Изучение свойств вещ-в позволяет определить их химич. строение.

Строение и реакционная способность органич. соединений

Исторически первой системой взглядов в области органич. химии явилась теория радикалов (Дюма, Либих, Берцелиус). Согласно этой теории многие превращения органич. соед. протекают так, что остаток, состоящий из нескольких атомов, не изменяясь, переходит из одного органического соединения в другое. Эти группы атомов и были названы «радикалами». Однако вскоре было установлено, что атомы водорода в радикалах могут быть заменены на другие, например, атомы хлора. Таким образом, неизменность радикала нарушилась. Теория типов, высказанная в 1853 г. французским химиком Ш. Жераром, рассматривала изменения, которые претерпевают органические соединения. В согласии с этой теорией органические соединения реагируют подобно простым неорганическим веществам, которые являются типами. Так к типу водорода относятся углеводороды, к типу хлористого водорода – галогенпроизводные, к типу воды – спирты, кислоты, эфиры и т.д. Теория типов, хотя и с трудом, позволила классифицировать большой материал, накопленный органической химией к этому времени. Но она не могла помочь в познании строения и путей синтеза органич. соед-ий. Важными вехами в развитии теоретических представлений в органической химии явилось установление четырехвалентности углерода немецкими учеными Кекуле и Кольбе (1857 г.) и способности углерода образовывать цепочки атомов (Кекуле и Купер, 1857 г.) Основополагающей явилась теория химического строения органических соединений Александра Михайловича Бутлерова (1861г.). Сущность этой теории заключается в трех основных положениях:

изучение свойств вещ-в позволяет определить их химич. строение.

23. Чтобы ориентироваться в мире о.с. необходимо знать не только принципы их класс-ции, но и уметь правильно назвать каждое из них. При этом нужно соблюдать важное правило: каждому названию должно соответствовать только 1 органич. соед-е. Правило, по которому образуются названия органич. соед. Образуют номенклатуры. В наст. время применяют несколько номенклатур для названия органич. соединений:

– тривиальная (исторически сложившаяся) – СН3-СООН (уксусная кислота);

- рациональная. За основу оранич. соед-я применяют название наиб. простого (чаще первого) данного гомолог. ряда. Все остальные соед-ния называются заместителями или радикалами: СН3 – СН2 – СН3 (диметилметан).

- радикало-функциональная (играет роль название класса соединений) СН3-СН2-ОН (этиловый спирт).

-систематическая (международная) номенклатура ИЮПАК.

Классификация органических соединений.Существование гомологии и гомологических рядов существенно облегчает классификацию и изучение органических соединений. Гомологическим рядом называется ряд веществ, отличающихся друг от друга на любое число групп СН₂, имеющих сходное строение и свойства.В зависимости от строения углеродной цепи органические соединения делятся на соединения с открытой цепью (алифатический, или жирный ряд) и циклические соединения. Циклические соединения могут быть карбоциклическими (циклы составлены только из атомов углерода) и гетероциклическими (циклы содержат кроме углерода и другие атомы). В свою очередь, карбоциклические соединения включают алициклический и ароматический ряды.Наиболее простыми соединениями алифатического, алициклического и ароматических рядов являются углеводороды. Заменяя атомы водорода на другие атомы или группы (так называемые функциональные группы), мы получаем другие классы органических соединений, свойства которых, в основном, определяет природа функциональных групп. В зависимости от наличия в соединении функциональной группы определенной природы можно выделить следующие главнейшие классы органических соединений:углеводороды; галогенпроизводные; гидроксисоединения; простые эфиры; карбонильные соединения (альдегиды и кетоны); карбоновые кислоты; амины; нитросоединения; сульфокислоты; элементорганические соединения.Существует ещё много классов соединений с другими функциональными группами. Кроме того, вещества могут быть насыщенными и ненасыщенными, содержать одну какую-либо функциональную группу или одновременно несколько одинаковых или различных.

24. Алканы (парафины или предельные углеводороды) – наиболее простой по элементному составу класс органических соединений. Они состоят из углерода и водорода. Родоначальником этого класса является метан СН₄. Все остальные углеводороды отличаются на гомологическую разность (-СН2). Общая формула алканов С_nН_2n+2. СН4 – метан (число структурных изомеров – 1), С2Н6 – этан (число изомеров – 1), С3Н8 – пропан (число изомеров - 1), С4Н10 (2), С5Н12 – пентан (3), С6Н14 – гексан (5), С7Н16 – гептан (9), С8Н18 - октан (18), С9Н20 – нонан (35), С10Н22 (75).Углерод имеет на внешней оболочке 4 валентных электрона, поэтому он может образовывать с атомами водорода четыре двухэлектронные ковалентные связи: или

Атом углерода образовывает ковалентные связи за счёт одного s-электрона и трех р-электронов, а атом водорода – за счёт единственного s-электрона. В метане s- и р-орбитали образуют четыре одинаковые смешанные или гибридные орбитали. Подобный тип гибридизации называют sр³-гибридизацией. Углы между связями составляют 109^о28^' – тетраэдрические. Тетраэдрическое расположение атомов углерода и водорода свойственны для всех алканов и их производных. В случае разрыва ковал. связей между С и Н один электрон остаётся у С, другой – у Н. Это приводит к появлению 2 незаряж. частиц, несущих по 1 неспар. электрону, которые наз-ся радикалами. Такие радикалы наз-ся свободными. Они могут взаимод. друг с другом или др. свободными радикалами. Заменяя водород в этане на метильный радикал СН₃•, получаем пропан. Образуем таким же образом следующий алкан – бутан. Если на метильную группу заменить водород у крайнего углерода – получим бутан с неразветвленной, или нормальной цепью атомов углерода. Если заменяется водород метиленовой группы пропана, –СН₂–, то цепь разветвится и получится углеводород того же состава, изобутан, изомерный н-бутану и отличающийся от него по своим свойствам:

При переходе к высшим гомологам число изомеров резко возрастает. Углеродный атом, связанный с одним соседним углеродным атомом, наз-ся первичным, с двумя – вторичным, с тремя – третичным, с четырьмя – четвертичным. Для названий алканов может использоваться несколько номенклатур: –тривиальная (историческая) номенклатура –сводка исторически устоявшихся названий часто употребимых органич. соед. – рациональная номенклатура.При составлении названия по этой номенклатуре соединение рассматривается как полученное из самого простого представителя ряда в результате замещения в нем водородных атомов на алкильные радикалы. Вначале наз-ся радикалы, начиная с меньших, а затем основа. – номенклатураИЮПАК – Международный союз теоретич. и прикладной химии. Для наимен. разветвленных углеводородов нужно выбрать наиболее длинную углеродную цепь. Ответвления рассматриваются как замещающие радикалы, и их названия ставятся перед названием нормального углеводорода-основы по алфавиту. Положение замещающих радикалов в главной цепи обозначают, пронумеровав её углеродные атомы, начиная с конца, более близкого к разветвлению, и указывая номера углеродов основной цепи, с которыми эти радикалы связаны, перед их названием. Номера проставляются для каждого заместителя без исключ-я. Названия одинаковых алкильных заместителей объед-ся с использованием умножающих приставок (диэтил-, триметил-). Знач-е имеет и простр. строение алканов, располож-е атомов С и Н в простр-ве. В СН4 атом С связан с 4 атомами Н, которые располаг. в пространстве симметрично относ-но С. Максим. перекрывание sp³- гибридных орбиталей происх. при тетраэдрич. расположении. Центры атомов С в алканах удалены на 0.154 нм, а центры атомов С и Н – на 0,109 нм.

25.Физические свойства алканов.Первые четыре члена ряда – метан, этан… – при комнатных условиях газы. Алканы С₅–С₁₅ – жидкие, а С₁₆ и далее – твердые. Для пентана Т кип - 36,2°С, для октана – 125, 8°С. Твердые алканы кристалличны. Т плав. отражает прочность межмолекулярных связей в кристалле. Она также определяется молекулярной массой соединения и в большой мере зависит от геометрических факторов упаковки молекул в кристаллической решётке. Некоторые соединения, конформации которых лишены каких-либо элементов симметрии, вообще не могут кристаллизоваться, или кристаллизуются очень трудно. Например, 3-метилпентан; 3-метил-гептан; 2,3-диметилпентан. Эти соединения при замораживании стеклуются.

Химические свойства алканов.Углеводороды ряда метана при обыкновенной температуре химически весьма инертны.В алканах связи С–Н и С–С малополярны и прочны. Поэтому для разрыва этих связей нужно много энергии. В то же время эти связи сравнительно легко подвергаются гомолитическому разрыву с образованием радикалов. Поэтому для алканов в большей мере свойственны реакции радикального замещения.

– Галоидирование.На свету алканы могут последовательно замещать атомы водорода на атомы галоида, например:

CH₄ + Cl₂ ® CH₃Cl + HCl хлористый метил

CH₃Cl + Cl₂ ® CH₂Cl₂ + HCl хлористый метилен

CH₂Cl₂ + Cl₂ ® CHCl₃ + HCl хлороформ

CHCl₃ + + Cl₂ ® CCl₄ + HCl четыреххлористый углерод.

В.В. Марковников установил, что после замещения одного атома водорода хлором замещение оставшихся атомов Н облегчается. Для начала реакции необходимо образование свободного радикала.

– Нитрование.При температуре » 500 °С метан под воздействием азотной кислоты и двуокиси азота нитруется: CH₄ + HО–NO₂ ® CH₃NO₂ + H₂O

Этан в этих условиях реагирует по двум направлениям:

СН₃–СН₃ + HNO₃ ® СН₃–СН₂NO₂ + H₂O

СН₃–СН₃ + 2HNO₃ ® 2CH₃NO₂

Реакция протекает по радикальному, возможно – цепному механизму. NO₂ играет роль инициатора. Нитрометан используется в синтезе взрывчатых веществ и как растворитель.

– Окисление (катализатор MnO2)

Смесь спиртов применяется для получения пластификаторов пластических масс, карбоновые кислоты – для приготовления моющих средств.

– Дегидрирование.При t = 300 °C…400 °С алканы, пропущенные над катализатором (оксид хрома и алюминия), теряют два атома водорода и превращаются в алкены:

– Изомеризация.Под действием кислых катализаторов (например, AlCl₃, H₂SO₄ и др.) алканы способны к перестройке углеродного скелета:

Поиск по сайту: