Сборник методических указаний по органической химии. 243.МУЛР.ПН.ОП.03.КНГС.001-17. Сборник методических указаний для студентов по выполнению лабораторных работ по учебной дисциплине
 Скачать 1.06 Mb.
|
|
Тема «Альдегиды и кетоны» Лабораторная работа № 8 «Свойства альдегидов и кетонов» Цель: исследовать получение и свойства альдегидов и кетонов. Образовательные результаты, заявленные во ФГОС: Студент должен уметь: применять безопасные приемы при работе с органическими реактивами и химическими приборами; проводить реакции с органическими веществами в лабораторных условиях; знать: получение ихимическиесвойства альдегидов и кетонов. Краткие теоретические материалы Альдегиды – органические соединения, содержащие альдегидную группу – СНО, связанную с углеводородным радикалом. Кетоны - органические соединения, в молекулах которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами. Альдегиды являются более активными, чем кетоны (у кетонов карбонил как бы блокирован радикалами с обеих сторон). Альдегиды получают путем окисления спиртов. Из первичных спиртов получаются альдегиды, из вторичных кетоны. Окисление спиртов происходит при действии сильных окислителей (хромовая смесь) при небольшом нагревании. По реакции Кучерова (из алкинов и воды, катализатор - соли ртути в кислой среде). Из ацетилена образуются альдегиды, из любых других алкинов - кетоны. Из всех классов органических соединений альдегиды и кетоны самые реакционноспособные. Причем в химическом отношении альдегиды более активны, чем кетоны. Для них характерны следующие реакции: окисления, 43 присоединения, замещения, полимеризации, конденсации. Для кетонов не характерны реакции полимеризации При окислении альдегидов образуются карбоновые кислоты. Окисление кетонов происходит гораздо труднее и только сильными окислителями. Продуктами окисления являются карбоновые кислоты. При окислении кетона образуется спиртокетон, затем дикетон, который, разрываясь, образует кислоты.Реакции присоединения протекают за счет разрыва пи-связи в карбониле. Эти реакции нуклеофильного присоединения, то есть сначала к положительно заряженному углероду карбонила присоединяется нуклеофильная часть реагента со свободной электронной парой (протекает медленно. Кислород карбонильных групп может замещаться на галогены и некоторые азотсодержащие соединения. Замещение галогенами происходит при действии на альдегиды и кетоны фосфорных соединений галогенов. Реакции полимеризации характерны только для альдегидов. Но и то, только газообразные и летучие альдегиды (муравьиный, уксусный) подвергаются полимеризации. Это очень удобно при хранении этих альдегидов. нов PCL 3 и PCL 5 Реакции конденсации подвергаются альдегиды в слабо основной среде (в присутствии ацетона калия, поташа, сульфата калия) подвергаются альдольной конденсации с образованием альдегидо - спиртов, сокращенно называемых альдолями. Порядок выполнения работы: Обратите внимание! ПТБ № 4, 8, 11, 16 Приборы и реактивы: штатив с пробирками, тигельные щипцы, пробиркодержатель, асбестированная сетка, спиртовка, спички, раствор формальдегида, ацетон в растворе, этанол, пропанол – 2, серная кислота 44 (разб. 1:5), аммиачный раствор оксида серебра, растворы йода, гидроксида натрия (10%-ный), сульфата меди (II), уксусного альдегида. Опыт № 1 Получение уксусного альдегида и ацетона окислением спиртов оксидом меди (II) а) Окисление этанола Налейте в пробирку 2 – 3мл этанола. Медную спираль из проволоки прокалите в пламени спиртовки, держа ее тигельными щипцами, до появления черного налета оксида меди (II), затем опустите в пробирку со спиртом. Черная поверхность спирали становится золотистой. Снова прокалите медную спираль и опустите в спирт. Повторите это несколько раз до появления запаха уксусного альдегида (свежескошенной травы, свежей листвы). Напишите уравнение реакции в молекулярном и структурном виде, дайте название органическим веществам. б) Окисление пропанола – 2 Повторите опыт с пропанолом – 2. Напишите уравнение реакции в структурном виде, дайте название органическим веществам. Опишите наблюдаемые в опыте явления, сделайте вывод, дав им объяснение. Опыт № 2 Окисление формальдегида а) Реакция «серебряного зеркала» В чистую пробирку поместите 1 мл аммиачного раствора оксида серебра и 1 мл формальдегида. Встряхните и осторожно нагрейте смесь в пламени (результат будет лучше, если использовать водяную баню). На стенках пробирки появляется блестящий зеркальный налет чистого серебра, т.к. происходит окислительно – восстановительная реакция. 45 Напишите уравнение реакции в структурном виде окисления метаналя до муравьиной кислоты, определите степень окисления атомов серебра и углерода до и после реакции. б) Окисление свежеосажденным гидроксидом меди (II) В пробирку с 1 – 2мл щелочи прибавьте 2 капли раствора сульфата меди (II ) до образования осадка голубого цвета, затем внесите 1мл формалина, энергично перемешайте встряхиванием и нагрейте в пламени спиртовки. Наблюдается изменение окраски из голубого через желтый и далее до кирпично-красного. При плохом перемешивании возможно частичное окрашивание в черный цвет. Напишите уравнение реакции и наблюдения с объяснением, используя схемы: t Cu(OH) 2 →CuOH→ Сu 2 O голубой желтый красный CuO черный Опыт № 3 Образование йодоформа из ацетальдегида и ацетона Налейте в две пробирки по 1 мл разбавленных растворов ацетона и ацетальдегида, добавьте по 1 мл раствора йода и несколько капель раствора щелочи до исчезновения окраски. В обеих пробирках без нагревания сразу образуется желтый осадок йодоформа с характерным запахом. Вследствие ничтожной растворимости йодоформа в воде реакция очень чувствительна и позволяет, например, обнаружить содержание в воде 0,04% ацетона Реакции идут по схеме: СН 3 – СНО 3J₂ 3HJ CJ 3 – CHO 𝑁𝑎𝑂𝐻 CHJ 3 + HCOONa CH 3 – C –CH 3 3𝐽₂ 3𝐻𝐽 CJ 3 – C – CH 3 𝑁𝑎𝑂𝐻 CHJ 3 + CH 3 COONa || || O O В соответствии со схемами напишите четыре уравнения реакций, дайте названия органическим веществам, объясните наблюдения. 46 Выполните задания: 1. Напишите структурные формулы карбонильных соединений, образующихся при окислении спиртов: амилового, изопропилового, бензилового, изоамилового, учитывая, что альдегиды образуются при окислении первичных спиртов, а кетоны – вторичных. 2. Напишите в структурном виде реакции взаимодействия с оксидом меди (II) следующих веществ: а) 3 – метилбутанол – 1; б) 2,2 – диметилпропанол – 1; в) пентанол – 2; г) пентанол – 3. Дайте название продуктам. 3. Напишите уравнение реакции окисления метанола до метаналя подкисленным раствором перманганата калия, пользуясь схемой: СН 3 ОН + КМnO 4 → НСНО + МnO 2 + КОН + Н 2 O Определите степень окисления атомов элементов, расставьте коэффициенты методом электронного баланса, назовите окислитель и восстановитель. 4. Напишите уравнение реакции окисления пропанола до пропаналя дихроматом калия в кислой среде, расставьте коэффициенты методом электронного баланса. 47 Тема «Карбоновые кислоты и их производные» Лабораторная работа № 9 «Получение и свойства карбоновых кислот» Цель: исследовать получение и свойства уксусной кислоты, получения стеариновой кислоты и свойства стеарата натрия. Образовательные результаты, заявленные во ФГОС: Студент должен уметь: применять безопасные приемы при работе с органическими реактивами и химическими приборами; проводить реакции с органическими веществами в лабораторных условиях; знать: получение ихимическиесвойства уксусной кислоты, стеарата натрия. Краткие теоретические материалы Карбоновые кислоты – органические соединения, молекулы которых содержат карбоксильную группу –СООН, связанную с углеводородным радикалом. В лаборатории карбоновые кислоты можно получить из их солей, действуя на них серной кислотой при нагревании. В промышленности получают окислением углеводородов, спиртов и альдегидов. Химические свойства: 1. Из-за смещения электронной плотности от гидроксильной группы O–H к сильно поляризованной карбонильной группе C=O молекулы карбоновых кислот способны к электролитической диссоциации: R–COOH → R–COO - + H + Сила карбоновых кислот в водном растворе невелика. 2. Карбоновые кислоты обладают свойствами, характерными для минеральных кислот. Они реагируют с активными металлами, основными оксидами, основаниями, солями слабых кислот. Карбоновые кислоты слабее 48 многих сильных минеральных кислот (HCl, H 2 SO 4 и т.д.) и поэтому вытесняются ими из солей. 3. Образование функциональных производных: а) при взаимодействии со спиртами (в присутствии концентрированной H 2 SO 4 ) образуются сложные эфиры. Образование сложных эфиров при взаимодействии кислоты и спирта в присутствии минеральных кислот называется реакцией этерификации; б) при воздействии водоотнимающих реагентов в результате межмолекулярной дегидратации образуются ангидриды. Порядок выполнения работы: Обратите внимание! ПТБ № 4, 11, 14 Приборы и реактивы: штатив с пробирками, газоотводная трубка, химический стакан, асбестированная сетка, спиртовка, спички, стружка магния, лакмусовая бумажка, кусочки мрамора, кристаллический ацетат натрия, серная кислота , этанол, уксусная кислота, подсолнечное масло, растворы серной кислоты, гидроксида натрия, хлорида железа (III), фенолфталеина, метилоранж, хлорида магния, стирального порошка, стеарата натрия (раствор мыла). Опыт № 1 Получение уксусной кислоты В пробирку поместите 0,5 г ацетата натрия, добавьте 2-3 капли серной кислоты (1:1) и закройте пробкой с газоотводной трубкой. Свободный конец газоотводной трубки опустите в пустую пробирку, находящуюся в стакане с холодной водой. 49 Нагревайте смесь до тех пор, пока в пробирке-приемнике не соберется около 1 мл уксусной кислоты (отметьте специфический запах продукта). Запишите наблюдения. Напишите уравнение реакции получения уксусной кислоты. Сделайте вывод. Опыт № 2 Химические свойства уксусной кислоты В пять пробирок налейте по 2-3 мл раствора уксусной кислоты. В первую опустите кусочек лакмусовой бумажки, во вторую стружки магния, в третью – свежеприготовленный гидроксид железа (III), в четвертую – 2-3 капли метилоранжа и 2 мл раствора гидроксида натрия, в пятую – кусочек мрамора. Запишите наблюдения и объясните их. Напишите уравнения реакций: 1) диссоциациации уксусной кислоты (рН-?); 2) взаимодействия уксусной кислоты с Mg в молекулярном и ионном виде; 3) взаимодействия уксусной кислоты с Fe(OH) 3 в молекулярном и ионном виде; 4) взаимодействия уксусной кислоты с NaOH в молекулярном и ионном виде; 5) взаимодействия уксусной кислоты с СаСОз в молекулярном и ионном виде. Сделайте вывод. Опыт № 3 Получение стеариновой кислоты В пробирку наливают 3-4 мл раствора мыла и добавляют к нему раствор соляной кислоты до образования хлопьев. Напишите уравнение реакции, дайте названия веществам. 50 Опыт № 4 Химические свойства стеарата натрия В три налейте раствор мыла и добавьте: в первую пробирку – раствор фенолфталеина; во вторую – серной кислоты; в третью – хлорида магния. Повторите то же самое с раствором стирального порошка. Запишите наблюдения, объясните их. Напишите уравнения реакций: 1) гидролиз стеарата натрия; 2) взаимодействие стеарата натрия с серной кислотой в молекулярной и краткой ионной форме; 3) взаимодействие стеарата натрия с хлоридом магния в молекулярной и ионной форме. Сделайте вывод, сравнив свойства высших и низших карбоновых кислот. Выполните задания: 1. Напишите уравнения реакций получения уксусной кислоты окислением ацетальдегида кислородом воздуха и уксуснокислым брожением этанола. 2. Напишите в структурном виде уравнение реакций по схеме: трипальмиат→ пальмитиновая кислота → пальмиат кальция. 3. Напишите в структурном виде уравнение реакций по схеме: трилинолеат→ тристеарат → стреарат калия. 4. Напишите уравнения реакций восстановления пропионовой кислоты допропанола (+4Н) и пропана (+6HJ) в молекулярном и структурном виде. 5. Напишите уравнения реакций галогенирования уксусной кислоты и получения уксусного ангидрида (термокаталитическая дегидратация). 51 Тема «Карбоновые кислоты и их производные» Лабораторная работа № 10 « Получение и свойства производных карбоновых кислот» Цель: исследовать способы получения и свойства сложных эфиров и жиров. Образовательные результаты, заявленные во ФГОС: Студент должен уметь: применять безопасные приемы при работе с органическими реактивами и химическими приборами; проводить реакции с органическими веществами в лабораторных условиях; знать: получение ихимическиесвойства сложных эфиров и жиров. Краткие теоретические материалы Сложные эфиры – производные карбоновых кислот, в молекулах которых атом водорода карбоксильной группы замещен на углеводородный радикал. К сложным эфирам природного происхождения относятся жиры. Сложные эфиры образуются при взаимодействии карбоновых кислот со спиртами в присутствии катализатора – серной кислоты. Реакции карбоновых кислот со спиртами называют реакциями этерификации. Эти реакции обратимы Жиры – это эфиры глицерина и карбоновых кислот, содержащих в молекуле от 4 до 26 атомов. Жиры, которые мы употребляем в пищу, образованы главным образом кислотами, в молекулах которых от 16 до 18 атомов углерода. Такие кислоты называют высшими. Например, в состав говяжьего жира входит сложный эфир (жир) глицерина и насыщенной стеариновой кислоты C 17 H 35 COOH: глицерин + стеариновая кислота <=> триглицерид стеариновой кислоты + вода. Жиры при обычных условиях – жидкие или твёрдые бесцветные вещества почти без запаха. Жиры растительного происхождения являются сложными эфирами непредельных 52 высших кислот. Они обычно жидкие. Их называют маслами. Животные жиры – твёрдые. Они образованы предельными высшими кислотами. Сложные эфиры подвергаются гидролизу – разложению водой. Эта реакция катализируется как кислотами, так и щелочами. При гидролизе образуются исходные спирт и кислота. Если же гидролиз идёт в щелочной среде, то образуется соль соответствующей кислоты. Например, при гидролизе жиров в щелочной среде образуется глицерин и соль высшей кислоты – мыло. Порядок выполнения работы: Обратите внимание! ПТБ № 4, 11, 12 Приборы и реактивы: штатив с пробирками, водяная баня, пробиркодержатель, химический стакан, спиртовка, спички, порошок гидросульфата натрия, сульфат меди, конц. серная кислота, уксусная эссенция, этанол, растительное масло, твердый животный жир, раствор едкого натра, 40 % -ный насыщенный раствор поваренной соли, вода. Опыт № 1 Получение этилового эфира уксусной кислоты реакцией этерификации Смешайте в пробирке по 2,5 мл этанола и 1,5 мл конц. уксусной кислоты и 1 мл конц. серной кислоты и поместите в горячую (60-70° С) водяную баню. В пробирке появляется заметный запах эфира. Добавьте к смеси 2 мл холодной воды и при покачивании пробирки пронаблюдайте всплывание и отслаивание эфира. Вылейте смесь в стакан с насыщенным раствором поваренной соли. Отметьте появление капель эфира на поверхности воды. Напишите уравнение реакции этерификации в молекулярном, структурном виде, укажите роль серной кислоты, назовите органические вещества. Сделайте вывод. 53 Опыт № 2 Образование акролеина при разложении жира В сухую пробирку поместите 0,5 г кислой сернокислой соли и каплю жидкого жира. Встряхиванием при легком нагревании перемешайте соль и жир, после чего нагрейте смесь более сильно, держа пробирку горизонтально. Смесь чернеет, выделяя пары воды и другие летучие продукты, имеющие резкий характерный запах акролеина (как при подгорании жира в быту). Напишите три уравнения реакции по схеме: жидкий жир → глицерин → 3-гидроксипропаналь → акролеин (триолеат) (пропангриол) (пропеналь) Сделайте вывод. Опыт № 3 Омыление жиров щелочью в водно-спиртовом растворе В две пробирки поместите по 3 г жира, 3 мл спирта и 3 мл конц. раствора щелочи, перемешайте смесь встряхиванием и равномерно нагрейте на водяной бане до начала кипения. Смесь быстро делается однородной, и через 3-5 минут омыление полностью заканчивается. К полученной густой жидкости добавьте почти доверху горячий насыщенный раствор поваренной соли при перемешивании палочкой. Смесь становится мутной затем выделяется слой мыла, всплывающий на поверхности жидкости (высаливание). Дав смеси отстояться в течение нескольких минут в водяной бане, погружают пробирку в стакан с холодной водой на 5-10 мин, для затвердевания слоя мыла. Жиры нерастворимы в водном растворе щелочи, а добавление спирта делает смесь однородной, повышает растворимость жиров и резко ускоряет омыление. Жидкие жиры и масла дают более мягкие мыла; калийные мыла в сравнении с натриевыми также имеют более мягкую консистенцию. Жидкие мыла в промышленности получают, оставляя в реакционной смеси много глицерина. Напишите уравнения реакций в молекулярном, структурном виде: 1) взаимодействия тристеорина с раствором щелочи; 54 2) взаимодействия мыла с хлоридом кальция. Назовите органические вещества. Сделайте вывод. Выполните задания: 1. Напишите в структурном виде уравнение реакции гидрогенизации трилинолеата. Что такое протоплазматический жир? Что такое маргарин? 2. Какое строение имеют сложные эфиры с запахом рома, абрикосов? Напишите уравнения реакций их получения, гидролиза, аммонолиза и восстановления. 3. Напишите уравнение реакции гидрогалогенирования акролеина, объясните причину нарушения правила Марковникова. 55 |