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
Понятие о гибридизации атомных орбиталей углерода
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 (>Cd+=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.
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.