Основы органической химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Что называется изомерией? Составьте формулы всех изомеров, имеющих состав C₅H₁₂. Назовите их

Изомерия (от изо… и греч. meros - доля, часть), существование соединений (гл. обр. органических), одинаковых по составу и мол. массе, но различных по физ. и хим. св-вам.

C₅H₁₂ - пептон.

СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 н-пентан

СН3-СН2-СН(СН3) - СН2 2-метилбутан

СН3 - (СН3) С(СН3) - СН3 2,2 - диметилпропан

2. Опишите химические свойства алкенов. Приведите уравнения реакций пропена и бутена-1 с перманганатом калия (по Вагнеру). Назовите полученные соединения

Алкены (олефины, этиленовые углеводороды) - ациклические непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой C_nH_2n.

арактер углерод - углеродной связи определяет тип химических реакций, в которые вступают органические вещества. Наличие в молекулах этиленовых углеводородов двойной углерод - углеродной связи обуславливает следующие особенности этих соединений:

- наличие двойной связи позволяет отнести алкены к ненасыщенным соединениям. Превращение их в насыщенные возможно только в результате реакций присоединения, что является основной чертой химического поведения олефинов;

- двойная связь представляет собой значительную концентрацию электронной плотности, поэтому реакции присоединения носят электрофильный характер;

- двойная связь состоит из одной - и одной -связи, которая достаточно легко поляризуется.

3СН₃-CH=CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O = 3CH₃-CH(OH) - CH₂OH + 2MnO₂ + 2KOH

Продукт реакции: пропандиол - 1,2.

бутена-1 с перманганатом калия

С₄H₈ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = C₂H₅COOH + CO₂ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 4H₂O

Продукт реакции: пропионовая кислота

3. Укажите различие в структуре и свойствах первичных, вторичных и третичных спиртов. Напишите:

а) формулу 3-метилпентанола-3;

б) уравнения реакций окисления пропанола-1 и пропанола-2.

Спиртами называются производные углеводородов, содержащие одну или несколько гидроксильных групп. В зависимости от числа гидроксильных групп спирты бывают одно- или многоатомные. Двухатомные спирты называют диолами или гликолами. Трехатомные спирты носят название триолы или глицерины.

Спиртами алхимики называли летучие вещества (от лат. spiritus - дух). Винным спиртом был назван летучий продукт, выделяющийся при получении вина. Винный спирт был выделен при получении вина в средние века, но его состав был установлен только в IX в.

В зависимости от того, при каком атоме углерода, первичном, вторичном или третичном, находятся гидроксильные группы, различают первичные, вторичные и третичные спирты. Введение гидроксильной группы в молекулу углеводорода оказывает влияние на физические, химические и фармакологические свойства вещества. Так, гидроксильная группа повышает растворимость вещества в воде. Действительно, спирты, особенно низшие, хорошо растворяются в воде. С увеличением длины углеродной цепи растворимость уменьшается. Как правило, вторичные спирты более растворимы, чем первичные, а третичные - более растворимы, чем вторичные. Закономерно изменяется и температура кипения спиртов: она возрастает от первичных спиртов к третичным. Температуры кипения многоатомных спиртов выше за счет увеличения числа межмолекулярных водородных связей.

Низшие спирты не поглощают в УФ-части спектра и используются в спектрофотометрии как растворители.

Химические свойства спиртов определяются их функциональной группой - гидроксильной группой - ОН. Спирты являются слабыми ОН-кислотами. Поэтому щелочные металлы вытесняют из спиртов водород:

2R-0H + 2Na 2R-0Na + H₂t Алкоголят натрия

Образующиеся алкоголяты легко гидролизуются:

R-ONa + Н₂0 - ROH + NaOH

С увеличением числа ОН-групп кислотные свойства спиртов возрастают, что связано с высокой электроотрицательностью кислорода и ослаблением О-Н-связи соседнего гидроксила в помолах.

Спирты при нагревании в присутствии концентрированной серной кислоты или А1₂0з могут вступать в реакцию внутримолекулярной дегидратации

В более мягких условиях (температура 170 «С, каталитические количества H₂S0₄) образуются простые эфиры.

При взаимодействии спиртов с карбоновыми кислотами (лучше в присутствии следов сильных минеральных кислот) получаются сложные эфиры.

ROH + R'COOH -2 - R'COOR + Н₂0

Реакция образования сложных эфиров носит название реакции этерификации: вода в присутствии кислот или щелочей разлагает сложные эфиры с образованием исходных веществ - кислоты и спирта. Эта реакция обратима.

Первичные и вторичные спирты легко окисляются, причем при окислении первичных спиртов образуются альдегиды, которые окисляются в карбоновые кислоты.

Вторичные спирты окисляются до кетонов.

Для окисления применяют соединения марганца(ГУ), марганца(УП), хрома(У1).

Третичные спирты окисляются с большим трудом.

А) СН3-СН2-С-СН3-СН2-СН3

ОН

Б) При окислении пропанола-1 образуется пропаналь (пропионовый альдегид).

При окислении пропанола-2 образуется ацетон (диметилкетон):

В молекуле пропионового альдегида карбонильная группа связана с углеводородным радикалом (этилом) и атомом водорода и представляет собой альдегидную группу. В молекуле ацетона карбонильная группа связана с двумя метильными радикалами. Пропаналь является альдегидом, а ацетон - кетоном. Эти два вещества изомерны друг другу.

4. Напишите уравнения реакций окисления пропаналя и 2-метилбутаналя аммиачным раствором оксида серебра. К какому классу соединений относятся продукты окисления? Как называют эту реакцию?

CH3-CH2-CH=O + 2 [Ag(NH3) 2] OH -> CH3-CH2-COOH + 2Ag + 4NH3 + H2O

Пропионовая кислота Реакция серебрянного зеркала

5. В чем заключается явление оптической изомерии? Приведите формулы оптических антиподов молочной и яблочной кислот.

Химикам уже давно известно явление изомерии - когда два вещества имеют одну и ту же брутто-формулу (отражающую только количество разных атомов в веществе), но разные свойства - из-за разного порядка соединения атомов.

Особенно богата изомерами органическая химия. К примеру, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одну и ту же брутто-формулу: C₂H₆O, но структурная формула спирта - CH₃-CH₂-OH, а эфира - CH₃-O-CH₃. Эти вещества имеют разные свойства - как химические, так и физические (температура плавления, вязкость и т.д.).

В органической химии известны и так называемые оптические изомеры - молекулы, имеющие одинаковую структурную формулу, но не совместимые со своим зеркальным отражением. Простейший пример такой молекулы - это атом углерода с четырьмя разными заместителями. К примеру, СHClBrF или аланин CH₃CHNH₂COOH (рис. 1). Наличие у такой молекулы двух разных конфигураций связано с тем, что у атома углерода, образующего четыре одинарные связи, эти связи направлены к вершинам тетраэдра.

Рис. 1. Аминокислота аланин CH₃CHNH₂COOH. Две молекулы, состоящие из атома углерода с четырьмя разными заместителями, - оптические изомеры. Живые существа используют только левовращающие изомеры аминокислот (на рисунке справа)

Оптические изомеры имеют одинаковый цвет, температуру кипения, плотность. Однако такие вещества обладают интересным физическим свойством - они вращают плоскость поляризации пропущенного через них поляризованного света. Один изомер будет вращать ее влево, другой - вправо.

Атом углерода с четырьмя разными заместителями называется хиральным атомом (от греческого heiros «ладонь» - тот же корень, что и в слове «хиромантия»). Чем больше хиральных атомов в молекуле, тем больше у вещества может быть оптических изомеров.

Интересно, что возможны органические вещества, которые имеют оптические изомеры, хотя в них формально нет ни одного хирального атома - центра изомерии.

Молочная кислота

Яблочная кислота

СН2СООН

НО Н

СООН

6. Воски, их отличие от жиров. Напишите уравнение реакции образования диолеостеарина

Воски, исторически сложившееся название разных по составу и происхождению продуктов, преимущественно природных, которые по свойствам близки пчелиному воску. Природные воски представляют собой пластичные легко размягчающиеся при нагревании продукты, большинство из которых плавится в интервале 40-90°С (см. табл.). Некоторые воски, например пчелиный и буроугольный, являются гетерогенными системами, в которых дисперсная кристаллическая фаза распределена в аморфной дисперсионной среде. Воски не смачиваются водой. водонепроницаемы, обладают низкой электрической проводимостью, горючи. Они не растворимы в холодном этаноле. хорошо растворимы в бензине. хлороформе. бензоле и диэтиловом эфире. Большинство природных восков содержит сложные эфиры одноосновных насыщенных карбоновых кислот нормального строения и спиртов с 12-46 атомами С в молекуле. Такие воски по химическим свойствам близки к жирам (триглицеридам), но омыляются только в щелочной среде. Иногда природнеые продукты, не содержащие сложные эфиры, например парафин. петролатум. церезин, называют аналогами восков или воскоподобными материалами.

Пчелиный воск - смесь сложных эфиров (72%), насыщенных неразветвленных углеводородов С₂₁-С₃₅ (12-15%) и карбоновых кислот С₁₆-С₃₆ (15%), относительные количества которых зависят от условий питания пчел и др. факторов. Получают переработкой сот, обрезков вощины и восковых наростов в ульях.

Шерстяной (шерстный) воск выделяется кожными железами овец в волосяную луковицу и обильно покрывает шерсть (в количестве 5-16% по массе). В его состав входят: сложные эфиры жирных кислот и высших спиртов, в т. ч. ланолинового С₁₁Н₂₁СН₂ОН; жирные кислоты (12-40%); спирты (44-45%); углеводороды (14-18%); стерины (холестерин, изохолестерин, эргостерин) в свободном виде и в виде сложных эфиров (10%). Получают из промывных вод шерстомоек или экстрагированием шерсти органическими растворителями. После обработки щелочами, отбелки окислителями и адсорбентами получают очищенный шерстяной воски-ланолин. Последний в отличие от других восков образует устойчивые эмульсии с водой, взятой в количестве, превышающем массу воски в 1,8-2 раза.

Спермацет содержится вместе со спермацетовым маслом в костных черепных углублениях некоторых видов китов, особенно кашалотов Состоит на 98% из цетина С₁₅Н₃₁СООС₁₆Н₃₃. Спермацет отделяют от масла вымораживанием. Гидрируя спермацетовое масло, получают воски, близкий по свойствам спермацету.

Китайский воск вырабатывается червецом Coccus ceriferus, который обитает главным образом на китайском ясене и образует на нем восковой покров. Содержит сложный эфир гексакозановой кислоты СН₃(СН₂)₂₄СООН и гексадеканового спирта СН₃(СН₂)₁₅ОН (95-97%), смолу (до 1%), углеводороды (до 1%) и спирты (до 1%).

Шеллачный воск содержится в природной смоле - шеллаке (около 5%). В него входят 60-62% сложных эфиров, 33-35% спиртов, 2-6% углеводородов. Выделяют при охлаждении спиртового раствора шеллака.

Воски бактерий покрывает поверхность кислотоупорных бактерий, например туберкулезных и лепры, обеспечивая их устойчивость к внешним воздействиям. Содержит сложные эфиры миколевой кислоты С₈₈Н₁₇₂О₄ и эйкозанола СН₃(СН₂)₁₇СНОНСН₃, а также октадеканола СН₃(СН₂)₁₅СНОНСН₃.

Воски сахарного тростника покрывает тонкой пленкой стебли растений. В него входят сложные эфиры (78-82%), насыщенные С₁₄-С₃₄ и ненасыщенные С₁₅-С₃₇ углеводороды (3-5%), насыщенные жирные кислоты С₁₂-С₃₆ (14%) и спирты С₂₄-С₃₄ (6-7%). При отжиме тростника околро 60% восков переходит в сок. При очистке последнего воск выпадает в осадок, из которого его извлекают экстракцией ораническими растворителями.

Также как и жиры, воска являются сложными эфирами, но в отличие от жиров, они представляют собой эфиры не глицерина, а высших одноатомных спиртов жирного, а иногда и циклического ряда и высших жирных кислот.
Природные воска (например, пчелиный воск, спермацет) обычно содержат, кроме упомянутых сложных эфиров, некоторое количество свободных жирных кислот, спиртов и углеводородов парафинового ряда.

7. Опишите химические свойства моносахаридов, обусловленные карбонильной группой. Напишите уравнения реакции «серебряного зеркала» с глюкозой

изомерия алкен моносахарид химический

Карбонильные группы моносахаридов легко реагируют внутримолеку-лярно с группами ОН, образуя циклич. полуацетали. Последние могут представлять собой пятичленный (фураноз-ная форма) или шестичленный (пиранозная форма) цикл и отличаться конфигурацией образующегося на месте карбонильной группы нового асим. центра (атом С этого асим. центра наз. а н о м е р н ы м, или г л и к о з и д н ы м). Эту конфигурацию обозначают буквой а, если она совпадает с конфигурацией центра, определяющего принадлежность моносахарида к D- или L-ряду, и буквой Р в противоположном случае. Изомеры, различающиеся лишь конфигурацией аномерного атома, наз. а н о м е р а м и, а изменение конфигурации при этом атоме-а н о м е р и з а ц и е й. Для изображения циклич. форм моносахаридов удобно пользоваться Хоуорса формулами (см., напр., ф-лы IV и V-пиранозная и фуранозная формы кето-зы, а также рис. 3-циклич. ф-лы альдозы).

В р-ре каждый моносахарид находится в виде смеси таутомеров (напр., рис. 3), соотношение между к-рыми в состоянии равновесия определяется их термодинамич. устойчивостью; в большинстве случаев преобладают пиранозные формы, а ациклические присутствуют в следовых кол-вах. Напротив, моносахариды в кристаллич. состоянии представлены одной из тауто-мерных форм. Растворение кристаллов сопровождается таутомерными превращ., за протеканием к-рых можно следить по изменению во времени величины оптич. вращения (это явление наз. мутаротацией).

С6Н12О6 + Ag2O = С6Н12О7 + 2Ag

Размещено на Allbest.ru