Тема 3.2. Кислородсодержащие органические соединения.. Строение спирта можно выразить следующим образом roh
 Скачать 35.95 Kb.
|
|
К кислородосодержащим соединениям относятся: спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, простые эфиры, сложные эфиры, углеводы оксикислоты оксиальдегиды гидроксикислоты и гидроксиальдегиды Спирты – это производные углеводороды содержащие одну или несколько гидроксильных групп (- ОН).По другому их называют алканолами или старое название – алкоголи. При названии спиртов к соответствующему углеводороду добавляется суффикс – ол. Строение спирта можно выразить следующим образом: R-OH Классификация спиртов: 1.По числу гидроксильных групп спирты делятся на: одноатомные, двухатомные, трехатомные, многоатомные.
2. По характеру углеводородного радикала
3. По характеру атома углерода связанного с функциональной группой-ОН.
АКАНОЛЫ Общая формула одноатомных предельных спиртов СпН2п+1ОН Для предельных одноатомных спиртов характерны следующие виды изомерии: А) Изомерия положения функциональной группы. Б) Изомерия углеродного скелета. В) Межклассовая изомерия СН3-СН2 -О- СН3 метиловоэтиловый эфир (Простой) Строение предельных одноатомных спиртов Функциональная группа ОН в спиртах обусловливает их физические и химические свойства. Структурная формула этанола: Н Н ↓ ↓ Н→С→С→О-←Н+ водородная связь ↑ ↑ Н Н Из этой формулы видно, что атом кислорода в молекуле наиболее электроотрицателен и, следовательно, к нему смещена электронная плотность всех атомов. Это приводит к возникновению частичных зарядов на атомах и поляризации связей, что делает атом водорода гидроксильной группы более реакционноспособным по сравнению с другими атомами. Влияние электроотрицательного кислорода по цепи атомов углерода в радикале уменьшается, в результате более полярны и более активны связи С-Н в группе СН2, чем в СН3 Тип гибридизации электронов атома углерода – sp3гибридизация Физические свойства спиртов объясняются их электронным строением. С1-С10- при обычных условиях – жидкости с резким запахом. Высшие спирты- твердые вещества, с приятным запахом . В спиртах нет газообразных соединений, это объясняется наличием в молекулах спиртов полярной гидроксильной группы, которая приводит к образованию между их молекулами водородных связей, что приводит к образованию к ассоциации молекул, делает их как бы прилипшими друг к другу. Поэтому для спиртов характерны высокие температуры плавления и кипения Химические свойства спиртов I Реакции замещения 1. Замещение атомов Н гидроксильной группы активными металлами 2Na+ R-OH→2 RONa +H2 Связь О-Н полярна, поэтому можно сказать что спирты проявляют слабые кислотные свойства, т.к. атомы водорода имеют кислотный характер, при этом образуются – алкоголяты RONa+H2O→ R-OH + NaОН 2. Реакция этерификации R1-OH+HOOC-R2 →R2-COO-R1+H2O 3. Взаимодействие с галогеноводородами Связь С→ОНв спиртах также полярна , поэтому возможны реакции с удалением (замещением) гидроксильной группы. R-OH+HBr→RBr+H2O II Реакции отщепления 1.Дегидратация (межмолекулярная) H2SO4 R-OH+ R-OH→ R-О- R(простой эфир)+ H2O 2.Дегидратация ( внутримолекулярная) С2Н5ОН → С2Н4+ H2O 3.Дегидратация и дегидрирование 2С2Н5ОН → СН2=СН-СН=СН2 +2 H2O+Н2 III. Реакции окисления Горение 2СН3ОН+3О2→2СО2+4H2O 2. Окисление (мягкое) (окислители КМпО4,К2Сr2О7 в кислой среде) Первичных спиртов R-CH2-OH→R-C-H+ H2O→ R-CОOH( карбоновая кислота) Вторичных спиртов Третичные спирты не окисляются, они устойчивы К2Сr2О7 == Сr3+ Полуреакция Сr2О72- +6e +14 H+ = Cr3+ + 7H2 O IV. Реакции дегидрирования Первичных спиртов R-CH2-OH→R-C-H+ H2 Вторичных спиртов Третичные спирты не дегидрируются Качественная реакция на многоатомные спирты Взаимодействие с Сu(ОН)2 приводит к образованию ярко- синих комплексных соединений. Одноатомные спирты в эту реакцию не вступают. Способы получения спиртов 1. Гидролиз галогеноалканов 2. Гидратация алкенов (присоединение протекает по правилу Марковникова 3.Гидрирование альдегидов и кетонов (при гидрировании альдегидов образуются первичные спирты, а при гидрировании кетонов образуются вторичные спирты. 4. Окисление алкенов СН2=СН2+(О)+Н2О→НОСН2-СН2ОН 5. Специфические способы получения спиртов А) получение метанола из синтез –газа СО+Н2 →СН3ОН Б) брожение глюкозы С6Н12О6 → 2С2Н5ОН+2СО2 В) гидролиз жиров Способ получения глицерина Фенолы Фенолами называют органические соединения, содержащие гидроксильную группу, непосредственно связанную с бензольным кольцом. Простейшим из фенолов является одноатомные гидроксильное производное бензола С6Н5ОН, которое и называют обычно фенолом. Строение фенола А)В молекуле фенола гидроксильная группа связана с бензольным кольцом. Пара электронов атома кислорода вступает во взаимодействие с пи- электронным облаком бензольного кольца. Чтобы компенсировать отток электронной плотности, атом кислорода сильнее притягивает к себе электронную плотность от атома водорода. Поэтому в молекуле фенола химическая связь О-Н становится более полярной, а водородный атом более подвижен и реакционнспособен, чем в спиртах. Поэтому фенол, в отличие от спиртов, реагирует со щелочами, то есть обладает свойствами слабых кислот. Иногда его называют карболовой кислотой. С6 Н5ОН+NaOH→C6Н5ОNa+Н2О Б) Влияние гидроксильной группы на бензольное кольцо. Неподеленная пара электронов атома кислорода притягиваясь к бензольному ядру, повышает в нем электронную плотность, особенно в положениях 2,4,6, что увеличивает реакционную способность бензольного кольца.повышение электронной плотности бензольного ядра приводит к увелечению его реакционной способности в феноле, по сравнению с бензолом, где электронная плотность распределена симметрично. Таким образом, электронное строение гидроксильной группы изменилось в зависимости от характера соединенного с ней радикала, и электронное строение самого радикала тоже изменилось под влиянием гидроксильной группы Химические свойства фенола I. Кислотные свойства фенола: замещение атома водорода гидроксильной группы 1. взаимодействие с активными металлами 2. взаимодействие со щелочами ( отличие от спиртов) 3. выделение фенола из раствора фенолята натрия 4. качественная реакция на фенол →комплексное соединение интенсивно фиолетового цвета II. Реакции бензольного кольца. Замещение атомов водорода бензольного кольца. 1.бромирование фенола качественная реакция на фенол. Выделяется белый осадок. 2. нитрование фенола А) разбавленной кислотой Б) концентрированной кислотой 3. Реакции присоединения А) гидрирование фенола Б) поликонденсация фенола с альдегидами Альдегиды и кетоны Альдегидами называются органические соединения, молекулы которых содержат функциональную группу СОН (альдегидную группу), соединенную с углеводородным радикалом. Кетоны– органические соединения , в молекулах которых карбонильная группа соединена с двумя углеводородными радикалами Общая формула альдегидов Общая формула кетонов Названия альдегидов образуют от названий соответствующих алканов с добавлением суффикса –аль. Кроме того простейшие альдегиды сохранили исторические названия НСОН- метаналь, муравьиный альдегид, (формальдегид) СН3-СОН- этаналь, уксусный альдегид ( ацетальдегид) СН3-СН2-СОН- пропаналь, пропионовый альдегид СН3-СН2-СН2-СОН- бутаналь, масляной альдегид Виды изомериидля альдегидов и кетонов Для альдегидов характерна: 1. изомерия углеродного скелета 2. межклассовая изомерия (с кетонами) Для кетоновхарактерна: 1.изомерия углеродного скелета 2.Положения ФГ (карбонильной группы) 3.Межклассовая изомерия ( с албдегидами) Строение функциональной группы Атом углерода альдегидной группы находится в состоянии sp2- гибридизации, что обусловливает наличие трех гибридных орбиталей, которые лежат в одной плоскости под углом 120 друг к другу и образуют три сигма связи. Негибридизированная р-орбиталь атома углерода перекрывается с р- орбиталью атома кислорода, образуя пи- связь. Таким образом, углерод и кислород связаны двойной связью, электроны которой принадлежат каждому из атомов не в равной степени.Благодаря их разной электроотрицательности, электронная плотность двойной связи оказывается смещенной от атома углерода к атому кислорода, что приводит к образованию частичного положительного и отрицательного зарядов на этих атомах. Таким образом двойная связь С=О поляризована. Химические свойства альдегидов и кетонов Благодаря наличию активной группы-СОН , являются реакционноспособными. I. Реакции восстановления 1. Гидрирование альдегидов (образуется первичный спирт) 2.Гидрирование кетонов ( образуется вторичный спирт) II.Реакция окисления 1. Реакция «серебряного зеркала» (окисление аммиачным раствором оксида серебра) 2.Окисление свежеосажденным Cu(ОН)2 Кетоны не окисляются ни кислородом воздуха, ни аммиачным раствором оксида серебра. Окисление кетонов идет значительно труднее, при действии сильных окислителей и нагревании. При этом происходит разрыв углеродной цепи по обе стороны от карбонильной группы с образованием смеси карбоновых кислот. Способы получения альдегидов и кетонов 1. Окисление или дегидрирование А) Первичных спиртов Б ) Вторичных спиртов 2. Реакция Кучерова А) получение ацетальдегида Б ) получение кетонов 3.Термическое разложение Са или Ва солей карбоновых кислот Карбоновые кислоты Карбоновые кислоты- производные углеводородов, содержащих одну или несколько карбоксильных групп. Все карбоновые кислоты имеют функциональную группу. Классификация карбоновых кислот 1.По числу карбоксильных групп кислоты делятся на:
2. По характеру углеводородного радикала
Общая формула карбоновых кислот Строение карбоксильной группы В атоме углерода карбоксильной группы осуществляется sp2-гибридизация, при этом образуются три сигма связи, лежащие в одной плоскости под углом 120, и одна пи- связь с одним атомов кислорода( анологично альдегидам). В результате смещения электронной плотности двойной связи (особенно пи- связи) к более электроотрицательному кислороду, атом углерода приобретает значительный положительный заряд. Частично этот заряд компенсируется радикалом, но главным образом- кислородом гидроксильной группы за счет неподеленных электронов, расположенных на р-орбитали. Они и смещаются в одну сторону атома углерода карбокусильной группы, понижая его заряд(отличие от альдегидов). Вследствие снижения электронной плотностина кислороде гидроксильной группы к нему сильнее смещаются электроны связи О-Н. это приводит к его большей подвижности, чем в спиртах, и обуславливает более свободное отщепление протона, то есть приводит к появлению у соединения кислотных свойств. Химические свойства карбоновых кислот Общие свойства карбоновых кислот аналогичны соответствующим свойствам неорганических кислот: 1. Диссоциация в водных растворах (среда кислая, индикаторы меняют окраску). 2. Карбоновые кислоты вступают в реакцию замещения с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода. 3. Карбоновые кислоты реагируют с основными оксидами с образованием соли и воды. 4. Вступают в реакцию нейтрализации с основаниями (щелочами и нерастворимыми) и амфотерными гидроксидами. 5. Взаимодействуют с солями более слабых и летучих кислот, вытесняя их из солей. 6. Реакция этерификации – образование сложных эфиров при взаимодействии карбоновых кислот со спиртами. 7. Кислоты могут образовывать ангидриды кислот Особые свойства кислот, обусловленных наличием в их молекулах радикалов. Реакция с галогенами. Получение карбоновых кислот 1. Окислением спиртов 2. Окислением альдегидов 3. Окислением углеводородов Сложные эфиры Сложные эфиры- функциональные производные карбоновых кислот, в которых атом водорода карбоксильной группы замещен на углеводородный радикал. Общая формула сложных эфиров Общая формула сложных эфиров образованных предельными карбоновыми одноосновными кислотами и предельными одноосновными спиртами: СпН2пО2 Название сложного эфира Название УВ радикала спирта +название аниона кислоты ,(-ат) Например этилацетат: Химические свойства: Гидролиз под действием щелочей Углеводы Углеводы – (сахара) – органические соединения, имеющие сходное строение и свойства Общая формула Сn(H2O)m Классификация углеводов Моносахариды:Глюкоза ( виноградный сахар),Фруктоза, Рибоза С6Н12О6 (не гидролизуются) Дисахариды: Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар),Лактоза (молочный сахар) С12Н22О11(гидролизуются на 2 молекулы моносахаридов фруктозы и глюкозы) Полисахариды:Крахмал ( альфа глюкоза), Целлюлоза, Клетчатка ( бета глюкоза),Гликоген (С6Н10О5)n(гидролизуются на большое количество молекул моносахаридов). Качественные реактивы : раствор иода- на крахмал, азотная кислота- нитрование клетчатки. Глюкоза представляет собой биофункцональное соединение- альдегид многоатомного спирта Циклическая альфа-форма глюкозы Открытая формаглюкозы Циклическая бета-форма глюкозы Первый атом углерода находится в sp2-гибридном состоянии, а остальные- в состоянии sp3- гибридизации. Каждый образует четыре сигма- связи, вокруг которых возможно свободное вращение и образование различных форм. Химические свойства глюкозы обусловлены наличием в ее молекуле различных функциональных групп: спиртовой и альдегидной. Как многоатомный спирт глюкоза реагирует с гидроксидом меди (II) с образованием алкоголята меди (II) Как многоатомный спирт взаимодействует с карбоновыми кислотами с образованием сложных эфиров Реакция альдегидной группы Окислителями альдегидной группы глюкозы являются аммиачный раствор оксида серебра (I) и гидроксида меди (II) рои нагревании (анологично альдегидам) Под действием восстановителей глюкоза превращается в шестиатомный спирт- сорбит Специфические свойства Важным свойством глюкозы является брожение. Спиртовое брожение: С6Н12О6→2С2Н5ОН+2СО2 Эту реакцию используют в производстве пива. Молочно кислое брожение:в результате образуется молочная кислота С6Н12О6→ Это процесс происходит при квашении капусты, огурцов, молока, силосовании кормов., Крахмал относится к сложным углеводам- полисахаридам. Он строится из молекул глюкозы., его состав можно выразить следующим образом (С6Н10О5)п, где п достигает нескольких тысяч. Крахмал состоит из полисахаридов двух типов. Макромолекулы одного из них имеют линейное строение- амилоза, она более растворима. Макромолекулы другого полисахарида имеют разветвленное строение- амилопектин, он менее растворим в воде, чем амилоза. Макромолекулы крахмала состоят из остатков циклической альфа- глюкозы. Молекулу крахмала можно представить так: Крахмал дает синюю окраску с иодом, это окрашивание дает амилоза, образуя с иодом сложный комплекс, который при нагревании разрушается и окраска исчезает. Поскольку циклические звенья остатков глюкозы в крахмале не содержит альдегидных групп, то он не дает реакции «серебряного зеркала», не восстанавливает гидроксид меди (II) до оксида меди (I). При действии ферментов или при нагревании с кислотами крахмал легко подвергается гидролизу: (С6Н10О5)п+пН2О → пС6Н12О6 Молекулярная формула целлюлозы-(С6Н10О5)п. значение п у целлюлозы обычно выше , чем у крахмала и достигает 10-12 тысяч и более. В отличии от крахмала, целлюлоза- линейный полимер, гигантская молекула которой имеет форму нити. Макромолекулы целлюлозы построены из остатков молекул бета- глюкозы. Молекулу целлюлозы можно представить так: Химические свойства Одна из основных свойств- способность при нагревании в присутствии кислот подвергатся гидролизу (С6Н10О5)п+пН2О → пС6Н12О6 Кислотный гидролиз целлюлозы иначе называют осахариванием. Он позволяет из древесных опилок и стружек получить техническую глюкозу, брожение которой приводит к образованию этилового спирта С6Н12О6→2С2Н5ОН+2СО2 2. Взаимодействие с азотной кислотой .При этом образуются азотнокислые эфиры целлюлозы. Общее свойство нитратов целлюлозы- их чрезвычайная горючесть 3.Взаимодействие с уксусным ангидридом или уксусной кислотой при нагревании. При этом получаются уксуснокислые эфиры целлюлозы, например триацетилцеллюлоза которые используются для изготовления лаков, негорючей пленки, а также ацетатного волокна |