ния) – перераспределение электронной плотности в молекуле, происходящей с участием р-орбиталей.
Основные типы реакций в органических соединениях (замещения, присоединения, отщепления) могут протекать по различному механизму (радикальному, ионному) в зависимости от разрыва ковалентной связи в реагирующей молекуле: гомолитическому (симметричному) или гетеролитическому (несимметричному). При гомолитическом
разрыве связи образуются свободные радикалы, при гетеролитиче-
ском – ионы. Каждый из механизмов имеет свои особенности, и их нужно изучить на примерах реакций галогенирования алканов (метана), бензола и др. Следует также обратить особое внимание на тот факт, что реакционная способность органических соединений зависит от электронных и пространственных факторов.
Литература: [1, с. 6–13, 19–24, 25–47, 53–82, 120–125, 136, 146–148, 155–157, 172, 190–197, 210, 222–224, 245, 251, 264, 286, 339, 342–358, 362–369, 427].
2. ПРИЕМЫ И МЕТОДЫ РАБОТЫ, ПОЛУЧЕНИЕ,
ВЫДЕЛЕНИЕ, ИДЕНТИФИКАЦИЯ И УСТАНОВЛЕНИЕ СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
При изучении этой темы необходимо ознакомиться с такими основными методами работы с органическими веществами, как: кристаллизация, упаривание, фильтрование, сушка, экстракция, перегонка, возгонка, хроматография. Для обнаружения наиболее распространенных элементов в органических веществах (углерода, водорода, азота, серы, галогенов) необходимо их разрушить и перевести исследуемые элементы в неорганические соединения, а затем открыть обычными методами аналитической химии.
На основе результатов количественного анализа можно вывести эмпирическую формулу, а на основании молекулярной массы – молекулярную формулу. Для установления структуры вещества определяют функциональные группы с помощью различных физико-химических методов исследования. Широкое применение получили спектроскопия, протонный магнитный резонанс и масс-спек-трометрия.
Литература: [1, с. 15–19,83–101, 110–113].
3. ИСТОЧНИКИ ХИМИЧЕСКОГО СЫРЬЯ И ПУТИ
ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ
Основными источниками органических соединений являются природные газы, торф, каменный уголь, нефть, древесина и другие растительные объекты, а также биомасса. При изучении этого раздела необходимо обратить внимание на основные способы переработки нефти (крекинг, перегонка), практическую значимость древесины, живицы, растительных и животных жиров, сахаров, алкалоидов и стероидов.
В последние годы особое внимание уделяется возможности исполь-
зования биомассы живых организмов, масса которой на земле ежегодно составляет 116,7 млрд. тонн. Из нее получают спирты, сырую нефть, биогаз и другие продукты. Большим достижением химиков-органиков является создание искусственной пищи на основе углеводородов нефти.
Литература: [1, с. 14, 132–135, 201, 409].
4. УГЛЕВОДОРОДЫ
Углеводороды являются родоначальниками основных классов органических соединений, поэтому необходимо уделить особое внимание их изучению. При их рассмотрении необходимо заострить внимание на таких положениях, как: гомологический ряд, изомерия, номенклатура, углеводородный и свободный радикалы.
Углеводороды – класс простейших органических соединений, состоящий из углерода и водорода, подчиняющийся общей формуле СnНm .
При замещении атомов водорода на различные функциональные группы или радикалы получают самые разнообразные соединения, которые группируются в гомологические ряды, в которых каждый последующий гомолог отличается от предыдущего на группу СН2, называемую гомологической разностью. Каждый гомологический ряд подчиняется общей формуле и имеет сходные химические свойства. Гомологи могут отличаться физическими свойствами – результат перехода количественных изменений в качественные.
Углеводороды в зависимости от строения углеродного скелета и характера связи между атомами углерода делятся на алканы (предельные), алкены, алкины, диеновые (непредельные), арены (циклические непредельные), алициклические (циклоалканы).
Литература: [1, с. 115–190].
4.1. Алканы
Характерной особенностью алканов является то, что атомы углерода, находящиеся в состоянии sр3 гибридизации, соединены между собой одной s-связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода. Общая формула алканов СnН2n+2. Гомологический ряд алканов составляют метан (СН4), этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан
(С4Н10), пентан (С5Н12) и т. д.
При изучении алканов надо научиться составлять структурные формулы, помня при этом, что углерод в органических соединениях четырехвалентен. Составляя структурные формулы, обратите внимание на существование изомеров, т. е. органических веществ, имеющих одинаковый состав, но отличающихся расположением атомов в молекулах. Соединения с неразветвленной углеродной цепью называются нормальными, с разветвленной – изосоединениями. Например:
СН3–СН2–СН2–СН3 ; СН3–СН–СН3 .
н-бутан СН3
изобутан
Структурные формулы, показывающие порядок химической связи атомов в молекуле, не передают их пространственного расположения. Вместе с тем молекулы алканов существуют в виде различных конформаций или поворотных изомеров – энергетически неравноценных форм молекул, переходящих друг в друга только за счет свободного вращения или изгиба связей, т. е. для алканов характерна конфор-мационная разновидность пространственной изомерии.
Углеродные атомы в молекулах алканов могут быть первичными, когда они соединены с одним атомом углерода, вторичными – с двумя, третичными – с тремя, четвертичными – с четырьмя атомами углерода.
Общепринятой номенклатурой для алканов является международная ИЮПАК, в соответствии с которой углеводороды имеют окончание -ан, а радикалы, полученные от них путем отнятия одного атома водорода, -ил. Например:
СН4 ; –СН3; СН3–СН3; –СН2–СН3 и т. д.
метан метил этан этил
Необходимо разобраться с основными принципами построения названий алканов с разветвленными цепями. Приступая к изучению химических свойств, следует иметь в виду, что алканы обладают малой химической активностью. Для них характерны реакции замещения
(галогенирование, нитрование, сульфохлорирование), реакции с разрывом цепи (крекинг, окисление). Следует обратить внимание на сво-
боднорадикальный механизм реакций замещения в алканах, а также изучить методы их получения (синтез Вюрца, гидрирование алкенов, сплавление солей карбоновых кислот со щелочью).
Литература: [1, с. 120–131].
4.2. Алкены
Углеводороды, в молекулах которых помимо простых s-связей углерод-углерод и углерод-водород имеется углерод-углеродная p-связь, называются алкенами. Общая формула алкенов СnН2n . Название каждого члена гомологического ряда алкенов соответствует названию алканов с тем же числом атомов углерода, только окончание –ан заменяется на -ен.
СН3–СН3; СН2=СН2; СН3–СН2–СН3; СН2=СН–СН3 .
этан этен пропан пропен
Для алкенов простого строения сохранились и такие названия, как этилен (этен), пропилен (пропен). Углеводородные радикалы имеют окончание -енил. Например:
Н2С=СН– (этенил, винил по тривиальной номенклатуре);
3 2 1
СН2=СН–СН2– (2-пропенил).
При названии алкенов с разветвленной цепью углеродных атомов в качестве главной цепи выбирается цепь, содержащая двойную связь, и нумеруется так, чтобы атом углерода, от которого начинается двойная связь, получил наименьший номер, который и указывает положение двойной связи. Например:
1 2 3 4 5 6 7
СН3––СН2––СН=С––СН––СН2––СН3.
СН3СН3
4,5 диметилгептен-3
При изучении явления изомерии у алкенов обратите внимание на структурную изомерию, обусловленную не только строением углеродного скелета, но и положением двойной связи. Кроме того, соединения, содержащие у атомов углерода, связанных двойной связью, хотя бы по одному разному заместителю, могут существовать в виде двух пространственных изомеров. Расположение пары одинаковых заместителей по одну сторону плоскости двойной связи дает цис-изомер, по разные – транс-изомер.
При изучении химических свойств алкенов следует обратить вни-
мание на свойства двойной связи, состоящей из s-связи и p-связи менее прочной и легко деформируемой. Этим и объясняется реакционная
способность алкенов, выражающаяся в их способности вступать в реакции присоединения, полимеризации, окисления. При этом следует учитывать, что реакции присоединения галогенводородов, воды и т. п. в несимметричных алкенах идут по правилу Марковникова, т. е. водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода, а в присутствии перекисей – к менее гидрогенизированному.
Качественной реакцией на двойную связь является реакция с бромной водой, а для определения положения двойной связи в молекуле используют реакцию озонирования.
Литература: [1, с. 135–146].
4.3. Алкины
Алкины – углеводороды, содержащие тройную связь (s-связь и две p-связи) у одной пары углеродных атомов. Общая формула гомологического ряда алкинов Сn Н2n-2.
Для алкинов характерна структурная изомерия, т. е. изомерия углеродной цепи и положения тройной связи.
В соответствии с международной номенклатурой название каждого члена гомологического ряда алкинов соответствует названию алкенов с тем же числом атомов углерода, только окончание -ен заменяется на –ин.