Шпаргалка. Сборник основных формул по химии Краткий справочник студента I. Общая химия Основные понятия химии

• Название: Сборник основных формул по химии Краткий справочник студента I. Общая химия Основные понятия химии
• Анкор: Шпаргалка
• Дата: 27.02.2021
• Размер: 181.71 Kb.
• Имя файла: sbornik_formul_himiya.docx
• Тип: Сборник; #179997
• страница: 8 из 13

IV. Органическая химия

1. Алканы

Алканы (предельные углеводороды, парафины) – ациклические насыщенные углеводороды общей формулы С_n H_2n+2. В соответствии с общей формулой алканы образуют гомологический ряд.

Первые четыре представителя имеют полусистематические названия – метан (CH₄), этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀). Названия последующих членов ряда строятся из корня (греческие числительные) и суффикса -ан : пентан (С₅Н₁₂), гексан (С₆Н₁₄), гептан (С₇Н₁₆) и т. д.

Атомы углерода в алканах находятся в sp³ -гибридном состоянии. Оси четырех sp³- орбиталей направлены к вершинам тетраэдра, валентные углы равны 109°28 .

Пространственное строение метана:
Энергия С—С связи Е_{с —с} = 351 кДж/моль, длина С—С связи 0,154 нм.

Связь С—С в алканах является ковалентной неполярной. Связь С—Н – ковалентная слабополярная.

Для алканов, начиная с бутана, существуют структурные изомеры (изомеры строения), различающиеся порядком связывания между атомами углерода, с одинаковым качественным и количественным составом и молекулярной массой, но различающихся по физическим свойствам.

Способы получения алканов

1. С_nH_2n+2 →400–700 °C → С_pH_2p+2 + С_mH_2m,

n = m + p.

Крекинг нефти (промышленный способ). Алканы также выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменный уголь).
(гидрирование непредельных соединений)

3. nCO + (2n + 1)Н₂ → С_nH_2n+2 + nH₂O (получение из синтез-газа (CO + Н₂))

4. (реакция Вюрца)
5. (реакция Дюма) CH₃COONa + NaOH →t → CH₄ + Na₂CO₃

6. (реакция Кольбе)

Химические свойства алканов

Алканы не способны к реакциям присоединения, т. к. в их молекулах все связи насыщены, для них характерны реакции радикального замещения, термического разложения, окисления, изомеризации.
1. (реакционная способность убывает в ряду: F₂ > Cl₂ > Br₂ > (I₂ не идет), R₃C• > R₂CH• > RCH₂• > RCH₃•)
2. (реакция Коновалова)
3. C_nH_2n+2 + SO₂ + ½O₂ →hν → C_nH_2n+1SO₃H – алкилсульфокислота

(сульфоокисление, условия реакции: облучение УФ)

4. CH₄ →1000 °C → С + 2Н₂; 2CH₄ →t>1500 °C → С₂Н₂ + ЗН₂ (разложение метана – пиролиз)

5. CH₄ + 2Н₂O →Ni, 1300 °C → CO₂ + 4Н₂ (конверсия метана)

6. 2С_nH_2n+2 + (Зn+1)O₂ → 2nCO₂ + (2n+2)Н₂O (горение алканов)

7. 2н- С₄Н₁₀ + 5O₂ → 4CH₃COOH + 2Н₂O (окисление алканов в промышленности; получение уксусной кислоты)

8. н- С₄Н₁₀ → изо- С₄Н₁₀ (изомеризация, катализатор AlCl₃)

2. Циклоалканы

Циклоалканы (циклопарафины, нафтены, цикланы, полиметилены) – предельные углеводороды с замкнутой (циклической) углеродной цепью. Общая формула С_n H_2n.

Атомы углерода в циклоалканах, как и в алканах, находятся в sp³ -гибридизованном состоянии. Гомологический ряд циклоалканов начинает простейший циклоалкан – циклопропан С₃Н₆, представляющий собой плоский трехчленный карбоцикл. По правилам международной номенклатуры в циклоалканах главной считается цепь углеродных атомов, образующих цикл. Название строится по названию этой замкнутой цепи с добавлением приставки «цикло» (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и т. д.).

Структурная изомерия циклоалканов связана с различной величиной цикла (структуры 1 и 2), строением и видом заместителей (структуры 5 и 6) и их взаимным расположением (структуры 3 и 4).

Способы получения циклоалканов

1. Получение из дигалогенопроизводных углеводородов
2. Получение из ароматичесих углеводородов

Химические свойства циклоалканов

Химические свойства циклоалканов зависят от размера цикла, определяющего его устойчивость. Трех– и четырехчленные циклы (малые циклы), являясь насыщенными, резко отличаются от всех остальных предельных углеводородов. Циклопропан, циклобутан вступают в реакции присоединения. Для циклоалканов (С₅ и выше) вследствие их устойчивости характерны реакции, в которых сохраняется циклическая структура, т. е. реакции замещения.

1. Действие галогенов

2. Действие галогеноводородов
С циклоалканами, содержащими пять и более атомов углерода в цикле, галогеново-дороды не взаимодействуют.

3.
4. Дегидрирование

3. Алкены

Алкены (непредельные углеводороды, этиленовые углеводороды, олефины) – непредельные алифатические углеводороды, молекулы которых содержат двойную связь. Общая формула ряда алкенов С_nН_2n.

По систематической номенклатуре названия алкенов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суффикса – ан на – ен : этан (CH₃—CH₃) – этен (CH₂=CH₂) и т. д. Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно включала в себя двойную связь. Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к двойной связи конца цепи.

В молекуле алкена ненасыщенные атомы углерода находятся в sp² -гибридизации, а двойная связь между ними образована σ– и π-связью. sp² -Гибридные орбитали направлены друг к другу под углом 120°, и одна негибридизованная 2р -орбиталь, расположена под углом 90° к плоскости гибридных атомных орбиталей.

Пространственное строение этилена:
Длина связи С=С 0,134 нм, энергия связи С=С Е_с=с = 611 кДж/моль, энергия π-связи Еπ = 260 кДж/моль.

Виды изомерии: а) изомерия цепи; б) изомерия положения двойной связи; в) Z, Е (cis, trans ) – изомерия, вид пространственной изомерии.

Способы получения алкенов

1. CH₃—CH₃ →Ni, t → CH₂=CH₂ + H₂ (дегидрирование алканов)

2. С₂Н₅OH →H,SO₄, 170 °C→ CH₂=CH₂ + Н₂O (дегидратация спиртов)

3. (дегидрогалогенирование алкилгалогенидов по правилу Зайцева)
4. CH₂Cl—CH₂Cl + Zn → ZnCl₂ + CH₂=CH₂ (дегалогенирование дигалогенопроизводных)

5. HC≡CH + Н₂ →Ni, t → CH₂=CH₂ (восстановление алкинов)

Химические свойства алкенов

Для алкенов наиболее характерны реакции присоединения, они легко окисляются и полимеризуются.

1. CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br—CH₂Br

(присоединение галогенов, качественная реакция)

2. (присоединение галогеноводородов по правилу Марковникова)
3. CH₂=CH₂ + Н₂ →Ni, t → CH₃—CH₃ (гидрирование)

4. CH₂=CH₂ + Н₂O →H⁺ → CH₃CH₂OH (гидратация)

5. ЗCH₂=CH₂ + 2КMnO₄ + 4Н₂O → ЗCH₂OH—CH₂OH + 2MnO₂↓ + 2KOH (мягкое окисление, качественная реакция)

6. CH₂=CH—CH₂—CH₃ + КMnO₄ →H⁺ → CO₂ + С₂Н₅COOH (жесткое окисление)

7. CH₂=CH—CH₂—CH₃ + O₃ → Н₂С=O + CH₃CH₂CH=O формальдегид+пропаналь → (озонолиз)

8. С₂Н₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2Н₂O (реакция горения)

9. (полимеризация)
10. CH₃—CH=CH₂ + HBr →перекись → CH₃—CH₂—CH₂Br (присоединение бро-моводорода против правила Марковникова)

11. (реакция замещения в α-положение)

4. Алкины

Алкины (ацетиленовые углеводороды) – ненасыщенные углеводороды, имеющие в своем составе тройную С≡С связь. Общая формула алкинов с одной тройной связью С_nН_2n-2. Простейший представитель ряда алкинов CH≡CH имеет тривиальное название ацетилен. По систематической номенклатуре названия ацетиленовых углеводородов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суффикса –ан на -ин : этан (CH₃—CH₃) – этин (CH≡CH) и т. д. Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно включала в себя тройную связь. Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к тройной связи конца цепи.

В образовании тройной связи участвуют атомы углерода в sp -гибридизованном состоянии. Каждый из них имеет по две sp- гибридных орбитали, направленных друг к другу под углом 180°, и две негибридных p -орбитали, расположенных под углом 90° по отношению друг к другу и к sp -гибридным орбиталям.

Пространственное строение ацетилена:
Виды изомерии: 1) изомерия положения тройной связи; 2) изомерия углеродного скелета; 3) межклассовая изомерия с алкадиенами и циклоалкенами.

Способы получения алкинов

1. СаО + ЗС →t → СаС₂ + CO;

СаС₂ + 2Н₂O → Са(OH)₂ + CH≡CH (получение ацетилена)

2. 2CH₄ →t>1500 °C → HC = CH + ЗН₂ (крекинг углеводородов)

3. CH₃—CHCl₂ + 2KOH →в спирте → HC≡CH + 2KCl + Н₂O (дегалогенирова-ние)

CH₂Cl—CH₂Cl + 2KOH →в спирте → HC≡CH + 2KCl + Н₂O

Химические свойства алкинов

Для алкинов характерны реакции присоединения, замещения. Алкины полиме-ризуются, изомеризуются, вступают в реакции конденсации.

1. (гидрирование)
2. HC≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr;

CHBr=CHBr + Br₂ → CHBr₂—CHBr₂ (присоединение галогенов, качественная реакция)

3. CH₃—С≡CH + HBr → CH₃—CBr=CH₂;

CH₃—CBr=CH₂ + HBr → CH₃—CBr₂—CHg (присоединение галогеноводородов по правилу Марковникова)

4. (гидратация алинов, реация Кучерова)

5.(присоединение спиртов)
6.(присоединение карбоновых ислот)
7. CH≡CH + 2Ag₂O →NH₃ → AgC≡CAg↓ + H₂O (образование ацетиленидов, качественная реакция на концевую тройную связь)

8. CH≡CH + [О] →КMnO₄ → HOOC—COOH → HCOOH + CO₂ (окисление)

9. CH≡CH + CH≡CH → CH₂=CH—С≡CH (катализатор – CuCl и NH₄Cl, димеризация)

10. 3HC≡CH →C, 600 °C → С₆Н₆ (бензол) (циклоолигомеризация, реакция Зелинского)

5. Диеновые углеводороды

Алкадиены (диены) – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат две двойные связи. Общая формула алкадиенов С_nН_2n_₂. Свойства алкадиенов в значительной степени зависят от взаимного расположения двойных связей в их молекулах.

Способы получения диенов

1. (метод СВ. Лебедева)
2. (дегидратация)
3. (дегидрирование)

Химические свойства диенов

Для сопряженных диенов характерны реакции присоединения. Сопряженные диены способны присоединять не только по двойным связям (к C₁ и С₂, С₃ и С₄), но и к концевым (С₁ и С₄) атомам углерода с образованием двойной связи между С₂ и С₃.

6. Ароматические углеводороды

Арены, или ароматические углеводороды,  – циклические соединения, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов с замкнутой системой сопряженных связей, объединяемые понятием ароматичности, которая обуславливает общие признаки в строении и химических свойствах.

Все связи С—С в бензоле равноценны, их длина равна 0,140 нм. Это означает, что в молекуле бензола между углеродными атомами нет чисто простых и двойных связей (как в формуле, предложенной в 1865 г. немецким химиком Ф. Кекуле), а все они выровнены (дел окал изованы).

формула Кекуле

Гомологи бензола – соединения, образованные заменой одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы (R): С₆Н₅—R, R—С₆Н₄—R. Общая формула гомологического ряда бензола С_nН_2n_₆ (n > 6). Для названия ароматических углеводородов широко используются тривиальные названия (толуол, ксилол, кумол и т. п.). Систематические названия строят из названия углеводородного радикала (приставка) и слова «бензол» (корень): С₆Н₅—CH₃ (метилбензол), С₆Н₅—С₂Н₅ (этилбензол). Если радикалов два или более, их положение указывается номерами атомов углерода в кольце, с которыми они связаны. Для дизамещен-ных бензолов R—С₆Н₄—R используется также и другой способ построения названий, при котором положение заместителей указывают перед тривиальным названием соединения приставками: орто– (o -) – заместители соседних атомов углерода кольца (1,2-); мета– (м -) – заместители через один атом углерода (1,3-); пара– (п -) – заместители на противоположных сторонах кольца (1,4-).
Виды изомерии (структурная): 1) положения заместителей для ди-, три– и тетра-замещенных бензолов (например, о-, м- и п -ксилолы); 2) углеродного скелета в боковой цепи, содержащей не менее 3 атомов углерода; 3) заместителей (R), начиная с R=С₂Н₅.

Способы получения ароматических углеводородов

1. С₆Н₁₂ →Pt, 300 °C → С₆Н₆ + ЗН₂ (дегидрирование циклоалканов)

2. н- С₆Н₁₄ →Cr₂O₃, 300 °C → С₆Н₆ + 4Н₂ (дегидроциклизация алканов)

3. ЗС₂Н₂ →С, 600 °C → С₆Н₆ (циклотримеризация ацетилена, реакция Зелинского)

Химические свойства ароматических углеводородов

По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов. Для аренов наиболее характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а именно реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом. Другие реакции (присоединение, окисление), в которых участвуют делокали-зованные С-С связи бензольного кольца и нарушается его ароматичность, идут с трудом.

1. C₆H₆ + Cl₂ →AlCl₃ → C₆H₅Cl + HCl (галогенирование)

2. C₆H₆ + HNO₃ →H₂SO₄ → C₆H₅—NO₂ + H₂O (нитрование)
3. С₆Н₆ →H₂SO₄ → С₆Н₅—SO₃H + H₂O (сульфирование)

4. С₆Н₆ + RCl →AlCl₃ → С₆Н₅—R + HCl (алкилирование)

5. (ацилирование)
6. С₆Н₆ + ЗН₂ →t, Ni → С₆Н₁₂ циклогексан (присоединение водорода)

7. (1,2,3,4,5,6-гексахлороциклогексан, присоединение хлора)
8. С₆Н₅—CH₃ + [О] → С₆Н₅—COOH кипячение с раствором КMnO₄ (окисление алкилбензолов)

7. Галогеноуглеводороды

Галогеноуглеводородами называются производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода заменены на атомы галогена.

Способы получения галогеноуглеводородов

1. CH₂=CH₂ + HBr → CH₃—CH₂Br (гидрогалогенирование ненасыщенных углеводородов)

CH≡CH + HCl → CH₂=CHCl

2. CH₃CH₂OH + РCl₅ → CH₃CH₂Cl + POCl₃ + HCl (получение из спиртов)

CH₃CH₂OH + HCl → CH₃CH₂Cl + Н₂O (в присутствии ZnCl₂, t°C )

3. а) CH₄+ Cl₂ →hv→ CH₃Cl + HCl (галогенирование углеводородов)

б)

Химические свойства галогеноуглево-дородов

Наибольшее значение для соединений этого класса имеют реакции замещения и отщепления.

1. CH₃CH₂Br + NaOH (водн. р-р) → CH₃CH₂OH + NaBr (образование спиртов)

2. CH₃CH₂Br + NaCN → CH₃CH₂CN + NaBr (образование нитрилов)

3. CH₃CH₂Br + NH₃ → [CH₃CH₂NH₃]⁺Br ↔—HBr ↔ CH₃CH₂NH₂ (образование аминов)

4. CH₃CH₂Br + NaNO₂ → CH₃CH₂ NO₂ + NaBr (образование нитросоединений)

5. CH₃Br + 2Na + CH₃Br → CH₃—CH₃ + 2NaBr (реакция Вюрца)

6. CH₃Br + Mg → CH₃MgBr (образование магнийорганических соединений, реактив Гриньяра)

7. (дегидрогалогенирование)

8. Спирты

Спиртами называются производные углеводородов, в молекулах которых содержится одна или несколько гидроксильных групп (—OH), связанных с насыщенными атомами углерода. Группа —OH (гидроксильная, оксигруппа) является в молекуле спирта функциональной группой. Систематические названия даются по названию углеводорода с добавлением суффикса -ол и цифры, указывающей положение гидроксигруппы. Нумерация ведется от ближайшего к OH-группе конца цепи.

По числу гидроксильных групп спирты подразделяются на одноатомные (одна группа —OH), многоатомные (две и более групп —OH). Одноатомные спирты: метанол CH₃OH, этанол С₂Н₅OH; двухатомный спирт: этилен-гликоль (этандиол-1,2) HO—CH₂—CH₂—OH; трехатомный спирт: глицерин (пропантриол-1,2,3) HO—CH₂—CH(OH)—CH₂—OH. В зависимости от того, с каким атомом углерода (первичным, вторичным или третичным) связана гидроксигруппа, различают спирты первичные R—CH₂—OH, вторичные R₂CH—OH, третичные R₃C—OH.

По строению радикалов, связанных с атомом кислорода, спирты подразделяются на предельные, или алканолы (CH₃CH₂—OH), непредельные, или алкенолы (CH₂=CH—CH₂—OH), ароматические (С₆Н₅CH₂—OH).

Виды изомерии (структурная изомерия): 1) изомерия положения OH-группы (начиная с С₃); 2) углеродного скелета (начиная с С₄); 3) межклассовая изомерия с простыми эфирами (например, этиловый спирт CH₃CH₂OH и диметиловый эфир CH₃—О—CH₃). Следствием полярности связи О—Н и наличия неподеленных пар электронов на атоме кислорода является способность спиртов к образованию водородных связей.

Способы получения спиртов

1. CH₂=CH₂ + Н₂O/Н⁺ → CH₃—CH₂OH (гидратация алкенов)

2. CH₃—CHO + Н₂ →t, Ni → С₂Н₅OH (восстановление альдегидов и кетонов)

3. C₂H₅Br + NaOH (водн.) → С₂Н₅OH + NaBr (гидролиз галогенопроизводных)

ClCH₂—CH₂Cl + 2NaOH (водн.) → HOCH₂—CH₂OH + 2NaCl

4. CO + 2Н₂ →ZnO, CuO, 250 °C, 7 МПа → CH₃OH (получение метанола, промышленность)

5. С₆Н₁₂O₆ →дрожжи → 2С₂Н₅OH + 2CO₂ (брожение моноз)

6. 3CH₂=CH₂ + 2KMnO₄ + 4Н₂O → 3CH₂OH—CH₂OH - этиленгиликоль + 2KOH + 2MnO₂ (окисление в мягких условиях)

7. а) CH₂=CH—CH₃ + O₂ → CH₂=CH—CHO + Н₂O

б) CH₂=CH—CHO + Н₂ → CH₂=CH—CH₂OH

в) CH₂=CH—CH₂OH + Н₂O₂ → HOCH₂—CH(OH)—CH₂OH (получение глицерина)

Химические свойства спиртов

Химические свойства спиртов связаны с наличием в их молекулу группы  —OH. Для спиртов характерны два типа реакций: разрыв связи С—О и связи О—Н.

1. 2С₂Н₅OH + 2Na → Н₂ + 2C₂H₅ONa (образование алкоголятов металлов Na, К, Mg, Al)

2. а) С₂Н₅OH + NaOH ≠ (в водном растворе не идет)

б) CH₂OH—CH₂OH + 2NaOH → NaOCH₂—CH₂ONa + 2Н₂O

в) (качественная реакция на многоатомные спирты – образование ярко-синего раствора с гидроксидом меди)
3. а) (образование сложных эфиров)
б) С₂Н₅OH + H₂SO₄ → С₂Н₅—О—SO₃H + Н₂O (на холоду)

в)
4. а) С₂Н₅OH + HBr → С₂Н₅Br + Н₂O

б) С₂Н₅OH + РCl₅ → С₂Н₅Cl + POCl₃ + HCl

в) С₂Н₅OH + SOCl₂ → С₂Н₅Cl + SO₂ + HCl (замещение гидроксильной группы на галоген)

5. С₂Н₅OH + HOC₂H₅ →H₂SO₄, <140 °C → C₂H₅—O—C₂H₅ + H₂O (межмолекулярная гидротация)

6. С₂Н₅OH →H₂SO₄, 170 °C → CH₂=CH₂ + H₂O (внутримолекулярная гидротация)

7. а) (дегидрирование, окисление первичных спиртов)

б) (дегидрирование, окисление вторичных спиртов)

9. Фенолы

Фенолами называются производные аренов, в которых один или несколько атомов водорода ароматического кольца замещены на гидроксильные группы. По числу гидроксильных групп в ароматическом кольце различают одно– и многоатомные (двух– и трехатомные) фенолы. Для большинства фенолов используются тривиальные названия. Структурная изомерия фенолов связана с различным положением гидроксильных групп.

Способы получения фенолов

1. С₆Н₅Cl + NaOH(p, 340°C) → С₆Н₅OH + NaCl (щелочной гидролиз галогеноуглеводородов)

2. (кумольный способ получения)
3. C₆H₅SO₃Na + NaOH (300–350°C) → С₆Н₅OH + Na₂SO₃ (щелочное плавление солей ароматических сульфоновых кислот)

Химические свойства фенолов

Фенолы в большинстве реакций по связи О—Н активнее спиртов, поскольку эта связь более полярна за счет смещения электронной плотности от атома кислорода в сторону бензольного кольца (участие непо-деленной электронной пары атома кислорода в системе л-сопряжения). Кислотность фенолов значительно выше, чем спиртов.

Для фенолов реакции разрыва связи С—О не характерны. Взаимное влияние атомов в молекуле фенола проявляется не только в особенностях поведения гидроксигруппы, но и в большей реакционной способности бензольного ядра.
Гидроксильная группа повышает электронную плотность в бензольном кольце, особенно в орто– и пара- положениях (+М-эффект OH-группы). Для обнаружения фенолов используется качественная реакция с хлоридом железа(III). Одноатомные фенолы дают устойчивое сине-фиолетовое окрашивание, что связано с образованием комплексных соединений железа.

1. 2С₆Н₅OH + 2Na → 2C₆H₅ONa + Н₂ (так же, как и этанол)

2. С₆Н₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O (в отличие от этанола)

C₆H₅ONa + Н₂O + CO₂ → С₆Н₅OH + NaHCO₃ (фенол более слабая кислота, чем угольная)

3.
Фенолы не образуют сложные эфиры в реакциях с кислотами. Для этого используются более реакционноспособные производные кислот (ангидриды, хлорангидриды).

4. С₆Н₅OH + CH₃CH₂OH →NaOH → С₆Н₅OCH₂CH₃ + NaBr (О-алкилирование)

5.
(взаимодействие с бромной водой, качественная реакция)

6.(нитрование разб. HNO₃, при нитрировании конц. HNO₃ образуется 2,4,6-тринитрофенол)
7. n C₆H₅OH + n CH₂O → n H₂O + (—C₆H₃OH—CH₂—)_n (поликонденсация, получение фенолформальдегидных смол)

10. Альдегиды и кетоны

Альдегидами называются соединения, в которых карбонильная группа
соединена с углеводородным радикалом и атомом водорода, а кетонами – карбонильные соединения с двумя углеводородными радикалами.
Систематические названия альдегидов строят по названию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса –аль . Нумерацию цепи начинают с карбонильного атома углерода. Тривиальные названия производят от тривиальных названий тех кислот, в которые альдегиды превращаются при окислении: Н₂С=O – метаналь (муравьиный альдегид, формальдегид); CH₃CH=O – этаналь (уксусный альдегид). Систематические названия кетонов несложного строения производят от названий радикалов с добавлением слова «кетон». В более общем случае название кетона строится по названию соответствующего углеводорода и суффикса –он ; нумерацию цепи начинают от конца цепи, ближайшего к карбонильной группе. Примеры: CH₃—CO—CH₃ – диметилкетон (пропанон, ацетон). Для альдегидов и кетонов характерна структурная изомерия. Изомерия альдегидов: а) изомерия углеродного скелета, начиная с С₄; б) межклассовая изомерия. Изомерия кетонов: а) углеродного скелета (с С₅); б) положения карбонильной группы (с С₅); в) межклассовая изомерия.

Атомы углерода и кислорода в карбонильной группе находятся в состоянии sp²- гибридизации. Связь С=O сильно полярна. Электроны кратной связи С=O смещены к электроотрицательному атому кислорода, что приводит к появлению на нем частичного отрицательного заряда, а карбонильный атом углерода приобретает частичный положительный заряд.

Способы получения альдегидов и кетонов

1. а) (дегидрирование, окисление первичных спиртов)
б) (дегидрирование, окисление вторичных спиртов)

2. а) CH₃CH₂CHCl₂ + 2NaOH →в воде → CH₃CH₂CHO + 2NaCl + H₂O (гидролиз дигалогенопроизводных)

б) CH₃СCl₂CH₃ + 2NaOH →в воде → CH₃COCH₃ + 2NaCl + H₂O

3. (гидратация алкинов, реакция Кучерова)

4. (окисление этилена до этаналя)
(окисление метана до формальдегида)

CH₄ + O₂ →400–600 °C, NO → H₂C=O + H₂O

Химические свойства альдегидов и ке-тонов

Для карбонильных соединений характерны реакции различных типов: а) присоединение по карбонильной группе; б) восстановление и окисление; в) конденсация; д) полимеризация.

1. (присоединение циановодородной кислоты, образование гидроксинитрилов)
2. (присоединение гидросулбфита натрия)
3. (восстановление)

4. (образование полуацеталец и ацеталей)

5. (взаимодействие с гидроксоламином, образование оксима ацетальдегида)
6. (образование дигалогенопроизводных)
7. (α-галогенирование в присутствии OH¯)
8. (албдольная конденсация)
9. R—CH=O + Ag₂O →NH₃ → R—COOH + 2Ag↓ (окисление, реакция «серебряного зеркала»)

R—CH=O + 2Cu(OH)₂ → R—COOH + Cu₂O↓, + 2H₂O (красный осадок, окисление)

10. (окисление кетонов, жесткие условия)
11. n CH₂=O → (—CH2—O—)_n параформ n = 8—12 (полимеризация)

11. Карбоновые кислоты и их производные

Карбоновыми кислотами называются органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп —COOH, связанных с углеводородным радикалом. По числу карбоксильных групп кислоты подразделяются на: одноосновные (монокарбоновые) CH₃COOH (уксусная), многоосновные (дикарбоновые, трикарбоновые и т. д.). По характеру углеводородного радикала различают кислоты: предельные (например, CH₃CH₂CH₂COOH); непредельные (CH₂=CH(—COOH); ароматические (С₆Н₅COOH).

Систематические названия кислот даются по названию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса –овая и слова «кислота»: HCOOH – метановая (муравьиная) кислота, CH₃COOH – этановая (уксусная) кислота. Для карбоновых кислот характерная структурная изомерия: а) изомерия скелета в углеводородном радикале (начиная с С₄); б) межклассовая изомерия, начиная с С₂. Возможна цис-транс-изомерия в случае непредельных карбоновых кислот. Электронная плотность π- связи в карбонильной группе смещена в сторону атома кислорода. Вследствие этого у карбонильного углерода создается недостаток электронной плотности, и он притягивает к себе неподеленные пары атома кислорода гидроксильной группы, в результате чего электронная плотность связи О—Н смещается в сторону атома кислорода, водород становится подвижным и приобретает способность отщепляться в виде протона.
В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют на ионы:

R—COOH ↔ R—COО¯ + Н⁺

Растворимость в воде и высокие температуры кипения кислот обусловлены образованием межмолекулярных водородных связей.

Способы получения карбоновых кислот

1. CH₃—СCl₃ + 3NaOH → CH₃—COOH + 3NaCl + Н₂O (гидролиз тригалогенопроизводных)

2. R—CHO + [О] → R—COOH (окисление альдегидов и кетонов)

3. CH₃—CH=CH₂ + CO + Н₂O/Н⁺ →Ni, р, t → CH₃—CH₂—CH₂—COOH (оксосинтез)

4. CH₃C≡N + 2Н₂O/ Н⁺ → CH₃COOH + NH₄ (гидролиз нитрилов)

5. CO + NaOH → HCOONa; 2HCOONa + H₂SO₄ → 2HCOOH + Na₂SO₄ (получение HCOOH)

Химические свойства карбоновых кислот и их производных

Карбоновые кислоты проявляют высокую реакционную способность и вступают в реакции с различными веществами, образуя разнообразные соединения, среди которых большое значение имеют функциональные производные: сложные эфиры, амиды, нитрилы, соли, ангидриды, гало-генангидриды.

1. а) 2CH₃COOH + Fe → (CH₃COO)₂Fe + Н₂ (образование солей)

б) 2CH₃COOH + MgO → (CH₃COO)₂Mg + Н₂O

в) CH₃COOH + KOH → CH₃COОК + Н₂O

г) CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + CO₂ + Н₂O

CH₃COONa + H₂O ↔ CH₃COOH + NaOH (соли карбоновых кислот гидролизуются)

2. (образование вложных эфиров)
(омыление вложного эфира)
3. (получение хлорангидридов кислот)
4. (разложение водой)
5. CH₃—COOH + Cl₂ →hv → Cl—CH₂—COOH + HCl (галогенирование в α-положение)

6. HO—CH=O + Ag₂O →NH₃ → 2Ag + Н₂CO₃ (Н₂O + CO₂) (особенности HCOOH)

HCOOH →t → CO + Н₂O

12. Жиры

Жиры – сложные эфиры глицерина и высших одноатомных карбоновых кислот. Общее название таких соединений – триглицериды. В состав природных триглицеридов входят остатки насыщенных кислот (пальмитиновой С₁₅Н₃₁COOH, стеариновой С₁₇Н₃₅COOH) и ненасыщенных (олеиновой С₁₇Н₃₃COOH, линолевой С₁₇Н₃₁COOH). Жиры состоят главным образом из триглицеридов предельных кислот. Растительные жиры – масла (подсолнечное, соевое) – жидкости. В состав триглицеридов масел входят остатки непредельных кислот.
Жирам как сложным эфирам свойственна обратимая реакция гидролиза, катализируемая минеральными кислотами. При участии щелочей гидролиз жиров происходит необратимо. Продуктами в этом случае являются мыла – соли высших карбоновых кислот и щелочных металлов. Натриевые соли – твердые мыла, калиевые – жидкие. Реакция щелочного гидролиза жиров называется также омылением.

13. Амины

Амины – органические производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы. В зависимости от числа углеводородных радикалов различают первичные RNH₂, вторичные R₂NH, третичные R₃N амины. По характеру углеводородного радикала амины подразделяются на алифатические (жирные), ароматические и смешанные (или жирноароматические). Названия аминов в большинстве случаев образуют из названий углеводородных радикалов и суффикса –амин. Например, CH₃NH ₂ – метиламин; CH₃—CH₂—NH₂ – этиламин. Если амин содержит различные радикалы, то их перечисляют в алфавитном порядке: CH₃—CH₂—NH—CH₃ – ме-тилэтиламин.

Изомерия аминов определяется количеством и строением радикалов, а также положением аминогруппы. Связь N—Н является полярной, поэтому первичные и вторичные амины образуют межмолекулярные водородные связи. Третичные амины не образуют ассоциирующих водородных связей. Амины способны к образованию водородных связей с водой. Поэтому низшие амины хорошо растворимы в воде. С увеличением числа и размеров углеводородных радикалов растворимость аминов в воде уменьшается.

Способы получения аминов

1. R—NO₂ + 6[Н] → R—NH₂ + 2H₂O (восстановление нитросоединений)

2. NH₃ + CH₃I → [CH₃N⁺H₃]I¯ →NH₃ → CH₃NH ₂ + NH ₄I (алкилирование аммиака)

3. а) С₆Н₅—NO₂ + 3(NH₄)₂S → С₆Н₅—NH₂ + 3S + 6NH₃ + 2H₂O (реакция Зинина)

б) С₆Н₅—NO₂ + 3Fe + 6HCl → С₆Н₅—NH₂ + 3FeCl₂ + 2Н₂O (восстановление нитросоединений)

в) С₆Н₅—NO₂ + ЗН₂ →катализатор, t → C₆H₅—NH ₂ + 2Н₂O

4. R—C≡N + 4[H] → RCH₂NH₂ (восстановление нитрилов)

5. ROH + NH₃ →Al₂O₃,350 °C → RNH₂ + 2H₂O (получение низших алкиламинов С₂—С₄)

Химические свойства аминов

Амины имеют сходное с аммиаком строение и проявляют подобные ему свойства. Как в аммиаке, так и в аминах атом азота имеет неподеленную пару электронов. Для аминов характерны ярко выраженные основные свойства. Водные растворы алифатических аминов проявляют щелочную реакцию. Алифатические амины – более сильные основания, чем аммиак. Ароматические амины являются более слабыми основаниями, чем аммиак, поскольку не-поделенная электронная пара атома азота смещается в сторону бензольного кольца, вступая в сопряжение с его π-электронами.
На основность аминов влияют различные факторы: электронные эффекты углеводородных радикалов, пространственное экранирование радикалами атома азота, а также способность образующихся ионов к стабилизации за счет сольватации в среде растворителя. В результате донорного эффекта алкильных групп основность алифатических аминов в газовой фазе (без растворителя) растет в ряду: первичные < вторичные < третичные. Основность ароматических аминов зависит также от характера заместителей в бензольном кольце. Электроноакцепторные заместители (—F, —Cl, —NO₂ и т. п.) уменьшают основные свойства ариламина по сравнению с анилином, а электронодонорные (алкил R—, —OCH₃, —N(CH₃)₂ и др.), напротив, увеличивают.

1. CH₃—NH ₂ + Н₂O → [CH₃—NH₃]OH (взаимодействие с водой)

2. (CH ₃)₂NH + HCl → [(CH₃)₂NH₂]Cl хлорид диметиламмония (взаимодействие с кислотами)

[(CH ₃)₂NH ₂]Cl + NaOH → (CH ₃)₂NH + NaCl + H₂O (взаимодействие солей аминов со щелочами)

3.
(ацителирование, с третичными аминами не идет)

4. R—NH₂ + CH₃I → [CH₃N⁺H₂R]I¯ →NH₃ → CH₃NHR + NH₄I (алкилирование)

5. Взаимодействие с азотистой кислотой: строение продуктов реакции с азотистой кислотой зависит от характера амина. Поэтому данная реакция используется для различия первичных, вторичных и третичных аминов.

а) R—NH₂ + HNO₂ → R—OH + N₂ + H₂O (первичные жирные амины)

б) С₆Н₅—NH₂ + NaNO₂ + HCl → [С₆Н₅—N≡N]⁺Cl¯ – соль диазония (первичные ароматические амины)

в) R₂NH + Н—О—N=O → R₂N—N=O (N-нитрозамин) + Н₂O (вторичные жирные и ароматические амины)

г) R₃N + Н—О—N=O → при низкой температуре нет реакции (третичные жирные амины)

д)
(третичные ароматические амины)

Свойства анилина. Для анилина характерны реакции как по аминогруппе, так и по бензольному кольцу. Бензольное кольцо ослабляет основные свойства аминогруппы по сравнению с алифатическими аминами и аммиаком, но под влиянием аминогруппы бензольное кольцо становится более активным в реакциях замещения по сравнению с бензолом.

C₆H₅—NH₂ + HCl → [C₆H₅—NH₃]Cl = C₆H₅NH₂  • HCl

C₆H₅NH₂ • HCl + NaOH → C₆H₅NH₂ + NaCl + H₂O

C₆H₅NH₂ + CH3I →t → [C₆H₅NH₂CH₃]⁺I¯

14. Аминокислоты

Аминокислотами называются гетеро-функциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно аминогруппу и карбоксильную группу. В зависимости от взаимного расположения амино– и карбоксильной групп аминокислоты подразделяют на α-, β-, γ– и т. д. По ИЮПАК, для наименования аминокислот группу NH₂— называют приставкой амино-, указывая цифрой номер углеродного атома, с которым она связана, а затем следует название соответствующей кислоты.

2-аминопропановая кислота (α-аминопропановая, α-аланин)

3-аминопропановая кислота (β-аминопропановая, β-аланин)

6-аминогексановая кислота (ε-аминокапроновая)

По характеру углеводородного радикала различают алифатические (жирные) и ароматические аминокислоты. Изомерия аминокислот зависит от строения углеродного скелета, положения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе. Для аминокислот характерна еще оптическая изомерия.

Способы получения аминокислот

1. (аммонолиз галогенокислот)
2. CH₂=CH—COOH + NH₃ →  H₂N—CH₂—CH₂—COOH (присоединение аммиака к α, β-непредельным кислотам)

3.
(действие HCN и NH₃ на альдегиды или кетоны)

4. Гидролиз белков под влиянием ферментов, кислот или щелочей.

5. Микробиологический синтез.

Химические свойства аминокислот

Аминокислоты проявляют свойства оснований за счет аминогруппы и свойства кислот за счет карбоксильной группы, т. е. являются амфотерными соединениями. В кристаллическом состоянии и в среде, близкой к нейтральной, аминокислоты существуют в виде внутренней соли – дипо-лярного иона, называемого также цвиттер-ион H₃N⁺—CH₂—COO¯.

1. H₂N—CH₂—COOH + HCl → [H₃N⁺—CH₂—COOH]Cl¯ (образование солей по аминогруппе)

2. H₂N—CH₂—COOH + NaOH → H₂N—CH₂—COO¯Na⁺ + H₂O (образование солей)

3.
(образование сложного эфира)

4.
(ацилирование)

5. ⁺NH₃—CH₂—COO¯ + 3CH₃I →—HI → (CH₃)₃N⁺—CH₂—COO¯ – бетаин аминоуксусной кислоты

(алкилирование)

6.
(взаимодействие с азотистой кислотой)

7. n H₂N—(CH₂)₅—COOH → (—HN—(CH₂)₅—CO—)_n + n H₂O (получение капрона)

15. Углеводы. Моносахариды. Олигосахариды. Полисахариды

Углеводы (сахара) – органические соединения, имеющие сходное строение и свойства, состав большинства которых отражает формула С_х(Н₂O)_y, где х, у ≥ 3.

Классификация:
Моносахариды не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Олиго-и полисахариды расщепляются при кислом гидролизе до моносахаридов. Общеизвестные представители: глюкоза (виноградный сахар) С₆Н₁₂O₆, сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁, крахмал и целлюлоза [С₆Н₁₀О₅]_n.

Способы получения

1. mCO₂ + nН₂O →hv, хлорофилл → C_m(H₂O)_n (углеводы)+ mO₂ (получение при фотосинтезе)

углеводы: С₆Н₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6Н₂O + 2920 кДж

(метаболизм: глюкоза окисляется с выделением большого количества энергии в живом организме в процессе метаболизма)

2. 6nCO₂ + 5nН₂O →hv, хлорофилл → (С₆Н₁₀О₅)_n + 6nO₂ (получение крахмала или целлюлозы)

Химические свойства

Моносахриды. Все монозы в кристаллическом состоянии имеют циклическое строение (α– или β-). При растворении в воде циклический полуацеталь разрушается, превращаясь в линейную (оксо-) форму.

Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в молекуле функциональных групп трех видов (карбонила, спиртовых гидроксилов и гликозидного (полуацетального) гидроксила).

1. С₅Н₁₁O₅—CHO (глюкоза) + Ag₂O →NH₃→ CH₂OH—(CHOH)₄—COOH (глюконовая кислота) + 2Ag (окисление)

2. С₅Н₁₁O₅—CHO (глюкоза) + [Н] → CH₂OH—(CHOH)₄—CH₂OH(сорбит)(восстановление)

3. а)
(моноалкилирование)

б)
(полиалкилирование)

4.
5. Важнейшим свойством моносахаридов является их ферментативное брожение, т. е. распад молекул на осколки под действием различных ферментов. Брожению подвергаются в основном гексозы в присутствии ферментов, выделяемых дрожжевыми грибками, бактериями или плесневыми грибками. В зависимости от природы действующего фермента различают реакции следующих видов:

а) С₆Н₁₂O₆ → 2С₂Н₅OH + 2CO₂ (спиртовое брожение);

б) С₆Н₁₂O₆ → 2CH₃—CH(OH)—COOH (молочнокислое брожение);

в) С₆Н₁₂O₆ → С₃Н₇COOH + 2CO₂ + 2Н₂O (маслянокислое брожение);

г) С₆Н₁₂O₆ + O₂ → HOOC—CH₂—С(OH)(COOH)—CH₂—COOH + 2Н₂O (лимоннокислое брожение);

д) 2С₆Н₁₂O₆ → С₄Н₉OH + CH₃—CO—CH₃ + 5CO₂ + 4Н₂ (ацетон-бутанольное брожение).

Дисахариды. Дисахариды – углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных друг с другом за счет взаимодействия гидроксильных групп (двух полуацетальных или одной полуацетальной и одной спиртовой). Отсутствие или наличие гликозидного (полуацетального) гидроксила отражается на свойствах дисахаридов. Биозы делятся на две группы: восстанавливающие и невосстанавливающие. Восстанавливающие биозы способны проявлять свойства восстановителей и при взаимодействии с аммиачным раствором серебра окисляться до соответствующих кислот, содержат в своей структуре гликозидный гидроксил, связь между монозами – гликозид-гликозная. Схема образования восстанавливающих биоз на примере мальтозы:
Для дисахаридов характерна реакция гидролиза, в результате которой образуются две молекулы моносахаридов:
Примером наиболее распространенных в природе дисахаридов является сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Молекула сахарозы состоит из остатков α-D-глюкопиранозы и β-D-фруктофуранозы, соединенных друг с другом за счет взаимодействия полуацетальных (гликозидных) гидроксилов. Биозы этого типа не проявляют восстанавливающих свойств, так как не содержат в своей структуре гликозидного гидроксила, связь между монозами – гликозид-гликозидная. Подобные дисахариды называют невосстанавливающими, т. е. не способными окисляться.

Схема образования сахарозы:
Инверсия сахарозы. При кислом гидролизе (+)сахарозы или при действии инвертазы образуются равные количества D(+)глюкозы и D(-)фруктозы. Гидролиз сопровождается изменением знака удельного угла вращения [α] с положительного на отрицательный, поэтому процесс называют инверсией, а смесь D(+)глюкозы и D(-)фруктозы – инвертным сахаром.
Полисахариды (полиозы). Полисахариды – природные высокомолекулярные углеводы, макромолекулы которых состоят из остатков моносахаридов. Основные представители: крахмал и целлюлоза, которые построены из остатков одного моносахарида – D-глюкозы. Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (С₆Н₁₀О₅)_n, но различные свойства. Это объясняется особенностями их пространственного строения. Крахмал состоит из остатков α-D-глюкозы, а целлюлоза – из β-D-глюкозы. Крахмал – резервный полисахарид растений, накапливается в виде зерен в клетках семян, луковиц, листьев, стеблей, представляет собой белое аморфное вещество, нерастворимое в холодной воде. Крахмал – смесь амилозы и амилопектина, которые построены из остатков α-D-глюкопиранозы.

Амилоза – линейный полисахарид, связь между остатками D-глюкозы 1α-4. Форма цепи – спиралевидная, один виток спирали содержит 6 остатков D-глюкозы. Содержание амилозы в крахмале – 15–25 %.

амилоза

амилопектин

Амилопектин – разветвленный полисахарид, связи между остатками D-глюкозы – 1α-4 и 1α-6. Содержание амилопектина в крахмале 75–85 %.

Характеристика химических свойств

1. Образование простых и сложных эфиров (аналогично биозам).

2. Качественная реакция – окрашивание при добавлении иода: для амилозы – в синий цвет, для амилопектина – в красный цвет.

3. Кислый гидролиз крахмала: крахмал → декстрины → мальтоза → α-D-глюкоза.

Целлюлоза. Структурный полисахарид растений, построен из остатков β-D-глюкопиранозы, характер соединения 1β-4. Содержание целлюлозы, например, в хлопчатнике – 90–99 %, в лиственных породах – 40–50 %. Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенки растительных клеток.

Характеристика химических свойств

1. Кислый гидролиз (осахаривание): целлюлоза → целлобиоза → β-D-глюкоза.

2. Образование сложных эфиров

a)

Из растворов ацетата целлюлозы в ацетоне изготавливают ацетатное волокно.

б)
Нитроцеллюлоза взрывоопасна, составляет основу бездымного пороха. Пироксилин – смесь ди– и тринитратов целлюлозы – используют для изготовления целлулоида, коллодия, фотопленок, лаков.