3-СН-СН2

·
·
Н Вr
пропен 1-бромпропан

Присоединение галогеноводородов (гидрогалогенирование). Присоединение ННаl происходит по правилу Марковникова как в газовой среде, так и в растворах. Реакционная активность галогеноводородов увеличивается с повышением кислотности в ряду HF< HCl< HBr< HJ. В результате реакций образуются вторичные, третичные галогеналканы (первичные - в реакции только с этиленом).


2-метилпропен 2-бром-2-метилпропан
Присоединение концентрированной серной кислотой. При взаимодействии алкенов с концентрированной серной кислотой образуются моноалкилсульфаты (сложные эфиры серной кислоты).

2-метилпропен трет-бутилсульфат

Алкилсульфаты при нагревании легко гидролизуются (разрушаются водой) с образованием спиртов:


2-метилпропанол-2
Присоединение воды (гидратация). Алкены присоединяют воду в присутствии катализаторов (в гомогенных процессах катализаторы - минеральные кислоты, в гетерогенных - оксид алюминия, хлорид цинка и другие) с образованием спиртов. Присоединение происходит в соответствии с правилом Марковникова. Реакции гидратации лежат в основе промышленных способов получения из алкенов вторичных и третичных спиртов, из этилена получают первичный спирт - этанол.


Присоединение галогенов (галогенирование). Галогены легко присоединяются к алкенам с образованием вицинальных дигалогенидов, например: R-CH=CH2 + Br-Br R-CHBr-CH2Br .
Реакционная способность галогенов возрастает в ряду: I2 < Br2 < Cl2 < F2. Присоединение Br2 - качественная реакция на непредельные соединения. Фторирование и иодирование алкенов на практике не проводят.
Присоединение водорода (гидрирование). Присоединение водорода к алкенам с образованием предельных углеводородов происходит только в присутствии катализатора (металлический Ni, Pt, Pd и др.):
СН2=СН2 + Н2 СН3 -СН3 +
·Н
Теплоты гидрирования дают возможность судить об устойчивости алкенов: чем больше выделяется тепла, тем устойчивее соединение. В ряду алкенов самым устойчивым является этилен.

2. Окисление алкенов. Алкены легко окисляются. В зависимости от окислителя и условий реакции образуются различные кислородсодержащие соединения.
а) полное окисление (горение)
CnH2n + (3n /2) O2 n CO2 + n H2O -
·Н
б) слабое окисление
В результате окисления образуются эпоксиды (реакция Н.А. Прилежаева, 1909г.):

Эпоксиды широко используются в промышленном органическом синтезе, например для получения диолов, простых и сложных эфиров.
в) среднее окисление
Окисление перманганатом калия - реакция Вагнера (русский химик - Егор Егорович Вагнер, 1885г.): алкены окисляются перманганатом калия в нейтральной или слабощелочной среде при комнатной температуре с образованием двухатомных спиртов (диолов):


Реакция используется как тест на присутствие в соединении кратных С=С-связей.
Озонолиз: алкены взаимодействуют с озоном с образованием озонидов, при гидролизе которых образуются карбонильные соединения и пероксид водорода:

Восстановительный гидролиз озонида проводят в присутствии восстановителей (например, Zn), чтобы избежать окисления альдегидов пероксидом водорода.
Озонолиз алкенов позволяет определить их состав и положение в молекуле двойной связи.
г) сильное окисление (перманганат калия в кислой среде, хромовая смесь, оксид хрома (VI), азотная кислота).
При окислении образуются карбоновые кислоты (или кетоны), при этом концевая метиленовая группа СН2 окисляется до СО2:


3. Радикальное замещение водорода в аллильном положении. Галогенирование, например пропена хлором при высоких температурах приводит к образованию продукта замещения:


4. Полимеризация. Реакции полимеризации сопровождаются образованием алканов с высокой молекулярной массой.
Схема полимеризации этилена:
n СH2=СН2 (-СH2-СН2-)n
мономер полимер n - степень полимеризации
этилен полиэтилен

n СH2=СН-СН3 (-СH2-СН(СН3)-)n
пропилен полипропилен

Полимеризация - процесс каталитический. Для промышленного получения полимеров осуществляют радикальную, анионную и катионную полимеризацию.

Применение алкенов:
1. сырье для для промышленности тонкого и основного синтеза (спирты, карбоновые кислоты, карбонильные соединения и т.д.);
2. получение экологически безвредных средств борьбы с вредными насекомыми в сельском хозяйстве;
3. получение высокомолекулярных соединений (полиэтилен, полипропилен и т.д.).
Знаете ли вы, что
-Олефины - «маслородные», некоторые продукты превращений, например 1,2-дихлорэтан представляют собой маслянистые жидкости.
-Этилен («воздух Бехера» со слабым чесночным запахом) открыт Бехером в 1669г. действием серной кислоты на этиловый спирт. Состав этого соединения определили через 100 лет, а ещё через 100 лет представили его формулу - СН2=СН2.
-Дегидрогалогенирование - (де+гидро+галоген+ирование = удалять+водород+галоген+действие).
-К. Циглер и Дж. Натт - лауреаты Нобелевской премии, открыли и внедрили в промышленность катализаторы, позволяющие получать в мягких условиях полимеры с высокой молекулярной массой, с регулярным строением и отличными техническими характеристиками.
-Этилен применяют в качестве вещества, ускоряющего созревание овощей и фруктов. Он выделяется и при созревании яблок, поэтому яблоки часто кладут рядом с овощами и фруктами.

2. Алкадиены
Алкадиены – это углеводороды, содержащие две С=С-связи . Общая формула алкадиенов СnH2n-2. Классифицируют алкадиены по расположению двойных связей в молекуле:
кумулированные сопряженные изолированные
Номенклатура. Названия алкадиенов образуют от названий алканов, заменяя суффикс -ан на -диен.
Простейшие углеводороды имеют тривиальные названия: СН2=С=СН2 - аллен, СН2 =СН-СН=СН2 - дивинил, СН2=С(СН3)-СН=СН2 - изопрен.
Диены с изолированными связями по строению и свойствам мало отличаются от алкенов. Кумулированные и сопряженные диены обладают рядом специфических свойств. Наибольший интерес представляют сопряженные диены.
Нахождение в природе. Изопреновый фрагмент присутствует в структуре многих природных соединений, например натурального каучука, гуттаперчи, терпенов, каротина, холестерина и т. д.
Основные области применения алкадиенов указываются при рассмотрении свойств этих соединений.
Получение сопряженных диенов. Сопряженные алкадиены получают различными реакциями отщепления из алканов и алкенов, спиртов, галогенпроизводных углеводородов.
1. Способ С.В. Лебедева

2. Дегидрирование бутан-бутеновой фракции переработки нефти:


Мировое производство бутадиена-!,3 и изопрена составляет более десятка миллионов тонн в год, они широко используются в производстве синтетических каучуков.
Изомерия. 1. Структурная
Для диенов характерны следующие виды:
а) различное строение углеродной цепи (для углеводородов с числом атомов углерода
· 4);
б) различное расположение кратной связи (для углеводородов с числом атомов углерода
· 4);
в) межклассовая.
Межклассовыми изомерами алкадиенов могут быть алкины, циклоалкены.
2. Геометрическая изомерия:
Геометрическая изомерия характерна для сопряженных диенов, у которых в концевых СН2-группах атомы водорода замещены на другие атомы или радикалы:


транс, цис-изомер цис, цис-изомер
Сопряженные алкадиены могут существовать в двух пространственных формах (конформациях):


s-цис-форма s-транс-форма
s-транс-форма стабильнее (95%) s-цис-формы.
Строение алкадиенов. Строение изолированных диенов практически не отличается от алкенов.
В кумулированных диенах центральный атом углерода находится в sр-гибридизации, что и определяет пространственную форму этих соединений. Кумулированные диены не стабильны и при нагревании изомеризуются в алкины.
В молекуле сопряженных диенов
·-электроны двойных связей взаимодействуют друг с другом (
·,
·-сопряжение), что приводит к изменению порядка и длины как простой
·-связи С-С, так и двойной связи С=С, увеличению стабильности молекулы.
Физические свойства. Бутадиены - бесцветные газообразные вещества с характерными запахами, изопрен - легкокипящая жидкость с приятным запахом. Диены по физическим свойствам близки к алкенам.
Химические свойства сопряженных диенов. Для сопряженных диенов известны все реакции, характерные для алкенов (присоединение, окисление, полимеризация). Наиболее характерным типом реакций являются реакции электрофильного присоединения (гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация и др.), особенность которых состоит в том, что возможно образование продуктов 1,2- и 1,4-присоединения (по двойной связи и концам сопряженной цепи). Соотношение изомерных продуктов присоединения определяется температурным режимом, полярностью растворителя, характером реагента. Как правило, при низких температурах преобладают продукты 1,2-присоединения, при более высоких температурах и в полярных растворителях - 1,4-присоединения.
1,2-присоединение 1,4-присоединение
В реакциях электрофильного присоединения сопряженные диены более активны, чем алкены.
Полимеризацию (радикальную, ионную) сопряженных диенов осуществляют для синтеза синтетических каучуков. Синтетический каучук, по свойствам подобный натуральному, получают и координационной полимеризацией изопрена на катализаторах Циглера-Натта.
Сопряженным диенам свойственна реакция присоединения с образованием шестичленного цикла (реакция Дильса-Альдера, диеновый синтез):

диен диенофил продукт 1,4-присоединения
Z: Н, -NO2, -C
·N, -COOH, -CHO и другие электроноакцепторные группы. Многие полученные соединения обладают высокой биологической активностью и широко используются как лекарственные препараты, средства защиты растений.
Знаете ли вы, что
-В 1861 году при нагревании природного каучука без доступа воздуха английским ученым К.Уильямсоном получен и назван первый диен - изопрен.
-Группа ученых под руководством Сергея Васильевича Лебедева - профессора Военно-медицинской академии г.Ленинграда в 1926 году впервые получила синтетический каучук.
-В 1928 году два немецких химика-органика Отто Пауль Дильс и Курт Альдер открыли реакцию циклоприсоединения к сопряженным диенам. В 1950 году за это открытие ученые удостоены Нобелевской премии.
-Каучук - сок дерева гевеи (от начала индийских слов: сао - дерево, chu -течь, плакать).
-В 1932 году началось мировое производство синтетического каучука, крупнейшие промышленные производители - Германия, США.
-Мировое производство каучуков приближается к 10 млн тонн в год. Из них изготавливают около 50 тыс. различных изделий.
-В 1939 году Ч. Гудьир при нагревании каучука с серой получил продукт, который в 1943 году Т. Гэнкок назвал резиной , а процесс - вудканизацией.
-Производные диенов - терпены широко представлены в природе, многие являются составной частью эфирных масел, придающих растениям специфический аромат (например, лимонен в кожуре цитрусовых).

3. Алкины
Алкины – углеводороды состава CnH2n-2, содержащие одну тройную углерод-углеродную связь.
Номенклатура. Названия алкинов образуют, заменяя суффикс «ан» в названии соответствующего алкана на суффикс «ин». Тривиальное название первого представителя гомологического ряда - ацетилен.
По рациональной номенклатуре алкинам дают названия как производным ацетилена, полученным в результате замещения одного или двух атомов водорода на алкильные радикалы. Например, пропин
СН3-С
·СН по рациональной номенклатуре будет иметь название - метилацетилен.
Нахождение алкинов в природе. Ацетилен и его гомологи мало распространены в природе. Более распространены полиины, которые обнаружены в некоторых растениях. В составе природных полиинов содержится от двух до пяти тройных углерод-углеродных связей.
Получение алкинов. В промышленных масштабах получают, в основном, ацетилен.
1. Пиролиз метана и алканов:




2. Гидролиз карбида кальция: CaC2 + 2H2O C2H2 + Ca(OH)2

3. Дегидрогалогенирование вицинальных и геминальных дигалогенидов:
отщепление галогеноводорода происходит под действием спиртового раствора щелочи:




4. Алкилирование ацетилена и алкинов:
НС
·СNа + R-Сl НС
·С-R + NаСl
R-С
·С- MgCl + R-Сl R-С
·С-R + MgCl2
Изомерия.
1. Структурная
Для алкинов характерны следующие виды:
а) различное строение углеродной цепи (для углеводородов с числом атомов углерода
· 5);
б) различное расположение кратной связи (для углеводородов с числом атомов углерода
· 4;
в) межклассовая.
Межклассовыми изомерами алкинов могут быть алкадиены, циклоалкены.
Строение алкинов. Атомы углерода алкинов, образующие тройную связь, находятся в состоянии sр-гибридизации. Тройная связь представляет комбинацию
·-С-С (перекрывание sр - sр - орбиталей) и двух
·-С-С связей (боковое перекрывание р-р-орбиталей). Молекула ацетилена имеет линейное строение, углы между связями соответствуют 1800, в молекулах гомологов и их изомеров присутствует только фрагмент линейной структуры.
Тройная связь, по сравнению с двойной, короче и более поляризуема. Увеличение электроотрицательности атома углерода в sр-гибридизации приводит к более высокой, по сравнению с алкенами, поляризации
·-С-Н-связи.
Молекула ацетилена неполярна, но при введении одной алкильной группы появляется значительный, по сравнению с этиленовыми углеводородами, дипольный момент:

·+
·-

Физические свойства. Алкины представляют собой бесцветные газы или жидкости, начиная с С17 - твердые вещества. Поскольку для алкинов характерны значительные дипольные моменты, они, по сравнению с алканами и алкенами, имеют более высокие температуры кипения и плавления, относительную плотность. Алкины нерастворимы воде, однако хорошо растворяются в органических малополярных растворителях. Например, ацетилен хорошо растворяется в ацетоне.
Ацетилен термодинамически неустойчивое соединение, при сжижении легко разлагается на углерод и водород.
Химические свойства. Химические свойства алкинов определяются наличием С
·С-связи, для которой, как и для двойной углерод-углеродной связи, характерны реакции присоединения электрофильных и нуклеофильных реагентов, реакции окисления и полимеризации. Алкины с концевой тройной связью вступают в реакции замещения водорода при тройной связи, который обладает слабыми кислотными свойствами.
Таким образом, молекулы алкинов содержат два основных реакционных центра – С
·С-связь и подвижный водород:

Реакции электрофильного присоединения. В реакциях электрофильного присоединения ацетилен и его гомологи по сравнению с алкенами проявляют меньшую реакционную способность, что обусловлено особенностями в строении тройной связи. Реакции протекают ступенчато (присоединение первой молекулы реагента, а затем - второй), при этом присоединение молекулы электрофила сопровождается образованием как одного геометрического изомера (стереоселективное присоединение), так и образованием смеси геометрических изомеров. Реакции присоединения к алкинам резко ускоряет присутствие в реакционной среде катализатора - соли меди (I) или ртути (II). Поэтому многие реакции присоединения к тройной связи рассматриваются как реакции нуклеофильного присоединения (вода, спирты, карбоновые кислоты и другие). В реакциях присоединения реакционная активность ацетилена по сравнению с другими алкинами мала.
а) присоединение галогенов:

Взаимодействие с молекулой галогена происходит как стереоселективное транс-присоединение (образование транс-изомера). Реакция с бромом является качественной реакцией для обнаружения как двойной, так и тройной связи.
б) присоединение галогеноводородов:


Присоединение галогеноводородов происходит по правилу Марковникова с образованием гем-дигалогенопроизводных.
в) присоединение воды.
В кислой среде в присутствии солей ртути (II) алкины взаимодействуют с водой с образованием карбонильных соединений (реакция М.Г. Кучерова, 1881г.). Присоединение воды происходит в соответствии с правилом Марковникова с образованием неустойчивых ненасыщенных спиртов (енолов), которые в условиях реакции быстро изомеризуются (правило А.П. Эльтекова, 1887г.) в более стабильные карбонильные соединения (кетоны):

Из ацетилена образуется уксусный альдегид:


г) реакции винилирования.
В реакциях присоединения спиртов, карбоновых кислот, циаоноводорода и т.д. к алкинам образуются соединения с двойной углерод-углеродной связью (винильные производные):

При этом получают простые и сложные эфиры, акрилонитрилы, которые в промышленном масштабе используются в качестве мономеров в реакциях полимеризации (например, при получении поливинилового эфира, поливинилацетата, полиакрилонитрила).
Реакции по связи С-Н:
а) кислотные свойства.
Ацетилен и алкины с концевой тройной связью вследствие высокой электроотрицательности sр-гибридизованного атома углерода проявляют кислотные свойства за счет связи С-Н (СН-кислотность). Ряд кислотности:

При взаимодействии с металлами, сильными основаниями образуются соли – ацетилениды, при этом связь С-металл в зависимости от природы металла имеет различную полярность:

Ацетилениды щелочных металлов легко разлагаются водой.
Реакцию алкинов с магнийорганическими соединениями (реактив Гриньяра) открыл Ж. Иоцич (1902 г.), в результате взаимодействия получают углеводороды:

С ионами некоторых тяжелых металлов образуются нерастворимые в воде, иногда окрашенные, соли:
R-C
·CH + [Ag(NH3)2]OH R-C
·CAg + 2NH3 + H2O
R-C
·CH + [Сu(NH3)2]Сl R-C
·CCu + NH4Cl + NH3
Реакции используются как качественные на концевую тройную связь.
Ацетилениды меди и серебра термически нестабильные вещества, при нагревании легко разлагаются: АgC
·CAg 2Ag + 2С.
Ацетилениды используются в различных органических синтезах.
б) взаимодействие с карбонильными соединениями.
Ацетилен и алкины с концевой тройной связью в присутствии щелочей присоединяются к карбонильной группе альдегидов и кетонов с образованием ненасыщенных спиртов:
НС
·СН + Н2С=О НС
·С-Н2С-ОН НО-Н2С-НС
·С-Н2С-ОН
пропаргиловый спирт бутин-2-диол-1,4
Реакции окисления и восстановления. Алкины, как и алкены, легко окисляются различными по силе окислителями (см. «Алкены»). Реакция с перманганатом калия в нейтральной или слабощелочной среде (реакция Вагнера) является качественной реакцией на ненасыщенный характер углеводородов. При полном окислении (горении) ацетилена в избытке кислорода выделяется огромное количество энергии.
Гидрирование (восстановление) ацетиленовых углеводородов протекает с образованием алкенов, а затем алканов. Каталитическое гидрирование (катализаторы: Ni, Pt, Pd) происходит нестереоселективно, при этом образуются как цис-, так и транс-алкены. Восстановление водородом в других условиях (например, в присутствии щелочного металла в спирте или цинка в соляной кислоте) преимущественно образуются транс-алкены:

Димеризация, циклоолигомеризация и полимеризация. В присутствии катализаторов ацетилен и алкины могут образовывать димеры, циклические тримеры и тетрамеры, линейные полимеры:
а) в присутствии ионов меди (I) в кислой среде

б) циклоприсоединение




в) полимеризация


цис-полиацетилен, красного цвета, менее устойчив; транс-полиацетилен, синего цвета, более устойчив.
Применение:
Основные направления применения алкинов - органический синтез, сырье для производства синтетических каучуков и других полимеров, сварка и резка металлов.

Знаете ли вы, что
-В 1836г. из карбида кальция впервые получил ацетилен и изучил некоторые его свойства английский химик Э.Дэви.
-В 1860-х годах пиролизом метана получил углеводород состава С2Н2 и дал название «ацетилен» французский химик Марселен Бертло.
-В середине 19 века получены ацетилениды серебра и меди, калия и натрия.
-В 1895 г. французский химик Анри Ле Шаталье провел и изучил реакцию горения ацетилена в избытке кислорода.
-Катализатор (активированный уголь) в реакции образования бензола открыт русским химиком Николаем Дмитриевичем Зелинским.
-В 1931г. американский ученый Юлиус Артур Ньюленд получил винилацетилен и совместно с коллегой Уоллесом Хьюмом Карозерсом разработал технологию получения хлоропрена и хлоропренового каучука.
-С 1906г. ацетилен широко используется для автогенной сварки и резки металлов, температура ацетилен-кислородного пламени около 30000С. Первый сварочный аппарат изготовлен в США в 1904г.
-Полиацетилены - вещества с высокой электропроводностью («органические металлы»). В 1976 г. в лаборатории японского ученого Хидэки Сиракавы обнаружена сверхпроводимость материала, полученного обработкой полиацетилена парами иода (в миллиард раз лучше полиацетилена), область применения таких материалов - токопроводящие полимеры электронных и звуковоспроизводящих устройств.

ЛЕКЦИЯ 8.

АРЕНЫ (АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ)
План
1. Классификация ароматических углеводородов.
2. Гомологический ряд моноциклических аренов, номенклатура, получение.
3. Изомерия, строение бензола и его гомологов.
4. Свойства аренов.

Аренами называют богатые углеродом циклические углеводороды, которые содержат в молекуле бензольное ядро и обладают особыми физическими и химическими свойствами. Арены по числу бензольных колец в молекуле и способа соединения циклов подразделяют на моноциклические (бензол и его гомологи) и полициклические (с конденсированными и изолированными циклами) соединения.
Арены бензольного ряда можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода в молекуле бензола на алкильные радикалы. Общая формула таких аренов СnH2n-6. В названии монозамещенных аренов указывают название радикала и цикла (бензол):



бензол метилбензол (толуол) этилбензол.
В более замещенных аренах положение радикалов указывают наименьшими цифрами, в дизамещенных аренах положение радикалов называют: 1,2 - орто (o-)-, 1,3 - мета (м-)- и 1,4 - пара (п-)-:




1,3-диметилбензол 1,2-метилэтилбензол
м-диметилбензол (м-ксилол) о-метилэтилбензол (о-ксилол)
Для аренов широко распространены тривиальные названия (некоторые названия указаны в скобках).
Нахождение в природе.
Ароматические углеводороды встречаются в растительных смолах и бальзамах. Фенантрен в частично или полностью гидрированном виде содержится в структурах многих природных соединений, например стероидов, алкалоидов.
Получение аренов:
1. сухая перегонка каменного угля;
2. дегидрирование циклоалканов


3. дегидроциклизация алканов с 6 и более атомами углерода в составе


4. алкилирование

5. декарбоксилирование и восстановление кислородсодержащих соединений



Изомерия. Для гомологов бензола характерна структурная изомерия: различное строение углеродного скелета бокового радикала и различные состав и расположение радикалов в бензольном кольце. Например, изомеры ароматических углеводородов состава С9Н12 (пропилбензол, изопропилбензол, о-метилэтилбензол и 1,2,4-триметилбензол):


Строение. Ароматические углеводороды имеют целый ряд особенностей в электронном строении молекул.
Структурную формулу бензола впервые предложил А. Кекуле. Это шестичленный цикл с чередующимися двойными и одинарными связями , при этом двойные связи перемещаются в структуре:


.

В обеих формулах углерод четырехвалентен, все атомы углерода равноценны и дизамещенные бензола существуют в виде трех изомеров (орто-, мета-, пара-). Однако такая структура бензола противоречила его свойствам: бензол не вступал в характерные для непредельных углеводородов реакции присоединения (например, брома) и окисления (например, с перманганатом калия), для него и его гомологов основной тип химического превращения - реакции замещения.
Современный подход к описанию электронного строения бензола разрешает это противоречие следующим образом. Атомы углерода в молекуле бензола находятся в sр2-гибридизации. Каждый из атомов углерода образует три ковалентные
·-связи - 2 связи с соседними атомами углерода ( sр2-sр2-перекрывание орбиталей) и одну с атомом водорода (sр2-s- перекрывание орбиталей). Негибридизованные р-орбитали за счет бокового перекрывания образуют
·-электронную сопряженную систему (
·,
·-сопряжение), содержащую шесть электронов. Бензол представляет собой плоский правильный шестиугольник с длиной связи углерод-углерод 0,14нм, связи углерод-водород 0,11нм, валентными углами 1200 :





Молекула бензола стабильнее циклических соединений с изолированными двойными связями, поэтому бензол и его гомологи склонны к реакциям замещения (бензольное кольцо сохраняется), а не присоединения и окисления.
Сходство в строении и свойствах (ароматичность) с бензолом проявляют и другие циклические соединения. Критерии ароматичности (Э. Хюккель, 1931г.):
а) плоская циклическая структура , т.е. атомы, образующие цикл, находятся в sр2-гибридизации; б) сопряженная электронная система; в) число электронов (N) в кольце равно 4n+2, где n - любое целочисленное значение - 0,1,2,3 и т.д.
Критерии ароматичности применимы как к нейтральным, так и заряженным циклическим сопряженным соединениям, поэтому ароматическими соединениями будут, например:


или
фуран катион циклопропенила.

Для бензола и других ароматических соединений наиболее характерны реакции замещения атомов водорода при углеродных атомах в цикле и менее характерны реакции присоединения по
·-связи в цикле.
Физические свойства.
Бензол и его гомологи являются бесцветными жидкостями и кристаллическими веществами со своеобразным запахом. Они легче воды и плохо в ней растворяются. Бензол неполярное соединение(
·=0), алкилбензолы -

полярные соединения(
·
·0).
Химические свойства.
Электрофильное замещение. Наиболее характерным превращением для аренов является электрофильное замещение - SЕ. Реакция протекает в две стадии с образованием промежуточного
·-комплекса:


Условиях реакции: температура 60-800С, катализаторы - кислоты Льюса или минеральные кислоты.
Типичные SЕ - реакции:
а) галогенирование (Cl2, Br2):



б) нитрование:

в) сульфирование (H2SO4 , SO3, олеум):


г) алкилирование по Фриделю-Крафтсу (1877г.)( RНal, ROH, алкены):


д) алкилирование по Фриделю-Крафтсу (галогенангидриды, ангидриды карбоновых кислот):


У гомологов бензола в результате влияния бокового радикала (+I-эффект, электронодонорная группа)
·-электронная плотность бензольного кольца распределена неравномерно, увеличиваясь в 2,4,6-положениях. Поэтому SЕ -реакции протекают направлено (в 2,4,6- или о- и п-положения). Гомологи бензола по сравнению с бензолом в реакциях этого типа проявляют большую реакционная активность.

толуол п-хлортолуол о-хлортолуол

Реакции боковых радикалов в алкилбензолах (радикальное замещение - SR и окисление).
Реакции радикального замещения протекают, как и в предельных углеводородах, по цепному механизму и включают стадии инициирования, роста и обрыва цепи. Реакция хлорирования протекает ненаправлено, реакция бромирования региоселективна - замещение водорода происходит у
·-углеродного атома.
В алкилбензолах боковая цепь окисляется перманганатом калия, бихроматом калия с образованием карбоновых кислот. Независимо от длины боковой цепи, окисляется атом углерода, связанный с бензольным ядром (
·-углеродный или бензильный атом углерода), остальные атомы углерода окисляются до СО2 или карбоновых кислот.

этилбензол бензойная кислота



п-метилэтилбензол терефталевая кислота

Реакции бензола с нарушением ароматической системы.
Ароматические углеводороды имеют прочный цикл, поэтому реакции с нарушением ароматической системы (окисление, радикальное присоединение) протекают в жестких условиях (высокие температуры, сильные окислители).
а) радикальное присоединение:
1. гидрирование



толуол циклогексан

2. хлорирование





бензол 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан (гексахлоран).
Продукт этой реакции представляет смесь пространственных изомеров.

Ориентация электрофильного замещения в ароматических соединениях. Заместители в бензольном кольце по своему ориентирующему влиянию делятся на два типа: орто-, пара-ориентанты (заместители 1 рода) и мета-ориентанты (заместители 2 рода).
Заместители 1 рода - это электронодонорные группы, которые повышают электронную плотность кольца, увеличивают скорость реакции электрофильного замещения и активируют бензольное кольцо в этих реакциях:



D(+I-эффект): - R, -СН2ОН, -СН2NН2 и т.д.



D(-I,+М-эффекты): -NH2,-OH, -OR, -NR2, -SH и т.д.

Заместители 2 рода – электроноакцепторные группы, которые понижают электронную плотность кольца, уменьшают скорость реакции электрофильного замещения и дезактивируют бензольное кольцо в этих реакциях:


А (-I-эффект): -SO3H, -CF3, -CСl3 и т.д.


А (-I, -М -эффект): -НС=О, -СООН, -NO2 и т. д.




Атомы галогенов занимают промежуточное положение - они понижают электронную плотность кольца, уменьшают скорость реакции электрофильного замещения и дезактивируют бензольное кольцо в этих реакциях, однако это о-,п-ориентанты.
Если в бензольном кольце находится два заместителя, то их ориентирующее действие может совпадать (согласованная ориентация) или не совпадать (несогласованная ориентация). В реакциях электрофильного замещения соединения с согласованной ориентацией образуют меньшее количество изомеров, во втором случае образуется смесь из большего числа изомеров. Например:
п-гидроксибензойная кислота м-гидроксибензойная кислота
(согласованная ориентация) (несогласованная ориентация)
Полициклические конденсированные ароматические углеводороды (нафталин, антрацен, фенантрен и т.д.), в основном, по свойствам похожи на бензол, но вместе с тем имеют некоторые отличия.

Применение:
1. ароматические углеводороды - сырье для синтеза красителей, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, полимеров, поверхностно-активных веществ, карбоновых кислот, аминов;
2. жидкие ароматические углеводороды хорошие растворители органических соединений;
3. арены - добавки для получения высокооктановых бензинов.

Знаете ли вы, что -В 1649 году немецкий химик Иоганн Глаубер впервые получил бензол.
-В 1825 году М. Фарадей выделил из светильного газа углеводород и установил его состав - С6Н6.
-В 1830 году Юстус Либих назвал полученное соединение бензолом (от араб. Вen-аромат + zoa-сок + лат. ol[eum]-масло).
-В1837 году Огюстом Лораном назван радикал бензола С6Н5 - фенил (от греч phenix-освещать).
-В 1865 году немецкий химик-органик Фридрих Август Кекуле предложил формулу бензола с чередующимися двойными и одинарными связями в шестичленном цикле.
-В 1865-70-х годах В. Кернер предложил использовать приставки для обозначения взаимного расположения двух заместителей: 1,2 положение - орто- (orthos - прямой);1,3- мета ( meta - после) и 1,4- пара (para - напротив).
-Ароматические углеводороды - высокотоксичные вещества, вызывают отравление и поражение некоторых органов, например почек, печени.
-Некоторые ароматические углеводороды - канцерогены (вещества, вызывающие раковые заболевания), например бензол (вызывает лейкемию), один из сильнейших - бензопирен (содержится в табачном дыме).

ЛЕКЦИЯ № 9.

ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДОВ.
План
1. Классификация.
2. Номенклатура, получение.
3. Изомерия, строение.
4. Свойства.
Галогенпроизводные - это производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на атомы галогена.
По количеству атомов галогена в составе соединений выделяют:
а) моногалогенпроизводные СхНуНаl (Hal - F, Cl, Br, J);
б) дигалогенпроизводные СхНуНаl2 вицинального (атомы галогена расположены у соседних атомов углерода ) и геминального типа (атомы галогена расположены при одном атоме углерода);
в) полигалогенпроизводные СхНу Наlп,, n
· 3.
В зависимости от вида гибридизации атома углерода, связанного с атомом галогена, различают следующие основные типы галогенпроизводных.
1. Галогенпроизводные, содержащие связь С(sр3)-HaI:
галогеналканы R-СН2-Наl, галогеналкены аллильного типа R-СН=СН-CH2-Hal, галогеналкины R-C
·С-СН2-Hal, галогенарены бензильного типа Аr-СН2-Hal.
2. Галогенпроизводные, содержащие связь С(sр2)-HaI:
галогеналкены винильного типа R-СН=СН-Hal, галогенарены Аr-Hal.
3. Галогенпроизводные, содержащие связь С(sр)-HaI:
галогеналкины R-C
·С-Hal.
Эти группы галогенпроизводных значительно различаются по физическим и особенно по химическим свойствам.
Номенклатура галогенпроизводных углеводородов. Соединения называют по номенклатуре ИЮПАК как по заместительному варианту, так и по радикально-функциональному варианту :
СН3-СН2-СН2-Вr - 1-бромпропан или пропилбромид;
СН2 =СН -СН2 -Сl - 3-хлорпропен-1 или аллилхлорид;
СН2=СН-Вr - бромэтен или винилбромид.
Для некоторых галогенпроизводных сохраняются тривиальные названия:
СНСl3 - хлороформ, CHBr3 - бромоформ.
При замещении в составе углеводорода всех атомов водорода на атомы галогена в названии используют префикс пер - :
С2F6 – перфторэтан.
Получение.
1. Галогенирование алканов, непредельных углеводородов, аренов:
Hal: Cl, Br
R-CH=CH2 + Hal2 R-CHHal-CH2Hal
R-C
·CH + 2Hal2 R-CHal2 -CHHal2

2. Гидрогалогенирование алкенов и алкинов:
R-CH=CH2 + HHal R-CHHal-CH3
R-C
·CH + HHal RCHal=CH2 + HHal R-CHal2 -CH3
3. Взаимодействие спиртов с галогеноводородами и галогенидами фосфора и серы:
R-OH + HBr R-Br + H2O R-OH + PCl5 R-Cl + POCl3 + HCl R-OH + SOCl2 R-Cl + SO2 + HCl
4. Взаимодействие альдегидов и кетонов с галогенидами фосфора:


Изомерия.
Структурная изомерия: для алифатических соединений этот вид изомерии связан с различным строением углеродной цепи и различным расположением атомов галогена в углеродной цепи; для ароматических соединений – с различным расположением атомов галогена в кольце и боковой цепи. По положению атомов галогена в углеродной цепи различают первичные RСН2-Hal, вторичные R2СН-Hal, третичные
R3С-Hal галогенпроизводные.
Оптическая изомерия характерна для галогенпроизводных, в составе которых присутствует асимметрический атом углерода, например в
2-бромбутане СН3-СН2-СНВr-СН3.
Строение.
а) Галогенпроизводные, содержащие связь С(sр3)-HaI.
Так, в галогеналканах R-СН2-СН2
·+Наl
·-
·-С-Наl-связь образована перекрыванием sp3(С)-р(Наl)-орбиталей. Длина связи увеличивается при переходе от фтора к иоду, энергия связи в этом направлении уменьшается. Полярность связи С-Наl в ряду фтор-хлор-бром-иод уменьшается, а поляризуемость - возрастает. Моногалогенпроизводные имеют значительные дипольные моменты.
б) Галогенпроизводные, содержащие связь С(sр2)-HaI.





В результате р,
·-сопряжения (+М-эффект) в винил- и арилгалогенпроизводных соединениях
·-связь С-Наl становится короче, а следовательно, и прочнее, чем в галогеналканах, при этом уменьшается дипольный момент как
·-связи С-Наl, так и молекулы.
Физические свойства. Галогенпроизводные углеводородов не образуют водородных связей, поэтому для них характерны низкие значения температур кипения и плавления, при обычных условиях они являются газами или жидкостями со своеобразными запахом, в воде практически не растворяются. Физические свойства очень сильно зависят от природы и числа атомов галогена в составе молекулы.
Химические свойства. Для галогенпроизводных углеводородов характерны высокая реакционная способность и разнообразие химических превращений, поэтому они широко используются в органическом синтезе для получения разнообразных органических соединений.
Основные типы реакций, характерные для галогенпроизводных, – это реакции нуклеофильного замещения (SN) и отщепления (E), реакции с металлами, причем различие в реакционной способности галогенпроизводных разного типа в этих реакциях очень велико. Галогенпроизводные, содержащие кратные связи или бензольное кольцо, вступают также в реакции, характерные для ненасыщенных и ароматических углеводородов, с учетом влияния на эти реакционные центры атома галогена.
1. Нуклеофильное замещение (SN). Реакции нуклеофильного замещения легко происходят в полярных растворителях и сопровождаются гетеролитическим расщеплением
·-связи С-Наl.
Реакции нуклеофильного замещения SN в общем виде можно представить следующим образом:
R-Наl + :N R-N + Hal-
субстрат нуклеофил продукт уходящая группа
Примеры нуклеофилов:
а) О-содержащие - щелочи, вода(гидролиз), алкоголяты, спирты (алкоголиз);
б) N-содержащие - амины, аммиак (аммонолиз), нитриты;
в) S-содержащие - сероводород, сульфиды щелочных металлов, роданиды;
г) С-содержащие - циановодород, цианиды щелочных металлов, ацетилениды щелочных металлов;
д) амбидентные нуклеофилы - нитраты, нитриты, цианиды, роданиды.
Реакционная активность галогенпрозводных в реакциях нуклеофильного типа уменьшается в следующем направлении: бензил- и аллилгалогениды > алкилгалогениды (третичные> вторичные >первичные) > винил- и арилгалогениды; в зависимости от природы галогена - иодпрозводные > бромпроизводные > хлорпроизводные > фторпроизводные.
Реакции нуклеофильного замещения у атома углерода в состоянии sp3-гибридизации протекают по двум механизмам: бимолекулярное нуклеофильное замещение (SN2) и мономолекуляное нуклеофильное замещение (SN1).
Бимолекулярное нуклеофильное замещение протекает в одну стадию. Разрыв старой
·-связи С-НаI и образование новой
·-связи С-N происходят одновременно. Скорость реакции зависит от концентрации и субстрата, и нуклеофила. Реакции SN2-типа более характерны для первичных алкилгалогенидов. Если нуклеофильное замещение происходит у асимметрического атома углерода, то имеет место обращение конфигурации, т.е. в результате реакции образуется продукт противоположной конфигурации.
Мономолекулярное нуклеофильное замещение протекает в две стадии. На первой стадии под действием растворителя в субстрате происходит гетеролитический разрыв
·-связи С-Hal, в результате чего образуется карбокатион. Процесс протекает медленно и определяет скорость реакции в целом. На второй стадии карбокатион быстро реагирует с нуклеофилом, давая продукт замещения. Скорость реакции зависит только от концентрации субстрата, поскольку нуклеофил не участвует в лимитирующей стадии процесса. Реакции SN1-типа более характерны для бензил- и аллилгалогенидов, третичных алкилгалогенидов. Если нуклеофильное замещение происходит у асимметрического атома углерода, то, как правило, образуется рацемическая смесь.
Сила нуклеофила зависит от ряда факторов:
1) отрицательно заряженные нуклеофилы сильнее, чем нейтральные молекулы - OH- > H2O; RO- > ROH; NH2- > NH3;
2) для элементов одного периода с ростом электроотрицательности атома нуклеофильность уменьшается:
NH2- > OH- > F- и R3C- > RNH2- > RO- > F-;
3) электронодонорные заместители увеличивают, а электроноакцепторные – уменьшают нуклеофильность реагента. Например, для кислородсодержащих нуклеофилов установлен следующий ряд реакционной способности: RO- > OH- > RCOO- > ArO-.
4) для элементов одной подгруппы с возрастанием заряда ядра нуклеофильность реагента увеличивается: RS- >RO- и I- > Вr- > Cl- > F-.
На скорость и механизм реакций нуклеофильного замещения оказывает влияние природа растворителя. Протеканию реакции по механизму SN1 способствуют сильноионизирующие растворители. К ним относятся полярные протонные растворители (вода, спирты, карбоновые кислоты); влияние растворителя на SN2-реакции проявляется в меньшей степени.
Реакции нуклеофильного замещения галогена широко используются в органическом синтезе. С их помощью можно замещать атомы галогенов галогенпроизводных на другие функциональные группы или углеводородные радикалы и получать таким образом любые классы органических соединений: спирты, простые эфиры, сложные эфиры, тиолы, сульфиды, амины, нитрилы и нитросоединения и т.д.
Винил- и арилгалогениды инертны по отношению к нуклеофильным реагентам. Замещение галогена в галогенбензолах возможно только в очень жестких условиях. Введение в кольцо электроноакцепторных заместителей в орто- и пара-положения к галогену активизируют галогенарены в SN-реакциях.
2. Реакции отщепления (Е).
Реакции отщепления и нуклеофильного замещения всегда протекают параллельно, поскольку реагенты в этих реакциях являются нуклеофилами и основаниями. Соотношение продуктов отщепления и замещения зависит от природы реагентов и условий проведения реакции. Протеканию реакции отщепления способствуют высокая основность реагента, малополярные растворители, высокая температура.
Реакции отщепления более характерны для галогеналканов, при этом склонность галогенпроизводных к реакциям отщепления возрастает в ряду: первичные < вторичные < третичные.
Отщепление протекает под действием сильных оснований – концентрированных растворов гидроксидов щелочных металлов в спирте, алкоголятов или амидов щелочных металлов. Основания отщепляют протон у менее гидрированного Я-углеродного атома, при этом образуется наиболее замещенный при двойной связи алкен (правило Зайцева):
СН3 -СН2-СНBr-СН3 + КОН (спирт) СН3-СН=СН-СН3 + КBr
Реакции Е-типа могут протекать по мономолекулярному (Е1) или бимолекулярному (Е2) механизмам.
3. Взаимодействие с металлами. Галогенпроизводные углеводородов реагируют с металлами с образованием металлорганических соединений или продуктов их дальнейшего превращения. Наиболее известные превращения - это взаимодействие с щелочными и щелочноземельными металлами.
а) Реакция Вюрца
Реакция используется для получения углеводородов:
2 R-Br + 2Nа R-R + 2NаBr
б) Образование магнийорганических соединений (реактива Гриньяра):
R- Br + Mg (абсолют. эфир) R-Mg Br Реактив Гриньяра широко используется в органическом синтезе для получения спиртов, карбонильных соединений, карбоновых кислот.
Применение галогенпроизводных соединений:
1. растворители неполярных и слабополярных веществ - смол, жиров, восков, лаков, каучуков, битумов, серы и др.;
2. как хладоагенты, распылители (фреоны) нашли широкое применение в бытовых холодильниках, кондиционерах и аэрозольных бытовых баллончиках;
3. антипирены (противопожарные средства), используются для защиты от возгорания древесины, тканей, пластмасс и т.д.;
4. крупнотоннажные производства полимеров - поливинилхлорида, политетрафторэтилена;
5. сырье для получения глицерина, фенола, пикриновой кислоты, лекарственных средств, инсектицидов. Знаете ли вы, что
-В 1847 году Дж. Симпсон, русский хирург Н.И. Пирогов впервые хлороформ использовали для общего наркоза.
-В 1855 г. французский химик Шарль Адольф Вюрц разработал способ получения углеводородов нагреванием галогеналканов с металлическим натрием.
-В 1875 г. выдающимся русским химиком Александром Михайловичем Зайцевым открыта закономерность в направлении реакций отщепления, которая носит название правило Зайцева.
-Хлороформ НССl3 , хлорэтан используются в качестве анестезирующих веществ, арены с галогеном в боковой цепи - лакриматоров.
-Пестициды - полихлорпроизводные ароматических и алициклических углеводородов, например ДДТ - дихлордифенилтрихлорэтан

, гексохлоран, хлордан, дильдрин, характеризуются высокой токсичностью, высокой стойкостью к разрушению.
-1,4-дихлорбензол - средство от моли, кристаллическое вещество со
сладким запахом, пары тяжелее воздуха, проникают в толщу одежды.
-Отравляющие вещества - иприт, диоксин.
-Политетрафторэтилен (тефлон) (-СF2 - СF2 -)n - полимер, устойчивый к действию концентрированных кислот, щелочей, окислителей, поэтому его называют «кожей носорога», «алмазным сердцем» .

ЛЕКЦИЯ 10.

СПИРТЫ. ФЕНОЛЫ
План
1. Классификация гидроксилпроизводных углеводородов.
2. Предельные одноатомные спирты (алканолы).
3. Многоатомные спирты.
4. Фенолы.
5. Простые эфиры.

Гидроксилпроизводными углеводородов называются соединения, которые образуются в результате замещения в молекуле углеводорода одного или нескольких атомов водорода на гидроксильные группы.
Гидроксилпроизводные углеводородов со связью С(sр3)-ОН называются спиртами. Это предельные алифатические и циклические спирты, например СН3 ОН и ,

непредельные спирты, например СН2=СН-СН2-ОН, ароматические спирты -


Гидроксилпроизводные, содержащие связь С(sр2)-ОН, называются енолами R-СН=СН-ОН и фенолами


По числу гидроксильных групп, содержащихся в молекуле, спирты и фенолы могут быть одно (одна ОН-группа)-, двух (две ОН-группы)-, трех- и многоатомными.
Нахождение в природе. В отличие от галогенопроизводных углеводородов спирты и фенолы, их производные широко представлены в растительном и животном мире.
Высшие спирты встречаются в свободном виде (например, цетиловый спирт С16Н33ОН), в составе сложных эфиров с высшими жирными кислотами (спермацет, воски). Непредельные спирты являются составной частью эфирных масел. Природными циклическими спиртами являются ментол и холестерин. Глицерин входит в состав природных растительных и животных жиров и масел.
Фенолы и их простые эфиры входят в состав эфирных масел многих душистых растений, например чабреца, тимьяна, тмина, аниса, эстрагона, укропа и т.д. Многоатомные фенолы и их производные - душистые вещества растений (например гвоздики, мускатного ореха), составная часть гликозидов растений, дубильных веществ чая, кофе и т.д.
1. Предельные одноатомные спирты (алканолы).
Общая формула СnН2n+1ОН.
Номенклатура. По заместительной номенклатуре гидроксильная группа в названии спиртов обозначается суффиксом -ол. По радикально-функциональной номенклатуре в названии указывают радикал и добавляют -овый спирт: С2Н5ОН - этанол или этиловый спирт,
СН3-СН2-СН2-ОН - пропанол-1 или пропиловый спирт.
Получение:
а) гидролиз галогеналканов. Галогеналканы в реакциях с водой или водным раствором щелочи легко образуют спирты (см. «Галогенпроизводные углеводородов»):
С2Н5Вr + NаОН(водный раствор) С2Н5ОН + NаВr.
б) гидратация алкенов. Присоединение воды к алкенам происходит в присутствии катализатора (см. «Алкены»):

СН2=СН2 + Н-ОН СН3-СН2-ОН.

в) гидрирование карбонильных соединений.
Каталитическое гидрирование альдегидов и кетонов приводит к образованию спиртов (см. «Альдегиды и кетоны»):
СН3-СН=О + Н2 СН3-СН2-ОН



Катализаторы: Ni, Pt, Pd.
г) реакции магнийорганических соединений. Легко происходит присоединение магнийорганических соединений к альдегидам и кетонам (см.«Альдегиды и кетоны»):

Из метаналя образуется первичный спирт, из альдегидов - вторичные спирты, кетонов - третичные спирты.
Особенность реакций этого типа - продукты реакции - спирты содержат больше атомов углерода по сравнению с исходными карбонильными соединениями.
д) гидрирование оксида углерода (II). В зависимости от природы катализатора и условий реакции получают метанол или смесь различных спиртов (синтол): СО + 2Н2 СН3-ОН.
Катализаторы: ZnO, Co и другие.
е) спиртовое брожение углеводов. Глюкоза в присутствии дрожжей подвергается брожению с образованием этилового спирта и углекислого газа: С6Н12О6 2СН3-СН2-ОН + 2СО2
Изомерия. Для предельных спиртов характерна структурная изомерия: изомерия углеродной цепи, расположения гидроксильной группы в цепи. По положению гидроксильной группы в цепи различают первичные (R-СН2-ОН), вторичные (R2СН-ОН) и третичные (R3С-ОН) спирты.
Для спиртов характерна межклассовая изомерия (метамерия), спиртам изомерны простые эфиры с общей формулой R-O-R.
Спирты, содержащих в молекуле асимметрический атом углерода, существуют в виде оптических изомеров, например бутанол-2
СН3-СН2-СНОН-СН3 (см. «Оптическая изомерия»).
Строение. В спиртах атомы углерода и кислорода находятся вsр3 - гибридизации. Спирты содержат две полярные
·-связи: С-О (sр3-sр3-перекрывание) и О-Н (sр3 -s -перекрывание). Диполи этих связей направлены в сторону атома кислорода, причем дипольный момент связи О-Н выше, чем связи С-О. Алканолы являются полярными соединениями:

·-



·+
Ассоциация молекул спиртов осуществляется за счет образования межмолекулярных водородных связей:
,


в результате спирты, по сравнению с углеводородами и галогенпроизводными углеводородов, имеют более высокие температуры кипения и плавления. Образование водородных связей между молекулами спиртов и воды способствует растворению этих соединений в воде.
Химические свойства.
Химические свойства спиртов обусловлены наличием в молекуле полярных связей С-О и О-Н и неподеленных электронных пар на атоме кислорода.
а) кислотные свойства
Спирты являются слабыми О-Н-кислотами. Ряд кислотности: RСООН > НОН > RОН.
В водном растворе кислотность самих спиртов уменьшается в следующем направлении: метанол > первичные > вторичные > третичные.
Кислотные свойства спиртов проявляются в образовании солей (алкоголятов или алкоксидов) при взаимодействии с металлами:
2С2Н5ОН + 2Nа 2 С2Н5О- Nа+ + Н2
этанол этилат(этоксид) натрия
В водных растворах соли гидролизуются с образованием спиртов и щелочей:
С2Н5О- Nа+ + НОН С2Н5ОН + NаОН
б) основные и нуклеофильные свойства
Основные и нуклеофильные свойства спиртов обусловлены неподеленной электронной парой на атоме кислорода.
Основные свойства увеличиваются в следующем направлении
метанол < первичные < вторичные < третичные спирты и проявляются в образовании оксониевых солей: С2Н5ОН + Н+ С2Н5ОН2+. Образование оксониевых солей играет важную роль в реакциях нуклеофильного замещения и отщепления.
Таким образом, спирты являются амфотерными соединениями.
Слабые нуклеофильные свойства спиртов и алкоголятов проявляются в реакциях
-алкилирования - взаимодействия со спиртами и алкоголятами с образованием простых эфиров (реакция Вильямсона, протекает при нагревании): СН3Br + С2Н5ОNа С2Н5ОСН3 + NаBr
метилбромид этилат натрия метоксиэтан,
-ацилирования - взаимодействия с карбоновыми кислотами и их производными с образование сложных эфиров (реакция этерификации, протекает в присутствии катализатора):
СН3СООН + С2Н5ОН СН3СООС2Н5 + НОН
уксусная кислота этанол этилацетат,
-с карбонильными соединениями - образование полуацеталей и ацеталей:


этаналь метанол 1-метоксиэтанол 1,2-диметоксиэтанол.
Алкоголяты по сравнению со спиртами являются более сильными основаниями и нуклеофилами.
в) реакции замещения гидроксильной группы (нуклеофильное замещение - SN )
Часто в этих реакциях ОН-группу модифицируют с помощью минеральных кислот или кислот Льюиса (образование оксониевых солей RОН2+). Модифицированная гидроксильная группа легко замещается на атом галогена, амино- и алкоксигруппу и другие группы. Реакционная активность спиртов в этих реакциях увеличивается в следующем направлении: первичные < вторичные < третичные.
Примеры реакций. Замещение гидроксильной группы на атом галогена:
R-ОН + SOCl2 R-Cl + НCl + SО2
R-ОН + РНal5 R-Нal + Н-Нal + РОНal3
R-ОН + Н-Нal R-Нal + НОН
Реакционная активность галогеноводородов увеличивается в направлении НСl < НBr <НJ. Однако иодоводород практически не используют в реакциях этого типа, поскольку он легко восстанавливает спирты до углеводородов.
Замещение гидроксильной группы на амино- и алкоксигруппу:
R-ОН + Н-NН2 R- NН2 + НОН
R-ОН + RО-Н R-О-R + НОН.
Взаимодействие с минеральными кислотами с образованием сложных эфиров:
R-ОН + Н-ОNО2 R-ОNО2 + НОН
алкилнитрат
R-ОН + Н-ОSО3 R-ОSО3 + НОН
алкилсульфат
Реакции нуклеофильного замещения протекают по мономолекулярному (SN 1) или бимолекулярному (SN2) механизму.
г) реакции отщепления гидроксильной группы (Е-типа, дегидратация спиртов)
Отщепление воды происходит при нагревании в присутствии катализатора - серной или фосфорной кислот, оксида цинка или алюминия. Дегидратация спиртов с образованием алкенов протекает в соответствии с правилом Зайцева: гидроксильная группа отщепляется от
·-углеродного атома, водород - от менее гидрированного
·-атома углерода спирта:

1-бутанол 2-бутен
Реакционная активность спиртов увеличивается в следующем направлении: первичные < вторичные < третичные.
Реакции отщепления протекают по мономолекулярному (Е1) или бимолекулярному ( Е2) механизму.
д) окисление спиртов
В реакциях окисления более активны первичные спирты, третичные спирты в аналогичных условиях не окисляются. Окислители: перманганат калия или бихромат калия в кислой среде. Первичные спирты окисляются с образованием альдегидов и далее - карбоновых кислот, вторичные спирты - кетонов:
R-ОН + [ О ] R-СН=О R-СООН
R2СН-ОН + [ О ] R2С=О
Первичные и вторичные спирты могут быть превращены в карбонильные соединения при дегидрировании. Реакции протекают при 400-5000С в присутствии катализатора - Cu/Аg:






2. Многоатомные спирты
Наиболее важные представители двухатомных и трехатомных спиртов
1,2-этандиол (этиленгликоль) и


1,2,3-пропантриол(глицерин)


Геминальные многоатомные спирты (две гидроксильные группы при одном атоме углерода) неустойчивы и переходят, теряя воду, в карбонильные соединения (правило Эльтекова).
Многоатомным спиртам присущи все характерные свойства спиртов, однако присутствие нескольких гидроксильных групп влияет на физические и химические свойствах этих соединений. Так, увеличение числа гидроксильных групп в молекулах спиртов сопровождается увеличением числа межмолекулярных водородных связей и, следовательно, повышением температур кипения и плавления, растворимости в воде, вязкости.
а) Кислотные свойства
Кислотные свойства спиртов возрастают в направлении
алканолы <диолы <триолы. Диолы и триолы взаимодействуют с металлами, щелочами с образованием моно-, ди-, тризамещенных солей. Качественной реакцией на многоатомные спирты является взаимодействие с гидроксидом меди (II), в результате которого образуется внутрикомплексная (хелатного типа) соль меди (II), водный раствор которой имеет васильковый цвет:

В реакциях нуклеофильного замещения многоатомные спирты образуют моно-, ди- и тризамещенные производные:
б) Образование галогенопроизводых
НО-СН2-СН2-ОН + РСl5 НО-СН2-СН2 -Сl Сl -СН2-СН2 Сl
этиленгликоль 2-хлорэтанол 1,2-дихлорэтан
в) Образование сложных эфиров неорганических и органических кислот

глицерин тринитрат глицерина
Тринитрат глицерина широко используется в производстве взрывчатых веществ, например динамита.


глицерин тристеарин (триглицерид)
Сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот называются жирами.
При действии на глицерин фосфорной кислоты образуется смесь глицерофосфатов. Глицерофосфаты являются структурными компонентами фосфолипидов.
г) Дегидратация
Для этиленгликоля возможна внутри- и межмолекулярная дегидратация:




этиленгликоль виниловый спирт уксусный альдегид




этиленгликоль диоксан
При дегидратации глицерина образуется непредельный альдегид - пропеналь (акролеин):





глицерин акролеин
д)Окисление
Окисление многоатомных спиртов проходит по стадиям и в зависимости от природы окислителя сопровождается образованием разнообразных продуктов. Например, при окислении этиленгликоля образуются следующие соединения:

Примерами многоатомных спиртов, содержащих четыре, пять и шесть гидроксильных групп, могут служить соответственно эритриты, пентиты и гекситы.

3. Фенолы
Общая формула гомологического ряда одноатомных фенолов СnH2n-7OH (Ar-OH). Простейшие представители этого ряда:



фенол 4-метилфенол(п-крезол) 4-этилфенол
Двухатомные фенолы:



гидрохинон резорцин пирокатехин
Трехатомные фенолы:


оксигидрохинон флороглюцин пирогаллол

Получение
а) выделение из продуктов переработки каменного угля и нефти (каменноугольная смола, подсмольная вода);
б) сплавление солей арилсульфоновых солей со щелочами:

в) окисление изопропиларенов
Кумольный способ (метод П.Г. Сергеева-Р.Ю.Удриса, 1942г.) является основным способом получения фенолов. Метод основан на окислении изопропилбензола (кумола) с последующим разложением продукта реакции - гидропероксида кумола:


г) разложение арилдиазониевых солей
При нагревании арилдиазониевых солей в водных растворах образуются фенолы: [ Ar-N+
·N]X- + H2O Ar-OH + N2 + HX.
д) замещение атома галогена в арилгалогенидах
Реакция протекает в жестких условиях с небольшим выходом фенола:

Строение. Атом кислорода гидроксильной группы фенолов находится в sр2-гибридизации, одна неподеленная электронная пара атома кислорода расположена на р-орбитали. Взаимное влияние бензольного кольца и гидроксильной группы (р,
·-сопряжение) приводит, по сравнению со спиртами, к некоторым изменениям в характеристиках (длина, полярность)
·-С-О и О-Н-связей (см. «Электронные эффекты»):

и R ОН

Фенол и его гомологи являются полярными веществами. При этом дипольный момент в отличие от спиртов направлен в сторону бензольного кольца, гидроксильная группа выступает в качестве электронодонорной группы (+М -эффект >- J -эффект). Она повышает электронную плотность в орто- и пара-положениях бензольного кольца.
Физические свойства.
Фенолы - бесцветные кристаллические вещества (фенол) или жидкости (крезолы) со своеобразным, сильным и устойчивым запахом, на воздухе в результате окисления постепенно темнеют. Фенолы мало растворимы в воде, водный раствор фенола называют «карболовой кислотой» или «карболкой». Многоатомные фенолы хорошо растворимы в воде и других полярных растворителях.
Химические свойства.
Поскольку спирты и фенолы имеют одинаковую функциональную группу, для них характерны некоторые общие химические свойства: кислотные свойства, окисление. Однако в фенолах, по сравнению со спиртами, более подвижен атом водорода гидроксильной группы (усиление кислотных свойств) и менее подвижна сама гидроксильная группа (не характерны реакции нуклеофильного типа).
Наряду с общими химическими свойства для фенолов характерны специфические свойства - электрофильное замещение атомов водорода в бензольном кольце (о-, п-положениях, см. «Арены»).
а) кислотные свойства
Фенолы слабые ОН-кислоты, однако в результате р,
·-сопряжения поляризуемость О-Н- связи и устойчивость сопряженного фенолят-иона увеличиваются, что приводит к усилению кислотных свойств
фенолов: кислоты> фенолы > вода> спирты. Электронодонорные группы (заместители 1 рода) в ароматическом кольце кислотные свойства понижают, электроноакцепторные группы (заместители 2 рода) - усиливают: так, кислотные свойства о-нитрофенола в тысячу раз, а 2,4,6- тринитрофенола (пикриновая кислота) в миллион раз больше кислотных свойств фенола.
При взаимодействии с металлами, щелочами фенолы образуют соли - феноляты Ar-ОМе, растворимые в воде (рН > 7). В водных растворах с хлоридом железа (III) фенолы образуют окрашенные комплексные соединения (фенол - фиолетовое, крезол - синее, пирокатехин - зеленое и т.д.).
б) алкилирование и ацилирование
В реакциях этого типа большую реакционную активность проявляют феноляты, например щелочных металлов. При взаимодействии с галогенпроизводными углеводородов образуются простые эфиры:
С6Н5ОNа + СН3-Cl С6Н5О-СН3 + NаCl
фенол метоксифенол(анизол)
В реакциях ацилирования с галогенангидридами, ангидридами карбоновых кислот фенолы образуют сложные эфиры:


фенолят натрия фенилацетат
Реакции этерификации для фенолов в отличие от спиртов не характерны.
в) электрофильное замещение(SE )
Гидроксильная группа в фенолах является орто-, пара-ориентантом, активирующим ароматическое кольцо к электрофильной атаке. В случае малоактивных электрофильных реагентов SE -реакции проводят с фенолятами. Для фенолов характерны как общие реакции ароматических соединений (галогенирование, сульфирование, нитрование, ацилиривание и алкилирование), так и специфические - взаимодействие со слабыми электрофилами - углекислым газом, карбонильными соединениями. Некоторые реакции протекают без катализатора с образованием моно-, ди- и тризамещенных соединений. Примеры реакций:
1. Легко в отсутствии катализатора происходит галогенирование, особенно бромирование, с образованием 2.4.6 -трибромфенола




2. При нитровании фенола получаются нитрофенолы, конечным продуктом нитрования является 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота)

3. Сульфирование фенола ведет к образованию фенолсульфоновых кислот, соотношение изомеров определяется температурным режимом реакции:


4. Алкилирование и ацилирование в ароматическое кольцо протекает в присутствии катализаторов - минеральных кислот или кислот Льюиса с образованием, в основном, п-изомеров.
5. Взаимодействие со слабыми электрофилами:





Продукты второй реакции в присутствии кислот вступают в дальнейшие превращения с образованием высокомолекулярных соединений - фенолформальдегидных смол. Взаимодействие с кетонами (например, ацетоном) приводит к соединениям, которые широко используются для получения полимеров высокой прочности (лексан, мерлон) - материала для изготовления пуленепробиваемых стекол, жилетов.
г) Окисление
Фенолы очень легко окисляются; чем больше гидроксильных групп в составе фенолов, тем легче они окисляются. Окисление сопровождается разрушением ароматической структуры и образованием хинонов. Например, окисление двухатомного фенола - гидрохинона приводит к образованию п-бензохинона:



Хиноны широко распространены в природе и играют роль антибиотиков, пигментов, витаминов, коферментов.

4. Простые эфиры
Простые эфиры можно рассматривать как производные спиртов, в которых атом водорода гидроксильной группы замещен на углеводородный радикал.
Получение.
1. Взаимодействие алкоголятов с галогенпроизводными (синтез Вильямсона): R-Hal + R/O-Na+ R-OR/ + NaHal.
2. Межмолекулярная дегидратация спиртов (в присутствии серной кислоты): ROН + ROН R-OR + Н2О.
Химические свойства. Простые эфиры обладают низкой реакционной способностью. Их реакции можно разделить на три группы: реакции по атому кислорода, реакции по С-Н-связи в
·-положении, реакции с разрывом связи С-О. Атом кислорода с неподеленными парами электронов обусловливает основные свойства простых эфиров. Простые эфиры являются слабыми основаниями и образуют оксониевые соединения при взаимодействии с сильными протонными кислотами и кислотами Льюиса. При длительном хранении простых эфиров на свету образуются гидропероксиды – нестабильные взрывоопасные соединения. Поэтому перед использованием простые эфиры необходимо проверять на присутствии пероксидов.
Реакции с разрывом связи С-О протекают в жестких условиях в присутствии сильных кислот. Алкоголят анион RO- является сильным основанием и плохой уходящей группой, поэтому его отщепление возможно только после предварительного превращения в хорошую уходящую группу путем протонирования.
Применение спиртов и фенолов:
-Метиловый спирт(очень ядовит) - растворитель, сырьё для получения формальдегида, полимеров, лекарственных препаратов, добавка к моторному топливу.
-Этиловый спирт - сырье для органического синтеза, растворитель, дезинфицирующее средство, компонент спиртных напитков.
-Этиленгликоль (очень ядовит) - в производстве антифризов - водных растворов этиленгликоля, имеющих очень низкую температуру замерзания (например, температура замерзания 66%-го раствора составляет -600С). Используют этиленгликоль для получения полимеров (например, полиэтилентерефталата, из которого изготавливают пластиковые емкости), синтетических волокон (например, лавсан), взрывчатых веществ.
-Глицерин используют для получения взрывчатых веществ, лекарственных средств (сосудорасширяющее средство), в косметической, парфюмерной, кондитерской промышленности.
-Фенолы используют для получения взрывчатых веществ, формальдегидных смол (бакелит или новолак, резол, резолит, резит).

Знаете ли вы,что
-В XVIII веке А. Лавуазье установил качественный состав этилового спирта.
-В 1833 году Й.Я.Берцелиус определил количественный состав этанола и предложил все спирты называть алкоголями.
-В1834 году Ж.Б. Дюма из продуктов сухой перегонки древесных опилок выделил метиловый или древесный спирт.
-В 1858 году М. Бертло синтетическим путем получил метиловый спирт.
-В 1779 году шведский химик Карл Шееле при нагревании оливкового масла с кислотой выделил маслянистую жидкость, сладкую на вкус, и назвал «глицерин» (от греч. Glуkeros - сладкий).
-В 1846 году итальянский химик Асканьо Собреро получил тринитрат глицерина («гремучее масло»).
-В 1847 году Н.Н. Зинин впервые использовал тринитроглицерин в Крымской войне.
-В 1866 году шведский инженер-химик, изобретатель и промышленник Альфред Нобель изобрел динамит, смесь 75% нитроглицерина и 25% инфузорной земли (природная глина «кизельгур»).
-При разложении 4 моль нитроглицерина выделяется 650л газообразных веществ - СО2. Н2О, О2, N2 и большое количество энергии.
-В 1834 году немецкий химик Фридлиб Фердинанд Рунге из продуктов перегонки каменноугольной смолы выделил фенол.
-В 1871 году английский химик П. Вульф получил пикриновую кислоту, которую использовали в качестве красителя, для получения взрывчатых веществ (мелеит, медит, тимоза).
-В 11 веке в Италии получали этиловый спирт, который служил лекарством, называли его «жизненной водой», утешавшей человеческое тело, возвращающей старикам молодость.
-В средние века обнаружили, что при перегонке вина отгоняется бесцветная горючая жидкость, обладающая как и вино свойством опьянения. Остаток после перегонки этим свойством не обладает. Эту жидкость назвали spiritus vini - дух вина, отсюда и название- винный спирт.
-В XV веке впервые слово «алкоголь» применил к этиловому спирту немецкий врач и естествоиспытатель Теофраст Парацельс ( араб. Al-kuhl - тонкий порошок).
-Метиловый спирт - сильный яд, 5- 10мл спирта при попадании в организм вызывает слепоту, доза в 30 мл смертельна для человека.
-При метаболизме этанола в организме человека выделяется около 770кДж/моль энергии, т.е. алкогольные напитки весьма калорийны. -Пирокатехин является структурным элементом многих биологически активных веществ, например катехоламинов. Монометиловый эфир пирокатехина, гваякол, используется как лекарственное средство для лечения заболеваний верхних дыхательных путей.
-Резорцин применяется как антисептическое средство при лечении кожных заболеваний.
-Гидрохинон является структурным элементом природных соединений, например витаминов группы Е. Восстановительная способность гидрохинонового фрагмента используется в окислительно-восстановительных процессах, сопровождающих дыхание. Сам гидрохинон служит исходным веществом в синтезе многих лекарственных средств.


ЛЕКЦИЯ № 11.

КАРБОНИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
План
1. Классификация карбонильных соединений.
2. Гомологический ряд, номенклатура, получение.
3. Изомерия, строение.
4. Свойства.

Производные углеводородов, содержащие карбонильную группу, называются карбонильными соединениями. Если карбонильная группа соединена с углеводородным радикалом и водородом, то такие соединения называются альдегидами (группа - альдегидная группа), если с двумя радикалами - соединения называются кетонами (группа - кетогруппа). В зависимости от природы радикала альдегиды и кетоны бывают алифатическими (предельные и непредельные альдегиды 13 EMBED 1415 и кетоны 13 EMBED 1415), ароматическими (альдегиды13 EMBED 1415и кетоны13 EMBED 1415). Кетоны, в которых карбонильная группа связана с различными радикалами, называют смешанными кетонами (например, метилпропилкетон, метилизопропилкетон).
Общая молекулярная формула предельных альдегидов и кетонов СnН2nО.
Гомологический ряд альдегидов:
Н2С=О - метаналь, муравьный альдегид, формальдегид(formica-муравей)
СН3-СН=О - этаналь, уксусный альдегид, ацетальдегид
СН3-СН2-СН=О - пропаналь, пропионовый альдегид
СН3-СН2-СН2-СН=О - бутаналь, масляный альдегид, бутираль и т.д.
Гомологический ряд кетонов:


пропанон, диметилкетон, ацетон



бутанон-2, метилэтилкетон


пентанон-2, метилпропилкетон и т.д.

Номенклатура. По номенклатуре ИЮПАК названия карбонильных соединений образуют от названия углеводорода, добавляя суффикс -аль или -он. Номенклатура ИЮПАК для карбонильных соединений рассмотрена ранее (см. «Номенклатура органических соединений»).
Альдегиды также можно называть по названию кислот, в которые они переходят при окислении: муравьиный альдегид - муравьиная кислота, уксусный альдегид - уксусная кислота и т.д. Некоторые альдегиды и кетоны имеют тривиальные названия.
В цепи альдегидов и кетонов атомы углерода могут быть обозначены буквами греческого алфавита:
·,
·,
· и т.д., например

·
·
·
СН3-СН2-СН2-СН=О.
Нахождение в природе.
Карбнильные соединения широко распространены в растительном и животном мире, входят в состав эфирных масел, содержатся во многих цветах, фруктах, плодах, душистых и пряных растениях.
Получение.
Большинство реакций получения карбонильных соединений рассмотрены ранее при изучении химических свойств алкенов, алкинов, галогенпроизводных углеводородов, спиртов. Примеры:
1. окисление алкенов(озонолиз)





2. окисление первичных и вторичных спиртов




3. гидролиз геминальных дигалогенпроизводных углеводородов




Из дигалогенпроизводных с атомами галогена при первичном атоме углерода образуются альдегиды, при вторичном - кетоны.

4. гидратация алкинов


5. термическое разложение кальциевых и бариевых солей карбоновых кислот



6. дегидрирование спиртов



7. оксосинтез. В промышленности значительное количество альдегидов получают присоединением оксида углерода (II) и водорода к углеводородам ряда этилена. Например, из пропилена может быть получена смесь масляного и изомасляного альдегидов
СН3-СН=СН2 + СО + Н2 СН3-СН2-СН2-СНО + (СН3)2СН-СНО

Изомерия. Для карбонильных соединений характерна структурная изомерия: различное строение углеродной цепи и различное расположение карбонильной группы в цепи. В связи с этим кетоны и альдегиды с одинаковым числом углеродных атомов являются структурными изомерами. Для карбонильных соединений характерна кето-енольная таутомерия, обусловленная существованием двух изомерных форм, находящихся в растворе в динамическом равновесии. Например, для ацетона

СН3-С-СН3 СН2 =С-СН3
|| |
О ОН
кето-форма енол

Содержание в смеси кето-формы, как более стабильной формы, практически всегда больше енольной формы.

Строение. Физические свойства. Атомы углерода и кислорода карбонильной группы находятся в sр2-гибридизации. Двойная связь С=О, подобно связи С=С, представляет собой комбинацию
·-(sр2-sр2- перекрывание) и
·-(р-р-перекрывание) связей. При этом связь в карбонильной группе, в отличие от двойной связи в алкенах, характеризуется высокими полярностью и поляризуемостью


R НС
·+ = О
·-, что является причиной повышенной реакционной способности альдегидов и кетонов, склонности к гетеролитическому расщеплению связей. Альдегиды и кетоны - полярные соединения. Ассоциация молекул происходит только за счет диполь-дипольного взаимодействия, поскольку образование межмолекулярных водородных связей для карбонильных соединений не характерно. Поэтому, в отличие от спиртов, карбонильные соединения имеют более низкие значения температур кипения и плавления, они менее растворимы в воде.
Химические свойства. Химические свойства карбонильных соединений исключительно разнообразны. Многочисленные реакции, в которые они способны вступать, позволяют получать вещества многих классов. Наиболее характерные реакции карбонильных соединений - реакции нуклеофильного присоединения (АN), окисления-восстановления.
а) реакции нуклеофильного присоединения (АN)
Реакционная активность карбонильных соединений в реакциях этого типа зависит от величины эффективного положительного заряда на карбонильном атоме углерода. Чем больше величина заряда, тем выше реакционная активность соединений в реакциях АN-типа. Изменение активности в ряду метаналь > предельные альдегиды > предельные кетоны > ароматические альдегиды > ароматические кетоны обусловлено увеличением электронодонорного характера радикалов, связанных с карбонильной группой.
Реакции нуклеофильного присоединения протекают в две стадии. Процесс начинается с атаки нуклеофила карбонильного атома углерода. Образующийся на первой стадии тетраэдрический интермедиат присоединяет электрофил и дает продукт присоединения:
Активность карбонильных соединений повышается в присутствии кислотных катализаторов, которые увеличивают положительный заряд на карбонильном атоме углерода:

Примеры реакций.
Присоединение спиртов. Присоединение одной молекулы спирта сопровождается образованием так называемых полуацеталей - неуствойчивых простых эфиров, которые при дальнейшем взаимодействии со спиртом (при нагревании и присутствии катализатора, например HСl) переходят в ацетали. Ацетали устойчивы и могут быть выделены в чистом виде. Это обычно приятно пахнущие, труднорастворимые в воде жидкости. Ацетали в присутствии кислот гидролизуются, образуя исходный спирт и альдегид; в щелочной среде гидролиз не происходит.


Присоединение синильной кислоты. В реакции образуются
·-гидроксинитрилы (циангидрины), которые широко используются для получения аминов,
·-гидроксикарбоновых кислот, причем получаемые соединения содержат на один атом углерода больше по сравнению с исходными карбонильными соединениями. Плоды некоторых растений (например, горький миндаль) содержат циангидрины.

Присоединение магнийорганических соединений. Реакция лежит в основе получения спиртов разной природы и с большим числом атомов углерода в их составе:

В реакциях с метаналем образуются первичные спирты, с альдегидами - вторичные спирты, с кетонами - третичные спирты.
Аналогично протекают реакции карбонильных соединений с ацетиленом и ацетиленидами с образованием непредельных диолов.
Взаимодействие с гидросульфитом натрия используют для выделения карбонильных соединений из реакционной смеси:

Реакция характерна для альдегидов и тех кетонов, у которых при карбонильной группе находится метильный радикал. В кислой и щелочной средах нерастворимые в воде гидросульфитные соединения разлагаются с образованием исходных карбонильных соединений.
Взаимодействие с соединениями типа NH2-X (Х - Н, -NН2 , -ОН и другие). Особенность реакций с указанными нуклеофилами - продукты присоединения легко отщепляют молекулу воды с образованием
более устойчивых соединений:

Полученные в этой реакции соединения (оксимы, гидразоны, фенилгидразоны и т.д.) широко используются для идентификации карбонильных соединений и для синтеза новых соединений.
Взаимодействие с галогенидами фосфора. В результате этой реакции образуются гем-дигалогенпроизводные, при гидролизе которых вновь образуются карбонильные соединения:

б) окисление - восстановление карбонильных соединений
Альдегиды в этих реакциях проявляют большую реакционную способность, чем кетоны. В реакциях окисления окисляется атом водорода при углеродном атоме карбонильной группы.
Примеры реакций.
Окисление альдегидов слабыми окислителями сопровождается образованием карбоновых кислот с таким же, как в исходном альдегиде, числом углеродных атомов:
R-СН=О + Аg(NН3)2ОН R-СООН + Аg + NН4ОН + NН3 (реакция «серебряного зеркала»)
R-СН=О + Cu (ОН)2 R-СООН + Cu2О + Н2О
Обе реакции протекают при нагревании, являются качественными реакциями на альдегидную группу. Кетоны в этих условиях не окисляются, окисление с разрывом углерод-углеродных связей протекает довольно в жестких условиях с образованием соединений (кетоны, карбоновые кислоты), содержащих по сравнению с исходным, меньшее число атомов углерода.
Восстановление карбонильных соединений в зависимости от природа восстановителя и условий реакций происходит до спиртов и углеводородов. При восстановлении альдегидов образуются первичные спирты, кетонов - вторичные спирты.
Под действием концентрированной щелочи альдегиды, у которых отсутствует атом водорода у
·-углеродного атома, подвергаются окислительно-восстановительному превращению, приводящему к образованию спирта и карбоновой кислоты (реакция Канниццаро):
Н2С=О + NаОН Н3 С-ОН + НСООН



в) реакции альдольно-кротоновой конденсации
Для альдегидов и кетонов очень важными являются реакции конденсации, в частности альдольной и кротоновой конденсаций.
Так, альдольная конденсация (А.П. Бородин) идет в мягких условиях (в щелочной или кислой среде). Осуществляется по типу нуклеофильного присоединения, при этом одна молекула карбонильного соединения выступает в качестве субстрата - карбонильной компоненты, другая - в качестве реагента - метиленовой компоненты, имеющей подвижный атом водород в
·-положении радикала. В результате возникает новая С-С-связь и образуется вещество, содержащее одновременно альдегидную (или кетонную) и спиртовую группы - альдоль. Процессы альдольной конденсации имеют большое значение для синтетического получения углеводов. И в природе сложный процесс фотосинтеза углеводов в растениях проходит через стадию альдольной конденсации.
Кротоновая конденсация идет в более жестких условиях как реакция замещения атома кислорода карбонильной группы одной молекулы и двух атомов водорода в
·-положении другой молекулы альдегида или кетона.


альдоль кротон
Альдегиды вступают в реакции конденсации и с соединениями других классов, например с фенолами, ароматическими аминами и т.д. На этом основано, в частности, очень важное использование их в
промышленности пластических масс.

г) полимеризация альдегидов
Альдегиды, особенно их низшие представители, склонны к полимеризации. Реакция идет с разрывом
·-связи альдегидных групп, причем атомы карбонильного кислорода одной молекулы альдегида соединяются с атомами карбонильного углерода другой молекулы. Так, например формальдегид полимеризуется по схеме:
nCH2=O (-CH2-O-)n
формальдегид полимер (параформ)
При длительном стоянии водных растворов формальдегида, особенно при низких температурах, а также при упаривании в них образуется белый осадок – параформ (или параформальдегид) с величиной n от 10 до 50. При нагревании до 140-160оС параформальдегид деполимеризуется и превращается в газообразный формальдегид, процесс ускоряется в присутствии кислот.
Альдегиды в реакциях полимеризации могут образовать циклические полимеры. Так, из уксусного альдегида образуется жидкий циклический тример (полимер, образованный тремя молекулами мономера), называемый паральдегидом:





этаналь паральдегид
Муравьиный альдегид образует триоксиметилен или тетраоксиметилен:




Описанные процессы полимеризации альдегидов обратимы: при нагревании полимеров, особенно в присутствии следов минеральных кислот, они деполимеризуются и распадаются на молекулы исходного альдегида.
Для ароматических карбонильных соединений характерны химические реакции как по карбонильной группе, так и по бензольному кольцу (SЕ ). При этом в результате взаимного влияния данных групп реакционная активность карбонильных соединений несколько отлична от алифатических альдегидов и кетонов (понижается реакционная активность в реакциях АN-типа, окисления). В реакциях электрофильного замещения карбонильная группа является заместителем 2 рода (электроноакцепторная группа) и ориентирует входящий электрофил в мета-положение.
Применение. Метаналь находит применение в органическом синтезе, производстве синтетических смол (фенолформальдегидная смола), лекарственных препаратов, красителей, дезинфицирующих средств, пласмасс. Этаналь широко применяется в промышленности, органическом синтезе. Ацетон - в производстве взрывчатых веществ, в органическом синтезе широкого круга соединений, в парфюмерии, является прекрасным растворителем самых разнообразных соединений.
Бензальдегид применяют в пищевой промышленности, парфюмерии, в органическом синтезе.
Знаете ли вы, что
-В середине 19 века(1835г.) Либих, действуя различными окислителями на спирты, получил соединения, в которых на 2 атома водорода меньше, чем в исходном спирте, поэтому название полученных соединений - алкоголь дегидрированный или альдегид.
-А.М. Бутлеров в первые получил уротропин - продукт присоединения аммиака к формальдегиду (6:1). При нитровании уротропина образуется сильнейшее взрывчатое вещество - гексоген. Смесь уротропина и хлорида кальция используется в медицине («Кальцекс»), смесь уротропина и парафина является основным компонентом «сухого горючего».
-В 1872 году русский химик и музыкант Александр Порфирьевич Бородин впервые осуществил альдольную конденсацию.
-Как душистые вещества, ацетали используются в парфюмерии. -Небольшое количество ацеталей (50-200 мг/г) образуется в виноградных винах в процессе их "созревания" и "старения" – в результате взаимодействия содержащихся в винах спиртов (главным образом, этилового) с альдегидами (образующихся в вине в качестве продуктов окисления этих спиртов). В числе других веществ ацетали создают характерный аромат ("букет") вин.
-Формальдегид образуется при неполном сгорании различных органических веществ. Он содержится в дыме угля, дерева, на этом основано консервирующее действие дыма при получении мясных и рыбных копченостей. Формальдегид - токсичен.
-Акролеин содержится в дыме, в жаренных продуктах, карамели, сильно раздражает дыхательные пути.
-Многие карбонильные соединения имеют приятные запахи, например фенилуксусный альдегид – запах гиацинта, коричный альдегид - запах корицы, бензальдегид - горького миндаля, гептанон-2 - гвоздичный запах, запах сыра «рокфор», ацетофенон – запах черемухи.

ЛЕКЦИЯ № 12.

КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ
План
1. Классификация карбоновых кислот.
2. Номенклатура, получение.
3. Изомерия, строение.
4. Монокарбоновые кислоты (предельные, непредельные, ароматические).
5. Дикарбоновые кислоты.
6. Производные карбоновых кислот.

Производные углеводородов, содержащие карбоксильную группу -СООН,называются карбоновыми кислотами.
Карбоновые кислоты классифицируют по двум структурным признакам:
а) по природе радикала, различают - алифатические R(CООН)n (предельные, непредельные) и ароматические кислоты Аr(СООН)n;
б) по числу карбоксильных групп, различают - монокарбоновые ( n =1), ди- и поликарбоновые (n
· 2) кислоты.
Номенклатура. По номенклатуре ИЮПАК названия кислот образуют от названия углеводорода, добавляя окончание -овая кислота, например, СН3СООН - этановая кислота. Широко распространены тривиальные названия кислот: уксусная, масляная, олеиновая, винная, щавелевая и т.д.
Получение.
а) Окисление алкенов, алкинов, первичных спиртов и альдегидов (см. «Химические свойства» соответствующих классов соединений):
R-СН= СН-СН3 + [О] R-СООН + СН3-СООН
алкен
R-СН2 -ОН + [О] R-СН=О + [О] R-СООН
спирт альдегид кислота
Окислители - КМnО4, К2Сr2О7 в кислой среде.
б) Окисление алканов: R-CH2-CH2-R' + [O] R-COOH + R'-COOH + H2O Окисление осуществляют в присутствии катализаторов - солей кобальта или марганца.
в) Окисление алкилбензолов (см. «Химические свойства ароматических углеводородов»). г) Гидролиз нитрилов, производных карбоновых кислот в кислой или щелочной среде: R-C
·N + 2H2O + HСl R-COOH + NH4Сl
R-C
·N + H2O + NaOH R-COONa + NH3

X: -OR, -Наl, -OCOR, -NH2.
д) Металлорганический синтез:



Строение. Атомы углерода и кислорода карбоксильной группы находятся в состоянии sр2-гибридизации.
·-связь С-О образована перекрыванием sр2-sр2-гибридизованных орбиталей,
·-связь О-Н - перекрыванием sр2 - s- орбиталей,
·- связь С-О - перекрыванием негибридизованных р-р-орбиталей. Карбоксильная группа представляет собой плоскую р,
·- сопряженную систему:


В результате сопряжения связь С-О становится короче по сравнению с аналогичной связью в спиртах, связь С=О - длиннее по сравнению с аналогичной связью в карбонильных соединениях, т.е. происходит заметное выравнивание длин связей в карбоксильной группе.
Межмолекулярное взаимодействие карбоновых кислот характеризуется сильными водородными связями, в результате чего образуются линейные ассоциаты и циклические димеры:
и


Водородная связь в карбоновых кислотах более прочная, чем в спиртах. Это обусловливает более высокие растворимость в воде, температуры кипения и плавления карбоновых кислот по сравнению со спиртами близкой молекулярной массы.
Взаимное влияние карбонильной и гидроксильной групп в составе карбоксильной группы обусловливает химические свойства, отличные от свойств карбонильных соединений и спиртов. Реакции с участием карбоксильной группы протекают по следующим основным направлениям: кислотно-основное взаимодействие, нуклеофильное замещение, декарбоксилирование.
Химические свойства карбоновых кислот рассмотрены далее на примере предельных монокарбоновых кислот.
Монокарбоновые кислоты (предельные, непредельные, ароматические кислоты).
Общая молекулярная формула предельных монокарбоновых кислот
Сn Н2nО2.
Таблица 4.
Гомологический ряд предельных монокарбоновых кислот

Кислота
Формула
Тпл.,
·С
Ткип.,
·С
Ацильный остаток - кислотный остаток

Муравьиная
(метановая)
H-COOH
+8,25
100,5
формил - формиаты

Уксусная
(этановая)
CH3COOH
+16,60
118,5
ацетил - ацетаты

пропионовая
(пропановая)
CH3-CH2-COOH
-20,70
141,1
пропионил - пропионаты

масляная
(бутановая)
CH3-(CH2)2-COOH
-3,10
163,0
бутирил - бутираты

валериановая
CH3-(CH2)3-COOH
-34,50
186,0
валерил - валераты

капроновая
CH3-(CH2)4-COOH
-1,50
205,3
капроноил

лауриновая
CH3-(CH2)10-COOH
+44,30
225
·
·
лаурил

пальмитиновая
CH3-(CH2)14-COOH
+62,60
271
·
·
пальмитил-пальмитаты

стеариновая
CH3-(CH2)16-COOH
+69,40
287
·
·
стеарил - стеараты


В таблице приведены названия ацильных (R-СО-) и кислотных (R-СОО-) остатков некоторых монокарбоновых кислот предельного ряда.
Изомерия. Для предельных монокарбоновых кислот характерна структурная изомерия (различное строение углеродной цепи и различное расположение функциональной группы ). Например, молекулярной формуле С4Н8О2 соответствуют изомеры: СН3-СН2-СН2-СООН (бутановая кислота), (СН3)2 СН-СООН (2-метилпропановая или изобутановая кислота), СН3-СН2-СООСН3 (метилпропаноат) (подробно см. раздел «Изомерия»).
Физические свойства. Кислоты с числом атомов углерода от 1 до 9 - бесцветные жидкости с неприятными запахами, с С
· 10 - твердые вещества без запаха. Кислоты с числом атомов углерода от 1 до 3 хорошо растворяются в воде, с С
· 4 - не растворимые в воде вещества, но хорошо растворимые в органических растворителях (спирт, эфир).
Химические свойства.
а) кислотные свойства
Водные растворы карбоновых кислот имеют кислую реакцию:




кислота карбоксилат-ион
Делокализация электронной плотности (р,
·- сопряжение) в карбоксилат-ионе приводит к полному выравниванию порядков длин обеих связей С-О, увеличению его стабильности по сравнению с алкоголят- и фенолят-ионами. Поэтому карбоновые кислоты по силе превосходят спирты и фенолы, угольную кислоту, но уступают таким минеральным кислотам, как соляная, серная, азотная и фосфорная.
На силу карбоновых кислот существенное влияние оказывает природа радикала при карбоксильной группе: электронодонорные группы дестабилизируют карбоксилат-ион и, следовательно, уменьшают кислотные свойства, электроноакцепторные - стабилизируют карбоксилат-ион и увеличивают кислотные свойства.
В гомологическом ряду предельных монокарбоновых кислот с увеличением числа атомов углерода в составе кислоты кислотные свойства понижаются. Самая сильная кислота - муравьиная.
Карбоновые кислоты образуют соли при взаимодействии с активными металлами, оксидами металлов, основаниями, солями. Например, СН3-СООН + Nа2СО3 СН3-СООNа + СО2 + Н2О
Соли низших карбоновых кислот хорошо растворимы в воде, высших - растворимы только натриевые и калиевые соли. Соли карбоновых кислот и щелочных металлов подвергаются гидролизу и их водные растворы имеют щелочную среду:
R-COO- Na+ + HOH R-COOH + NaOH
Соли карбоновых кислот используют для получения производных карбоновых кислот, углеводородов, поверхностно-активных веществ.
Огромное значение в народном хозяйстве имеют натриевые и калиевые соли высших жирных кислот - мыла. Обычное твердое мыло представляет собой смесь натриевых солей различных кислот, главным образом пальмитиновой и стеариновой: С15Н31СООNa (пальмитат натрия) и С17Н35СООNa (стеарат натрия). Калиевые мыла - жидкие.
Мыло в глубокой древности получали из жира и буковой золы. В эпоху Возраждения вернулись к забытому ремеслу, рецепты держали в секрете. Сейчас получают мыла главным образом исходя из растительных и животных жиров.
Мыла являются поверхностно-активными веществами (ПАВ), химическим гибридом, состоящим из гидрофильного (карбоксилат-ион) и гидрофобного (страх, боязнь) конца (углеводородный радикал). Мыла резко снижают поверхностное натяжение воды, вызывают смачивание частиц или поверхностей, обладающих водоотталкивающим действием, способствуют образованию устойчивой пены.
В жесткой воде моющая способность мыла резко снижается, растворимые натриевые или калиевые соли высших жирных кислот вступают в обменную реакцию с имеющимися в жесткой воде растворимыми кислыми карбонатами щелочноземельных металлов, главным образом кальция:
2C15H31COONa + Ca(HCO3)2 (C15H31COO)2Ca + 2NaHCO3
Получающиеся при этом нерастворимые кальциевые соли высших жирных кислот образуют осадки.
Огромные количества мыла применяют в быту для гигиенических целей, для стирки и т.д., а также в различных отраслях промышленности, особенно для мытья шерсти, тканей и других текстильных материалов.
б) нуклеофильное замещение - SN (образование функциональных производных карбоновых кислот)
Основной тип реакций карбоновых кислот - нуклеофильное замещение у sр2-гибридизованного атома углерода карбоксильной группы, в результате которого гидроксильная группа замещается на другой нуклеофил. Вследствие р,
·-сопряжения в карбоксильной группе подвижность гидроксильной группы по сравнению со спиртами значительно меньше, поэтому реакции нуклеофильного замещения проводят в присутствии катализатора - минеральной кислоты или щелочи.
Реакции сопровождаются образованием функциональных производных карбоновых кислот - галогенангидридов (1), ангидридов (2), сложных эфиров (3), амидов (4):

в) декарбоксилирование
Декарбоксилирование - это удаление карбоксильной группы в виде СО2. В зависимости от условий реакции образуются соединения разных классов. Электроноакцепторые группы в составе радикала при карбоксильной группе облегчают протекание реакций этого типа.
Примеры реакций декарбоксилирования:
1) термический распад натриевых или калиевых солей в присутствии натронной извести
R-COONa + NaOH R-Н + Na2СО3
2) термический распад кальциевых или бариевых солей
R-COO-Са-ООС-R R-СО-R + СаСО3
3) электролиз натриевых или калиевых солей (синтез Кольбе)
2R-COONa + 2НОН R-R + 2NaОН +2CO2 + Н2
г) замещение атомов водорода у
·-углеродного атома
Атом галогена в
·-галогензамещенных кислотах легко замещается под действием нуклеофильных реагентов. Поэтому
·-галогензамещенные кислоты являются исходными веществами в синтезе широкого круга замещенных кислот, в том числе
·-амино- и
·-гидроксикислот:


пропионовая к-та
·-хлорпропионовая к-та
В результате влияния атома галогена на карбоксильную группу галогенпроизводные кислоты (например, трихлоруксусная кислота) являются во много раз более сильными кислотами и приближаются в этом отношении к сильным неорганическим кислотам.
д) специфические свойства муравьиной кислоты
В составе муравьиной кислоты наряду с карбоксильной группой можно выделить карбонильную группу, поэтому муравьиная кислота проявляет свойства как карбоновых кислот, так и альдегидов:

1. окисление
НСООН + [O] СО2 + Н2О
окислители: Сu(ОН)2, [Ag(NH3)2]ОН (реакция «серебряного зеркала»)
2. дегидратация
НСООН + Н2SО4(конц.) СО + Н2О
Нахождение в природе и применение кислот:
а) муравьиная кислота - бесцветная жидкость с острым запахом, смешивается с водой. Впервые выделена в ХVII веке из красных муравьев перегонкой с водяным паром. В природе свободная муравьиная кислота встречается в выделениях муравьев, в соке крапивы, в поте животных. В промышленности муравьиную кислоту получают, пропуская оксид углерода через нагретую щелочь:
NaOH + CO H-COONa
H-COONa + H2SO4 H-COOH + NaHSO4
Применяют муравьиную кислоту при крашении тканей, в качестве восстановителя, в различных органических синтезах.
б) уксусная кислота
Безводная уксусная кислота (ледяная уксусная кислота) - бесцветная жидкость с характерным острым запахом и кислым вкусом, замерзает при температуре +160С, образуя кристаллическую массу, напоминающую лед. 70-80 % водный раствор кислоты называется уксусной эссенцией.
Она широко распространена в природе, содержится в выделениях животных, в растительных организмах, образуется в результате процессов брожения и гниения в кислом молоке, в сыре, при скисании вина, прогаркании масла и т.п. Используют в пищевой промышленности в качестве вкусовой приправы и консерванта, широко - в производстве искусственных волокон, растворителей, в получении лекарственных препаратов.
в) масляная кислота - бесцветная жидкость, растворы кислоты имеют неприятный запах старого сливочного масла и пота. Встречается в природе в виде сложных эфиров, эфиры глицерина и масляной кислоты входят в состав жиров и сливочного масла. Используют в органическом синтезе для получения ароматных сложных эфиров.
в) изовалериановая кислота - бесцветная жидкость с острым запахом, в разбавленных растворах имеет запах валерианы. Встречается в корнях валерианы, используют для получения лекарственных веществ и эссенций.
г) пальмитиновая, стеариновая кислоты
Это твердые вещества со слабыми запахами, плохо растворимые в воде. Широко распространены в природе, в виде сложных эфиров с глицерином входят в состав жиров. Используют для получения свечей, поверхностно-активных веществ.

Непредельные кислоты
Непредельные кислоты - карбоновые кислоты, содержащие в углеводородном радикале кратные связи (двойные или тройные). Наибольшее значение имеют непредельные моно- и дикарбоновые кислоты с двойными связями.
Номенклатура и изомерия.
Названия для непредельных кислот составляют по номенклатуре ИЮПАК, однако чаще всего применяют тривиальные названия:
СH2=CH-CОOH - 2-пропеновая или акриловая кислота
CH3-CH=CH-CОOH - 2-бутеновая или кротоновая кислота
СH2=C(СH3)-CОOH - 2-метилпропеновая или метакриловая кислота
CH2=CH-CH2-CОOH - 3-бутеновая или винилуксусная кислота
CH3-(СН2)7-CH=CH-(СН2 )7-CОOH - олеиновая кислота
СН3 -(СН2)4 -CH=CH-СН2 -CH=CH-(СН2 )7-CОOH - линолевая кислота
СН3-СН2-CH=CH-СН2-CH=CH-СН2-CH=CH-(СН2)7-CОOH- линоленовая кислота.
Структурная изомерия непредельных кислот обусловлена изомерией углеродного скелета (например, кротоновая и метакриловая кислоты) и изомерией положения двойной связи (например, кротоновая и винилуксусная кислоты).
Непредельным кислотам с двойной связью, так же как и этиленовым углеводородам, свойственна и геометрическая или цис-транс изомерия.
Химические свойства. По химическим свойствам непредельные кислоты аналогичны моно- и дикарбоновым кислотам, но имеют ряд отличительных особенностей, обусловленных наличием в молекуле кратных связей и карбоксильной группы и их взаимным влиянием.
Непредельные кислоты, особенно содержащие кратную связь в
·-положении к карбоксильной группе, являются более сильными кислотами, чем предельные. Так, непредельная акриловая кислота (К=5,6*10-5) в четыре раза сильнее пропионовой кислоты (К=1,34*10-5).
Непредельные кислоты вступают во все реакции по месту кратных связей, свойственные непредельным углеводородам.
а) Электрофильной присоединение:
1. галогенирование

·CH2=
·CH-COOH + Br2 СH2 Br- CHBr-COOH
пропеновая кислота
·,
·-дибромпропионовая к-та
Это качественная реакция на непредельные кислоты, по количеству израсходованного галогена (брома или иода) можно определить количество кратных связей.
2. гидрогалогенирование



·CH2
·+ =
·CH
·-COOH + Н
·+ - Br
·- СH2 Br-CH2-COOH
У
·,
·-непредельных кислот реакция присоединения протекает против правила Марковникова.
б) Гидрирование
В присутствии катализаторов (Pt, Ni) водород присоединяется по месту двойной связи и непредельные кислоты переходят в предельные:
CH2=CH-COOH + Н2 CH3-CH2-COOH
акриловая кислота пропионовая кислота
Процесс гидрирования (гидрогенизация) имеет большое практическое значение, особенно для превращения высших непредельных жирных кислот в предельные; на этом основано превращение жидких масел в твердые жиры.
в) Окисление
В условиях реакции Вагнера (см. «Алкены») непредельные кислоты окисляются до дигидроксикислот, при энергичном окислении - до карбоновых кислот.
Нахождение в природе и применение кислот:
а) акриловая CH2=CH-COOH и метакриловая CH2=C(СH3)-COOH кислоты - бесцветные жидкости с острыми запахами. Кислоты и их сложные (метиловые) эфиры легко полимеризуются, на этом основано их использование в промышленности полимерных материалов (органического стекла).
Нитрил акриловой кислоты - акрилонитрил CH2=CH-C
·N применяют в производстве синтетического каучука и высокомолекулярной смолы полиакрилонитрила (ПАН), из которой получают синтетическое волокно нитрон (или орлон) - один из видов искусственной шерсти.
б) высшие непредельные кислоты
-цис-олеиновая кислота в виде эфира с глицерином входит в состав почти всех жиров животного и растительного происхождения, особенно высоко содержание олеиновой кислоты в оливковом («прованском») масле - до 80 % , калиевые и натриевые соли олеиновой кислоты являются мылами;
-цис, цис-линолевая и цис, цис-линоленовая кислоты в виде эфира с глицерином входят в состав многих растительных масел, например в соевое, конопляное, льняное масло. Линолевая и линоленовая кислоты называются незаменимыми кислотами, поскольку не синтезируются в организме человека. Именно эти кислоты обладают наибольшей биологической активностью: они участвуют в переносе и обмене холестерина, синтезе простагландинов и других жизненно важных веществ, поддерживают структуру клеточных мембран, необходимы для работы зрительного аппарата и нервной системы, влияют на иммунитет. Отсутствие в пище этих кислот тормозит рост животных, угнетает их репродуктивную функцию, вызывает различные заболевания.
Сложные эфиры кислот используют в производстве лаков и красок (высыхающие масла).

Ароматические монокарбоновые кислоты
Кислоты являются бесцветными кристаллическими веществами, некоторые из них имеют слабый приятный запах. Для них характерна сопряженная (
·,
·) система:

Важнейшие представители:

бензойная кислота


фенилуксусная кислота

транс-коричная кислота

Ароматические кислоты являются более сильными кислотами, чем предельные кислоты (кроме муравьиной кислоты). Для кислот этого типа характерны все реакции насыщенных карбоновых кислот в карбоксильной группе и реакции электрофильного замещения в бензольном кольце (карбоксильная группа - заместитель 2 рода, м-ориентант).
Нахождение в природе и применение кислот:
Ароматические кислоты используют для получения красителей, душистых и лекарственных веществ; сложные эфиры кислот содержатся в эфирных маслах, смолах и бальзамах. Бензойная кислота и ее натриевая соль содержатся в плодах калины, рябины, бруснике, клюкве, придают им горьковатый вкус, обладают бактерицидными свойствами, широко используются в консервировании пищевых продуктов.
Амид о-сульфобензойной кислоты называют сахарином , он слаще сахара в 400 раз.

Производные карбоновых кислот.
Общая формула производных карбоновых кислот:

, где Х: - Hal, -ООС-R, -OR, -NH2.
Для производных карбоновых кислот наиболее характерны реакции нуклеофильного замещения (SN). Поскольку продукты этих реакций содержат ацильную группу R-С=О, реакции называют ацилированием, а карбоновые кислоты и их производные - ацилирующими реагентами.
В общем виде процесс ацилирования может быть представлен следующей схемой:
По ацилирующей способности производные карбоновых кислот располагаются в следующий ряд:

соли < амиды < сложные эфиры <ангидриды <галогенангидриды
В этом ряду предыдущие члены могут быть получены из последующих ацилированием соответствующего нуклеофила (например, спирта, аммиака и т.д.). Все функциональные производные могут быть получены непосредственно из кислот и превращаются в них при гидролизе.
Амиды, в отличии от других производных карбоновых кислот, образуют межмолекулярные водородные связи и являются твердыми веществами (амид муравьиной кислоты HCONH2 - жидкость).
Сложные эфиры

Методы получения. Основной способ получения сложных эфиров - реакции нуклеофильного замещения:
а) реакция этерификации R-СООН + RО-Н R-СО-ОR + Н2 О
Реакцию проводят в присутствии катализатора - минеральной кислоты. Реакции этерификации обратимы. Для смешения равновесия в сторону образования сложного эфира используют избыток одного из реагентов или удаление продуктов из сферы реакции.
б) ацилирование спиртов галогенангидридами и ангидридами


в) из солей карбоновых кислот и алкилгалогенидов
R-COONa + RCl RCOOR + NaCl Номенклатура. По номенклатуре ИЮПАК название сложных эфиров составляют следующим образом:
СН3 -СН2 -СН2 -СО-ОСН3
углеводород радикал
радикал+углеводород+оат - метилбутаноат.
Если указывают тривиальные названия ацильных остатков , то название данного эфира - метилбутират. Эфиры можно называть по радикально-функциональной номенклатуре - метиловый эфир масляной кислоты.
Физические свойства. Сложные эфиры представляют собой бесцветные жидкости, нерастворимые в воде и обладающие по сравнению с исходными кислотами и спиртами низкими температурами кипения и плавления, что обусловлено отсутствием в эфирах межмолекулярных водородных связей. Многие сложные эфиры обладают приятным запахом, часто запахом ягод или фруктов (фруктовые эссенции).
Химические свойства. Для сложных эфиров наиболее характерны реакции нуклеофильного замещения (SN), протекающие в присутствии кислотного или основного катализатора. Важнейшими SN-реакциями являются гидролиз, аммонолиз и переэтерификация.
Кислотный гидролиз сложных эфиров - реакция обратимая, щелочной гидролиз протекает необратимо.
RCOOR + Н2О(Н+) RCOOН + ROH
RCOOR + NaOH RCOO- Na+ + ROH

Жиры
Жиры (триглицериды) - сложные эфиры, образованные глицерином и высшими предельными и непредельными кислотами.
Из жиров выделено несколько десятков разнообразных предельных и непредельных кислот; почти все они содержат неразветвленные цепи углеродных атомов, число которых, как правило, четное и колеблется от 4 до 26. Однако именно высшие кислоты, преимущественно с 16 и 18 углеродными атомами - главная составная часть всех жиров. Из предельных высших жирных кислот наиболее важны пальмитиновая С15Н31СООН и стеариновая С17Н35СООН, из непредельных - олеиновая С17Н33СООН (с одной двойной связью), линолевая С17Н31СООН (с двумя двойными связями) и линоленовая С17Н29СООН (с тремя двойными связями). Непредельные кислоты, содержащие в радикале фрагмент (-СН2-СН=СН-), называются незаменимыми.
Простые триглицериды содержат остатки одинаковых, смешанные - разных жирных кислот. Названия составляют на основе названий ацильных остатков, входящих в их состав жирных кислот:





трипальмитин диолеостеарин
Значение жиров исключительно велико. Прежде всего они - важнейшая составная часть пищи человека и животных наряду с углеводами и белковыми веществами. Наибольшей пищевой ценностью обладают растительные масла, которые наряду с незаменимыми жирными кислотами содержат необходимые для организма фосфолипиды, витамины, полезные фитостерины (предшественники витамина D). Суточная потребность взрослого человека в жирах 80-100г.
Жиры практически не растворимы в воде, но хорошо растворимы в спирте, эфире и других органических растворителях. Температура плавления жиров зависит от того, какие кислоты входят в их состав. Жиры, содержащие преимущественно остатки предельных кислот (животные жиры - говяжье, баранье или свиное сало), имеют наиболее высокие Тпл. и представляют собой твердые или мазеобразные вещества. Жиры, содержащие преимущественно остатки непредельных кислот (растительные масла - подсолнечное, оливковое, льняное и т.д.), жидкости с более низкими температурами плавления.
Химические свойства триглицеридов определяются наличием сложноэфирной связи и ненасыщенностью:
а) гидрогенизация (гидрирование) жиров
Присоединение водорода по месту двойных связей в остатках кислот ведут в присутствии катализатора - мелкораздробленного металлического никеля при 160-2400С и давлении до 3 атм. При этом жидкие жиры и масла превращаются в твердые насыщенные жиры - саломас, который широко применяют в производстве маргарина, мыла, глицерина.
б) гидролиз жиров
При щелочном гидролизе (омылении) жиров образуются соли жирных кислот (мыла) и глицерин, при кислотном - жирные кислоты и глицерин.
в) присоединение и окисление
Трилглицериды, содержащие остатки ненасыщенных жирных кислот, вступают в реакции присоединения по двойной связи (бромирование, иодирование) и окисления перманганатом калия. Обе реакции позволяют определить степень ненасыщенности жиров.
Все жиры являются горючими веществами. При их горении выделяется большое количество тепла: 1г жира при горении дает 9300кал.
Знаетели вы, что
-В 1906году русским ученым С.А. Фокиным разработан, а в 1909г. им же осуществлен в промышленном масштабе метод гидрогенизации (отверждение) жиров.
-Маргарин ( с греч. - «жемчуг») получен в 1869 году. Различные его сорта получают, смешивая саломас с молоком, а в некоторых случаях - с яичным желтком. Получается продукт, по внешнему виду напоминающий сливочное масло, приятный запах маргарина достигается введением в его состав специальных ароматизаторов – сложных композиций различных веществ, непременной составной частью которых является диацетил (бутандион) - жидкость желтого цвета, содержится в коровьем масле.
-Однако встречаются и животные жиры, содержащие значительное количество непредельных кислот и представляющие собой жидкие вещества (ворвань, тресковый жир или рыбий жир).
-Растительные жиры- масла добывают из семян и мякоти плодов различных растений. Они отличаются высоким содержанием олеиновой и других непредельных кислот и содержат лишь незначительное количество стеариновой и пальмитиновой кислот (подсолнечное, оливковое, хлопковое, льняное и др. масла). Лишь в некоторых растительных жирах преобладают предельные кислоты, и они являются твердыми веществами (кокосовое масло, масло какао и др.).
-Сложные эфиры фруктовых эссенций обладают приятным запахом фруктов, цветов, например изоамилацетат - запахом груш, амилформиат - вишен, этилформиат - рома, изоамилбутират - ананасов и т.д. Их применяют в кондитерском производстве, при изготовлении безалкогольных напитков, в парфюмерии.
-Из полиметилметакрилата готовят исключительно ценный синтетический материал - органическое стекло (плексиглас). Последнее превосходит силикатное стекло по прозрачности и по способности пропускать УФ-лучи. Его используют в машино- и приборостроении, при изготовлении различных бытовых и санитарных предметов, посуды, украшений, часовых стекол. Благодаря физиологической индифферентности полиметилметакрилат нашел применение для изготовления зубных протезов и т.п.
-Винилацетат - эфир винилового спирта и уксусной кислоты. Его получают, например, при пропускании смеси паров уксусной кислоты и ацетилена над ацетатами кадмия и цинка при 180-220оС:
СН3-СООН + СН
·СН СН3-СО-О-СН=СН2
Винилацетат – бесцветная жидкость, легко полимеризуется, образуя синтетический полимер - поливинилацетат (ПВА), применяется для изготовления лаков, клеев, искусственной кожи.

Дикарбоновые кислоты
Дикарбоновые кислоты содержат две карбоксильные группы. Наиболее известными являются кислоты линейного строения, содержащие от 2 до 6 атомов углерода:
НООС-СООН - этандиовая (номенклатура ИЮПАК) или щавелевая кислота (тривиальная номенклатура)
НООС-СН2 -СООН - пропандиовая или малоновая кислота
НООС-СН2-СН2-СООН - бутандиовая или янтарная кислота
НООС-СН2-СН2-СН2-СООН - пентандиовая или глутаровая кислота
НООС-СН2-СН2-СН2-СООН - адипиноавя кислота
Физические свойства. Двухосновные кислоты - кристаллические вещества с высокими температурами плавления, причем у кислот с четным числом атомов углерода она выше; низшие кислоты растворимы в воде.
Химические свойства. По химическим свойствам двухосновные кислоты аналогичны монокарбоновым кислотам, но имеют ряд отличительных особенностей, обусловленных наличием в молекулах двух карбоксильных групп и их взаимным влиянием.
Дикарбоновые кислоты более сильные кислоты, чем монокарбоновые кислоты с тем же числом атомов углерода: Кион. щавелевой кислоты (Н2С2О4) - 5,9 10-2 , 6,410-5, уксусной кислоты - 1,76 10-5 . По мере увеличения расстояния между карбоксильными группами кислотные свойства дикарбоновых кислот уменьшаются. Дикарбоновые кислоты могут образовывать два ряда солей - кислые, например НООС-СООNa и средние - NaООС-СООNa.
Дикарбоновые кислоты имеют ряд специфических свойств, которые определяются наличием в молекуле двух карбоксильных групп. Например, отношение дикарбоновых кислот к нагреванию.
Превращения дикарбоновых кислот при нагревании зависят от числа атомов углерода в их составе и определяются возможностью образования термодинамически стабильных пяти- и шестичленных циклов.
При нагревании щавелевой и малоновой кислот происходит декарбоксилирование с образованием монокарбоновых кислот:
НООС-СООН НСООН + СО2 и далее НСООН СО + Н2 О
НООС-СН2 -СООН СН3-СООН + СО2
Янтарная, глутаровая кислоты при нагревании легко отщепляют воду с образованием пяти- и шестичленных циклических ангидридов:


Адипиновая кислота при нагревании декарбоксилирует с образованием циклического кетона - циклопентанона:


Дикарбоновые кислоты взаимодействуют с диаминами и диолами с образованием соответственно полиамидов и полиэфиров, которые используются в производстве синтетических волокон.
Наряду с насыщенными дикарбоновыми кислотами известны непредельные, ароматические дикарбоновые кислоты.
Нахождение в природе и применение кислот:
Щавелевая кислота широко распространена в растительном мире. В виде солей содержится в листьях щавеля, ревеня, кислицы. В организме человека образует труднорастворимые соли (оксалаты), например оксалат кальция, которые отлагаются в виде камней в почках и мочевом пузыре. Применяют как отбеливающее средство: удаление ржавчины, красок, лака, чернил; в органическом синтезе.
Малоновая кислота (сложные эфиры и соли - малоноаты) содержится в некоторых растениях, например сахарной свекле. Широко используется в органическом синтезе для получения карбоновых кислот.
Янтарная кислота (соли и сложные эфиры называются сукцинатами) участвует в обменных процессах, протекающих в организме. Является промежуточным соединением в цикле трикарбоновых кислот. В 1556 году немецким алхимиком Агриколой впервые выделена из продуктов сухой перегонки янтаря. Кислота и ее ангидрид широко используются в органическом синтезе.
Фумаровая кислота (НООС-СН=СН-СООН - транс-бутендиовая кислота), в отличие от цис-малеиновой, широко распространена в природе, содержится во многих растениях, много - в грибах, участвует в процессе обмена веществ, в частности в цикле трикарбоновых кислот.
Малеиновая кислота(цис-бутендиовая кислоты) в природе не встречается. Кислота и ее ангидрид широко используются в органическом синтезе.

Орто-фталевая кислота, широкое применение имеют производные кислоты - фталевый ангидрид, сложные эфиры - фталаты (репелленты).



Терефталевая кислота- крупнотоннажный промышленный продукт, применяют для получения целого ряда полимеров - например, волокно лавсан, полиэтилентерефталат (ПЭТФ), из которого изготавливают пластиковые посуду, бутыли и т.д.


ЛЕКЦИЯ № 13.

ГЕТЕРОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
План
1. Номенклатура, изомерия, строение, свойства гидроксикислот.
2. Номенклатура, изомерия, строение, свойства оксокислот.

Гетерофункциональные соединения - производные углеводородов, содержащие различные функциональные группы, причем природа этих групп и их количество могут быть разными.
Некоторые биологически важные гетерофункциональные органические соединения - метаболиты, биорегуляторы, структурные элементы биополимеров, лекарственные средства. Наиболее распространенными гетерофункциональными соединениями являются гидрокси-, оксо- и аминокислоты.
1. Гидроксикислоты
Гидроксикислоты - гетерофункциональные соединения, содержащие карбоксильную и гидроксильную группы. Эти соединения могут быть алифатическими или ароматическими. По взаимному расположению функциональных групп различают
·-, Я-,
·-,
· - и т.д. гидроксикислоты. Названия гидроксикислот составляют по общим правилам номенклатуры ИЮПАК (см. «Номенклатура» ) Однако для многих кислот широко используют тривиальные названия:

2-гидроксиэтановая кислота 2-гидроксипропановая кислота
гидроксиуксусная кислота
·-гидроксипропионовая кислота
гликолевая кислота молочная кислота

3- гидроксипропановая кислота

·- гидроксипропионовая кислота

В природе широко распространены полигидроксикарбоновые кислоты (содержат несколько гидроксильных групп) и гидроксиполикарбоновые кислоты (содержат несколько карбоксильных групп):
НООС-СН2-СН(ОН)-СООН 2-гидроксибутандиовая, 2-гидроксиянтарная кислота, яблочная кислота
НООС-СН(ОН)-СН(ОН)-СООН 2,3-дигидроксибутандиовая, винная кислота
НООС-СН2- С(ОН))(СООН)-СН2-СООН 3-гидрокси-3-карбоксипентандиовая кислота, лимонная кислота.
Получение:
а) из природного сырья;
б) щелочной гидролиз галогензамещенных кислот (см. «Галогенпроизводные углеводородов»);
в) циангидриный синтез

г) взаимодействие аминокислот с азотистой кислотой

д) присоединение воды к непредельным кислотам

Изомерия. Структурная изомерия гидроксикарбоновых кислот обусловлена изомерией углеродного скелета и изомерией положения гидроксильной группы (например,
·-гидроксипропионовая и
·- гидроксипропионовая кислоты). Молекулы всех
·-гидроксикарбоновых кислот, кроме гликолевой кислоты, содержат асимметрический атом углерода (хиральный центр) и, следовательно, могут существовать в виде пары энантиомеров:

Некоторые кислоты содержат два асимметрических атома углерода (хлоряблочная, винная кислоты) и, следовательно, могут существовать в виде как энантиомеров, так и диастереомеров (см. «Изомерия»).
Химические свойства.
Гидроксикислоты дают реакции, характерные для карбоксильной и гидроксильной групп, при этом могут участвовать как одна, так и обе функции.
1. Кислотность. Благодаря -I- эффекту гидроксильной группы гидроксикислоты по силе превосходят обычные карбоновые кислоты. По мере удаления ОН-группы от карбоксильной ее влияние на кислотные свойства уменьшается.
2. По карбоксильной группе гидроксикислоты образуют соли (соли и эфиры молочной кислоты называются лактатами, винной - тартратами, лимонной - цитратами, яблочной - малатами), сложные эфиры, галогенангидриды; по ОН-группе гидроксикислоты образуют галогензамещенные кислоты (SN-замещение), сложные эфиры (SN-замещение), оксокислоты (окисление).
3. Специфические свойства
Свойства обусловлены присутствием обеих групп и их взаимным расположением.
а) Отношение гидроксикислот к нагреванию.

·-гидроксикарбоновые кислоты при нагревании образуют продукты межмолекулярной дегидратации - циклические сложные эфиры, называемые лактидами:


Я-гидроксикислоты при нагревании переходят в
·,Я-непредельные кислоты:


·,
·-гидроксиокислоты претерпевают внутримолекулярное ацилирование с образованием циклических сложных эфиров - лактонов:


·-гидроксимасляная кислота
·-бутиролактон
б) Образование комплексных соединений.

·-гидроксикислоты образуют окрашенные хелатные комплексы с ионами переходных металлов (Cu2+ , Fe3+ и др.):



в) Отношение к серной кислоте.
В присутствии концентрированной серной кислоты
·-гидроксикислоты разлагаются с образованием муравьиной кислоты и соответствующего карбонильного соединения - альдегида или кетона:

Нахождение в природе и применение кислот:
-Гликолиевая кислота содержится во многих растениях, например, свекле и винограде.
-Молочная кислота широко распространена в природе, является продуктом молочнокислого брожения углеводов, при этом образуется рацемическая D,L-молочная кислота. В мышцах человека при интенсивной работе образуется и накапливается L(+)-молочная (мясо-молочная) кислота - продукт расщепления и дальнейшего превращения полисахарида гликогена.
-Яблочная кислота содержится в незрелых яблоках, рябине, фруктовых соках. Является ключевым соединением в цикле трикарбоновых кислот. В организме образуется путем гидратации фумаровой кислоты и далее окисляется до щавелевоуксусной кислоты.
-Лимонная кислота содержится в плодах цитрусовых, винограде, крыжовнике, листьях табака. Является ключевым соединением в цикле трикарбоновых кислот.
-Винная кислота имеет 3 стереоизомера: D-винную кислоту, L-винную кислоту и оптически неактивную мезовинную кислоту (см. «Изомерия»). D-винная кислота содержится во многих растениях, например в винограде и рябине.
-Сорбиновая кислота (2,4-гексадиеновая) кислота СН3–СН=СН–СН=СН-СООН была получена из ягод рябины (на латыни – sorbus). Эта кислота - прекрасный консервант, поэтому ягоды рябины не плесневеют.
-Салициловая кислота - ароматическая гидроксикарбоновая кислота (фенолкарбоновая кислота), широко распространена в природе


.
Салициловая кислота и ее сложные эфиры (салол, аспирин) широко используются в медицине, кислота - консервант пищевых продуктов.

2. Оксокислоты
Оксокислоты - гетерофункциональные соединения, содержащие карбоксильную и карбонильную (альдегидную или кетонную) группы. В зависимости от взаимного расположения этих групп различают
· -, Я -,
·-,
· - и т.д. оксокарбоновые кислоты.
Для получения оксокислот применимы обычные методы введения карбоксильной и оксогрупп.
Химические свойства.
Оксокислоты проявляют свойства, характерные для карбоксильной и карбонильной групп. Причем оксокислоты - более сильные кислоты, чем гидроксикислоты, легко подвергаются декарбоксилированию с образованием карбонильных соединений:
CH3-CO-CH2-COOH CH3-CO-CH3 + CO2 .
Я-Оксокислоты и их эфиры обладают специфическими свойствами, которые связаны с их повышенной СН-кислотностью.
Я-оксокислоты существуют в виде двух таутомерных форм: кетонной и енольной, причем содержание енольной формы в равновесной смеси значительное (кето-енольная таутомерия). Енольные формы дополнительно стабилизируются за счет образования внутримолекулярной водородной связи. Например, кето-енольные формы ацетоуксусного эфира:


92,5% кетоформа 7,5% енольная форма

и щавелевоуксусной кислоты:



ЛЕКЦИЯ № 14.

УГЛЕВОДЫ
План
1. Классификация углеводов.
2. Моносахариды. Состав, свойства.
3. Дисахариды. Состав, свойства.
4. Полисахариды. Состав, свойства.

Углеводами называются соединения с общей формулой Сn (Н2О) m, где n
· 4. Углеводы широко распространены в животном и растительном мире, они играют важную роль во многих жизненных процессах. До 80% сухого вещества растений приходится на углеводы, до 2% сухого вещества - в животных организмах.
В растениях углеводы образуются в результате фотосинтеза в зеленом листе:
h
·
6СО2 + 6Н2О С6Н12О6 + 6О2
хлорофилл
Организм животных и человека неспособен синтезировать углеводы, поэтому удовлетворяет потребность в них с различными пищевыми продуктами растительного происхождения (в сутки взрослому человеку необходимо 400-500г углеводов).
Углеводы делятся на два вида: простые или моносахариды, монозы (не подвергаются гидролизу) и сложные - ди-, олиго- и полисахариды (способны гидролизоваться до моносахаридов).
Моносахариды являются гетерофункциональными соединениями, в молекулах которых содержатся карбонильная группа (альдозы и кетозы) и несколько гидроксильных групп. По числу атомов углерода в составе моноз выделяют триозы (3 атома углерода), тетрозы, пентозы, гексозы. Например, альдопентоза или кетопентоза, альдогексоза или кетогексоза.
В основу наименований моносахаридов в большинстве случаев положены тривиальные названия, которые имеют окончание - оза.
Для углеводов характерны особенности в строении, следовательно, и в свойствах.
В молекуле моносахарида имеется несколько асимметрических атомов углерода, поэтому для них характерна оптическая изомерия - наличие антиподов, диастереоизомеров, которые можно представить в виде проекций Фишера. Общее число стереоизомеров (N) определяют по формуле: N= 2n, где n - число асимметрических атомов углерода.
Принадлежность моносахаридов к D- или L-ряду определяется по расположению ОН-группы у последнего асимметрического атома углерода. Если эта группа расположена справа относительно углеродного скелета, что соответствует стандарту - D-глицериновому альдегиду (см. «Изомерия»), то моносахариды относятся к D-ряду, если слева - к L- ряду:
13 EMBED 1415

D-фруктоза L-фруктоза
Природные монозы, за редким исключением, являются представителями D-ряда.
Эпимеры - оптические изомеры (диастереомеры), отличающиеся положением гидроксильной группы у одного асимметрического атома углерода:








эпимер D-фруктозы - D-псикоза эпимер L-фруктозы - L-псикоза

Углеводам присуще явление таутомерии - подвижного равновесия открытой
·оксикарбонильной
· и циклической
·полуацетальной
·форм.
В циклической форме атом углерода с полуацетальным гидроксилом становится асимметрическим и поэтому его пространственное строение дает два изомера -
·- и
·-формы.
Образование циклических форм происходит за счет присоединения спиртового гидроксила у 4-го или 5-го атома углерода к карбонильной группе углевода, при этом образующаяся пятичленная циклическая форма называется фуранозной, шестичленная - пиранозной. При углероде карбонильной группы появляется новый гидроксил (ОН) - гликозид или полуацетальный:

13 EMBED 1415
Я,D-рибофураноза
·,D-рибофураноза

·- и
· - формы являются диастереомерами (аномеры). У
·-формы гликозид и гидроксил у последнего асимметрического атома углерода расположены по одну сторону углеродной цепи, а у
·-формы - по разные стороны:

13 EMBED 1415

·, D-рибопираноза D-рибоза Я,D-рибопираноза
Название циклических форм углеводов составляют согласно схеме - корень углевода + название цикла (5-членный - фуран, 6-членный - пиран) + окончание -оза: рибофураноза и рибопираноза.
Переход аномеров из одной формы в другую (
· 13 EMBED 1415
·) называется мутаротацией. Поскольку моносахариды в растворах существуют в двух таутомерных формах, то в зависимости от реагентов и условий в реакцию вступает одна из форм. Открытая форма моносахаридов легко вступает в реакции по карбонильной группе (окисление, восстановление, нуклеофильное присоединение и т.д.) (см. «Альдегиды и кетоны»).
Циклическая форма моноз в реакциях проявляет свойства многоатомных спиртов (образование солей, простых и сложных эфиров, окисление, дегидратация) (см. «Многоатомные спирты»). При этом полуацетальный гидроксил наиболее активен и при взаимодействии со спиртами образует полуацетали, которые в классе углеводов называются гликозидами (природные гликозиды: солонин, амигдалин, сердечные гликозиды и т.д.).
Дисахариды (биозы) классифицируют на восстанавливающие и невосстанавливающие. Восстанавливающие дисахариды образуются за счет полуацетального гидроксила одной молекулы монозы и любого другого спиртового гидроксила (гликозид-гликозная связь) другой молекулы:
13 EMBED 1415

·,D-рибофураноза 3(
·,D-рибофуранозидо)
·,D-рибофураноза

13 EMBED 1415
3(
·,D-рибофуранозидо)
·,D-рибофураноза
В полученных дисахаридах остается один свободный полуацетальный гидроксил, за счет которого в водных растворах возможно существование таутомерных форм, т.е. восстанавливающие дисахариды в водном растворе мутаротируют.
Восстанавливающие дисахариды, как и моносахариды, легко вступают в реакции по карбонильной группе (окисление, восстановление, нуклеофильное присоединение и т.д.).
Невосстанавливающие дисахариды образуются в результате взаимодействия полуацетальных гидроксилов двух молекул моноз (гликозид-гликозидная связь):




·,D-рибофураноза 1(
·,Dрибофуранозидо)
·,D-рибофуранозид
В полученном дисахариде отсутствует полуацетальный гидроксил, поэтому углевод в водном растворе не образует таутомерных форм (не мутаротирует). Такие дисахариды проявляют свойства только многоатомных спиртов.
Полисахариды (полиозы) образуются из моносахаридов в циклической форме. Относятся они к невосстанавливающим углеводам и дают реакции только в циклической форме подобно многоатомным спиртам. Важнейшими полисахаридами являются крахмал, целлюлоза, гликоген, построенные из фрагментов D-глюкозы. В растениях встречаются и другие полисахариды, содержащие фрагменты D-галактозы, D-маннозы, D-фруктозы и т.д.
Крахмал - запасный углевод растений, накапливается в зернах и клубнях растений. Крахмал состоит из двух полисахаридов - амилозы и амилопектина. Амилоза - биополимер неразветвленного строения, построен из остатков
·,D-глюкозы. Амилопектин построен также из остатков
·,D-глюкозы, но имеет разветвленную макромолекулу (ответвление у шестого атома углерода остатка
·,D-глюкозы). Крахмал широко применяется в различных отраслях промышленности. Из него получают сироп и глюкозу, он является главной составной частью пищевых продуктов (хлеб, крупа, мука, картофель, кукуруза). Из крахмала в ферментативных процессах получают этиловый и бутиловый спирты, молочную и лимонную кислоты и др. Используют крахмал в текстильной промышленности и для получения клеев и красок.
Гликоген («животный крахмал») запасный полисахарид животных, накапливается в печени, мышцах, по строению сходен с амилопектином, но имеет более разветвленную структуру.
Целлюлоза - полисахарид, содержащийся в растениях (чистая целлюлоза - хлопок, вата, фильтровальная бумага) и состоящий из остатков
·,D-глюкозы. Используют целлюлозу для получения бумаги, фотопленок, цветных лаков, искусственных волокон (вискоза, ацетатный шелк и др.), взрывчатых веществ, спиртов и т.д.
Крахмал, гликоген расщепляются ферментами, например желудочно-кишечного тракта, целлюлоза - только бактериями (почвенные, желудочно-кишечного тракта, грибы и т.д.), которые гидролизуют и окисляют целлюлозу до углекислого газа, завершая таким образом круговорот органического углерода на Земле.

Знаете ли вы, что
-В 1844 году К. Шмидт назвал эти соединения углеводами (гидраты углерода).
-D(-)-фруктоза или левулоза (laevus - левый), плодовый сахар, содержится во фруктах, овощах, пчелином меде (до50%), входит в состав сахарозы. Фруктоза - самый сладкий углевод, в 2 раза слаще сахарозы, в 4 раза - глюкозы.
-D(+) глюкоза или декстроза (dexter - правый), виноградный сахар, содержится в ягодах, фруктах, является структурной единицей сахарозы, крахмала, целлюлозы, гликогена, в крови человека содержится около 0,1% глюкозы. Глюкоза широко используется в пищевой промышленности, медицине, является сырьем для получения глюконовой и аскорбиновой кислот, этилового спирта.
-Ксилоза (древесный сахар) входит в состав полисахаридов ксиланов, содержащихся в древесине, лузге подсолнуха, кукурузных кочерыжках, соломе.
-Рибоза и 2-дезоксирибоза (фуранозные формы) входят в состав нуклеиновых кислот - РНК и ДНК.
-L-сорбоза - кетогексоза, содержится в природных продуктах, является исходным веществом для синтеза L-аскорбиновой кислоты (витамина С), которая содержится во многих фруктах и овощах, необходима для жизнедеятельности организма человека и животных.
-Сахароза - тростниковый сахар, получали его в глубокой древности (300 лет до н.э.) в Индии. В Европу и страны Карибского моря сахар завезли в 16 веке.
-В 1747 году Андреас Сигизмунд Марграфф обнаружил кристаллы сахара в свекольном соке.
-В 1840 году во Франции сахар получили из свеклы (свекловичный сахар), который к концу 19 века вытеснил тростниковый. В России в 1902 году был построен первый сахарный завод, к 1914 году таких заводов было около 300.
-В 1953 году французским химиком Р. Лемье впервые в лабораторных условиях осуществлен синтез сахарозы.
-Лактоза (молочный сахар) построена из галактозы и глюкозы, обладает в 5 раз меньшей сладостью по сравнению с сахарозой, содержится в молоке.
-Содержание крахмала в зернах злаковых растений велико, например в зернах риса - до 86%, пшеницы - до75%, кукурузы - до 72%, в клубнях картофеля - до 24%.
-Содержание целлюлозы в древесине 40-50%, соломе - около 30%, большее количество - в волокнах хлопчатника, джута и конопли.
-Хитин - аминополисахарид, главный компонент внешнего скелета насекомых и ракообразных.
- Про восстановлении моноз образуются многоатомные спирты (из глюкозы - сорбит, ксилозы - ксилит) - заменители сахара.


ЛЕКЦИЯ № 15.

АМИНЫ
План
1. Классификация, номенклатура аминов.
2. Алифатические амины. Состав, строение, изомерия, свойства.
3. Ароматические амины.

Амины - производные аммиака, в молекуле которого атомы водорода замещены на углеводородные радикалы алифатического (R) или ароматического ряда (Ar).
В зависимости от числа углеводородных радикалов, связанных с атомом азота, различают первичные (-NH2), вторичные(-NH-) и третичные амины ( >N-). Алифатические амины: R-NH2, R1-NH-R2, R1-N(R)2.
Ароматические амины: Ar-NH2, Ar-NH-Ar, (Ar)3 N.
Жирноароматические амины: Ar-NH- R.
Номенклатура. Названия аминов образуются из названий углеводородных радикалов и слова амин:
CH3-NH2 CH3-NH-CH3 CH3-CH2-CH(NH2)-CH2-CH2-CH3
метиламин диметиламин 3-гексиламин (3-аминогексан)
Для некоторых ароматических аминов сохраняются тривиальные названия:

анилин п-толуидин бензиламин N-метиланилин
Изомерия. Для аминов характерна, в основном, структурная изомерия. Для алифатических аминов:
а) изомерия углеродного скелета (на примере С3Н9N)


пропиламин изопропиламин
б) метамерия

триметиламин
Для ароматических аминов - различное расположение радикалов и аминогруппы в бензольном кольце. Например,

п-метиланилин N-метиланилин бензиламин
п-толуидин
Нахождение в природе. Природные амины животного происхождения: адреналин, норадреналин, серотонин, гистамин, тирамин - участвуют в регуляции центральной нервной, пищеварительной, эндокринной, сердечно-сосудистой и других систем.
Амины растительного происхождения - алкалоиды, характеризующиеся высокой физиологической активностью.
Получение.
1. Алкилирование аммиака и аминов (реакция Гофмана). Алкилирующие агенты: галогенопроизводные углеводородов, спирты.

2. Восстановление азотсодержащих органических соединений. Нитросоединения, оксимы, нитрилы в присутствии катализаторов могут быть восстановлены до аминов.
R-NO2 + [H] R-NH2
3. Для получения алкиламинов разработано множество специальных методов, например расщепление амидов карбоновых кислот галогенами в щелочной среде (перегруппировка Гофмана):


4. Восстановление ароматических нитросоединений (реакция Зинина):

Строение. Атом азота в алкиламинах находится в sр3-гибридизации, ковалентная
·-С-N-связь образована перекрыванием sр3 (С) – sр3 ( N) - орбиталей, дипольный момент этой связи отличен от нуля. Аминогруппа в алкиламинах обладает электроноакцепторным характером по отношению к углеводородному радикалу (-I- эффект): R
·+ NН2
·-. Алкиламины образуют межмолекулярные водородные связи:

.
Пространственная форма аминов представляет собой искаженный тетраэдр.
В ароматических аминах атом азота находится в состоянии sр2- гибридизации, неподеленная электронная пара азота участвует в р,
· - сопряжении с бензольным кольцом 13 EMBED 1415 (-I,+М).
Таким образом, аминогруппа в ароматических аминах проявляет электронодонорные свойства, в результате этого электронная плотность на атоме азота понижается, в орто- и пара- положениях кольца электронная плотность увеличивается.
Физические свойства аминов. Ассоциация молекул первичных и вторичных алкиламинов обусловливает более высокие температуры кипения и плавления по сравнению с близкими по массе углеводородами. Однако по сравнению со спиртами амины имеют более низкие значения температур плавления и кипения, что связано с образованием аминами менее прочных водородных связей. Низкомолекулярные амины смешиваются с водой в любых соотношениях благодаря образованию водородных связей. Ароматические амины - это жидкие или твердые вещества с характерными запахами, плохо растворимые в воде. Химические свойства. Химическое поведение аминов определяется главным образом присутствием неподеленной электронной пары у атома азота.
а) Основные и кислотные свойства. Основные свойства аминов обусловлены наличием неподеленной электронной пары у атома азота аминогруппы и зависят от природы и числа радикалов в их составе. Увеличиваются основные свойства в следующем направлении:
ароматические амины < аммиак < алифатические амины.
Уменьшение основности ароматических аминов по сравнению с алифатическими (почти в миллион раз) связано со значительной делокализацией неподеленной электронной парой атома азота. При этом электронодонорные заместители кольца увеличивают основные свойства, электроноакцепторные - уменьшают. Так, пара-метиланилин более сильное основание по сравнению с пара-нитроанилином:

Амины как основания легко присоединяют протон с образованием солей:
СН3NH2 + HCl СН3NH3+ Cl -..
метиламин хлорид метиламмония

анилин хлорид фениламмония
Аммонийные соли неустойчивы, особенно в ароматическом ряду, и способны разлагаться в присутствии щелочей:
СН3NH3+ Cl - + NаОН СН3NH2 + NаCl.
Водные растворы алифатических аминов имеют щелочную реакцию:
СН3NH2 + HОН СН3NH3 ОН СН3NH3+ + ОН-
гидроксид метиламмония
Первичные и вторичные алифатические амины являются слабыми N-H кислотами (рКа=33-35). При взаимодействии с активными металлами образуют соли
·амиды
·:
RNH2 + Na RNH- Na+ + 1/2 H2
б) Нуклеофильные свойства. Нуклеофильные свойства амины проявляют в реакциях нуклеофильного замещения (SN) и нуклеофильного присоединения (АN).
1. Нуклеофильное замещение (SN):
Алкилирование аминов
Амины алкилируются спиртами, галогенпроизводными углеводородов:
С2Н5 ОН + СН3NН2 С2Н5-NН-СН3 + НОН
Ацилирование аминов
Амины ацилируются карбоновыми кислотами и их производными с образованием амидов карбоновых кислот:

В результате сопряжения неподеленной электронной пары атома азота с карбонильной группой (р,
·-сопряжение) основные и нуклеофильные свойства аминогруппы в амидах слабо выражены.
2. Нуклеофильное присоединение (АN):

в) Взаимодействие аминов с азотистой кислотой
Первичные, вторичные и третичные амины по-разному взаимодействуют с азотистой кислотой. Эта реакция может служить качественной реакцией для определения строения аминов. Неустойчивую азотистую кислоту генерируют действием сильной кислоты на нитриты.
Первичные алифатические амины реагируют с азотистой кислотой с выделением газообразного азота и образованием молекулы спирта:

Первичные ароматические амины при взаимодействии с азотистой кислотой образуют соли диазония (диазотирование):

Особенности реакции диазотирования: 1) температура реакционной среды 00 - +50; 2) реакция идет в кислой среде; 3) реагентом служит смесь нитритов натрия или калия и минеральной кислоты.
Соли диазония широко используют в органическом синтезе для получения различных классов ароматических соединений и азокрасителей, при этом превращения солей диазония могут протекать с выделением или без выделения азота.
Вторичные алифатические и ароматические амины образуют с азотистой кислотой N-нитрозоамины – жидкие или твердые вещества желтого цвета:
R2NH + NaNO2 + HCl R2N-N=O + NaCl + H2O
амин нитрозоамин
Третичные алифатические амины при обычной температуре с азотистой кислотой не взаимодействуют, ароматические амины образуют пара-нитрозопроизводные:

г) Электрофильное замещение в ароматических аминах
В ароматических аминах аминогруппа как заместитель 1 рода значительно облегчает электрофильную атаку ароматического кольца и направляет входящие группы в орто- и пара-положения.
Галогенирование. Бромирование и хлорирование ароматических аминов протекает очень легко. В случае анилина образуются тригалогенамины:

Сульфирование. Действием концентрированной серной кислотой на ароматические амины получают соли - гидросульфаты, которые при нагревании образуют сульфопроизводные ароматических аминов:

В случае анилина образуется сульфаниловая кислота, имеющая биполярную структуру. Огромный практический интерес представляют амиды этой кислоты (сульфаниламиды), многие из которых являются эффективными лекарственными препаратами (красный и белый стрептоцид, сульфадиметоксин, фталазол и другие).
Нитрование. Реакции нитрования проводят с предварительной защитой аминогруппы (например, ацилирование уксусным ангидридом), в противном случае происходит её окисление. После проведения реакции ацильную защиту снимают кислотным или щелочным гидролизом:

Алкилирование и ацилирование. Амины способны вступать в реакции алкилирования и ацилирования путем замещения атома водорода в аминогруппе на алкильный или ацильный остаток (см. «Получение аминов. Защита аминогруппы»).
Окисление. Характер окисления аминов зависит от природы радикала и аминогруппы, окислителя. Легко окисляются ароматические амины (особенно первичные), при этом образуется смесь продуктов, в том числе нитросоединения. Первичные алифатические амины могут быть окислены до нитросоединений. Горение алифатических аминов сопровождается образованием углекислого газа, азота, воды:
4СН3NH2 + 9О2 2N2 + 4СО2 +10Н2О.
Применение.
Ароматические амины - ингибиторы коррозии, сырье для получения антиоксидантов, полимеров, красителей, некоторые из ароматических аминов обладают ядовитыми и канцерогенными свойствами.
Алифатические амины используют в качестве растворителей, для получения инсектицидов, фунгицидов, синтетических волокон, разнообразных лекарственных соединений, служат сырьем для органического синтеза.
Знаете ли вы,что
-Анилин открывали много раз (1826г, 1834г.). В 1840 году Юлий Федорович Фрицше, нагревая природный краситель синего цвета индиго, выделил азотсодержащее соединение, которое назвал анилином (от араб. Anil синий).
-В 1842 г. Николай Николаевич Зинин при нагревании нитробензола с сульфидом аммония получил анилин. А.В. Гофман: «Если бы Зинин не сделал ничего более, кроме превращения нитробензола в анилин, то имя его и тогда осталось бы записанным золотыми буквами в истории химии».
-В 1843 г. Август Вильгельмович Гофман предложил окончательное название «анилин».
-В 1850-1858 гг. на основе анилина был синтезирован целый ряд уникальных красителей.
-В 1859г. впервые диазосоединение и краситель - анилиновый желтый получил студент П.Грисс.
-Из диаминов ароматического ряда и дикарбоновых кислот получают полимер «кевлар», из которого изготавливают уникальное суперволокно. Этот материал термостойкий, его плотность в четыре раза меньше, чем у стали, но при этом он в пять раз прочнее! Из него изготавливают канаты, защитные костюмы пожарных и автогонщиков, пуленепробиваемые жилеты, куртки фехтовальщиков.
-В 1935 году У. Карозерс впервые синтезировал волокно «найлон», в 1938 году в продаже появились первые изделия из этого волокна.
-В1934 году впервые обнаружены антибактериальные свойства сульфаниламидов (Ф. Митш, И. Кларер, Г. Домагк).
-Нитрозоамины, азокрасители являются сильными канцерогенами. Так, запрещены к применению в пищевых продуктах, косметических средствах, лекарственных препаратах красители масляный желтый, амарант.
ЛЕКЦИЯ № 16.

АМИНОКИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ
План
1. Классификация аминокислот.
2. Строение, номенклатура, свойства аминокислот.
3. Полипептиды.

Аминокислоты – гетерофункциональные соединения, содержащие одну или две карбоксильные и аминогруппы. По природе радикала различают алифатические и ароматические аминокислоты. По взаимному расположению функциональных групп выделяют
·-, Я-,
·- и т.д. аминокислоты. Наибольшее значение среди аминокислот имеют
·-аминокислоты, которые широко распространены в природе и, будучи составными частями белков, участвуют в процессах жизнедеятельности организмов. Из природных объектов выделено около 200 аминокислот, из белков - около двадцати, среди которых незаменимые аминокислоты: лизин, треонин, триптофан, метионин, фенилаланин, лейцин, изолейцин и валин.
Номенклатура. Названия алифатических аминокислот составляют по номенклатуре ИЮПАК, некоторые кислоты имеют тривиальные названия.



аминоэтановая 2-аминопропановая 3-аминопропановая
аминоуксусная
·-аминопропионовая Я-аминопропионовая
глицин аланин
Изомерия. Для аминокислот характерны сруктурная и оптическая изомерия.
Структурная изомерия: а) изомерия углеродного скелета; б) изомерия положения аминогруппы (например,
·- и Я-аминопропионовые кислоты).
Некоторые аминокислоты содержат асимметрический атом углерода и могут существовать в виде пары энантиомеров. Например,



·-аминокислота L-ряд D-ряд
S-конфиг. R-конфиг. S-конфиг. R-конфиг.
Большинство природных
·-аминокислот принадлежит к стерическому L-ряду (S-конфигурация). Аминокислоты D-ряда обнаружены в некоторых антибиотиках.
Получение.
а) Аминирование галогензамещенных карбоновых кислот, применяется для получения аминокислот любого типа:


б) Присоединение аммиака к
·, Я-непредельным карбоновым кислотам
(получения Я-аминокислот):


в) Образование и гидролиз аминонитрилов (получения
·-аминокислот):

г) Восстановительное аминирование оксокислот:






д) Из оксимов циклических кетонов перегруппировкой Бекмана:

Метод используется для синтеза
·-аминокислот.

е) Восстановление нитроароматических кислот:




Химические свойства.
Аминокислоты дают реакции, характерные для карбоксильной и аминогрупп, проявляют специфические свойства, обусловленные наличием двух функциональных групп и их взаимным расположением.
а) Кислотно-основные свойства
Молекулы аминокислот имеют две функциональные группы, противоположные по характеру, кислую карбоксильную группу и основную аминогруппу, являются амфотерными соединениями. В кристаллическом состоянии существуют в виде внутренних солей, т.е. биполярных ионов:


Для ароматических аминокислот образование биполярных ионов менее характерно из-за меньшей основности аминогруппы.
Аминокислоты - нелетучие кристаллические вещества с высокими температурами плавления. Они нерастворимы в неполярных органических растворителях и растворимы в воде. Их молекулы обладают большими дипольными моментами.
Поведение биполярного иона в водных растворах:
в кислой среде аминокислоты присоединяют протон и существуют преимущественно в виде катионов
Н3N+-R-COO- + H+ Н3N+-R-COOH,
в щелочной среде биполярный ион отдает протон и превращается в анион
Н3N+-R-COO- + OH- Н2N-R-COO- + HOH.
Значение рН, при котором молекула аминокислоты находится в растворе в виде биполярного иона, называется изоэлектрической точкой. Для
·-аминокислот рН ~ 6,1.
Диаминокарбоновые кислоты или аминодикарбоновые кислоты также образуют внутренние соли, но из-за присутствия второй амино- или карбоксильной группы сохраняют основную или кислую реакцию.
б) Реакции карбоксильной группы
Аминокислотам присущи характерные свойства карбоновых кислот - образование солей

,
сложных эфиров

,

образование галогенангидридов и ангидридов требует предварительной защиты аминогруппы, например ацилированием.
в) Реакции аминогруппы
Аминокислоты дают все реакции первичных аминов (см. «Амины») - взаимодействие с азотистой кислотой, алкилирование и ацилирование в щелочной среде.
г) Реакции с одновременным участием карбоксильной и аминогрупп:
1. образование пептидной связи

, полученное соединение называется дипептидом.
2. отношение к нагреванию
·-аминокислот (образование дикетопиперазинов):
,


·-аминокислот (образование непредельных кислот):

Н3N+-CH2-CHR-COO- CH2=CR-COOH + NH3,

·,
·,
·-аминокислот (образование циклических амидов - лактамов):

д) действие окислителей на
·-аминокислоты сопровождается образованием альдегидов:


Пептиды. Петиды - это полиамиды - продукты поликонденсации, построенные из
·-аминокислот. По числу аминокислотных остатков в молекуле пептида различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, называют олигопептидами, более 10 аминокислотных остатков - полипептидами. Природные полипептиды, включающие более 100 аминокислотных остатков, называют белками.
Название пептида строят на основе тривиальных названий входящих в его состав аминокислотных остатков, которые перечисляют, начиная со свободной аминогруппы. При этом в названиях всех аминокислот, за исключением последней, суффикс «ин» заменяют на суффикс «ил».
Белки наряду с нуклеиновыми кислотами играют важную роль в живой природе. Число белков велико, разнообразны и их функции. Существуют простые белки (протеины) и сложные белки (протеиды), содержащие и небелковую часть.
Различают несколько уровней организации белковых макромолекул: первичная, вторичная, третичная и четвертичная.
Первичная структура - это полипептидная цепь с определенной последовательностью аминокислотных остатков.
Вторичная структура - это определенная пространственная форма полипептидной цепи:
·-спираль и структура складчатого листа (
·- структура). Вторичная структура образована водородными связями
N-Н...О=С.
Третичная структура характеризует пространственное расположение
·-спирали или другой формы вторичной структуры.
Четвертичная структура характеризует ассоциацию нескольких полипептидных цепей.
Поскольку белки построены из молекул
·-аминокислот, то они по химическим свойствам им подобны. Белки обладают амфотерными свойствами. Существуют качественные реакции, определяющие особенности в строении молекулы белка. Для белков характерно явление осаждения: обратимое осаждение или высаливание и необратимое осаждение или денатурация.
Знаете ли вы,что
- В 1820 году французский химик Анри Браконно в результате длительного нагревания кожи, сухожилий получил первую аминокислоту, сладкую на вкус - гликоколл (глицин).
-В 1838 году голландский химик Г. Мульдер обнаружил в составе этого соединения азот.
-В 1843 году Э Хорсфорд установил формулу этого вещества.
-п-Аминобензойная кислота (ПАБК) способствует росту микроорганизмов, является витамином, обеспечивающим нормальный обмен веществ, её сложные эфиры - анестетики (анестезин, новокаин).
-
·-Аминомасляная кислота (ГАМК) - принимает участие в метаболических процессах в головном мозге и является нейромедиатором.
-Глутаминовая кислота и ее соли используют в качестве пищевых добавок, усиливающих вкус и аромат продуктов. Впервые эти соединения из сушенных водорослей выделил в 1909 году японский ученый К. Икеда.
-Глицин используется в качестве лекарственного средства, укрепляющего организм и стимулирующего работу головного мозга.
-Аспартам - дипептид, синтетический заменитель сахара, слаще которого в 300 раз. Добавляют в газированные напитки, жевательную резинку; вызывает некоторые заболевания, нарушает обмен веществ.
-В 1963 году из отдельных аминокислот осуществлен синтез природного белка - инсулина (гормон поджелудочной железы, регулирует в организме содержание глюкозы в крови).



ЛЕКЦИЯ № 17.

ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
План
1. Классификация.
2. Пятичленные гетероциклы.
3. Шестичленные азотсодержащие гетероциклы.

Гетероциклическими называют соединения, молекулы которых содержат циклы, включающие наряду с атомами углерода один или несколько гетероатомов. Гетероциклы – самый многочисленный класс органических соединений, на долю которого приходится около 2/3 всех известных природных и синтетических органических веществ. К гетероциклам относятся многие алкалоиды, витамины, природные пигменты. Они являются структурными фрагментами молекул нуклеиновых кислот и белков. Более 60% наиболее известных и широко употребляемых лекарственных препаратов являются гетероциклическими соединениями.
Классификация.
Гетероциклы классифицируют по следующим основным признакам:
а) по природе и числу гетероатомов;
б) по размеру цикла;
в) по степени ненасыщенности.
Наибольшее распространение в природе имеют пяти- и шестичленные гетероциклы, содержащие в качестве гетероатомов азот, кислород и серу.
По степени ненасыщенности различают насыщенные, ненасыщенные и ароматические гетероциклы. Гетероциклы неароматического характера по своим свойствам сходны с соответствующими ациклическими соединениями (аминами, амидами, простыми и сложными эфирами и т.д.). 5- и 6-членные гетероциклы, замкнутая сопряженная система которых включает (4n + 2) электронов, обладают ароматическим характером. Такие соединения по свойствам родственны бензолу и относятся к ароматическим гетероциклическим соединениям. Для них, как и для бензоидных систем, наиболее характерны реакции электрофильного замещения. Именно ароматические гетероциклические соединения широко распространены в природе.
Номенклатура. Присутствие гетероатома в цикле указывается специальными префиксами: О-оксо, S-тиа, N-аза. Согласно номенклатуре ИЮПАК величину цикла обозначают суффиксами: 5-членный - ол, 6-членный -ин. Для многих гетероциклических соединений сохраняются тривиальные названия.
Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом:


тиофен фуран пиррол (тиол) (оксол) (азол)
Положения 2,5 в названиях замещенных гетероциклов указывают буквой
·; 3,4 -
·.
Получение. а) Пиррол, фуран, тиофен и их производные получают синтетически, при переработке некоторых природных продуктов,например белков, углеводов, а также выделяют из каменноугольной смолы.
б) Взаимные каталитические превращения. Над катализатором Al2О3 при нагревании до 400-5000С возможны превращения (цикл Юрьева):



Реакцию открыл в 1936 году Ю.К. Юрьев.
Строение. Молекулы пиррола, фурана и тиофена плоские, содержат систему сопряженных связей и гетероатом с неподеленной электронной парой. Общее количество электронов в кольце равно 6 (4
·-электрона от двух двойных связей и 2р от гетероатома), что соответствует правилу Хюккеля. Таким образом, эти соединения имеют ароматические характер. Неподеленная электронная пара на гетероатоме действует как электронодонор, поэтому на углеродных атомах цикла электронная плотность увеличивается, а на гетероатоме - уменьшается. Делокализация электронов в гетероциклах по сравнению с бензолом меньше и уменьшается в следующем направлении: бензол > тиофен > пиррол > фуран.


Физические и химические свойства. Пиррол, фуран и тиофен - бесцветные жидкости с приятным запахом.
Общие химические свойства.
а) Реакции электрофильного замещения. Реакционная активность уменьшается в следующем направлении – пиррол > фуран > тиофен
· бензол. Реакции электрофильного замещения (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование и ацилирование - см. «Арены») осуществляются в положении 2 (
·), протекают в отсутствии ионов водорода Н+ и действия очень слабых электрофилов.
Нитрование:


б) Каталитическое гидрирование. Водород присоединяется в присутствии катализаторов (Ni,Pt,Pd) при нагревании, при этом образуются тетрагидропроизводные (тетрафуран, тетрапиррол, тетратиофен):



Природные соединения гетероциклов. Пиррол образует порфирины (содержат 4 молекулы пиррола), которые входят в состав природных соединений, например гема - небелковой части гемоглобина, хлорофилла, витамина В12. Группировка пиррола с бензолом (индол) содержится в триптофане, серотонине, некоторых алкалоидах (резерпин, лизергиновая кислота и т.д.).
Наиболее важные пятичленные гетероциклы с двумя атомами азота:





пиразол имидазол
Соединения проявляют амфотерные свойства.
Имидазол (1,3-диазол) входит в состав пуриновых оснований, из него получают лекарственные препараты - антипирин, амидопирин, анальгин и т.д.
Знаете ли вы, что
-Красное вещество крови гемоглобин . Переносящий кислород из легких в каждую клетку тела, является хромопротеидом, состоящим из белка глобина и окрашенной в красный цвет небелковой части гема. Гем является порфирином, содержащим Fe (III). Строение гемв выяснил и осуществил синтез Г.Фишер в 1927 году.
-Хлорофиллы в процессе фотсинтеза трансформируют световую энергию в химическую. Его структуру установили в 1913-1938 годах; полный синтез осуществлен Р.Вудвордом в 1956 году.
-Строение витамина В12 темно-красного кристаллического вещества, установлено Д.Кроуфтом в 1950 году, полный синтез витамина осуществлен Р.Вудвордом в 60-десятых годах 20 века. Это одно из выдающихся достижений органического синтеза.

Шестичленные азотсодержащие гетероциклы с одним и двумя гетероатомами:
Пиридин (азин) – 6-членный ароматический гетероцикл с одним атомом азота.

Ароматическая система пиридина включает 6
·-электронов и подобна ароматической системе бензола: каждый атом цикла подает в ароматический секстет один р-электрон. Неподеленная пара электронов азота в силу своей пространственной ориентации в сопряжении не участвует:

Атом азота действует как акцептор и понижает электронную плотность на атомах углерода цикла в положениях 2, 4, 6:


Химические свойства пиридина определяются наличием ароматической системы (электрофильное замещение в 3 и 5 положениях кольца, по активности в этих реакциях уступает бензолу) и основного атома азота (образует соли). Нуклеофильное замещение протекает в положениях 2,4 или 6. Пиридин и метилпиридины (пиколины) бесцветные жидкости с неприятным запахом, получают из каменноугольной смолы и широко используют в органическом синтезе. При окислении алколоида никотина впервые была получена никотиновая кислота (3-карбоксипиридин), являющаяся провиамином, а её амид витамином РР. Недостаток этого витамина вызывает заболевание кожи, называемое пеллагрой.
Пиримидин (1,3-диазин) – 6-членный ароматический гетероцикл с двумя атомами азота:

Ароматическая система пиримидина подобна ароматической системе пиридина.
Важную биологическую роль играют гидрокси- и аминопроизводные пиримидина: урацил, тимин и цитозин – нуклеиновые основания; входят в состав нуклеозидов, нуклеотидов, нуклеиновых кислот. Существуют в таутомерных оксо- и гидроксиформах:



Пурин – ароматическое гетероциклическое соединение, содержащее конденсированные пиримидиновый и имидазольный циклы:

Пурин, подобно имидазолу, существует в виде двух таутомерных форм. Более стабильной является форма с атомом водорода в положении 7:

Гидрокси- и аминопроизводные пурина: аденин и гуанин - нуклеиновые основания; входят в состав нуклеозидов, нуклеотидов, в том числе нуклеотидных коферментов, нуклеиновых кислот.

Для аденина известны две таутомерные формы, являющиеся результатом миграции протона между атомами азота имидазольного цикла. У гуанина существуют таутомерные гидрокси- и оксоформы:

Стабильными таутомерными формами гуанина являются оксо-формы.
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) – биополимеры, которые содержатся в клетках любого живого организма и выполняют важнейшие функции по хранению и передаче генетической информации, участвуют в механизмах ее реализации в процессе синтеза клеточных белков.
В результате последовательного гидролитического расщепления ДНК и РНК можно выделить следующие структурные компоненты: полинуклеотиды нуклеотиды (рибоза или 2-дезоксирибоза + азотистое основание + фосфорная кислота) нуклеозиды (азотистое основание + углевод) азотистое основание.




·,D-рибофураноза 2-дезокси-
·,D-рибофураноза


Знаете ли вы, что
-Никотин бесцветное масло с запахом табака, является главным алкалоидом табака. Впервые в чистом виде получен в 1828 г., структура определена в 1893 г., а синтез в 1904 г. Никотин сильнейший яд, летальная доза для человека 40 мг. В малых дозах никотин повышает кровяное давление, возбуждает центральную нервную сисему, в больших дозах вызывает паралич нервной системы.



Библиографический список
1. Иванов, В.Г. Органическая химия: учеб. пособие для вузов / В.Г. Иванов, В.А. Горленко. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. -624с.
2. Грандберг, И.И. Органическая химия: учеб. для вузов / И.И. Грандберг. - М.: Дрофа, 2002. -672с.
3. Артеменко, А.И. Органическая химия: учеб. для вузов / А.И. Артеменко. - М.: Высшая школа, 2009. -420с.
4. Денисов, В.Я. Органическая химия: учеб. для вузов / В.Я.Денисов, Д.Л. Мурышкин, Т.В. Чуйкова. – М.: Высшая школа, 2009. -544с.
5. Петров, А.А. Органическая химия: учеб. для вузов / А.А. Петров. -С-Пб.: Иван Федоров, 2002. -400с.
6. Ким, А.М. Органическая химия. Учеб. пособие для вузов / А.М. Ким.- Новосибирск: Сиб. унив. изд-во,
2004. -842 с.
7. Травень, В.Ф. Органическая химия: учеб. для вузов. в 2 ч. / В.Ф.Травень. - М.: Академкнига, 2005. Т. 1. 727 с., Т. 2. -582 с.
8. Хаускрофт, К. Современный курс общей химии: учеб. для вузов в 2 т. / К.Хаускрофт, Э. Констебл. - М.: Мир, 2002. Т. 1. -539 с., Т. 2. -528с.
9. Несмеянов, А.Н.Начало органической химии: учеб. для вузов / А.Н.Несмеянов, Н.А.Несмеянов. - М.: Химия, 1974. Т.1.-623с., Т.2. -744с.
10. Днепровский, А.С. Теоретические основы органической химии: учеб. для вузов / А.С. Днепровский, Т.И. Темникова. – Л.: Химия, 1991. -560с.
11. Робертс, Дж. Органическая химия: учебник для вузов / Дж. Робертс, М. Касерио. – М.:Мир, 1978. Т.1. -842с., Т.2. -888с.
12. Степаненко, Б.Н. Курс органической химии: учеб. для вузов / Б.Н. Степаненко. – М.: Высшая школа, 1981, -794с.
13. Органическая химия: учеб. для вузов / В.Л. Белобородов, С.Э.Зурабян, А.П. Лузин, Н.А.Тюкавкина; под ред. Н.А.Тюкавкиной. – М.: Дрофа, 2004. -640с.
14. Березин, Б.Д. Курс современной органической химии: учеб.пособие для вузов / Б.Д. Березин, Д.Б. Березин. – М.: Высш. шк., 2001. -768с.
15. Потапов, В.М. Стереохимия: учебное пособие для вузов / В.М. Потапов. – М.: Химия, 1976. -320с.





















Органические соединения

Ациклические (алифатические)

Циклические

Предельные
(насыщенные)

Непредельные
(ненасыщенные)

Карбоциклические
(циклы включают только
атомы углерода)

Гетероциклические
(циклы включают как
атомы углерода, так
и другие атомы:S,N,O и т.д.)

алициклические

ароматические

неароматические

ароматические

изомерия

структурная

пространственная

Углеродного скелета

Положение функциональной
группы

Конфигурационная

Конформационная

Межклассовая

Геометрическая

Оптическая

Предельные

Непредельные

Ароматические

Алифатические

Циклические

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

13 EMBED 1415

Алициклические



14 "(*0:Llрт
·
·
·
·
·
·
·
·Х
·ц
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·Х
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·Х "0ёєјѕАДЖИ
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·Б}
·}
·}
·
·
·l $ёєѕА
·ъ F  _
0      `И И`И И`И ИИ И`И И`И И`И И`И Ир р`р р
·
·
·
·
·
·¶
·‘
·`р р
·
·
·
·
·
·x
·’
·`р р
·
·
·
·
·
·s
·
·
·

Приложенные файлы

  • doc 4407
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 2

Добавить комментарий