Методические указания к решению задач и примеры решения типовых задач

Прежде чем приступить к решению задач, необходимо изучить соответствующий раздел лекционного материала или учебника. При этом следует обратить внимание на основные способы получения, химические свойства, условия реакций и связь данного класса соединений с другими классами.

Предлагаемые задачи можно разделить на следующие основные типы:

- изомерия и номенклатура органических соединений;

- синтез с помощью заданных реактивов;

- синтез на основании формулы строения заданного вещества;

- синтез заданного вещества из указанного;

- синтез вещества и написание для него ряда химических превращений;

- определение структурной формулы вещества на основании продуктов его превращений

Задание 1. Назовите по систематической номенклатуре следующие углеводороды.

СН₃ СН₃ СН₃

а) СН₃- СН₂- СН- СН₂ – СН –СН₃ б) СН₃- СН

2,4- диметилгексан СН₃- СН-СН-СН₃

СН₃СН-СН₂-СН₂-СН₃

2,3,4,5-тетраметилоктан

в) (СН₃)₂-СН-СН-СН₃

СН₃-СН_2-СН_2-СН₂-СН-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃

5-(1,2- диметилпропил)-декан

Задание2. Какие вещества можно получить из пропена и воды, используя любые условия и катализаторы. Напишите уравнения реакций. Укажите условия их проведения, назовите продукты.

_Н2SO4

1. СН₃-СН=СН₂ + Н₂О ¾¾® CН₃-СН(ОН)-СН₃

пропанол-2

Н₂SO₄

2. 2СН₃-СН(ОН)-СН₃ ¾¾® (СН₃)₂СН-О-СН(СН₃)₂ + Н₂О

диизопропиловый эфир

t,p,Ni

3. СН₃СН=СН₂ « СН₃-С≡СН + Н₂

пропин

Hg⁺², H⁺

4. СН₃С ≡ СН + Н₂О ¾¾® СН₃СОСН₃

ацетон

5. СН₃СН=СН₂ + Н₂ ¾¾® CН₃-СН₂-СН₃

пропан

электролиз

6. 2Н₂О ¾¾¾® 2Н₂ + О₂

7. 2СН₃СН = СН₂ + 9О₂ ® 6СО₂ + 6Н₂О

Ag, t

8. 2СН₃СН = СН₂ + О₂ ¾¾® 2CH₃ – CH – CH₂

O

пропиленоксид

_Н2SO4

9. СН₃ – СН – СН₂ + Н₂О ¾¾® CН₃ – СН(ОН) – СН₂ - ОН

О пропиленгликоль

Задание 3. Определите строение ароматического углеводорода состава С₉Н₁₂, если известно, что при его окислении перманганатом калия образуется бензолтрикарбоновая кислота, а при бромировании в присутствии FeBr₃ только одно бромпроизводное.

Решение.

Поскольку при окислении ароматического углеводорода образуется бензолтрикарбоновая кислота, следовательно, углеводород имеет три заместителя. Исходя из состава углеводорода С₉Н₁₂ , этими заместителями могут быть только три метильных группы. В соответствии с этим можно предположить следующие возможные структуры изомеров:

Однако, только в случае структуры (I) возможно получение только одного бромпроизводного, поскольку эта структура представляет собой симметричный триметилбензол и замещение любого из атомов водорода бензольного кольца приводит к одному и тому же веществу. Бромирование других изомеров состава С₉Н₁₂ приведет к смеси бромпроизводных.

Уравнения реакций указанных превращений следующие:

Ответ: Ароматический углеводород имеет строение

т.е. это – 1,3,5-триметилбензол

Задание 4.Напишите уравнение реакции получения 2-метилпентена-2 из соответствующего спирта. Приведите уравнение реакции взаимодействия полученного 2-метилпентена-2 с бромистым водородом.

Решение.

Алкены получаются по реакции дегидратации спиртов при нагревании в присутствии водоотнимающих веществ. В зависимости от условий проведения реакция процесс дегидратации может быть внутримолекулярным (в этом случае получается алкен) и межмолекулярным (в этом случае получается простой эфир).

Напишем формулу алкена, который нужно получить по условию задачи:

2-метилпентен

Формула спирта, необходимого для синтеза алкена, будет иметь тот же углеродный скелет. По правилу Зайцева, при внутримолекулярной дегидратации водород отщепляется от наименее гидрогенизированного из соседних с гидроксилом атомов углерода. Поэтому формула необходимого для реакции спирта будет иметь вид:

2-метилпентанол-3

Уравнение реакции внутримолекулярной дегидратации имеет вид:

2-метилпентанол-3

2-метилпентен-2

H2SO4 (конц.) t=160 0C

Для 2-метилпентена-2, как для алкена, характерны реакции присоединения по месту разрыва двойной связи. Реакция присоединения проходит по правилу Марковникова: водород присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода, а галоген соответственно - к менее гидрогенизированному атому углерода по месту разрыва двойной связи.

2-бром-2-метилпентан

2-метилпентен-2

Теоретические пояснения

Органическая химия - наука, занимающаяся изучением соединений углерода (как природных, так и полученных синтетическим путем). При­чины выделения органической химии в отдельную науку заключаются в многообразии органических соединений, обусловленном способностью атомов углерода соединяться друг с другом и с атомами других элементов. Кроме того, органические вещества имеют исключительное значение вследствие их важной роли в процессах жизнедеятельности животных и растительных организмов и широко применяются в различных отраслях промышленности строительных материалов, сельского и лесного хозяйства, в производстве промыш­ленных и продовольственных товаров, в медицине и биологии.

В настоящих методических указаниях авторы кратко попытались изложить теоретические аспекты основных классов органических соединений в свете представлений теории химического строения А.М. Бутлерова.

Алканы

Методы получения

Главным природным источником предельных углеводородов является нефть, а для первых членов гомологического ряда – природный газ. Однако, выделение индивидуальных соединений из нефти или продуктов ее крекинга –весьма трудоемкая, а часто и невыполнимая задача, поэтому приходится прибегать к синтетическим методам получения.

1.Алканы образуются при действии металлического натрия на моногало-генпроизводные – реакция Вюрца:

Если взяты разные галогенпроизводные, то образуется смесь трех различных алканов, так как вероятность встречи в реакционном комплексе одинаковых или разных молекул равна, а реакционная способность их близка:

2. Алканы могут быть получены при восстановлении алкенов или алкинов водородом в присутствии катализаторов.

3. Самые разнообразные производные алканов могут быть восстановлены при высокой температуре йодоводородной кислотой:

4. Алканы могут быть полученыпри сплавлении солей карбоновых кислот со щелочью. Образующийся при этом алкан содержит на один атом углерода меньше, чем исходная карбоновая кислота:

Химические свойства

Предельные углеводороды при обычных условиях обладают большой химической инертностью. Это объясняется тем, что все -связи углерод — углерод и углерод — водород в них весьма прочны (энергии этих связей порядка 350-400 кДж/моль). К реакциям присоединения они вообще не способны вследствие насыщенности всех связей атомов углерода. C большинством химических реагентов алканы или вовсе не реагируют, или реагируют чрезвычайно медленно. Так, концентрированная серная кислота, обугливающая многие органические соединения, на предельные углеводороды не действует при комнатной температуре. Сильные окислители (например, перманганат калия) при комнатной температуре тоже не действуют на алканы.

1. Радикальное галогенирование. На свету галогены (энергичнее всего хлор, с йодом реакция не идет) последовательно замещают атомы водорода в предельных углеводородах:

CH₄ + Cl₂ CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ CHCl₃ + HCl

CHCl₃ + Cl₂ CCl₄ + HCl

2. Нитрование. Азотная кислота при обычной температуре почти не действует на предельные углеводороды; при нагревании же действует главным образом как окислитель. При нагревании (около140⁰С) и под давлением азотная кислота действует как нитрующий агент, т. е. один из атомов водорода предельного углеводорода замещается на остаток кислоты –NO₂ (нитрогруппа):

Эта реакция тоже радикального типа и подчиняется тем же закономерностям, что и реакция галогенирования, т. е. легче всего замещается водород у третичного атома, затем у вторичного и труднее всего у первичного атома углерода.

3. Окисление.Окислители, даже такие, как хромовая смесь и перманганат калия, при обычных температурах не действуют на предельные углеводороды.

При температуре выше 300^оС предельные углеводороды воспламеняются и сгорают с образованием СО₂ и Н₂О:

С₅Н₁₂ + 8О₂ 5СО₂ + 6Н₂О

При очень высоких температурах в промышленности реализован процесс взаимодействия метана с водой:

СН₄ + Н₂О СО + 3Н₂О

4. Сульфохлорирование. Эта реакция имеет большое значение в производстве моющих средств. Тяжелые фракции синтетических углеводородов С₁₂–С₁₈ в условиях ультрафиолетового облучения подвергаются совместному действию Cl₂ и SO₂. Образующиеся сульфонилхлориды при омылении щелочами дают соли сульфокислот:

а) Сl₂ 2Cl•;

б) CH₃(CH₂)₁₀CH₃ CH₃(CH₂)₁₀CH₂• + HCI

в)CH₃(CH₂)₁₀CH₂• CH₃(CH₂)₁₀CH₂-SO₂

CH₃(CH₂)₁₀CH₂-SO₂Сl CH₃(CH₂)₁₀CH₂-SO₃Na + HCI

натриевая соль додекансульфо- кислоты (моющее средство)

Реакция сульфохлорирования, как и реакция радикального галогенирования, является цепной реакцией.

Алкены

Методы получения

1. При действии спиртовых растворов щелочей на галогенпроизводные отщепляется галогеноводород и образуется двойная связь:

СН₃-СН₂-CH₂Br СН₃-СН₂=CH₂ + NaBr + H₂O

Если в -положении к атому углерода, связанному с галогеном, находятся третичный, вторичный и первичный атомы водорода, то преимущественно отщепляется третичный атом водорода, в меньшей степени вторичный и тем более первичный (правило Зайцева).

KOH (спирт)

2. Действием на спирты водоотнимающих средств:

3.При действии Zn или Мg на дигалогенпроизводные с двумя атомами галогена у соседних атомов углерода:

4. Гидрированием ацетиленовых углеводородов над катализаторами:

5. Алкены в виде сложных смесей получаютсяпри крекинге нефти

Химические свойства

Наличие в молекулах алкенов двойной связи, состоящей из - и - связей, предопределяет их повышенную реакционную способность в реакциях присоединения, так как -связь прочнее чем связь.

Естественно ожидать, что реакции алкенов будут проходить по двойной связи, а следовательно, будут реакциями присоединения, а не реакциями замещения, характерными для ранее рассмотренных алканов.

1. Присоединение водорода. Присоединение водорода к алкенам приводит к образованию предельных углеводородов:

СН₃-СН=CH₂ + Н₂ СН₃-СН₂-CH₃

2. Присоединение галогенов. Галогены присоединяются к алкенам с образованием вицинальных дигалогенпроизводных, т. е. содержащих атомы галогена у соседних атомов углерода.

3. Присоединение галогенводородов. Галогеноводороды присоединяются к алкенам с образованием галогеналкилов. Присоединение в случае несимметричных молекул идет по правилу Марковникова, т. е. водород присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода (с наибольшим числом водородных атомов):

4. Присоединение воды и серной кислоты. В присутствии кислот вода присоединяется по двойной связи в соответствии с правилом Марковникова:

R-CH=CН₂ + H₂О R-CH-CН₃

│

ОН

Так же идет и реакция с серной кислотой:

R-CH=CН₂ + H₂SО₄ R-CH-CН₃

│

OSО₃H

5. Окисление перманганатом калия в нейтральной или слабо­щелочной среде приводит к образованию гликолей.

3R-CH=CH-R + 2KMnO₄ + 4H₂O 3R-CH – CH–R+ 2KOH + 2MnO₂

│ │

OH OH

Кислые растворы перманганата окисляют алкены с разрывом цепи по С=С связи с образованием кислот или кетонов:

6. Действие озона на алкены.Действие озона на алкены приводит к образованию кристаллических сильно взрывчатых озонидов, которые при гидролизе образуют альдегиды или кетоны: