IV. Органическая химия

1. Алканы

Алканы (предельные углеводороды, парафины) – ациклические насыщенные углеводороды общей формулы С_nH_2n+2. В соответствии с общей формулой алканы образуют гомологический ряд.

Первые четыре представителя имеют полусистематические названия – метан (CH₄), этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀). Названия последующих членов ряда строятся из корня (греческие числительные) и суффикса -ан: пентан (С₅Н₁₂), гексан (С₆Н₁₄), гептан (С₇Н₁₆) и т. д.

Атомы углерода в алканах находятся в sp³-гибридном состоянии. Оси четырех sp³-орбиталей направлены к вершинам тетраэдра, валентные углы равны 109°28 .

Пространственное строение метана:

Энергия С—С связи Е_с—с = 351 кДж/моль, длина С—С связи 0,154 нм.

Связь С—С в алканах является ковалентной неполярной. Связь С—Н – ковалентная слабополярная.

Для алканов, начиная с бутана, существуют структурные изомеры (изомеры строения), различающиеся порядком связывания между атомами углерода, с одинаковым качественным и количественным составом и молекулярной массой, но различающихся по физическим свойствам.

Способы получения алканов

1. С_nH_2n+2 →400–700 °C→ С_pH_2p+2 + С_mH_2m,

n = m + p.

Крекинг нефти (промышленный способ). Алканы также выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменный уголь).

(гидрирование непредельных соединений)

3. nCO + (2n + 1)Н₂ → С_nH_2n+2 + nH₂O (получение из синтез-газа (CO + Н₂))

4. (реакция Вюрца)

5. (реакция Дюма) CH₃COONa + NaOH →t→ CH₄ + Na₂CO₃

6. (реакция Кольбе)

Химические свойства алканов

Алканы не способны к реакциям присоединения, т. к. в их молекулах все связи насыщены, для них характерны реакции радикального замещения, термического разложения, окисления, изомеризации.

1. (реакционная способность убывает в ряду: F₂ > Cl₂ > Br₂ > (I₂ не идет), R₃C• > R₂CH• > RCH₂• > RCH₃•)

2. (реакция Коновалова)

3. C_nH_2n+2 + SO₂ + ½O₂ →hν→ C_nH_2n+1SO₃H – алкилсульфокислота

(сульфоокисление, условия реакции: облучение УФ)

4. CH₄ →1000 °C→ С + 2Н₂; 2CH₄ →t>1500 °C→ С₂Н₂ + ЗН₂ (разложение метана – пиролиз)

5. CH₄ + 2Н₂O →Ni, 1300 °C→ CO₂ + 4Н₂ (конверсия метана)

6. 2С_nH_2n+2 + (Зn+1)O₂ → 2nCO₂ + (2n+2)Н₂O (горение алканов)

7. 2н-С₄Н₁₀ + 5O₂ → 4CH₃COOH + 2Н₂O (окисление алканов в промышленности; получение уксусной кислоты)

8. н-С₄Н₁₀ → изо-С₄Н₁₀ (изомеризация, катализатор AlCl₃)

2. Циклоалканы

Циклоалканы (циклопарафины, нафтены, цикланы, полиметилены) – предельные углеводороды с замкнутой (циклической) углеродной цепью. Общая формула С_nH_2n.

Атомы углерода в циклоалканах, как и в алканах, находятся в sp³-гибридизованном состоянии. Гомологический ряд циклоалканов начинает простейший циклоалкан – циклопропан С₃Н₆, представляющий собой плоский трехчленный карбоцикл. По правилам международной номенклатуры в циклоалканах главной считается цепь углеродных атомов, образующих цикл. Название строится по названию этой замкнутой цепи с добавлением приставки «цикло» (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и т. д.).

Структурная изомерия циклоалканов связана с различной величиной цикла (структуры 1 и 2), строением и видом заместителей (структуры 5 и 6) и их взаимным расположением (структуры 3 и 4).

Способы получения циклоалканов

1. Получение из дигалогенопроизводных углеводородов

2. Получение из ароматичесих углеводородов

Химические свойства циклоалканов

Химические свойства циклоалканов зависят от размера цикла, определяющего его устойчивость. Трех– и четырехчленные циклы (малые циклы), являясь насыщенными, резко отличаются от всех остальных предельных углеводородов. Циклопропан, циклобутан вступают в реакции присоединения. Для циклоалканов (С₅ и выше) вследствие их устойчивости характерны реакции, в которых сохраняется циклическая структура, т. е. реакции замещения.

1. Действие галогенов

2. Действие галогеноводородов

С циклоалканами, содержащими пять и более атомов углерода в цикле, галогеново-дороды не взаимодействуют.

3.

4. Дегидрирование

3. Алкены

Алкены (непредельные углеводороды, этиленовые углеводороды, олефины) – непредельные алифатические углеводороды, молекулы которых содержат двойную связь. Общая формула ряда алкенов С_nН_2n.

По систематической номенклатуре названия алкенов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суффикса – ан на – ен: этан (CH₃—CH₃) – этен (CH₂=CH₂) и т. д. Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно включала в себя двойную связь. Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к двойной связи конца цепи.

В молекуле алкена ненасыщенные атомы углерода находятся в sp²-гибридизации, а двойная связь между ними образована σ– и π-связью. sp²-Гибридные орбитали направлены друг к другу под углом 120°, и одна негибридизованная 2р-орбиталь, расположена под углом 90° к плоскости гибридных атомных орбиталей.

Пространственное строение этилена:

Длина связи С=С 0,134 нм, энергия связи С=С Е_с=с = 611 кДж/моль, энергия π-связи Еπ = 260 кДж/моль.

Виды изомерии: а) изомерия цепи; б) изомерия положения двойной связи; в) Z, Е (cis, trans) – изомерия, вид пространственной изомерии.

Способы получения алкенов

1. CH₃—CH₃ →Ni, t→ CH₂=CH₂ + H₂ (дегидрирование алканов)

2. С₂Н₅OH →H,SO₄, 170 °C→ CH₂=CH₂ + Н₂O (дегидратация спиртов)

3. (дегидрогалогенирование алкилгалогенидов по правилу Зайцева)

4. CH₂Cl—CH₂Cl + Zn → ZnCl₂ + CH₂=CH₂ (дегалогенирование дигалогенопроизводных)

5. HC≡CH + Н₂ →Ni, t→ CH₂=CH₂ (восстановление алкинов)

Химические свойства алкенов

Для алкенов наиболее характерны реакции присоединения, они легко окисляются и полимеризуются.

1. CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br—CH₂Br

(присоединение галогенов, качественная реакция)

2. (присоединение галогеноводородов по правилу Марковникова)

3. CH₂=CH₂ + Н₂ →Ni, t→ CH₃—CH₃ (гидрирование)

4. CH₂=CH₂ + Н₂O →H⁺→ CH₃CH₂OH (гидратация)

5. ЗCH₂=CH₂ + 2КMnO₄ + 4Н₂O → ЗCH₂OH—CH₂OH + 2MnO₂↓ + 2KOH (мягкое окисление, качественная реакция)

6. CH₂=CH—CH₂—CH₃ + КMnO₄ →H⁺→ CO₂ + С₂Н₅COOH (жесткое окисление)

7. CH₂=CH—CH₂—CH₃ + O₃ → Н₂С=O + CH₃CH₂CH=O формальдегид+пропаналь → (озонолиз)

8. С₂Н₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2Н₂O (реакция горения)

9. (полимеризация)

10. CH₃—CH=CH₂ + HBr →перекись→ CH₃—CH₂—CH₂Br (присоединение бро-моводорода против правила Марковникова)

11. (реакция замещения в α-положение)

4. Алкины

Алкины (ацетиленовые углеводороды) – ненасыщенные углеводороды, имеющие в своем составе тройную С≡С связь. Общая формула алкинов с одной тройной связью С_nН_2n-2. Простейший представитель ряда алкинов CH≡CH имеет тривиальное название ацетилен. По систематической номенклатуре названия ацетиленовых углеводородов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суффикса –ан на -ин: этан (CH₃—CH₃) – этин (CH≡CH) и т. д. Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно включала в себя тройную связь. Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к тройной связи конца цепи.

В образовании тройной связи участвуют атомы углерода в sp-гибридизованном состоянии. Каждый из них имеет по две sp-гибридных орбитали, направленных друг к другу под углом 180°, и две негибридных p-орбитали, расположенных под углом 90° по отношению друг к другу и к sp-гибридным орбиталям.

Пространственное строение ацетилена:

Виды изомерии: 1) изомерия положения тройной связи; 2) изомерия углеродного скелета; 3) межклассовая изомерия с алкадиенами и циклоалкенами.

Способы получения алкинов

1. СаО + ЗС →t→ СаС₂ + CO;

СаС₂ + 2Н₂O → Са(OH)₂ + CH≡CH (получение ацетилена)

2. 2CH₄ →t>1500 °C→ HC = CH + ЗН₂ (крекинг углеводородов)

3. CH₃—CHCl₂ + 2KOH →в спирте → HC≡CH + 2KCl + Н₂O (дегалогенирова-ние)

CH₂Cl—CH₂Cl + 2KOH →в спирте → HC≡CH + 2KCl + Н₂O

Химические свойства алкинов

Для алкинов характерны реакции присоединения, замещения. Алкины полиме-ризуются, изомеризуются, вступают в реакции конденсации.

1. (гидрирование)

2. HC≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr;

CHBr=CHBr + Br₂ → CHBr₂—CHBr₂ (присоединение галогенов, качественная реакция)

3. CH₃—С≡CH + HBr → CH₃—CBr=CH₂;

CH₃—CBr=CH₂ + HBr → CH₃—CBr₂—CHg (присоединение галогеноводородов по правилу Марковникова)

4. (гидратация алинов, реация Кучерова)

5.(присоединение спиртов)

6.(присоединение карбоновых ислот)

7. CH≡CH + 2Ag₂O →NH₃→ AgC≡CAg↓ + H₂O (образование ацетиленидов, качественная реакция на концевую тройную связь)

8. CH≡CH + [О] →КMnO₄→ HOOC—COOH → HCOOH + CO₂ (окисление)

9. CH≡CH + CH≡CH → CH₂=CH—С≡CH (катализатор – CuCl и NH₄Cl, димеризация)

10. 3HC≡CH →C, 600 °C→ С₆Н₆ (бензол) (циклоолигомеризация, реакция Зелинского)

5. Диеновые углеводороды

Алкадиены (диены) – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат две двойные связи. Общая формула алкадиенов С_nН_2n_₂. Свойства алкадиенов в значительной степени зависят от взаимного расположения двойных связей в их молекулах.

Способы получения диенов

1. (метод СВ. Лебедева)

2. (дегидратация)

3. (дегидрирование)

Химические свойства диенов

Для сопряженных диенов характерны реакции присоединения. Сопряженные диены способны присоединять не только по двойным связям (к C₁ и С₂, С₃ и С₄), но и к концевым (С₁ и С₄) атомам углерода с образованием двойной связи между С₂ и С₃.

6. Ароматические углеводороды

Арены, или ароматические углеводороды, – циклические соединения, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов с замкнутой системой сопряженных связей, объединяемые понятием ароматичности, которая обуславливает общие признаки в строении и химических свойствах.

Все связи С—С в бензоле равноценны, их длина равна 0,140 нм. Это означает, что в молекуле бензола между углеродными атомами нет чисто простых и двойных связей (как в формуле, предложенной в 1865 г. немецким химиком Ф. Кекуле), а все они выровнены (дел окал изованы).

формула Кекуле

Гомологи бензола – соединения, образованные заменой одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы (R): С₆Н₅—R, R—С₆Н₄—R. Общая формула гомологического ряда бензола С_nН_2n_₆ (n > 6). Для названия ароматических углеводородов широко используются тривиальные названия (толуол, ксилол, кумол и т. п.). Систематические названия строят из названия углеводородного радикала (приставка) и слова «бензол» (корень): С₆Н₅—CH₃ (метилбензол), С₆Н₅—С₂Н₅ (этилбензол). Если радикалов два или более, их положение указывается номерами атомов углерода в кольце, с которыми они связаны. Для дизамещен-ных бензолов R—С₆Н₄—R используется также и другой способ построения названий, при котором положение заместителей указывают перед тривиальным названием соединения приставками: орто– (o-) – заместители соседних атомов углерода кольца (1,2-); мета– (м-) – заместители через один атом углерода (1,3-); пара– (п-) – заместители на противоположных сторонах кольца (1,4-).

Виды изомерии (структурная): 1) положения заместителей для ди-, три– и тетра-замещенных бензолов (например, о-, м- и п-ксилолы); 2) углеродного скелета в боковой цепи, содержащей не менее 3 атомов углерода; 3) заместителей (R), начиная с R=С₂Н₅.

Способы получения ароматических углеводородов

1. С₆Н₁₂ →Pt, 300 °C→ С₆Н₆ + ЗН₂ (дегидрирование циклоалканов)

2. н-С₆Н₁₄ →Cr₂O₃, 300 °C→ С₆Н₆ + 4Н₂ (дегидроциклизация алканов)

3. ЗС₂Н₂ →С, 600 °C→ С₆Н₆ (циклотримеризация ацетилена, реакция Зелинского)

Химические свойства ароматических углеводородов

По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов. Для аренов наиболее характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а именно реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом. Другие реакции (присоединение, окисление), в которых участвуют делокали-зованные С-С связи бензольного кольца и нарушается его ароматичность, идут с трудом.

1. C₆H₆ + Cl₂ →AlCl₃→ C₆H₅Cl + HCl (галогенирование)

2. C₆H₆ + HNO₃ →H₂SO₄→ C₆H₅—NO₂ + H₂O (нитрование)

3. С₆Н₆ →H₂SO₄→ С₆Н₅—SO₃H + H₂O (сульфирование)

4. С₆Н₆ + RCl →AlCl₃→ С₆Н₅—R + HCl (алкилирование)

5. (ацилирование)

6. С₆Н₆ + ЗН₂ →t, Ni→ С₆Н₁₂ циклогексан (присоединение водорода)

7. (1,2,3,4,5,6-гексахлороциклогексан, присоединение хлора)

8. С₆Н₅—CH₃ + [О] → С₆Н₅—COOH кипячение с раствором КMnO₄ (окисление алкилбензолов)

7. Галогеноуглеводороды

Галогеноуглеводородами называются производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода заменены на атомы галогена.

Способы получения галогеноуглеводородов

1. CH₂=CH₂ + HBr → CH₃—CH₂Br (гидрогалогенирование ненасыщенных углеводородов)

CH≡CH + HCl → CH₂=CHCl

2. CH₃CH₂OH + РCl₅ → CH₃CH₂Cl + POCl₃ + HCl (получение из спиртов)

CH₃CH₂OH + HCl → CH₃CH₂Cl + Н₂O (в присутствии ZnCl₂, t°C)

3. а) CH₄+ Cl₂ →hv→ CH₃Cl + HCl (галогенирование углеводородов)

б)

Химические свойства галогеноуглево-дородов

Наибольшее значение для соединений этого класса имеют реакции замещения и отщепления.

1. CH₃CH₂Br + NaOH (водн. р-р) → CH₃CH₂OH + NaBr (образование спиртов)

2. CH₃CH₂Br + NaCN → CH₃CH₂CN + NaBr (образование нитрилов)

3. CH₃CH₂Br + NH₃ → [CH₃CH₂NH₃]⁺Br ↔—HBr↔ CH₃CH₂NH₂ (образование аминов)

4. CH₃CH₂Br + NaNO₂ → CH₃CH₂ NO₂ + NaBr (образование нитросоединений)

5. CH₃Br + 2Na + CH₃Br → CH₃—CH₃ + 2NaBr (реакция Вюрца)

6. CH₃Br + Mg → CH₃MgBr (образование магнийорганических соединений, реактив Гриньяра)

7. (дегидрогалогенирование)

8. Спирты

Спиртами называются производные углеводородов, в молекулах которых содержится одна или несколько гидроксильных групп (—OH), связанных с насыщенными атомами углерода. Группа —OH (гидроксильная, оксигруппа) является в молекуле спирта функциональной группой. Систематические названия даются по названию углеводорода с добавлением суффикса -ол и цифры, указывающей положение гидроксигруппы. Нумерация ведется от ближайшего к OH-группе конца цепи.

По числу гидроксильных групп спирты подразделяются на одноатомные (одна группа —OH), многоатомные (две и более групп —OH). Одноатомные спирты: метанол CH₃OH, этанол С₂Н₅OH; двухатомный спирт: этилен-гликоль (этандиол-1,2) HO—CH₂—CH₂—OH; трехатомный спирт: глицерин (пропантриол-1,2,3) HO—CH₂—CH(OH)—CH₂—OH. В зависимости от того, с каким атомом углерода (первичным, вторичным или третичным) связана гидроксигруппа, различают спирты первичные R—CH₂—OH, вторичные R₂CH—OH, третичные R₃C—OH.

По строению радикалов, связанных с атомом кислорода, спирты подразделяются на предельные, или алканолы (CH₃CH₂—OH), непредельные, или алкенолы (CH₂=CH—CH₂—OH), ароматические (С₆Н₅CH₂—OH).

Виды изомерии (структурная изомерия): 1) изомерия положения OH-группы (начиная с С₃); 2) углеродного скелета (начиная с С₄); 3) межклассовая изомерия с простыми эфирами (например, этиловый спирт CH₃CH₂OH и диметиловый эфир CH₃—О—CH₃). Следствием полярности связи О—Н и наличия неподеленных пар электронов на атоме кислорода является способность спиртов к образованию водородных связей.

Способы получения спиртов

1. CH₂=CH₂ + Н₂O/Н⁺ → CH₃—CH₂OH (гидратация алкенов)

2. CH₃—CHO + Н₂ →t, Ni→ С₂Н₅OH (восстановление альдегидов и кетонов)

3. C₂H₅Br + NaOH (водн.) → С₂Н₅OH + NaBr (гидролиз галогенопроизводных)

ClCH₂—CH₂Cl + 2NaOH (водн.) → HOCH₂—CH₂OH + 2NaCl

4. CO + 2Н₂ →ZnO, CuO, 250 °C, 7 МПа→ CH₃OH (получение метанола, промышленность)

5. С₆Н₁₂O₆ →дрожжи→ 2С₂Н₅OH + 2CO₂ (брожение моноз)

6. 3CH₂=CH₂ + 2KMnO₄ + 4Н₂O → 3CH₂OH—CH₂OH - этиленгиликоль + 2KOH + 2MnO₂ (окисление в мягких условиях)

7. а) CH₂=CH—CH₃ + O₂ → CH₂=CH—CHO + Н₂O

б) CH₂=CH—CHO + Н₂ → CH₂=CH—CH₂OH

в) CH₂=CH—CH₂OH + Н₂O₂ → HOCH₂—CH(OH)—CH₂OH (получение глицерина)

Химические свойства спиртов

Химические свойства спиртов связаны с наличием в их молекулу группы  —OH. Для спиртов характерны два типа реакций: разрыв связи С—О и связи О—Н.

1. 2С₂Н₅OH + 2Na → Н₂ + 2C₂H₅ONa (образование алкоголятов металлов Na, К, Mg, Al)

2. а) С₂Н₅OH + NaOH ≠ (в водном растворе не идет)

б) CH₂OH—CH₂OH + 2NaOH → NaOCH₂—CH₂ONa + 2Н₂O

в) (качественная реакция на многоатомные спирты – образование ярко-синего раствора с гидроксидом меди)

3. а) (образование сложных эфиров)

б) С₂Н₅OH + H₂SO₄ → С₂Н₅—О—SO₃H + Н₂O (на холоду)

в)

4. а) С₂Н₅OH + HBr → С₂Н₅Br + Н₂O

б) С₂Н₅OH + РCl₅ → С₂Н₅Cl + POCl₃ + HCl

в) С₂Н₅OH + SOCl₂ → С₂Н₅Cl + SO₂ + HCl (замещение гидроксильной группы на галоген)

5. С₂Н₅OH + HOC₂H₅ →H₂SO₄, <140 °C→ C₂H₅—O—C₂H₅ + H₂O (межмолекулярная гидротация)

6. С₂Н₅OH →H₂SO₄, 170 °C→ CH₂=CH₂ + H₂O (внутримолекулярная гидротация)

7. а) (дегидрирование, окисление первичных спиртов)

б) (дегидрирование, окисление вторичных спиртов)