Logo GenDocs.ru


Поиск по сайту:  


Дроздов А.А., Дроздова М.В. Органическая химия. Шпаргалки - файл org_chimia.rtf


Дроздов А.А., Дроздова М.В. Органическая химия. Шпаргалки
скачать (1309.4 kb.)

Доступные файлы (1):

org_chimia.rtf4846kb.01.12.2009 13:21скачать


org_chimia.rtf

  1   2   3
Реклама MarketGid:


Дроздов А.А., Дроздова М.В.


Органическая химия Шпаргалка

1. Биоорганическая химия

Это наука, изучающая биологическую функцию органических веществ в организме. Она возникла во второй половине XX в. Объектами ее изучения служат биополимеры, биорегуляторы и отдельные метаболиты.

Биополимеры – высокомолекулярные природные соединения, которые являются основой всех организмов. Это пептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты (НК), липиды.

Биорегуляторы – соединения, которые химически регулируют обмен веществ. Это витамины, гормоны, антибиотики, алкалоиды, лекарственные препараты и др.

Знание строения и свойств биополимеров и биорегуляторов позволяет познать сущность биологических процессов. Так, установление строения белков и НК позволило развить представления о матричном биосинтезе белка и роли НК в сохранении и передаче генетической информации.

Основная задача биоорганической химии – выяснение взаимосвязи структуры и механизма действия соединений.

Это наука, изучающая соединения углерода. В настоящее время насчитывается – 16 млн органических веществ.

Причины многообразия органических веществ.

1. Соединения атомов углерода (С) друг с другом и другими элементами периодической системы Д. И. Менделеева. При этом образуются цепи и циклы.

2. Атом углерода может находиться в трех разных гибридных состояниях. Тетраэдрическая конфигурация атома С ? плоскостная конфигурация атома С.

3. Гомология – это существование веществ с близкими свойствами, где каждый член гомологического ряда отличается от предыдущего на группу – СН2—.

4. Изомерия – это существование веществ, имеющих одинаковый качественный и количественный состав, но различное строение.

A. M. Бутлеров (1861 г.) создал теорию строения органических соединений, которая и по сей день служит научной основой органической химии. Основные положения теории строения органических соединений:

1) атомы в молекулах соединены друг с другом химическими связями в соответствии с их валентностью;

2) атомы в молекулах органических соединений соединяются между собой в определенной последовательности, что обусловливает химическое строение молекулы;

3) свойства органических соединений зависят не только от числа и природы входящих в их состав атомов, но и от химического строения молекул;

4) в молекулах существует взаимное влияние как связанных, так и непосредственно друг с другом не связанных атомов;

5) химическое строение вещества можно определить в результате изучения его химических превращений и, наоборот, по строению вещества можно охарактеризовать его свойства.

2. Изомеры

Пространственные изомеры делятся на два вида: конформационные и конфигурационные.

1. Конформационными называются изомеры, формы молекул которых переходят друг в друга за счет свободного вращения атомов и групп атомов вокруг одной или нескольких б-связей. Первое соединение, для которого известно существование конформацион-ных изомеров, является этан. Его строение в пространстве изображается перспективной формулой или формулой Ньюмена.

2. Конфигурационные изомеры. Это стереоизо-меры, молекулы которых имеют различное расположение атомов в пространстве без учета конформаций.

Реоизомеры делятся на энантиомеры и диастерео-меры.

Энантномеры (оптические изомеры, зеркальные изомеры антиподы) – стереоизомеры, молекулы которых соотносятся между собой, как предмет и несовместимое с ним зеркальное отображение. Это явление называется энантиомерией.

Все химические и физические свойства энантиоме-ров одинаковы, кроме двух: вращение плоскости поляризованного света (в приборе поляриметре) и биологическая активность.

Условия энантиомерии:

1) атом С находится в состоянии sp3-гибридизации;

2) отсутствие всякой симметрии;

3) наличие асимметрического (хирального) атома С, атома, имеющего четыре разных заместителя.

Многие окси– и аминокислоты обладают способностью вращать плоскость поляризации луча света влево или вправо. Это явление называется оптической 2б активностью, а сами молекулы оптически активными. Отклонение луча света вправо отмечают знаком «+», влево – «-» и указывают угол вращения в градусах.

Абсолютную конфигурацию молекул определяют сложными физико-химическими методами.

Относительную конфигурацию оптически активных соединений определяют путем сравнения со стандартом глицеринового альдегида. Оптически активные вещества, имеющие конфигурацию правовращающего или левовращающего глицеринового альдегида (М. Розанов, 1906 г.), называется веществами D– и L-ряда. Равная смесь право– и левовращающих изомеров одного соединения называется рацематом и оптически неактивна.

Энантиомеры изображают с помощью формул Фишера. Среди энантиомеров могут быть симметричные молекулы, не обладающие оптической активностью, которые называются мезоизомерами. Оптические изомеры, не являющиеся зеркальными изомерами, отличающиеся конфигурацией нескольких, но не всех асимметрических атомов С, обладающие различными физическими и химическими свойствами, называется s-ди-а-стерео-изомерами.

p-диастереомеры (геометрические изомеры) – это стереомеры, имеющие в молекуле p-связь. Они встречаются в алкенах, непредельных высших карбоновых кислотах, непредельных дикарбоновых кислотах. Биологическая активность органических веществ связана с их строением.

3. Сопряженные системы

В простейшем случае сопряженные системы —

это системы с чередующимися двойными и одинарными связями. Они могут быть открытыми и закрытыми. Открытая система имеется в диеновых углеводородах (УВ).

Все атомы С находятся в состоянии sp-гибридиза-ции. Четыре негибридные р-орбитами, перекрываясь между собой, образуют единую электронную систему. Этот вид сопряжения называется p, p-сопряжением.

Происходит сопряжение р-электронов с S-электро-нами. Этот вид сопряжения называется р, р-сопряже-нием. Закрытая система имеется в ароматических УВ.

Сопряжение – процесс энергетически выгодный, энергия (Е) при этом выделяется. Энергия сопряжения бутадиена – 1,3 составляет 15 кДж/моль, энергия сопряжения бензола – 228 кДж/моль.

2. Ароматичность

Это понятие, включающее различные свойства ароматических соединений. Условия ароматичности:

1) плоский замкнутый цикл;

2) все атомы С находятся в sp2-гибридизации;

3) образуется единая сопряженная система всех атомов цикла;

4) выполняется правило Хюккеля: в сопряжении участвуют 4n + 2 р-электронов, где n = 1, 2, 3…

Простейший представитель ароматических углеводородов – бензол. Он соответствует всем четырем условиям ароматичности. Правило Хюккеля: 4n + 2 = 6, n = 1.

Нафталин – ароматическое соединение 4n + 2 = 10, n = 2.

Пиридин – ароматическое гетероциклическое соединение. Взаимное влияние атомов в молекуле

В 1861 г. русский ученый A. M. Бутлеров выдвинул положение: «Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга». В настоящее время это влияние передается двумя путями: индуктивным и мезомерным эффектами.

Индуктивный эффект – это передача электронного влияния по цепи р-связи. Известно, что связь между атомами с различной электроотрицательностью (ЭО) поляризована, смещена к более электроотрицательному атому. Это приводит к появлению на атомах эффективных (реальных) зарядов (d). Такое электронное смещение называется индуктивным и обозначается буквой «I» и стрелкой «?».

? + ? –

СН3 – СН2 ? X, Х = Hal-, НО-, HS-, NH2– и др.

Индуктивный эффект может быть положительным или отрицательным. Если заместитель X притягивает электроны химической связи сильнее, чем атом Н, то он проявляет – I.I (H) = 0. В нашем примере X проявляет – I.

Если заместитель X притягивает электроны связи слабее, чем атом Н, то он проявляет +I. Все алкилы (R = СН3-, C2H5– и т. д.), Меп+ проявляют +I.

4. Мезомерный эффект

Мезомерный эффект (эффект сопряжения) – это влияние заместителя, передаваемое по сопряженной системе р-связей. Обозначается буквой ́«М» и изогнутой стрелкой. Мезомерный эффект может быть «+» или «-». Выше было сказано, что имеется два вида сопряжения р, р и р, р. Классификация органических реакций Химические реакции – это процессы, сопровождающиеся изменением распределения электронов внешних оболочек атомов реагирующих веществ. В результате реакции в реагирующих молекулах веществ разрываются одни химические связи и образуются другие. Реакция идет в сторону образования стабильных частиц, т. е. обладающих меньшей внутренней энергией.

Классифицировать реакции можно по различным признакам.

1. По типу разрыва химических связей в реагирующих частицах (субстрат и реагент). Субстрат – это реагирующее вещество, реагент – действующее вещество. Данное разделение условное.

Различают три типа реагентов:

1) радикалы (R) – это нейтральные атомы или частицы с неспаренным электроном (Н-, С1-.-ОН, – СН3 и др.);

2) нуклеофилы (Nu – «любящие ядра») – это частицы, имеющие электронную пару на внешнем электронном уровне атома;

3) электрофилы (Е – «любящие электроны») – это частицы, имеющие недостаток электронов – незаполненный валентный электронный уровень.

В реакциях нуклеофил атакует в субстрате реакционный центр с недостатком электронов, электрофил атакует реакционный центр с избытком электронов. Соответственно этому различают:

1) радикальные реакции;

2) электрофилъные реакции;

3) нуклеофильные реакции.

2. По количеству и характеру исходных и конечных продуктов различают типы реакций:

1) замещения; они подобны реакциям обмена в неорганической химии;

2) присоединения;

3) отщепления (элиминирования) – это отщепление двух атомов или групп атомов от соседних атомов углерода с образованием между ними р-связи;

4) перегруппировки.

С учетом характера реагентов реакции замещения и присоединения могут быть нуклеофильными, элект-рофильными и радикальными и обозначаться следующим образом:

1) реакции нуклеофильного замещения;

2) реакции электрофильного замещения;

3) реакции радикального замещения;

4) реакции электрофильного присоединения;

5) реакции нуклеофильного присоединения;

6) реакции оадикального присоединения.

5. Кислоты Бренстеда

Для характеристики кислотности и основности органических соединений применяют теорию Бренстеда.

Основные положения этой теории.

Кислота – это частица, отдающая протон (донор Н+); основание – это частица, принимающая протон (акцептор Н-).

Кислотность всегда характеризуется в присутствии оснований и наоборот.

А-Н(кислота) +В(основание) – А (сопряженное основание) + В-Н+ (сопряженная кислота).

Кислоты Бренстеда делятся на 4 вида в зависимости от кислотного центра:

1) SH-кислоты (тиолы);

2) ОН-кислоты (спирты, фенолы, карболовые кислоты);

3) НЗ-кислоты (амины, амиды);

4) Ф-СН-кислоты (УВ).

В этом ряду сверху вниз кислотность уменьшается. Сила кислоты определяется стабильностью образующегося аниона. Чем стабильнее анион, тем сильнее кислота. Стабильность аниона зависит от делока-лизации (распределения) «отрицательного» заряда по всей частице (аниону). Чем больше делокализован «отрицптельный» заряд, тем стабильнее анион и сильнее кислота.

Делокализация заряда зависит:

1) от электроотрицательности (ЭО) гетероатома. Чем больше ЭО гетероатома, тем сильнее соответствующая кислота. Например: R-OH и R-NH2.

Спирты более сильные кислоты, чем амины, т. к. ЭО (0) ? 30(N);

2) от поляризуемости гетероатома. Чем больше поляризуемость гетероатома, тем сильнее соответствующая кислота. Например: R-SH и R-ОН.

Тиолы более сильные кислоты, чем спирты, т. к. атом S более поляризован, чем атом О;

3) от характера заместителя R (его длины, наличия сопряженной системы, делокализации электронной плотности).

Например: СН3-ОН, СН3-СН2-ОН, СН3-СН2-СН2-ОН. Кислотность меньше, так как увеличивается длина радикала.

При одинаковом кислотном центре сила спиртов, фенолов и карбоновых кислот не одинакова. Фенолы являются более сильными кислотами, чем спирты за счет р, s-сопряжения (+М) группы (-ОН). Связь О—Н более поляризуется в фенолах. Фенолы могут взаимодействовать даже с солями (FeC13) – качественная реакция на фенолы. Карбоновые кислоты по сравнению со спиртами, содержащими одинаковый R, являются более сильными кислотами, так как связь О—Н значительно поляризована за счет – М-эффекта группы > С = О. Кроме того, карбоксилат-анион более стабилен, чем анион спирта за счет р, s-сопряжения в карбоксильной группе;

4) от введения заместителей в радикал. ЭА-замести-тели увеличивают кислотность, ЭД-заместители уменьшают кислотность;

5) от характера растворителя.

6. Спирты

Спирты – это производные УВ, у которых один или несколько атомов Н замещено на – ОН-группу. Классификация.

1. По количеству групп ОН различают одноатомные, двухатомные и многоатомные спирты:

СН3 —СН2 —ОН (этанол);

СН2ОН-СН2ОН (этиленгликоль);

СН2ОН-СНОН-СН2ОН (глицерин).

2. По характеру R различают спирты: предельные, непредельные, циклические, ароматические.

3. По положению группы (-ОН) различают первичные, вторичные и третичные спирты.

4. По количеству атомов С различают низкомолекулярные и высокомолекулярные:

СН3(СН2)14-СН2-ОН либо (C16 H33OH);

цетиловый спирт

СН3-(СН2)29-СН2ОН (С31Н63, ОН).

мирициловый спирт

Цетилпальмитат – основа спермацета, мирицил-пальмитат – содержится в пчелином воске. Номенклатура

Тривиальный, рациональнаый, МН (корень + окончание «-ол» + арабская цифра). Изомерия

Возможны варианты: изомерии цепи, положения группы – ОН, оптическая изомерия.

Спирты – слабые кислоты.

Спирты – слабые основания. Присоединяют Н+ лишь от сильных кислот, но они более сильные Nu.

(—I) эффект группы (-ОН) увеличивает подвижность Н у соседнего углеродного атома. Углерод приобретает d+ (электрофильный центр, SE) и становится центром нуклеофильной атаки (Nu). Связь С-О рвется более легко, чем Н-О, поэтому характерными для спиртов являются реакции SN. Они, как правило, идут в кислой среде, так как протонирование атома кислорода увеличивает d+ атома углерода и облегчает разрыв связи. К этому типу относятся реакции образования эфиров, галогенопроизводных.

Смещение электронной плотности от Н в радикале приводит к появлению СН-кислотного центра. В этом случае идут реакции окисления и элиминирования.

Физические свойства

Низшие спирты (С1—С12) – жидкости, высшие – твердые вещества.

Химические свойства

Кислотно-основные.

Спирты – слабые амфотерные соединения.

Алкоголяты легко гидролизуются, это доказывает, что спирты более слабые кислоты, чем вода:

R-ONa + НОН ? R—OH + NaOH.

7. Химические свойства спиртов

Группа – ОН является «плохо уходя щей группой» (связь малополярна), поэтому большинство реакций проводят в кислой среде.

Механизм реакции:

СН3 —СН2 —ОН+ Н+ ? СН3 —СН2 + Н2O.

карбокатион

Если реакция идет с галогеноводородами, то присоединяться будет галогенид-ион: СН3 —СН2 + Сl ? СН3 —СН2 СI1.

Анионы в таких реакциях выступают в качестве нуклеофилов (Nu) за счет «-» заряда или неподеленной электронной пары. Анионы являются более сильными основаниями и нуклеофильными реагентами, чем сами спирты. Поэтому на практике для получения простых и сложных эфиров используются алкоголяты, а не сами спирты. Если нуклеофилом является другая молекула спирта, то она присоединяется к карбокатиону:

СН3 —СН2 + R-0– Н ? CH3 —CH2 —O-R.

простой эфир

Реакции Е (отщепления, или элиминирования). Эти реакции конкурируют с реакциями SN.

СН3 —СН2 —ОН + Н+ ? СН3 —СН2 —O – Н ? СН3 —СН2 + Н2O.

Реакция протекает при повышенной температуре и катализаторе H2SO4.

При избытке H2SO4 и более высокой температуре, чем в случае реакции образования простых эфиров, идет регенерация катализатора и образуется алкен:

СН3 —СН2 + HS04 ? СН2 = СН2 + H2SO4.

Легче идет реакция Е для третичных спиртов, труднее – для вторичных и первичных, т. к. в последних случаях образуются менее стабильные катионы. В данных реакциях выполняется правило А. М. Зайцева: «При дегидратации спиртов атом Н отщепляется от соседнего атома С с меньшим содержанием атомов Н».

В организме группа – ОН под действием фермента превращается в легкоуходящую путем образования эфиров с Н3РО4.

СН3-СН2-ОН + НО-РО3Н2 ? СН3-СН2-ОРО3Н2.

Реакции окисления:

1. Первичные и вторичные спирты окисляются СиО, растворами KMnO4К2Сr2O7 при нагревании с образованием соответствующих карбонилсодержащих соединений.

СН3 —СН2 —СН2 —ОН + О ? СН3 —СН2 —НС = О + Н2О;

СН3—HСOН—СН3 + О ? СН3—СO—СН3 + Н2О.

2. Третичные спирты окисляются с трудом.

К реакциям окисления относятся и реакции дегидрирования.

СН3 —СН2 —ОН ־ СН3 ? НС = О + Н2.

IV. По радикалу (R) протекают реакции, характерные для соответствующих углеводородов (УВ).

СН3-СН2-ОН + 3Br2 ? СВr3-СН2-ОН + ЗНВг;

СН2 = СН-СН2-ОН + Вr2– ? СН2Вг-СНВг-СН2ОН.

8. Многоатомные спирты

Для этих спиртов характерны все реакции одноатомных спиртов, однако имеется ряд особенностей.

За счет (-I) группы (-ОН) многоатомные спирты обладают более выраженными кислотными свойствами.

Они образуют алкоголяты не только со щелочными металлами, но и со щелочами:



Качественной реакцией на двухатомные и многоатомные спирты (диольный фрагмент) является реакция с Си(ОН)2 в щелочной среде, в результате которой образуется комплексное соединение гликолят меди в растворе, дающем синее окрашивание.

Реакции многоатомных спиртов могут протекать по одной или всем группам (-ОН). Они образуют алкоголяты, простые и сложные эфиры, дегидратируются, окисляются.



Нитроглицерин – бесцветная маслянистая жидкость. В виде разбавленных спиртовых растворов (1 %-ных) применяется при стенокардии, так как оказывает сосудорасширяющее действие. Нитроглицерин – сильное взрывчатое вещество, способное взрываться от удара или при нагревании. При этом в малом объеме, который занимает жидкое вещество, мгновенно образуется очень большой объем газов, что и вызывает сильную взрывную волну. Нитроглицерин входит в состав динамита, пороха.

Представители пентитов и гекситов – ксилит и сорбит – соответственно, пяти– и шестиатомные спирты с открытой цепью. Накопление (-ОН) – групп ведет к появлению сладкого вкуса. Ксилит и сорбит – заменители сахара для больных диабетом.

Глицерофосфаты – структурные фрагменты фос-фолипидов, применяются как общеукрепляющее средство. В результате действия Н3 РО4 на глицерин получают смесь глицерофосфатов. Глицерофосфаты

Глицерофосфат железа (III) применяется при анемии, астении, общем упадке сил. Детям по 0,3–0,5 г 2–3 раза в день, взрослым по 1 г 3–4 раза.

Глицерофосфат кальция – при переутомлении, рахите, упадке питания. Детям по 0,05—0,2 г на прием, взрослым по 0,2–0,5.

1. При действии на глицерин KHSО4 и при нагревании – образуется акролеин.

2. При окислении глицерина образуется ряд продуктов. При мягком окислении – глицериновый альдегид и дигидроксиацетон. При окислении в жестких условиях образуется 1,3-диоксоацетон.

9. Предельные (насыщенные) углеводороды

Простейший представитель подгруппы предельных углеводородов – метан (СН4). И3 метана можно получить все другие предельные углеводороды, и в связи с этим все предельные углеводороды часто называются углеводородами ряда метана.

Для получения из метана других углеводородов вначале на метан нужно воздействовать хлором. При этом атом водорода в метане заменяется атомом хлора и получается хлористый метил.

Если теперь подействовать на полученный хлористый метил металлическим натрием, то натрий отнимет хлор, и образующиеся группы СН3, так называемые метальные радикалы, будут соединяться попарно одна с другой за счет освободившихся валентностей.

Химической стойкостью предельных углеводородов к ряду сильных реагентов, таких как крепкие кислоты и щелочи, относят парафины (от лат. parum affinis – «мало сродства»). При реакции получится предельный углеводород с двумя атомами углерода – этан (С2Н6).

Если, действуя на этан хлором, получим хлористый этил C2H5Сl1 а затем, смешав его с хлористым метилом, отнимем хлор натрием, то получим следующего представителя предельных углеводородов, содержащего три атома углерода, – пропан С3Н8.

Как видно из приведенных примеров, обе реакции сводятся в конечном итоге к замене в исходном углеводороде атома водорода метильной группой. Подобным образом в две стадии можно получить и последующие представители предельных углеводородов: бутан С4Н10 , пентан С5Н12.

Эти углеводороды представляют собой так называемый гомологический ряд. В таком ряду каждое последующее соединение можно получить из предыдущего путем одних и тех же химических реакций. Все соединения гомологического ряда, кроме того, близки по своим свойствам. Формула каждого соединения отличается от формулы предыдущего на одну и ту же группу атомов СН2, которая называется гомологической разностью. Соединения, являющиеся членами гомологического ряда, называются гомологами. Номенклатура и изомерия

Желая показать сходство всех предельных углеводородов с их родоначальником метаном, этим углеводородам дали названия, оканчивающиеся на – ан. Что касается начальной части наименований, то они возникли различным путем. Наименования первых трех гомологов метана – этана (С2Н6), пропана (С3Н8) и бутана (С4Н10) – возникли более или менее случайно. Начиная с С5Н12, названия углеводородов происходят от греческих (или в некоторых случаях латинских) названий чисел, соответствующих числу атомов углерода в данном соединении. Так, углеводород с пятью атомами углерода называется пентан (от греч. пента – пять); углеводород с шестью атомами углерода называется гексан (от греч. гекса – «шесть»); углеводород с семью атомами углерода называется гептан (от греч. гепта – «семь») и т. д.

При отнятии от углеводородов одного атома водорода получаются остатки предельных углеводородов, называемые одновалентными радикалами, или иногда просто радикалами.

10. Национальная и международная номенклатура

Еще в середине XIX в. отдельные химики пытались создать такую номенклатуру, которая говорила бы о строении называемых веществ; такую номенклатуру называют рациональной. При этом, например, названия углеводородов производились от названий первого представителя данной группы углеводородов. Так, для ряда метана основой наименования служило название метана. Например, один из изомеров пентана можно назвать диметилэтилметан, т. е. это вещество можно представить как производное метана, у которого два атома водорода замещены метальными группами СН3, а один атом водорода – этиль-ной группой С2Н5.

Международная номенклатура

Желая создать наиболее рациональную номенклатуру органических соединений, которая была бы принята во всех странах мира, крупнейшие химики – представители химических обществ разных стран – собрались в 1892 г. в Женеве (Швейцария). На этом совещании была выработана систематическая научная номенклатура, которую теперь обычно называют женевской или международной номенклатурой.

Для того чтобы назвать какое-либо соединение по женевской номенклатуре, руководствуются следующими правилами.

Рассматривая структурную формулу соединения, выбирают наиболее длинную цепь атомов углерода и нумеруют атомы, начиная с того конца, к которому ближе стоит заместитель (боковое ответвление).

Соединение рассматривается согласно принципам женевской номенклатуры как производное нормального углеводорода, имеющего такую же, соответствующую перенумерованной цепь.

Место заместителя (ответвления цепи) обозначают цифрой, соответствующей номеру атома углерода, у которого стоит заместитель, затем называют заместитель и, наконец, углеводород, от которого производят все соединение по наиболее длинной перенумерованной цепи.

В тех случаях, когда в цепи имеется несколько ответвлений, положение каждого указывается отдельно соответствующими цифрами, и каждый заместитель называется особо. Если соединение имеет несколько одинаковых заместителей, например две метильные группы, то после двух цифр, обозначающих их места, говорят «диметил» (от греч. ди – «два»); при наличии трех метильных групп говорят «три-метил» и т. д.

После создания женевской номенклатуры неоднократно пытались ее усовершенствовать – дополнить, исправить. Так, в г. Льеже (Бельгия) рассматривались «Льежские правила», которые, однако, не были приняты многими химиками.

В 1957 г., а затем в 1965 г. съездом Международного союза теоретической и прикладной химии International Union of Pure and Applied Chemisty, сокращенно IUPAC (или ИЮПАК), были утверждены правила номенклатуры органических соединений. Эти правила в основном соответствуют женевской номенклатуре, но вносят в нее некоторые поправки. В дальнейшем при изложении Международной номенклатуры различных классов соединений учтены и рекомендации ИЮПАК.

11. Понятие о конформациях

Метальные и метиленовые группы в углеводородах (а также в других соединениях) могут свободно вращаться вокруг соединяющих их одинарных связей, как вокруг осей, вследствие чего атомы водорода могут занимать различное пространственное положение. Возникающие при этом различные формы носят название конформации или конформеров. Так, например, этан вследствие свободного вращения ме-тильных групп может существовать в виде бесчисленного числа конформации. Наименее устойчивой конформацией является так называемая заслоненная конформация, в которой атомы водорода двух метильных групп находятся один над другим. Нестойкость этой конформации обусловлена малыми расстояниями между атомами водорода, которые стремятся оттолкнуться друг от друга. При отталкивании этих атомов заслоненная конформация этана переходит в другие и, наконец, превращается в наиболее стойкую конформацию, в которой атомы водорода одной метальной группы максимально удалены от атомов водорода другой метильной группы. Эта конформация называется заторможенной, потому что при свободном вращении метальных групп наибольшее время молекула метана находится именно в этой конформации.

Углеводороды и другие органические соединения, содержащие четыре и более углеродных атомов, могут находиться в различных конформациях, обладающих не только различным положением атомов водорода, но и различной формой углеродной цепи. Так, например, цепь н-бутана может иметь зигзагообразную форму или форму полукольца.

Конформеры отличаются от изомеров прежде всего тем, что они образуются самопроизвольно, без разрыва химических связей, соединяющих атомы.

Выделить какую-либо одну конформацию практически невозможно, так как вращение атомных групп происходит довольно быстро и одна конформация переходит в другую. Составить достаточно точные представления о конформациях удалось лишь при помощи тонких физических методов, таких как, например, метод ЯМР (Ядерного магнитного резонанса).

Общая формула предельных углеводородов. В органической химии состав каждой группы соединений можно выразить общей молекулярной формулой.

Выведение общей формулы предельных углеводородов. Нужно рассмотрим формулу какого-либо углеводорода с неразветвленной цепью. Как видно из формулы, на каждый атом углерода приходится по два атома водорода, если не считать двух атомов водорода, связанных с крайними атомами углерода. Если обозначить число атомов углерода в молекуле углеводорода буквой N, то число атомов водорода будет равно величине 2N, к которой нужно прибавить еще 2 (третьи атомы водорода у крайних атомов углерода). Таким образом, общая формула предельных углеводородов СпН2П + 2.

Выведенная общая формула СпН2П + 2 будет выражать состав и всех предельных углеводородов с разветвленной цепью, так как изосоединения отличаются от соответствующих нормальных соединений лишь порядком соединения атомов.

Общая формула одновалентных радикалов предельных углеводородов – алкилов – СпН2П + 1.

12. Природные источники предельных углеводородов

В природе широко распространены газообразные, жидкие и твердые углеводороды, в большинстве случаев встречающиеся не в виде чистых соединений, а в виде различных, иногда очень сложных смесей. Это природные газы, нефть и горный воск.

Природные газообразные смеси углеводородов. В очень многих местах земного шара из трещин земли выделяется горючий, так называемый земляной или нефтяной газ, состоящий преимущественно из метана. В России такие месторождения газа имеются в Грозном, Дагестане, Саратове, Тюменской области и других местах. Нефтяной газ, выделяющийся непосредственно из земли, помимо метана содержит пары бензина, который может быть из него выделен. Природный газ наряду с получаемым из нефти служит сырьем для промышленности синтетических материалов.

«Болотный» и «рудничный» газы, состоящие почти исключительно из метана, также являются природными источниками предельных углеводородов. Они образуются из различных растительных органических остатков, подвергающихся медленному разложению при недостатке кислорода (например, на дне болот).

Нефть

Нефть представляет собой жидкость от желто– или светло-бурого до черного цвета с характерным запахом, состоящую преимущественно из смеси углеводородов; в состав нефти входят также в небольшом количестве вещества, содержащие кислород, серу и азот.

Нефть легче воды: плотность различных видов нефти колеблется от 0,73 до 0,97 см.

В зависимости от месторождения нефть имеет различный состав (как качественный, так и количественный). Больше всего предельных углеводородов содержится в нефти, добываемой в штате Пенсильвания (США).

Происхождение нефти. О происхождении нефти нет единого мнения. Некоторые ученые, к которым принадлежал Д. И. Менделеев, предполагала, что нефть имеет неорганическое происхождение: она возникла при действии воды на карбиды металлов. Другие ученые, например Энглер, считали, что нефть имеет органическое происхождение, т. е. образовалась в результате медленного разложения различных останков умерших животных и остатков погибших растений при недостаточном доступе воздуха. В последующие годы в многочисленных образцах нефти были обнаружены различные порфирины – соединения, образующиеся при разложении зеленого вещества растений – хлорофилла и красящего вещества крови – гемоглобина. Это доказывает участие в образовании нефти растений и животных.

Выдвигаются и более сложные теории, согласно которым основным источником образования нефти являлись останки животных и растений; образовавшаяся из них «первичная нефть» подвергалась дальнейшим вторичным изменениям, заключающимся главным образом в присоединении водорода – гидрировании. Эти процессы могли протекать при участии неорганических катализаторов.

13. Переработка нефти

Если нефть постепенно нагревать в перегонном аппарате, то вначале она переходит в парообразное состояние мере повышения температуры, перегоняются углеводороды, имеющие все более и более высокую температуру кипения. Таким образом, можно собрать отдельные части или, как говорят, фракции нефти. Обычно получают три основные фракции такие как:

1) фракция, собираемая до 150 °C и обозначаемая как газолиновая фракция, или фракция бензинов; эта фракция содержит углеводороды с числом атомов углерода от 5 до 9;

2) фракция, собираемая в пределах от 150 до 300 °C и после очистки дающая керосин, содержит углеводороды от С9Н20 до С16Н34;

3) остаток нефти, называемый мазутом, содержит углеводороды с большим числом атомов углерода – до многих десятков.

Каждая из этих трех фракций подвергается более тщательной разгонке для получения фракций менее сложного состава. Так, газолиновую фракцию разгоняют на:

1) н-пентан, кипящий при 38 °C (содержится главным образом в пенсильванской нефти);

2) газолин, или петролейный эфир (фракция с температурой кипения от 40 до 70 °C);

3) собственно бензин (фракция с температурой кипения от 70 до 120 °C); различают несколько видов бензина: авиационный, автомобильный и т. д.;

4) лигроин (от 120 до 140 °C).

Мазут разделяют на фракции, некоторые фракции, перегоняющиеся из мазута без разложения выше при температуре 300 °C, называются соляровыми маслами. Они применяются в качестве моторного топлива. Из солярового масла путем тщательной очистки получают также вазелиновое масло, применяющееся в медицине.

Во избежание разложения веществ при температуре свыше 300 °C при разделении мазута на фракции применяют перегонку с водяным паром и перегонку в вакууме. Из мазута путем такого разделения и очистки фракций получают, помимо соляровых масел, различные смазочные масла, вазелин и парафин.

Вазелин, получаемый из мазута путем перегонки с перегретым водяным паром, представляет собой смесь жидких и твердых углеводородов и широко применяется в медицине в качестве основы для мазей.

Парафин – смесь твердых углеводородов – выделяется путем их кристаллизации из так называемой парафиновой массы – смеси твердых и жидких углеводородов, которые получаются при перегонке с водяным паром мазута из некоторых видов нефти, богатых соответствующими твердыми углеводородами. Парафин находит в настоящее время широкое применение не только в промышленности, но и в медицине (парафинотерапия). Остаток после отгона из мазута упомянутых фракций, называемый гудроном или нефтяным пеком, после некоторой обработки находит широкое применение в дорожном строительстве (нефтяной или искусственный асфальт).

14. Крекинг-процесс, озокерит

Крекинг-процесса (от англ. крекинг – «расщепление»). Сущность крекинг-процесса, или крекирования тяжелых фракций нефти, заключается в том, что нефтепродукты подвергаются действию высокой температуры и давления. Крупные молекулы углеводородов с большим числом углеродных атомов расщепляются на более мелкие молекулы предельных и непредельных углеводородов, тождественные или близкие содержащимся в бензине, и газы крекинга, состоящие главным образом из газообразных непредельных углеводородов с небольшим числом углеродных атомов. Газы крекинга подвергают дополнительной обработке, при которой молекулы соединяются в более крупные (происходит полимеризация), в результате чего также получается бензин. Крекинг нефтепродуктов с полимеризацией отходящих газов крекинга повышает выход бензина из сырой нефти до 65–70 %, т. е. приблизительно в 3 раза.

Горный воск, или озокерит, – твердая природная смесь углеводородов. Путем переплавления и очистки из озокерита приготовляют церезин, который в ряде случаев служит хорошим заменителем воска.

Природными источниками предельных углеводородов являются также некоторые продукты сухой перегонки дерева, торфа, бурого и каменного углей, горючих сланцев.

Синтетические способы получения предельных углеводородов.

1. Присоединение водорода (гидрирование) в присутствии катализаторов – платины и палладия – к непредельным углеводородам.

2. Реакция отнятия галогена от моногалогено-производных при помощи металлического натрия с соединением радикалов (реакция Вюрца).

3. Разложение солей соответствующих кислот (путем нагревания с NaOH):

CnH2n + 1 COONa + NaOH —» CnH2n + 2 + Na2CO3.

Физические свойства

Предельные углеводороды с числом атомов углерода от 1 до 4 при обычных условиях представляют собой газы; углеводороды с числом атомов от 5 до 15 – жидкости; углеводороды с числом атомов 16 и выше представляют собой твердые тела. Температуры плавления и кипения углеводородов повышаются с укрупнением молекул. Здесь отчетливо видно проявление закона диалектики о переходе количества в качество.

Предельные углеводороды практически не растворимы в воде; в большинстве органических растворителей они растворяются.

Первые представители ряда предельных углеводородов – метан и этан – не обладают запахом. Легколетучие низшие углеводороды обладают запахом бензина. Высшие представители этого ряда, входящие в состав нефтяных масел и парафина, также не имеют запаха, обладая очень малой летучестью.

Химические свойства

В начале главы уже указывалось, что предельные углеводороды при обычных условиях обладают большой химической инертностью.

15. Взаимодействие пределов углеводородов с галогенами

Галогены не присоединяются к предельным углеводородам. Однако вступают с ними в реакции замещения, особенно легко на солнечном свету. При этом галогеном может последовательно заместиться не один, а несколько атомов водорода. Так, метан, взаимодействуя с хлором, может дать несколько различных продуктов замещения:

СН4 + С ? СН3СI1 + НСI1;

хлористый метил

СН3СI + С12 ? СН2СI12 + НСI1 и т. д.

хлористый метилен

Углеводороды, в которых один или несколько атомов водорода замещены галогеном, называются га-логенопроизводными.

Предельные углеводороды менее стойки в условиях высокой температуры, особенно в присутствии различных катализаторов.

Окисление предельных углеводородов при повышенной температуре. Первые представители ряда метана окисляются наиболее трудно; однако высшие предельные углеводороы, входящие в состав парафина, уже при 100–160 °C можно окислить кислородом с образованием жирных кислот. Помимо жирных кислот, из углеводородов получают и многие другие вещества, содержащие кислород, окисляя различными методами предельные углеводороды.

Расщепление углеродной цепи предельных углеводородов при высокой температуре и давлении. При 450–550 °C идут реакции крекинг-процесса. Наиболее важной из них является реакция расщепления крупных молекул предельных углеводородов на более мелкие молекулы предельных и непредельных углеводородов. Отдельные представители

Метан (СН4) составляет 86–90 % «земляного», «болотного» и «рудничного» газа; в больших количествах он входит в состав «светильного» газа (приблизительно 35 %); в растворенном состоянии содержится в нефти.

Метан образуется из клетчатки под влиянием микроорганизмов («метановое брожение»), он входит в состав газов кишечника жвачных животных и человека.

Синтетический метан можно получить несколькими способами, например непосредственным взаимодействием углерода и водорода при высокой температуре.

Метан не обладает ни цветом, ни запахом. При горении он дает почти бесцветное пламя со слабым синим оттенком.

При смешивании метана с воздухом образуется крайне опасная взрывчатая смесь.

В воде метан плохо растворим.

Изооктан (C8H18) (2,2,4-триметилпентан) – очень ценная составная часть авиационного бензина, считается стандартным жидким горючим.

16. Непредельные (ненасыщенные) углеводороды

Непредельными, или ненасыщенными, углеводородами называются углеводороды, содержащие меньшее число атомов водорода, чем предельные углеводороды с тем же числом атомов углерода, и резко отличающиеся от предельных своей способностью легко вступать в различные реакции присоединения (например, они легко присоединяют галогены).

В зависимости от содержания водорода непредельные углеводороды делят на различные подгруппы, или ряды. Состав соединений, входящих в различные подгруппы, удобно выражать общими формулами.

Если состав предельных углеводородов обозначают общей формулой СпН2n + 2, то различные ряды непредельных углеводородов можно выразить общими формулами: CnH2n, CnH2n – 2 и т. д.

В данном курсе будут рассматриваться лишь непредельные углеводороды, имеющие формулу СпH2n, – алкены, или олефины, или углеводороды ряда этилена, и имеющие формулу СпH2n – 2, к которым относятся диолефины, или диеновые углеводороды, а также углеводороды ряда ацетилена.

1. Углеводороды ряда этилена, или алкены (олефины).

Углеводороды ряда этилена, имеющие общую формулу СпH2n, получили название по первому простейшему представителю этилену (С2Н4). Другое название этой группы веществ – олефины – возникло исторически: при первоначальном открытии и знакомстве с этиленом было обнаружено, что он, соединяясь с хлором, образует жидкое маслянистое вещество (хлористый этилен (С2Н4СI12)), что и послужило поводом назвать этилен gaz olefiant (с лат. – «масло-родный газ»). Название «олефины» получило более широкое употребление и в нашей стране. Оле-фины называют также алкенами.

2. Строение, номенклатура и изомерия Этилен С2Н4 можно получить из хлористого этила (С2Н5СI1), отняв от него молекулу НСI1 действием щелочи.

Допущение существования двойной связи в олефи-нах соответствует основному положению теории строения о четырехвалентности углерода и хорошо объясняет присоединение галогенов и других веществ к двум соседним углеродным атомам за счет освобождения валентностей при разрыве двойной связи.

По современным представлениям, как уже упоминалось, две связи, соединяющие два ненасыщенных углеродных атома, неодинаковы: одна из них является s-связью, другая p-связью. Последняя связь менее прочна и разрывается при реакциях присоединения.

О неравноценности двух связей в непредельных соединениях говорит, в частности, сравнение энергии образования простой и двойной связей. Энергия образования простой связи равна 340 кДж/моль, а двойной – 615 кДж/моль. Таким образом, на образование двойной связи затрачивается не вдвое больше энергии, чем при образовании одинарной s-связи, а всего лишь на 275 кДж/моль больше. Естественно, что и для разрушения p-связи затрачивается меньше энергии, чем для разрушения s-связи.

17. Изомерия, природные источники и способы получения олефинов

Изомерия олефинов зависит от изомерии цепи атомов углерода, т. е. от того, является ли цепь нераз-ветвленной или разветвленной, иот положения двойной связи в цепи. Существует еще и третья причина изомерии олефинов: различное расположение атомов и атомных групп в пространстве, т. е. стереоизо-мерия. Однако этот вид изомерии будет рассмотрен в дальнейшем на примере соединений с двойной связью.

Для обозначения места двойной связи (а также места ответвлений в цепи) согласно международной номенклатуре нумеруют атомы углерода наиболее длинной цепи, начиная с того конца, к которому ближе стоит двойная связь. Таким образом, два изомера бутилена, обладающие неразветвленной цепью, будут называться 1-бутен и 2-бутен.

По женевской номенклатуре приоритет отдавался углеродному скелету, и нумерацию в формуле данного пентена начинали слева, поскольку ответвление углеродной цепи ближе к левому концу формулы. По номенклатуре приоритет отдается функциональным группам, поэтому нумерацию начинают с правого конца, к которому ближе двойная связь, определяющая главные свойства (функции) олефинов.

Радикал Н2С=СН-, производимый от этилена, называют обычно винилом; радикал Н2С=СН-СН2-, производимый от пропилена, называют аллилом.

Природные источники и способы получения олефинов

Этилен и его гомологи в очень небольшом количестве встречаются в природных газах, а также в нефти (в растворенном состоянии). Олефины, как упоминалось, образуются при крекинге нефти, а также в небольшом количестве при сухой перегонке дерева и каменного угля.

Отнятие воды от предельных спиртов – дегидратация. Это один из наиболее общих способов получения олефинов.

В промышленных условиях пары спирта при 350–500 °C пропускают над катализатором, в качестве которого используют окись алюминия, графит или некоторые другие вещества.

В лабораторных условиях для получения олефинов нагревают спирты с водоотнимающими веществами, например концентрированной серной кислотой, хлоридом цинка и т. д.

При применении серной кислоты реакция отщепления воды идет в две стадии:

1) спирт при взаимодействии с серной кислотой образует так называемый сложный эфир, например из этилового спирта образуется этилсерная кислота;

2) этилсерная кислота при нагревании разлагается, образуя олефин и серную кислоту.

Рассмотренный механизм реакции не является единственным, так как не только серная кислота, но и другие кислоты, как, например, соляная, которая не может образовать легко разлагающегося промежуточного продукта типа этилсерной кислоты, вызывают дегидратирование спиртов (отнятие воды). Установлено, что механизм образования этиленов из спиртов в известной степени зависит от строения спирта.

18. Дегидративание первичных спиртов, физические и механические свойства олефинов

При дегидратировании первичных спиртов (в которых углеродный атом, связанный с гидроксилом, соединен лишь с одним радикалом) предполагается следующий механизм:

1) протон (от любой кислоты) присоединяется к свободной паре электронов кислородного атома с образованием иона замещенного оксония;

2) далее при нагревании от иона замещенного оксо-ния отщепляется вода, в результате чего должен был образоваться карбокатион СН3 —СН2 +, но, так как такой ион очень непрочен, происходит его стабилизация путем потери протона и образования двойной связи. Практически потеря воды и протона (при дегидратировании первичных спиртов) происходит почти одновременно и образуется олефин.

Отщепление галогеноводорода от галогенопроизводного.

Для отнятия галогеноводорода обычно применяют спиртовой раствор щелочи: Физические свойства

Первые три представителя ряда олефинов при обычных условиях являются газами, начиная с амиленов (С5Н10), – жидкостями; высшие олефины, начиная с С19Н38, – твердые тела.

Химические свойства

Для всех олефинов характерны многочисленные реакции присоединения, идущие с разрывом двойной связи и превращением ее в простую.

В большинстве случаев первой стадией реакции является присоединение к p-электронам двойной связи катиона (например, Н+) или катионоидной частицы (Вгб+: Вгб-), и, так как эта стадия является определяющей, многие реакции этого рода рассматриваются как электрофильное присоединение.

1. Присоединение водорода – гидрирование. Эта реакция легко происходит в присутствии таких катализаторов, как платина и палладий, при комнатной температуре, а в присутствии раздробленного никеля – при повышенной.

2. Присоединение галогенов С12, Вr2, I.

Легче всего присоединяется хлор, труднее всего.

Присоединение галогенов может протекать (в зависимости от условий) как по радикальному, так и по ионному механизму. Поскольку реакцию чаще проводят в условиях, в которых имеет место ионный механизм, следует остановится на последнем.

Поляризация происходит, в частности, под влиянием р-электронов; при этом положительно заряженный атом брома вступает во взаимодействие с р-электрона-ми двойной связи с образованием непрочного р-комп-лекса: происходит электрофильное присоединение.

Комплекс вследствие разрыва р-связи и присоединения положительно заряженного иона брома превращается в карбокатион. Освобождающийся анион брома присоединяется к карбокатиону с образованием конечного продукта присоединения.

19. Правила Марковникова. Метод Вагнера

В. В. Марковников занимался изучением реакций присоединения к олефинам и установил при этом следующую закономерность: в случае присоединения к непредельным соединениям веществ, содержащих водород, последний присоединяется к наиболее гидрированному углеродному атому (т. е. связанному с наибольшим числом атомов водорода).

Эта закономерность получила название правила Марковникова.

Так, при присоединении HI к пропилену водород присоединяется к крайнему непредельному атому углерода (как более гидрированному), а йод – к среднему атому углерода.

По современным представлениям, взаимное влияние атомов, как правило, обусловлено изменением распределения плотности электронных облаков, образующих химические связи.

Замещение атома водорода в этилене метильной группой ведет к изменению распределения электронной плотности, поэтому молекула пропилена является диполем: первый атом углерода является более электроотрицательным по сравнению со вторым (связанным с метильной группой).

Понятно, что при действии галогеноводорода, например HI, электроположительный водород присоединяется к отрицательно заряженному крайнему непредельному атому углерода пропилена, а электроотрицательный атом галогена – ко второму атому углерода молекулы пропилена.

Поскольку порядок присоединения определяется фактически распределением электронных плотностей, правило Марковникова не имеет абсолютного значения, известны исключения из этого правила.

Присоединение к олефинам воды. Реакция протекает в присутствии таких катализаторов, как серная кислота, хлорид цинка.

Эта реакция обратна реакции получения олефинов из спиртов. Правило Марковникова приложимо и к реакции присоединения воды.

Окисление олефинов. В условиях мягкого окисления, например при действии холодным на водный раствор КМпO4 в щелочной или нейтральной среде, двойная связь олефинов разрывается, и к двум освобождающимся валентностям присоединяются две ги-дроксильные группы – образуются так называемые двухатомные спирты.

При этом раствор КМпO4, отдающий свой кислород, обесцвечивается или (при избытке КМпO4) буреет (образуя МпO4). Эта реакция очень часто применяется для обнаружения непредельности испытываемого вещества. Метод окисления олефинов слабым раствором КМпO4 был разработан русским ученым Е. Е. Вагнером и известен в литературе как метод Вагнера.

В условиях энергичного окисления олефинов (например, при действии хромовой или марганцевой кислоты) углеродная цепь их полностью разрывается по месту двойной связи, и образуются две молекулы кислородсодержащих веществ (органические кислоты, кетоны и т. д.).

Изучение продуктов окисления олефинов, образовавшихся при расщеплении молекулы по месту двойных связей.

20. Полимеризация олефинов

Полимеризация олефинов. При полимеризации происходит последовательное присоединение к одной молекуле олефина других молекул вследствие разрыва двойной связи (у одной или нескольких молекул).

При соединении двух молекул мономера в одну получаются так называемые димеры, при соединении трех молекул – тримеры и т. д.

После Второй мировой войны полиэтилен (политен) начали производить в большом масштабе.

Как все полимеры с высокой молекулярной массой – высокополимеры, полиэтилен представляет собой смесь молекул различной величины, построенных по одному типу, – полимергомологов. Поэтому о молекулярной массе высокополимеров можно говорить лишь условно как о средней молекулярной массе. Обычно используется твердый полимер этилена со средней молекулярной массой порядка 6000—12 000 а.е.м. Полиэтилен применяется для производства пленок, посуды, водопроводных труб, упаковочных материалов и т. д.

Большое практическое значение получил полимер пропилена – полипропилен, который может быть получен аналогично полиэтилену.

Полипропилен – очень прочный полимер, идущий, в частности, на изготовление волокон. Полипропиленовые волокна используются для изготовления канатов, сетей, тканей различного назначения.

Реакции полимеризации олефинов вообще имеют очень большое значение в технике, примером может служить получение бензина из отходящих газов крекинг-процесса.

Механизм реакции полимеризации олефинов Уравнение полимеризации этилена является суммарным. Как теперь известно, полимеризация протекает значительно сложнее. Полимеризация может протекать как по радикальному, так и ионному механизму. Будет рассмотрен радикальный механизм как механизм, имеющий большее практическое значение.

Свободные радикалы, образующиеся как нестойкие промежуточные продукты реакции, обладают большой активностью. Они не только соединяются друг с другом, но и взаимодействуют с целыми молекулами. При этом образуются другие свободные радикалы, которые действуют на другие молекулы, из которых опять образуются свободные радикалы. Таким образом, возникает цепная реакция. Теория цепных реакций была создана советским ученым академиком Н. Н. Семеновым и английским ученым С. Хиншельву-дом, работавшими в тесном контакте (оба ученых были удостоены Нобелевской премии).

Все цепные реакции, и в том числе полимеризация, обычно начинаются стадией инициирования, в которой образуются первые свободные радикалы, затем уже следует основная цепь реакций.

В реакции инициирования обычно пользуются каталитически действующими нестойкими веществами, легко дающими свободные радикалы.

21. Диеновые углеводороды

Диолефинами, диеновыми углеводородами, или диенами, называются ненасыщенные углеводороды, имеющие две двойные связи, с общей формулой СnН2n – 2.

Названиям соединений, содержащих двойную связь добавляют окончания – ен, если же в молекуле углеводорода имеются две двойные связи, то его название образуется при помощи окончания – диен (от греч. ди – «два»).

Две двойные связи в молекуле углеводорода могут быть расположены различным образом. Если они сосредоточены у одного углеродного атома, их называют кумулированными.

Если две двойные связи разделены одной простой связью, их называют сопряженными или конъюгиро-ванными.

Если же двойные связи разделены двумя и более простыми связями, то их называют изолированными.

Положение двойных связей по международной номенклатуре ИЮПАК обозначают номерами тех углеродных атомов, от которых начинаются эти двойные связи.

Диены с кумулированными и изолированными двойными связями обладают свойствами, близкими свойствам олефинов. Как и последние, они легко вступают в многочисленные реакции присоединения.

Диены с сопряженными двойными связями будут рассмотрены более подробно, так как, во-первых, по некоторым свойствам они обладают важными отличиями от олефинов, а во-вторых, некоторые их представители имеют огромное значение как исходные продукты для получения синтетического каучука.

Важнейшей особенностью соединений с сопряженными связями является их более высокая реакционная способность по сравнению с соединениями, имеющими изолированные связи, причем реакции присоединения к ним обычно протекают очень своеобразно. Так, если подействовать на 1,3-бутади-ен хлором, то последний присоединится преимущественно не к двум соседним атомам углерода, которые связаны двойной связью, а иначе: атомы хлора присоединятся к концам цепи, а вместо двух двойных связей возникает одна на месте простой.

Объяснение своеобразного присоединения к концам сопряженной системы связей дают современные электронные представления.

Электронографическое исследование 1,3-бутадие-на показывает, что расстояния между первым и вторым, а также третьим и четвертым атомами углерода несколько больше расстояния между атомами, связанными обычными двойными связями. Расстояние между вторым и третьим атомами, меньше расстояния между атомами, связанными обычной одинарной связью. Таким образом, в бутадиене расстояния между атомами углерода, связанными двойной и одинарной связью, в некоторой степени как бы выравнены. Уже это показывает, что одинарные и двойные связи в бутадиене несколько отличаются от обычных. Причиной отличия является то, что электронные облака двух близко расположенных p-связей частично перекрывают друг друга. Это и является главной причиной отклонения межатомных расстояний от обычных.

Квантовая механика дает возможность определить порядок связей (Р), соединяющих атомы углерода в бутадиене.

22. Сопряжение диенов

Сопряжение связей в нереагирующей молекуле называется статическим эффектом сопряжения.

Если соединение с системой сопряженных связей вступает в реакцию, то вследствие взаимного перекрывания р-электронных облаков в момент реакции во всей системе происходит перераспределение электронной плотности, носящее название динамического эффекта сопряжения. Характерной особенностью системы сопряженных связей является то, что перераспределение электронных плотностей по указанным причинам передается по всей системе без заметного ослабления. Поэтому когда происходит присоединение к первому атому сопряженной системы, то перераспределение электронной плотности идет по всей системе, и в конечном итоге ненасыщенным (а потому и присоединяющим) оказывается последний, четвертый атом сопряженной системы. Таким образом, сопряженные двойные связи являются единой системой, ведущей себя аналогично одной двойной связи.

Второй очень важной особенностью диенов с сопряженными двойными связями является крайняя легкость их полимеризации.

При полимеризации возникают как циклические, так и ациклические продукты. При полимеризации некоторых диенов получаются очень длинные цепи соединений, обладающих свойствами каучука. При этом согласно рассмотренному механизму в каждой молекуле разрываются обе двойные связи, молекулы соединяются своими концами, а в середине ранее существовавшей сопряженной системы возникает двойная связь.

Реакции полимеризации этого типа имеют громадное значение, так как лежат в основе производства синтетического каучука.

Из различных представителей диеновых углеводородов с сопряженными двойными связями наибольшее значение имеют 1,3-бутадиен и его гомологи: 2-метил-1,3-бутадиен, или изопрен, и др.

Эритрен (дивинил), или 1,3-бутадиен (С4Н6), при обычных условиях представляет собой газ. Синтез дивинила в промышленном масштабе осуществляется из спирта по методу С. В. Лебедева. Пары спирта пропускают над нагретым катализатором, содержащим окись алюминия и окись цинка. При этом происходит ряд реакций, из которых главная, приводит к образованию дивинила, водорода и воды.

Второй важный способ получения дивинила – дегидрогенизация бутана, который в значительном количестве получается при крекинге нефти.

Этот способ вытесняет способ получения дивинила (и каучука) из спирта, благодаря чему сберегаются ценные пищевые продукты, как картофель и пшеница, которые должны были бы расходоваться для производства спирта в технических целях.

Изопрен, или 2-метил-1,3-бутадиен (С5Н8) при обычных условиях – жидкость с температурой кипения +37 °C.

Изопрен образуется в некоторых количествах при сухой перегонке природного каучука, что в свое время послужило началом выяснения строения каучука, а затем привело к разработке различных методов синтеза искусственного каучука.

23. Каучук

Каучук имеет огромное значение, так как он находит широкое применение для изготовления автомобильных, самолетных, велосипедных камер и покрышек, резиновой обуви, изоляции электрических проводов, многочисленных медицинских изделий (грелки и охлаждающие пузыри, резиновые зонды и катетеры) и пр.

Каучук получают из млечного сока некоторых тропических деревьев. Выделенный из млечного сока каучук вулканизуют, т. е. обрабатывают серой или хлористой серой, при этом каучук поглощает некоторое количество серы, что значительно улучшает его качества: он становится эластичнее, приобретает способность сохранять свою эластичность при значительных колебаниях температуры, становится также более устойчивым к химическим воздействиям. Если применить в процессе вулканизации большее количество серы (25–40 %), то получится уже твердый продукт – эбонит, являющийся очень ценным изоляционным материалом.

Природный каучук представляет собой полимер изопрена (С5Н8)n. Число n не является постоянной величиной; оно сильно изменяется при обработке каучука, а кроме того, как у любого высокополимера, это число представляет собой лишь среднюю величину.

У обычного каучука, применяемого для технических целей, степень полимеризации, т. е. число остатков мономера, образующих молекулу полимера, приблизительно равна 400.

Синтез каучука состоит из двух важнейших этапов: синтез бутадиена, его гомологов или каких-либо производных; полимеризация диенов в длинные цепи.

О первом этапе синтеза и применении бутадиена и изопрена для получения синтетического каучука уже говорилось. Здесь следует добавить, что наряду с названными диеновыми углеводородами удобным исходным продуктом для синтеза каучука оказалось галогенопроизводное бутадиена – хлоро-прен, или 2-хлор-1,3-бутадиен:

Н2С=ССI-СН=СН2.

хлоропрен

Получающийся из ацетилена хлоропрен полимери-зуется, подобно бутадиену или изопрену, в длинные цепи каучукоподобного вещества, имеющего формулу (С4Н5СI1). Это вещество получило название наирит.

Второй этап синтеза каучука – полимеризация диенов – производится в присутствии катализаторов, например малого количества металлического натрия.

В настоящее время широко применяют разнообразные синтетические каучуки, получаемые путем полимеризации диенов (например, дивинила) с другими непредельными соединениями: стиролом С6Н5СН=CН2, акрилонитрилом Н2С=СН-СМ и др. Такой процесс называется сополимеризацией.

Многие из таких каучуков обладают ценными специфическими свойствами, выгодно отличающими их от природных каучуков.

24. Алкины

Углеводороды ряда ацетилена, имеющие общую формулу СпН2n – 2, содержат на четыре атома водорода меньше, чем соответствующие углеводороды ряда метана, на два атома водорода меньше, чем олефины, и столько же водорода, сколько диены, т. е. являются изомерами последних.

1. Строение, номенклатура и изомерия

Первым простейшим углеводородом этого ряда является ацетилен (С2Н2). В ацетилене, как и в других углеводородах этого ряда, содержится тройная связь. Действительно, к ацетилену присоединяется четыре атома галогена (или водорода), причем нетрудно убедиться, что присоединение идет к обоим атомам углерода. Следовательно, строение ацетилена нужно выразить формулой Н—С?С—Н. При реакции присоединения тройная связь разрывается, у каждого из углеродных атомов освобождаются по две валентности, к которым и присоединяются атомы водорода, галогенов и др.

Большая реакционная способность тройной связи легко объясняется с позиции электронных представлений. Электронное строение тройной связи уже рассматривалось. Среди трех связей, соединяющих атомы углерода в ацетилене, одна s-связь и две р-связи. Энергия образования тройной связи 840 кДж/моль, тогда как энергия образования одинарной связи – 340 кДж/моль. Если бы три связи в молекуле ацетилена были одинаковы, то можно было бы ожидать энергию образования тройной связи 1020 кДж/моль. Следовательно, природа двух связей в тройной связи иная, чем в одинарной.

Названия углеводородного ряда ацетилена по женевской номенклатуре производятся от названий соответствующих предельных углеводородов, но окончание – ан заменяется на окончание – ин. Сам ацетилен по женевской номенклатуре называется этин.

Нумерацию атомов в формуле ацетиленового углеводорода начинают с того конца, к которому ближе расположена тройная связь.

Место тройной связи обозначается цифрой – номером того атома углерода, от которого начинается тройная связь.

Изомерия углеводородов ряда ацетилена зависит от изомерии цепи углеродных атомов и положения тройной связи.

2. Способы получения

Простой и широко распространенный способ получения ацетилена – из карбида кальция (СаС2). Карбид кальция получают в промышленном масштабе нагреванием угля в электрических печах с негашеной известью при температуре около 2500 °C:

Если на карбид кальция, представляющий собой обычно твердую серовато-коричневатую массу, подействовать водой, то он бурно разлагается с выделением газа – ацетилена:

Более новый производственный метод получения ацетилена – пиролиз углеводородов, в частности метана, который при 1400 °C дает смесь ацетилена с водородом:

2СН4 ? Н – С = С – Н + 3Н2

Общий способ получения углеводородов ацетиленового ряда – синтез их из дигалогенопроизводных путем отщепления элементов галогеноводорода спиртовым раствором щелочи.

25. Физические свойства алкинов

Углеводороды от С2Н2 до С4Н6 представляют собой при обычных условиях газы, начиная с углеводорода с пятью атомами углерода в молекуле – жидкости, а начиная с С16Н30 – твердые тела. Закономерности в отношении температур кипения и плавления в этом ряду те же, что и углеводородов ряда метана и ряда этилена.

Химические свойства

Углеводороды ряда ацетилена в еще большей степени являются ненасыщенными, чем олефины. Для них характерны нижеперечисленные реакции.

1. Присоединение водорода. При этой реакции, так же как и при ряде других реакций, процесс присоединения идет в две стадии. Реакция, как в случае олефи-нов, протекает в присутствии катализаторов Pt, Ni.

2. Присоединение галогенов. Механизм присоединения галогенов к ацетилену такой же, как и к этилену.

Две стадии присоединения галогенов к ацетилену идут с разными скоростями: первая стадия идет медленнее, чем при присоединении к олефинам, т. е. практически ацетилен галогенизуется медленнее этилена. Это объясняется меньшим межатомным расстоянием между ненасыщенными атомами в молекуле ацетилена и близостью положительно заряженных ядер, способных отталкивать приближающиеся катионы.

3. Присоединение воды. Реакция присоединения воды к ацетилену, протекающая при каталитическом действии солей ртути, была открыта русским ученым М. Г. Кучеровым и обычно называется его именем. Реакция имеет большое практическое значение, т. к. уксусный альдегид в огромных количествах применяется в технике для получения уксусной кислоты, этилового спирта и ряда других веществ.

4. Полимеризация ацетиленовых углеводородов. В зависимости от условий реакция протекает различно. Так, ацетилен при пропускании через раствор CuСl и NH4Сl1 в соляной кислоте при 80 °C образует винил-ацетилен.

Эта реакция имеет большое практическое значение, так как винил-ацетилен, легко присоединяя НСI, превращается в хлоропрен.

Описанные реакции присоединения характерны для всех непредельных углеводородов, как этиленовых, так и ацетиленовых. Однако существуют реакции, свойственные только ацетиленовым углеводородам и резко отличающие их от этиленовых углеводородов.

5. Реакция образования металлоорганических соединений. Атомы водорода, стоящие у атомов углерода, связанных тройной связью, обладают способностью замещаться металлом. Если, например, пропускать ацетилен через аммиачный раствор хлорида меди (I), то образуется красно-бурый осадок ацетиленистой меди (ацетиленида меди):

Н—С?С—H + 2CuCl2 + 2NH3 ? Cu—С?С—Cu + 2NH4Cl.

26. Ациклические углеводороды

Название алициклических соединений возникло в связи с тем, что они содержат циклы, но по свойствам близки веществам жирного ряда – алифатическим соединениям. Алициклические соединения не содержат характерных для производных бензола ароматических связей.

Исключительно большая роль в изучении алицикли-ческих соединений принадлежит русским ученым. Основоположником химии алициклических соединений является В. В. Марковников.

Большая группа углеводородов алициклического ряда представляет собой циклы, состоящие из нескольких метиленовых групп; эти углеводороды называются полиметиленовыми. Вторая большая группа алициклических углеводородов – производные мен-тана, к которому близки терпены.

Полиметиленовые углеводороды, или циклоалканы

Полиметиленовые углеводороды состоят из нескольких метиленовых групп (СН2), имеют общую формулу СпН2 п, т. е. являются изомерными олефинам. Полиметиленовые углеводороды называются также циклопарафинами, так как они, имея циклическое строение, в большинстве случаев обладают свойствами, близкими парафинам. Очень часто эти углеводороды, по предложению В. В. Марковникова, называют также нафтенами (что связано с выделением ряда их представителей из нефти).

Отдельные представители

Отдельные представители полиметиленовых углеводородов обычно называются по соответствующим насыщенным углеводородам жирного ряда с приставкой цикло-. Так, простейший полиметиленовый углеводород С3Н6 называется циклопропан; углеводород С4Н8 – циклобутан, углеводород С5Н10 – цикло-пентан и т. д. Способы получения

Такие циклопарафины, как циклопентан и циклогек-сан и их алкильные замещенные, в большом количестве содержатся в некоторых видах нефти, например в кавказской. Кроме того, существует ряд способов их синтетического получения, например отщепление двух атомов галогена от галогенопроизводных углеводородов жирного ряда, содержащих атомы галогена у соответствующих различных атомов.

Физические и химические свойства

Циклопропан и циклобутан при обычной температуре – газы, циклопентан и циклооктан – жидкости, высшие представители – твердые вещества.

По химическим свойствам циклопарафины близки парафинам. Это довольно стойкие в химическом отношении вещества, вступающие с галогенами в реакции замещения. Исключение составляют первые два представителя – циклопропан и циклобутан. Эти вещества, особенно циклопропан, ведут себя подобно ненасыщенным соединениям жирного ряда – они способны присоединять галогены с разрывом кольца и образованием дигалогенопроизводных жирного ряда. Различия в поведении циклопропана и циклобута-на и остальных представителей циклопарафинов объясняется теорией напряжения Байера.

27. Циклогексан, метан, терпены

Циклогексан (С6Н12) имеет весьма близкое отношение к ароматическому углеводороду бензолу, из которого может быть легко получен путем гидрирования:

С6Н6 + 6Н ? С6Н12.

В связи с этим циклогексан часто называют гексаги-дробензолом, рассматривая его как гидроароматическое соединение.

Гидроароматическими называются соединения, получающиеся в результате полного или частичного гидрирования бензольного ядра в ароматических соединениях.

Циклогексан в значительном количестве содержится в кавказской нефти. Как показал Н. Д. Зелинский, циклогексан при 300 °C в присутствии палладиевой черни (тонко раздробленного палладия) дегидрируется, превращаясь в бензол:

С6Н12 ? С6Н6 + 6Н.

Эта реакция лежит в основе процесса ароматизации нефти, имеющего большое народнохозяйственное значение.

При окислении азотной кислотой кольцо циклогек-сана разрывается, и образуется адипиновая кислота:

НООС—(СН2)4 —СООН.

Ментан, терпены

Ментан, или n-метилизопропилциклогексан, можно рассматривать как полностью гидрированный цимол, или п-метилизопропилбензол.

Ментан в природе не встречается, а получается синтетически гидрированием цимола.

Для облегчения обозначений многочисленных производных ментана нумеруют атомы углерода в его формуле, как показано.

Терпены – группа углеводородов, имеющих общую формулу С10Н16 и близких по своему строению мента-ну и цимолу. От ментана терпены отличаются меньшим содержанием водорода (т. е. обладают ненасыщенностью), а от цимола – большим содержанием водорода (т. е. являются гидрированными, хотя и не полностью, производными цимола).

Таким образом, терпены занимают промежуточное положение между цимолом – веществом ароматического ряда, и ментаном – полностью гидрированным производным цимола: С10Н14– цимол, С10Н16 – терпены, С10Н20 – ментан.

Терпены встречаются в природе в соке и смоле хвойных деревьев, а также во многих эфирных маслах ряда растений. Эфирные масла получают из различных частей растений, причем лучшие эфирные масла получают из цветов. Для получения эфирных масел пользуются различными методами; чаще всего их отгоняют с водяным паром, реже – извлекают органическими растворителями; существуют и другие способы получения. В эфирных маслах наряду с терпенами содержатся самые различные вещества, относящиеся к спиртам, альдегидам, кетонам и другим группам органических соединений.

28. Общие свойства терпенов

Все терпены – жидкости. Являясь неполностью гидрированными производными цимола, они содержат в молекулах двойные связи (одну или две) и поэтому способны присоединять бром, хлористый водород и т. д. Важное свойство терпенов – их способность окисляться кислородом воздуха. Процесс окисления терпенов очень сложен и протекает по-разному в сухом и влажном воздухе. В сухом воздухе происходит образование перекисных соединений, которые далее отдают свой кислород, превращаясь в окисные соединения. Окисляющие свойства долго стоявшего озонированного скипидара, основанные на присутствии в нем перекисных соединений, использовались ранее при применении такого скипидара в качестве противоядия, например при отравлении фосфором.

Терпены в зависимости от строения делятся на несколько групп, из которых наиболее большое значение имеют моноциклические и бициклические терпены.

Моноциклические терпены

Моноциклические терпены содержат в молекуле один цикл. Они присоединяют четыре атома брома, т. е. имеют две двойные связи. Представителем моноциклических терпенов может служить лимонен.

Лимонен имеет одну двойную связь в ядре – между первым и вторым атомами углерода – вторую – в боковой трехуглеродной цепи. Лимонен содержится во многих эфирных маслах, в частности в лимонном масле. Приятный запах лимонов зависит от лимонена, находящегося в эфирном масле лимонов; отсюда и возникло название «лимонен».

Лимонен содержится также в эфирных маслах некоторых хвойных растений, например в эфирном масле 28б сосновых игл. При перегонке с водяным паром хвои сосны и пихты получают «лесную воду» – жидкость с приятным ароматическим запахом. Бициклические терпены

Бициклические терпены содержат в молекуле два цикла. Их молекулы присоединяют по два атома брома, следовательно, бициклические терпены имеют одну двойную связь.

Различные группы бициклических терпенов обычно производят от углеводородов, не содержащих двойных связей, – карана, пинана и камфана, которые, кроме шестичленного цикла, содержат трех-, четырех– и пя-тичленные циклы. Соответственно, различают бицик-лические терпены групп карана, пинана и камфана.

При внимательном рассмотрении формул бицикли-ческих терпенов видно, что в построении их меньшего кольца принимает участие изопропильная группа Н3С-С-СН3, которая содержится также в ментане.

Наибольшее значение из бициклических терпенов имеет пинен, который относится к группе пинана.

Пинен – главная составная часть скипидаров, или терпентинных масел, получаемых из хвойных растений. Название «пинен» произошло от латинского названия pinus – сосна.

29. Ароматические углеводороды

Название «ароматические соединения» возникло на ранних этапах развития органической химии. К группе ароматических соединений относили ряд веществ, получаемых из природных смол, бальзамов и эфирных масел, обладающих приятным запахом. Впоследствии оказалось, что в основе ряда этих соединений лежит ядро углеводорода бензола С
  1   2   3

Реклама:





Скачать файл (1309.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru