Пожарский А.Ф., Гулевская А.В.и др. Практикум по органической химии

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«юЖнЫй ФедеральнЫй Университет»

А. Ф. ПожАрский, А. В. ГулеВскАя,

о. В. Дябло, В. А. озерянский

ПрАкТикуМ

По орГАниЧеской ХиМии

ростов-на-дону

издательство южного федерального университета

2008

УДК 574(075.8)

ББК 24.2я73

П 41

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Южного федерального университета

Учебник подготовлен и издан

в рамках национального проекта

«Образование» по «Программе развития федерального

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

″Южный федеральный университет″ на 2007–2010 гг.»

Пожарский А. Ф., Гулевская А. В., Дябло О. В., Озерян-

ский В. А.

П 41 Практикум по органической химии: учебник / А. Ф. Пожар-

ский, А. В. Гулевская, О. В. Дябло, В. А. Озерянский. – Рос-

тов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2008. – 320 с.

ISBN 978-5-9275-00612-5

Данный учебник предназначен для студентов химических специ-

альностей университетов и химико-технологических вузов. Он мо-

жет быть также полезен студентам-биологам и фармацевтам, в про-

грамму которых входит обучение основам органического синтеза.

ISBN 978-5-9275-0612-5 УДК 574(075.8)

ББК 24.2я73

Издательство Южного

федерального университета, 2008

Оглавление

Предисловие .....................................................................................................7

1.Правилатехникибезопасностивлаборатории

органическойхимии ..................................................................................9

1.1. Общие правила работы ............................................................................9

1.2. Работа с огнеопасными, взрывоопасными, едкими

и токсичными веществами ....................................................................11

1.2.1. Горючие жидкости...........................................................................11

1.2.2. Ядовитые и едкие вещества ..........................................................12

1.2.3. Кислоты и щелочи ..........................................................................13

1.2.4. Металлический натрий и калий .....................................................14

1.2.5. Взрывоопасные вещества ............................................................15

1.3. Технические операции .............................................................................16

1.3.1. Работа с электроприборами ..........................................................16

1.3.2. Работа с природным газом ............................................................16

1.3.3. Нагревание на масляной бане ......................................................16

1.3.4. Работа с хладоагентами ................................................................17

1.3.5. Работа под уменьшенным давлением ..........................................18

1.3.6. Работа с запаянными ампулами, трубками и стеклянными

капиллярами ...................................................................................19

1.4. Экстренная помощь пострадавшему ...................................................20

1.4.1. Средства первой медицинской помощи .......................................20

1.4.2. Травмы глаз ....................................................................................20

1.4.3. Ожоги ...............................................................................................21

1.4.4. Отравления .....................................................................................21

1.4.5. Порезы и ранения ...........................................................................22

1.4.6. Поражения электрическим током ..................................................22

2.Техникаэкспериментавлабораторииорганического

синтеза ......................................................................................................23

2.1. Организация рабочего места ................................................................23

2.2. Ведение лабораторного журнала ..........................................................25

2.3. Основные типы химической посуды и установок ................................27

2.4. Перекристаллизация ..............................................................................35

2.5. Перегонка .................................................................................................38

2.6. Возгонка ....................................................................................................47

2.7. Экстракция ...............................................................................................49

2.8. Фильтрование ..........................................................................................53

2.9. Определение физических свойств органических соединений ............58

2.9.1. Температура плавления .................................................................58

2.9.2. Температура кипения .....................................................................62

2.9.3. Определение плотности ................................................................63

2.9.4. Рефрактометрия .............................................................................65

2.10. Тонкослойная и колоночная хроматография ....................................68

2.10.1. Тонкослойная хроматография......................................................70

2.10.2. Колоночная хроматография .........................................................74

2.11. Высушивание веществ ........................................................................77

2.12. Хранение веществ ...............................................................................83

2.13. Основные виды стеклодувных работ ................................................85

3.Методысинтезаорганическихсоединений .....................................89

3.1. Реакции ацилирования ............................................................................89

3.1.1. Теоретические основы метода ......................................................89

3.1.2. Прописи синтезов ..........................................................................93

Ацетанилид ............................................................................93

N-Ацетил-о-толуидин (о-Ацетотолуидид) ............................94

N-Метилформанилид ............................................................95

1-Формиламинобензимидазол .............................................96

Ацетилсалициловая кислота (аспирин) ...............................97

Бензойноэтиловый эфир ......................................................98

Метиловый эфир антраниловой кислоты ..........................100

Ацетофенон .........................................................................101

4-Ацетилдифенил ................................................................102

3.2. Нуклеофильное замещение при насыщенном атоме углерода .......103

3.2.1. Теоретические основы метода ....................................................103

3.2.2. Прописи синтезов ......................................................................... 111

Бромистый этил ................................................................... 111

Бромистый бутил ................................................................. 112

Йодистый этил ..................................................................... 113

Йодистый метил .................................................................. 115

Нитрометан .......................................................................... 116

Анизол ..................................................................................118

Этиловый эфир β-нафтола ................................................. 119

3.3. Реакции конденсации карбонильных соединений ...............................121

3.3.1. Теоретические основы метода ....................................................121

3.3.2. Прописи синтезов .........................................................................128

Дибензилиденацетон ..........................................................128

Бензальацетофенон (халкон) .............................................129

Коричная кислота ................................................................130

Барбитуровая кислота ........................................................131

Этиловый эфир циклогексилиденциануксусной кислоты 133

Коричный альдегид .............................................................134

Транс, транс-1,4-Дифенил-1,3-бутадиен (бистирил) ........135

Фурфурилиденацетон .........................................................137

3-Пиперидино-1-фенилпропанон-1 ....................................138

3.4. Реакции металлорганических соединений .........................................139

3.4.1. Теоретические основы метода ....................................................139

3.4.2. Прописи синтезов .........................................................................143

н-Октан .................................................................................143

Трифенилкарбинол .............................................................145

Фенилуксусная кислота ......................................................147

Метиловый эфир (1-оксициклогексил)уксусной кислоты . 150

Фенилбороновая кислота ...................................................151

3.5. Реакции окисления и восстановления в органической химии ..........152

3.5.1. Теоретические основы метода ....................................................152

3.5.2. Прописи синтезов .........................................................................156

Валериановая кислота ........................................................156

п-Нитробензойная кислота .................................................157

Пирослизевая кислота ........................................................158

о-Нитробензальдегид .........................................................160

о-Нитробензальдегид диацетат .........................................160

о-Нитробензальдегид .........................................................161

Фенилглиоксаль ..................................................................161

п-Бензохинон .......................................................................162

Пирослизевая кислота и фурфуриловый спирт ................164

Азоксибензол .......................................................................165

Азобензол ...........................................................................166

Янтарная кислота ................................................................167

Гидрокоричная кислота .......................................................168

Анилин..................................................................................169

2,5-Дибромбензохинон........................................................171

9,10-Фенантренхинон ..........................................................172

3.6. Реакции циклоприсоединения ...............................................................172

3.6.1. Теоретические основы метода ....................................................172

3.6.2. Прописи синтезов .........................................................................181

Тетракис-1,2,3,4-(метоксикарбонил)циклобутан ...............181

Триптицен ............................................................................182

3,6-Эндоксо-1,2,3,6-тетрагидрофталевый ангидрид ........183

3-Метил-3,6-эндоксо-1,2,3,6-тетрагидрофталевый

ангидрид...............................................................................184

3.7. Электрофильное замещение в ароматическом ядре .......................184

3.7.1. Теоретические основы метода ....................................................184

3.7.2. Прописи синтезов .........................................................................193

Бромбензол ..........................................................................193

Нитробензол ........................................................................196

о- и п-Нитротолуол ..............................................................197

п-Нитроацетанилид и п-нитроанилин ...............................199

Сульфаниловая кислота .....................................................201

Пикриновая кислота ............................................................203

Орто- и пара-Нитрофенолы................................................204

Салициловый альдегид ......................................................205

п-Броманизол ......................................................................207

Диоксандибромид ...............................................................207

п-Броманизол ......................................................................208

2-Гидрокси-1-нафтальдегид ...............................................208

1,5- и 1,8-Динитронафталины ............................................210

3.8. Нуклеофильное замещение в ароматическом ядре ..........................211

3.8.1. Теоретические основы метода .................................................... 211

3.8.2. Прописи синтезов .........................................................................219

2,4-Динитрофенилгидразин ................................................219

Пикрилхлорид ......................................................................221

2-Аминопиридин ..................................................................222

β-Нафтол ..............................................................................224

3.9. Реакции перекрестного сочетания, катализируемые

комплексами палладия ..........................................................................224

3.9.1. Теоретические основы метода ....................................................224

3.9.1.1. Особенности строения электронной оболочки

переходных металлов ...............................................................225

3.9.1.2. Типы лигандов и комплексов переходных металлов .............226

3.9.1.3. Геометрия комплексов .............................................................230

3.9.1.4. Типы реакционной способности органических

комплексов переходных металлов ..........................................231

3.9.1.5. Новые методы конструирования С-С связей с участием

переходных металлов ...............................................................234

3.9.2. Прописи синтезов ........................................................................245

Приготовление катализаторовPdCl

(PPh3)2 .....................245

Pd(PPh3)4 ............................................................................245

Pd(OAc)2 ..............................................................................245

Pd2(dba)3 .............................................................................246

4-Нитрофенилацетилен ......................................................246

2,3-Бис(фенилэтинил)хиноксалин .....................................248

3,5-Дибромдифенил ............................................................249

3.10. Соли диазония .....................................................................................249

3.10.1. Теоретические основы метода ...................................................249

3.10.2. Прописи синтезов ........................................................................255

Йодбензол ............................................................................255

о-Нитрохлорбензол .............................................................257

β-Нафтоловый оранжевый (оранж II) ................................259

Пикриновая кислота ............................................................260

п-Нитробромбензол ............................................................261

Гелиантин (метилоранж) .....................................................263

Жировой желтый .................................................................264

n-Нитрофторбензол ............................................................265

3.11. Красители и крашение .......................................................................267

3.11.1. Теоретические основы метода ...................................................267

3.11.2. Прописи синтезов ........................................................................271

Флуоресцеин ........................................................................271

Эозин (натриевая соль) ......................................................272

Тиоиндиго красный С ..........................................................273

Индантреновый желтый ......................................................275

3.11.3. Техника крашения .......................................................................278

3.12. Многостадийные синтезы ................................................................280

Бензиламин .........................................................................280

1-Амино-8-нитронафталин .................................................281

4-Бром-2-нитроанилин ........................................................283

1,3-Дифенилизобензофуран ..............................................284

1,3,5-Трибромбензол ...........................................................286

1,3,5-Тринитробензол..........................................................288

1-н-Пропокси-2-амино-4-нитробензол (сладкий

реагент P4000) .....................................................................289

4-Гидрокси-3-метоксибензальдегид (ванилин) .................291

Люцигенин ............................................................................293

Розеофлавин .......................................................................296

Сольватохром из γ-пиколина ..............................................301

Приложение 1. Очистка растворителей ......................................................304

Ацетон СН

СОСН

...............................................................304

Ацетонитрил СН

СN ............................................................304

Бензол С

..........................................................................305

Диметилсульфоксид СН

SOСН

.........................................305

Диметилформамид (СН

)

N-СН=О .....................................305

Диэтиловый эфир C

.............................................306

Ксилол С

(CH

)

................................................................307

Метанол СН

ОН ...................................................................307

Метиленхлорид ...................................................................307

Пиридин С

N ....................................................................308

Толуол С

СН

...................................................................309

Уксусная кислота (ледяная) СН

СООН .............................309

Уксусный ангидрид (CH

CO)

O ..........................................309

Хлороформ СНСl

..............................................................309

Четыреххлористый углерод ССl

.......................................310

Этанол С

ОН ....................................................................310

Этилацетат СН

СООС

.................................................... 311

Приложение 2. Плотность растворов некоторых кислот и щелочей ........312

Предисловие

Данный учебник предназначен для студентов химических специ-

альностей университетов и химико-технологических вузов. Он может

быть также полезен студентам-биологам и фармацевтам, в програм-

му которых входит обучение основам органического синтеза.

«Практикум» основан на многолетнем опыте преподавания ор-

ганической химии в Южном федеральном университете (по 2006 г.

Ростовский государственный университет). В своих главных чертах

этот опыт отражает традиции и большинства других российских уни-

верситетов. В соответствии со сложившейся практикой каждый сту-

дент на протяжении двух семестров выполняет 15–20 практических

работ (синтезов) различной сложности. При этом студент должен

научиться собирать типичные для органического синтеза приборы,

выработать умение работать как с кристаллическими, так и с жидкими

веществами, с микро- и полумикроколичествами, использовать раз-

нообразные методы выделения и очистки, в частности обязательной

считается перегонка в вакууме, тонкослойная и колоночная хромато-

графия. Важное значение имеет развитие у студентов навыков иден-

тификации полученных препаратов.

Практикум на кафедре органической химии ЮФУ обычно начи-

нается с 5–6 фронтальных синтезов, выполняемых в следующей по-

следовательности: ацетанилид, бромистый этил, бензойноэтиловый

эфир, коричная кислота, трифенилкарбинол. После этого приобре-

тенные студентами начальные навыки в какой-то степени снимают с

преподавателя и лаборанта напряжение, характерное для начального

этапа, и ассортимент дальнейших синтезов может быть существенно

расширен. Заключительная часть практикума – выполнение трехста-

дийного синтеза, который студент оформляет в отдельной тетради и

защищает, демонстрируя полученные образцы и выступая с сообще-

нием перед всей группой в присутствии преподавателя. Желательно,

чтобы трехстадийный синтез отличался поучительностью и наличием

эмоционального фактора, в частности хорошо, если получаемые ве-

щества являются красивыми или практически полезными. Например,

это может быть краситель, люминофор, лекарственный препарат

или природное вещество, выделяемое из биологического объекта.

Трехстадийный синтез должен быть проверенным, так как в случае

неудачи у студента может возникнуть неуверенность в своих силах,

вплоть до отрицательного отношения к органической химии вообще.

Трехстадийные синтезы научно-исследовательского профиля следует

давать только сильным студентам, но и в этом случае у преподавате-

ля должна быть уверенность в выполнимости работы.

Трудно себе представить профессионального химика, равнодуш-

но относящегося к веществам, с которыми он имеет дело. Поэтому на

протяжении всего практикума следует обращать внимание на развитие

у студентов интереса к получаемым веществам. Их следует тщатель-

но очищать и подробно характеризовать, описывая в лабораторном

журнале цвет соединения, форму кристаллов, запах и т. п. В число

таких характеристик обязательно должны входить температура плав-

ления (кипения) и, конечно, спектральные данные. Соответствующие

константы (там, где они являются действительно характеристичными)

приведены в настоящей книге для большинства веществ. Кроме того,

каждый синтез снабжен 2–3 вопросами, позволяющими преподава-

телю контролировать, насколько осмысленно студент эксперимен-

тирует.

Другая задача, стоящая перед студентами при прохождении прак-

тикума, – параллельное усвоение теоретического материала. В на-

стоящей книге синтезы сгруппированы по синтетическим методам,

каждый из которых предваряется кратким теоретическим описанием.

Выполняя ту или иную работу, студенты на кафедре органической

химии ЮФУ получают домашнее задание. Последнее включает озна-

комление с теоретическими основами изучаемого синтетического ме-

тода и решение пяти упражнений. Эти решения студент оформляет в

отдельной тетради и периодически отдает их преподавателю на про-

верку. Обычно в ходе двух семестров студенты успевают изучить 7–8

синтетических методов и решить столько же наборов задач. Таким

образом, для получения итогового зачета необходимо не только вы-

полнить нужное число синтезов, включая трехстадийный, но и решить

упражнения по всем темам.

В книге имеется раздел, в котором кратко описаны основы техни-

ки эксперимента в лаборатории органического синтеза, а также при-

ложение с описанием методов очистки растворителей и другой вспо-

могательной информацией, часто используемой химиком-органиком.

Предметом особого внимания преподавателя, лаборанта и самих сту-

дентов должно быть неукоснительное следование правилам техники

безопасности. Сведения о них также даны в специальном разделе,

который должен быть изучен студентами с особой тщательностью.

Кроме того, необходимые предостережения даны при описании самих

методик получения веществ.

В конце книги приведен список рекомендуемой литературы для

проработки теоретических вопросов и более глубокого изучения экс-

периментальных методов.

1. Правила техники безопасности

в лаборатории органической химии

Органический синтез – опасный вид профессиональной деятель-

ности. Ежегодно в химических лабораториях, не говоря уже о про-

мышленных установках, случается немало выбросов, возгораний,

взрывов, отравлений. Подавляющее большинство подобных проис-

шествий – это не результат какой-то фатальной неизбежности, со-

путствующей органической химии, а, как правило, следствие небреж-

ности и халатности самих экспериментаторов или вспомогательного

персонала. Поэтому при соблюдении необходимых правил вероят-

ность происшествий можно свести к минимуму, и в таком случае ор-

ганический синтез становится не более опасным, чем прогулка пеше-

хода по улицам большого города и тем более езда на автомобиле.

Вся проблема именно в следовании этим правилам. Правила техники

безопасности (ТБ) можно разделить на три больших раздела: общие

правила работы, правила обращения с огнеопасными, токсичными и

агрессивными веществами и правила, связанные с выполнением раз-

личных технических операций.

1.1. Общие правила работы

В каждой химической лаборатории должен быть ответственный 1.

за ТБ. В лаборатории, где проводится практикум, им обычно яв-

ляется лаборант. На каждом занятии он назначает себе помощ-

ника – дежурного из числа студентов. Обязанности дежурного и

график дежурств вывешивается в лаборатории.

При работе в лаборатории необходимо соблюдать тишину, поря-2.

док и чистоту.

Запрещается класть на поверхность рабочего стола сумки, одеж-3.

ду и другие посторонние предметы.

Работать необходимо в опрятном халате, застегнутом на все пуго-4.

вицы. Иначе при порывистых движениях полами не застегнутого

халата можно смахнуть со стола колбу с веществом, либо другой

предмет. В кармане халата всегда должна находиться тряпка. Ею

удобно не только вытирать стол или посуду, но и быстро тушить

внезапные, не успевшие распространиться возгорания.

Женщинам желательно работать в лаборатории в косынке, так 5.

как возгорание длинных женских волос – не такая уж большая

редкость. Загоревшиеся волосы опять-таки очень удобно тушить

тряпкой или одеялом.

В лаборатории категорически запрещается курить и принимать 6.

пищу.

В лаборатории можно пострадать из-за небрежности работающе-7.

го рядом соседа. Поэтому не упускайте из виду действий Ваших

коллег и не стесняйтесь делать нарушителю правил ТБ замеча-

ние; в крайнем случае, обратите на это внимание лаборанта и

дежурного.

Бывают дни, когда работа как говорится, “валится из рук”: бьет-8.

ся посуда, разливаются жидкости и т. д. В такие дни Вы опасны

не только для себя, но и для окружающих, поэтому будет луч-

ше, если Вы замените эксперимент работой с литературой или

оформлением заданий.

Очень опасно экспериментировать в лаборатории одному. Если 9.

Вы все же работаете один, займитесь несложными и безопасны-

ми видами эксперимента: приведением в порядок образцов ве-

ществ, хроматографией, мытьем посуды и т. п.

Синтетическая работа должна вестись с точным соблюдением 10.

всех правил и мер предосторожности, указанных в рецептурах

синтезов.

Приступая к выполнению каждого задания, следует ознакомиться 11.

со свойствами применяемых в синтезе веществ и, прежде всего,

с их токсичностью и огнеопасностью.

Прежде чем отвесить или отмерить вещество для синтеза, прочи-12.

тайте внимательно надпись на этикетке, а при возникших сомне-

ниях не поленитесь проверить константы вещества, например,

температуру плавления или кипения. Известно немало трагиче-

ских происшествий из-за введения в синтез не тех веществ.

Не оставляйте работающие установки без надзора. Если же Вам 13.

необходимо отлучиться, попросите кого-нибудь из присутствую-

щих коллег присмотреть за Вашей установкой.

Органические вещества нельзя брать руками, так как, впитыва-14.

ясь кожей, они попадают в организм и могут вызвать отравле-

ние. Многие органические соединения, например, ароматические

амины, нитрохлорбензолы, хлорангидриды, эфиры ароматиче-

ских сульфокислот вызывают сильное раздражение кожи, а в

ряде случаев – экзему. Кроме того, некоторые ароматические ди-

амины, нитрозамины, многоядерные углеводороды и ряд других

соединений обладают канцерогенными свойствами.

Приборы для проведения реакций, нагревания растворов и пере-15.

гонки во избежание взрыва ни в коем случае нельзя собирать на-

глухо замкнутыми.

Нельзя близко наклоняться к прибору, в котором идет реакция, 16.

нагревание или перемешивается какое-либо вещество.

При нагревании веществ в пробирке не держите ее отверстием к 17.

себе или в сторону стоящего рядом товарища.