Голушкова Е.Б. Химия органических соединений

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕН

СТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

__________________________________________________________________

Е.Б. ГОЛУШКОВА

ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Рекомендовано в качестве учебного пособия

Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета

Издательство

Томского политехнического университета

2009

УДК 547 (075.8)

ББК 24.2я73

Г16

Голушкова Е.Б.

Г16 Химия органических соединений: учебное пособие / Е.Б. Голушко-

ва; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Том-

ского политехнического университета, 2009. – 113 с.

В пособии изложены основные теоретические положения и фактический материал

курса органической химии, рассмотрено строение органических соединений, их клас-

сификация, способы получения, основные физические и химические свойства.

Пособие является частью комплексного методического обеспечения кафедры

общей и неорганической химии ТПУ. Предназначено для студентов, изучающих

дисциплину «Химия». Пособие также может представлять интерес для магистран-

тов и аспирантов, работающих с органическими веществами.

УДК 547(075.8)

ББК 24.2я73

Рецензенты

Доктор химических наук,

ведущий научный сотрудник института химии нефти СО РАН

Т. А. Сагаченко

Кандидат химических наук,

старший преподаватель кафедры химии СГМУ

Л. А. Дрыгунова

ситет», 2009

нического университета, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………… 4

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ.............

Глава 1.

Природа химических связей в органических соединениях………….

§ 1. Развитие теории химического строения органических соединений. 6

§ 2. Особенности строения электронных подуровней атома углерода..

§ 3. Типы химической связи в органических соединениях……………. 12

§ 4. Типы разрыва ковалентных связей………………………………..... 13

Глава 2. Теория органических соедин

ений……….…………………...…….. 16

§ 5. Классификация органических соединений…………………..……….. 16

§ 6. Изомерия…………………………………………………..………. 19

§ 7. Графическое изображение органических соединений……..……... 25

§ 8. Взаимное влияние атомов в молекуле……………………..……….. 26

§ 9. Кислотно-основные свойства органических соединений……..…... 29

§ 10. Номенклатура органических соединений………………………...…. 32

Глава 3. Теория органических реа

кций…………………………………...….... 34

§ 11. Классификация органических реакций…………………………..….. 34

§ 12. Реагирующие органические частицы………………………..…….. 37

РАЗДЕЛ 2. УГЛЕВОДОРОДЫ…………………………………………...…. 39

Глава 4. Ациклические углеводор

оды………………………………………... 39

§ 13. Алканы…………………………………………………………..…... 39

§ 14. Алкены……………………………………………………………..... 45

§ 15. Алкадиены………………………………………………..................... 52

§ 16. Алкины………………………………………………………...…….. 57

Глава 5. Циклические углеводор

оды………………………...………………... 61

§ 17. Циклоалканы………………………………………………..……..….

§ 18. Ароматические углеводороды………………………………..…..….

РАЗДЕЛ 3. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ОДНОРОДНЫМИ

ФУНКЦИЯМИ……..…………………………………………….…………….

Глава 6. Органические галоген

иды…………………………..……………...... 71

§ 19. Галогенопроизводные алканов…………………………………..…..71

§ 20. Галогенопроизводные непредельных углеводородов………..….…75

Глава 7.

Органические кислородсодержащие соединения……………..…...…78

§ 21. Спирты………………………………………………………....……...

§ 22. Фенолы………………………………………………………..…...…..85

§ 23. Альдегиды и кетоны………………………………………....……….

§ 24. Карбоновые кислоты………………………………………....……… 96

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………..…….....

102

ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ……………………………………..…...……….104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………..………….106

ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………..……..…...107

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время человечество уже не в силах существовать без

химии и химической технологии. Мы живем в окружении разнообраз-

ных веществ. Одни из них существуют со времени образования нашей

планеты, другие созданы руками человека. Причем синтетических со-

единений становится все больше. Это связано, прежде всего, с увеличе-

нием численности населения планеты и возрастанием потребностей че-

ловека.

Все вещества химики делят на два больших класса – на органиче-

ские и неорганические. Органические соединения изучаются в отдель-

ном разделе химии – органическая химия. Органическую химию обыч-

но определяют как химию соединений углерода. Такое определение

сразу вызывает вопрос: а как же обстоит дело с такими хорошо извест-

ными неорганическими веществами, как угольная и синильная кислоты

и их соли, ведь они тоже содержат углерод? Действительно, четкой гра-

ни между органической и неорганической химией провести невозмож-

но.

Понятие органическая химия возникло в начале ХIX века, когда

было выяснено, что углеродсодержащие вещества являются главной со-

ставной частью растительных и животных организмов. Первоначально

задачей органической химии было изучение веществ, определяемых в

живой природе. Однако постепенно все большее значение стали приоб-

ретать продукты органического синтеза – искусственно получаемые

вещества, многие из которых не встречаются в природе. Современная

органическая химия – один из важнейших разделов химической науки,

изучающий как природные, так и синтетические органические вещест-

ва, их строение, способы получения, свойства, возможности практиче-

ского использования.

Выделение органической химии в особый раздел химической нау-

ки вызвано несколькими причинами. Первая из них – многочисленность

и многообразие органических соединений. Действительно, в настоящее

время их известно около 10 миллионов, число же известных неоргани-

ческих соединений не превышает 700 тысяч. Удивительная многочис-

ленность таких соединений обусловлена уникальными свойствами угле-

рода. Атомы углерода способны соединяться не только с другими

элементами, но и друг с другом, образуя часто сложные молекулы, по-

строенные как в виде цепей (линейных, разветвленных), так и различного

циклического строения. Вторая причина состоит в сложности и своеоб-

разии органических веществ. Они существенно отличаются от неорга-

нических соединений. Так, при нагревании (даже до сравнительно не-

высокой температуры) многие органические вещества обычно разлага-

ются. Их температуры кипения и плавления значительно ниже, чем у

неорганических веществ. Кроме того, все органические соединения го-

рючи (за некоторым исключением), тогда как большинство неорганиче-

ских веществ этим свойством не обладают. Для органических соедине-

ний характерно большое разнообразие химических превращений. При

этом реакции органических соединений, как правило, протекают гораздо

медленнее, чем неорганических. В органической химии мы встречаем но-

вые понятия и закономерности. Это изомерия и гомология, пространствен-

ное строение молекул, взаимное влияние атомов в молекуле. Третья при-

чина выделения органической химии в отдельную науку заключается в

большом практическом значении органических соединений. Высокомоле-

кулярные соединения, лекарственные препараты и красители, средства

повышения урожайности, эффективные поверхностно-активные соеди-

нения, взрывчатые вещества – вот неполный перечень того, что может

дать органическая химия. Без знания основ органической химии совре-

менный человек не способен использовать все эти продукты цивилиза-

ции правильно, без вреда для себя и окружающей среды.

Данное пособие состоит из трех разделов. В первом разделе изла-

гаются теоретические основы органической химии. Во втором и третьем

разделах рассматриваются особенности строения атома углерода в орга-

нических соединениях, теории гибридизации электронных орбиталей,

взаимного влияния атомов в молекуле, изомерии, электронных эффек-

тов, классификации и механизмов некоторых химических реакций,

классификации и номенклатуры определенных классов органических

соединений.

В основу пособия положена классификация органических соеди-

нений, связанная с характером углерод-углеродной цепи. Такая класси-

фикация, по мнению автора, более удобна для усвоения курса органиче-

ской химии. Поэтому второй раздел пособия посвящен химии

углеводородов, третий раздел – химии производных углеводородов.

Пособие рекомендовано студентам нехимических специальностей,

изучающих органическую химию в соответствии с государственным об-

разовательным стандартом в небольшом объеме. Оно главным образом

ориентировано на самостоятельную работу студентов. Поэтому для сис-

тематизации изученного материала и закрепления полученных знаний

рекомендуется выполнить задания и упражнения, помещенные в конце

пособия. В приложении приводится справочный материал, который мо-

жет использоваться при выполнении данных заданий.

Раздел 1. Теоретические основы органической химии

Шарль Жерар

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

В современной органической химии накоплен огромный объем

фактического материала. По этой причине предмет органической химии

традиционно труден для изучения. В то же время знание теории строе-

ния органических соединений вместе с основными принципами меха-

низмов реакций позволяет систематизировать различные факты этой

науки и объяснить их при помощи нескольких фундаментальных зако-

нов и правил. Поэтому, прежде чем приступить к изучению классов ор-

ганических соединений, необходимо изучить теоретические основы ор-

ганической химии в целом.

ГЛАВА 1. ПРИРОДА ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ

В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ

§ 1. Развитие теории химического строения

органических соединений

Попытки объяснить природу органических со-

единений были сделаны в 20–30-х годах XIX века

рядом ученых (Берцелиус, Дюма, Либих, Вёлер,

Гей-Люссак) в теории радикалов. В ее основу было

положено то, что при многих химических реакциях

группа из нескольких атомов – органический ради-

кал, входящий в состав органического соединения,

– может переходить без изменения из одной моле-

кулы (исходное вещество) в другую (продукт реак-

ции). Берцелиус рассматривал органические вещест-

ва как системы, состоящие из двух противоположно заряженных частиц

– органического радикала (с положительным зарядом) и простого

неорганического остатка (заряженного отрицательно), связанных с по-

мощью электростатического взаимодействия.

Дальнейшие исследования показали несостоя-

тельность этой теории, и в 40-х годах XIX века воз-

никла другая теория – теория типов (Жерар, Ло-

ран, Дюма). В противоположность «теории

радикалов» она рассматривала часть молекулы, из-

меняющуюся в процессе химической реакции. Со-

гласно этой теории, все известные в то время ор-

ганические соединения рассматривались как

Глава 1. Природа химических связей в органических соединениях

производные простейших неорганических веществ: водорода, хлори-

стого водорода, воды, аммиака. При замене атома водорода в любом

из этих типов веществ на радикал можно получить различные органиче-

ские соединения. Позже по предложению Ф. Кекуле был введен новый

тип – тип метана, к которому стали относить все углеводороды:

СН

СНО

водород

метан

этан

уксусный

альдегид

Тип водорода

Тип хлористиго водорода

СН

СНО

ацетил

хлористый

водород

хлористый

метил

СН

СНО

Тип воды

вода

метиловый

спирт

диэтиловый

эфир

уксусная

кислота

НN

СН

НN

Тип аммиака

аммиак

метиламин

СН

НN

СН

диметиламин

СН

Тип метана

метан

этан

СН

пропан

Теория типов сыграла в свое время положительную роль. Она спо-

собствовала классификации органических соединений. Но её основная

мысль – уложить соединения углерода в форму-

лы простейших неорганических соединений –

была ошибочной. Вскоре обнаружилась необхо-

димость введения кратных (удвоенных, утроен-

ных и т. д.) и смешанных (составленных из двух

и более простых) типов, а также возможность

относить соединения одного класса к разным ти-

пам (например, альдегиды к типам водорода и

воды).

В основе современных теоретических пред-

ставлений органической химии лежит теория хи-

мического строения, предложенная в 60-х годах

XIX в. великим русским химиком А.М. Бутлеро-

Раздел 1. Теоретические основы органической химии

вым. Предпосылками к появлению этой теории явились теории радика-

лов и типов, а также введение фундаментальных понятий химии: атом,

молекула, эквивалент.

Сущность этой теории можно сформулировать в виде следую-

щих положений:

1. Атомы, входящие в состав молекулы органического веще-

ства, не находятся в беспорядочном состоянии, а соединены

между собой в определенной последовательности химическими

связями (согласно валентности этих атомов).

Последовательность соединения атомов в молекуле А.М. Бутлеров

назвал химическим строением.

2. От строения молекул, т. е. от того, в каком порядке

соединены между собой атомы в молекуле, зависят свойства

вещества.

3. Зная свойства вещества, можно установить его строение,

и, наоборот, химическое строение органического соединения

может многое сказать о его свойствах.

4. Химические свойства атомов и атомных группировок не

являются постоянными, а зависят от других атомов (атомных

групп), находящихся в молекуле. При этом наиболее сильное

влияние атомов наблюдается в том случае, если они связаны

друг с другом непосредственно.

5. Строение молекулы можно выразить при помощи

структурной формулы, которая для данного вещества является

единственной.

Сегодня сущность этой теории можно выразить так: физические и

химические свойства органических соединений определяются соста-

вом их молекул, а также химическим, пространственным и элек-

тронным строением.

§ 2. Особенности строения электронных подуровней

атома углерода в органических соединениях

При изучении органической химии особый интерес представляет

электронное строение атома углерода, как определяющий фактор

особых свойств органических соединений.

Строение атома углерода часто рассматривается при изучении раз-

дела «Строение вещества» в курсе «Общая химия». Вспомним, что угле-

род является элементом II периода, IV группы периодической системы

Глава 1. Природа химических связей в органических соединениях

элементов. Два его электрона находятся на внутреннем первом (K)

уровне, четыре – на внешнем втором (L) уровне.

В нормальном состоянии К- и L-уровни атома углерода можно

описать следующей графической формулой:

Атом углерода в момент образования химической связи переходит

из основного состояния (1s

) в возбужденное (напомним, что его

принято условно обозначать С*). При этом происходит распаривание 2s-

электронов и переход одного из них на свободную 2р-орбиталь. При

таком переходе образуются четыре неспаренных электрона – один 2s

и три 2р. Поэтому атом углерода в органических соединениях всегда че-

тырехвалентен:

Связи между атомами в органических соединениях равноцен-

ны. Это объясняется теорией гибридизации орбиталей (см. раздел

«Строение вещества»). Для атома углерода возможны три валент-

ных состояния с различными типами гибридизации: sp

-, sp

- и sp.

При sp

-гибридизации происходит смешение одной 2s- и трех 2р-

орбиталей:

Раздел 1. Теоретические основы органической химии

109 28

. 1.

Рис Электронные орбитали атома углерода

в первом валентном состоянии

В результате образуются четыре одинаковые гибридные орбитали,

имеющие большую электронную плотность по одну сторону ядра.

Поэтому каждая из гиб-

ридных орбиталей в

большей степени склон-

на перекрываться с ор-

биталями других атомов,

чем отдельные «чистые»

2s- и 2р-орбитали. Все че-

тыре гибридные орбита-

ли строго ориентированы

в пространстве и созда-

ют своими утолщенными

«лепестками» геометри-

ческую фигуру – тетра-

эдр, так как они располо-

жены относительно друг

друга под углом 109° 28'.

Состояние углеродного

атома с sp

-гибридными орбиталями называют первым валентным

состоянием (рис. 1).

-Гибридизация является результатом смешения одной 2s- и двух

2р-орбиталей: