Теоретические основы органической химии с примерами решения задач
Покупка
Тематика:
Органическая химия
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 206
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-5141-8
Артикул: 804694.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Издание содержит теоретический материал по основным разделам курса «Органическая химия» и задачи с примерами решения по каждой теме. Также предложен набор задач для самостоятельной работы. Предложенные задачи позволяют найти соотношение между структурой органических веществ и их химическими свойствами, что создает предпосылки для творческого подхода к решению.
Для студентов второго курса специальностей 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» и 280201 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», изучающих курс «Органическая химия».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 20.03.01: Техносферная безопасность
- 20.03.02: Природообустройство и водопользование
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет) М.Б. Степанов, Е.А. Елисеева Теоретические основы органической химии с примерами решения задач Учебное пособие
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-5141-8 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 УДК 543 ББК 24.1 С79 Издание доступно в электронном виде по адресу https://bmstu.press/catalog/item/6449/ Факультет «Фундаментальные науки» Кафедра «Химия» Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия Степанов, М. Б. С79 Теоретические основы органической химии с примерами решения задач : учебное пособие / М. Б. Степанов, Е. А. Елисеева. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 204, [2] с. : ил. ISBN 978-5-7038-5141-8 Издание содержит теоретический материал по основным разделам курса «Органическая химия» и задачи с примерами решения по каждой теме. Также предложен набор задач для самостоятельной работы. Предложенные задачи позволяют найти соотношение между структурой органических веществ и их химическими свойствами, что создает предпосылки для творческого подхода к решению. Для студентов второго курса специальностей 280101 «Безопасность жиз- недеятельности в техносфере» и 280201 «Охрана окружающей среды и рацио- нальное использование природных ресурсов», изучающих курс «Органическая химия». УДК 543 ББК 24.1
Предисловие Основой организации учебного процесса, в том числе выполнения кон- трольных работ, домашних заданий, проведения лабораторных занятий, явля- ется ознакомление студентов с материалами лекций, учебных и учебно- методических пособий, а также учебников по изучаемой дисциплине. В первой главе предлагаемого учебного пособия рассмотрены виды электронных эффектов (индукционный и мезомерный), показано влияние за- местителей на строение органических веществ. Во второй главе приведены химические и физические свойства предель- ных углеводородов (алканов), указаны виды изомерии и номенклатуры, стро- ение, а также способы получения и области применения. В третьей главе представлены химические и физические свойства непредельных углеводородов (алкенов, диенов и алкинов), рассмотрено влияние двойной или тройной связи на строение органических веществ, приведены способы получения и области применения непредельных углеводородов. Четвертая глава посвящена циклическим углеводородам (циклоалканам и ареновам), приведены их химические и физические свойства, указаны признаки ароматических соединений, рассказано о смещении электронной плотности в ароматическом кольце у аренов, представлены способы их получения и области применения. В пятой главе рассмотрены химические и физические свойства, получение, строение и применение кислородсодержащих органических соединений (одноатомных и многоатомных спиртов, фенолов, альдегидов, карбоновых кислот, сложных эфиров и жиров). В шестой главе приведены химические и физические свойства, способы получения, области применения азотсодержащих органических соединений (нитросоединений, аминов, ароматических аминов, аминокислот). Показано влияние нитро- или аминогруппы на строение органических веществ. В седьмой главе описаны свойства углеводов (моносахаридов, дисаха- ридов, полисахаридов), приведены примеры органических молекул различного строения (циклическая и линейная формы), методы получения, варианты применения углеводов. В восьмой главе рассмотрены химические и физические свойства, получение, применение гетероциклических органических соединений (пиридина, пиримидина, пиррола, пурина, пиримидиновых и пуриновых оснований и др.), а также показано влияние гетероатомов на строение органических веществ. Для лучшего усвоения материала в конце глав приведены контрольные вопросы и задания, требующие обоснованных ответов и поиска дополнительной информации, а для расширения объема знаний и проверки их усвоения помещен список литературных источников.
Данное учебное пособие может быть рекомендовано для самоподготовки к зачету по органической химии. В результате освоения учащимися теоретического материала планируются развитие творческого мышления, формирование метакогнитивных навыков, позволяющих анализировать излагаемые методики и выбирать наиболее приемлемые пути решения задач. После усвоения материала учебного пособия студент должен: знать • теорию строения органических веществ А.М. Бутлерова; • формулы основных классов органических соединений; • особенности строения органических веществ; • названия основных органических веществ по систематической номенклатуре; • свойства органических соединений; • основные способы получения органических веществ; • области применения органических веществ в инженерной деятельности; • местонахождение органических веществ в природе; уметь • различать органические вещества основных классов соединений; • составлять формулы органических веществ; • давать названия органическим веществам по систематической номенклатуре; • составлять уравнения реакций получения органических веществ и взаимодействия органических веществ с другими соединениями; • оценивать свойства органических веществ; • выводить формулы органического вещества по объемам, массам или количествам продуктов его сгорания или иной реакции; • находить плотность паров органических веществ по другому веществу; • вычислять массовые доли и (или) массовое отношение элементов в органическом веществе; • выводить формулы органического соединения, записывать его изомеры и гомологи; владеть • основными представлениями о строении органических веществ различных классов (углеводородов, кислородсодержащих и азотсодержащих соединений); • методами определения присутствия веществ того или иного класса; • основными законами и правилами органической химии; • символикой и способами составления уравнений химических реакций; • способами решения задач по расчету объемов, масс и количества вещества; • методами написания химических формул и уравнений; • методикой решения задач. Предисловие
Непредельные углеводороды (алкены, олефины) 5 Глава 1. Электронные эффекты Реакционная способность органических соединений определяется несколькими факторами: а) поляризацией связей, их поляризуемостью (способностью этих частиц приобретать в электрическом поле дипольный момент); б) взаимным влиянием атомов в молекуле. Взаимное влияние атомов в молекуле связано с перераспределением в ней электронной плотности. Различают два механизма электронных смещений в молекуле. 1. Индукционный эффект (понятие индукционного эффекта предложено американским ученым Дж. Льюисом) — это смещение электронной плотности вдоль -связей, вызванное разностью электроотрицательностей атомов (или групп атомов), входящих в молекулу. Этот эффект передается по цепи σ-связей с постепенным затуханием и, как правило, через три-четыре связи уже не проявляется. Например, в молекуле хлорпропана C3H7Cl индукционный эффект увеличивается следующим образом: Clδ- C1 δ+ C2 δ+δ+ C3 δ+δ+δ+. В этом примере электроотрицательный атом хлора, притягивая к себе электронную пару связи Cl C, вызывает дефицит электронов на углеродном атоме, что заставляет смещаться к атому Cδ+ электронную пару следующей связи C1 C2, и т. д. Это способствует появлению недостатка электронной плотности у следующего атома углерода, но уже меньшего по величине, и т. д. В монохлоруксусной кислоте ClCH2CO электрическая асимметрия связи Cl C передается по цепочке вплоть до карбоксильной группы и связи О – Н, вызывая увеличение ее полярности, и следовательно подвижности атома во- дорода, и усиление кислотных свойств: Cl CH2 O H Индукционный эффект может быть положительным и отрицательным. Если заместители имеют высокую электроотрицательность, то появляется отрицательный индукционный эффект (– I). Эти заместители (– Cl, – F, – OH, – NO2, – N+H3 и др.) являются электроноакцепторами.
Глава 1. Заместители — электронодоноры вызывают положительный индукци- онный эффект (+I). Этими заместителями могут быть металлы и алкильные радикалы. При этом +I алкильного радикала возрастает с увеличением длины цепи и степени ее разветвленности: H3C– < H3C–CH2– < CH3–CH2–CH2– < 3 3 CH –C–CH R < 3 3 3 R CH –C–CH CH Индукционный эффект водорода принят равным нулю: X 3 CR ( I) − ≈ 3 H H–CR (I 0) = X ≈ 3 CR ( I) − Заместитель — Заместитель — электроноакцептор электронодонор 2. Мезомерный эффект можно определить как перераспределение элек- тронной плотности путем перекрывания π-электронных облаков с соседними π-, р-электронными облаками и образованием в результате этого общего π-электронного облака. Мезомерный эффект передается по сопряженной си- стеме без затухания. Указанный эффект наблюдается в так называемых сопряженных системах, содержащих π-связи, неподеленные р-электронные пары или – С – Н-связи. Сопряженная система планарна, т. е. в ней р-орбитали соседних ато- мов углерода перпендикулярны плоскости -связей. Рассмотрим молекулу винилхлорида СН2 = СН – Cl, строение которой приведено на рис. 1.1. Поливинилхлорид со временем выделяет винилхлорид. При температуре свыше 80 °С винилхлорид активно выделяется в окружающую среду, пре- вращаясь в ядовитый газ фосген СОCl2. Два атома углерода и атом хлора расположены в одной плоскости под углом 120°. Рис. 1.1.
Электронные эффекты 7 Рис. 1.2. Как следует из рисунка, у винилхлорида полярность ослабевает, у бен- зальдегида усиливается. Контрольные вопросы и задания 1. Охарактеризуйте понятие «индукционный эффект». Как определяют знак индукционного эффекта? 2. Приведите примеры веществ, в которых проявляется положительный и отрицательный индукционный эффект. 3. Расположите вещества в порядке усиления отрицательного индукционного эффекта заместителей: уксусная кислота, хлоруксусная кислота, фтор- уксусная кислота, бромуксусная кислота, иодуксусная кислота. Как изменяются кислотные свойства веществ в этом ряду? 4. Охарактеризуйте понятие «мезомерный эффект». Какие условия должны выполняться, чтобы возник мезомерный эффект? На рисунке рz-орбитали каждого атома перпендикулярны плоскости δ-связей, параллельны между собой и перекрываются не только в месте образования двойной связи, но и между атомами углерода и хлора. На атоме хлора, отдающем свои электроны, возникает частичный положительный заряд, р- и π-электроны делокализуются, и над областью простой связи С – Cl появляется электронная плотность. Мезомерный эффект изображают кривыми стрелками (см. рис. 1.1). Одинарная связь укорачивается, приобретая частично двойной характер, связь С = С становится менее двойной. Электронный мезомерный эффект может быть неполярным (М = 0, рис. 1.2, б), положительным (+М, рис. 1.2, а) отрицательным (–М, рис. 1.2, в).
Глава 1. 5. Укажите, какой вид электронного эффекта характерен для заместите- лей в следующих соединениях: нитроуксусная кислота, пропановая кислота, уксусная кислота, муравьиная кислота, глицин, гликолевая кислота, циан- уксусная кислота. 6. Какие реагенты относят к нуклеофильным? Приведите примеры нейтральных молекул и ионов, проявляющих нуклеофильные свойства. 7. Приведите примеры электрофильных реагентов, имеющих валентную орбиталь, ионов и молекул, содержащих атомы с пониженной электронной плотностью. 8. Что такое карбокатион? Как делокализация заряда влияет на устойчи- вость карбокатионов?
Непредельные углеводороды (алкены, олефины) 9 Глава 2. Предельные углеводороды (алканы, парафины) Общая формула алканов CnH2n+2. Номенклатура Номенклатура представляет собой систему правил, позволяющих дать однозначное название каждому индивидуальному соединению. В настоящее время общепринятой является систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry — Международный союз теоретической и прикладной химии). Первые четыре представителя алканов имеют следующие названия: ме- тан, этан, пропан, бутан. Названия последующих членов ряда начиная с пен- тана образуют из корня, обозначающего количество атомов углерода, с ис- пользованием греческих числительных (до десяти): 1 — моно, 2 — ди, 3 — три, 4 — тетра, 5 — пента, 6 — гекса, 7 — гепта, 8 — окта, 9 — нона, 10 — дека и суффикса -ан: пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декен и т. д. Если необходимо дать название соединению, поступают следующим об- разом: 1) выбирают главную цепь (самую длинную и разветвленную); 2) нумеруют атомы углерода начиная с того конца молекулы, где больше заместителей, чтобы радикалы получили наименьшие номера; 3) заместители называют по старшинству или в алфавитном порядке; 4) затем дают название углеводорода по главной цепи. Например, соединение вида (атомы углерода пронумерованы) 3 2 3 2 3 3 3 1 2 3 4 5 6 CH –CH–CH–CH –CH–CH CH CH CH CH будет называться 2,5-диметил-3-этилгексан. Изомерия Основной вид изомерии алканов — структурная изомерия углеродного скелета.
Глава 2. Бутан и изобутан имеют общую формулу С4Н10, обладают сходными химическими, но различными физическими свойствами. Эти вещества являются газами, однако имеют разные температуры кипения: –0,5 °С и –11,4 °С. Химическое строение бутана и изобутана выглядит следующим образом: Первый изомер (н-бутан) имеет неразветвленную углеродную цепь, второй (изобутан) — разветвленную. Число изомеров алканов возрастает с увеличением углеродной цепи. Строение Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии в sp3-гибридизации. Простейшим представителем и родоначальником простейших углеводородов является метан СН4. Молекула метана имеет тетраэдрическое строение, тип гибридизации — sp3 (рис. 2.1). В процессе образования химических связей облака всех валентных электронов атома углерода выравниваются, становятся одинаковыми. Каждый атом углеродной цепи образует достаточно прочные связи, направленные от атома углерода к углам тетраэдра, т. е. под углом 109°28 друг к другу. Для разрыва одной связи в молекуле метана требуется большое количество энергии — 427·103 Дж/моль. Физические свойства При содержании в молекуле алканов от одного до четырех атомов углерода углеводороды находятся в газообразном состоянии, если атомов углерода 5–17 (нормального, т. е. неразветвленного, строения), — в жидком, если их 18 и более — в твердом. Разветвленные углеводороды имеют более низкие значения температуры кипения. Алканы нерастворимы в воде, однако они хорошо растворяются в органических растворителях и друг в друге. Газообразные алканы не имеют запаха и цвета, они легче воды. Способы получения Существует несколько способов получения алканов. 1. Из природных источников (угля, нефти, газа). Рис. 2.1.
Доступ онлайн
В корзину