ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Уральский государственный экономический университет

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Варианты контрольных работ

и примеры решения обучающих задач

для студентов факультета сокращенной подготовки специальностей

260202 (технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий),

260501 (технология продуктов общественного питания), 080401 (товароведение и экспертиза товаров по областям применения) Екатеринбург 2007 Составители:

Калугина И.Ю, Макаренко И.М.

Рецензент: Аксенова Т.Ф.

2

ВВЕДЕНИЕ

Данные методические указания предназначены помочь студентам самостоятельно изучить основные разделы курса «Органическая химия» и успешно выполнить контрольную работу.

В данной работе представлены обучающие задач и примеры их решения по основным разделам курса, правила выбора заданий контрольной работы, методические указания для их выполнения, список основной и дополнительной учебной литературы по органической химии, задания для выполнения контрольной работы.

Контрольные работы для студентов заочной формы обучения являются важнейшей составной частью учебного процесса по органической химии. Они формируют умения самостоятельно разбираться в теме в процессе работы с учебной литературой, и вырабатывают навыки применения полученных знаний для решения практических задач.

Изучая классы органических соединений, необходимо внимательно рассмотреть следующие вопросы: номенклатуру (тривиальную, рациональную, международную - ЮПАК); особенности строения; виды изомерии; физические и химические свойства (необходимо разобрать механизмы протекания важнейших реакций, влияние факторов на направления протекания реакций и условия их проведения); методы получения, области применения.

1. ОБУЧАЮЩИЕ ЗАДАЧИ И ПРИМЕРЫ ИХ РЕШЕНИЯ

1.1. Предельные углеводороды - алканы Задача № 1. Составьте уравнение реакции хлорирования 2метилбутана. Напишите и назовите по международной номенклатуре изомеры полученного соединения.

Решение задачи. Вспомним правила названий органических веществ по международной номенклатуре (ИЮПАК).

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 5 6 H3C CH2 CH2 CH CH CH 3,4-диметилгептан CH3 CH2 CH 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:

5 4 3 CH3 CH2 CH CH CH 3-этил-2-пентанол H 3C CH2 OH По названию вещества определяем, какова главная цепь в указанном углеводороде. Напишем и пронумеруем цепочку углеродных атомов. Выявим заместители. Используя названия радикалов-заместителей, записываем их у соответствующих атомов углерода в главной цепи. Проверяем формулу углеводорода, следим за количеством атомов водорода у каждого углеродного атома, учитывая, что валентность атома углерода в органических соединениях равна четырем.

Главная цепь – бутан, в нее входит четыре атома углерода. У второго атома углерода расположена метильная группа. Формула исходного соединения имеет вид:

1 2 3 CH3 CH CH2 CH CH При написании уравнений реакций предельных углеводородов, к которым относится исходный углеводород, следует знать, что для этих углеводородов характерными являются реакции замещения, причем в реакции замещения легче всего вступает водород у третичного атома углерода, затем у вторичного и труднее всего у первичного атома углерода. В данном случае, замещение идет у второго атома углерода, так как он третичный.

Составляем формулы изомеров для полученного галогенпроизводного углеводорода. Сначала записываем изомеры галогенпроизводных, у которых главная цепь атомов углерода содержит 5 углеродных атомов.

H2C CH2 CH2 CH2 CH После этого записываем изомеры, содержащие в главной цепи 4 атома углерода.

Теперь записываем изомер, содержащий в главной цепи 3 атома углерода.

Задача № 2. Какие продукты реакции образуется при нитровании 2,5-диметилгексана в условиях реакции Коновалова?

Решение задачи. При нитровании 2,5-диметилгексана в условиях реакции Коновалова (t=1400C, 14–20% раствор HNO3, повышенное давление) преимущественно образуется продукт замещения атома водорода при третичных атомах углерода С2 или С5. Поскольку молекула имеет ось симметрии, то продукт будет один – 2,5-диметил-2-нитро-гексан. Побочными процессами, сопровождающими реакции нитрования, являются расщепление углеродной цепи (преимущественно рядом с разветвлением) и образование нитропроизводных с меньшим числом атомов углерода. Чем длиннее цепь алкана и выше температура, тем интенсивнее протекает этот процесс. В данной задаче таких продуктов не будет: они образуются при парофазном нитровании алканов (t = 300оC).

Задача № 3. Получите 2,3-диметилбутан из галогенпроизводных алканов по реакции Вюрца, без образования побочных продуктов.

Решение задачи. Для синтеза вещества по его формуле необходимо:

а) записать структурную формулу получаемого соединения;

б) обдумать направления синтеза;

в) написать формулы исходных веществ;

г) написать уравнения реакций.

По названию вещества записываем формулу получаемого предельного углеводорода.

Получение алканов из галогенопроизводных по реакции Вюрца производится при взаимодействии двух галогенопроизводных с меньшим числом углеродных атомов, чем в синтезируемом соединении, в присутствии металлического натрия. Для выбора подходящих галогенпроизводных нужно разделить формулу алкана на два любых фрагмента, которые в месте разъединения должны соединяться с атомами галогена. В смеси двух галогенпроизводных с металлическим натрием реакция может проходить между двумя различными по строению галогенпроизводными и двумя парами одинаковых галогенпроизводных. В результате в первом случае образуются три алкана - один основной и два побочных.

По условию задачи, для получения алкана без образования побочных продуктов, нужно разделить исходный углеводород на два одинаковых фрагмента, которые образуют одно галогенпроизводное. Такое возможно только для симметричных алканов. Искомый углеводород симметричен и мы его делим таким образом:

R1 и R2 одинаковы, поэтому нужный галогенуглеводород имеет структурную формулу Уравнение реакции Вюрца имеет вид:

1.2. Непредельные углеводороды - алкены, алкадиены, алкины Задача № 1. Напишите уравнение реакции получения 2-метил-2бутена из соответствующего спирта. Приведите уравнение реакции взаимодействия полученного 2-метил-2-бутена с бромистым водородом.

Решение задачи. Алкены получаются по реакции дегидратации спиртов при нагревании в присутствии водоотнимающих веществ. В зависимости от условий проведения реакция процесс дегидратации может быть внутримолекулярным (в этом случае получается алкен) и межмолекулярным (в этом случае получается простой эфир).

Напишем формулу алкена, который нужно получить по условию задачи:

Формула спирта, необходимого для синтеза алкена, будет иметь тот же углеродный скелет. По правилу Зайцева, при внутримолекулярной дегидратации водород отщепляется от наименее гидрированного из соседних с гидроксилом атомов углерода. Поэтому формула необходимого для реакции спирта будет иметь вид:

Уравнение реакции внутримолекулярной дегидратации имеет вид:

3-метил-2-бутанол Для 2-метил-2-бутена, как для алкена, характерны реакции присоединения по месту разрыва двойной связи. Реакция присоединения проходит по правилу Марковникова: водород присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода, а галоген соответственно - к менее гидрированному атому углерода по месту разрыва двойной связи.

Задача № 2. Приведите уравнение реакции окисления 2-метилбутена-2.

Решение задачи. При окислении алкенов в мягких условиях легко разрывается -связь и образуется двухатомный спирт (диол).

В более жестких условиях, происходит расщепление двойной связи и окисление образующихся фрагментов молекулы до кислоты или кетона в зависимости от строения фрагмента при двойной связи. Так, 2-метилбутенв мягких условиях окисляется до 2-метилбутандиола-1,2, а в жестких условиях до смеси уксусной кислоты и ацетона.

CH3-CH=CH-CH 2-метилбутен- Задача № 3. Напишите уравнение реакции взаимодействия пентадиена-1,3 с хлором при 400 С.

Решение задачи. Особенностью диеновых углеводородов является наличие сопряженной системы двойных связей, разделенных одной связью. Сопряженные диены отличаются характерными свойствами, обусловленными электронным строением молекул, а именно, непрерывной последовательностью 4-х sp2-атомов углерода. -Электроны двойных связей образуют единое -электронное облако (сопряженную систему) и делокализованы между всеми атомами углерода.

Следствием этого является возможность присоединения по двум направлениям: по концевым атомам углерода сопряженной системы (1,4присоединение) и по месту разрыва одной из кратных связей (1,2присоединение). Обычно реализуются оба направления. При повышенных температурах преобладает – 1,4-присоединение, а при низких температурах – 1,2присоединение.

При взаимодействии пентадиена-1,3 с хлором при 400С преимущественно образуется продукт 1,4-присоединения (~80%) и в незначительных количествах продукт 1,2-присоединения (~20%). При низких температурах (–800С) наблюдается обратная картина.

CH2 CH CH CH CH3 + Cl Задача № 4. Каково строение углеводорода состава С5Н8, если известно, что этот углеводород вступает в реакцию гидратации в присутствии катализатора HgSO4 (реакция Кучерова) и реагирует с аммиачным раствором оксида серебра. Напишите уравнения этих реакций.

Решение задачи. Углеводород вступает в реакцию Кучерова, значит, это ацетиленовый углеводород. Ацетиленовые углеводороды реагируют с аммиачным раствором оксида серебра, замещая атом водорода у тройной связи, образуя ацетилениды. Значит, тройная связь в искомом алкине находится на конце цепи. Такой углеводород общей формулы С5 Н8 может иметь два изомера Реакцию Кучерова проводим для 1-пентина. Реакция присоединения воды для 1-пентина протекает по правилу Марковникова: водород присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода у тройной связи, а гидроксил - к соседнему атому углерода, около которого атомов водорода нет.

Получающийся непредельный спирт неустойчив, поэтому не существует в свободном виде. В нем тотчас же происходит внутримолекулярная перегруппировка Реакцию с аммиачным раствором оксида серебра проводим с 3метил-1-бутином.

HC C CH CH Задача№ 1. Получите из бензола орто-сульфоэтилбензол. Напишите для него уравнение реакции окисления.

Решение задачи. Напишем формулу орто-сульфоэтилбензола По формуле видно, что в молекулу бензола нужно ввести алкильный радикал- этил и сульфогруппу. Алкильный радикал вводится в кольцо при действии на бензол галоидных алкилов в присутствии хлористого алюминия (реакция Фриделя-Крафтса). Сульфогруппа вводится в бензольное ядро путем реакции сульфирования - воздействия на бензол концентрированной серной кислотой. Сульфогруппа - это ориентант II рода, направляющая следующий заместитель в бензольном ядре в мета-положение по отношению к себе. Этил - это заместитель I рода, направляющий следующий заместитель в орто- и пара-положение. В связи с тем, что нужно получить соединение с орто-расположением заместителей, первой следует проводить реакцию алкилирования.

Реакция алкилирования имеет вид:

Реакция сульфирования имеет вид:

Реакция окисления. Бензольное кольцо устойчиво к действию окислителей. Окислению подвергается алкильный радикал, причем, независимо от числа атомов углерода в радикале у кольца остается только один атом углерода, окисленный до карбоксильной группы, а все другие атомы углерода окисляются до углекислого газа и воды.

1.4. Правила замещения в бензольном ядре Задача № 1. Напишите уравнения реакций последовательного нитрования бензола 1 и 2 моль азотной кислоты.

Решение задачи. Нитрование бензола осуществляют нитрующей смесью (HNO3 и H2SO4 (конц.) в соотношении 1:2). Легче нитруется бензол, так как в его структуре нет ни одной пассивирующей ядро группы, в то время как в структуре получаемого из него нитробензола есть нитрогруппа –NO2 – сильный акцептор, ориентант II рода, снижающий электронную плотность в ядре, преимущественно в положениях о- и п-. В связи с этим единственно возможным местом, куда может направиться электрофильная (положительно заряженная) частица, является м-положение. Конечный продукт – м-динитробензол.

Задача № 2. Получите п-изопропилнитробензол из бензола.

Решение задачи. Реакция получения п-изопропилнитробензола из бензола включает в себя две последовательные стадии.

1 этап. Получение изопропилбензола (реакцией алкилирования).

2 этап. Нитрование изопропилбензола.

В первую очередь следует ввести изопропильную группу, которая является ориентантом I рода и дополнительно имеет значительный объем в пространстве. Поэтому следующий заместитель направляется только в пположение, доля о-изомера пренебрежительно мала.

Последовательность введения групп в ядро определяется взаимным расположением заместителей в синтезируемой молекуле: если они находятся в п-положении по отношению друг к другу, то первым должен быть введен заместитель I рода (изопропильная группа), активирующий ядро в положениях о- и п-. Большие размеры (стерический фактор) изопропильной группы (и ей подобных, например трет-бутильной) позволяет ввести следующую группу только в п-положение.

Задача №1. Напишите уравнения реакций внутри- и межмолекулярной дегидратации первичного изопентилового спирта, укажите условия, дайте наименование всех веществ по номенклатуре ИЮПАК.

Решение задач. Первичные спирты в кислых средах при нагревании подвергаются либо внутри-, либо межмолекулярной дегидратации. При высоких температурах (>1400С), происходит преимущественное образование алкенов (внутримолекулярная дегидрататция). Отщепление воды идет