Введение. В настоящее время усиливается тенденция сближения органической химии с биохимией и биологией

В настоящее время усиливается тенденция сближения органической химии с биохимией и биологией. Химики-органики занимаются не только расшифровкой строения и синтезом органических соединений, но и вносят большой вклад в развитие динамической биохимии.

Существующие учебники и учебные пособия по органической химии с элементами биохимии предназначены в основном для студентов-химиков и не учитывают специфики и особенностей биологических специальностей. В предлагаемом практическом пособии предпринята попытка в определенной мере компенсировать этот существенный недостаток.

Среди дисциплин, изучаемых студентами биологического факультета, органическая химия с основами биохимии растений занимает особое место. Ее изучение и усвоение должно создать фундамент для понимания сложных биохимических превращений органических веществ в живых организмах.

Практическое пособие по органической химии с основами биохимии растений составлено в соответствии с учебной программой и является основным руководством для лабораторно-практических занятий. Составлено с целью более полного систематического изучения основных классов органических соединений, их свойств, способов получения и применения; освоения студентами приемов лабораторного эксперимента.

В состав практического пособия входят 14 тем. К каждой теме студентам предлагаются вопросы для самоконтроля и практические упражнения различных уровней сложности. Вначале поставлены вопросы, целью которых является более полное усвоение фактического материала; другие задания требуют от студентов написания соответствующих уравнений реакций, расстановки коэффициентов и несложных расчетов. Задания с третьим уровнем сложности предполагают выполнение нетрадиционных задач, требующих проработки дополнительной учебной литературы, конспектов лекций.

В пособии подробно описаны методики выполнения лабораторных заданий и уделяется внимание технике проведения химического эксперимента.

Тема 1

Предельные углеводороды

1 Общая характеристика алканов, строение, номенклатура, изомерия

2 Физические и химические свойства алканов

3 Способы получения, применение алканов; основные представители

Основные понятия по теме

Алканы (насыщенные, предельные углеводороды или парафины) – углеводороды с открытой цепью, содержащие только простые (одинарные) ковалентные σ-связи. Общая формула алканов – С_nH_2n+2. Самым простым алканом является метан – СН₄. Все ос­тальные алканы составляют гомологический ряд метана.

Строение. Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в со­стоянии sp³-гибридизации и образуют 4σ-связи. Длина связи С – С равна 0,154 нм; связи С – Н – 0,109 нм. Энергия связи С – С равна 344 ± 3 кДж/моль; связи С – Н – 415 ± 3 кДж/моль. Молекула метана представляет собой тетраэдр, в вершинах которого находятся атомы водорода. Соответствующие ва­лентные углы между связями являются тетраэдрическими и рав­ны 109°28'.

Номенклатура. Названия предельных углеводородов характеризуются суффиксом -ан. Первые четыре углеводорода носят исторически сло­жившиеся назва­ния, начиная с пятого, в основу названия углеводорода кладется греческое название соответствующего числа углеродных атомов.

СН₄ – метан; С₆Н₁₄ – гексан;

С₂Н₆ – этан; С₇Н₁₆ – гептан;

С₃Н₈ – пропан; С₈Н₁₈ – октан;

С₄Н₁₀ – бутан; С₉Н₂₀ – нонан;

С₅Н₁₂ – пентан; С₁₀Н₂₂ – декан; и т. д.

Радикалы называют путем изменения суффикса –ан на –ил.

По рациональной номенклатуре алканы называют как производные метана. Таким образом, изопентан будет называться диметилэтилметаном:

Названия предельных углеводородов с разветвленными цепями (изоалканов) по международной номенклатуре строятся следующим образом:

– выбирают самую длинную и сложную (с максимальным числом разветвлений) цепь углеродных атомов. Если в углеводороде можно выделить две или несколько одинаково длинных цепей, то за главную выбирают ту из них, которая имеет наибольшее число разветвлений;

– нумеруют углеродные атомы. Нумерацию начинают с того конца цепи, к которому ближе радикал с меньшим числом углерод­ных атомов (метил, этил, пропил и т. д.). Если же одинаковые радикалы находятся на равном расстоянии от обоих концов цепи, то нумерация начи­нается с того конца, где большее число разветвлений:

– называют соединение. Сначала перечисляют заместители в алфавитном порядке или в порядке увеличения числа углеродных атомов в радикале, причем перед названием радикала ставят цифру, соответствующую номеру углерод­ного атома главной цепи, при котором находится данный радикал. Наличие нескольких одинаковых заместителей обозначается соответственно греческими числительными: ди-, три-, тетра-, пента- и т. д., а их положение указывают, как обычно, цифрами, причем цифры разделяют запятыми, распола­гают в порядке их возрастания и ставят перед названием данных радикалов, отделяя их от него дефисом. После этого называют углеводород, соответствующий главной цепи углеродных атомов.

Алканы могут иметь неразветвленную цепь углеродных атомов (н-алканы) и разветвленную (изоалканы)

Начиная с бутана, для алканов возможна структурная изомерия (изомерия углеродного скелета), например:

Химические свойства:

Алканы не взаимодействуют с обычными кислотами и ще­лочами, окислителями. В силу насыщенности всех связей ато­мов углерода они не способны к реакциям присоединения. Вместе с тем в условиях высоких температур или в присутствии катализаторов, в том числе и сверхсильных кислот, легко осу­ществляются реакции с активными свободными радикалами (по свободнорадикальному механизму):

– галогенирование:

СН₄+С1₂ → СН₃С1+НС1;
хлористый метил

СН₃С1+С1₂ → СН₂С1₂+ НСl;

хлористый метилен

СН₂С1₂+С1₂ → СНС1₃+НС1;

хлороформ

СНСl₃+Cl₂ → ССl₄+НСl;

четыреххлористый углерод

– нитрование (реакция М. И. Коновалова):

R – H + HONO₂ R – NO₂ + H₂O;

– сульфирование:

– изомеризация: н–алканы при повышенной температуре в присутствии катализаторов (особенно AlCl₃) превращаются в изомеры с разветвленной цепью:

– действие высоких температур: при высоких температурах все алканы подвергаются более или менее глубокому распаду с разрывом связей С—С и С—Н. Состав продуктов зависит от условий (температуры, давления, продолжительности нагревания, наличия или отсутствия ката­лизатора) и от природы углеводорода.

Термический распад углеводородов, идущий без разрыва углерод-углеродной цепи, носит название пиролиза.

Метан начинает разлагаться при 800 °С. При нагревании до 1400 –
– 1500 °С в течение долей секунды и резком охлаждении получается ацетилен:

2СН₄ С₂Н₂ + 3Н₂.

Химические реакции, идущие с разрывом углерод-углеродных связей в молекулах углеводородов, называются крекингом.

Термический крекинг ведут под давлением при 450–550 °С. При этом получается, в основном, смесь более низкомолекулярных алканов и алкенов, например:

С₁₈Н₃₈ С₁₀Н₂₂ + С₈Н₁₆.

Каталитический крекинг ведут при температуре 450–500 °С в присутствии катализаторов – А1С1₃ или алюмосиликатов. В этом случае наряду с реакциями крекинга идут и реакции изомеризации, причем непредельных углеводородов получает­ся меньше.

Риформинг (каталитическое облагораживание) проводится при нагревании с применением платиновых катализаторов. В этом случае алканы превращаются, в основном, в аромати­ческие углеводороды.

Получение алканов:

– реакция Вюрца – действие металлического натрия на моногалогенпроизводные:

2R – Br + 2Na → R – R + 2NaBr;

– из галогенпроизводных через магнийорганические соединения:

CH₃I + Mg → CH₃MgI; CH₃MgI + H₂O → CH₄ + Mg(OH)I;

– сплавление солей карбоновых кислот со щелочью:

– восстановление алкенов и алкинов водородом:

C₂H₄ +H₂ C₂H₆; C₂H₂ + 2H₂ C₂H₆;

– взаимодействие металлоорганических соединений с водой:

Al₄C₃ +12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄;

CH₃―CH₃―Li + H₂O → CH₃―CH₃ + LiOH.

Вопросы для самоконтроля

1 Дайте определение предельным углеводородам.

2 Составьте гомологический ряд предельных углеводородов (С₁ – – С₁₀) и общую формулу гомологического ряда, напишите полуструктурные формулы некоторых представителей этого ряда.

3 Рассмотрите радикалы предельных углеводородов, приведите примеры первичных, вторичных и третичных радикалов.

4 Какие вещества называются изомерами? Выведите все изомеры пентана, гексана, гептана и назовите их. Укажите число первичных, вторичных, третичных и четвертичных атомов углерода в изомерах.

5 Рассмотрите рациональную и международную номенклатуру парафинов.

6 Укажите основные промышленные и лабораторные способы получения предельных углеводородов, приведите примеры уравнений химических реакций.

7 Объясните строение и свойства парафинов. Какие типы химических реакций характерны для предельных углеводородов?

8 Рассмотрите промышленное применение метана.

Поиск по сайту: