«ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности 1-48 01 02 Химическая технология органических веществ, материалов и изделий заочной формы обучения Минск 2012 УДК ...»

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Программа, методические указания

и контрольные задания для студентов специальности

1-48 01 02 «Химическая технология органических

веществ, материалов и изделий»

заочной формы обучения

Минск 2012 УДК 547(075.8) ББК 24.2я73 О-96 Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционноиздательским советом университета Составители:

М. А. Кушнер, Я. М. Каток, А. Д. Алексеев Рецензент:

кандидат технических наук, доцент кафедры технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов БГТУ Ж. С. Шашок Органическая химия : программа, метод. указания и конО-96 трольные задания для студентов специальности 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий» заочной формы обучения / сост. : М. А. Кушнер, Я. М. Каток, А. Д. Алексеев. – Минск : БГТУ, 2012. – 92 с.

ISBN 978-985-530-227-9.

В соответствии с учебной программой материал дисциплины «Органическая химия» разделен на четыре блока, которые включают содержание учебной программы по тематике контрольных работ, вопросы для самопроверки, методические рекомендации и примеры решения основных типов задач, варианты заданий контрольных работ.

УДК 547(075.8) ББК 24.2я © УО «Белорусский государственный ISBN 978-985-530-227- технологический университет»,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Процесс подготовки современного, грамотного химика-технолога в значительной мере обеспечивается качеством его базовой подготовки на начальных курсах обучения путем формирования системных знаний на основе изучения органической химии.

В результате изучения указанной дисциплины закладываются такие базисные знания, как классификация органических веществ, правила наиболее распространенных номенклатур органических соединений, физические и химические свойства основных классов органических соединений и их связь со строением молекул, взаимопревращения органических веществ в условиях повышенных температур, давления, присутствия катализаторов, нахождение в природе и использование органических веществ, основные методы их препаративного и промышленного получения.

В данных методических указаниях приведены задания четырех контрольных работ по курсу «Органическая химия» в соответствии с учебным планом для заочной формы обучения специальности «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий».

Учебная программа в соответствии с последовательностью и логикой изложения материала и содержанием контрольных работ также разделена на четыре части, которые предшествуют заданиям к каждой конкретной контрольной работе, поскольку подготовка к выполнению контрольной должна осуществляться на основе изучения конкретных разделов дисциплины. В конце каждого раздела имеются вопросы для самопроверки, отвечая на которые студент может проверить качество усвоения материала и свою готовность к выполнению контрольных работ.

В методических указаниях приведены основные требования к оформлению контрольной, а также имеются общие рекомендации и конкретные примеры к решению основных типов задач. Отдельные пояснения даны к определенным заданиям контрольных работ № 1 и 4.

МЕТОДИЧЕСКИЕ

УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ

КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Материал программы разделен на четыре контрольные работы.

Контрольная работа № 1 охватывает начальные разделы курса, в их числе углеводороды и галогенопроизводные углеводородов, контрольные работы № 2 и 3 – материал по кислородсодержащим функциональным производным углеводородов, контрольная работа № 4 – материал по азотсодержащим функциональным производным углеводородов и гетероароматическим соединениям.

Номера вариантов задач, которые предстоит выполнить каждому студенту, определяются по табл. 1 в зависимости от первых букв его фамилии, имени и отчества. Так, вариант задачи № 1 определяется по первой букве фамилии, варианты задач № 2 и 5* – по первой букве имени, а задач № 3 и 4 – по первой букве отчества студента. Например, студент Сидоров Иван Петрович выполняет в контрольной работе следующие варианты задачи: 17 (по букве «С»), 31, 97 (по букве «И»), 59 и 81 (по букве «П»). Аналогично определяются варианты задач контрольных работ № 2, 3 и 4.

Перед выполнением контрольной работы следует изучить соответствующие темы, используя рекомендованную литературу [1–9].

Для проверки своих знаний студентам необходимо ответить на вопросы, приведенные к каждой теме программы.

Каждая контрольная работа должна быть выполнена в отдельной тетради с полями для записи вопросов и замечаний, которые возникают у преподавателя при рецензировании работы. Решения задач приводятся строго по пунктам в соответствии с исходным условием.

Кроме контрольных работ № 2 и 3.

* В конце работы обязательно дается список литературы, использованной студентом при выполнении работы. Не следует переписывать условия задач, достаточно четко указать номер задачи, соответствующий конкретному варианту, определенному студентом по табл. 1. Решения задач должны быть лаконичными, позволяющими исчерпывающе ответить на конкретный вопрос без излишней теоретической деталировки и рассуждений общего содержания. Формулы органических веществ должны быть представлены только в виде структурных формул, использование брутто-формул не допускается.

Номера вариантов задач контрольных работ Начальная буква Кроме контрольных работ № 2 и 3.

Все электронные смещения в молекулах органических соединений должны быть графически изображены с использованием соответствующих стрелок. Например, если в задаче требуется указать направление электронных смещений и подписать электронные эффекты в таких ароматических соединениях, как толуол и нитробензол, ответ должен быть представлен следующим образом:

В ответах на вопросы, касающиеся сравнения кислотности и основности кислород- и азотсодержащих производных углеводородов, также приводится графическое изображение электронных смещений, например:

При выполнении задач, требующих заполнения схемы превращений, не следует отдельно выписывать каждую реакцию и дважды переписывать структурные формулы продуктов, образующихся на промежуточных стадиях схемы. Необходимо только вставить формулы соответствующих веществ вместо букв, указанных в задании, и назвать получаемые вещества.

Если в реакции возможно образование смеси изомеров, достаточно привести структурную формулу только одного из них. Другой изомер так же, как и выделяющиеся в результате реакций неорганические вещества, нужно подписать под стрелкой в схеме превращений со знаком «–». Ниже представлен пример выполнения данного задания:

втор-бутилбензол Для решения задачи № 4 контрольной работы № 2 необходимо знать общие формулы органических соединений разных классов и при изучении химических свойств обратить внимание на качественные реакции [7, с. 275–280], позволяющие отличить соединения, относящиеся к разным классам. Чтобы представить ход рассуждений по поиску структурной формулы неизвестного вещества, обосновать ее вывод и по возможности избежать ошибки в выводе формулы, ответ задачи следует представить в виде табл. 2, после которой следует привести уравнения всех реакций, указанных в задаче. Рассмотрим пример решения такой задачи:

«Установите структурную формулу соединения, удовлетворяющую следующим условиям. Назовите соединение и напишите уравнения всех указанных реакций».

ВариУсловия а) молекулярная формула С7Н6О;

б) реагирует с гидроксиламином;

в) образует бисульфитное производное;

г) окисляется аммиачным раствором оксида серебра;

д) при взаимодействии с KOHконц образует спирт и соль карбоновой а) Молекулярная формула С7Н6О Для алифатических соединений данное соотношение примерно равно 2.

На основании анализа данных табл. 2 можно установить структурную формулу искомого соединения:

Уравнения реакций:

Решение задач по синтезу органических веществ (задача № контрольной работы № 2) следует начинать с обязательного изображения структурных формул исходного вещества и целевого продукта всех превращений.

Затем необходимо проанализировать строение этих веществ, обращая внимание на такие важные особенности преобразования исходного вещества, как изменение содержания числа атомов углерода или типа углеродного скелета в молекуле целевого продукта, исчезновение одних функциональных групп и появление других, изменение природы или положения кратных связей в углеродной цепи.

Далее на основании знания свойств всех органических соединений, рассматриваемых в данной и предыдущих контрольных работах, нужно привести логичную и наиболее рациональную цепочку превращений, позволяющих осуществить заданный переход от одного вещества к другому. При этом следует по возможности избегать:

– реакции гидрирования ненасыщенных углеводородов, чтобы заведомо не перейти от более реакционного соединения к менее реакционному (например, от алкина к алкану и т. д.);

– реакции Вюрца для наращивания углеродной цепи молекулы в тех случаях, когда необходимо перейти от вещества с меньшим содержанием углерода к веществу с его большим содержанием, кроме получения молекул с симметричным углеродным скелетом. Напротив, другие реакции, приводящие к увеличению содержания углерода в молекуле, такие как реакции карбонилирования, нитрильный путь введения функциональных групп, синтез спиртов с применением реактивов Гриньяра и др., являются более рациональными и их использование позволяет продемонстрировать более качественные знания при решении данных задач;

– реакции каталитического дегидрирования алканов для получения ненасыщенных углеводородов, так как эта реакция, как правило, ведет к получению смеси изомеров, что не является рациональным.

В синтезах веществ, содержащих ароматический цикл, следует внимательно проанализировать порядок ввода функциональных групп или алкильных заместителей, чтобы исключить ситуацию первоочередного введения электроноакцепторных (дезактивирующих) заместителей, которые будут препятствовать дальнейшему формированию требуемой структуры целевого продукта. Так, введение нитрогруппы делает невозможным алкилирование, ацилирование и другие реакции ароматического цикла.

Например, в задаче требуется осуществить превращение вещества А – 2-хлорбуран – в вещество Б – 2-метилбутан-1-ол.

Приведем формулы этих соединений:

Анализ данных структур показывает, что в молекуле целевого продукта Б по сравнению с исходным веществом А:

1) увеличилось содержание атомов углерода (углеродный скелет, естественно, также изменился);

2) вместо атома галогена появилась новая функциональная группа (ОН), что позволяет определить класс целевого продукта – спирт;

3) целевой спирт является первичным, что позволяет предусмотреть применение реактива Гриньяра и формальдегида на завершающих стадиях превращений.

На основании химических свойств галогенопроизводных углеводородов (вещество А), спиртов (вещество Б) и других органических веществ можно предложить следующую рациональную цепочку превращений для ответа на данную задачу:

КОНТРОЛЬНАЯ

РАБОТА №

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ И ВОПРОСЫ

ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ПО ТЕМАТИКЕ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Предмет органической химии. Исторические этапы становления и развития органической химии. Основное сырье для получения органических веществ: углеводородное сырье (нефть, природный газ, уголь, горючие сланцы, торф), растительное сырье, организмы животных. Тонкий и промышленный органический синтез, микробиологический синтез. Теория химического строения А. М. Бутлерова.

Вопросы экологии и проблемы сохранения окружающей среды при промышленном производстве органических веществ.

Вопросы для самопроверки 1. Какие источники получения органических веществ причисляются к возобновляемым и невозобновляемым?

2. Назовите, к какому типу органического синтеза относится нефтехимическое производство.

3. Какие вещества получают тонким органическим синтезом?

4. Сформулируйте положения теории А. М. Бутлерова.

Классификация, изомерия и номенклатура важнейших классов ациклических органических соединений Классификация органических веществ по строению углеводородного скелета молекулы (алифатические, циклические (карбо-, гетероциклические), ароматические), по характеру функциональной группы.

Строение органических веществ и структурная изомерия.

Классификация атомов углерода – первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода. Понятие углеродного скелета молекулы органического соединения: скелет нормальный и разветвленный.

Классификация углеводородов. Изображение строения органического соединения с помощью структурной формулы. Структурная изомерия органических соединений. Причины, обусловливающие изомерию:

различное строение углеродного скелета и разное положение функциональной группы. Понятие о стереоизомерии.

Основы рациональной номенклатуры и номенклатуры IUPAC.

Углеводородные остатки, или алкилы. Классификация и названия алкилов. Гомологический ряд алканов как основа номенклатуры IUPAC.

Принципы образования названий органических соединений, принадлежащих к различным классам, в соответствии с рациональной номенклатурой и номенклатурой IUPAC (названия алканов, алкенов, алкинов, диеновых углеводородов, галогенопроизводных углеводородов, спиртов, фенолов, альдегидов, кетонов, нитросоединений, аминов, карбоновых кислот и их производных). Родоначальные названия (основы) основных классов органических соединений по рациональной номенклатуре.

Вопросы для самопроверки 1. Что определяет принадлежность органического вещества к конкретному классу органических соединений? Приведите функциональные группы спиртов, фенолов, нитросоединений, аминов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и их производных.

2. Классифицируйте атомы углерода на первичные, вторичные, третичные и четвертичные в приведенном ниже соединении:

3. Какой атом следует мысленно отнять от молекулы углеводорода для того, чтобы образовать углеводородный остаток, 4. Дайте определение понятия «структурные изомеры».

5. Чем обусловлена изомерия приведенных ниже пар органических соединений (строением углеродного скелета или положением функциональной группы)?

6. Дайте названия приведенным выше органическим соединениям по рациональной номенклатуре и номенклатуре IUPAC.

Химическая связь. Химическая реакция Ковалентная связь. Способы образования ковалентной связи:

коллигация, координация, донорно-акцепторная связь. Атомные и молекулярные орбитали. Квантово-химическое описание атомов элементов 2-го периода, квантовые числа. Основные характеристики ковалентной связи: энергия диссоциации связи, теплота образования соединения из атомов и теплота сгорания, длина связи, полярность и поляризуемость. Гибридные состояния атома углерода. Классификация ковалентных связей по типу перекрывания атомных орбиталей, характеристики - и -связи. Локализованная и делокализованная ковалентная связь (сопряженные связи). Энергия делокализации, или сопряжения. Отклонения от аддитивности энергетических и других физико-химических величин при образовании сопряженных связей. Типы сопряженных,- и n,-систем. Условия образования сопряженных систем и способы изображения делокализованных связей.

Электронные смещения в молекулах органических соединений:

индуктивный (I) и мезомерный (M) эффекты. Гиперконъюгация.

Влияние структуры молекулы органического вещества на возможность проявления и знак электронного эффекта. Способы изображения электронных эффектов. Сочетания электронных эффектов (–I и –М; –I < +М; –I > +М; +I и +М). Теория резонанса и каноничные резонансные структуры.

Химическая реакция. Основные положения теории реакционной способности органических соединений. Понятия о субстрате, реагенте, переходном состоянии, интермедиате. Механизм реакции. Лимитирующая стадия реакции. Энергетическая диаграмма реакции. Классификация органических реакций: а) по характеру превращения: реакции замещения, присоединения, элиминирования (отщепления), циклоприсоединение, перегруппировка; б) в зависимости от способа разрыва и образования связи: гетеролитические, гомолитические и перициклические реакции. Классификация химических реагентов: нуклеофильные, электрофильные, радикальные. Символ химической реакции.

Общие представления о протолитической теории кислот и оснований Лоури Бренстеда и теории Льюиса.

Вопросы для самопроверки 1. Какие гибридные состояния характерны для атома углерода?

3. Дайте определение понятия «индуктивный электронный эффект» и поясните, от чего зависит его знак.

4. Охарактеризуйте условия образования в молекуле сопряженных связей. Какие типы сопряженных систем вы знаете? Дайте определение понятия «мезомерный электронный эффект» и поясните, от чего зависит его знак.

5. Какие факторы влияют на осуществление разрыва ковалентной связи по гомо- и гетеролитическому типу?

6. Охарактеризуйте нуклеофильные реагенты с точки зрения проявления ими электронодонорных или электроноакцепторных свойств. Приведите примеры Н-, С-, N- и Oнуклеофилов.

7. Охарактеризуйте электрофильные реагенты с точки зрения проявления ими электронодонорных или электроноакцепторных свойств. Приведите примеры Н-, С-, N- и Oэлектрофилов.

8. Дайте определение кислоты и основания в соответствии с протолитической теорией и теорией Льюиса.

9. Для приведенных ниже реакций укажите субстрат, реагент, способ разрыва связи и символ реакции:

Предельные углеводороды (алканы). Гомологический ряд алканов. Промышленные способы получения алканов: переработка нефти и природного газа, гидрогенизация углей, мазута и др. Лабораторные методы синтеза алканов. Строение алканов. Основные физические параметры С–С- и С–Н-связей. Общая характеристика реакционной способности алканов. Алкильные радикалы и их относительная стабильность. Общая схема механизма цепных радикальных реакций замещения (SR) и примеры конкретных реакций:

галогенирование, нитрование (реакция Коновалова), сульфирование и сульфохлорирование алканов. Дегидрирование алканов. Крекинг алканов.

Вопросы для самопроверки 1. Сколько углеводородов образуется при действии металлического натрия на смесь двух различных галогеналканов?

2. Какая из реакций получения алканов протекает с уменьшением числа С-атомов в углеродном скелете продукта реакции по сравнению с исходным веществом?

3. Гидрированием каких углеводородов можно получить 4. Почему для алканов характерны реакции, протекающие посредством гомолитического разрыва связи?

5. Приведите уравнение и укажите условия реакции хлорирования 2-метилбутана. Назовите образующиеся вещества.

Почему в данной реакции образуется смесь четырех изомерных хлорпроизводных этого алкана?

6. Запишите уравнения и укажите условия реакций бромирования и нитрования по Коновалову 2-метилпропана. Какое направление этих реакций является преимущественным и почему? Приведите схему механизма SR-реакции.

7. Запишите ряд увеличения стабильности алкильных радикалов в зависимости от их строения.

Непредельные углеводороды. Классификация непредельных углеводородов: алкены, алкины, алкадиены. Методы получения непредельных соединений: крекинг и пиролиз нефти, дегидрирование алканов, дегалогенирование (отщепление галогенов) и дегидрогалогенирование (отщепление галогеноводородов) галогенопроизводных углеводородов, дегидратация спиртов. Правило Зайцева. Получение ацетилена карбидным способом, высокотемпературным и термоокислительным пиролизом метана; получение гомологов ацетилена алкилированием ацетиленидов щелочных металлов. Структурная и пространственная изомерия алкенов. Z,E-номенклатура алкенов. Особенности -связи. Электронное строение непредельных углеводородов. Образование сопряженной системы в молекуле бутадиена-1,3.

Химические свойства алкенов, алкадиенов и алкинов. Общая схема механизма реакций электрофильного присоединения (АЕ-реакции) и относительная стабильность карбокатионов. Примеры реакций присоединения галогенов, галогеноводородов, воды, кислот (Н2SО4, СF3COOH, НОСl и др.). Правило Марковникова. Гидрирование непредельных углеводородов. Карбонилирование и боргидрирование алкенов и алкинов. Реакции 1,2- и 1,4-присоединения диенов. Сравнение реакционной способности алкенов, алкинов и алкадиенов в АЕ-реакциях. Пероксидный эффект Караша. Гидратация алкинов (реакция Кучерова). Реакции нуклеофильного присоединения к алкинам (AN-реакции): присоединение спиртов, уксусной кислоты, цианистого водорода. Кислотные свойства терминальных алкинов. Реакции окисления непредельных углеводородов: реакция Прилежаева, окисление по Вагнеру, жесткое окисление, озонирование. Реакции полимеризации.

Полиэтилен, полипропилен, натуральный и синтетический каучуки, хлоропреновый каучук, поливинилхлорид, поливинилацетат, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил, полиакрилаты. Экологические аспекты производства и использования высокомолекулярных соединений.

Вопросы для самопроверки 1. На примере получения пропилена проиллюстрируйте основные способы введения кратной связи в углеводородный скелет молекулы – дегидрирование, дегалогенирование, дегидрогалогенирование, дегидратация. Сформулируйте правило 2. Приведите уравнения и укажите условия реакций гидробромирования, хлорирования и гидратации 2-метилбутена-2.

Для реакции гидробромирования приведите схему механизма АЕ-реакции и с помощью этой схемы объясните правило Марковникова.

3. Какие из реакций алкенов ведут к получению двухатомных спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот?

4. Приведите схему реакций полимеризации бутена-2 и 5. Почему реакции присоединения к сопряженным алкадиенам могут протекать как 1,2- и 1,4-присоединение? Какие факторы влияют на выход продуктов соответственно 1,2- и 1,4-присоединения?

6. В чем особенности реакций терминальных алкинов с сильными основаниями? Как, используя эту реакцию, можно синтезировать гомологи ацетилена?

Ароматические углеводороды ряда бензола (арены). Классификация, изомерия и номенклатура гомологов и производных бензола.

Источники и способы получения ароматических углеводородов: коксовый газ, каменноугольная смола, ароматизация нефти, получение гомологов бензола по Вюрцу – Фиттигу, Фриделю – Крафтсу, декарбоксилированием ароматических карбоновых кислот, циклотримеризацией ацетилена и его гомологов. Особенности электронного строения бензола. Энергия делокализации (резонанса, стабилизации). Понятия «ароматические свойства» и «ароматичность». Правило ароматичности Хюккеля. Химические свойства аренов. Реакции электрофильного замещения (SE): галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование, ацилирование. Механизм SE-реакций, - и -аддукты. Электронные эффекты и классификация заместителей в ароматическом кольце (электронодонорные и электроноакцепторные, активирующие и дезактивирующие). Влияние природы заместителя на скорость и направление SE-реакций. Согласованная и несогласованная ориентация. Реакции гомологов бензола по боковым цепям: галогенирование, нитрование, окисление.

Общие представления о многоядерных ароматических углеводородах: нафталин, антрацен, фенантрен и др.

Физиологическое воздействие ароматических углеводородов на животных и человека. Канцерогены. Способы борьбы с загрязнением окружающей среды ароматическими соединениями.

1. Охарактеризуйте строение бензола и сформулируйте квантово-химические критерии ароматичности.

2. Какие промежуточные частицы образуются в ходе реакции электрофильного замещения? Перечислите, какие факторы влияют на стабильность -аддукта, образующегося в лимитирующей стадии SE-реакций.

3. Какие заместители в ароматическом кольце называются заместителями 1-го рода? Охарактеризуйте влияние этих атомов и групп на направление и скорость реакции SE.

4. Поясните, какие заместители в ароматическом кольце называются заместителями 2-го рода. Охарактеризуйте влияние этих атомов и групп на направление и скорость реакции SE.

5. Приведите уравнения реакций нитрования и бромирования в ароматическое кольцо толуола и нитробензола.

6. Запишите уравнения реакций нитрования и бромирования толуола по боковой цепи.

Галогенопроизводные углеводородов Классификация галогенопроизводных углеводородов в зависимости от гибридного состояния атома углерода, связанного с галогеном. Номенклатура и изомерия галогеналканов. Физические свойства галогенопроизводных углеводородов. Характеристика связи СHal (полярность, поляризуемость, энергия связи). Способы получения галогеналканов: прямое галогенирование углеводородов, присоединение галогеноводородных кислот к ненасыщенным углеводородам, замещение гидроксильной группы и других групп на галоген. Химические свойства галогенопроизводных углеводородов. Галонгеналканы как алкилирующие средства. Реакции мономолекулярного и бимолекулярного нуклеофильного замещения (SN1 и SN2), стереохимический результат. Влияние строения углеводородного радикала, природы галогена, нуклеофильности реагента и природы растворителя на механизм реакции. Реакции с амбидентными нуклеофилами.

Реакции элиминирования, правило Зайцева. Конкуренция реакций нуклеофильного замещения и элиминирования. Особенности реакций нуклеофильного замещения галогена в ароматических галогенопроизводных. Важнейшие представители галогенопроизводных углеводородов: галогеносодержащие растворители, фреоны, тефлон, поливинилхлорид, хлоропрен.

Влияние галогеносодержащих органических соединений на окружающую среду, ксенобиотики типа диоксина.

Вопросы для самопроверки 1. Приведите уравнения реакций получения 2-бромбутана из соответствующего алкана, алкена, спирта.

2. Почему галогеналканы являются хорошими алкилирующими средствами?

3. Какие галогенопроизводные алканов реагируют с нуклеофильными реагентами по SN2-механизму? Укажите, какие растворители способствуют преимущественному протеканию реакции по этому механизму.

4. Перечислите, какие галогенопроизводные алканов реагируют с нуклеофильными реагентами по SN1-механизму. Какие растворители способствуют преимущественному протеканию реакции по этому механизму?

5. От каких факторов зависит конкуренция реакций нуклеофильного замещения и элиминирования?

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ТЕМЕ «КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВЫ

НОМЕНКЛАТУРЫ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ»

В отличие от неорганической химии, широко применяющей молекулярные формулы и формульные единицы для описания строения веществ, в органической химии требуется использовать только структурные формулы, отражающие последовательность соединения атомов в молекуле.

Приступая к решению задач по классификации и номенклатуре органических веществ, следует уяснить особенности их структуры.

В частности, в структурной формуле каждого конкретного соединения необходимо научиться выделять атом или группу атомов, которые определяют основные химические свойства вещества.

Атом или группу атомов, определяющих химические свойства соединения и принадлежность к определенному классу органических веществ, называют функциональной группой.

Эта функциональная группа (или кратная связь) определяет, к какому классу принадлежит конкретное вещество, и служит основой для построения его названия. Именно умение выявить функциональные группы, а также знание названий функциональных групп и соответствующих им классов органических соединений является базисом и для классификации, и для номенклатуры органических веществ.

Кроме функциональных групп, в молекулы органических соединений входят фрагменты, которые в ходе той или иной реакции остаются без изменения. Их называют углеводородными остатками.

Поскольку все органические соединения представляют собой углеводороды и их функциональные производные, то важное значение имеет также последовательность связывания атомов углерода друг с другом, т. е. углеродный скелет молекулы, который может быть весьма разнообразным – открытым (нормальным или разветвленным), замкнутым (циклическим) и т. д.

В основу современных классификаций органических веществ положено два важнейших принципа:

– строение углеродного скелета молекулы;

– наличие в молекуле определенной функциональной группы.

По первому признаку все органические вещества подразделяются на ациклические (алифатические), карбоциклические и гетероциклические.

К ациклическим, или иначе алифатическим, соединениям относятся соединения с открытой (незамкнутой) цепью углеродных атомов.

Они могут не содержать кратных углерод-углеродных связей и быть насыщенными (предельными) или являться ненасыщенными, если в состав молекул входят двойные или тройные связи. Рассмотрим, например, три структурные формулы разных органических веществ:

Соединения а и б являются насыщенными алифатическими органическими веществами, так как атомы углерода в этих веществах не образуют замкнутой цепи, а соединение в, кроме того, относится к ненасыщенным алифатическим веществам, поскольку содержит двойную С=С связь.

Карбоциклические соединения содержат замкнутые углеродные цепи (циклы) и могут быть насыщенными, ненасыщенными или ароматическими. Например:

Как видно из примера, при изображении циклических или нециклических соединений можно не указывать атомы углерода и водорода, как это показано на соединении а. Соединение б является ненасыщенным карбоциклическим, так как кроме того, что атомы углерода образуют шестичленный цикл, в нем имеется также двойная связь. Соединение в является ароматическим. О том, какие циклические соединения относятся к ароматическим и какими особенными свойствами они обладают, можно прочитать в учебнике [1, с. 233–242].

Гетероциклические соединения в составе своих циклов содержат, кроме атомов углерода, также некоторые иные атомы, называемые гетероатомами, к которым относятся в первую очередь азот, кислород, сера. Например:

Очевидно, что и гетероциклические соединения могут быть насыщенными (а), ненасыщенными (б) или ароматическими (в).

Как классификация, так и номенклатура органических веществ во многом опирается на классификацию углеводородов (соединений, состоящих только из углерода и водорода). Необходимо отметить, что углеводороды имеют собственную классификацию, основанную на природе углерод-углеродных связей в их молекулах, что отображено в табл. 3.

Связи С–С и Присутствуют Присутствует система* Кроме указанной ароматической системы бензола, в молекуле могут присутствовать и другие ароматические системы.

В зависимости от природы функциональных групп определяют отношение органических веществ к тому или иному классу функциональных производных алифатических, циклических или гетероциклических органических веществ (табл. 4).

Наиболее распространенные функциональные группы и соответствующие Функциональная группа структурная группы Функциональная группа группы Рассмотрим для примера молекулу конкретного органического вещества с целью определения класса соединений, к которому оно относится:

Данное вещество содержит функциональную группу –СООН, которая называется карбоксильной группой, и, следовательно, вещество относится к классу карбоновых кислот (см. табл. 4).

В молекуле органического вещества может быть не одна функциональная группа, или кроме такой группы присутствует кратная связь.

Эти вещества относятся к полифункциональным (ди-, три- и т. д.).

Например, в приведенном ниже веществе, кроме функциональной группы, в углеводородном остатке присутствует двойная связь:

углеводородный остаток углеводородный остаток Как видно, одна из функциональных групп при этом становится главной, определяющей класс соединений. Так, данное вещество относится к альдегидам, поскольку главная функциональная группа СОН является альдегидной. Наличие двойной связи СН=СН позволяет отнести это соединение к ненасыщенным. Таким образом, приведенное соединение является ненасыщенным альдегидом.

К одному и тому же классу органических веществ всегда принадлежит огромное количество органических соединений. Они образуют гомологические ряды.

Гомологическим рядом называется ряд веществ одного и того же класса, в котором каждый последующий член отличается от предыдущего на гомологическую разницу – группу СН2.

Соединения из одного того же ряда в целом имеют одинаковые правила при образовании названий и обладают сходными химическими свойствами. Изучение химических свойств отдельных представителей того или иного класса органических соединений не требует привлечения специальных знаний, касающихся именно этого вещества. Поэтому всегда важно правильно соотнести то или иное вещество к определенному классу соединений для того, чтобы не только назвать это вещество, но и определить круг его физико-химических свойств.

Огромное многообразие органических соединений требует выработки четких и более менее универсальных правил для определения названий этих веществ, без чего становится невозможной ориентация в мире органических веществ и реакций. Исторически в органической химии сложились несколько систем номенклатур для названия веществ. Под номенклатурой в органической химии понимают свод правил, по которым образуются названия органических веществ.

Главное правило для всех этих номенклатур – каждому названию должно соответствовать только одно соединение.

Наиболее распространенными в органической химии признаны:

1) тривиальная номенклатура;

2) рациональная номенклатура;

3) номенклатура IUPAC, или систематическая (IUPAC – Международный союз чистой и прикладной химии).

Тривиальная номенклатура представляет собой перечень случайных названий органических соединений, которые возникли исторически и своим происхождением обязаны либо источникам нахождения веществ в природе, либо особым свойствам, выявленным для данного вещества на первых этапах его получения или обнаружения.

Такая номенклатура не отражает структурных особенностей строения того или иного соединения и не может иметь четкой системы для образования названия новых веществ, перечень которых расширяется достаточно быстрыми темпами.

Рациональная номенклатура базируется на классификации органических веществ и за основу названия любых веществ данного класса соединений в этой номенклатуре положены названия наиболее простых (чаще первых) членов данного гомологического ряда. Все другие соединения этого же класса рассматриваются как производные основного соединения, в которых атомы водорода замещены на углеводородные (алкильные) заместители или какие-либо функциональные группы. В табл. 5 представлены структурные формулы и названия наиболее часто встречающихся алкильных заместителей.

Структурные формулы и названия алкильных заместителей формула алкильного (краткое формула алкильного (краткое заместителя обозначение) заместителя обозначение) CH CH3 C формула алкильного (краткое формула алкильного (краткое заместителя обозначение) заместителя обозначение) CH3 CH2 CH2 CH2 CH Более подробно с правилами, по которым строится название органического вещества в соответствии с рациональной номенклатурой, следует ознакомиться в учебнике [1, с. 14–19], где представлены также примеры использования данной номенклатуры к различным органическим соединениям.

Более универсальной и чаще применяемой номенклатурой является номенклатура IUPAC, которая также может называться систематической номенклатурой. Название соединения в соответствии с данной номенклатурой представляет собой сложное слово, состоящее из корня (родоначального названия), префиксов и суффиксов, которые характеризуют число и характер заместителей, а также степень ненасыщенности соединения. В названии присутствуют цифры, называемые локантами и указывающие на положение заместителей, функциональных групп и кратных связей в главной углеродной цепи родоначальной структуры. Схему построения названия соединения по номенклатуре IUPAC можно представить следующим образом.

Данная схема указывает на то, что функциональные группы характеризуются так называемым старшинством и подразделяются на два типа:

– одни из них указываются только в префиксах;

– другие могут входить в название как в роли префиксов, так и в роли суффиксов в зависимости от принятого старшинства.

НАЗВАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ

углеводородные главная углеродная цепь старшая радикалы и нестаршие или основная функциональная функциональные группы циклическая структура группа Основные правила построения названия органического вещества по номенклатуре IUPAC и примеры названия соединений различных классов приведены в учебнике [1, с. 1920].

Изображение молекул энантиомеров в виде Для молекул органических веществ, помимо структурной изомерии, характерна пространственная изомерия, или стереоизомерия.

Стереоизомеры, в отличие от структурных изомеров, имеют один и тот же состав молекул и идентичные структурные формулы, но отличаются расположением атомов в пространстве. Стереоизомерия характерна, в частности, для органических соединений, в молекулах которых имеются асимметрические атомы углерода, которые называют хиральными центрами, или стереоцентрами.

Асимметрический атом углерода – это атом в sp3-гибридном состоянии, который соединяется с четырьмя разными заместителями.

Например, молекула 2-бромбутана имеет один такой атом, указанный в структурной формуле с помощью звездочки:

Молекулу, содержащую стереоцентр, называют хиральной, если таких центров нет – ахиральной. Если в молекуле органического вещества присутствует только один такой стереоцентр, то такое соединение существует в виде двух стереоизомеров, которые относятся друг к другу как предмет к своему несовместимому зеркальному отображению. Их называют энантиомерами. Они не могут быть совмещены в пространстве друг с другом ни за счет вращения связей в их молекулах, ни за счет любых поворотов самих молекул энантиомеров. Каждый из этих пространственных изомеров характеризуется определенным расположением атомов в пространстве, которое называется конфигурацией.

Для отображения конфигурации трехмерных молекул органических веществ в плоскости применяют различные стереохимические и проекционные формулы, к числу которых относятся проекционные формулы Фишера. Чтобы научиться использовать эти формулы, следует внимательно изучить §1 главы 3 учебника [1, с. 54–61].

В формулах Фишера асимметрический атом углерода принято обозначать в виде центра пересечения двух перпендикулярных прямых. Заместители, расположенные на горизонтальной прямой в таких формулах, реально в трехмерном пространстве находятся над плоскостью листа, т. е. направлены «к наблюдателю», а на вертикальной прямой – за плоскостью листа, т. е. «от наблюдателя». Например, для 1-бром-1-хлорэтана проекционная формула Фишера одного из двух пространственных изомеров (энантиомеров) имеет вид:

Для определения конфигурации применяется система правил, которая получила название R,S-системы, или R,S-номенклатуры. Для обозначения конфигураций используются символы R (от лат. rectus – правый) и S (от лат. sinister – левый). Согласно этим правилам, всем заместителям, соединенным с асимметрическим атомом углерода, присваивается старшинство. Оно определяется путем сравнения порядковых номеров атомов (в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева), непосредственно связанных с хиральным центром.

Чем больше атомный номер, тем старше заместитель. В зависимости от того, в каком направлении (по часовой стрелке (вправо) или против движения часовой стрелки (влево)) изменяется старшинство заместителей вокруг хирального центра, определяют конфигурацию R или S соответственно.

В применении к рассмотренному выше 1-бром-1-хлорэтану использование R,S-системы позволяет расставить заместители в порядке убывания старшинства следующим образом: Br > Cl > CH3 > H, так как порядковый номер брома – 35, хлора – 17, углерода – 6, водорода – 1. Для определения конфигурации этого энантиомера по формуле Фишера следует строго соблюдать определенные правила, приведенные в учебнике [1, с. 56]. В соответствии с этими правилами необходимо, чтобы младший заместитель в проекционной формуле Фишера находился на вертикальной линии. При этом следует иметь в виду, что рассмотрение убывания старшинства касается только трех наиболее старших заместителей, в то время как младший заместитель (в нашем примере это атом водорода) не включается в сравнение. Анализ убывания старшинства заместителей вокруг хирального центра молекулы 1-бром-1-хлорэтана показывает, что оно происходит по направлению движения часовой стрелки (указано изогнутой линией):

уменьшение старшинства заместителей происходит уменьшение старшинства заместителей происходит Таким образом, изображенный энантиомер 1-бром-1-хлорэтана имеет R-конфигурацию.

ЗАДАНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ №

1. Классифицируйте приведенные органические соединения А и Б (табл. 6). Дайте им названия по номенклатуре IUPAC. Укажите гибридное состояние всех атомов углерода в этих соединениях.

2. Для вещества Б (табл. 6) приведите структурные формулы:

1) ближайшего гомолога данного вещества, который может существовать в виде энантиомеров, напишите проекционные формулы Фишера для этих энантиомеров и укажите их абсолютную конфигурацию по R,S-номенклатуре; 2) одного изомера данного вещества, отличающегося: а) положением функциональной группы или положением кратной связи; б) строением углеродного скелета. Назовите полученные изомеры.

Вариант Вариант Вариант 1. Напишите уравнения, укажите условия и назовите образующиеся продукты реакций алкена А с реагентами а, б и в; алкадиена Б с Br2/CCl4 при температурах 40 и 80°С; алкина В с Ag(NH3)2OH и реакцию Кучерова для него (табл. 7).

2. Приведите механизм реакции вещества А с реагентом в (табл. 7). Укажите субстрат, реагент, способ разрыва связи, лимитирующую стадию и символ этой реакции.

3. Составьте уравнение гидрирования соединения А (табл. 7). Для полученного алкана напишите реакцию бромирования, укажите ее условия и приведите механизм.

Варианты заданий к задаче № 2 (контрольная работа № 1) пент-1-ен гекс-2,4гекс-1-ин 1. Приведите структурные формулы соединений А и Б (табл. 9).

Графически изобразите электронные смещения и подпишите электронные эффекты заместителей бензольного кольца (+I, I, +M, M).

Охарактеризуйте заместители по их влиянию на электронную плотность в бензольном кольце (электронодонорный или электроноакцепторный, активирующий или дезактивирующий кольцо), а также по их влиянию на направление реакций электрофильного замещения в бензольном кольце (1-го рода (орто-, пара-ориентант) или 2-го рода (мета-ориентант)). Ответ представьте в виде табл. 8.

Пример оформления задачи № 3 (контрольная работа № 1) Структурная формула ароматического соединения и графическое изображение электронных смещений Характеристика заместителя в ароматическом кольце Электронодонорный или электроноакцепторный Активирующий или дезактивирующий бензольное кольцо в SE-реакциях Орто-, пара- или мета-ориентант 2. Напишите уравнение реакции вещества А с реагентом а (табл. 9). Приведите уравнение получения активной электрофильной частицы, иллюстрирующее роль катализатора в данной реакции. Приведите механизм этой реакции, укажите символ реакции, субстрат, реагент, способ разрыва связи и лимитирующую стадию.

3. Расположите в ряд по увеличению реакционной способности в SE-реакциях вещества А, Б (табл. 9) и бензол.

Варианты заданий к задаче № 3 (контрольная работа № 1) 2-метилбензойная кислота этоксибензол (C6H5OC2H5) нитробензол бензотрихлорид (С6H5CCl3) 4-этилбензойная кислота 1. Приведите уравнения реакций нуклеофильного замещения для соединений А и Б с реагентом а (табл. 10). Назовите образующиеся вещества. Какой механизм реакции (SN1 или SN2) является преимущественным в случае каждого из галогенопроизводных А и Б? Почему?

Приведите механизм реакции с использованием субстрата А. Укажите способ разрыва связи, лимитирующую стадию реакции.

2. Напишите уравнения и назовите продукты реакций соединения А с реагентами б и в (табл. 10).

3. Какая реакция всегда конкурирует с реакцией нуклеофильного замещения галогена, какие факторы способствуют ее протеканию?

В какой из приведенных вами реакций будет преобладать реакция элиминирования? Приведите уравнение.

Варианты заданий к задаче № 4 (контрольная работа № 1) Вариант 67 2-бром-2-метилбутан 1-бромбутан 69 1-иод-2-метилбутан 70 1-бром-1-фенилэтан 73 2-метил-1-хлорбутан 75 2-метил-3-хлорбутан 1-хлорпентан 77 2-бром-2-фенилбутан 79 3-иод-3-метилпентан Вариант 80 2-иод-2-фенилпропан 83 1-фенил-2-хлорэтан 1-фенил-1-хлорэтан Заполните схему превращений (табл. 11), назовите исходные вещества и продукты всех реакций.

Варианты заданий к задаче № 5 (контрольная работа № 1) ВариСхема превращений ВариСхема превращений

CH CH CH

ВариСхема превращений ВариСхема превращений

HC CH Б B

КОНТРОЛЬНАЯ

РАБОТА №

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ И ВОПРОСЫ

ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ПО ТЕМАТИКЕ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Кислородсодержащие производные углеводородов Спирты. Классификация, номенклатура и изомерия спиртов.

Способы получения: гидролиз галогенопроизводных углеводородов, гидратация алкенов, синтез спиртов из альдегидов и кетонов реакцией по Гриньяру, восстановление альдегидов и кетонов, ферментативное брожение сахаристых веществ. Физические свойства: влияние водородной связи на температуру кипения и растворимость спиртов.

Характеристика связей С–О и О–Н: полярность, поляризуемость, способ разрыва. Нуклеофильность и основность атома кислорода.

Кислотные свойства спиртов. Взаимодействие со щелочными металлами, сильными основаниями, образование алкоголятов. Особенности кислотных свойств -гликолей – реакция с гидроксидами металлов. Изменение кислотности в ряду одноатомных и многоатомных спиртов. Основные свойства спиртов. Взаимодействие с минеральными кислотами и кислотами Льюиса с образованием оксониевых солей. Реакции нуклеофильного замещения гидроксильной группы спиртов. Роль кислотного катализа. Бимолекулярное нуклеофильное замещение (SN2) и мономолекулярное нуклеофильное замещение (SN1).

Реакции внутримолекулярной и межмолекулярной дегидратации спиртов с образованием алкенов и простых эфиров. Реакции спиртов и алкоголятов щелочных металлов как нуклеофильных реагентов:

алкилирование и ацилирование, получение сложных эфиров кислородсодержащих минеральных и карбоновых кислот. Реакция этерификации. Окисление первичных, вторичных и третичных спиртов.

Физиологическое действие метилового и этилового спиртов. Применение спиртов на примере метилового, этилового, этиленгликоля и глицерина.

Простые эфиры. Классификация, номенклатура и способы получения простых эфиров. Синтез простых эфиров реакцией Вильямсона.

Физические и химические свойства: образование оксониевых солей с протонными и апротонными кислотами; расщепление эфирной связи С–О; автоокисление с образованием гидроперекисей. Диэтиловый эфир, эфиры диэтиленгликоля, диоксан, краун-эфиры. Их использование в органическом синтезе и промышленности. Синтез и применение виниловых эфиров.

Фенолы. Классификация, номенклатура, изомерия, физические свойства. Способы получения: кумольный метод, сплавление солей ароматических сульфокислот со щелочью, гидролиз арилгалогенидов, разложение солей диазония. Химические свойства. Кислотные свойства фенолов, сравнение со спиртами. Образование фенолятов с водными растворами щелочей. Реакции фенолятов щелочных металлов как нуклеофильных реагентов. Реакции электрофильного замещения фенолов, влияние гидроксильной группы на направление замещения и скорость реакции: нитрование, сульфирование, галогенирование, С-алкилирование и С-ацилирование. Реакция фенола с формальдегидом и ее практическое значение. Качественные реакции спиртов и фенолов.

1. Классифицируйте приведенные ниже спирты по характеру sp3-гибридного атома углерода, связанного с гидроксильной группой (первичный, вторичный, третичный): 3-метилбутан-2-ол, 2-метилбутан-1-ол, 2-метилбутан-2-ол.

2. Сравните кислотные и основные свойства пропан-2-ола и 2-метилфенола. Приведите уравнения реакций, иллюстрирующих эти свойства.

3. Напишите реакции внутримолекулярной и межмолекулярной дегидратации бутан-2-ола, укажите условия их протекания.

4. Получите этилпропиловый эфир реакцией Вильямсона.

Поясните, чем обусловлены основные свойства полученного 5. Напишите реакции нитрования, бромирования и ацилирования 2-этилфенола хлорангидридом уксусной кислоты. Поясните влияние гидроксильной группы на скорость и направление реакций электрофильного замещения, покажите графически электронные смещения в субстрате.

6. Отличите качественными реакциями 2-метилпропан-1-ол, 3-метилфенол и пропандиол-1,2.

ЗАДАНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ №

1. Напишите структурные формулы соединений А–В (табл. 12).

К каким классам органических веществ (спирты, фенолы, карбоновые кислоты) они относятся? Приведите уравнения реакций спирта с металлическим натрием, фенола с водным раствором щелочи. Какие свойства (кислотные или основные) проявляют эти вещества в данных реакциях?

2. Дайте определение понятия «кислота» по теории Лоури – Бренстеда. Расположите соединения А–В в ряд по усилению кислотных свойств и объясните полученную зависимость на основании сравнения: а) полярности связи О–Н в этих соединениях; б) стабильности анионов, образующихся в результате диссоциации связи О–Н.

Проиллюстрируйте объяснения с помощью графического изображения электронных эффектов в молекулах указанных соединений.

Варианты заданий к задаче № 1 (контрольная работа № 2) 2,3-диметилбутановая 1. Напишите уравнения реакций для приведенного в вашем варианте спирта с реагентами а–в (табл. 13). Укажите условия, если необходимо, и назовите продукты реакций. Приведите механизм для реакции с реагентом, отмеченным звездочкой. Укажите символ реакции, лимитирующую стадию. Поясните роль катализатора.

2. Составьте уравнения реакций получения данного спирта:

а) гидратацией алкена или реакцией гидролиза галогенопроизводного углеводорода; б) восстановлением соответствующего альдегида или кетона.

3. Напишите уравнения реакций для приведенного в вашем варианте фенола с реагентами г–е (табл. 13).

Варианты заданий к задаче № 2 (контрольная работа № 2) ВариРеагенты а–в Реагенты г–е 4-метил- 3-изопропил- б) межмолекулярная д) 1) NaOH, H2O;

3-метил- 3-изопропилная дегидратация 2) CH3CH2Br 33 4-хлорфенол бутан-1-ол ВариРеагенты а–в Реагенты г–е 42 пропан-1-ол 3-этилфенол б) межмолекулярная д) 1) NaOH, H2O;

3-метил- 2-метил- б) межмолекулярная д) 1) NaOH, H2O;

Используя необходимые превращения, приведите реакции, с помощью которых можно осуществить синтез вещества Б из исходного вещества А (табл. 14).

Установите структурную формулу соединения, удовлетворяющую следующим условиям (табл. 15). Назовите соединение и напишите уравнения всех указанных реакций.

ВариУсловия а) молекулярная формула С8Н8О;

б) реагирует с металлическим натрием с выделением водорода;

г) обесцвечивает бромную воду;

д) при окислении в жестких условиях образует 3-оксобутановую кислоту и бутанон а) молекулярная формула С5Н12O;

б) реагирует с металлическим натрием с выделением водорода;

в) с HBr реагирует по SN1-механизму;

г) окисляется с образованием кетона;

д) при дегидратации и последующем жестком окислении образует этановую кислоту и диметилкетон а) молекулярная формула С7Н8О2;

б) растворяется в водном растворе щелочи;

в) дает цветную реакцию с FeCl3;

69 г) образует дибромпроизводное соединение при взаимодействии с д) при взаимодействии с HBr при нагревании образует соединение состава С7Н7ОBr а) молекулярная формула С6Н14О;

б) реагирует с металлическим натрием;

в) при окислении образует кетон;

г) при дегидратации переходит в углеводород С6Н12;

д) при озонолизе и последующем разложении озонида водой углеводорода С6Н12 образуется смесь уксусного альдегида и метилэтилкетона а) молекулярная формула С5Н12O2;

б) реагирует с металлическим натрием при комнатной температуре;

в) с гидроксидом меди в щелочной среде образует комплексное соединение, растворимое в воде и окрашенное в ярко-синий цвет;

г) может быть получено по реакции Вагнера из соответствующего д) при окислении HIO4 образует уксусный альдегид и ацетон а) молекулярная формула С8Н10О;

б) растворяется в водном растворе NaOH;

в) образует окрашенное соединение при взаимодействии с FeCl3;

г) алкилируется диметилсульфатом в щелочной среде;

д) при жестком окислении продукта метилирования образует 4-метоксибензойную кислоту ВариУсловия а) молекулярная формула С8Н10О;

б) реагирует с металлическим натрием с выделением водорода;

73 в) растворяется в холодной концентрированной серной кислоте;

г) при дегидрировании образует ароматический кетон;

д) не дает качественной реакции с бромной водой и FeCl а) молекулярная формула С9Н10О;

б) обесцвечивает бромную воду;

в) вступает в реакцию с металлическим натрием с выделением водорода;

г) существует в виде цис-, транс-изомеров;

д) при жестком окислении образует бензойную кислоту а) молекулярная формула С3Н8О2;

б) реагирует с металлическим натрием с выделением газа;

в) при взаимодействии с Cu(OH)2 в щелочной среде образует раствор ярко-синего цвета;

г) может быть получено в результате реакции Вагнера;

д) при окислении HIO4 образует уксусный альдегид и формальдегид а) молекулярная формула С4Н10О;

б) растворяется в концентрированной серной кислоте;

в) не реагирует с металлическим натрием с выделением водорода;

76 г) может быть получено в результате межмолекулярной дегидратации д) при нагревании с концентрированной HI образует спирт и алкилиодид с одинаковым содержанием атомов углерода а) молекулярная формула С5Н12O;

б) реагирует с металлическим натрием;

в) при окислении превращается в кетон;

г) при дегидратации образует соединение С5Н10;

д) при жестком окислении соединения С5Н10 образует смесь этановой и пропановой кислот а) молекулярная формула С7Н8О;

б) растворяется в водном растворе гидроксида натрия;

в) алкилируется диметилсульфатом в щелочной среде;

г) дает окрашивание с хлорным железом;

д) при реакции с бромной водой превращается в соединение а) молекулярная формула С7Н8О;

б) растворяется в водном растворе гидроксида натрия;

в) алкилируется диметилсульфатом в щелочной среде;

г) дает окрашивание с хлорным железом;

д) при реакции с бромной водой превращается в соединение ВариУсловия а) молекулярная формула С6Н12О;

б) может существовать в виде энантиомеров;

в) реагирует с металлическим натрием с выделением водорода;

г) в результате внутримолекулярной дегидратации образует соединение С6Н10;

д) при окислении соединения С6Н10 образуются пропановая кислота и ацетон а) молекулярная формула С4Н10О;

б) реагирует с металлическим натрием без нагревания;

в) растворяется в холодной концентрированной серной кислоте с образованием оксониевой соли;

г) при дегидратации образует соединение С4Н8;

д) при жестком окислении соединения С4Н8 образуется только одна кислота а) молекулярная формула С5Н10О;

б) существует в виде цис-, транс-изомеров и энантиомеров;

в) в результате реакции Вагнера образует многоатомный спирт – гомолог глицерина;

г) реагирует с металлическим натрием с выделением водорода;

д) при жестком окислении образует уксусную и 2-оксопропановую кислоту а) молекулярная формула С8Н10О;

б) может существовать в виде энантиомеров;

83 в) реагирует с металлическим натрием с выделением водорода;

г) взаимодействует с HСl при нагревании по SN1-механизму;

д) при жестком окислении образует бензойную кислоту а) молекулярная формула С6Н14О;

б) реагирует с металлическим натрием;

в) при окислении превращается в кетон;

г) при дегидратации образует соединение С6Н12;

д) при жестком окислении продукта дегидратации образует диметилкетон и пропановую кислоту а) молекулярная формула С5Н12О;

б) растворяется в концентрированной серной кислоте;

в) не реагирует с металлическим натрием с выделением водорода;

г) может существовать в виде энантиомеров;

д) при нагревании с концентрированной HI образует метиловый спирт а) молекулярная формула С6Н6О2;

б) не выделяет газ при растворении в водном растворе гидрокарбоната 86 в) растворяется в водном растворе гидроксида натрия;

г) алкилируется при взаимодействии с диметилсульфатом в щелочном д) обесцвечивает бромную воду с образованием вещества С6Н3Br3О ВариУсловия а) молекулярная формула С4Н8О;

б) может существовать в виде энантиомеров;

87 в) реагирует с металлическим натрием с выделением газа;

г) обесцвечивает бромную воду;

д) вступает в реакцию полимеризации а) молекулярная формула С5Н12О;

б) реагирует с металлическим натрием;

в) при окислении образует кетон;

88 г) при дегидратации переходит в углеводород С5Н10;

д) при озонолизе углеводорода С5Н10 и последующем разложении озонида водой образуется смесь уксусного альдегида и диметилкетона

КОНТРОЛЬНАЯ

РАБОТА №

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ И ВОПРОСЫ

ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ПО ТЕМАТИКЕ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Классификация альдегидов и кетонов. Номенклатура, изомерия. Физические свойства. Способы получения, общие для алифатических и ароматических альдегидов и кетонов: окисление и дегидрирование спиртов, озонолиз алкенов, восстановление хлорангидридов кислот по Розенмунду, гидролиз геминальных дигалогенопроизводных углеводородов, декарбоксилирование карбоновых кислот и их солей. Специфические методы для алифатического ряда: гидратация алкинов по Кучерову, карбонилирование алкенов.

Специфические методы для ароматического ряда: ацилирование аренов реакцией Фриделя – Крафтса, формилирование аренов по Гаттерману – Коху. Электронное строение и физические параметры карбонильной группы, полярность и поляризуемость связи С=О и общая характеристика реакционной способности карбонильных соединений.

Реакции нуклеофильного присоединения: механизм AN-реакций, влияние на скорость реакции строения субстрата (электронный и пространственный фактор), кислотного или основного катализа, природы нуклеофила. Сравнение реакционной способности альдегидов и кетонов. Реакции нуклеофильного присоединения C-, N-, O- и Sнуклеофилов. Реакции нуклеофильного замещения кислорода карбонильной группы азотистыми основаниями (аммиаком, аминами, гидроксиламином, гидразином, фенилгидразином). Реакции конденсации альдегидов и кетонов с С-нуклеофилами: альдольно-кротоновая конденсация, смешанная конденсация Кляйзена – Шмидта, реакция Перкина. Реакции с галогенидами фосфора. Реакции по углеводородному остатку. Реакции мягкого окисления альдегидов: реакция серебряного зеркала с аммиачным раствором оксида серебра, окисление реактивом Фелинга (гидроксид меди II). Окисление кетонов (правило Попова).

Восстановление карбонильных соединений: каталитическое гидрирование, восстановление карбонильной группы активными металлами (метод Клеменсена) и комплексными гидридами металлов. Реакции диспропорционирования альдегидов (реакция Канниццаро). Реакции по ароматическому кольцу: влияние карбонильной группы на скорость и направление реакций электрофильного замещения – нитрования, галогенирования, сульфирования.

Качественные реакции альдегидов и кетонов. Основные представители: формальдегид, уксусный альдегид, ацетон, бензойный альдегид.

Вопросы для самопроверки 1. Приведите уравнения реакций получения метилэтилкетона реакцией окисления соответствующего спирта и реакцией гидратации соответствующего алкина.

2. Сравните реакционную способность пропаналя и пропанона в реакциях нуклеофильного присоединения. Приведите реакции этих соединений с гидросульфитом натрия и метилмагнийбромидом и поясните влияние электронного и пространственного факторов в субстрате на скорость этих 3. Напишите уравнения реакций 2-метилбуталя с этанолом и синильной кислотой. Поясните роль катализатора в каждой 4. Запишите реакцию бутанона с фенилгидразином, укажите символ реакции, назовите продукт.

5. Напишите реакцию альдольной конденсации метилэтилкетона и назовите продукт. Укажите символ реакции, поясните роль щелочного катализа.

6. Какие продукты образуются в реакции триметилуксусного альдегида с концентрированным раствором щелочи?

Дайте необходимые пояснения.

7. Отличите качественными реакциями пропаналь и метилэтилкетон.

Карбоновые кислоты и их производные Классификация: по характеру углеводородного радикала, по количеству карбоксильных групп. Монокарбоновые кислоты. Номенклатура. Изомерия. Способы получения: окисление углеводородов, гомологов аренов, спиртов, альдегидов и кетонов; гидролиз тригалогенозамещенных углеводородов, гидролиз функциональных производных карбоновых кислот; карбонилирование алкенов и алкинов (оксосинтез).

Физические свойства. Образование водородной связи, ее влияние на физические свойства кислот. Электронное строение карбоксильной группы, эффект сопряжения. Общая характеристика реакционной способности карбоновых кислот. Кислотные свойства, строение и стабильность карбоксилат-аниона, влияние углеводородных радикалов на силу кислоты. Сравнение кислотных свойств карбоновых кислот со спиртами и фенолами. Реакции кислот с металлами и основаниями с образованием солей. Качественная реакция на карбоксильную группу. Реакции нуклеофильного замещения гидроксильной группы кислот, приводящие к образованию функциональных производных кислот: сложных эфиров, галогенангидридов, ангидридов, амидов. Механизм реакции ацилирования, влияние строения субстрата, кислотно-основного катализа на скорость реакции. Реакции этерификации – частный случай ацилирования. Ацилирующая способность функциональных производных кислот. Реакции карбоновых кислот по углеводородному радикалу: свободнорадикальное -галогенирование – образование замещенных кислот. Карбоксильная группа как заместитель в бензольном кольце, ее влияние на скорость и направление реакций электрофильного замещения (нитрование, сульфирование, галогенирование ароматических карбоновых кислот). Отношение карбоновых кислот к восстановителям и окислителям.

Функциональные производные карбоновых кислот. Соли карбоновых кислот. Номенклатура, способы получения. Химические свойства: гидролиз, декарбоксилирование, пиролиз. Соли карбоновых кислот как нуклеофильные реагенты. Галогенангидриды кислот. Номенклатура, способы получения. Химические свойства: реакции замещения галогена на нуклеофильные реагенты (кислотный и щелочной гидролиз, алкоголиз, аммонолиз). Ангидриды кислот.

Номенклатура. Способы получения: дегидратация карбоновых кислот, ацилирование солей карбоновых кислот. Химические свойства: реакции ацилирования с образованием кислот, сложных эфиров, амидов. Сложные эфиры. Номенклатура. Способы получения: алкилирование солей карбоновых кислот, ацилирование спиртов и фенолов галогенангидридами и ангидридами карбоновых кислот, реакция этерификации. Химические свойства: гидролиз в кислой и щелочной среде, переэтерификация, аммонолиз, восстановление металлическим натрием. Амиды кислот. Номенклатура. Способы получения:

взаимодействие карбоновых кислот с аммиаком, ацилирование аммиака или аминов ангидридами, галогенангидридами и сложными эфирами кислот, гидролиз нитрилов. Химические свойства: гидролиз, алкилирование, ацилирование, дегидратация, реакция с азотистой кислотой, восстановление алюмогидридом лития, перегруппировка Гофмана. Нитрилы кислот. Номенклатура. Способы получения: алкилирование солей синильной кислоты, из амидов, солей диазония, ароматических сульфокислот. Химические свойства: реакции гидролиза и восстановления.

Основные представители: муравьиная, уксусная, бензойная, салициловая кислоты.

1. Дайте определение понятиям «функциональные производные карбоновых кислот» и «замещенные карбоновые кислоты». Приведите примеры соединений и назовите их.

2. Сравните кислотные свойства метановой, пропановой кислот, пропан-1-ола и 2-метилфенола. Поясните причины отличия.

3. Напишите реакции взаимодействия хлорангидрида и этилового эфира бутановой кислоты с аммиаком. Сравните их ацилирующую способность. Дайте соответствующие пояснения.

4. Получите изопропиловый эфир этилуксусной кислоты реакцией этерификации. Укажите условия, поясните роль катализатора.

5. Запишите реакции нитрования и бромирования бензойной кислоты. Поясните влияние карбоксильной группы на скорость и направление реакций электрофильного замещения, покажите графически электронные смещения в субстрате.

6. С помощью качественных реакций отличите этиловый эфир бензойной кислоты от бензойной кислоты.

ЗАДАНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ №

1. Напишите уравнения реакций соединения А (табл. 16) с реагентами а–г. Укажите, где это необходимо, условия и назовите продукты реакций.

2. Для соединения Б напишите уравнение и механизм реакции с реагентом, отмеченным звездочкой. Укажите субстрат, реагент, лимитирующую стадию, символ реакции, поясните роль катализатора, если он необходим в этой реакции.

3. Приведите схему получения указанного кетона из соответствующего алкина реакцией Кучерова и альдегида – оксосинтезом.

Варианты заданий к задаче № 1 (контрольная работа № 3) 1 метилфенилкетон 3-метилпентаналь 2 2,2-диметилбутаналь 3-метилбутан-2-он 4 метилпропилкетон 5 метилбутилкетон 9 3-метилпентан-2-он 4-хлорбензальдегид 13 диметилкетон 2-метилпропаналь 16 2-метилбутаналь метилфенилкетон 18 2-фенилэтаналь 4-метилпентан-2-он 20 3-этилбензальдегид диметилкетон метилизопропилметилпропаналь 22 3-бромбензальдегид 3-метилбутан-2-он 1. Для карбоновой кислоты А (табл. 17) получите ее производные: 1) соль; 2) амид; 3) хлорангидрид; 4) ангидрид; 5) сложный эфир по реакции с участием соединения Б; 6) нитрил. Назовите продукты реакций. Для реакции (5) приведите механизм. Укажите в ней субстрат, реагент, лимитирующую стадию, символ реакции, поясните роль катализатора.

2. Какие из полученных производных карбоновой кислоты А (табл. 17) являются ацилирующими средствами? Поясните, от чего зависит их активность. Расположите полученные производные в ряд по увеличению ацилирующей способности.

26 2-метоксибензойная кислота 3-метилпентан-2-ол 27 2-метилбутановая кислота 3-метилбутан-1-ол 30 этилуксусная кислота метилизопропилкарбинол 33 3-метилбутановая кислота 2-метилпентан-1-ол 37 3-бромпропановая кислота 2-метилбутан-1-ол 38 2-метилпропановая кислота изопропилкарбинол 40 изопропилуксусная кислота 3-метилбутан-2-ол 44 трет-бутилуксусная кислота 2-метилпропан-1-ол Заполните схему превращений, назовите продукты реакций.

Варианты заданий к задаче № 3 (контрольная работа № 3) ВариСхема превращений

KOH HCN Г

ВариСхема превращений ВариСхема превращений Установите строение соединения с указанной молекулярной формулой, которое отвечает приведенному в табл. 19 описанию. Назовите соединение и напишите уравнения всех упомянутых в условии реакций.

Варианты заданий к задаче № 4 (контрольная работа № 3) а) реагирует с перманганатом калия в щелочной среде;

в) при жестком окислении образует бензойную кислоту;

г) с водным раствором соды реагирует с выделением газа б) образует гидросульфитное соединение и оксим;

68 С8Н8О в) не окисляется гидроксидом меди (II);

г) при жестком окислении образует бензойную кислоту в) с пропан-2-олом вступает в реакцию этерификации;

а) не выделяет газ при растворении в водном растворе гидрокарбоната натрия;

б) при гидролизе образует два вещества С2Н6О и С3Н6О2;

71 в) вещество С2Н6О при взаимодействии с металлическим г) вещество С3Н6О2 реагирует с водным раствором соды с а) окисляется аммиачным раствором оксида серебра;

72 С5Н10O в) образует гидросульфитное соединение;

г) не вступает в реакцию альдольной конденсации, но реагирует с KОНконц а) реагирует с водным раствором соды с выделением газа;

73 С6Н8О4 в) существует в виде цис-, транс-изомеров;

г) при жестком окислении соединения С6Н8О4 образуется а) реагирует с гидроксиламином и гидросульфитом натрия;

б) не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра;

г) при окислении данное соединение образует бензойную кислоту а) растворяется в водном растворе гидрокарбоната натрия c г) при окислении образует бензол-1,3-дикарбоновую кислоту б) образует гидросульфитное производное;

76 в) окисляется аммиачным раствором оксида серебра;

г) при окислении в жестких условиях образует бензол-1,4дикарбоновую кислоту в) при взаимодействии с бромной водой образует продукт г) окисление C4H6O дихроматом калия в кислой среде при нагревании дает смесь кислот, одной из которых является б) реагирует с водным раствором соды с выделением газа;

а) реагирует с гидроксиламином и фенилгидразином;

79 в) существует в виде цис-, транс-изомеров;

г) при жестком окислении образует пропановую и 2-оксобутановую кислоты а) реагирует с гидрокарбонатом натрия с выделением CO2;

б) реагирует с перманганатом калия в щелочной среде;

80 C4H6O2 в) при действии PCl5 превращается в вещество C4H5OCl;

г) при окислении K2Cr2O7/H+ образует уксусную и щавелевую (HOOC–COOH) кислоты г) при жестком окислении образует ацетон и 2-оксопропановую кислоту б) существует в виде двух пространственных изомеров;

82 С10Н10О2 в) при гидролизе образует метанол и соединение С9Н8О2, при жестком окислении которого образуются бензойная и 83 С6Н10О в) обесцвечивает бромную воду;

г) при жестком окислении образует уксусную и янтарную а) не вступает в реакцию альдольной конденсации, но реагирует с концентрированным раствором KОН;

г) при окислении соединение С9Н10О образует бензол-1,4дикарбоновую кислоту а) реагирует с гидрокарбонатом натрия, выделяя CO2;

б) существует в виде двух пространственных изомеров;

86 С10Н10О2 в) обесцвечивает бромную воду;

г) при действии хромовой смеси образует бензойную и пропандиовую кислоты 87 С6Н8О2 в) существует в виде двух пространственных изомеров;

г) при жестком окислении образует только пировиноградную (2-оксопропановую) кислоту а) образуется в результате окисления вторичного спирта;

б) при взаимодействии с гидразином превращается в гидразон;

88 в) образует гидросульфитное производное;

КОНТРОЛЬНАЯ

РАБОТА №

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ И ВОПРОСЫ

ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ПО ТЕМАТИКЕ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Азотсодержащие производные углеводородов Классификация азотсодержащих производных углеводородов:

нитросоединения, амины, соли диазония, азо- и диазосоединения.

Нитросоединения. Классификация, номенклатура, изомерия.

Физические свойства алифатических и ароматических нитросоединений. Получение нитросоединений реакциями нитрования алканов и аренов, алкилированием солей азотистой кислоты. Строение нитрогруппы. Химические свойства: восстановление, таутомерия, C–H-кислотность, реакции с азотистой кислотой. Влияние нитрогруппы на SE- и SN-реакции в бензольном кольце. Экологические проблемы производства и применения нитросоединений.

Амины. Классификация, изомерия, номенклатура аминов. Физические свойства, влияние водородной связи на физические свойства аминов. Получение аминов восстановлением нитросоединений, нитрилов, изонитрилов, алкилированием аммиака, перегруппировками Гофмана и Бекмана. Химические свойства: основность, алкилирование, ацилирование, реакции с азотистой кислотой. Аминогруппа как электронодонорный заместитель бензольного кольца, способы снижения активности в SE-реакциях ароматических аминов. Галогенирование, нитрование, сульфирование ароматических аминов. Качественные реакции аминов. Важнейшие представители, их использование в промышленности и производстве лекарственных веществ, красителей и т. д.

Соли диазония. Классификация, изомерия, номенклатура. Строение катиона диазония. Получение солей диазония реакцией диазотирования: условия и механизм реакции. Превращение солей диазония в зависимости от рН среды. Реакции солей диазония с выделением азота: замещение диазогруппы на алкоксигруппу, галогены, гидроксил, нитрогруппу, цианогруппу, водород. Реакции без выделения азота:

восстановление солей диазония, реакция азосочетания с ароматическими аминами и фенолами, механизм реакции, влияние рН среды на скорость реакций азосочетания. Азокрасители.

Вопросы для самопроверки 1. Объясните причины подвижности атома водорода в -положении по отношению к нитрогруппе. Напишите уравнение реакции взаимодействия 2-нитробутана с водным раствором щелочи.

2. Запишите уравнения реакций получения 2-нитробутана из бутана и 2-бромбутана. Для каждой реакции укажите символ (SN или SR).

3. Приведите структурные формулы диметиламина, бутанамина и триэтиламина. Классифицируйте эти соединения.

4. Сравните основность метиламина, анилина и аммиака.

Приведите уравнение реакции взаимодействия метиламина и анилина с водным раствором серной кислоты.

5. Напишите уравнение реакции восстановления 4-нитротолуола в кислой среде.

6. Запишите уравнения реакций взаимодействия азотистой кислоты с бутиламином, дипропиламином, анилином и N,N-диметиланилином.

7. Приведите два метода защиты аминогруппы. Как они влияют на скорость и направление SЕ-реакций в бензольном кольце ароматических аминов?

8. Для каких аминов характерна реакция диазотирования?

9. Что происходит с солями диазония при повышенной температуре?

10. Почему реакции азосочетания солей диазония с третичными аминами проводят в слабокислой среде, а с фенолами в слабощелочной?

Классификация по природе гетероатомов, их числу, размеру цикла, насыщенности, количеству циклов. Номенклатура гетероциклов. Ароматичность пяти- и шестичленных гетероциклических соединений. Пятичленные гетероциклические ароматические соединения с одним гетероатомом: фуран, пиррол, тиофен. Строение, сравнение ароматических свойств, общая характеристика реакционной способности. Физические свойства. Способы получения. Химические свойства: ацидофобность, реакции SE (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование, ацилирование, азосочетание), реакции SN и SR. Реакции, характеризующие ненасыщенный характер:

присоединение водорода, галогенов, спиртов, карбоновых кислот, циклоприсоединение. Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом. Пиридин и его гомологи: строение, ароматичность. Физические свойства. Методы синтеза пиридина и его гомологов. Химические свойства: основность, общая характеристика реакционной способности. Реакции SE (нитрование, галогенирование, сульфирование), реакции SN (гидроксилирование, аминирование (реакция Чичибабина)), реакции по азоту (алкилирование, ацилирование, образование солей и N-оксидов). Восстановление пиридина, окисление и конденсация гомологов пиридина.

Методы выделения, очистки и идентификации органических соединений. Определение основных физико-химических характеристик.

Спектральные методы анализа: УФ, ИК, ЯМР.

Вопросы для самопроверки 1. Какие из приведенных ниже соединений обладают ароматическим характером? На примере соединения а проиллюстрируйте правило Хюккеля. Назовите гетероциклические соединения:

2. К какому типу гетероциклов относятся тиофен и пиридин (-избыточным или -дефицитным)? Почему?

3. Сравните реакционную способность - и -положений в молекуле фурана в реакции нитрования.

4. Почему пиррол и фуран не устойчивы в кислой среде?

5. Сравните условия реакции сульфирования пиридина и бензола. Объясните причины различия их реакционной способности.

6. Приведите уравнения реакций пиридина: а) с NaNH2, 100°С; б) С6Н5Li, [O], эфир, 0°С.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАЧИ № 5 КОНТРОЛЬНОЙ

Рассмотрим пример решения и оформления задачи на определение строения неизвестного вещества:

«Установите структурную формулу соединения, удовлетворяющую условиям (табл. 28). Назовите соединение, напишите уравнения всех указанных реакций, сделайте отнесение характеристических полос поглощения (ИК-спектр) или сигналов протонов (ПМР-спектр)».

ВариЭкспериментальные данные а) молекулярная формула С7Н14О2;

б) может существовать в виде энантиомеров;

в) не выделяет газ при растворении в водном растворе гидрокарбоната г) при гидролизе образует два вещества С2Н6О и С5Н10О2;

д) вещество С2Н6О при взаимодействии с металлическим натрием выX е) вещество С5Н10О2 реагирует с водным раствором соды с выделением газа;

ж) ИК-спектр (см–1): 2972, 2880, 1735, 1464, 1376, 1187, 1153;

з) ПМР-спектр (, м. д.): 4,12 (2Н, кв.); 2,49 (1Н, секст.); 1,68 (2Н, квин.); 1,30 (3Н, т.); 1,24 (3Н, д.); 0,96 (3Н, т.) 1. На основании приведенных экспериментальных данных (а–е) сделаем выводы о строении вещества (табл. 20) и установим его структурную формулу.

а) С7Н14О б) может существовать в виде энан- Есть асимметрический атом углерода тиомеров в) не выделяет газ при растворении Не является карбоновой кислотой, значит в водном растворе гидрокарбоната сложный эфир натрия г) при гидролизе образует два ве- В результате гидролиза сложного эфира щества С2Н6О и С5Н10О2 образуется спирт и кислота д) вещество С2Н6О при взаимодей- С2Н6О алифатический спирт ствии с металлическим натрием выделяет водород е) вещество С5Н10О2 реагирует с С5Н10О2 – карбоновая кислота водным раствором соды с выделением газа Соответственно, соединение является алифатическим сложным эфиром следующего строения:

этиловый эфир 2-метилбутановой кислоты Далее следует привести уравнения всех реакций, перечисленных в условии задачи.

2. Для того чтобы выполнить отнесение характеристических полос поглощения ИК-спектра (ж), необходимо использовать учебные пособия [8, 9], в которых описаны теоретические основы данного метода анализа и приведена таблица характеристических полос поглощения для типов соединений и функциональных групп [9, табл. 2.1 на с. 6668]. Ответ задачи следует оформить в виде табл. 21.

3. Для выполнения отнесения сигналов протонов ПМР-спектра (з) данного соединения необходимо использовать учебные пособия [8, 9], в которых описаны теоретические основы данного метода анализа и даны таблицы химических сдвигов протонов [8, с. 226235]. Ответ задачи следует оформить в виде табл. 22 (см. на с. 75).

Отнесение характеристических полос поглощения ИК-спектра Данные ИК-спектра, см– положение полосы поглощения (волновое Анализ спектра ПМР позволяет подтвердить структуру молекулы путем идентификации всех ее фрагментов, содержащих связи атомов водорода (протонов) с другими атомами за счет определения их типа и числа.

Итак, в данной задаче квартет при 4,12 м. д. следует отнести к протонам метиленовой группы (2Н), каждый из которых находится в спин-спиновом взаимодействии с тремя протонами, связанными с соседним атомом С, что отражается на мультиплетности данного сигнала (1 + 3 = 4), и он представляет собой квартет. Положение данного сигнала в довольно слабом поле не характерно для метиленовых протонов в углеводородах. Очевидно, это вызвано тем, что данная группа непосредственно связана с атомом кислорода этой молекулы, оказывающим дезэкранирующее влияние (I эффект). Следовательно, такой сигнал свидетельствует о наличии приведенного ниже структурного фрагмента:

Триплет при 1,30 м. д. принадлежит протонам метильной группы (3Н), каждый из которых находится в спин-спиновом взаимодействии с протонами метиленовой группы (2 + 1 = 3). Смещение данного сигнала в более слабое поле также вызвано дезэкранирующим влиянием кислорода:

Секстет при 2,49 м. д. относится к протону метиновой группы (1Н), который находится в спин-спиновом взаимодействии с пятью соседними протонами (1 + 5 = 6), что объясняет количество пиков в сигнале (секстет). Эти пять протонов могут принадлежать, например, группам:

СН2 и –СН3:

Квинтет при 1,68 м. д. принадлежит протонам метиленовой группы (2Н), которые, очевидно, находятся в спин-спиновом взаимодействии с четырьмя соседними протонами (1 + 4 = 5), что определяет присутствие квинтета. Следовательно, необходимо сделать вывод о присутствии группы:

Дублет при 1,24 м. д. относится к протонам метильной группы (3Н), которые находятся в спин-спиновом взаимодействии с одним соседним протоном (1 + 1 = 2), что определяет присутствие дублета:

Триплет при 0,96 м. д. принадлежит протонам метильной группы (3Н), которые находятся в спин-спиновом взаимодействии с двумя соседними протонами (1 + 2 = 3, триплет):

Таким образом, мы получили два фрагмента молекулы, которые связывает между собой сложноэфирная группа:

Сведем полученные данные в табл.

ЗАДАНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ №

1. Дайте определения понятия «основание» по протолитической теории Лоури – Бренстеда. Классифицируйте амины А и Б (табл. 23).

Изобразите графически электронные смещения в их молекулах.

Сравните основные свойства аминов А и Б с основностью аммиака.

Приведите уравнение реакции амина А с водным раствором серной кислоты.

2. Для амина, обозначенного звездочкой (табл. 23), приведите уравнения реакций со следующими реагентами: а) 2-бромпропан (1 моль)/NaOH, Н2О; б) хлорангидрид уксусной кислоты.

3. Из соединений а и б синтезируйте соответственно амины А и Б (табл. 23).

Варианты заданий к задаче № 1 (контрольная работа № 4) Вариант 18 4-метиланилин пентан-2-амин* бромбензол пент-1-ен 3-метилбутан- 2,4,6-трибром- 3-метилбутбензол 1. Дайте определение реакции диазотирования. Приведите структурные формулы соединений а–в (табл. 24). Какое из этих соединений может диазотироваться с образованием соли диазония? Напишите уравнение реакции диазотирования для этого соединения, укажите условия ее протекания.

2. Какое взаимодействие называется азосочетанием? Запишите реакцию взаимодействия полученной в п. 1 соли диазония с 2-хлорфенолом. Укажите в этой реакции азо- и диазосоставляющую и условия протекания (температура, pH среды). Поясните, чем вызвана необходимость соблюдения pH реакционной смеси при азосочетании.

3. Используя реакцию диазотирования, осуществите синтезы (табл. 24).

Варианты заданий к задаче № 2 (контрольная работа № 4) в) 2-бром-N,N-диметиланилин а) 3-нитро-N-пропиланилин;

а) 2-метилбутан-2-амин;

а) 3-аминобензойная кислота;

в) 4-метил-N-метиланилин 33 а) 2-хлоранилин;

б) 2-бром-N-метиланилин;

в) 2-метил-N,N-диметиланилин а) 3-бром-N-бутиланилин;

а) 3-аминобензойная кислота;

а) 2-этил-N-этиланилин;

1. Какие свойства объединяются термином «ароматические свойства»? Приведите условия, которым должно отвечать соединение с точки зрения его строения, необходимые для проявления ароматичности. Запишите структурные формулы соединений а–в из табл. 26.

Какие из приведенных соединений являются ароматическими? Ответ представьте в форме табл. 25, заполняя соответствующие ячейки таблицы словами «да» или «нет».

Структурная формула Циклическое Плоское Содержит сопряженную систему электронов Сопряженная система замкнутая Подчиняется правилу Хюккеля Вывод (ароматическое или неароматическое) 2. Для вещества, обозначенного звездочкой, напишите уравнения реакций: а) нитрования; б) сульфирования; в) ацилирования (только для пятичленных гетероциклов). Укажите условия протекания реакций, назовите продукты.

Варианты заданий к задаче № 3 (контрольная работа № 4) ВариСоединения Заполните схему превращений (табл. 27) и назовите продукты реакций.

Варианты заданий к задаче № 4 (контрольная работа № 4) ВаСхема превращений риант ВаСхема превращений риант ВаСхема превращений риант Установите структурную формулу соединения, удовлетворяющую следующим условиям (табл. 28). Назовите соединение, напишите уравнения всех указанных реакций, сделайте отнесение характеристических полос поглощения (ИК-спектр) или сигналов протонов (ПМР-спектр).

Варианты заданий к задаче № 5 (контрольная работа № 4) а) молекулярная формула С8Н6;

б) обесцвечивает бромную воду;

в) реагирует с водой в присутствии солей ртути с образованием кетона;

г) с аммиачным раствором оксида меди образует осадок красного цвета;

д) ИК-спектр (см–1): 3310, 3050, 2110, 1698, 1488, 1444:

а) молекулярная формула С4Н11N;

б) образует соли с соляной кислотой;

в) ацилируется хлорангидридом уксусной кислоты;

г) при взаимодействии с азотистой кислотой образует соединение бутан-1-ол;

д) ПМР (, м. д.): 2,65 (2Н, т.); 2,0 (2Н, с.); 1,56 (2Н, квин.); 1,33 (2Н, а) молекулярная формула С5Н10О;

б) с NaHSO3 образует кристаллический осадок;

в) не дает реакцию «серебряного зеркала»;

г) при восстановлении образует пентан-2-ол;

д) ПМР (, м. д.): 2,45 (2Н, т.); 2,09 (3Н, с.); 1,61 (2Н, секст.); 0,96 (3Н, т.):

а) молекулярная формула С5Н11Br;

б) может существовать в виде энантиомеров;

в) образует осадок бромида серебра при взаимодействии с нитратом серебра;

г) при дегидробромировании образует соединение С5Н10, которое при жестком окислении образует пропанон и уксусную кислоту;

д) ПМР (, м. д.): 3,59 (1Н, квин.); 2,24 (1Н, септ.); 1,79 (3Н, д.); 1,01 (6Н, д.):

а) молекулярная формула С4Н8О2;

б) не выделяет газ при растворении в водном растворе гидрокарбоната натрия;

в) при гидролизе образует два вещества С2Н6О и С2Н4О2;

г) вещество С2Н6О при взаимодействии с металлическим натрием д) вещество С2Н4О2 реагирует с водным раствором соды с выделением газа;

е) ИК-спектр (см–1): 2908, 1743, 1440, 1360, 1243, 1048:

а) молекулярная формула С5Н10;

б) обесцвечивает раствор бромной воды;

в) при гидратации образует третичный спирт;

г) при жестком окислении образует бутан-2-он и оксид углерода;

д) ПМР (, м. д.): 4,88 (1Н, д.); 4,63 (1Н, д.); 2,00 (2Н, кв.); 1,71 (3Н, с.);

а) молекулярная формула С3Н7NО2;

б) растворяется в водном растворе щелочи;

в) при восстановлении образует соединение С3Н9N;

г) при взаимодействии с азотистой кислотой окрашивает раствор в д) ИК-спектр (см–1): 3000, 2960, 1550, 1470, 1400, 1385:

а) молекулярная формула С7Н14О2;

б) не выделяет газ при растворении в водном растворе гидрокарбоната натрия;

в) при гидролизе образует два вещества С2Н6О и С5Н10О2;

г) вещество С2Н6О при взаимодействии с металлическим натрием д) вещество С5Н10О2 с водным раствором соды образует 3-метилбутаноат натрия;

е) ПМР (, м. д.): 4,12 (2Н, кв.); 2,47 (1Н, м.); 2,21 (2Н, д.); 1,30 (3Н, т.);

а) молекулярная формула С7Н9N;

б) растворяется в разбавленной соляной кислоте;

в) алкилируется этилбромидом;

г) с азотистой кислотой образует соединение С7Н8N2O;

д) ИК-спектр (см–1): 3400, 3100, 2905, 2805, 1610, 1505, 1320:

а) молекулярная формула С4Н9NО2;

б) растворяется в водном растворе щелочи;

в) при взаимодействии с азотистой кислотой окрашивает раствор в г) при восстановлении образует соединение С4Н11N линейного строения;

д) ПМР (, м. д.): 4,41 (2Н, т.); 1,91 (2Н, квин.); 1,33 (2Н, секст.); 0,96 (3Н, т.):

а) молекулярная формула С7Н9N;

б) растворяется в разбавленной соляной кислоте;

в) вступает в реакцию диазотирования с образованием соли диазония;

г) в реакции с бромной водой образует соединение С7Н6NBr2 (атомы брома находятся в положениях 2 и 6 ароматического цикла);

д) ПМР (, м. д.): 6,81 (2Н, д.); 6,34 (2Н, д.); 5,85 (2Н, с.); 2,32 (3Н, с.):

а) молекулярная формула С4Н9NO2;

б) растворяется в водном растворе гидроксида натрия;

в) при взаимодействии с азотистой кислотой окрашивает раствор в г) при восстановлении образует соединение С4Н11N;

д) ПМР (, м. д.): 3,97 (1Н, секст.); 1,91 (2Н, квин.); 1,61 (3Н, д.); 0,96 (3Н, т.):

а) молекулярная формула С5Н10О2;

б) может существовать в виде энантиомеров;

в) реагирует с водным раствором соды с выделением газа;

г) вступает в реакцию этерификации с метанолом;

д) ИК-спектр (см–1): 2972, 2940, 2880, 1707, 1466, 1418:

а) молекулярная формула С5Н11Cl;

б) существует в виде энантиомеров;

в) образует осадок AgBr при взаимодействии с нитратом серебра;

г) при гидролизе образует вторичный спирт линейного строения;

д) ПМР (, м. д.): 3,64 (1Н, секст.); 1,59 (3Н, д.); 1,53 (2Н, кв.); 1, а) молекулярная формула С4Н10О;

б) существует в виде энантиомеров;

в) реагирует с металлическим натрием с выделением газа;

г) при окислении образует кетон;

д) ИК-спектр (см–1): 3363, 2968, 2932, 1457, 1376, 1110:

а) молекулярная формула С5Н10О;

б) существует в виде энантиомеров;

в) с NaHSO3 образует кристаллический осадок;

г) дает реакцию «серебряного зеркала»;

д) ИК-спектр (см–1): 2968, 2880, 2811, 2711, 1728, 1462, 1396:

а) молекулярная формула С4Н8О;

б) реагирует с гидроксиламином;

в) с NaHSO3 образует кристаллический осадок;

г) не дает реакцию «серебряного зеркала»;

д) ИК-спектр (см–1): 2981, 2964, 1718, 1454, 1366, 1173:

а) молекулярная формула С4Н9Br;

б) не существует в виде энантиомеров;

в) образует осадок AgBr при взаимодействии с нитратом серебра;

г) при гидролизе образует первичный спирт линейного строения;

д) ПМР (, м. д.): 3,30 (2Н, т.); 1,79 (2Н, квин.); 1,33 (2Н, секст.); 0, а) молекулярная формула С6Н12;

б) обесцвечивает раствор бромной воды;

в) при гидратации образует третичный спирт;

г) при жестком окислении образует бутан-2-он и уксусную кислоту;

д) ПМР (, м. д.): 5,20 (1Н, кв.); 2,0 (2Н, кв.); 1,71 (3Н, д.); 1,71 (3Н, с.);

а) молекулярная формула С7Н8О;

б) не реагирует с бромной водой;

в) реагирует с металлическим натрием с выделением газа;

г) при окислении образует бензойную кислоту;

д) ИК-спектр (см–1): 3326, 3031, 2932, 1497, 1457, 1039:

а) молекулярная формула С6Н12О2;

б) не выделяет газ при растворении в водном растворе гидрокарбоната натрия;

в) при гидролизе образует два вещества С2Н6О и С4Н8О2;

г) вещество С2Н6О при взаимодействии с металлическим натрием д) вещество С4Н8О2 имеет неразветвленное строение, реагирует с водным раствором соды с выделением газа;

е) ИК-спектр (см–1): 2969, 2939, 1739, 1463, 1372, 1188, 1096:

а) молекулярная формула С8Н10О;

б) дает цветную реакцию с FеCl3;

в) алкилируется метилбромидом в щелочной среде;

г) при окислении продукта алкилирования образуется 4-метоксибензойная кислота;

д) ПМР (, м. д.): 9,83 (1Н, с.); 6,95 (2Н, д.); 6,68 (2Н, д.); 2,59 (2Н,

ЛИТЕРАТУРА

1. Органическая химия. Реакционная способность основных классов органических соединений / А. Э. Щербина [и др.]. – Минск: БГТУ, 2000. – 612 с.

2. Грандберг, И. И. Органическая химия / И. И. Грандберг. – М.:

ДРОФА, 2001. – 672 с.

3. Артеменко, А. И. Органическая химия / А. И. Артеменко. – М.:

Высш. шк., 2002. – 560 с.

4. Петров, А. А. Органическая химия / А. А. Петров, Х. В. Бальян, А. Т. Трощенко. – СПб.: Иван Федоров, 2002. – 622 с.

5. Потапов, В. М. Органическая химия / В. М. Потапов, С. Н. Татаринчик. – М.: Химия, 1989. – 488 с.