Часть 3. Органическая химия

Теории строения органических соединений

Предмет органической химии. Основные положения теории химического строения Д.М.Бутлерова. Особенности строения органических веществ и протекания органических реакций.

Теория электронных смещений, индукционный, мезомерный эффекты. Заместители, вызывающие положительный и отрицательный индукционный и мезомерный эффекты. Влияние электронных эффектов на физико-химические свойства соединений.

Методы исследования органических соединений

Анализ органических соединений: вывод эмпирической формулы, определение молекулярной формулы. Понятие о современных физико-химических методах определения строения органических соединений.

Изомерия

Виды структурной изомерии: изомерия углеродного скелета, изомерия положения функциональных групп, таутомерия.

Виды пространственной изомерии: геометрическая (цис- и транс-), оптическая и поворотная (конформационная). Примеры.

Алифатические соединения

Алканы: гомологический ряд, изомерия, номенклатура. Методы получения алканов: а) без изменения углеродного скелета; б) с изменением углеродного скелета; в) декарбоксилированием натриевых солей карбоновых кислот; г) электрохимический синтез Кольбе. Химические свойства алканов: реакции замещения (галогенирование, реакция Коновалова). Радикальный механизм. Реакции изомеризации, окисления. Крекинг алканов.

Алкены, гомологический ряд, изомерия и номенклатура. Электронное строение этиленовых углеводородов. Цис-и транс-изомерия. Методы получения алкенов. Химические свойства: реакции присоединения, полимеризации, окисления, замещения, изомеризации. Электрофильный механизм реакций присоединения. Правило Марковникова и его нарушение. Качественные реакции на кратные связи. Полимеризация алкенов. Полиэтилен высокого и низкого давления. Механизмы реакций полимеризации. Свойства полиэтилена, полипропилена, полиизобутилена и их практическое использование.

Алкины, гомологический ряд, изомерия, номенклатура, электронное строение и геометрия ацетиленовых углеводородов. Химические свойства: кислотность, галогенирование, гидрогалогенирование. Гидратация. Механизм реакции Кучерова. Способы получения ацетилена.

Диеновые углеводороды с сопряженными связями. Современные представления о строении алкадиенов с сопряженными двойными связями. Конфигурация молекулы 1, 3-бутадиена. Химические свойства: 1, 2 и 1, 4 -присоединение. Химизм способов синтеза 1, 3-6утадиена и изопрена.

Каучуки. Натуральный и синтетические каучуки. Строение натурального каучука. Цис- и транс-изомеризация. Бутадиеновый, изопреновый, хлоропреновый, бутадиен-стирольный каучуки. Вулканизация каучука.

Арены

Ароматичность. Ароматические углеводороды бензольного ряда. Современные представления о строении бензола. Химические свойства: реакции замещения, присоединения. Способы получения бензола, его гомологов.

Монозамещенные производные бензола. Индукционный и мезомерный эффекты электродонорных и электроакцепторных заместителей. Правила ориентации для реакций электрофильного замещения.

Ароматические нитросоединения. Строение нитрогруппы. Нитробензол, получение. Механизм реакции нитрования, катион нитрония. Нитрующая смесь. Тринитротолуол.

Ароматические аминосоединения Анилин: строение, физические и химические свойства, получение. Взаимное влияние функциональных групп.

Функциональные производные углеводородов

Галогенпроизводные углеводородов. Получение галогенпроизводных из алканов и спиртов, этиленовых углеводородов. Механизмы реакций. Взаимодействие галогеналканов с металлами (натрием, литием, цинком, магнием).

Галогенопроизводные ароматического ряда. Введение галогена в ядро, механизм замещения. Радикальный цепной механизм реакции галогенирования в боковую цепь. Отличие реакционной способности галогена, в ядре и боковой цепи в молекулах хлорбензола и хлористого бензила.

Спирты: строение, изомерия, номенклатура. Физические и химические свойства. Кислотно-основные свойства первичных, вторичных» третичных, одно- и многоатомных спиртов. Дегидратация. Окисление. Способы получения из карбонильных соединений, с использованием магнийорганических соединений, из сложных эфиров, из непредельных углеводородов.

Фенолы. Строение. Взаимное влияние атомов. Физические и химичечские свойства. Сравнение кислотных свойств алифатических спиртов и фенолов.

Альдегиды и, кетоны. Электронное строение карбонильной группы. Сравнительная оценка химических свойств альдегидов и кетонов: окисление, восстановление, реакции нуклеофильного присоединения (А_N), полимеризации. Качественные реакции. Получение: окислением спиртов и карбоновых кислот и солей; из дихлорпроизводных, по реакции Кучерова.

Карбоновые кислоты. Карбоксильная группа, ее электронное строение. Химические свойства карбоновых кислот. Подвижность a-водородного атома.

Способы получения и химические свойства простых и сложных эфиров

Электронное строение производных карбоновых кислот (M-, I-эффекты). Получение, свойства хлорангидридов и амидов кислот. Их применение в реакциях ацилирования спиртов и аминов.

Гетерофункциональные соединения.

Оксикислоты. Оптическая изомерия и оптическая активность. Антиподы. Диастереоизомеры. Проекционные формулы. Особенности химических свойств оксикислот.

Жиры (триглицериды). Их строение, состав. Химические свойства: гидролиз жиров, гидрирование, ацидолиз, алкоголиз, йодирование. Гидрогенизация жиров. Биологическое значение жиров.

Непредельные кислоты: олеиновая, линолевая, линоленовая. Свойства и значение для процесса жизнедеятельности. Мыла.

Углеводы. Классификация. Моносахариды. Формулы Фишера и Хеуорса. Карбонильные и циклические (a- и b-) формы моносахаридов. Рацематы. Кольчато-цепная таутомерия.

Реакции открытых и циклических форм моносахаридов. Важнейшие представители моносахаридов и способы их получения.

Два типа дисахаридов (на примере мальтозы и сахарозы), различие в их химических свойствах. Биологическое, значение.

Амины. Получение, химические свойства. Аминокислоты. Классификация. Строение. Химические свойства аминокислот.

Гетероциклические соединения

Пяти- и шестичленные гетероциклы (фуран, пиррол, пиридин, пиримидин, пурин): их электронное строение. Сравнение реакционной способности в реакциях электрофильного замещения бензола, пиридина и пиррола. Реакции S_E и S_N пиридина.

Высокомолекулярные соединения

Природные полимеры. Высшие полисахариды. Общая характеристика. Крахмал, гликоген, целлюлоза, их строение. Кислотный и ферментативный гидролиз крахмала (промежуточные и конечные продукты). Гидролиз целлюлозы и его значение.

Важнейшие производные целлюлозы: динитраты, ди-, триацетаты, их применение для получения пластмасс, искусственных волокон. Ацетатное и вискозное волокно.

Пептиды. Белки. Первичная и вторичная структура. Гидролиз, денатурация белков. Качественные реакции на аминокислоты и белки.

Пиримидиновые и пуриновые основания. Нуклеотиды и нуклеозиды. Их строение. Нуклеиновые кислоты.

Синтетические высокомолекулярные соединения. Способы получения. Общее и различия в реакциях полимеризации и поликонденсации. Фенопласты. Аминопласты. Полиуретаны.

Карбоцепные и гетероцепные высокомолекулярные соединения. Синтетические волокна: капрон, лавсан, полиакрилонитрильные волокна.

1.3. Вопросы к ИГЭ по химии:

1. Уровни организации вещества – атомные и молекулярные частицы, уровень наночастиц, ассоциаты, конденсированная фаза, агрегаты. Связь строения с химическими свойствами неорганических веществ.

2. Стехиометрические законы постоянства состава и эквивалентов и границы их применимости. Дальтониды и бертоллиды. Соотношение между эквивалентом и молекулой или формульной единицей. Расчёты с использованием молярных масс реальных веществ и эквивалентов, молярных и эквивалентных объёмов.

3. Тепловые эффекты химических реакций. Энтальпия и теплота образования химических соединений. Энтропия химических систем. Энергия Гиббса. Использование термодинамических параметров DHº ₂₉₈, Sº ₂₉₈, DGº ₂₉₈, окислительно-восстановительных потенциалов Eº 298 для расчётов окислительно-восстановительных равновесий химических систем в газовой, твердой фазе и водных растворах.

4. Основные положения квантово-механической теории строения атомных частиц. Атом водорода. Принцип неопределённости Гейзенберга. Квантовые числа как параметры, определяющие волновую функцию. Атомные орбитали (АО). Основное и возбужденное состояние. Порядок заполнения атомных орбиталей в многоэлектронных атомах.

5. Периодический закон Д.И.Менделеева с точки зрения строения электронного строения атомов. Современная формулировка периодического закона. Особенности электронных конфигураций элементов главных и побочных подгрупп короткопериодного варианта периодической системы. Принципы построения длиннопериодной системы элементов. Сравнительный анализ короткопериодного и длиннопериодного вариантов периодической таблицы элементов

6. Электроотрицательность как важная характеристика связанных атомов. Периодически и не периодически меняющиеся свойства элементов и образованных ими простых и сложных веществ. Характер их изменения в главных и побочных подгруппах короткопериодной периодической системы. Вторичная периодичность и диагональное сходство.

7. Классификация типов химической связи. Ведущие идеи образования химической связи для ковалентной, ионной, металлической и водородной моделей связи. Методы описания ковалентной связи: метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО). Их сравнительная характеристика.

8. Основные положения метода валентных связей. Механизмы образования ковалентной связи. Свойства ковалентной связи: насыщаемость, направленность, поляризуемость. Делокализация p-связи. Гипотеза о гибридизации АО. Типы гибридизации, форма гибридных облаков. Электроотрицательность атомов углерода в разных гибридных состояниях. Теория отталкивания электронных пар Гиллеспи. Границы допустимости модели гибридизации АО и теории Гиллеспи.

9. Основные положения метода молекулярных орбиталей» Метод ЛКАО МО. Принципы заполнения молекулярных орбиталей. Электронные формулы и диаграммы двухатомных молекулярных частиц (молекул, катионов, анионов), образованных элементами I и II периодов.

10. Классификация химических реакций: а) по направлению реакций; б) по типу разрыва ковалентной связи или по характеру реагирующих частиц; в) по количеству молекул, участвующих в стадии, определяющей скорость реакций (молекулярности). Порядки реакций.

11. Скорость химической реакции. Закон действия масс. Истинные и феменологические порядки реакции. Константа скорости реакции. Влияние температуры на скорость реакции (уравнение Аррениуса). Механизм действия катализаторов и ингибиторов. Понятие химического равновесия. Принцип Ле-Шателье.

12. Фотохимическая, термическая, электролитическая диссоциация. Степень и константа диссоциации. Коэффициент активности. Слабые и сильные электролиты. Влияние растворителя на силу и характер диссоциации электролита. Равновесия в растворах слабых кислот и оснований. рН среды. Индикаторы.

13. Буферные растворы. Равновесия в растворах малорастворимых электролитов. Произведение растворимости ПР.

14. Комплексные соединения. Получение комплексных соединений. Характер химической связи в комплексных соединениях с позиций метода валентных связей и теории кристаллического поля. Спектрохимический ряд лигандов и окраска комплексных соединений и образованных ими растворов. Изомерия и диссоциация комплексных соединений.

15. Гальванический элемент. Электродные потенциалы. Ряд напряжений. Правила электролиза расплавов и растворов индивидуальных веществ и их смесей.

16. Растворы веществ ограниченной и неограниченной растворимости. Количественные характеристики растворов веществ ограниченной растворимости и связи между ними: молярная и массовая концентрация вещества и эквивалента, массовая мольная и объемная доли, коэффициент растворимости. Явление осмоса. Законы Вант-Гоффа, Рауля.

17. Номенклатура неорганических веществ. Номенклатурные правила IUPAC для простых веществ, бинарных соединений, оснований, оксокислот, оксосолей, комплексных соединений. Названия веществ по номенклатуре Гесса-Менделеева, допустимые в номенклатуре IUPAC. Тривиальные названия.

18. Характеристические классы неорганических соединений. Генетическая связь между классами неорганических соединений.

19. Простые вещества: металлы, неметаллы, полуметаллы. Строение молекулярных частиц, жидких и кристаллических веществ в зависимости от положения элементов, образующих простые вещества, в периодической системе Д.И. Менделеева.

20. Природа металлического состояния. Структура металлов. Типы кристаллических решеток. Важнейшие способы получения металлов из руд.

21. Металлы. Физические и химические свойства, способы получения металлов.

22. Неметаллы. Физические и химические свойства, способы получения неметаллов.

23. Соединения элементов с водородом. Классификация. Гидриды s-, p-, d-металлов. Фазы внедрения. Растворы атомарного водорода в металле. Гидриды неметаллов. Основные физические и химические свойства. Способы получения.

24. Оксиды - важнейший класс неорганических соединений. Классификация. Оксиды металлов и неметаллов. Строение оксидов с разными типами связи. Физические и химические свойства. Получение.

25. Основания - важнейший класс неорганических соединений. Классификация. Основания Бренстеда и Льюиса. Двойственность природы оснований. Влияние растворителя на кислотно-основные свойства. Анионы солей как неорганические основания. Основные физические и химические свойства. Получение.

26. Кислоты - важнейший класс неорганических соединений. Бескислородные и кислородсодержащие неорганические кислоты. Кислоты Бренстеда и Льюиса. Самоионизация кислот. Двойственность природы кислот и зависимость характера их диссоциации от растворителя.

27. Неорганические соли. Строение катионов и анионов. Делокализация заряда и p-связей в молекулярных ионах. Основные физические свойства солей. Термодинамическая, кинетическая, термическая устойчивость, окислительно-восстановительные свойства оксосолей в твердой фазе и в растворах, кислотно-основные свойства ионов растворах.

28. Генетическая связь между классами неорганических соединений и способы получения солей. Препаративные способы получения солей.

29. Галогениды как важный класс неорганических соединений. Классификация. Строение ионных и ковалентных галогенидов. Основные физические и химические свойства ионных и ковалентных галогенидов.

30. Щелочные и щелочноземельные металлы. Сравнительная характеристика физических и химических свойств. Получение.

31. Алюминий как элемент. физические и химические свойства. Характеристические соединения алюминия. Амфотерность оксида и гидроксида алюминия. Химизм производства алюминия. Сплавы алюминия.

32. Углерод. Характеристика элемента. Аллотропия простых веществ: алмаз, графит, карбин, фуллерены, нанотрубки, аморфный углерод и стеклографит. Строение оксидов, гидрата оксида углерода (IV), молекул угольной кислоты. Химические свойства угарного и углекислого газа, раствора углекислого газа.

33. Карбонаты. Строение. Физические и химические свойства средних и кислых карбонатов, гидроксокарбонатов, их получение. Понятие о карбонилах.

34. Простые и сложные вещества, образованные азотом. Азот. Аммиак. Соли аммония. Оксиды азота, азотная кислота. Связь строения молекулярных частиц с их геометрией и свойствами.

35. Фосфор, Оксиды фосфора. Фосфорные кислоты и фосфаты. Строение. Физические и химические свойства. Фосфорные минеральные удобрения.

36. Серная кислота. Строение. Физические свойства. Химические свойства вещества и водного раствора. Химизм промышленного получения из природных минералов.

37. Хром. Хром как элемент: электронное строение и положение в периодической системе, типичные степени окисления и характеристические соединения, сравнение их кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойства. Хроматы и дихроматы их взаимопревращения и окислительно-восстановительные свойства. Нержавеющие стали. Токсическое действие соединений хрома.

38. Марганец. Марганец как элемент. Марганец простое вещество: физические и химические свойства. Термическая устойчивость манаганатов и перманганатов. Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства соединений марганца (II), (IV), (VI), (VII).

39. Железо. Железо как элемент. Нахождение в природе. Железо: физические и химические свойства. Оксиды, гидроксиды, соли железа. Комплексные соли железа. Химизм получения доменным способом чугуна и конверторным способом стали.

40. Медь. Медь как элемент. Медь - простое вещество: физические и химические свойства. Характеристические соединения меди. Комплексные соединения меди.

41. Предмет органической химии. Основные положения теории химического строения Д.М.Бутлерова. Особенности строения органических веществ и протекания органических реакций.

42. Ионная, ковалентная, в том числе, донорно-акцепторная, водородная связъ (внутри- и межмолекулярная) в органических соединениях.

43. Теория электронных смещений, индукционный, мезомерный эффекты. Заместители, вызывающие положительный и отрицательный индукционный и мезомерный эффекты. Влияние электронных эффектов на физико-химические свойства соединений.

44. Анализ органических соединений: вывод эмпирической формулы, определение молекулярной формулы.

45. Виды структурной изомерии: изомерия углеродного скелета, изомерия положения функциональных групп, таутомерия.

46. Виды пространственной изомерии: геометрическая (цис- и транс-), оптическая и поворотная (конформационная). Примеры.

47. Алканы: гомологический ряд, изомерия, номенклатура. Методы получения алканов: а) без изменения углеродного скелета; б) с изменением углеродного скелета; в) декарбоксилированием натриевых солей карбоновых кислот; г) электрохимический синтез Кольбе. Химические свойства алканов: реакции замещения (галогенирование, реакция Коновалова). Радикальный механизм. Реакции изомеризации, окисления. Крекинг алканов.

48. Алкены, гомологический ряд, изомерия и номенклатура. Электронное строение этиленовых углеводородов. Цис-и транс-изомерия.

49. Методы получения алкенов. Химические свойства: реакции присоединения, полимеризации, окисления, замещения, изомеризации. Электрофильный механизм реакций присоединения. Правило Марковникова и его нарушение. Качественные реакции на кратные связи.

50. Полимеризация алкенов. Полиэтилен высокого и низкого давления. Механизмы реакций полимеризации. Свойства полиэтилена, полипропилена, полиизобутилена и их практическое использование.

51. Алкины, гомологический ряд, изомерия, номенклатура, электронное строение и геометрия ацетиленовых углеводородов. Химические свойства: кислотность, галогенирование, гидрогалогенирование. Гидратация. Механизм реакции Кучерова. Способы получения ацетилена.

52. Диеновые углеводороды с сопряженными связями. Современные представления о строении алкадиенов с сопряженными двойными связями. Конфигурация молекулы 1, 3-бутадиена. Химические свойства: 1, 2 и 1, 4 -присоединение. Химизм способов синтеза 1, 3-6утадиена и изопрена.

53. Каучуки. Натуральный и синтетические каучуки. Строение натурального каучука. Цис- и транс-изомеризация. Бутадиеновый, изопреновый, хлоропреновый, бутадиен-стирольный каучуки. Вулканизация каучука.

54. Ароматичность. Ароматические углеводороды бензольного ряда. Современные представления о строении бензола. Химические свойства: реакции замещения, присоединения. Способы получения бензола, его гомологов.

55. Монозамещенные производные бензола. Индукционный и мезомерный эффекты электродонорных и электроакцепторных заместителей. Правила ориентации для реакций электрофильного замещения.

56. Ароматические нитросоединения. Строение нитрогруппы. Нитробензол, получение. Механизм реакции нитрования, катион нитрония. Нитрующая смесь. Тринитротолуол.

57. Ароматические аминосоединения Анилин: строение, физические и химические свойства, получение. Взаимное влияние функциональных групп.

58. Галогенпроизводные углеводородов. Получение галогенпроизводных из алканов и спиртов, этиленовых углеводородов. Механизмы реакций. Взаимодействие галогеналканов с металлами (натрием, литием, цинком, магнием).

59. Галогенопроизводные ароматического ряда. Введение галогена в ядро, механизм замещения. Радикальный цепной механизм реакции галогенирования в боковую цепь. Отличие реакционной способности галогена, в ядре и боковой цепи в молекулах хлорбензола и хлористого бензила.

60. Спирты: строение, изомерия, номенклатура. Физические и химические свойства. Кислотно-основные свойства первичных, вторичных» третичных, одно- и многоатомных спиртов. Дегидратация. Окисление. Способы получения из карбонильных соединений, с использованием магнийорганических соединений, из сложных эфиров, из непредельных углеводородов.

61. Альдегиды и, кетоны. Электронное строение карбонильной группы. Сравнительная оценка химических свойств альдегидов и кетонов: окисление, восстановление, реакции нуклеофильного присоединения (А_N), полимеризации. Качественные реакции. Получение: окислением спиртов и карбоновых кислот и солей; из дихлорпроизводных, по реакции Кучерова.

62. Карбоновые кислоты. Карбоксильная группа, ее электронное строение. Химические свойства карбоновых кислот. Подвижность a-водородного атома.

63. Способы получения и химические свойства простых и сложных эфиров.

64. Электронное строение производных карбоновых кислот (M-, I-эффекты). Получение, свойства хлорангидридов и амидов кислот. Их применение в реакциях ацилирования спиртов и аминов.

65. Оксикислоты. Оптическая изомерия и оптическая активность. Антиподы. Диастереоизомеры. Проекционные формулы. Особенности химических свойств оксикислот.

66. Жиры (триглицериды). Их строение, состав. Химические свойства: гидролиз жиров, гидрирование, ацидолиз, алкоголиз, йодирование. Гидрогенизация жиров. Биологическое значение жиров.

67. Непредельные кислоты: олеиновая, линолевая, линоленовая. Свойства и значение для процесса жизнедеятельности. Мыла.

68. Амины. Получение, номенклатура и классификация, химические свойства. Связь между строением и основностью аминов.

69. Пяти- и шестичленные гетероциклы (фуран, пиррол, пиридин, пиримидин, пурин): их электронное строение. Сравнение реакционной способности в реакциях электрофильного замещения бензола, пиридина и пиррола. Реакции S_E и S_N пиридина.

70. Углеводы. Классификация. Моносахариды. Формулы Фишера и Хеуорса. Карбонильные и циклические (a- и b-) формы моносахаридов. Рацематы. Кольчато-цепная таутомерия.

71. Реакции открытых и циклических форм моносахаридов. Важнейшие представители моносахаридов и способы их получения.

72. Два типа дисахаридов (на примере мальтозы и сахарозы), различие в их химических свойствах. Биологическое значение.

73. Высшие полисахариды. Общая характеристика. Крахмал, гликоген, целлюлоза, их строение. Кислотный и ферментативный гидролиз крахмала (промежуточные и конечные продукты). Гидролиз целлюлозы и его значение.

74. Важнейшие производные целлюлозы: динитраты, ди-, триацетаты, их применение для получения пластмасс, искусственных волокон. Ацетатное и вискозное волокно.

75. Аминокислоты. Классификация. Строение. Химические свойства аминокислот. Пептиды. Белки. Первичная и вторичная структура. Гидролиз, денатурация белков. Качественные реакции на аминокислоты и белки.

76. Пиримидиновые и пуриновые основания. Нуклеотиды и нуклеозиды. Их строение. Нуклеиновые кислоты.

77. Синтетические высокомолекулярные соединения. Способы получения. Общее и различия в реакциях полимеризации и поликонденсации. Фенолформальдегидные смолы.

78. Карбоцепные и гетероцепные высокомолекулярные соединения. Синтетические волокна: капрон, лавсан, полиакрилонитрильные волокна.