Органическая химия Макарова Н.А

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Органическая химия

Учебное пособие

Краснодар

2013

УДК 547 (075) ББК 24.2

М-15

Рецензенты:

С.П. Доценко — д-р хим. наук, профессор (КубГАУ) В.Д. Стрелков — д-р хим. наук, профессор (КубГУ)

Автор-составитель: ст. преподаватель Макарова Н.А. М-15 Органическая химия: учеб. пособие / сост. Н.А. Макаро-

ва. — Краснодар: КубГАУ, 2013. — 204 с.

Учебное пособие подготовлено в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и предназначено для студентов-бакалавров факультета перерабатывающих технологий. В издании объединены теоретический курс по органической химии, лабораторный практикум, вопросы и задания для контроля самостоятельной работы. Изложены современные представления по основным разделам всех рассматриваемых классов соединений алифатического, ароматического и гетероциклического рядов. Теоретический и экспериментальный материал отобран с учетом профессиональной направленности подготовки студентов.

УДК 547 (075)

ББК 24.2

© Макарова Н.А., 2013 © ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный

аграрный университет», 2013

2

Введение

Учебное пособие подготовлено на базе примерной программы дисциплины «Органическая химия» и в соответствии с требованиями федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлениям подготовки: 260100 «Продукты питания из растительного сырья», 260200 «Продукты питания из животного сырья», 110900 «Технология производства и переработки с-х продукции» и 221700 «Стандартизация и метрология» (квалификация (степень) «бакалавр»).

Курс органической химии для студентов факультета перерабатывающих технологий является базовым для изучения многих последующих дисциплин, таких как пищевая химия, микробиология, биохимия, технология хранения и стандартизации растениеводческой и животноводческой продукций.

Знание основ органической химии позволяет понять свойства, условия применения и хранения многочисленных органических веществ, в том числе и пищевых продуктов. Закономерности превращений органических соединений определяют сложнейшие химические и биохимические процессы человеческого организма и всего окружающего нас мира.

Многие органические соединения уже давно нашли применение в пищевой промышленности. Одни из них придают пище более привлекательный вид, другие – приятный запах, третьи – вкус. Изучение курса органической химии необходимо для понимания физико-химической сущности технологических процессов пищевой и перерабатывающей промышленности.

Учебное пособие состоит из теоретического курса и лабораторного практикума. В нем рассмотрены теоретические понятия: представления об электронном строении и виды гибридизации атома углерода, типы химических связей в молекулах органических соединений, взаимное влияние атомов в молекуле, основные механизмы и типы органических реакций, некоторые вопросы стереостроения молекул. Материал представлен по классам органических соединений алифатического, ароматического и гетероциклического рядов.

3

На изучение дисциплины отводится 144 часа, из них аудиторных занятий лишь 68, при этом наблюдается устойчивая тенденция к снижению количества аудиторных часов, следовательно, увеличивается количество часов самостоятельной работы студентов по предмету. Самостоятельная работа должна присутствовать во всех видах учебной деятельности, основным из которых является самостоятельное изучение теоретической части рабочей программы. Вопросы и упражнения после каждого раздела дают возможность проконтролировать правильность освоения данной темы. Результатом ее освоения является выполнение индивидуальных заданий, которые включают фрагмент рабочей программы, посвященный изучаемому классу (или классам) органических соединений, основные понятия, термины, определения, которыми должен оперировать студент, и набор вопросов и упражнений.

Автор будет благодарен всем, кто сочтет целесообразным высказать замечания и пожелания по содержанию учебного пособия.

4

ГЛАВА 1 Основы строения органических соединений

1.1 Предмет, пути развития и значение органической химии

Органическая химия — наука, всесторонне изучающая органические соединения. Органическими принято считать соединения углерода, углеводороды и их производные, в состав которых может входить практически любой химический элемент, чаще всего это так называемые элементы — органогены (кислород, сера, азот, фосфор).

С древних времен человек использовал вещества животного и растительного происхождения: жиры, масла, крахмал, сахар и многие другие вещества. Они использовались в качестве пищи, лекарственных средств, красителей, материала для изготовления одежды и предметов быта. Знакомы были и некоторые методы переработки природных веществ: перегонка, варка мыла, изготовление пива.

До конца XVIII века был накоплен большой фактический материал по веществам, выделенным из продуктов жизнедеятельности растительных и животных организмов, их стали называть органическими веществами. А термин «органическая химия» стал использоваться с начала XIX века по предложению Й.Я. Берцелиуса, который считал, что органические вещества образуются только в организмах при участии некой «жизненной силы» и что получить органические вещества путем синтеза невозможно. Эта теория получила название ”теория витализма” и долгое время не предпринималось никаких попыток синтеза органических веществ.

Шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848) увлекся химией только в двадцатилетнем возрасте, но уже в 29 лет был избран членом Шведской королевской Академии наук, а двумя годами позже - ее президентом. Он открыл три новых химических элемента (церий Ce, торий Th и селен Se), впервые выделил в свободном состоянии кремний Si, титан Ti, тантал Ta и цирконий Zr. Много занимался теоретической химией, составлял ежегодные обзоры успехов физических и химических наук, был автором самого популярного в те годы пятитомного учебника химии. Ввел в химический обиход удобные современные обозначения элементов и химические формулы.

5

Однако в 1828 году немецкий химик Ф. Вѐлер успешно синтезировал из н е о р г а н и ч е с к о г о в е щ е с т в а (цианата аммония) о р - г а н и ч е с к о е с о е д и н е н и е — мочевину:

С этого момента начинается развитие органического синтеза: в 1842 году Н.Н. Зинин синтезировал анилин, в 1845 г. А. Кольбе — уксусную кислоту, в 1854 г. М. Бертло — жироподобное вещество, в 1861 г. А.М. Бутлеров синтезировал первое сахаристое вещество.

На сегодняшний день органическая химия достигла огромных успехов в изучении состава и в переработке каменного угля, нефти и природного газа. Таким образом, она тесно связана с угольной, нефтяной и газовой отраслями промышленности, обеспечивающими с одной стороны, получение различных видов топлива, с другой — получение сырья для синтеза множества других органических веществ.

Благодаря многообразию и огромному числу органических соединений, органическая химия — это химия лекарственных веществ, пластических масс (пластмасс) и синтетических волокон, лаков, красителей, пестицидов, витаминов, ферментов и различных химических реактивов.

1.2 Теория строения органических соединений

Систематическое изучение органических соединений началось во второй половине восемнадцатого века, к середине девятнадцатого века накоплен большой экспериментальный материал, появляются первые теории строения органических соединений: теория радикалов, теория типов, понятие валентности.

Теория строения представляет собой ряд положений о том, каким образом атомы образуют молекулы. Она объясняет порядок связей атомов друг с другом, описывает форму и размер молекулы.

6

Одной из первых была теория радикалов (Ж.Дюма, Ю.Либих), согласно ей существовали неделимые частицы (радикалы), которые не изменялись в ходе химических превращений.

Однако вскоре было установлено, что в органических радикалах атомы водорода могут замещаться даже на такие отличные от водорода по химической природе атомы, как атомы хлора, и при этом тип химического соединения сохраняется.

Теорию радикалов сменила охватывающая больший экспериментальный материал теория типов (О.Лоран, Ш.Жерар, Ж.Дюма). Теория типов классифицировала органические вещества по типам превращений. К типу водорода относили углеводороды, к типу хлороводорода – галогенопроизводные, к типу воды – спирты, эфиры, кислоты и их ангидриды, к типу аммиака – амины.

Однако накапливающийся огромный экспериментальный материал уже не укладывался в известные типы. Развитие науки требовало создания новой, более прогрессивной теории, для рождения которой уже существовали некоторые предпосылки: установлена четырехвалентность углерода (А.Кекуле, А.Кольбе, 1857 год), показана способность атома углерода соединяться в цепи атомов (А.Кекуле, А.Купер, 1857 год). Ни одна из ранних теорий не была всеобщей. И лишь А. М. Бутлерову удалось создать такую логически завершенную теорию строения.

Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886). В 1844 году посту-

пил в Казанский университет, ученик Н.Н. Зинина. В 1851 защитил магистерскую диссертацию, а в 1854 году - докторскую. Впервые синтезировал уротропин, сахаристое вещество состава C6H12O6. В 1861 году выступил с докладом "О химическом строении вещества". На основании теории объяснил явление изомерии. С 1868 до 1885 г. Бутлеров работает на кафедре органической химии в Петербургском университете. С 1874 г. академик Петербургской академии наук.

7

В 1861 г. А.М. Бутлеровым была предложена теория строения органических соединений, основные положения которой используются до сих пор:

1. Атомы в молекуле связаны друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Изменение последовательности расположения атомов приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

Например: брутто-формуле С2Н6О отвечают два разных соединения

2.Свойства веществ зависят от их химического строения. Химическое строение – это определенный порядок в чередовании атомов

вмолекуле, взаимодействие и взаимное влияние атомов друг на друга – как соседних, так и через другие атомы. В результате каждое вещество имеет свои особые физические и химические свойства.

Например:

диметиловый эфир – это газ без запаха, нерастворимый в воде, t°пл. = ―138,5 °C, t°кип. = ― 24,9 °C;

этиловый спирт – жидкость с характерным запахом, раствори-

мая в воде, t°пл.= ― 114,15 °C, t°кип. = 78,39 °C.

3.Изучение свойств веществ позволяет определить их химическое строение, а химическое строение веществ определяет их физические и химические свойства.

Из теории Бутлерова вытекает несколько следствий:

1.Для каждого органического соединения существует только одна структурная формула.

2.Построение структурной формулы осуществляют, основываясь на основных свойствах углерода: четырехвалентность, способность образовывать двойные и тройные связи, соединяться в цепи, образовывать циклы.

Теория химического строения А.М. Бутлерова систематизировала все накопленные сведения об органических веществах, объяснила причины их многообразия, сделала синтез и изучение новых соединений целенаправленным. Успехи в синтезе органических со-

8

единений позволили М. Бертло заявить: «Химия создала свой предмет. Эта творческая способность, подобная искусству, коренным образом отличает химию от остальных естественных и гуманитарных наук». В дальнейшем развитии и обосновании теории строения органических соединений большую роль сыграли последователи А.М.Бутлерова ― В.В.Марковников, Е.Е.Вагнер, Н.Д.Зелинский, А.Н.Несмеянов и другие химики.

Развитие органического синтеза привело к значительным успехам в получении миллионов органических соединений: антибиотиков, разнообразных лекарственных средств, химических волокон, синтетических каучуков, лаков, полимеров. В XX веке многие разделы органической химии стали превращаться в самостоятельные научные дисциплины со своими объектами изучения: химия элементоорганических соединений, биохимия, химия высокомолекулярных соединений, химия антибиотиков, красителей, душистых соединений, фармакологическая химия и другие.

Пользуясь методами органической химии, удалось установить структуру белков, нуклеиновых кислот и других сложных природных соединений, синтезировать витамины, некоторые гормоны, ферменты. С химической точки зрения изучена гормональная функция организма, механизм передачи нервных импульсов.

Современный период развития органической химии в области теории характеризуется возросшей ролью методов квантовой механики, применяемых для изучения молекулярных систем из сотен атомов, получая описание их строения и реакционной способности с «химической точностью», что позволяет повысить эффективность исследований и разработок за счет более целенаправленного планирования экспериментов и сужения круга изучаемых объектов.

Новые исследовательские возможности открыли для химиковоргаников перспективы перехода от изучения отдельных молекул к созданию и исследованию сложно организованных супрамолекулярных структур. Способность таких ансамблей к самоорганизации, саморегуляции и репликации приближает их к биологически системам.

9

1.3 Типы гибридизации атома углерода

Согласно распределению электронов на внешнем электронном уровне, 1s22s22p2, углерод должен был бы проявлять валентность, равную двум, однако в большинстве своих соединений он четырехвалентен – образует четыре ковалентные связи. Это объясняется тем, что при затрате некоторой энергии происходит "расспаривание" 2sэлектронов: один из них переходит на свободную орбиталь подуровня 2p, и атом переходит в возбужденное состояние (1s22s12p3), или графически:

а б Рисунок 1 — Распределение внешних электронов атома углерода:

а — нормальное состояние; б — возбужденное состояние

Таким образом, у атома углерода четыре валентных электрона. Состояние их не одинаково. Один из них (s- электрон), двигаясь вокруг ядра, образует шаровое облако (рис.2), подобное облаку электрона в атоме водорода (s-состояние электрона). Облака трех

Рисунок 2 — Орбитали атома углерода:

а, б, в — негибридизованные 2р(x y z); г — негибридизованные 2s; д — орбитали атома углерода в состоянии sp3-гибридизации

10