04.10.22 г. ВТОРНИК. Гр.508, 408
Здравствуйте, уважаемые студенты, записывайте дату, тему и выполняйте необходимые записи (ВСЁ подряд не пишите, читайте, выбирайте, можно составить план, ЕСЛИ ЕСТЬ ВИДЕО, НАДО ПОСМОТРЕТЬ ,ВЫПОЛНИТЬ ПО НЕМУ ЗАПИСИ, МНОГО НЕ НУЖНО ПИСАТЬ. Материала может быть выложено много, но это не значит, что всё надо записывать!) После этого, сфотографируйте и отошлите мне на почту rimma.lu@gmail.com . Тетрадь привезете, когда перейдем на очную форму обучения.)
Справа находится АХИВ БЛОГА , смотрите дату и номер своей группы.
моя почта : rimma.lu@gmail.com Жду ваши фотоотчеты!
ГРУППА 508 ХИМИЯ 7,8
Тема 7,8 :Классификация органических соединений.
1. КРИТЕРИИ КЛАССИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Классификация по составу
Органические соединения подразделяют по составу на:
— углеводороды – вещества, состоящие только из углерода и водорода;
— кислородсодержащие органические соединения, в состав которых входят атомы углерода, водорода и кислорода;
— азотсодержащие органические соединения – содержат, кроме атомов углерода, водорода (и иногда кислорода) еще и атом азота.
Однако при этом в одну группу кислородсодержащих соединений попадают вещества с очень разными свойствами, такие, например, как уксусная кислота, сахар и целлюлоза.
Классификация по строению
Рис. 1. Классификация по строению
Наиболее полезна для химиков классификация органических веществ по их строению. Рис. 1. Внутри этой классификации существуют признаки, позволяющие наиболее полно охарактеризовать вещества.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ТИПУ СКЕЛЕТА
Первый признак классификации органического соединения по строению – тип скелета молекулы.
Скелет – это последовательность связанных атомов углерода в молекуле, основа структуры органического соединения.
Рис. 2. Разновидности углеродного скелета
Кроме атомов углерода, в состав скелета могут входить и другие атомы, например, O, S, N, если они связаны, по меньшей мере, с двумя атомами углерода.
Например, в диметиловом эфире СН3-О-СН3 атом кислорода включен в скелет молекулы, а в этаноле CH3-CH2-OH – нет. Молекулы, в скелет которых, кроме атомов углерода, входят атомы других элементов, называются гетероатомными(«гетеро-» – лат. «разный»).
Скелет молекулы может быть неразветвленным – все атомы углерода соединены последовательно – и разветвленным. Цепь из атомов углерода может быть замкнутой. Такую замкнутую группу атомов называют циклом. Поэтому скелет молекулы бывает или ациклическим, (т.е. не циклическим) или циклическим. В скелете различают первичный, вторичный, третичный, четвертичный атомы углерода.
Первичным называют атом углерода, связанный только с одним другим атомом углерода, вторичным – с двумя, третичным – с тремя, а четвертичным – с четырьмя другими атомами углерода.
Рис. 3. Наличие кратных связей и бензольных колец
3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО НАЛИЧИЮ КРАТНЫХ СВЯЗЕЙ И БЕНЗОЛЬНЫХ КОЛЕЦ
Второй признак классификации – наличие (или отсутствие) в молекуле кратных связей и бензольных колец. Органические вещества, содержащие только простые (одинарные) связи, называют предельными или насыщенными. Вещества, которые содержат не только простые, но и кратные (двойные или тройные) связи между атомами углерода, называют непредельными или ненасыщенными. На один атом углерода в их молекулах приходится меньшее число атомов водорода, чем у предельных соединений. Если вещество содержит бензольное кольцо, то его принято называть ароматическим соединением. Вещества, в состав которых не входят ароматические группировки, называют алифатическими. Иногда можно встретить устаревшее название алифатических соединений – соединения жирного ряда.
Рис. 4. Классификация по наличию функциональных групп
4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО НАЛИЧИЮ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГРУПП
Третий признак классификации – наличие (или отсутствие) функциональных групп. Производные углеводородов образуются при замещении атома водорода на какой-либо другой атом (Cl, Br) или группировку атомов (OH – гидроксогруппа, NH2 – аминогруппа и т.п.). Такие атом или группировка атомов во многом определяют свойства вещества, и поэтому многие из них называют функциональными группами. По числу функциональных групп в молекуле вещества делят на монофункциональные, полифункциональные (несколько одинаковых групп) и гетерофункциональные (разные функциональные группы).
Вещества, обладающие одинаковыми функциональными группами и (или) одинаковым набором кратных связей, имеют сходные свойства, поэтому их относят к одному классу органических соединений. Например, вещества, содержащие ОН-группу, относятся к классу спиртов. СН3ОН – метиловый спирт, С2Н5ОН – этиловый спирт и т.д.
Вещества, содержащие кратные связи, тоже образуют классы близких по свойствам соединений. Соединения с двойной связью, называются алкенами, с тройной связью – алкинами. Предельные углеводороды, или алканы – это соединения, не содержащие ни кратных связей, ни функциональных групп. Они также составляют отдельный класс органических веществ. Ароматические углеводороды называют аренами.
5. ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ
Ряды веществ с похожими свойствами, состав которых отличается на одну или несколько групп CH2-, называют гомологическими рядами. Члены гомологических рядов по отношению друг к другу – гомологи. По сути, гомологические ряды составляют классы органических соединений. Рис. 5.
|
|
Рис. 5. Примеры гомологических рядов
Гомологи обладают одинаковыми химическими свойствами.
6. ПРИМЕРЫ КЛАССИФИКАЦИИ РАЗНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Данный урок познакомил вас с темой «Классификация органических соединений». Были систематизированы знания учащихся об органических веществах, определены критерии классификации органических соединений. Вы узнали о составлении схемы классификации органических веществ, что такое скелет молекул, как классифицируют вещества по классам и функциональным группам.
ГРУППА 408 ХИМИЯ 9,10
Тема 9: Одноосновные предельные карбоновые кислоты. Строение молекул. Изомерия и номенклатура.
| Карбоновые кислоты – это вещества, в молекулах которых содержится одна или несколько карбоксильных групп СООН. |
Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот: СnH2nO2
Строение, изомерия и гомологический ряд карбоновых кислот
Химические свойства карбоновых кислот
Классификация карбоновых кислот
По числу карбоксильных групп:
- одноосновные карбоновые кислоты — содержат одну карбоксильную группу -СООН. Общая формула CnH2n+1COOH или CnH2nO2.
| Например, уксусная кислота |
- многоосновные карбоновые кислоты — содержат две и более карбоксильные группы СООН. Например, общая формула двухосновных карбоновых кислот CnH2n(СОOH)2 или CnH2n-2O4.
| Например, щавелевая кислота |
Классификация по строению углеводородного радикала
- Предельные карбоновые кислоты – карбоксильная группа СООН соединена с предельным радикалом. Например, этановая кислота СН3–СООН.
- Непредельные карбоновые кислоты – карбоксильная группа СООН соединена с непредельным радикалом. Например, акриловая кислота: СН2=СН–СООН.
- Ароматические кислоты — карбоксильная группа СООН соединена с непредельным радикалом. Например, бензойная кислота: С6Н5СООН.
- Циклические кислоты — карбоксильная группа СООН соединена с углеводородным циклом. Например, циклопропанкарбоновая кислота: С3Н5СООН.
Строение карбоновых кислот
Карбоксильная группа сочетает в себе две функциональные группы – карбонил и гидроксил, взаимно влияющие друг на друга.
| Электроотрицательность кислорода (ЭО = 3,5) больше электроотрицательности водорода (ЭО = 2,1) и углерода (ЭО = 2,4). |
Электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому кислорода.
Атом углерода карбоксильной группы находится в состоянии sp2-гибридизации, образует три σ-связи и одну π-связь.
Водородные связи и физические свойства карбоновых кислот
В жидком состоянии и в растворах молекулы карбоновых кислот образуют межмолекулярные водородные связи. Водородные связи вызывают притяжение и ассоциацию молекул карбоновых кислот.
Молекулы карбоновых кислот с помощью водородных связей соединены в димеры.
Это приводит к увеличению растворимости в воде и высоким температурам кипения низших карбоновых кислот.
С увеличением молекулярной массы растворимость кислот в воде уменьшается.
Номенклатура карбоновых кислот
Предельные одноосновные карбоновые кислоты.
| Тривиальное название | Систематическое название | Название соли и эфира | Формула кислоты |
| Муравьиная | Метановая | Формиат (метаноат) | HCOOH |
| Уксусная | Этановая | Ацетат (этаноат) | CH3COOH |
| Пропионовая | Пропановая | Пропионат (пропаноат) | CH3CH2COOH |
| Масляная | Бутановая | Бутират (бутаноат) | CH3(CH2)2COOH |
| Валериановая | Пентановая | Пентаноат | CH3(CH2)3COOH |
| Капроновая | Гексановая | Гексаноат | CH3(CH2)4COOH |
| Пальмитиновая | Гексадекановая | Пальмитат | С15Н31СООН |
| Стеариновая | Октадекановая | Стеарат | С17Н35СООН |
Таблица. Непредельные одноосновные карбоновые кислоты.
| Тривиальное название | Систематическое название | Название соли и эфира | Формула кислоты |
| Акриловая | Пропеновая | Акрилат | CH2=CH–COOH |
| Метакриловая | 2-Метилпропеновая | Метакрилат | CH2=C(СH3)–COOH |
| Кротоновая | транс-2-Бутеновая | Кротонат | СН3 -CH=CH–COOH |
| Олеиновая | 9- цис-Октадеценовая | Олеат | СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН
|
| Линолевая | 9,12-цис-Октадекадиеновая | Линолеат | СН3(СН2)4(СН=СНСН2)2(СН2)6СООН |
| Линоленовая | 9,12,15-цис-Октадекатриеновая | Линоленоат | СН3СН2(СН=СНСН2)3(СН2)6СООН |
Таблица. Двухосновные карбоновые кислоты.
| Тривиальное название | Систематическое название | Название соли и эфира | Формула кислоты |
| Щавелевая | Этандиовая | Оксалат | НООС – COOH |
| Малоновая | Пропандиовая | Малонат | НООС-СН2-СООН |
| Янтарная | Бутандиовая | Сукцинат | НООС-(СН2)2-СООН |
| Глутаровая | Пентандиовая | Глутарат | НООС-(СН2)3-СООН |
| Адипиновая | Гександиовая | Адипинат | НООС-(СН2)4-СООН |
| Малеиновая | цис-Бутендиовая | Малеинат | цис-НООССН=СНСООН |
| Фумаровая | транс-Бутендиовая | Фумарат | транс-НООССН=СНСООН |
Таблица. Ароматические карбоновые кислоты.
| Тривиальное название | Систематическое название | Название соли и эфира | Формула кислоты |
| Бензойная | Фенилкарбоновая | Бензоат |  |
| Фталевая | Бензол-1,2-дикарбоновая кислота | Фталат |  |
| Изофталевая | Бензол-1,3-дикарбоновая кислота | Изофталат |  |
| Терефталевая | Бензол-1,4-дикарбоновая кислота | Терефталат |  |
Изомерия предельных карбоновых кислот
Структурная изомерия
Для предельных карбоновых кислот характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета и межклассовая изомерия.
Структурные изомеры – это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.
Изомеры углеродного скелета характерна для карбоновых кислот, которые содержат не менее четырех атомов углерода.
| Например. Формуле С4Н8О2 соответствуют бутановая и 2-метилпропановая кислота |
| Бутановая (масляная) кислота | Изомасляная (2-метилпропановая) кислота |
 |  |
Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Карбоновые кислоты изомерны сложным эфирам. Общая формула и спиртов, и простых эфиров — CnH2nО2.
| Например. Межклассовые изомеры с общей формулой С2Н4О2: уксусная кислота СН3–CОOH и метилформиат H–COOCH3 |
| Уксусная кислота | Метиловый эфир муравьиной кислоты |
| СН3–CОOH | HCOOCH3 |
Общую формулу СnH2nO2 могут также иметь многие другие полифункциональные соединения, например: альдегидоспирты, непредельные диолы, циклические простые диэфиры и т.п.
Химические свойства карбоновых кислот
.
Для карбоновых кислот характерны следующие свойства:
|
1. Кислотные свойства
| Кислотные свойства карбоновых кислот возникают из-за смещения электронной плотности к карбонильному атому кислорода и вызванной этим дополнительной (по сравнению со спиртами и фенолами) поляризацией связи О–Н. |
| Карбоновые кислоты – кислоты средней силы. В водном растворе карбоновые кислоты частично диссоциируют на ионы: R–COOH ⇆ R-COO– + H+ |
1.1. Взаимодействие с основаниями
Карбоновые кислоты реагируют с большинством оснований. При взаимодействии карбоновых кислот с основаниями образуются соли карбоновых кислот и вода.
CH3COOH + NaOH = CH3COONa + H2O
Карбоновые кислоты реагируют с щелочами, амфотерными гидроксидами, водным раствором аммиака и нерастворимыми основаниями.
| Например, уксусная кислота растворяет осадок гидроксида меди (II) |
Видеоопыт взаимодействия уксусной кислоты с гидроксидом натрия можно посмотреть здесь.
| Например, уксусная кислота реагирует с водным раствором аммиака с образованием ацетата аммония |
CH3COOH + NH3 = CH3COONH4
1.2. Взаимодействие с металлами
Карбоновые кислоты реагируют с активными металлами. При взаимодействии карбоновых кислот с металлами образуются соли карбоновых кислот и водород.
| Например, уксусная кислота взаимодействует с кальцием с образованием ацетата кальция и водорода. |
Видеоопыт взаимодействия уксусной кислоты с магнием и цинком можно посмотреть здесь.
1.3. Взаимодействие с основными оксидами
Карбоновые кислоты реагируют с основными оксидами с образованием солей карбоновых кислот и воды.
| Например, уксусная кислота взаимодействует с оксидом бария с образованием ацетата бария и воды. |
| Например, уксусная кислота реагирует с оксидом меди (II) |
2СН3СООН + CuO = H2О + ( CH3COO)2 Cu
Видеоопыт взаимодействия уксусной кислоты с оксидом меди (II) можно посмотреть здесь.
1.4. Взаимодействие с с солями более слабых и летучих (или нерастворимых) кислот
Карбоновые кислоты реагируют с солями более слабых, нерастворимых и летучих кислот.
| Например, уксусная кислота растворяет карбонат кальция |
| Качественная реакция на карбоновые кислоты: взаимодействие с содой (гидрокарбонатом натрия) или другими гидрокарбонатами. В результате наблюдается выделение углекислого газа |
2. Реакции замещения группы ОН
| Для карбоновых кислот характерны реакции нуклеофильного замещения группы ОН с образованием функциональных производных карбоновых кислот: сложных эфиров, амидов, ангидридов и галогенангидридов. |
2.1. Образование галогенангидридов
Под действием галогенагидридов минеральных кислот-гидроксидов (пента- или трихлорид фосфора) происходит замещение группы ОН на галоген.
| Например, уксусная кислота реагирует с пентахлоридом фосфора с образованием хлорангидрида уксусной кислоты |
2.2. Взаимодействие с аммиаком
При взаимодействии аммиака с карбоновыми кислотами образуются соли аммония:
При нагревании карбоновые соли аммония разлагаются на амид и воду:
2.3. Этерификация (образование сложных эфиров)
Карбоновые кислоты вступают в реакции с одноатомными и многоатомными спиртами с образованием сложных эфиров.
| Например, этанол реагирует с уксусной кислотой с образованием этилацетата (этилового эфира уксусной кислоты): |
При этом фенол не вступает в реакцию этерификации с карбоновыми кислотами. Сложные эфиры фенола получают косвенными способами.
2.4. Получение ангидридов
С помощью оксида фосфора (V) можно дегидратировать (то есть отщепить воду) карбоновую кислоту – в результате образуется ангидрид карбоновой кислоты.
| Например, при дегидратации уксусной кислоты под действием оксида фосфора образуется ангидрид уксусной кислоты |
3. Замещение атома водорода при атоме углерода, ближайшем к карбоксильной группе
| Карбоксильная группа вызывает дополнительную поляризацию связи С–Н у соседнего с карбоксильной группой атома углерода (α-положение). Поэтому атом водорода в α-положении легче вступает в реакции замещения по углеводородному радикалу. |
В присутствии красного фосфора карбоновые кислоты реагируют с галогенами.
| Например, уксусная кислота реагирует с бромом в присутствии красного фосфора |
4. Свойства муравьиной кислоты
| Особенности свойств муравьиной кислоты обусловлены ее строением, она содержит не только карбоксильную, но и альдегидную группу и проявляет все свойства альдегидов. |
4.1. Окисление аммиачным раствором оксида серебра (I) и гидроксидом меди (II)
Как и альдегиды, муравьиная кислота окисляется аммиачным раствором оксида серебра. При этом образуется осадок из металлического серебра.
При окислении муравьиной кислоты гидроксидом меди (II) образуется осадок оксида меди (I):
4.2. Окисление хлором, бромом и азотной кислотой
Муравьиная кислота окисляется хлором до углекислого газа.
4.3. Окисление перманганатом калия
Муравьиная кислота окисляется перманганатом калия до углекислого газа:
5HCOOH + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 5CO2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O
Видеоопыт взаимодействия муравьиной кислоты с перманганатом калия можно посмотреть здесь.
4.4. Разложение при нагревании
При нагревании под действием серной кислоты муравьиная кислота разлагается с образованием угарного газа:
Видеоопыт разложения муравьиной кислоты
5. Особенности бензойной кислоты
5.1. Разложение при нагревании
При нагревании бензойная кислота разлагается на бензол и углекислый газ:
5.2. Реакции замещения в бензольном кольце
| Карбоксильная группа является электроноакцепторной группой, она уменьшает электронную плотность бензольного кольца и является мета-ориентантом. |
6. Особенности щавелевой кислоты
6.1. Разложение при нагревании
При нагревании щавелевая кислота разлагается на угарный газ и углекислый газ:
6.2. Окисление перманганатом калия
Щавелевая кислота окисляется перманганатом калия до углекислого газа:
7. Особенности непредельных кислот (акриловой и олеиновой)
7.1. Реакции присоединения
Присоединение воды и бромоводорода к акриловой кислоте происходит против правила Марковникова, т.к. карбоксильная группа является электроноакцепторной:
К непредельным кислотам можно присоединять галогены и водород. Например, олеиновая кислота присоединяет водород:
7.2. Окисление непредельных карбоновых кислот
Непредельные кислоты обесцвечивают водный раствор перманганатов. При этом окисляется π-связь и у атомов углерода при двойной связи образуются две гидроксогруппы:
Получение карбоновых кислот
1. Окисление спиртов, алкенов и алкинов
При окислении спиртов, алкенов, алкинов и некоторых других соединений подкисленным раствором перманганата калия образуются карбоновые кислоты.
| Например, при окислении этанола в жестких условиях образуется уксусная кислота |
2. Окисление альдегидов
Альдегиды реагируют с раствором перманганата или дихромата калия в кислой среде при нагревании, а также с гидроксидом меди при нагревании.
| Например, при окислении уксусного альдегида перманганатом калия в серной кислоте образуется уксусная кислота. |
| Например, при окислении альдегидов гидроксидом меди (II) также образуются карбоновые кислоты |
3. Щелочной гидролиз тригалогенидов
Тригалогеналканы, в которых три атома галогена расположены у одного атома углерода, с избытком щелочи образуется соль кислоты. При этом сначала происходит замещение галогенов на группы ОН.
Образуется неустойчивое вещество, которое распадается с отщеплением воды:
Так как щелочь в избытке, то образуется не сама кислота, а её соль:
4. Получение карбоновых кислот из солей
Карбоновые кислоты можно получить из солей действием минеральной кислоты на раствор соли:
| Например, муравьиную кислоту можно получить, подействовав на формиат натрия раствором серной кислоты: |
5. Гидролиз сложных эфиров
Сложные эфиры подвергаются гидролизу в кислой среде при нагревании:
| Например, метилацетат гидролизуется в кислой среде: |
6. Кислотный гидролиз жиров
Под действием кислот жиры гидролизуются до глицерина и карбоновых кислот, которых входили в молекулу жира.
| Например, при гидролизе тристеарата глицерина в кислой среде образуется стеариновая кислота и глицерин |
7. Получение муравьиной кислоты из угарного газа
Соль муравьиной кислоты получают нагреванием оксида углерода (II) с твёрдым гидроксидом натрия под давлением:
8. Каталитическое окисление бутана
Уксусную кислоту в промышленности получают каталитическим окислением бутана:
9. Получение бензойной кислоты
Бензойную кислоту получают окислением гомологов бензола раствором перманганата калия в кислой среде.
| Например, при окислении толуола образуется бензойная кислота: |
10. Взаимодействие реактива Гриньяра с углекислым газом
При взаимодействии реактивов Гриньяра (алкилгалогенидов магния) с углекислым газом и последующем гидролизе образовавшегося промежуточного продукта образуется карбоновая кислота.
