Основные классы органических соединений. углеводороды
Б-4-АЛКАНЫ Предельные углеводороды (алканы) – это соединения углерода с водородом, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой одинарными сигма-связями, а все остальные валентности «насыщены» атомами водорода. Простейшим представителем алканов является метан – СН4, который является родоначальником гомологического ряда алканов. Гомологи – это органические соединения, сходные по строению и химическим свойствам, но отличающиеся по составу на группу СН2. Общая формула: R-H или СnН2n+2, где R – предельный радикал. Гомологический ряд.
|  ковалентные σ-связи с другими атомами – в молекуле метана с атомами водорода. Длина С-С-св.= 0,154нм, Еразр=350 кДж/моль Физические свойства: Метан – газ без цвета, без запаха, без вкуса, легче воздуха, нерастворим в воде, взрывоопасен. Химические свойства: 1. Горит: СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О + Q 2. подвергается каталитическому окислению, в зависимости от катализатора могут быть получены: а) 2СН4 + О2  2СН3ОН (метанол) б) СН4 + О2  НСОН + Н2О метаналь в) СН4 + О2 НСООН + Н2↑ 3. Подвергаются термическому разложению: а) полное: СН4  + 2Н2↑ б) неполное: 2СН4  + 3Н2↑ 4. Вступают в реакции замещения с галогенами: СН4 + Cl2  СН3Cl + НCl Реакция идет по свободно-радикальному механизму до полного замещения атомов водорода. При хлорировании или бромировании алкана с вторичными или третичными атомами углерода легче всего идет замещение водорода у третичного атома, труднее у вторичного и еще труднее у первичного.   5.Нитрование алканов (реакция Коновалова) | Получение: 1.Из нефти. 2.Крекинг высших алканов: C8H18  C4H8 + C4H10. 3. Реакция Вюрца: 2СН3-Cl +2Na С2Н6+2NaCl 4. Реакция Кольбе: 2CH3COONa+2H2O  C2H6+Na2CO3+ 2H2 5. Прямой синтез: С+2Н2 2СН4 6. Сплавление со щелочью (реакция Дюма) СН3СООNa + NaOH  CH4 + Na2CO3 7. Разложение карбидов металлов (метанидов) водой: Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4↑ ЦИКЛОАЛКАНЫ Циклопарафины(циклоалканы) – это предельные углеводороды, содержащие замкнутые циклы из атомов углерода. Общая формула: СnH2n  Строение: Каждый атом углерода в циклоалканах находится в состоянии sp3 – гибридизации и образует 4 σ-связи ( 2 связи С – С и 2 связи С –Н ). Углы между связями зависят от размера цикла. Устойчивы пяти- и шестичленные циклы, т.к. валентный угол между С –С связями близок к 109о28′. У трех- и четырехчленных циклов вылентный угол меньше, что создает напряженность в циклах, что обуславливает их высокую реакционную способность | Химические свойства: 1. Для 3- и 4- членных циклопарафинов характерны реакции присоединения с разрывом цикла. а) гидрирования:
б)Циклопропан и его производные присоединяют галогены и галогеноводороды:
2. Для 5- и 6-членных циклопарафинов характерны реакции замещения подобно алканам. а) замещение на галоген
б) Дегидрирование:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Получение 1. Из нефти 2. Действие активных металлов на дигалогензамещенные алканы (реакция Вюрца)  3.Гидрирование бензола и его гомологов:  Б-5-АЛКЕНЫ Алкены – это непредельные углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную связь. Общая формула: СnH2n Простейший представитель алкенов – этилен С2Н4, который является родоначальником гомологического ряда. С2Н4 – этилен СН2=СН2 С3Н6 – пропен СН2=СН – СН3 С4Н8 – бутен СН2=СН – СН2 – СН3   Строение алкенов рассмотрим на примере этилена. Атомы углерода в молекуле этилена находятся в состоянии sp2-гибридизации. По 3 гибридных облака каждого атома углерода располагаются под углом 120о друг к другу и в этих направлениях образуют по 3σ-связи: 1σ-связь друг с другом и 2σ-связи с атомами водорода. Но у каждого атома | углерода осталось по одному негибриди-зированному р-облаку. Эти облака располагаются перпендикулярно плоскости молекулы и перекрываются своими боко-выми частями, образуя дополнительную связь между атомами  углерода, которую называют – π-связь. Таким образом между атомами углерода устанавливается двойная связь. Длина двойной связи = 0,134 нм, энергия разрыва 620 кДж/моль Физические свойства алкенов закономерно изменяются в гомологическом ряду: от С2Н4 до С4Н8 – газы, начиная с С5Н10 – жидкости, с С18Н36 – твердые вещества. Алкены практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях. Химические свойства: 1. Горят: С2Н4 + 3О2 → 2СО2 + 2Н2О + Q Так как в молекулах алкенов содержится двойная связь, одна из которых непрочная π-связь и может легко разрываться высвобождая валентности, то для них характерны реакции присоединения. 2. Гидратация: С2Н4 + Н2О С2Н5ОН (этанол) 3. Галогенирование: С2Н4 + Br2 C2H4Br2 (качественная реак-ция – обесцвечивание бромной воды). 4. Гидрогалогенирование: C2H4 + HCl C2H5Cl (хлорэтан)  Направление реакций гидратации и гидрогалогенирования определяется правилом Марковникова:При реакциях присоединения в алкенах по месту двойной связи водород присоединяется к тому ат.С,при котором больше водорода, а ОН и Hal идут к тому ат. С, при котором меньше водорода:   СH2=CH-CH3+HCl CH3-CHCl-CH3 | 5. Гидрирование: С2Н4 + Н2  С2Н6 этан 6. Полимеризация: nCH2=CH2 (-CH2-CH2-)n 7. Окисление: С2Н4  HO-CH2-CH2-OH (качеств.р-я-обесцвечивание р-ра KMnO4) 8. При жестком окислении алкенов кипящим раствором KMnO4 в кислой среде происходит полный разрыв двойной связи: 9. частичное окисление алкенов с   образованием циклических оксидов 10. Алкены вступают в реакцию изомеризации при нагревании в присутствии катализаторов (Al2O3). а) приводит или к перемещению p–связи:  б) или к перестройке углеродного скелета:  Получение 1.Крекинг алканов: С7Н16 → СН3 – СН=СН2 + С4Н10 2. Дегидрирование алканов С2Н6  С2Н4 + Н2 ↑ 3. Дегидратация спиртов С2Н5ОН  С2Н4 + Н2О 4. Гидрирование алкинов С2Н2 + Н2  С2Н4 5. Действием спиртового раствора щелочи на галогеналканы. |  Правило Зайцева: Отщепление атома водорода в реакциях дегалогенирования и дегидратации происходит преимущественно от наименее гидрогенизированного атома углерода.  6. Дегалогенирование дигалогеналканов, имеющих атомы галогена у соседних атомов углерода, при действии активных металлов :  Б-7-АЛКАДИЕНЫ Диеновые углеводороды(алкадиены) – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат две двойных связи. Общая формула алкадиенов: СnH2n-2 Представители: С3Н4 – пропадиен СН2=С = СН2 С4Н6 – бутадиен СН2=С = СН – СН3 С5Н8 – пентадиен СН2=С = СН – СН2-СН3  Строение диеновых углеводородов рассмотрим на примере бутадиена-1,3. атомы углерода в его молекуле находятся в состоянии sp2-гибридизации. Гибридные облака атомов углерода располагаются под углом 1200  и лежат в одной плоскости. В этих направлениях они образуют по 3 σ-связи с другими атомами. Но у каждого атома углерода осталось по одному негибридизи-рованному p-облаку, которые располага-ются перпендикулярно плоскости молекулы и перекрываясь своими боковыми частями образуют 2 π-связи между атомами углерода. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Двойные связи в молекуле могут располагаться по разному: а) Примыкающие (двойные связи расположены друг за другом) СН2= С = СН – СН2 - бутадиен – 1,2 б) Сопряженные (двойные связи разделены только одной одинарной связью) СН2= СН – СН= СН2 - бутадиен – 1,3 (дивинил) в) Изолированные (двойные связи разделены двумя или более одинарными связями) СН2= СН - СН2 – СН = СН2 - пентадиен-1,4 По химическим свойствам алкадиены сходны с алкенами, но более активны. Однако сопряженные диены отличаются некоторыми особенностями. 1. Гидрирование При гидрировании бутадиена-1,3 получается бутен-2, т.е. происходит 1,4-присоединение. При этом двойные связи разрываются, к крайним атомам углерода С1 и С4 присоединяются атомы водорода, а свободные валентности образуют двойную связь между атомами С2 и С3  В присутствии катализатора Ni получается продукт полного гидрирования:  2. Галогенирование. (качеств.р-я – обесцве-чивание бромной воды. 1,4-присоединение:  1,2-присоединение:  При избытке брома присоединяется еще одна его молекула по месту оставшейся двойной связи с образованием 1,2,3,4-тетрабромбутана. 3. Легко полимеризуются |  бутадиеновый каучук 4. Присоединение галогеноводородов 1,4-присоединение СН2=СН-СН=СН2 +HCl →СН3-СН=СН-СН2Cl 1,2-присоединение  СН2=СН-СН=СН2 +HCl → СН3-СН-СН=СН2 Cl 5. Горят 2С4Н6 + 11О2 → 8СО2 + 6Н2О + Q Получение 1. Из этанола при одновременной дегидратации и дегидрировании: 2С2Н5ОН СН2=СН-СН=СН2 + Н2О+Н2↑ 2. Дегидрирование алкенов С4Н8 СН2=СН-СН=СН2 + Н2↑ 3. Дегидрирование алканов С4Н10  СН2=СН-СН=СН2 + 2Н2↑  4. Действие спиртового раствора щелочи на дигалогеналканы: 5. Дегидратация гликолей (двухатомных спиртов, или алкандиолов):  Б-8-АЛКИНЫ Непредельные углеводороды, молекулы которых содержат одну тройную связь называются алкинами. Общая формула алкинов: СnH2n-2 Гомологический ряд
Строение С2Н2 В молекуле ацетилена атомы углерода находятся в состоянии sр-гибридизации. Гибридные облака атомов углерода, | стремясь удалиться как можно дальше друг от друга, располагают-ся под  180о и в этих направлениях образуют по 2 σ-связи с другими атомами (1 σ-связь с сосед- ним атомом углерода и 1 σ-связь с атомом водорода). Поэтому молекула ацетилена имеет линейное строение. Негибридизи рованные р-облака, по одному от каждого атома углерода, располагаются во взаимно    перпендикулярных плоскостях и при боковом перекрытии образуют 2 π- связи между атомами углерода. Длина С ≡ С-связи = 0,12нм Химические свойства: 1. Горит коптящим пламенем: 2С2Н2 + 5О2 → 4СО2 + 2Н2О + Q Так как в молекуле алкинов 2π-связи, то для них характерны реакции присоединения. 2. Гидрирование: С2Н2 + Н2  С2Н6 этан 3. Галогенирование (обесцвечивание бромной воды – качественная реакция): СН ≡ СН + Br2 → CHBr – CHBr 1,1,2,2-тетрабромэтан 4. Присоединение галогеноводородов: СН ≡ СН + HCl → CH2 = CHCl - хлорвинил 5. Гидратация (реакция Кучерова) : СН ≡ СН + Н2О  СН3 – СОН уксусный альдегид 6. Обесцвечивание раствора КMnO4 (качественная реакция) СН ≡ СН + [O] + Н2О  НООС – СООН щавелевая кислота 7. Вступает в реакции замещения с оксидами металлов: | СН ≡ СН + Ag2O  AgC ≡ CAg + Н2О ацетиленид серебра  8. Ацетилен и его гомологи с концевой тройной связью R-С≡≡ СН проявляют слабые кислотные свойства: атомы водорода могут замещаться атомами металла. При этом образуются соли – ацетилениды : Если тройная связь находится не на конце цепи, то кислотные свойства отсутствуют (нет подвижного атома водорода) и ацетилениды не образуются СН3- С≡ С-СН3 + Ag2O (Na) ≠ 9. Полимеризация ацетилена: а) тримеризация 3 С2Н2  С6Н6 - бензол б) димеризация 2С2Н2  СН2=СН – С ≡ СН-винилацетилен Получение 1. Действием воды на карбид кальция: СаС2 + 2 Н2О → Са(ОН)2 + С2Н2↑ 2. Неполное термическое разложение метана: 2СН4  ↑+ 3Н2↑ 3. Дегидрирование алканов: С2Н6  С2Н2 + 2Н2↑ 4. Действием спиртового раствора щелочи на дигалогеналканы. СН3-СНBr – СНBr –СН3 + 2КОН → СН3-С ≡ С–СН3 + 2KBr + 2H2O СН3-СН2 – СНBr 2 –СН3 + 2КОН → СН3-С ≡ С–СН3 + 2KBr + 2H2O | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Б-11-АРЕНЫ Ароматические углеводороды(арены) – соединения, молекулы которых содержат устойчивые циклические структуры – бензольные кольца, с особым характером связи. Общая формула аренов: СnH2n-6 Строение: Молекула бензола представляет собой правильный шестиугольник, лежащий в одной плоскости.  Атомы углерода в молекуле бензола находятся в состоянии sр2-гибридизации. Гибридные облака по 3 от каждого атома углерода располагаются под 120о друг к другу и в этих направлениях образуют по 3σ-связи с соседними атомами (2σ-связи с атомами углерода и 1σ-связь с атомом водорода). Негибридизированные р-облака, по одному от каждого атома углерода, располагаются перпендикулярно плоскости кольца. Перекрываясь своими боковыми частями, р-облака образуют между атомами углерода дополнительно 6 π-связей. р-электроны в молекуле бензола делокализо ваны и образуют единое шести- р-электронное облако. , расположенное в виде двух «бубликов» сверху и снизу бензольного кольца.   Электронная плотность распределяется в молекуле равномерно, все связи между атомами совершенно одинаковы.  Поэтому структурная формула бензола:   СН   НС СН или НС СН СН | В молекуле бензола ароматическая связь – полуторная, т.е. промежуточная между σ- и π-связью. Химические свойства: 1. Горит коптящим пламенем: 2С6Н6 + 15О2 → 12СО2 + 6Н2О  Так как в молекуле бензола связь промежуточная между σ- и π-связью, то он будет проявлять свойства предельных и непредельных углеводородов. 2. Реакции замещения: а) галогенирование (но бромную воду не обесцвечивает). С6Н6 + Br2  С6Н5Br +HBr б) нитрование: С6Н6 + HNO3  С6Н5NO2 + H2O Нитробензол  в) алкилирование -замещение водорода на у/в радикал В:Бензол вступает в р-ии замещения как предельные у/в, но они у него протекают легче. 3. Реакции присоединения. а) гидрирование С6Н6 + 3Н2  С6Н12 (циклогексан) б) галогенирование на свету: С6Н6 + 3Cl2  С6Н6Cl6 Гексахлорциклогексан Получение: 1. Выделяют из нефти, каменного угля. 2. Дегидрирование циклопарафинов: С6Н12  С6Н6 + 3Н2↑ 3. Дегидрирование и циклизация алканов: С6Н14 С6Н6 + 4Н2↑ 4. Тримеризация ацетилена: | 3 С2Н2 С6Н6 ГОМОЛОГИ БЕНЗОЛА Гомологи бензола – соединения, образованные заменой одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы (R): Если радикалов два или более, их положение указывается номерами атомов углерода в кольце, с которыми они связаны. Нумерацию кольца проводят так, чтобы номера радикалов были наименьшими или положение заместителей указывают перед тривиальным названием соединения приставками: орто- (о-) заместители у соседних атомов углерода кольца, т.е. 1,2-; мета- (м-) заместители через один атом углерода (1,3-); пара- (п-) заместители на противоположных сторонах кольца (1,4-)  Ароматические одновалентные радикалы имеют общее название "арил". Из них наиболее распространены два: C6H5- (фенил) и C6H5CH2- (бензил). Физические свойства. Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкие вещества, нерастворимые в воде, но хорошо растворяющиеся во многих органических жидкостях. Легче воды. Огнеопасны. Бензол токсичен (вызывает заболевание крови – лейкемию). | Химические свойства Сходства с бензолом 1. Гидрирование СН3–С6Н5 + 3Н2 СН3–С6Н11 Метилциклогексан Различия с бензолом Метильная группа СH3 повышает электронную плотность в бензольном кольце в положениях 2, 4, 6  1. При нитровании толуола С6Н5CH3 (70°С) происходит замещение не одного, а трех атомов водоро -да с образованием 2,4,6-тринитротолуола:  2. При бромировании толуола также замещаются три атома водорода: СН3–С6Н5 + 3Br2 СН3–С6Н2Br3 + 3HBr Под влиянием бензольного кольца метильная группа СH3 в толуоле становится более активной в реакциях окисления и радикального замещения. 3. Толуол окисляется в мягких условиях (обесцвечивает подкисленный раствор KMnO4 при нагревании): С6Н5– СН3 +3[O] → С6Н5 – COOH + H2O 4. реакция замещения в радикале на галоген  Получение 1.Дегидрирование циклоалканов СН3–С6Н11  СН3–С6Н5 + 3Н2 2. Алкилирование бензола галогеналканами  |
Строение алканов рассмотрим на примере метана. Молекула метана в пространстве имеет форму тетраэдра. Атом углерода в молекулах алканов находится 
в состоянии sp3-гибридизации. Все 4 гибридных облака направлены большей частью к вершинам тетраэдра под углом 109028′ друг к другу. В этих направлениях атом углерода образует 
ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ.