Химия

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

ФГБОУ ВПО

Кубанский государственный технологический университет

 

Кафедра общей химии

Химия

(строение и реакционная способность

органических соединений)

 

 

Курс лекций для студентов ЗиДОи МИППСспециальностей 141108, 271101 и направлений 131000, 140100, 140400, 141200, 151000, 151900, 190600, 220400, 220700, 270800, 280700

 

Часть II

 

Краснодар

Составители: д-р хим. наук, проф. Л.А.Бадовская, д-р хим. наук, проф. В.В. Посконин, канд. хим. наук, доц. Т.Г.Дедикова, канд. хим. наук, доц. Е.П.Грунская

Под общей редакцией д-ра хим. наук, проф. Л.А. Бадовской

 

УДК 669:54(07)

Общие представления об органических соединениях и

Полимерах, взаимосвязи их строения и свойств, типах реакций

К органическим относятся углеводороды и их производные. Их молекулы в качестве глав­ного элемента включают углерод, связанный с другими… В основу современной органической химии положена теория хими­ческого строения,… Основные положения теории Бутлерова:

Понятие о гибридизации атомных орбиталей углерода

В органических соединениях

В зависимости от числа атомных орбиталей 2р-подуровней атома углерода, участвующих в гибридизации, различают три валентных состоя­ния его атома…   Таблица 1

Классы углеводородов

Алифатические углеводороды в зависимости от характера углерод-углеродных связей в их молекулах делятся на гомологические ряды: алканы. алкены, алкины и алкадиены ( табл. 15).

Гомологический ряд - это ряд родственных органических соедине­ний с однотипными химическим строением н свойствами, молекулы кото­рых отличаются между собой на одну или несколько метиленовых групп (-СН₂-) в составе углеводородных радикалов.

Класс ациклических углеводородов делится на гомологические ряды циклоалканов, циклоалкенов, циклоалкинов и циклодиенов, являю­щихся циклическими аналогами соответствующих алифатических углево­дородов (табл. 15).

Класс ароматических углеводородов делится на гомологические ря­ды бензола, нафталина, антрацена и других. Общим признаком ароматиче­ских углеводородов является их «ароматичность».

Ароматичность – это совокупность особенностей электронного строения и свойств соединения: наличие в молекуле циклического сопря­жения р-электронных облаков и, вследствие этого, высокая термодинами­ческая и химическая устойчивость ароматического цикла, склонность не к присоединению, а к реакциям замещения в этом цикле. Ученый Хюккель установил следующее правило, позволяющее выявлять ароматичность соединения: условием ароматичности является существова­ние в молекуле циклической системы сопряжения, в которой р-электронное облако содержит (4n+2) электронов (n-целое число). Напри­мер, в цикле бензола имеется шесть сопряженных р-электронных облаков, а в молекуле нафталина - их десять и т.д.

 

Таблица 2

Классы (гомологические ряды) углеводородов

Классы углеводородов	Брутто-формула	Основоположник ряда
Алканы	СnH2n+2	метан СН4
Алкены	СnH2n	этен (этилен) СН2=СН2
Алкины	СnH2n–2	этин (ацетилен) СН=СН
Арены	СnH2n–6 (для n > 6)	бензол С6Н6

 

Классы производных углеводородов

Производные углеводородов – это органические соединения, моле­кулы которых кроме атомов углерода и водорода содержат одну или не­сколько функциональных (характеристических) групп. Их можно рассмат­ривать как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекулах углеводородов на одинаковые или разные характеристические группы.

Функциональные группы обусловливают специфические химиче­ские свойства веществ, поэтому производные углеводородов разделены на классы в зависимости от строения этих групп (табл. 3). Внутри каждого класса имеются соединения, принадлежащие, в зависимости от строения углеводородного радикала, к различным рядам.

Таблица 3

Основные функциональные группы производных углеводородов

и их названия

Класс	Функциональная группа	Обозначение
в приставке	в окончании
Галогенпроизводные углеводородов	Галогены (Hal): -F, -Cl, -Br, -J	фторо-, хлоро-, бромо-, иодо-	–
Амины	Аминогруппа: -NH2, -NHR, -NR2	амино-	-амин
Нитросоединения	Нитрогруппа: -NO2	нитро-	–
Простые эфиры	Эфирная группа: -OR (-С-О-С-)	алкокси- (R = алкил) арокси- (R = арил)	–
Гидроксипроизводные углеводородов: а) спирты (R = алкил) б) фенолы (R = арил)	Гидроксигруппа: -ОН (R-OH)	гидрокси-	-ол
Оксосоединения (карбонильные соединения): а) альдегиды (R = Н) б) кетоны (R = алкил, арил)	Оксогруппа (карбонильная) группа:	а) оксо- б) оксо-	а) –аль б) –он

 

Карбоновые кислоты	Карбоксильная группа:	карбокси-	-овая кислота
Сложные эфиры	Сложноэфирная группа:		R-оат
Амиды			- амид
Нитрилы	Нитрильная группа: –(С)≡N		-нитрил
Сульфоновые кислоты	Сульфогруппа: -SO3H	сульфо-	-суль-фоновая кислота

* Атом углерода, заключенный в скобки, включается в название главной углеводородной цепи и не входит в название соответствующей функциональной группы.

Химическое поведение вещества каждого класса определяется строением характеристической группы (реакции по этой группе) и связан­ного с ней углеводородного радикала (реакции по радикалу).

Эти структурные фрагменты влияют друг на друга. При наличии в молекуле нескольких близко расположенных функциональных групп они также оказывают друг на друга существенное влияние, вызывающее изменение их реакционной способности.

Классификация органических реакций

Классификация органических реакций имеет особенности по сравне­нию с классификацией реакций неорганических соединений и проводит­ся по следующим признакам:

1. В зависимости от характера переноса химических частиц между реагентами реакции делятся по соотношению чисел исходных веществ и продуктов на следующие типы:

а) Замещение (обозначают индексом S):

2 R-O-H + 2 Na → 2 R-O-Na + H₂

К реакциям замещения в органической химии относят также реакции обмена. В реакциях обмена число реагентов равно числу продуктов, например:

CH₃-Cl + KOH → CH₃-OH + KCl

Ag₂O + H-C≡C-H → Ag-C≡C-Ag + H₂O

б) Присоединение (соединение) (индекс А):

-С=С- + А-Б → -С- С-

А Б

Например: CH₂=CH₂ + Br₂ → Br-CH₂-CH₂-Br

В этих реакциях число продуктов по сравнению с числом исходных веществ уменьшается.

в) Расщепление и отщепление (элиминирование, индекс Е):

-С - С- → -С=С- + А-Б

А Б

Например: CH₃-CH₂-OH → CH₂=CH₂ + H₂O

В этих реакциях число продуктов по сравнению с числом исходных веществ возрастает.

Кроме того, в отдельные группы выделяются реакции окисления, полимеризации, поликонденсации и различные перегруппировка, хотя все они могут рассматриваться как разновидности реакций «а», «б» и «в».

Поскольку в большинстве органических реакций атом углерода меняет свою степень окисления, то в органической химии к реакциям окисления условно относят только реакции с кислородом, кислородсодержащими окислителями и катионами металлов: СН₃СН₂ОН + [О] → СН₃СНО + Н₂О.

2. Типы органических реакций в зависимости от механизма разрыва ковалентной связи в реагирующих молекулах:

а) гомолитические (радикальные) реакции:

А : В → А^. + В^.

В этом случае в ходе реакции электронная пара химической связи разобщается и образуются атомы или группы атомов, несущие неспаренный электрон (обозначаются точкой). Такие частицы называются свободными радикалами, вследствие наличия неспаренного электрона они очень реакционноспособны. Радикальный путь характерен для реакций с участием малополярных связей (например, С-Н), протекающей в малополярных средах. Эти реакции требуют инициирования и проходят либо при высоких температурах (Т), либо при облучении (hn), либо в присутствии радикалов-инициаторов (RО^. и др.)

б) гетеролитические (ионные) реакции. В ходе таких реакций общая
ковалентная пара при разрыве связи полностью переходит к одному из
фрагментов молекулы с образованием на промежуточных стадиях анионов
и катионов, которые очень неустойчивы и быстро превращаются в
молекулы:

А : В + С^– → А : С + В^– (1)

А : В + С⁺ → А : С + В⁺ (2)

Если в ионной реакции реагент является электронодонором, то его называют нуклеофильным. Такие реагенты представляют собой либо анионы, либо молекулы с атомами, несущими неподеленные электроны (НО^–, Cl^–, RCOО^–, RО^–, CN^–, КОН, Н₂О, NH₃). Если реагент обладает дефи­цитом электронов, его называют электрофильным. К электрофильным реа­гентам относятся катионы (Н⁺, Н₃О⁺, Cl⁺, NO₂⁺и др.), а также молекулы, содержащие атомы с незаполненными валентными орбиталями (AlCl₃, FeBr₃, BF₃ и т.п), либо атомы с высоким электронным дефицитом (>C^d+=O и др.).

Функции электрофильных реагентов могут выполнять также молеку­лы, содержащие подвижный водород (НВr, Н₂О, RОН, NН₃ и др.). В зави­симости от того, кем выступает реагент (нуклеофилом или электрофилом) на лимитирующей (наиболее медленной) стадии всего процесса, различают нуклеофильные реакции (уравнение (1), С – нуклеофил) и электрофильные реакции (уравнение (2), С – ^электрофил).

Обзор химических свойств основных классов

Органических соединений

Важнейшие реакции основных классов органических соединений в обобщенном виде представлены в табл. 3.

Органические полимеры

Полимеры образуются из мономеров. Мономеры – это низкомолекулярные соединения, молекулы которых, взаимодейст­вуя друг с другом, образуют полимеры.… Высокомолекулярные соединения (ВМС) образуются из мономе­ров двумя путями –… Полимеризация – процесс последовательного многократного при­соединения молекул непредельного мономера друг к другу по…

Литература по разделу курса химии "Строение и реакционная

способность органических соединений"

Таблица 5

Темы	Литература, главы и разделы
[1]	[2]	[3]	[4]
Классы и номенклатура органических соединений	29.4	§ 13.1	С. 41-45	2.1
Строение органических соединений	29.3	§ 2.3, § 13.1	С. 8-24	2.3
Изомерия органических соединений	29.3	§ 13.1	С. 54, 76, 266, 344	2.2
Химические свойства и качественные реакции углеводородов	29.5 –29.8	§ 13.2	Гл. 1, 8, 9	2.4
Химические свойства производных углеводородов	29.9 – 29.17	§ 13.3	Гл. 2, 3, 10, 11	2.4
Полимерные вещества и направления их использования	31.1	§ 14.1, §14.3, §14.4	Гл. 12 –15

* Литература:

[1] Глинка Н.А. Общая химия. М.: Интеграл-Пресс, 2005 и др. изд.

[2] Коровин Н.В. Общая химия. М.: Высшая школа, 2005 и др. изд.

[3] Артеменко А.И. Органическая химия. М.: Высшая школа, 2005 и др. изд.

[4] Бадовская Л.А. и др. Свойства и идентификация органических соединений. Лабораторный практикум, ч. III. Краснодар: КубГТУ, 2001.