МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ- Орг. химия-Часть 1

УДК 547

ББК 24.2 Р59

Рецензенты: кандидат химических наук, доцент кафедры ХТВМС МГУП О. М. Баранов; кандидат химических наук, доцент кафедры химии Могилевского государственного университета им. А.А.

Кулешова А. Я. Гузиков

Рекомендовано кафедрой химической технологии высокомолекулярных соединений МГУП

Утверждено научно-методическим советом МГУП

Роганов, Г. Н.

Р59 Органическая химия : учеб.-метод. пособие : в 2 ч. / Г. Н. Роганов. – Могилев : МГУП, 2013. – Ч. 1. – 146 с.

ISBN 978-985-6979-70-8 (Ч. 1). ISBN 978-985-6979-69-2.

В учебном пособии с позиций современной теории строения органических соединений систематически излагаются основы органической химии. Предназначается для студентов технологических специальностей пищевой промышленности.

Содержание

ЧАСТЬ 2

Предисловие

5КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

5.1 Алифатические карбоновые кислоты

5.1.1 Одноосновные насыщенные кислоты

5.1.2 Одноосновные ненасыщенные кислоты.

5.1.3 Двухосновные насыщенные кислоты

5.1.4 Двухосновные ненасыщенные кислоты

5.2 Ароматические карбоновые кислоты

6ЖИРЫ

7АМИНЫ

7.1 Алифатические амины

7.2 Ароматические амины

8АРОМАТИЧЕСКИЕ ДИАЗО- И АЗОСОЕДИНЕНИЯ, КРАСИТЕЛИ

9ГИДРОКСИКИСЛОТЫ

9.1 Алифатические гидроксикислоты

9.2 Оптическая изомерия органических соединений

9.3 Ароматические гидроксикислоты (фенолокислоты)

10АМИНОКИСЛОТЫ, ПОЛИПЕПТИДЫ…

10.1 Аминокислоты

10.2 Полипептиды

11АЛЬДЕГИДО- И КЕТОКИСЛОТЫ

12УГЛЕВОДЫ

12.1 Моносахариды

12.2 Дисахариды

12.3 Полисахариды

13ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

13.1 Пятичленные гетероциклические соединения

13.2 Шестичленные гетероциклические соединения

14ТЕРПЕНЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Учебно-методические материалы для самостоятельной работы студентов ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Модульно-рейтинговая система аттестации студентов по органической химии

4

Предисловие

Впредлагаемом учебном пособии изложены основы органической химии. Содержание и объем материала соответствуют программе и учебному плану по органической химии для подготовки студентов инженерно-технологических специальностей пищевой промышленности. Основу содержания учебного пособия составляет курс лекций по дисциплине «Органическая химия», который читается в УО МГУП уже много лет.

Курс излагается на основе современных теоретических представлений о связи строения со свойствами органических соединений, демонстрации и интерпретации общих закономерностей протекания их превращений.

Усилены разделы, в которых рассматриваются соединения, составляющие основную массу органической части перерабатываемого пищевого сырья и готовой продукции, а также соединения, обеспечивающие жизнедеятельность живых и растительных организмов (карбоновые кислоты, жиры, углеводы, аминокислоты, полипептиды, гетероциклические соединения, терпены и др.).

Поскольку в соответствии с учебным планом органическая химия изучается два семестра студентами всех форм обучения, конспект лекций состоит их двух частей. В первую часть входят более простые монофункциональные соединения, во вторую – преимущественно полифункциональные биоорганические соединения.

Вприложениях дается перечень сопряженных с содержанием пособия методических материалов для самостоятельной работы студентов, подготовленных преподавателями кафедры ХТВМС, и описание модульно-рейтинговой системы аттестации студентов дневного отделения по органической химии, используемой на кафедре.

Автор весьма признателен коллегам и рецензентам за плодотворное обсуждение содержания некоторых разделов, а также сотрудникам кафедры и редакционного отдела за существенную помощь

втехнической подготовке текста пособия.

Автор готов рассмотреть все замечания и предложения, которые позволят улучшить содержание учебного пособия и тем самым повысить эффективность обучения.

5

ВВЕДЕНИЕ

Предмет органической химии

Основным объектом изучения химии являются химические соединения и их превращения.

Ранее в курсах общей и неорганический химии уже состоялось знакомство с основополагающими и всеобщими законами химии, которые определяют само существование химических соединений и протекание реакций между ними. Изучались также свойства и превращения соединений, которые составлены из элементов, входящих в периодическую таблицу Д.И. Менделеева. Эти соединения были названы неорганическими.

Органическая химия – это обособленный раздел химической науки. Она изучает углеводороды и их производные, т. е. – соединения углерода с другими элементами, чаще всего с водородом, кислородом, азотом, серой, фосфором и галогенами. Такая приверженность одному элементу, углероду, обусловлена способностью углеродных атомов образовывать четыре ковалентные, а также кратные связи с атомами углерода и другими элементами, и склонностью

соединяться в прямые и разветвленные цепи, которые могут включать от двух до нескольких тысяч атомов углерода. В настоящее время известно более 15 миллионов органических соединений, что больше чем на порядок превосходит число соединений всех других элементов. Но даже эта цифра не ограничивает возможности «конструирования» новых органических молекул.

Превращения органических соединений управляются общими законами химии, но имеются также специфические закономерности, характерные только для органических веществ. Органическая химия изучает более высокоорганизованную материю, чем неорганическая химия. Органические соединения появились во Вселенной позже неорганических, они являются носителями жизнедеятельности организма человека, животных, растений. Органические вещества составляют основу многих важнейших отраслей химической промышленности: нефтехимии, пластических масс, синтетического каучука, моторного топлива, смазочных материалов, лаков, красок, медикаментов, взрывчатых веществ, текстильных, кожевенных и пищевых материалов и других отраслей.

Некоторые природные органические соединения и полученные из них продукты люди использовали еще в древние времена. Например, спиртные напитки (вино, пиво, «мѐд»), уксус, органические красители (пурпур, индиго, ализарин), эфирные масла, сахар (тростник) и другие. Первым методом переработки природных веществ была перегонка,

6

которая позволила выделить и получить целый ряд индивидуальных веществ. После открытия во второй половине XVIII века Ломоносовым и Лавуазье закона сохранения вещества в химию вошѐл химический анализ. Прогресс в области анализа способствовал совершенствованию методов очистки органических соединений. В первой половине XIX века органическая химия выделилась в самостоятельную дисциплину. Многие ученые тогда полагали, что органические вещества возникают только в живом организме под влиянием особой «жизненной силы». Этот взгляд на происхождение органических веществ получил название витализма. Однако в 1824 году немецкий химик Вѐлер получил из неорганических веществ щавелевую кислоту, а в 1828 году – мочевину. Далее русский ученый Н.Н.Зинин синтезировал анилин (1842 г.), в 1845 г. немец Кольбе

– жиры, в 1861г. А.М.Бутлеров – первое сахаристое вещество. Успешно развивающийся начиная с первой половины XIX века органический синтез навсегда покончил с витализмом.

Строение и реакционная способность органических соединений

Исторически первой системой взглядов в области органической химии явилась теория радикалов (Дюма, Либих, Берцелиус). Согласно этой теории многие превращения органических соединений протекают так, что остаток, состоящий из нескольких атомов, не изменяясь, переходит из одного органического соединения в другое. Эти группы атомов и были названы «радикалами». Однако вскоре было установлено, что атомы водорода в радикалах могут быть заменены на другие, например, атомы хлора. Таким образом, неизменность радикала нарушилась.

Теория типов, высказанная в 1853 г. французским химиком Ш. Жераром, рассматривала изменения, которые претерпевают органические соединения. В согласии с этой теорией органические соединения реагируют подобно простым неорганическим веществам, которые являются типами. Так к типу водорода относятся углеводороды,

к типу хлористого водорода – галогенпроизводные, к типу воды –

спирты, кислоты, эфиры и т.д.

Теория типов, хотя и с трудом, позволила классифицировать большой фактический материал, накопленный органической химией к этому времени. Но она не могла помочь в познании строения и путей синтеза органических соединений.

Важными вехами в развитии теоретических представлений в органической химии явилось установление четырехвалентности углерода немецкими учеными Кекуле и Кольбе (1857 г.) и способности углерода образовывать цепочки атомов (Кекуле и Купер, 1857 г.) Осново-

7

полагающей явилась теория химического строения органических соединений Александра Михайловича Бутлерова (1861г.). Сущность

этой теории заключается в трех основных положениях:

1)все химические вещества имеют строго определенное химическое строение, то есть строго определенный порядок чередования атомов в молекуле, определенную закономерность во влиянии атомов друг на друга;

2)химическое строение веществ определяет их физические и химические свойства;

3)изучение свойств веществ позволяет определить их химическое строение.

Теория химического строения позволила классифицировать весь накопившийся экспериментальный материал, предсказала возможное число органических соединений одного определенного состава (изомерия) и пути их синтеза. В XX веке она получила обоснование с позиций квантовой механики. Позднее (1877 г.) теория строения была

дополнена Вант-Гоффом и Ле Белем теорией пространственного расположения атомов в молекулах – стереохимической теорией.

Создание теории химического строения способствовало бурному развитию органической химии и в последней четверти XIX века она приняла современный вид.

Прежде чем переходить к рассмотрению свойств органических соединений определенных классов, необходимо рассмотреть несколько общих вопросов, касающихся строения, методов исследования и классификации органических соединений.

Согласно теории химического строения каждое вещество должно иметь одно определенное химическое строение. В то же время одной молекулярной формуле может соответствовать несколько веществ – столько, сколько можно построить из данного количества атомов, учитывая правила валентности.

Вещества, тождественные по составу, но различающиеся по химическому строению, называются изомерами. Примеры изомеров

С4Н10 и С4Н10О:

8

С4Н10О

CH3

метилизопропиловый эфир

2-метилпропанол-1

CH3

H3C C CH3

OH

2-метилпропанол-2

Изомеры различаются по своим свойствам и могут принадлежать к различным классам органических соединений.

Химические свойства органических соединений зависят от природы составляющих еѐ атомов и от их взаимного расположения.

Естественно, атомы в молекулах меняют свое состояние и влияют друг на друга. Наиболее сильно взаимодействуют, конечно, атомы, образующие непосредственную связь между собой. Но и атомы, не связанные непосредственно, взаимно влияют друг на друга через другие атомы по цепочке (поляризация) или через окружающее пространство (эффект поля). Взаимное влияние непосредственно связанных между собой атомов зависит, в первую очередь, от их природы и характера связи между ними. Различают два основных вида связей – ковалентную

9

и электровалентную, или ионную. Ковалентная связь возникает при обобщении неспаренных валентных электронов с разными спинами, электровалентная – при передаче неспаренного электрона одного атома

другому с образованием ионов, которые взаимно притягиваются. А + В→ А В А + В→А++ В

Одним из вариантов ковалентной связи является координационная, когда атомы объединяют пару электронов одного из них.

Разновидностью координационной связи является связь семиполярная. В этом случае атом-донор заряжается положительно,

атом-акцептор – отрицательно:

А +В→ А+ В (А→В)

В органических соединениях встречается преимущественно ковалентная связь. Поскольку углерод четырехвалентен, для каждого органического соединения можно записать так называемую октетную формулу. В этих формулах учитываются только внешние валентные электроны как участвующие, так и не участвующие в связи.

Черточка при написании структурной формулы заменяет пару электронов (Купер). Октетными формулами мы будем пользоваться в дальнейшем. Они помогают понять строение и химизм реакций органических соединений.

10