[ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Уральский государственный экономический университет
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Методические указания
по лабораторному практикуму
и самостоятельной работе
для студентов заочного отделения
товароведных и технологических специальностей
Екатеринбург
2001 Составители: Макаренко И.М.
Аксенова Т.Ф.
Калугина И.Ю.
2
ВВЕДЕНИЕ
Данные методические указания предназначены для самостоятельной подготовки студентов к выполнению лабораторных занятий по органической химии.В методические указания включены только важнейшие и необходимые положения для закрепления теоретического курса. Для более подробного изучения материала студенты отсылаются к учебнику.
Лабораторные работы объединены по классам органических соединений. При проведении опытов используются очень малые количества реактивов. Реакции выполняются в полумикрохимических пробирках или на предметных стеклах. Используются капельные реакции на фильтровальной бумаге.
Для успешного прохождения лабораторного практикума и овладения курса органической химии следует дома провести следующую подготовку:
1) внимательно прочитать в данном руководстве теоретические объяснения перед каждым классом органических соединений;
2) ознакомиться с методикой проведения опытов, понять их значение;
3) уяснить уравнения реакций, лежащих в основе опыта;
4) подготовить лабораторный отчет по прилагаемой схеме, не заполняя графы наблюдения и выводы по опыту.
Схема отчета по лабораторной работе следующая.
Расчерчивается таблица на развернутом листе ученической тетради:
на левой странице № опыта| Название опыта | Исходные вещества, | Наблюдения | | краткое описание опыта | на правой странице Уравнения реакций | Выводы Для проверки умения студентами применять полученные знания к решению конкретной задачи, в методических указаниях приводятся индивидуальные задания, которые будут выполняться каждым студентом самостоятельно на аудиторных занятиях.
Учебно-методическая литература 1. Артеменко А.И. Органическая химия. М.: Высшая школа, 2000.
2. Писаренко А.П. Курс органической химии. М.: Высшая школа, 1985.
3. Нечаев А.Н., Еременко Т.В. Органическая химия. М.: Высшая школа, 1985.
4. Степаненко Б.Н. Курс органической химии. М.: Высшая школа, 1982.
5. Программа курса « Органическая химия». Екатеринбург.:УрГЭУ, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО
НОМЕНКЛАТУРЕ
Тривиальная номенклатура – это случайные названия органических соединений, отражающие их природный источник, способ получения, свойство, фамилию ученого и т.д. Например, муравьиная кислота, хлороформ, кетон Михлера.
Рациональная номенклатура учитывает строение называемого соединения. Названия образуются от первых членов гомологического ряда (метан, этилен, карбинол и т.д.), у которых атомы водорода замещаются на другие атомы и группы атомов:
СН3 – СН – СН2 – СН3 СН3 – СН2 – СН – ОН | | СН3 СН диметилэтилметан метилэтилкарбинол Номенклатура ИЮПАК строится следующим образом: выбирается наиболее длинная цепь атомов углерода и нумеруется, нумерация начинается с того конца, к которому ближе радикал-заместитель. При наличии нескольких заместителей сумма цифр, обозначающих положение их в цепи, должна быть наименьшей. В названии вещества указывается цифрой место заместителя, называется сам заместитель, а затем главная цепь по числу атомов углерода с добавлением суффикса, соответствующего тому или иному классу органических соединений. Если радикалы повторяются, то перечисляются цифры, указывающие их положение, а число одинаковых радикалов указывается приставками ди-, три-, тетра- и т.д:
7 6 5 4 СН3 – СН2 – СН2 – СН – СН – СН | | 3,4-диметилгептан CH3 СН2 – СН 2 При наличии кратной связи или функциональной группы главная цепь выбирается таким образом, чтобы в нее входила кратная связь или углеродный атом, содержащий функциональную группу. Нумерация цепи начинается с того конца, к которому ближе кратная связь или функциональная группа. Ее место указывается цифрой перед названием главной цепи:
Суффиксы важнейших классов органических соединений:
ненасыщенные углеводороды ненасыщенные углеводороды Названия наиболее характерных радикалов и функциональных групп:
СН3 – метил; СН3 – СН2 – этил; СН3 – СН2 – СН2 – н. пропил или первичный пропил; СН3 – СН – СН3 изопропил или вторичный пропил;
СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – первичный бутил;
СН3 – СН2 – СН – СН3 вторичный бутил;
СН2 = СН – винил; С6Н5 – фенил; С6Н5 –СН2 – бензил;
–ОН гидроксигруппа; =С=О оксогруппа; –SO3H сульфогруппа;
–NO2 нитрогруппа; –N=O нитрозогруппа; – С N нитрильная или цианогруппа; –NH2 аминогруппа; –N=N– азогруппа.
Принципы названия циклических соединений те же самые, что и в алифатическом ряду. К наименованию главной цепи углеводорода добавляется приставка цикло-: циклопропан, циклогексан и т.д.
Углеводороды ароматического ряда называются как производные бензола, у которого атомы водорода замещены на другие атомы или группы атомов. Например, метилбензол, орто- диметилбензол (смотри стр.8).
УГЛЕВОДОРОДЫ
Углеводороды алифатического ряда RH отличаются друг от друга различным характером связей в молекуле: предельные, т.е. содержащие только ординарные - связи, и непредельные, содержащие, кроме -связей, еще -связи (двойные или тройные). Электронное строение - и - связей различно (смотри учебник), поэтому различна у них реакционная способность. Как правило, - связи прочные, для их разрыва требуются особые условия; а - связи реакционноспособные, легко разрываются.Отсюда, предельные углеводороды вступают в реакции замещения атомов водорода при высоких температурах, УФ-облучении. Непредельные углеводороды дают реакции присоединения с разрывом - связи при нормальных условиях или невысоких температурах, в присутствии катализаторов кислого характера (опыт 1).
При написании соответствующих уравнений реакций нужно помнить следующие правила:
1) в предельных углеводородах атом водорода наиболее активен у третичного атома углерода, затем - у вторичного, у первичного - имеет наименьшую активность;
2) в непредельных углеводородах реакция присоединения по кратной связи идет по правилу Марковникова - атом водорода из реагента присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода при двойной или тройной связи;
3) реакция отщепления молекулы галогеноводорода или воды происходит по правилу Зайцева - атом водорода в углеводородной цепи отщепляется от менее гидрогенизированного атома углерода, стоящего рядом с атомом углерода, содержащим функциональную группу.
СН3–С–СН2–СН3 + Cl2 СН3–С–СН2–СН3 + HCl Реакция окисления также идет различно в ряду предельных и непредельных углеводородов. Предельные углеводороды окисляются в жестких условиях (высокие температуры, сильные окислители) с расщеплением цепи атомов углерода и образованием карбоновых кислот с меньшим числом атомов углерода в молекуле.
Непредельные углеводороды легко вступают в реакцию окисления:
а) в мягких условиях по месту разрыва - связи образуются двухатомные спирты - гликоли;
б) при повышенных температурах разрывается цепь атомов углерода по кратной связи, и образующиеся осколки молекул окисляются до конечных продуктов реакции - главным образом кислот (опыт 2).
СН2=СН–СН2–СН Имеется особая реакция в ряду углеводородов ацетиленового ряда.
Атомы водорода при углероде с тройной связью обладают слабо кислотным характером и способны замещаться на металл в реакции со специфическими реагентами: аммиачным раствором оксида серебра [Ag(NH3)2]OH, аммиачным раствором хлорида меди [Cu(NH3)2]Cl, амидом натрия NaNH2 (опыт 3).
Н-С С-Н + 2 [Ag(NH3)2]OH Ag-C C-Ag + 4NH3 + 2H2O Углеводороды ароматического ряда ArH имеют особенности в электронном строении молекул (смотри учебник). Следует обратить внимание на то, что это ненасыщенные соединения, но за счет циклического строения и наличия эффекта сопряжения для них наиболее характерны реакции замещения атомов водорода при углеродных атомах в цикле и менее характерны реакции присоединения по - связи в цикле.
В молекуле бензола в мягких условиях (невысокая температура, катализаторы кислого характера) идет реакция замещения любого атома водорода, так как реакционная способность в нем всех атомов углерода одинаковая.
Наличие заместителей в бензольном ядре влияет на ход реакции. Заместители 1 рода – электронодонорные группы (R–, –OH, –NH2, галогены) облегчают реакции замещения и направляют новый заместитель по отношению к себе в орто- (рядом) и пара- (через два атома углерода) положение. Заместители 2 рода – электроноакцепторные группы (–СООН, –NO2, –SO3H, =C=O) затрудняют реакции и направляют новый заместитель в мета - (через один атом углерода) положение.
В молекуле нафталина в реакциях замещения - положение наиболее активно (опыт 4).
Ароматические углеводороды имеют прочный цикл, поэтому реакции окисления по бензольному ядру идут в очень жестких условиях (высокие температуры, сильные окислители). Боковая цепь окисляется легче с образованием карбоновых кислот. Нужно помнить, что какой бы длины не была боковая цепь, окисляется атом углерода связанный с бензольным ядром, остальные атомы углерода и водорода окисляются до СО2 и Н2О (опыт 5).
Опыт 1. Бромирование углеводородов алифатического ряда Выполнение опыта. В одну пробирку помещают 5 капель алканов, в другую столько же алкенов. В обе пробирки вносят по 3 капли бромной воды (это реагент Br2 растворенный в воде). Пробирки встряхивают одну минуту.
Наблюдение. В какой из пробирок происходит обесцвечивание раствора?
Вывод. Какие углеводороды легче вступают в реакцию? Какой тип реакции они дают? Может ли реакция с бромом служить качественной реакцией на кратную связь?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций бутана и 1-бутена с бромом. Укажите условия и тип каждой реакции. Какие реакционные центры в молекулах наиболее активны?
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций с одним молем брома для следующих углеводородов:
1) 1-пропана, 2-метил-2-бутена;
2) бутана, 2,3-диметил-1-бутена;
3) изобутана, 1-пентена;
4) 2,2-диметилбутана, 1-бутена;
5) 2,3-диметилбутана, 1-гексена;
6) 2,2-диметилпентана, 2,6-диметил-2-октена;
7) 2-метилпентана, 2-метил-2-пентена;
8) 2,3-диметилпентана, 3,3-диметил-1-пентена;
9) изогексана, 2,4-диметил-2-пентена;
10) 2,4-диметилгексана, 2,3,3-триметил-1-бутена;
11) 3-этилпентана, 2-метил-1-бутена;
12) 2,2,3-триметилпентана, 2,3-диметил-1-бутена;
13) гексана, 1-гексена;
14) октана, 3-октена;
15) 2,3-диметилгексана, 3,4-диметил-2-гексена.
Опыт 2. Окисление углеводородов алифатического ряда Выполнение опыта. В одну пробирку вносят 5 капель алканов, в другую столько же алкенов. Затем в обе пробирки прикапывают по 3 капли раствора KMnO4. Реакционную смесь встряхивают 1 минуту.
Наблюдение. В какой пробирке произошло изменение окраски раствора?
Вывод. Какие углеводороды легче вступают в реакцию окисления?
По каким связям идет реакция окисления? Может ли реакция с KMnO служить качественной реакцией на кратную связь?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций окисления 2-метил-2-бутена в мягких и жестких условиях.
Индивидуальные задания. Для следующих углеводородов напишите уравнения реакций окисления в мягких условиях (до гликолей) и в жестких условиях (с разрывом цепи по месту двойной связи):
1) 2,3-диметил-1-пентена;
2) 2,7-диметил-4-октена;
3) 2,5-диметил-3-гексена;
4) 2-метил-1-пентена;
5) 3,3-диметил-1-бутена;
8) 4-метил-2-гексена;
9) 3-метил-1-гексена;
10) 2-метил-3-гексена;
11) 2-метил-2-пентена;
12) 3-метил-1-пентена;
Опыт 3. Получение и свойства ацетилена Выполнение опыта. Для исследования свойств ацетилена в одну пробирку наливают 3 капли бромной воды, в другую-3 капли перманганата калия, в третью- 3 капли аммиачного раствора оксида серебра. В четвертую сухую пробирку помещают маленький кусочек карбида кальция, добавляют 7-10 капель дистиллированной воды и быстро закрывают пробкой с газоотводной трубкой.
Наблюдение. Выделяются ли пузырьки газа?
Конец газоотводной трубки с ацетиленом поочередно опускают в пробирки с ранее приготовленными растворами так, чтобы газ пробулькивал через раствор.
Наблюдение. Происходит ли обесцвечивание растворов в двух первых пробирках? Выпадает ли осадок в третьей пробирке?
Вывод. Какой тип реакции характерен для ацетилена с каждым из трех взятых реагентов? Какие из этих реакций возможны для этиленовых углеводородов, а какие только для ацетиленовых углеводородов?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций получения ацетилена из карбида кальция, а затем взаимодействия его с бромом, марганцевокислым калием и аммиачным раствором оксида серебра.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций с аммиачным раствором оксида серебра (если они невозможны, то объясните почему) для следующих углеводородов:
1) 3-метил-1-бутина;
2) 1-гексина;
3) 2-пентина;
4) 3-метил-1-гексина;
5) 3,4-диметил-1-гексина;
6) 3,3-диметил-1-гексина;
7) 2-гексина;
8) 1-бутина;
9) 2-бутина;
10) 3,4-диметил-1-пентина;
11) 4,4-диметил-1-пентина;
12) 3-этил-1-гексина;
13) 3-гексина;
14) пропина;
15) 3,4-диметил-1-октина.
Опыт 4. Нитрование ароматических углеводородов Выполнение опыта. В две сухие пробирки вносят по 5 капель концентрированной азотной кислоты и по 7 капель концентрированной серной кислоты. В третью сухую пробирку вносят 5 капель только концентрированной азотной кислоты. В первую пробирку добавляют капель бензола, во вторую - 5 капель толуола, в третью - несколько кристалликов нафталина. Все пробирки встряхивают и помещают на 3- минуты в водяную баню, нагретую до 50-600. Затем пробирки охлаждают до комнатной температуры и наливают в них воду до половины пробирки.
Наблюдения. В какой пробирке на дне образуется больше маслянистого продукта желтого цвета с запахом горького миндаля?
Вывод. На основании правила ориентации в бензольном ядре объясните, какой из углеводородов легче вступает в реакцию замещения, какие изомеры образуются. Как идет реакция нитрования нафталина по сравнению с бензолом, какой изомер получается?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций нитрования бензола, толуола, нафталина.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций нитрования и сульфирования для следующих углеводородов:
1) 1-бромбензола;
2) бензойной кислоты;
3) фенола;
4) мета-бромтолуола;
5) сульфобензола;
6) 2-нитронафталина;
7) 1-метилнафталина;
8) бензойного альдегида;
9) хлорбензола;
10) нитробензола;
11) пара-нитротолуола;
12) 1-пропилнафталина;
13) мета-ксилола;
14) мета-сульфотолуола;
15) пара-нитрохлорбензола.
Опыт 5. Окисление ароматических углеводородов Выполнение опыта. В каждую из двух пробирок помещают по 3 капли раствора KMnO4 и по 1 капле 2н раствора H2SO4, перемешивают. Затем в первую пробирку вносят 4 капли толуола, во вторую - несколько кристалликов нафталина. Пробирки встряхивают и оставляют на 1-2 минуты.
Наблюдение. Изменяется ли в пробирках окраска перманганата калия?
Вывод. Как относится к действию слабых окислителей бензольное ядро и боковая цепь? Как окисляется нафталин по сравнению с бензолом?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций окисления бензола, толуола и нафталина. Укажите, какие используются реагенты и условия в каждой реакции.
Индивидуальные задания. Для следующих соединений напишите уравнения реакций окисления:
1) этилбензола;
2) пропилбензола;
3) 2-метилнафталина;
4) 1-метилнафталина;
5) 1,4-диметилбензола;
6) мета-метилэтилбензола;
7) орто-хлортолуола;
8) пара-пропилэтилбензола;
9) мета-диэтилбензола;
10) 1-нитронафталина;
11) орто-сульфотолуола;
12) пара-нитротолуола;
13) 2-нитронафталина;
14) мета-дибутилбензола;
15) пара-дипропилбензола.
СПИРТЫ И ФЕНОЛЫ
Спирты и фенолы имеют общую функциональную группу –ОН (гидроксильную). Если –ОН связана с алифатическим радикалом, то такие соединения называются спиртами, их общая формула ROH. Если гидроксильная группа связана с ароматическим радикалом, то это фенолы с общей формулой ArOH. Спирты и фенолы относятся к полярным соединениям, так как содержат разные по электроотрицательности атомы. ПриO H, а в фенолах чем, в спиртах действует индукционный эффект R индукционный и мезомерный эффекты (смотри учебник).Поэтому свойства спиртов и фенолов во многом отличны друг от друга.
В молекуле спирта и фенола можно выделить несколько реакционных центров:
III I III I
I- реакционный центр - замещение атома водорода в гидроксильной группе, который определяет кислотные свойства спиртов и фенолов. Спирты, обладающие очень слабо кислыми свойствами, реагируют только с металлами. А фенолы, имеющие более кислый характер, могут реагировать как с металлами, так и с гидроксидами металлов.Алкоголяты - соли, образованные очень слабой кислотой (слабее воды) и сильным основанием, способны гидролизоваться и водный раствор будет иметь щелочную реакцию (опыт 6).
Феноляты могут разлагаться минеральными кислотами (опыт 7).
C увеличением числа гидроксильных групп в молекулах спиртов кислотные свойства их возрастают. Поэтому многоатомные спирты могут реагировать не только с металлами, но и с гидроксидами тяжелых металлов (опыт 8).
II-реакционный центр - замещение гидроксильной группы. Он определяет основные свойства спиртов и фенолов. В спиртах гидроксильная группа подвижна, дает многие реакции обмена, в частности, реагирует с минеральными кислотами.
В фенолах гидроксильная группа мало подвижна, реакции обмена этой группы идут в жестких условиях или с сильными реагентами.
III-реакционный центр - реакции по радикалу. Этот тип реакций мало характерен для спиртов, но очень важен в классе фенолов. В бензольном ядре гидроксильная группа сильный ориентант 1-го рода, поэтому облегчает реакции и направляет новый заместитель по отношению к себе в орто- и в пара- положение Для спиртов характерна реакция дегидратации, идущая в присутствии концентрированной серной кислоты. В зависимости от температурных условий образуются различные вещества:
а) межмолекулярная дегидратация идет при температуре ниже 1200 с избытком спирта, при этом получаются простые эфиры.
б) внутримолекулярная дегидратация идет при температуре выше 120 без избытка спирта с образованием непредельных углеводородов.
СН3–CH2 – СН–СН3 СН3–СН = СН–СН3 + Н2О Отщепление молекулы воды произошло по правилу Зайцева (правило смотри выше на стр.7).
Окисление спиртов и фенолов идет значительно легче, чем соответствующих углеводородов, и зависит от строения спирта или фенола и силы окислителя (смотри учебник) (опыт 9).
Опыт 6. Образование и гидролиз алкоголятов Выполнение опыта. В сухую пробирку помещают кусочек металлического натрия и добавляют 10-15 капель этилового спирта.
Наблюдение. Выделяется ли газ? Какой?
После полного растворения натрия в спирте (если натрий не полностью растворился, то добавляют еще несколько капель спирта) в пробирку добавляют 5-8 капель воды и каплю фенолфталеина.
Наблюдение. Какой цвет приобретает раствор в пробирке? Какая среда обнаруживается с помощью индикатора фенолфталеина?
Вывод. Какое свойство проявляют спирты в реакции с металлами?
Какова сила спиртов как кислот, если образующиеся алкоголяты подвергаются гидролизу с образованием щелочной среды?
Уравнения реакций. Напишите уравнение реакции этанола с натрием, а затем уравнение реакции гидролиза образующегося алкоголята.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций образования алкоголята и разложения его водой:
1) бариевого алкоголята изопропилового спирта;
2) натриевого алкоголята вторичного бутилового спирта;
3) литиевого алкоголята 1-пентанола;
4) кальциевого алкоголята 2-метил-2-пропанола;
5) калиевого алкоголята третичного гексилового спирта;
6) магниевого алкоголята 2-бутанола;
7) калиевого алкоголята 3-гексанола;
8) литиевого алкоголята третичного бутилового спирта;
9) стронциевого алкоголята 3-метил-2-бутанола;
10) алюминиевого алкоголята 1-пропанола;
11) этилата алюминия;
12) пропилата бария;
13) бутилата кальция;
14) метилата алюминия;
15) литиевого алкоголята 2-бутанола.
Опыт 7. Получение фенолята и его разложение Выполнение опыта. В пробирку помещают несколько кристалликов 2-нафтола и добавляют при перемешивании по каплям 2н раствор гидроксида натрия до полного растворения кристаллов.
Наблюдение. Сохранился ли запах исходного 2-нафтола?
Затем в пробирку по каплям при встряхивании добавляют 2н раствор серной кислоты до выпадения осадка.
Наблюдение. Полученный осадок сравнивают с исходным веществом 2-нафтолом, похожи ли они?
Вывод. Какие свойства проявляют фенолы в реакции со щелочами? В спиртах или в фенолах более сильные кислотные свойства? Как выделить из фенолятов фенолы?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций взаимодействия 2-нафтола с гидроксидом натрия, а затем полученного нафтолята с серной кислотой.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций с раствором гидроксида натрия и разложения полученных фенолятов разбавленной серной кислотой для следующих фенолов:
1) 2-нафтола;
2) мета-нитрофенола;
3) орто-хлорфенола;
4) 2,6-динитрофенола;
5) мета-крезола;
6) гидрохинона;
7) мета-нитрофенола;
8) пара-бромфенола;
9) 5-бром-1-нафтола;
10) орто-изопропилфенола;
11) мета- фторфенола;
12) орто-гидроксибензойной кислоты;
13) 4-метил-1-нафтола;
14) 5-бром-1-нафтола;
15) резорцина.
Опыт 8. Взаимодействие многоатомных спиртов с гидроксидами Выполнение опыта. В две пробирки помещают по 1 капле 2н раствора сульфата меди и по 6 капель 2н раствора гидроксида натрия, тщательно перемешивают.
Наблюдение. Какой вид имеет образовавшийся продукт и какова его формула?
Затем в первую пробирку добавляют 2 капли глицерина, во вторую-2 капли этанола. Смесь встряхивают для полного перемешивания реакционной массы.
Наблюдение. В пробирке с каким веществом произошло изменение окраски? Какой образовался цвет и с чем это связано?
Вывод. Какое свойство проявляет глицерин в реакции с гидроксидом меди? Каковы кислотные свойства одно- и многоатомных спиртов? Может ли служить данная реакция качественной реакцией на многоатомные спирты?
Уравнения реакций. Напишите уравнение реакции взаимодействия сульфата меди с гидроксидом натрия, а затем уравнение реакции глицерина с гидроксидом меди.
Опыт 9. Окисление спиртов Выполнение опыта. В пробирку помещают 3 капли 2н раствора серной кислоты и 3 капли двухромовокислого калия, перемешивают.
Наблюдение. Какой цвет имеет реакционная масса? Какой элемент и с какой степенью окисления дает такую окраску?
Затем в пробирку вносят 5 капель этилового спирта. Содержимое пробирки встряхивают и нагревают на кипящей водяной бане до появления зеленой окраски раствора.
Наблюдение. Какой элемент и с какой степенью окисления дает зеленую окраску?
Вывод. Что образовалось в результате реакции окисления этанола?
Как окисляются первичные и вторичные спирты?
Уравнения реакций. Уравнение реакции, ведущей к образованию окислителя:
K2Cr2O7 + 4H2SO4 K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 4H2O + 3[O] С данным окислителем напишите уравнение реакции окисления этанола.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций окисления следующих спиртов, укажите условия реакций, назовите продукты:
1) 3,3-диметил-1-бутанола;
2) 2-бутанола;
3) 4-метил-1-пентанола;
4) 3-метил-2-бутанола;
5) 2-метил-1-пропанола;
6) 3-метил-2-пентанола;
7) 3,3-диметил-2-пентанола;
8) 4-метил-2-пентанола;
9) 2-метил-1-пентанола;
10) 2-пентанола;
11) 3-метил-2-гексанола;
12) 3-гексанола;
13) 1-пентанола;
14) 2-метил-1-гексанола;
15) 1-гептанола.
АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ
Альдегиды и кетоны имеют общую функциональную карбонильную группу С=О. Реакционные центры в молекуле:I-реакционный центр по карбонильной группе. Это полярная группа, содержащая двойную связь. Для нее характерны реакции присоединения и замещения. Альдегиды в этих реакциях проявляют большую реакционную способность, чем кетоны.
Реакции присоединения идут в мягких условиях. Наиболее характерные реагенты: синильная кислота, гидросульфит натрия, спирты (опыт 10).
Пример реакции замещения:
II- реакционный центр - по радикалу. У алифатических альдегидов и кетонов наиболее активно -положение в радикале, по которому идут реакции замещения.
В ароматическом ряду карбонильная группа является ориентантом II-рода.
Реакции окисления альдегидов идут значительно легче, чем кетонов, с образованием карбоновых кислот. Реагентами служат слабые окислители: аммиачный раствор оксида серебра [Ag(NH3)2]OH, реактив Фелинга. С этими реагентами проводят качественные реакции на альдегидную группу.
COOK COOK
реактив Фелинга синего цвета Кетоны окисляются сильными окислителями с разрывом цепи атомов углерода около карбонильной группы, преимущественно по 1 направлению.Для альдегидов и кетонов очень важными являются реакции конденсации (смотри учебник), в частности альдольной и кротоновой конденсации.
Альдольная конденсация характерна для альдегидов, так как идет в мягких условиях. Она осуществляется как реакция присоединения за счет карбонильной группы одной молекулы и атомов водорода в -положении радикала другой молекулы.
CH3 – CH2 – C = O + CH3 – CH – C = O CH3–CH2–CH–CH–C=O
H H H OH H
Кротоновая конденсация идет в более жестких условиях как реакция замещения атома кислорода в карбонильной группе одной молекулы и двух атомов водорода в -положении в другой молекуле альдегида или кетона.Опыт 10. Взаимодействие альдегидов и кетонов с гидросульфитом Выполнение опыта. На предметное стекло наносят в двух местах по 2 капли раствора гидросульфита натрия. Затем к одной части добавляют капли ацетона, к другой – 2 капли бензальдегида и оставляют на 4-5 минут.
Наблюдение. Образование кристалликов по краям пятен.
Вывод. По какому реакционному центру идут реакции данного типа?
Почему они характерны для альдегидов и кетонов?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций взаимодействия ацетона и бензальдегида с гидросульфитом натрия.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций с гидросульфитом натрия и синильной кислотой для следующих веществ:
1) 3-метилбутаналя;
2) 2,3-диметилпентаналя;
3) 2-бутанона;
4) 2-пентанона;
5) 2-этилпентаналя;
6) 2,4-диметилгексаналя;
7) 3-метил-2-гексанона;
8) 3-этилгексаналя;
9) 2,4-диметилпентаналя;
10) 3,3-диметилгексаналя;
11) 2,4-диметил-3-пентанона;
12) 3-метил-2-бутанона;
13) 3,3-диметилбутаналя;
14) 2-метилбутаналя;
15) 2,2-диметилпентаналя.
Опыт 11. Сравнение действия слабых окислителей на альдегиды и Выполнение опыта. В одну пробирку вносят 5 капель раствора формальдегида, в другую – 2 капли ацетона и 2 капли воды. В обе пробирки добавляют по 7 капель раствора реактива Фелинга.
Наблюдение. Какой цвет у реакционной массы?
Нагревают обе пробирки на водяной бане до появления красного осадка в одной из пробирок.
Наблюдение. В какой пробирке и с каким веществом произошло изменение окраски?
Вывод. Реактив Фелинга является слабым или сильным окислителем? Как относятся к действию таких окислителей альдегиды и кетоны?
На какую функциональную группу реактив Фелинга служит качественной реакцией? Как изменилась степень окисления меди в этой реакции и какой окраске раствора она соответствует?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции формальдегида с реактивом Фелинга, который запишите в структурном виде.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций окисления реактивом Фелинга или более сильным окислителем веществ, приведенных в опыте 10. Укажите конкретные окислители и условия реакций.
КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Карбоновые (органические) кислоты содержат функциональную карбоксильную группу О В зависимости от строения радикала и количества карбоксильных групп существует несколько видов органических кислот. Если через А обозначить любой органический радикал, то в молекуле кислоты можно выделить следующие реакционные центры:I и II – реакционные центры определяют свойства самой карбоксильной группы. Поэтому эти типы реакций характерны для всех органических кислот, а влияние радикала может только усилить или ослабить эти свойства.
I-реакционный центр - замещение атома водорода в карбоксильной группе. Этот центр обусловливает кислотные свойства карбоновых кислот. Сила кислот зависит от строения радикала (смотри учебник). Карбоновые кислоты диссоциируют в водном растворе, реагируют с металлами, оксидами, гидроксидами металлов (опыт 12).
II- реакционный центр - замещение гидроксильной группы. Этот тип реакций приводит к получению производных кислот: ангидридов, галогенангидридов, амидов, сложных эфиров.
Производные кислот подвергаются гидролизу с образованием исходных кислот и являются более реакционноспособными, чем сами кислоты.
III- реакционный центр - реакции по радикалу. Этот тип реакций зависит от строения радикала (смотри учебник).
Опыт 12. Кислотные свойства карбоновых кислот 1 часть. Выполнение опыта. В две пробирки помещают по 3 капли ледяной уксусной кислоты и по 3 капли воды, перемешивают. Затем в одну пробирку вносят лакмус синий, в другую – фенолфталеин.
Наблюдение. Как меняется окраска индикаторов в растворах?
Вывод. Какую среду показывают индикаторы в водном растворе органических кислот? Общее ли это свойство для кислот?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции диссоциации уксусной кислоты.
2 часть. Выполнение опыта. В пробирку помещают 5 капель ледяной уксусной кислоты, 3 капли воды, перемешивают. Добавляют несколько крупинок магния, встряхивают.
Наблюдение. Наблюдается ли выделение газа?
Вывод. Какой газ выделяется? Какое свойство проявляет уксусная кислота в реакции с металлами? По какому реакционному центру идет данная реакция? Общее ли это свойство карбоновых кислот?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции взаимодействия уксусной кислоты с магнием.
3 часть. Выполнение опыта. В пробирку помещают 5 капель ледяной уксусной кислоты, 3 капли воды, перемешивают. Добавляют в пробирку несколько кристалликов карбоната натрия и перемешивают.
Наблюдение. Выделяются ли пузырьки газа?
Вывод. Какой газ выделяется? Кислотные свойства какой кислоты больше – уксусной или угольной? Вывод сделайте на основе общих правил взаимодействия кислот с солями.
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции уксусной кислоты с карбонатом натрия.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения следующих реакций, назовите продукты:
1) изомасляной кислоты с гидроксидом натрия;
2) муравьиной кислоты с аммиаком;
3) бензойной кислоты с магнием;
4) масляной кислоты с пятихлористым фосфором;
5) пропионовой кислоты с гидроксидом кальция;
6) валериановой кислоты с гидроксидом калия;
7) уксусной кислоты с аммиаком при различных температурах;
8) изовалериановой кислоты с гидроксидом лития;
9) масляной кислоты с пятихлористым фосфором;
10) акриловой кислоты с гидроксидом кальция;
11) пальмитиновой кислоты с гидроксидом калия;
12) бензойной кислоты с пятихлористым фосфором;
13) 1,5-пентандиовой кислоты с гидроксидом кальция;
14) янтарной кислоты с 2 молями пятихлористого фосфора;
15) олеиновой кислоты с гидроксидом калия.
СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ И ЖИРЫ
Сложными эфирами называются производные кислот и спиртов или фенолов (смотри предыдущий раздел и учебник), общей формулы Наиболее важной реакцией получения сложных эфиров является реакция этерификации – взаимодействие карбоновых кислот и спиртов.Особенности реакции этерификации: 1) реакция обратимая;
2) катализаторами служат кислоты, в частности серная кислота; 3) молекула воды отщепляется за счет гидроксильной группы кислоты (второй реакционный центр) и водорода от спирта (опыт 13).
Как все производные кислот, сложные эфиры подвергаются гидролизу. Причем гидролиз в кислой среде – это обратимый процесс, а в щелочной среде реакция не обратимая (часто ее называют реакцией омыления).
Жиры, точнее триглицериды, являются сложными эфирами трехатомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот. В состав жиров входят высшие предельные и непредельные карбоновые кислоты, последние могут содержать одну или несколько двойных связей (строение кислот смотри в учебнике).
Как правило, природные жиры содержат в молекуле триглицерида остатки разных высших карбоновых кислот и называются смешанными триглицеридами.
Как все сложные эфиры, триглицериды подвергаются гидролизу.
Часто его проводят в щелочной среде с образованием глицерина и солей высших карбоновых кислот, которые называются мылами (опыт 14):
CH2 –O– C – C15H CH2 – O – C – C17H Консистенция жиров зависит от строения кислот, входящих в состав триглицеридов: предельные кислоты образуют твердый жир, непредельные - жидкий. Жиры, содержащие непредельные кислоты, способны вступать в реакции присоединения по двойной связи подобно этиленовым углеводородам: реакция гидрогенизации, взаимодействие с галогенами. О значении этих реакций смотри учебник. (Опыт 15).
CH2–O–CO– (CH2)7 –CH=CH– (CH2)7 –CH CH–O–CO– (CH2)7 –CH=CH– (CH2)7 –CH3 + 3 H CH2–O–CO– (CH2)7 –CH=CH– (CH2)7 –CH CH2–O–CO– (CH2)7 –CH2–CH2– (CH2)7 –CH CH–O–CO– (CH2)7 –CH2–CH2– (CH2)7 –CH3 тристеарин CH2–O–CO– (CH2)7 –CH2–CH2– (CH2)7 –CH Опыт 13. Получение уксусноизоамилового эфира Выполнение опыта. В сухую пробирку вносят по 15 капель ледяной уксусной кислоты и изоамилового (изопентилового) спирта. Добавляют 5капель концентрированной серной кислоты, перемешивают и нагревают на водяной бане 7-10 минут, встряхивая реакционную массу, не доставая пробирку из бани. Затем охлаждают и добавляют дистиллированную воду почти до полной пробирки.
Наблюдение. Всплывает ли на поверхность маслянистая жидкость?
Ощущается ли запах грушевой эссенции?
Вывод. Какой класс соединений образуется при взаимодействии кислоты и спирта? Как называется эта реакция? В чем ее особенности?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции получения уксусноизоамилового эфира.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций получения сложных эфиров, а затем их кислотного и щелочного гидролиза:
1) изопропилового эфира масляной кислоты;
2) изобутилацетата;
3) диэтилоксалата;
4) моноацетата этиленгликоля;
5) пропилпропионата;
6) этилбутирата;
7) бутилформиата;
8) метилового эфира 2-метилбутановой кислоты;
9) изопропилпропионата;
10) метилацетата;
11) изопропилбутирата;
12) изопропилового эфира пальмитиновой кислоты;
13) диметилоксалата;
14) вторичного бутилпропионата;
15) триацетата глицерина.
Опыт 14. Омыление жира Выполнение опыта. В пробирку помещают кусочек жира величиной с маленькую горошину, приливают до половины пробирки спиртового раствора щелочи (спирт используется для лучшего растворения жира в реакционной массе). Тщательно перемешивают содержимое пробирки стеклянной палочкой и нагревают на водяной бане при 80-900 в течение 7- минут до образования однородной массы. При нагревании реакционную смесь следует перемешивать стеклянной палочкой, не доставая из бани пробирку. Затем в пробирку добавляют на 3/ 4 объема насыщенного раствора хлорида натрия и охлаждают стенки пробирки под струей холодной воды из-под крана. Раствор хлорида натрия добавляют для «высаливания»
мыла, т.е. для уменьшения его растворимости в воде.
Наблюдение. Образуется ли в верхней части пробирки продукт похожий на мыло?
Вывод. Почему жиры подвергаются гидролизу? К какому классу соединений они относятся? В какой среде процесс гидролиза обратим, а в какой – необратим? Почему щелочной гидролиз жиров называется реакцией «омыления»? Что такое мыла? Какое вещество после омыления жира осталось в водном растворе?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции омыления тристеарина гидроксидом натрия.
Опыт 15. Определение непредельности жиров Выполнение опыта. В пробирку вносят 5 капель жидкого жира и при перемешивании по каплям диэтиловый эфир до растворения жира. Затем при встряхивании медленно по каплям добавляют бромную воду до образования устойчивой желтой окраски реакционной массы.
Наблюдение. Происходило ли обесцвечивание бромной воды в начальный период добавления ее к жиру?
Вывод. Содержит ли исследуемый жир в своем составе непредельные кислоты? Как это обнаружено? От чего зависит консистенция жира (жидкий, твердый, мягкий)? Какое свойство жира может характеризовать реакция с бромом?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции триолеина с бромом. Формулу триглицерида приведите полностью в структурном виде.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций получения следующих триглицеридов, затем взаимодействия их с бромной водой и омыления гидроксидом натрия:
1) триолеина;
2) трилинолена;
3) трилиноленина;
4) диолеинопальмитина;
5) дипальмитиноолеина;
6) диолеиностеарина;
7) стеаринодиолеина;
8) диолеинолиноленина;
9) олеинопальмитиностеарина;
10) линоленостеаринопальмитина;
11) дистеаринолинолена;
12) стеариноолеинопальмитина;
13) дипальмитинолиноленина;
14) дилиноленопальмитина;
15) линоленодистеарина.
УГЛЕВОДЫ
Углеводы делятся на два вида: простые или моносахариды, монозы (не подвергаются гидролизу) и сложные – ди- и полисахариды (способны гидролизоваться) (опыты 19-20).Моносахариды относятся к соединениям со смешанными функциональными группами, это оксиальдегиды и оксикетоны. Углеводы имеют особенности в строении, следовательно, и в свойствах.
В молекуле моносахарида имеется несколько асимметрических атомов углерода, поэтому для них характерна оптическая изомерия - наличие антиподов, диастереоизомеров (смотри учебник).
Классу углеводов присуще явление таутомерии – подвижного равновесия открытой, т.е. оксикарбонильной формы, и циклической, т.е. полуацетальной формы. В зависимости от величины цикла различают пиранозную (шестичленный цикл) и фуранозную (пятичленный цикл) формы, которые могут переходить друг в друга через открытую оксикарбонильную форму.
,D-глюкофураноза D-глюкоза,D-глюкопираноза В циклической форме атом углерода с полуацетальным гидроксилом становится асимметрическим и поэтому его пространственное строение дает два изомера - и - формы.
Принадлежность к D- или L- ряду определяется по строению последнего асимметрического атома углерода в молекуле моносахарида при сравнении со стандартным веществом – глицериновым альдегидом. Если в молекуле моносахарида у последнего асимметрического атома углерода гидроксильная группа расположена справа, как и у глицеринового альдегида, это D-изомер, если слева - L-изомер. При сравнении пространственного строения того же последнего асимметрического атома углерода в молекуле моносахарида с расположением в пространстве полуацетального гидроксила находят - и - формы: если –ОН группы расположены по одну сторону от цепи атомов углерода, то это - изомер, по разные – это - изомер.
Поскольку моносахариды в растворах существуют в двух таутомерных формах, то в зависимости от реагентов и условий в реакцию вступает одна из форм. Если реагент легко вступает в реакцию по карбонильной группе, следовательно, участвует в реакции открытая форма моносахарида.
Например, реакции окисления, восстановления (опыт 16). Если реагент на спиртовые группы, то в реакцию вступает циклическая форма монозы, т.к.
углеводы здесь проявляют свойства многоатомных спиртов (опыт 17).
Полуацетальный гидроксил наиболее активен и при взаимодействии со спиртами дает полуацетали, которые в классе углеводов называются гликозидами (опыт 18).
Дисахариды образуются из моносахаридов в циклической форме и в зависимости от способа соединения делятся на два типа.
Восстанавливающие дисахариды образуются за счет полуацетального гидроксила одной молекулы моносахарида и любого спиртового гидроксила другой молекулы моносахарида. В природных дисахаридах чаще всего вступает в реакцию гидроксильная группа у четвертого атома углерода. В полученном дисахариде остается один свободный полуацетальный гидроксил, за счет которого возможно существование таутомерных форм.
Восстанавливающие дисахариды имеют альдегидную группу, за счет которой дают окислительно-восстановительные реакции и по свойствам подобны моносахаридам (опыты 16,17,18).
Невосстанавливающие дисахариды образуются за счет полуацетальных гидроксилов в обеих молекулах моносахаридов. В результате такой дисахарид не имеет свободного полуацетального гидроксила и не дает открытой формы. Для невосстанавливающих дисахаридов характерны свойства по гидроксильным группам подобные многоатомным спиртам (опыт 17).
Полисахариды образуются также из моносахаридов в циклической форме. Относятся они к невосстанавливающим углеводам и дают реакции только в циклической форме подобно многоатомным спиртам (опыты 20Опыт 16. Взаимодействие углеводов с реактивом Фелинга Выполнение опыта. В три пробирки наливают по 5 капель реактива Фелинга. Затем в первую пробирку добавляют 4 капли глюкозы, во вторую пробирку – 4 капли мальтозы, в третью пробирку – 4 капли сахарозы. Растворы встряхивают и нагревают на водяной бане до появления красного осадка в двух пробирках.
Наблюдение. С какими углеводами произошла реакция?
Вывод. Какой тип реакции осуществлен в этом опыте? Какая функциональная группа дает такой тип реакции? Какие из взятых углеводов относятся к восстанавливающим и невосстанавливающим дисахаридам? В какой таутомерной форме (открытой или циклической) идут данные реакции?
Уравнения реакций. Для глюкозы и мальтозы напишите уравнения реакций с реактивом Фелинга. Формулы углеводов пишите полностью в структурном пространственном виде.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций окисления реактивом Фелинга следующих моносахаридов:
1) D-маннозы;
2) D-галактозы;
3) L-глюкозы;
4) D-ксилозы;
5) D-арабинозы;
6) D-рибозы;
7) L-маннозы;
8) L-галактозы;
9) L-ксилозы;
10) L-рибозы;
11) L-арабинозы;
12) D-альдотетрозы;
13) D-альдогексозы;
14) L-альдогептозы;
15) L-альдопентозы.
Опыт 17. Открытие гидроксильных групп в углеводах Выполнение опыта. В одну пробирку помещают 3 капли глюкозы, во вторую – 3 капли мальтозы, в третью – 3 капли сахарозы. Затем в каждую пробирку добавляют по 5 капель 2н раствора гидроксида натрия и по одной капле 2н раствора сульфата меди. Реакционную массу в каждой пробирке тщательно перемешивают в течение 1-2 минуты до однородной массы.
Наблюдение. При смешивании растворов образуется ли голубой осадок (какого вещества)? Через несколько минут появился ли раствор синего цвета?
Вывод. За счет какой реакции происходит изменение окраски раствора? Свойство какого класса соединений проявляют углеводы в этом опыте?
В какой изомерной форме идут реакции данного типа и почему?
Уравнения реакций. Напишите уравнение реакции взаимодействия сульфата меди с гидроксидом натрия, а затем образующегося гидроксида меди с углеводами. Все формулы записывайте в структурном пространственном виде.
Опыт 18. Получение гликозидов Выполнение опыта. В сухую пробирку насыпают на высоту 0,5см кристаллическую ксилозу и добавляют 10-15 капель этилового спирта, насыщенного хлористым водородом. Реакционную массу нагревают на водяной бане 10-15 минут. Затем в пробирку добавляют 2н раствор щелочи до слабо щелочной среды и 3-5 капель реактива Фелинга, перемешивают и снова нагревают на водяной бане 2-3 минуты.
Наблюдение. Если ксилоза образовала гликозид, то должен ли меняться цвет реактива Фелинга?
Вывод. Какого строения углеводы (восстанавливающие или невосстанавливающие) реагируют со спиртами в кислой среде? В какой таутомерной форме идут данные реакции? Что образуется?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции ксилозы с этиловым спиртом, укажите условия реакции.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций получения гликозида при взаимодействии изопропилового спирта со следующими моносахаридами:
1),D-глюкопиранозой;
2),D-маннопиранозой;
3),D-фруктофуранозой;
4),D-фруктопиранозой;
5),D-галактопиранозой;
6),D-арабинопиранозой;
7),D-арабинофуранозой;
8),D-маннофуранозой;
9),D-галактофуранозой;
10),D-рибопиранозой;
11),D-арабинопиранозой;
12),D-ксилопиранозой;
13),L-глюкофуранозой;
14),D-альдопентафуранозой;
15),L-альдогексапиранозой.
Опыт 19. Гидролиз сахарозы Выполнение опыта. В пробирку помещают 9 капель раствора сахарозы, 5 капель 2н раствора серной кислоты, тщательно перемешивают и нагревают на водяной бане в течение 5-7 минут. Раствор охлаждают и разливают на две пробирки. В одну пробирку при постоянном перемешивании по каплям прибавляют 2н раствор гидроксида натрия до щелочной реакции на лакмус. Затем добавляют 5 капель реактива Фелинга и нагревают до появления красного осадка. Во вторую пробирку вносят 5 капель реактива Селиванова и нагревают до появления розовой окраски.
Наблюдения. Учитывая, что реактив Селиванова является реагентом для обнаружения кетоз, какие углеводы обнаружены в каждой из двух пробирок? Прошла ли реакция гидролиза сахарозы?
Вывод. В какой среде идет гидролиз сахарозы? Какие моносахариды образовались при гидролизе сахарозы, и какими реагентами они обнаружены? Способны ли гидролизоваться сложные углеводы?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции гидролиза сахарозы в полных структурных формулах.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций образования восстанавливающего и невосстанавливающего дисахаридов из моносахаридов, указанных в опыте 18. Для восстанавливающего дисахарида напишите таутомерные превращения и уравнение реакции взаимодействия с реактивом Фелинга.
Опыт 20. Гидролиз крахмала Выполнение опыта. В 7 пробирок помещают по 3 капли очень разбавленного раствора йодной воды (слабо желтого цвета). В 8-ую пробирку вносят 30 капель крахмального клейстера, 10 капель 2н раствора серной кислоты и 4 капли концентрированной серной кислоты. Раствор тщательно перемешивают стеклянной палочкой и одну каплю его переносят в первую пробирку с йодной водой.
Наблюдение. Какой цвет образовался в первой пробирке? Может ли реакция с йодом служить качественной реакцией на крахмал?
Затем 8-ую пробирку с кислотным раствором крахмального клейстера помещают в кипящую водяную баню и нагревают, постоянно перемешивая смесь стеклянной палочкой, не доставая пробирку из бани. Через каждые 2 минуты отбирают пипеткой одну каплю этого раствора и переносят в очередную пробирку с йодной водой. Операцию повторяют до тех пор, пока окраска йода в пробирке останется без изменения после добавления капли вещества.
Наблюдение. Как изменяется окраска йода в пробирках с йодной водой? Если в последней пробирке окраска йода не изменилась, говорит ли это о том, что прошел полный гидролиз крахмала?
Оставшийся раствор в 8-ой пробирке охлаждают, добавляют по каплям при тщательном перемешивании 2н раствор гидроксида натрия до щелочной реакции на лакмус и вносят 6 капель реактива Фелинга, перемешивают. Одновременно в 9 пробирку помещают 3 капли крахмального клейстера и 2 капли реактива Фелинга, перемешивают. Пробирки, в которые добавлен реактив Фелинга, нагревают на водяной бане до изменения окраски раствора в одной из пробирок.
Наблюдение. В какой пробирке и с каким веществом произошло изменение окраски реактива Фелинга?
Вывод. Может ли йодная шкала подтвердить, что гидролиз крахмала идет ступенчато? Какое строение имеют промежуточные продукты и как называются? Какой моносахарид является конечным продуктом гидролиза крахмала и каким реагентом это подтверждается? К какому типу углеводов относится крахмал (восстанавливающим или невосстанавливающим), каким реагентом это определяется?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции ступенчатого гидролиза крахмала. Формулы исходных и конечных продуктов записывайте в структурном пространственном виде.
Опыт 21. Получение триацетата клетчатки Выполнение опыта. В пробирку помещают 5 капель уксусного ангидрида, 5 капель ледяной уксусной кислоты и 1 каплю концентрированной серной кислоты. Перемешивают реакционную массу и вносят в нее небольшой кусочек ваты, предварительно намоченной в воде, хорошо отжатой и расщепленной. Происходит разогревание реакционной массы.
Смесь перемешивают стеклянной палочкой в течение 1-2 минут и помещают в горячую водяную баню. Нагревают, постоянно помешивая, до полного растворения клетчатки. Смесь охлаждают и добавляют в нее воду до половины пробирки.
Наблюдение. Появляется ли хлопьевидный осадок в пробирке?
Вывод. Что образуется при взаимодействии клетчатки с уксусным ангидридом, как называется такой тип реакции? Свойство какого класса соединений проявляет клетчатка в этой реакции?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции клетчатки с уксусным ангидридом в полном структурном виде.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций получения сложных эфиров для углеводов, указанных в опыте 18, при взаимодействии их с пропионовым ангидридом.
Амины можно рассматривать как производные аммиака, в молекуле которого атомы водорода замещены на радикалы алифатического (R-) или ароматического (Ar-) ряда:
Реакционные центры в молекуле амина
II I II I
I – реакционный центр – реакции по аминогруппе. За счет свободной пары электронов на атоме азота в аминогруппе амины обладают основными свойствами (подробнее смотри учебник). Поэтому амины могут реагировать с кислотами, образуя соли аммония.Аммонийные соли неустойчивы, особенно в ароматическом ряду, и способны разлагаться в присутствии гидроксидов металлов (опыт 22).
Основные свойства аминов изменяются в зависимости от количества и строения радикалов (смотри учебник).
Амины способны вступать в реакции алкилирования и ацилирования путем замещения атома водорода в аминогруппе на алкильный или ацильный остаток (опыт 23).
C2H5NH Амины в зависимости от строения реагируют различно с азотистой кислотой (смотри учебник). Эта реакция может служить качественной реакцией для определения строения аминов. Кроме того, реакция первичных аминов ароматического ряда с азотистой кислотой (реакция диазотирования) является очень важной для синтеза различных классов ароматических соединений и азокрасителей (смотри в учебнике раздел азо- и диазосоединения). Пример реакции диазотирования:
Особенности реакции диазотирования: 1) температура реакционной массы 00 - +50; 2) реакция идет в кислой среде; 3) реагентом служит смесь NaNO2+HCl, т.к. сама азотистая кислота неустойчива.
Соли диазония неустойчивые реакционноспособные соединения, дают в различных условиях реакции: 1) с выделением азота при нагревании; 2) без выделения азота при 00 – азосочетания (опыты 24,25,26).
[C6H5 N ]+ Cl- + H–C6H4–N(CH3)2 C6H5 –N=N–C6H4–N(CH3)2 + HCl II-реакционный центр - реакции по радикалу. В алифатическом ряду эти реакции большого значения не имеют. В ароматическом ряду такого типа реакции важны. Реакции по бензольному ядру в ароматических аминах идут легче, чем в бензоле, т.к. –NH2 группа является ориентантом первого рода, поэтому облегчает реакции и дает орто- и пара-изомеры (опыт 27).
Опыт 22. Образование и разложение солей ароматических аминов Выполнение опыта. В одну пробирку вносят 3 капли анилина, во вторую-3 капли N,N-диметиланилина. В каждую пробирку добавляют по капли воды, перемешивают.
Наблюдение. Появляется ли на поверхности водного слоя маслянистая жидкость? Растворяются ли амины в воде?
Затем в каждую пробирку добавляют по каплям при перемешивании концентрированную соляную кислоту до образования прозрачного раствора.
Наблюдение. Идет ли реакция аминов с соляной кислотой?
В прозрачные растворы добавляют по каплям при перемешивании 2н раствор гидроксида натрия до помутнения растворов.
Наблюдение. Появляется ли в пробирках на поверхности растворов маслянистая жидкость похожая на исходный амин?
Вывод. Какие свойства проявляют амины в реакциях с минеральными кислотами? Как меняются основные свойства аминов в алифатическом и ароматическом ряду и при переходе от первичных к вторичным и третичным аминам? Какова устойчивость солей ароматических аминов? Если разлагаются, то в какой среде?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций анилина и диметиланилина с соляной кислотой, а затем уравнение реакции разложения полученных аммонийных солей при добавлении гидроксида натрия.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения следующих реакций и назовите продукты:
1) 1,4-диаминобутана с серной кислотой;
2) триэтиламина с бромистым водородом;
3) вторичного бутиламина с серной кислотой;
4) 1-амино-2-метилпропана с соляной кислотой;
5) диизопропиламина с йодистоводородной кислотой;
6) диметилизопропиламина с соляной кислотой;
7) пара-толуидина с бромистоводородной кислотой;
8) N,N-диметиланилина с серной кислотой;
9) мета-нитроанилина с соляной кислотой;
10) орто-броманилина с йодистоводородной кислотой;
11) N-этиланилина с серной кислотой;
12) пара-сульфоанилина с соляной кислотой;
13) пара-хлоранилина с серной кислотой;
14) 2-нитро-1-нафтиламина с соляной кислотой;
15) 1,5-диаминонафталина с серной кислотой.
Опыт 23. Образование ацетанилида Выполнение опыта. В пробирку вносят 2-3 капли анилина и 3-4 капли воды, перемешивают и добавляют 4-5 капель уксусного ангидрида, снова тщательно перемешивают реакционную массу.
Наблюдение. В пробирке образуется густая кристаллическая масса.
Если кристаллы не наблюдаются, то пробирку охлаждают и осторожно добавляют 1-3 капли воды и снова встряхивают.
Вывод. Как называется проведенная реакция? По какому реакционному центру она проходит? Все ли амины (первичные, вторичные, третичные) дают данный тип реакции?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции анилина с уксусным ангидридом.
Индивидуальные задания. Для следующих аминов напишите уравнения реакций ацилирования:
1) пара-толуидина ангидридом пропионовой кислоты;
2) анилина хлористым ацетилом;
3) 1-аминонафталина уксусным ангидридом;
4) пара-метиланилина бромангидридом масляной кислоты;
5) 2-аминонафталина хлорангидридом пропионовой кислоты;
6) мета-нитроанилина хлористым ацетилом;
7) пара-броманилина ангидридом масляной кислоты;
8) 3-нитро-2-аминонафталина хлористым ацетилом;
9) 1,5-диаминонафталина 1молем уксусного ангидрида;
10) орто-диаминобензола 1молем пропионового ангидрида;
11) орто-этиланилина хлорангидридом изомасляной кислоты;
12) орто-толуидина ангидридом пропионовой кислоты;
13) 1-метил-2-аминонафталина уксусным ангидридом;
14) 1,4 диаминонафталина 1 молем пропионового ангидрида;
15) орто-сульфоанилина изомасляным ангидридом.
Опыт 24. Диазотирование анилина Выполнение опыта. В пробирку помещают 5 капель анилина, 15 капель 2н раствора соляной кислоты, перемешивают и охлаждают смесь под струей холодной воды. В смесь помещают кусочки льда. Затем по каплям при тщательном перемешивании добавляют 5-7 капель 2н раствора нитрита натрия. Одну каплю полученной смеси наносят на полоску йодкрахмальной бумажки. Если появляется голубое пятно, то диазотирование закончено. При его отсутствии добавляют 2 капли нитрита натрия, перемешивают и пробу повторяют.
Наблюдение. Полученный раствор соли диазония должен быть прозрачным. Пробирку помещают в охлаждающую смесь и сохраняют для следующих опытов.
Вывод. Как называется проведенная реакция, и в каких условиях она происходит? Почему создаются строго определенные условия реакции?
Какого строения амины вступают в реакцию данного типа?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций: а) образования азотистой кислоты из нитрита натрия и соляной кислоты; б) образования солянокислой соли анилина; в) диазотирования солянокислой соли анилина в кислой среде азотистой кислотой.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций диазотирования следующих аминов:
1) орто-анилина в соляной кислоте;
2) пара-толуидина в бромистоводородной кислоте;
3) 1-аминонафталина в серной кислоте;
4) пара-сульфоанилина в соляной кислоте;
5) 1,3-диаминобензола в серной кислоте;
6) 1,5-диаминонафталина в соляной кислоте;
7) орто-сульфоанилина в бромистоводородной кислоте;
8) пара-нитроанилина в бромистоводородной кислоте;
9) пара-броманилина в серной кислоте;
10) мета-хлоранилина в соляной кислоте;
11) 2,4-диметиланилина в йодистоводородной кислоте;
12) 2,5-диэтиланилина в серной кислоте;
13) орто-аминобензойной кислоты в соляной кислоте;
14) 2-нитро-4-сульфоанилина в соляной кислоте;
15) 5-сульфо-1-нафтиламина в бромистоводородной кислоте.
Опыт 25. Реакция азосочетания Выполнение опыта. В пробирку вносят 7-10 капель соли диазония, полученной в опыте 24, бросают еще кусочек льда и добавляют 1 каплю N,N-диметиланилина, раствор перемешивают.
Наблюдение. Выпадает коричнево-желтый осадок. Если взят избыток диметиланилина, то осадок в нем растворяется и на поверхность всплывает маслянистая жидкость – основание диметиламиноазобензола.
К полученной смеси добавляют 2-3 капли 2н раствора соляной кислоты.
Наблюдение. Образуется растворимая в воде, окрашенная в красный цвет солянокислая соль диметиламиноазобензола.
Вывод. В каких условиях происходит реакция азосочетания? Как называется тип красителей, получаемых по данной реакции?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции азосочетания хлорида фенилдиазония с N,N-диметиланилином. Укажите условия реакции.
Какое вещество при синтезе красителей является диазосоставляющей и какое азосоставляющей?
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций азосочетания фенола с солями диазония, полученными в индивидуальном задании к опыту 24.
Опыт 26. Разложение соли диазония Выполнение опыта. Несколько капель соли диазония из опыта помещают в чистую пробирку. Нагревают реакционную массу на водяной бане в течение 1-2 минут.
Наблюдение. Выделяются ли пузырьки газа, ощущается ли в растворе запах фенола?
Вывод. Какой тип реакции дает соль диазония в условиях опыта: с выделением или без выделения азота? Какие температурные условия соблюдаются в данной реакции, и для каких целей она используется?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции, используемой в опыте соли диазония, с водой. Укажите температурные условия реакции.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций взаимодействия с водой при нагревании солей диазония, полученных в индивидуальном задании к опыту 24.
Опыт 27. Действие брома на анилин Выполнение опыта. В пробирку помещают 2-3 капли анилина, 5 капель воды и при встряхивании по каплям добавляют бромную воду.
Наблюдение. Происходит ли обесцвечивание бромной воды? Появляется ли белый осадок?
Вывод. По какому реакционному центру идет реакция? Какое влияние оказывает аминогруппа на активность бензольного ядра? Какой тип реакции осуществлен в этом опыте?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций последовательного введения в бензольное ядро молекулы анилина одного, двух и трех атомов брома.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения следующих реакций:
1) пара-броманилина с 1 молем брома;
2) 1-нафтиламина с 1 молем хлора;
3) пара-толуидина с 1 молем брома;
4) 2-нафтиламина с 1 молем хлора;
5) пара-анилинсульфокислоты с 1 молем брома;
6) пара-нитроанилина последовательно с 2 молями хлора;
7) орто-хлоранилина последовательно с 2 молями брома;
8) 5-метил-1-аминонафталина с 1 молем брома;
9) орто-толуидина с 1 молем хлора;
10) 1-амино-5-изопропилнафталина с 1 молем брома;
11) 2,4-диметиланилина с 1 молем хлора;
12) 3,5-динитроанилина с 1 молем брома;
13) 2-сульфо-1-аминонафталина с 1 молем брома;
14) 2-амино-5-хлорнафталина с 1 молем брома;
15) пара-оксианилина с 1 молем хлора.
АМИНОКИСЛОТЫ И БЕЛКИ
Аминокислоты H2N – R – COOH являются соединениями со смешанными функциональными группами, содержащими карбоксильную группу –СООН, которая придает кислотные свойства веществу, и аминогруппу - NH2, определяющую основные свойства. Следовательно, аминокислоты обладают амфотерным характером. Особенностью аминокислот является способность образовывать внутренние соли или биполярный ион.Если в молекуле аминокислоты содержится различное количество – NH2 и –СООН групп, то при диссоциации в водном растворе среда может быть щелочная или кислая (опыт 28).
HOOC – CH – CH2 – COOH Аминокислоты за счет своих функциональных групп обладают свойствами карбоновых кислот и аминов (смотри учебник) (опыты 28,29).
Аминокислоты способны образовывать полипептидные цепи. По такому принципу из -аминокислот построена первичная структура молекулы белка (подробнее о пространственном строении молекулы белка смотри учебник). Если написать уравнение реакции получения три- или тетрапептида, то можно найти повторяющееся звено цепи, и таким образом определить общую формулу первичной структуры молекулы белка Поскольку белки построены из молекул -аминокислот, то они по химическим свойствам им подобны. Белки обладают амфотерными свойствами (опыт 30). Существуют качественные реакции, определяющие особенности в строении молекулы белка (опыт 31). Для белков характерно явление осаждения: обратимое осаждение или высаливание и необратимое осаждение или денатурация (смотри учебник) (опыт 32).
Опыт 28. Отношение аминокислот к индикаторам Выполнение опыта. Готовят полоску универсальной индикаторной бумаги и прилагаемую к ней стандартную цветную шкалу значений рН.
Наносят на индикаторную бумагу по капле на одну часть раствор глицина, на другую - лизина, на третью - аспарагиновой кислоты.
Наблюдения. Какой цвет на каждой части индикаторной бумажки?
Вывод. Какая среда и почему соответствует каждой аминокислоте?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций диссоциации глицина, лизина, аспарагиновой кислоты. Все формулы аминокислот пишите полностью в структурном виде.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения следующих реакций, назовите продукты; укажите, какие свойства проявляет аминокислота в данных реакциях:
1) аспарагиновой кислоты с соляной кислотой;
2) лизина с гидроксидом натрия;
3) лизина с серной кислотой;
4) цистеина с соляной кислотой;
5) аланина с серной кислотой;
6) серина с гидроксидом натрия;
7) орнитина (2,5-диаминопентановой кислоты) с серной кислотой;
8) цистеина с гидроксидом натрия;
9) аланина с гидроксидом натрия;
10) -аминомасляной кислоты с бромистоводородной кислотой;
11) аспарагиновой кислоты с гидроксидом натрия;
12) серина с серной кислотой;
13) орнитина (2,5-диаминопентановой кислоты) с гидроксидом натрия;
14) -аминоизовалериановой кислоты с соляной кислотой;
15) 2-аминобутановой кислоты с гидроксидом калия.
Опыт 29. Действие азотистой кислоты на аминокислоты Выполнение опыта. В пробирку помещают 2 капли раствора глицина, 2 капли раствора нитрита натрия и 2 капли 2н раствора соляной кислоты. Содержимое пробирки перемешивают.
Наблюдение. Выделяются ли пузырьки газа?
Вывод. Какой газ выделяется в ходе реакции? Какая функциональная группа в аминокислоте (аминогруппа или карбоксильная) вступает в реакцию с азотистой кислотой? Свойства каких по строению аминов присущи аминокислотам в этой реакции? Какой функциональной группой в данной реакции замещается аминогруппа?
Уравнения реакций. Напишите уравнения реакций нитрита натрия с соляной кислотой, а затем образующейся азотистой кислоты с глицином.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций взаимодействия с азотистой кислотой следующих аминокислот:
5) орнитина (2,5-диаминопентановой кислоты);
6) валина (2-амино-3-метилбутановой кислоты);
7) 2-аминобутановой кислоты;
8) аспарагиновой кислоты;
9) лейцина (2-амино-4-метилпентановой кислоты);
10) треонина (2-амино-3-гидроксибутановой кислоты);
11) фенилаланина;
12) 4-аминобутановой кислоты;
13) метионина (2-амино-4-метилтиобутановой кислоты);
14) глутаминовой кислоты (2-амино-1,5-пентандиовой кислоты);
15) изолейцина (2-амино-3-метилпентановой кислоты).
Опыт 30. Амфотерные свойства белка 1 часть. Выполнение опыта. В пробирку вносят 1 каплю 2н раствора соляной кислоты и 15-20 капель воды, тщательно перемешивают. К полученному разбавленному раствору соляной кислоты добавляют 2-3 капли индикатора конго красного до появления синего окрашивания раствора. В другую пробирку помещают 3 капли раствора белка и 1 каплю окрашенного раствора соляной кислоты, встряхивают.
Наблюдение. Происходит ли уменьшение интенсивности окраски раствора или обесцвечивание его?
Вывод. Какая функциональная группа в молекуле белка реагирует с соляной кислотой? Следовательно, какое свойство белок проявляет в данной реакции?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции соляной кислоты с молекулой белка, формулу которого запишите в структурном виде.
2 часть. Выполнение опыта. В пробирку вносят 1 каплю 2н раствора гидроксида натрия и 15-20 капель воды, тщательно перемешивают и добавляют 1-2 капли раствора индикатора фенолфталеина до появления малинового окрашивания. В чистую пробирку помещают 3 капли раствора белка и 1 каплю окрашенного раствора гидроксида натрия, перемешивают.
Наблюдение. Произошло ли уменьшение интенсивности окраски или обесцвечивание раствора?
Вывод. Какая функциональная группа в молекуле белка реагирует со щелочью? Какое свойство проявляет белок в данной реакции?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции взаимодействия гидроксида натрия с молекулой белка, формулу которого запишите в структурном виде.
Общий вывод. Каким свойством обладает молекула белка, учитывая первую и вторую части данного опыта?
Опыт 31. Цветные реакции на белки 1 часть. Биуретовая реакция.
Выполнение опыта. В пробирку помещают 2 капли раствора белка, каплю 2н раствора гидроксида натрия и 1 каплю 0,2н раствора сульфата меди, перемешивают.
Наблюдение. Появляется ли фиолетовое окрашивание раствора?
Вывод. Биуретовая реакция является качественной на пептидную группу. Все ли белки дают данную реакцию? Какое строение имеет пептидная группа? Напишите ее структурную формулу.
2 часть. Ксантопротеиновая реакция.
Выполнение опыта. В пробирку вносят 3 капли раствора белка и каплю концентрированной азотной кислоты, перемешивают и нагревают на водяной бане до появления желтого окрашивания. Смесь охлаждают и добавляют 1-2 капли концентрированного раствора гидроксида натрия.
Наблюдение. Происходит ли изменение желтой окраски на яркооранжевую?
Вывод. Ароматические соединения подвергаются нитрованию при действии азотной кислоты. Нитросоединения имеют желтую окраску. На основании этого можно ли сделать вывод, что в состав молекулы белка входят аминокислоты, содержащие бензольное ядро?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции аминокислоты фенилаланина с азотной кислотой, учитывая вывод данного опыта.
3 часть. Обнаружение белков, содержащих серу.
Выполнение опыта. В пробирку вносят 3 капли раствора белка, 3 капли концентрированного раствора гидроксида натрия, 2 капли 0,1н раствора уксуснокислого свинца, перемешивают и нагревают на водяной бане 2-3 минуты.
Наблюдение. Появляется ли коричнево-черный цвет раствора или осадка?
Вывод. При нагревании аминокислот, содержащих серу, происходит их разложение в щелочном растворе с образованием сульфид-ионов S2-, которые с солями свинца дают сульфиды свинца черного цвета. Можно ли сделать вывод, что появление черного раствора в данном опыте говорит о наличии в молекуле белка серосодержащих аминокислот?
Уравнение реакции. Напишите уравнение реакции цистеина с уксуснокислым свинцом в щелочной среде.
Индивидуальные задания. Напишите уравнения реакций образования следующих пептидов из:
1) аланина и лейцина;
2) цистеина и глицина;
3) аспарагиновой кислоты и аланина;
4) лизина и глицина;
5) глицина, аланина и лизина;
6) аланина, глицина и цистеина;
7) серина и лизина;
8) глицина, серина и аланина;
9) лизина и аланина;
10) цистеина и лизина;
11) аспарагиновой кислоты и серина;
12) аланина, цистеина и серина;
13) триптофана и аланина;
14) лейцина, аланина и глицина;
15) валина (2 моля) и аланина.
Опыт 32. Реакции осаждения белков 1 часть. Осаждение белков хлоридом натрия и сульфатом магния.
Выполнение опыта. В две пробирки вносят по 7 капель раствора белка. В первую пробирку при встряхивании небольшими порциями добавляют порошок хлорида натрия, во вторую - сульфата магния до полного насыщения раствора и оставляют на 1-2-минуты.
Наблюдение. Происходит ли помутнение растворов и в какой пробирке больше?
Затем в пробирки добавляют воду на 2/3 пробирки.
Наблюдение. Растворяется ли осадок?
Вывод. Какой вид осаждения белка наблюдается в данном опыте?
Происходит ли разрушение молекулы белка? Какие реагенты вызывают данное осаждение?
2 часть. Осаждение белков солями тяжелых металлов.
Выполнение опыта. В две пробирки помещают по 5 капель раствора белка. В первую пробирку добавляют 1-2 капли 2н раствора сульфата меди, во вторую- 2 капли 2н раствора уксуснокислого свинца, оставляют на 1-2 минуты.
Наблюдение. Происходит ли помутнение раствора?
В избытке солей осадок может раствориться, но это побочный процесс. В этом случае опыт переделать. Затем в обе пробирки добавляют воду.
Наблюдение. Происходит ли растворение осадка?
Вывод. Какой вид осаждения белков происходит в данном случае?
Как меняется структура молекулы белка при данном типе осаждения? Что понимается под термином «денатурация белка», и какие факторы ее вызывают?
«