Химические свойства. Органическая химия - химия соединений углерода

Органическая химия - химия соединений углерода. Состав органических соединений, элементы органогены (С, Н, О, Р, N, S). Многообразие соединений углерода, их роль в природе и практической деятельности человека. Сырьевые источники получения органических соединений.

Органическая химия - химия соединений углерода, точнее - химия углеводородов и их производных, в состав которых могут входить практически все остальные элементы периодической системы. Выделение органической химии в самостоятельную научную дисциплину обусловлено большим числом и многообразием органических соединений углерода, которых в настоящее время известно более 10 миллионов, наличием специфических свойств, отличающих их от соединений других элементов, и, наконец, их основополагающей ролью в жизни на Земле. Органическая химия изучает более высокооганизованную материю, чем неорганическая, органические соединения появились во вселенной позже неорганических, они являются носителями жизнедеятельности живых организмов. Превращения органических соединений управляются общими химическими закономерностями, но в то же время имеется ряд специфических особенностей, присущих только органическим соединениям: они термически менее устойчивы по сравнению с неоганическими, легче окисляются (горят), в подавляющем большинстве органических соединений связи между атомами ковалентные, органические вещества обладают значительно более низкими температурами плавления и кипения по сравнению с неорганическими.

Органогены — химические элементы, играющие ту или иную роль в жизни организмов. К органогенам относится 21 элемент, среди которых Б. Б. Полынов (1968) выделил абсолютные органогены (кислород, водород, углерод, азот, марганец, калий, сера), без которых невозможно существование жизни, и специальные органогены (кремний, натрий, кальций, железо, фтор, магний, стронций, бор, цинк, медь, бром, йод), которые необходимы многим, но не всем организмам. Элементы-органогены, главнейшие четыре элемента, участвующие в построении химич. соединений, входящих в состав организма, а именно: углерод, водород, кислород и азот. Углерод и водород входят во все органические соединения, встречающиеся в организме; в важнейшие соединения, как жиры, углеводы, входит еще кислород, а в белковые вещества кроме того азот.

Атомы углерода способны связываться друг с другом, образуя устойчивые цепочки и циклы, что делает количество соединений углерода в принципе бесконечным. Углерод способен образовывать не только одинарные, но и двойные и тройные связи, и способен образовывать устойчивые связи с другими элементами. Это определяет огромное разнообразие органических соединений. Соединения углерода имеют очень большое значение. Органическая химия – основа биологической химии, молекулярной биологии и фармакологии, и теоретическая основа для производства средств защиты растений, моющих средств, красителей, полимеров, различных нефтепродуктов и т.д. Современную цивилизацию без достижений органической химии представить невозможно.

Сырьевыми источниками органических соединений служат нефть и природный газ, каменный и бурый угли, горючие сланцы, торф, продукты сельского и лесного хозяйства.

2. Основные положения теории химического строения органических соединений А.М. Бутлерова. Структурные принципы в органической химии. Понятие об углеродном скелете, радикале и функциональной группе.

Многообразие органических соединений и их строения объясняется теорией строения, которую предложил Бутлеров. Суть этой теории состоит из 7 основных положений:

1.Атомы входящие в состав молекул органического вещества, не находятся в беспорядочном состоянии, а соединены между собой в определенной последовательности химическими связями. Порядок и последовательность соединения атомов в молекуле Бутлеров назвал химическим строением.

2.Соединения атомов в молекуле происходит в соответствии с их валентностью. Свободных валентностей у атомов в молекуле нет.

3.Свойства вещества зависят не только от того какие атомы и сколько их входит в состав молекулы, но и от того в какой последовательности они соединены между собой в молекуле.

4.Атомы и группы атомов входящие в молекулы оказывают влияние на химическое поведение друг друга. Особенно заметно такое влияние в тех случаях, когда эти атомы или группы атомов связаны непосредственно.

5.Зная свойства вещества можно установить его строение и наоборот: химическое строение органических соединения может много сказать о его свойствах.

6.Атомы углерода способны соединятся друг с другом с образованием углеродных связей различных видов. Эти цепи могут быть открытыми или замкнутыми. Цепи могут содержать одинарные, двойные и тройные связи.

7.Строение молекулы можно выразить при помощи структурной формулы, которая для данного органического соединения является единственно возможной.

Углеродный скелет молекулы — последовательность химически связанных атомов углерода, составляющая основу молекулы. Кроме атомов углерода в состав скелета могут входить и другие атомы, например, кислород, сера, азот, если они связаны, по меньшей мере, с двумя атомами углерода. Некоторые атомы углерода в углеродном скелете могут быть соединены с тремя или даже четырьмя другими атомами углерода, такой углеродный скелет называют разветвлённым.

Типы углеродных скелетов

—ациклические (не содержащие циклов);

—циклические;

—гетероциклические.

В гетероциклическом скелете в углеродный цикл включается одни или несколько атомов, отличных от углерода.

Углеводородный радикал в химии — группа атомов, соединённая с функциональной группой молекулы. Обычно при химических реакциях радикал переходит из одного соединения в другое без изменения. Но радикал и сам может содержать функциональные группы, поэтому с его «неизменностью» нужно быть осторожным: например, аминокислота аспарагиновая кислота содержит в той части молекулы, которая в общем виде рассматривается как остаток аминокислоты, ещё одну карбоксильную группу. Часто углеводородный радикал называют просто радикал, что может вызвать путаницу с таким понятием как свободный радикал. Некоторые углеводородные радикалы могут также являться функциональными группами, например, фенил (− C₆H₅), винил (− C₂H₃) и пр. Углеводородными радикалами обычно являются остатки углеводородов, которые входят в состав многих органических соединений.

Функциональная группа — структурный фрагмент органической молекулы (некоторая группа атомов), определяющий её химические свойства. Функциональные группы определяют класс органических соединений.

Функциональные группы, входящие в состав различных молекул обычно ведут себя одинаково в одной и той же химической реакции, однако их химическая активность будет различной.

Известно более 100 функциональных групп.

—Функциональные группы, содержащие атом кислорода: гидроксильная –ОН, карбонильная > С=O, карбоксильная –COOH и др.

—Функциональные группы, содержащие атом азота: аминогруппа –NH2, нитрогруппа –NO2, нитрильная группа или цианогруппа –CN и др.

—Функциональные группы, содержащие атом серы: сульфгидрильная (тиольная) –SH, сульфидная > S, дисульфидная –S–S–, сульфоксидная > S=O и др.

—Функциональные группы, содержащие ненасыщенные углерод-углеродные связи: двойные и тройные связи (в том числе сопряжённые диеновые системы), ароматические фрагменты и др.

—Функциональные группы, содержащие прочие атомы: атомы металлов, атомы галогенов и др.

Молекулы, в состав которых входит больше чем одна функциональныая группа называются полифункциональными.

При построении названия органического соединения, согласно номенклатуры ИЮПАК, отталкиваются от наличия в данном соединении функциональных групп.

3. Классификация органических соединений по углеродному скелету и функциональным группам. Гомология и гомологические ряды в органической химии. Понятие и виды изомерии. Принципы химической номенклатуры ИЮПАК.

Классификация органических веществ по строению углеводородного радикала:

—Ациклические (нециклические):

Предельные (атомы углерода связаны друг с другом только одинарными ϭ -связями)

Непредельные (молекулы этих соединений содержат двойные или тройные связи между атомами углерода)

—Циклические:

Карбоциклические (в состав циклов входят только атомы углерода)

Гетероциклические (в состав циклов кроме атомов углерода входят атомы других элементов)

Классификация органических веществ по функциональным группам (X)

Гомологический ряд — это ряд органических соединений, в котором каждый следующий член ряда отличается от предыдущего на группу СН₂. Сходные по химическим свойствам соединения, образующие гомологический ряд, называются гомологами. Группа СН₂ называется гомологической раз Состав всех членов гомологического ряда может быть выражен общей формулой.

Изомеры — это вещества, которые имеют одинаковый состав, но разное строение молекул и различные свойства. Изомерия — явление существования изомеров.

Изомеры имеют одинаковую эмпирическую формулу и разные структурные формулы. С увеличением числа атомов углерода в молекуле число изомеров резко возрастает.

Типы изомерии:

1.Структурная изомерия:

-изомерия цепи;

-изомерия положения кратной связи;

-изомерия положения функциональной группы.

2.Пространственная изомерия (геометрическая изомерия, цис-транс- изомерия)

Порядок соединения атомов в этих изомерах одинаковый, но расположение атомов в пространстве различно.

3.Межклассовая изомерия – изомерия веществ, принадлежащих к разным классам органических соединений:

-алкены и циклоаканы (C_nH_2n);

-алкины и алкадиены (C_nH_2n-2);

-алканолы и простые эфиры (C_nH_2n+2О);

-одноосновные карбоновые кислоты и сложные эфиры карбоновых кислот (C_nH_2nО₂);

-альдегиды и кетоны (C_nH_2nО).

Химическая номенклатура — совокупность названий индивидуальных химических веществ, их групп и классов, а также правила составления этих названий.

4. Углеводороды. Классификация. Углеводороды с открытой цепью (алифатические): насыщенные, или предельные (парафины, алканы), ненасыщенные, или этиленовые (олефины, алкены), ненасыщенные, или ацетиленовые (алкины), углеводороды с двумя двойными связями (алкадиены). Гомологические ряды. Общие формулы. Изомерия и номенклатура ИЮПАК. Нахождение в природе. Физические свойства. Закономерности изменения физических свойств в гомологических рядах. Химические свойства.

Углеводороды — органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода.

Классификация:

—Насыщенные УВ (алканы, циклоалканы);

—Ненасыщенные УВ (алкены, алкадиены, алкины);

—Ароматические УВ (арены).

АЛКАНЫ (предельные или насыщенные УВ, парафины) C_nH_2n+2, n≥ 1

Алканы — это нециклические УВ, в молекулах которых все атомы углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации и связаны друг с другом только ϭ -связями.

Изомерия и номенклатура алканов

Возможна только изомерия цепи. Первые три члена гомологического ряда алканов (СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈) изомеров не имеют. Согласно международной номенклатуре изомеры с разветвленной цепью углеродных атомов следует рассматривать как производные алкана с самой длинной неразветвленной углеродной цепью.

По номенклатуре ИЮПАК названия алканов образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь так, чтобы у наибольшего числа заместителей был минимальный номер в цепи. В названии соединения цифрой указывают номер углеродного атома, при котором находится замещающая группа или гетероатом, затем название группы или гетероатома и название главной цепи. Если группы повторяются, то перечисляют цифры, указывающие их положение, а число одинаковых групп указывают приставками ди-, три-, тетра-. Если группы неодинаковые, то их названия перечисляются в алфавитном порядке.

Физические свойства:

Алканы — бесцветные вещества, легче воды, плохо растворяются в воде.

Химические свойства:

Алканы химически малоактивны. Низкая реакционная способность алканов обусловлена очень малой полярностью связей С—С и С—Н в их молекулах вследствие почти одинаковой электроотрицательности атомов углерода и водорода.

1.Реакции замещения (разрыв связей С—Н) RH + XY → RX + HY

—Галогенирование (замещение атома водорода атомомгалогена — F, Cl, Вг с образованиемгалогеналкана RHal);

— Нитрование (замещение атома водорода нитрогруппой — N0₂ с образованием нитроалканов R—N0₂). Нитрующий реагент - азотная кислота HN0₃(HO—N0₂)

— Сульфирование (замещение атома водорода сульфо-группой — S0₃H с образованием алкансульфокнслот RSO3H). Сульфирующий реагент — серная кислота H₂S0₄ (HO-S0₃H). Сульфирование алканов происходит при действии очень концентрированной H₂S0₄ при небольшом нагревании.

2. Реакции окисления. При обычных условиях алканы устойчивы к действию окислителей (КМnO₄, К₂Сг₂O₇).

-Окисление кислородом воздуха при высоких температурах (горение):

а) полное окисление (избыток O₂) с образованием углекислого газа и воды: СН₄ +20₂→ С0₂+ 2Н₂O

б) неполное окисление (недостаток 0₂): СН₄ +20₂→ СO+ 4Н₂O

СН₄ +20₂→ С+ 2Н₂O

-Окисление кислородом воздуха при невысоких температурах в присутствии катализаторов (неполное каталитическое окисление). В результате могут образоваться альдегиды, кетоны, спирты, карбоновые кислоты. Неполное окисление может происходить без разрыва углеродной цепи и с разрывом углеродной цепи.

3. Термические превращения алканов:

—Крекинг — это разрыв связей С—С в молекулах алканов с длинными углеродными цепями, в результате которого образуются алканы и алкены с меньшим числом атомов углерода.

—Дегидрирование — отщепление водорода; происходит в результате разрыва связей С—Н; осуществляется в присутствии катализаторов при повышенных температурах.

—Дегидроциклизация — ароматизация, дегидрирование алканов с образованием ароматических соединений.

—Изомеризация — превращение химического соединения в его изомер.

Нахождение в природе: Основные источники алканов – нефть и природный газ. Метан составляет основную массу природного газа, в нем присутствуют также в небольших количествах этан, пропан и бутан. Метан содержится в выделениях болот и угольных пластов. Наряду с легкими гомологами метан присутствует в попутных нефтяных газах. Эти газы растворены в нефти под давлением и находятся также над ней. Алканы составляют значительную часть продуктов переработки нефти. Содержатся в нефти и циклоалканы – они называются нафтенами. В природе широко распространены также газовые гидраты алканов, в основном метана, они залегают в осадочных породах на материках и на дне океанов.

АЛКЕНЫ (олефины, этиленовые УВ) C_nH_2n, n≥ 2

Алкены — это нециклические УВ, в молекулах которых два атома углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации и связаны друг сдругом двойной связью.

Изомерия и номенклатура

Для алкенов возможны 3 типа изомерии: изомерия углеродной цепи, изомерия положения двойной связи, цис-транс-изомерия. Первые 2 члена гомологического ряда — этен и пропен — изомеров, относящихся к классу алкенов, не имеют.

По номенклатуре IUPAC названия алкенов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ен»; положение двойной связи указывается арабской цифрой.

Углеводородные радикалы, образованные от алкенов имеют суффикс «-енил». Тривиальные названия: CH2=CH— «винил», CH2=CH—CH2— «аллил».

Физические свойства:

Плохо растворимы в воде.

Химические свойства:

Алкены обладают большей реакционной способностью, чем алканы. Это обусловлено наличием в их молекулах двойной связи.

1.Реакции присоединения:

—Присоединение водорода (+H₂) — гидрирование, образуются алканы.

—Присоединение галогенов — галогенирование, образуются дигалогеналканы.

Химические свойства

Алкины во многих реакциях обладают большей реакционной способностью, чем алкены.

1.Реакции присоединения:

—Присоединение водорода (гидрирование). На I ступени образуются алкены, на II ступени — алканы

—Присоединение галогенов (галогенирование). На I ступени образуются дигалогеналкены, на II — тетрагалогеналканы.

Реакция алкинов с бромной водой — качественная реакция на алкины. Бромная вода обесцвечивается.

—Присоединение галогеноводородов (гидрогалогенирование). На I ступени образуются моногалогеналкены, на II —дигалогеналканы.

—Присоединение воды (гидратация). Происходит по правилу Марковникова. Ацетилен образует альдегид, его гомологи — кетоны (реакция М.Г. Кучерова):

2.Реакции окисления

—Горение (полное окисление)

2С₂Н₂ + 5О₂ → 4СО₂ + 2Н₂О

—Неполное окисление (под действием окислителей типа КМnO₄, К₂Сг₂O₇)

При действии сильных окислителей (КМnO₄ в нейтральной среде, К₂Сг₂O₇ в кислой среде) алкины окисляются с разрывом молекулы по тройной связи (кроме ацетилена). Конечным продуктом реакции являются карбоновые кислоты.

Реакция с КМnO₄ является качественной реакцией на алкины. Раствор КМnO₄ обесцвечивается.

3.Реакции полимеризации

Алкины могут образовывать линейные димеры, тримеры и полимеры, циклические тримеры.

4.Реакции замещения атомов «Н», связанных с sp-гибридизованными атомами углерода

Атомы водорода, связанные с sp-гибридизованными атомами углерода в молекулах алкинов, обладают значительной подвижностью, что объясняется поляризацией связи ≡ С—Н. В связи с этим данные атомы водорода могут замешаться атомами металлов, в результате чего образуются ацетилениды. Способность к таким реакциям отличает алкины от других непредельных углеводородов.

Нахождение в природе: В природе алкины практически не встречаются. В некоторых видах грибов Basidiomycetes были обнаружены в крайне малом количестве соединения содержащие полиацетиленовые структуры. Ацетилен обнаружен в атмосфере Урана, Юпитера и Сатурна.