Органический синтез - Северный Государственный

I. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1. 1. ЦЕЛЬ ПРЕПОДАВАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ:
 Определить роль органического синтеза как обобщающей дисциплины в создании теоретической и экспериментальной базы современной медицины.
 Достижение задач, сформулированных в п.2 данного раздела.
 Показать взаимосвязь органического синтеза с другими химическими и специальными медико-биологическими дисциплинами, как
представлено в п.3 данного раздела.
1. 2. ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ:
 Освоение теоретического фундамента синтеза органических соединений.
 Получение общих теоретических представлений о гетероциклических соединениях как вершине органического синтеза.
 Получение знаний о взаимосвязи строения, свойств и примениемых
синтетических методов.
 Получение навыков практической работы с органическими веществами.
 Изучение основ физико-химических методов исследования органических соединений.
 Формировать навыки организации и проведения самостоятельных
исследований.
 Формировать навыки работы с научной литературой.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по
направлению подготовки 060601 Медицинская биохимия.
Органический синтез относится к математическому, естественнонаучному и медико-биологическому циклу ООП. Учебный цикл имеет
базовую часть, представляющую собой совокупность требований,
обязательных при реализации основных образовательных программ
подготовки специалистов по направлению 060601 Медицинская биохимия.
Для успешного освоения органического синтеза необходимы знания
органической химии, некоторых разделов общей физики, биологии, общих
основ математики.
3. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
Компетенции, формируемые в результате освоения
дисциплины:
Коды
формируемых
компетенций
ОК-1
ОК-5
ОК-8
ПК-1
ПК-24
ПК-26
Компетенции
Общекультурные компетенции
Способность и готовность анализировать социальнозначимые проблемы и процессы, использовать на
практике методы гуманитарных, естественнонаучных,
медико-биологических и клинических наук в различных
видах профессиональной и социальной деятельности
Способность
и
готовность
к
логическому
и
аргументированному анализу, к публичной речи, ведению
дискуссии и полемики, к редактированию текстов
профессионального содержания, к осуществлению
воспитательной и педагогической деятельности, к
сотрудничеству
и
разрешению
конфликтов,
к
толерантности.
Способность
и
готовность
осуществлять
свою
деятельность с учетом принятых в обществе моральных и
правовых норм, соблюдать законы и нормативные
правовые акты по работе с конфиденциальной
информацией.
Профессиональные компетенции
Способность и готовность применять основные методы,
способы и средства получения, хранения, переработки
научной и профессиональной информации; получать
информацию из различных источников, в том числе с
использованием современных компьютерных средств,
сетевых технологий, баз данных и знаний.
Способен и готов прогнозировать направление и результат
физико-химических процессов и явлений, химических
превращений
биологических
важных
веществ,
происходящих в клетках различных тканей организма
человека, решать ситуационные задачи, моделирующие
физико–химические процессы протекающие в живом
организме.
Способен и готов работать на персональных компьютерах,
использовать основные пакеты программ, в том числе по
обработке
экспериментальных
и
клинико-
ПК-28
ПК-48
ПК-49
диагностических данных биохимических и медико–
генетических исследований .
Способен и готов проводить аналитическую работу с
информацией – учебной, научной, нормативно справочной
литературой и другими источниками.
Способность и готовность работать с научной
литературой, анализировать информацию, вести поиск,
превращать прочитанное в средство для решения
профессиональных задач (выделять основные положения,
следствия из них и предложения).
Способность и готовность к участию в постановке
научных задач и их экспериментальной реализации.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Студент должен знать:
 теоретические основы органической химии (классификационные признаки органических соединений, общую систематику, пространственное строение, электронное строение, механизмы реакций);
 строение и закономерности химического поведения органических соединений разных классов, в том числе и природных соединений;
 лабораторную технику эксперимента;
 технику безопасности и правила работы в химической лаборатории.
Студент должен уметь:
 ориентироваться в классификации, строении, свойствах органических
соединений, имеющих биологическое значение;
 писать формулы органических соединений по названиям;
 называть органические соединения по структурным формулам;
 использовать проекционные и перспективные формулы для понимания
пространственного строения органических соединений;
 называть органические соединения с учётом их конфигурации;
 делать предположение о наиболее вероятных механизмах реакций, их
направлениях, относительной скорости;
 предсказывать наиболее характерные реакции для органических соединений, распространённых в природе;
 очистить жидкость перегонкой;
 экстрагировать вещество из раствора;
 перекристаллизовать вещество из растворителя;
 провести высушивание жидкого и твёрдого вещества;
 провести отделение твёрдого вещества фильтрованием под вакуумом;
 провести перегонку в вакууме, перегонку с водяным паром;
 определять температуру кипения и плавления, показатель преломления, плотность;
 собирать приборы, состоящие из лабораторной посуды;
 применять качественные реакции для анализа и идентификации функциональных групп;
 выполнять синтезы органических веществ разных классов по методикам;
 выполнять необходимые для синтеза расчёты по предлагаемым методикам;
 пользоваться справочной химической литературой;
 вести лабораторный журнал, записывать экспериментальные данные,
интерпретировать экспериментальные результаты;
 применять логику химического мышления для объяснения основ жизнедеятельности;
 соблюдать правила охраны труда и техники безопасности при работе с
органическими веществами.
Студент должен владеть:
 навыками использования теоретических знаний по предмету для объяснения особенностей различных химических процессов;
 навыками практической работы по постановке химического эксперимента;
 навыками составления отчетной документации;
 навыками работы с научной литературой;
 навыками работы с химическими реактивами и посудой.
4. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы.
Вид учебной работы
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Лекции
Практические занятия
Самостоятельная работа (всего)
Общая трудоемкость (час)
Всего часов
Семестр
72
4
24
48
36
108
4
4
4
4
5. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
РАЗДЕЛ 1. Органический синтез.
1. Методы разделения и очистки твёрдых и жидких органических соединений.
2. Синтез бромэтана.
3. Синтез сульфаниловой кислоты.
4. Синтез нитробензола.
5. Синтез диэтилфталата.
6. Синтез -нафтолоранжа.
7. Малоновая кислота и малоновый эфир: строение, свойства и использование для синтезов.
8. Ацетоуксусная кислота и ацетоуксусный эфир: строение, свойства, получение и использование для синтезов.
РАЗДЕЛ 2 Гетероциклические соединения.
9. Гетероциклические соединения. Классификация, номенклатура. Трёх- и
четырёхчленные гетероциклические системы: строение, свойства. Циклические простые эфиры.
10. Пятичленные гетероциклы: классификация. Пиррол, фуран, тиофен: строение, ароматичность. Химические свойства: кислотно-основные превращения (ацидофобность), реакции замещения, присоединения. Сравнение
реакционой способности в реакциях электрофильного замещения пятичленных гетероциклов, бензола, анилина, фенола. Индол. Природные соединения, содержащие кольца пиррола, индола, имидазола. Гем. Биологическое и медицинское значение производных пятичленных гетероциклов.
Понятие о строении хлорофилла и гемоглобина. Лекарственные препараты
на основе пиразола.
11. Шестичленные гетероциклы: классификация. Пиридин, пиримидин, пурин: строение, ароматичность, основность. Химические свойства пиридина и пиримидина: реакции алкилирования, электрофильного, нуклеофильного и радикального замещения в кольцо, гидрирования, окисления. Природные соединения, содержащие кольца пиридина, пиримидина, пурина.
Биологическое значение производных шестичленных гетероциклов. Витамины ряда пиридина. Хинолин, общая характеристика. Природные соединения хинолина.
12. Нуклеиновые кислоты. Химический состав нуклеиновых кислот. Характеристика пиримидиновых и пуриновых оснований в составе нуклеиновых
кислот. Нуклеотиды и нуклеозиды. Два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Различия в их составе, молекулярной массе, локализации в клетке и функциям. Дезоксирибонуклеиновая кислота: нуклеотидный состав, первичная, вторичная и третичная структура. Понятия о комплементарности. Свойства ДНК. Рибону-
клеиновые кислоты, их классификация (тРНК, рРНК, иРНК, яРНК, вРНК).
Сравнительная характеристика видов рибонуклеиновых кислот по молекулярной массе, нуклеотидному составу, локализации и функциям. АТФ и
её роль в организме.
13. Алкалоиды: определение, классификация. Природные соединения, содержащие алкалоиды. Биологическое и медицинское значение. Важнейшие
представители.
14. Стероиды: строение, классификация, биологическая роль. Холестерин,
желчные кислоты, стероидные гормоны.
15. Природные и синтетические физиологически важные органические соединения. Классификация, примеры, строение, физиологическая роль. Витамины. Гормоны. Антибиотики. Яды. Лекарственные препараты. Понятие о взаимосвязи строения и физиологической активности соединений.
5.2. РАЗДЕЛЫ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ ЗАНЯТИЙ
№
п/п
Раздел
1
Гетероциклические
соединения
Органический
синтез
2
Лекции
Практические Лабораторные
(трудоемкость,
занятия
работы
час)
(трудоемкость, (трудоемкость,
час)
час)
20
13
–
Всего
4
–
35
24
13
35
6. ИНТЕРАКТИВНЫЕ ФОРМЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЙ
№
п/п
1.
Наименование раздела
дисциплины
Синтезы на основе
малонового и
ацетоуксусного эфиров
2.
Побочные процессы в
органическом синтезе
Интерактивные формы Длительность
проведения занятий
(час.)
Работа в малых группах с
4
последующим
обсуждением результатов
всей группой
Взаимодействие
3
студентов друг с другом и
преподавателем путем
обсуждения ответов на
вопросы преподавателя
Итого (час.)
7
Итого (% от аудиторных
10
занятий)
7. ВНЕАУДИТОРНАЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
СТУДЕНТОВ
№
п/п
Кол-во
часов
Перечень вопросов и заданий
1
Растворитель и катализатор в органических
реакциях.
Понятие
о
протонных
и
апротонных растворителях.
6
2
Понятие скорости реакции, переходного
состояния
и
промежуточных
частиц.
Молекулярность
реакции.
Механизм
органической реакции.
Методы УФ, ИК и ЯМР-спектроскопии.
5
4
Общие и специальные
углеводородов.
синтеза
6
5
Синтез аминокислот. Методы определения
аминокислотного
состава
и
последовательности аминокислот. Понятие об
основных этапах пептидного синтеза.
Методы получения чистых органических
веществ.
Идентификация
органических
веществ.
7
3
6
Всего часов
методы
4
8
36
Виды
самостояте
льной
работы
Подготовка
доклада
Форма
контроля
Коррекция
подготовленного
доклада
Подготовка Коррекция
доклада
подготовленного
доклада
Подготовка Коррекция
доклада
подготовленного
доклада
Подготовка Коррекция
доклада
подготовленного
доклада
СоставлеКонтрольние презен- ная работа
таций
Подготовка
доклада
Коррекция
подготовленного
доклада
8. ФОРМЫ КОНТРОЛЯ
8.1. Формы текущего контроля
- устный опрос по теме занятия;
- письменный контроль – проверка тестовых заданий, контрольных
работ, курсовых работ, задач, конспектов, оформленных лабораторных работ.
8.2. Формы промежуточной аттестации:
По окончании семестра студентам выставляется зачет по итогами
текущей успеваемости.
9. УЧЕБНО- МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ.
9.1. ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА:
1. Щеголев А.Е. Органическая химия / А.Е. Щеголев.— Архангельск : Изда-
тельский центр СГМУ, 2008.— 618 с.
2. Органическая химия. Кн.2: Специальный курс / Под ред. Н.А. Тюкавкиной. – М. : Дрофа, 2009.— 592 с.
9.2. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА:
1.
2.
3.
4.
5.
Реутов О.А. Органическая химия: В 4 ч. / О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П.
Бутин.— М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004.
Джоуль Дж. Химия гетероциклических соединений / Дж. Джоуль, К.
Миллс.— М. : Мир, 2004.— 728 с., ил.
Ким А.М. Органическая химия : учеб. пособие для вузов.— Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2004.— 844 с.
Органическая химия (в вопросах и ответах) / Под ред. Б.А. Ивина и Л.Б.
Пиотровского.— СПб. : Наука, 2002.— 510 с.
Курц А.Л. Задачи по органической химии с решениями / А.Л. Курц, М.В.
Ливанцов, А.В. Чепраков, Л.И. Ливанцова, Г.С. Зайцева, М.М. Кабачник.— М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004.— 264 с., ил.
9.3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ:
1. http:www.nlm.nih.gov – национальная медицинская библиотека
2. http:www.pcweek.ru –медицинские информационные системы.
10. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ.
Кафедра оснащена
1.
Мультимедийным
проектором
(для
презентации
лекций;
специализированными химическими лабораториями, оборудованными
лабораторными столами, стульями, вытяжными шкафами.
В лабораторных помещениях имеются:
2. Набор посуды и химических реактивов для всех лабораторных работ.
3. Весы: технические, электронные.
4. Набор шаростержневых моделей молекул.
5. Таблицы, схемы и рисунки по темам:
- правила работы в химической лаборатории;
- периодическая система химических элементов;
- типы химических связей;
- виды гибридизации.
Приложение 1
ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ
по органическому синтезу
№
Тема
п/п
1 Методы разделения и очистки твёрдых и жидких органических соединений.
2 Методы синтеза органических соединений.
3 Гетероциклические соединения: классификация, распространение в природе,
медико-биологическое значение. Трёх- и четырёхчленные циклы и их производные.
4 Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом: строение, ароматичность,
свойства. Понятие о строении хлорофилла и гемоглобина.
5 Пятичленные гетероциклы с двумя
гетероатомомами: строение, свойства.
Лекарственные препараты на основе пиразола.
6 Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом: строение, ароматичность,
свойства пиридина. Витамины ряда пиридина.
7 Шестичленные гетероциклы с двумя гетероатомомами. Пиримидин: строение,
свойства. Строение пиримидиновых оснований. Пурин и его производные. Мочевая
кислота Пуриновые основания.
8 Нуклеозиды, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты: строение, биологическая роль.
Строение АТФ.
9 Алкалоиды: классификация, свойства, нахождение в природе, биологическая роль,
лекарственные препараты на их основе.
10 Стероиды: строение, классификация, биологическая роль. Холестерин, Желчные
кислоты, стероидные гормоны.
11 Природные и синтетические физиологически важные органические соединения.
Классификация, строение, физиологическая роль.
12 Взаимосвязь строения и физиологической активности. Количественный учёт влияния
заместителей на химические и физиологические свойства органических соединений.
Приложение 2
КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ ПО
ОРГАНИЧЕСКОМУ СИНТЕЗУ
№
Руководство для
Тема занятия
п/
выполнения
Название лабораторной работы
п
лабораторных работ
1 Практическое занятие. Пятичленные
гетероциклы с одним гетероатомом.
2 Практическое занятие. Пятичленные
гетероциклы с двумя гетероатомами.
3 Практическое занятие. Шестичленные
гетероциклы с одним гетероатомом.
4 Практическое занятие. Шестичленные
гетероциклы с двумя гетероатомами.
5 Практическое занятие. Пиримидин,
пурин и их производные. Азотистые
основания
нуклеиновых
кислот.
Алкалоиды.
6 Практическое занятие. Нуклеозиды,
нуклеотиды, нуклеиновые кислоты.
АТФ. Алкалоиды.
Контрольная работа по теме занятия.
7 Методы разделения, очистки и Щеголев А.Е. Метод.
идентификации
органических рекоменд. к лаб.веществ.
практ. занятиям по
орг. химии.– 2010 С.152-161
8 Синтез бромэтана.
Щеголев А.Е. Метод.
рекоменд. к лаб.практ. занятиям по
орг. химии.– 2010 С.162-163
9 Синтез сульфаниловой кислоты.
Щеголев А.Е. Метод.
рекоменд. к лаб.практ. занятиям по
орг. химии.– 2010 С.163
10 Синтез нитробензола.
Щеголев А.Е. Метод.
рекоменд. к лаб.практ. занятиям по
орг. химии.– 2010 С.164
Дата
I гр II
гр
11 Синтез -нафтолранжа.
12 Синтез диэтилфталата.
13 Итоговое зачётное занятие
Щеголев А.Е. Метод.
рекоменд. к лаб.практ. занятиям по
орг. химии.– 2010 С.165
Щеголев А.Е. Метод.
рекоменд. к лаб.практ. занятиям по
орг. химии.– 2010 С.166
Приложение 3
ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЁТУ
1. Гетероциклические соединения. Классификация, номенклатура. Трёх- и
2.
3.
4.
5.
6.
7.
четырёхчленные гетероциклические системы: строение, свойства. Циклические простые эфиры.
Пятичленные гетероциклы: классификация. Пиррол, фуран, тиофен: строение, ароматичность. Химические свойства: кислотно-основные превращения (ацидофобность), реакции замещения, присоединения. Сравнение
реакционой способности в реакциях электрофильного замещения пятичленных гетероциклов, бензола, анилина, фенола. Индол. Природные соединения, содержащие кольца пиррола, индола, имидазола. Гем. Биологическое и медицинское значение производных пятичленных гетероциклов.
Понятие о строении хлорофилла и гемоглобина. Лекарственные препараты
на основе пиразола.
Шестичленные гетероциклы: классификация. Пиридин, пиримидин, пурин: строение, ароматичность, основность. Химические свойства пиридина и пиримидина: реакции алкилирования, электрофильного, нуклеофильного и радикального замещения в кольцо, гидрирования, окисления. Природные соединения, содержащие кольца пиридина, пиримидина, пурина.
Биологическое значение производных шестичленных гетероциклов. Витамины ряда пиридина. Хинолин, общая характеристика. Природные соединения хинолина.
Нуклеиновые кислоты. Химический состав нуклеиновых кислот. Характеристика пиримидиновых и пуриновых оснований в составе нуклеиновых
кислот. Нуклеотиды и нуклеозиды. Два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Различия в их составе, молекулярной массе, локализации в клетке и функциям. Дезоксирибонуклеиновая кислота: нуклеотидный состав, первичная, вторичная и третичная структура. Понятия о комплементарности. Свойства ДНК. Рибонуклеиновые кислоты, их классификация (тРНК, рРНК, иРНК, яРНК, вРНК).
Сравнительная характеристика видов рибонуклеиновых кислот по молекулярной массе, нуклеотидному составу, локализации и функциям. АТФ и
её роль в организме.
Алкалоиды: определение, классификация. Природные соединения, содержащие алкалоиды. Биологическое и медицинское значение. Важнейшие
представители.
Стероиды: строение, классификация, биологическая роль. Холестерин,
желчные кислоты, стероидные гормоны.
Природные и синтетические физиологически важные органические соединения. Классификация, примеры, строение, физиологическая роль. Витамины. Гормоны. Антибиотики. Яды. Лекарственные препараты. Понятие о взаимосвязи строения и физиологической активности соединений.
Министерство Здравоохранения и социального развития Российской
Федерации
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«СЕВЕРНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Министерство здравоохранения и социального развития Российской
Федерации
Методические рекомендации
для преподавателей
по дисциплине
«Органический синтез»
для специальности
«Медицинская
биохимия»
2012 г.
Современные подходы к проблематике дисциплины
Органический синтез относится к элективам, но по сути является
естественнонаучной дисциплиной, предшествующей для изучения таких
дисциплин как биохимия, биофизика, физиология, фармакология и, поэтому
является базовой основой для их последующего изучения. От качества
освоения дисциплины «Органический синтез» в конечном итоге зависит
качество освоения последующих дисциплин медико-биологического
профиля, а также профессиональных дисциплин, что в свою очередь может
повлиять на качество будущего специалиста.
Современный рынок труда требует высокообразованных специалистов,
способных и готовых применять современные технологии, знающих и
разбирающихся в новейших достижениях, используемых в клиниколабораторной диагностике. Именно поэтому, в процессе преподавания
дисциплины «Органический синтез», наряду с классическими знаниями по
предмету, преподаватель должен обратить внимание на современные аспекты
данной дисциплины, например, при изучении свойств органических
соединений необходимо показать их биологическую значимость, обратить
внимание на выполняемые физиологические функции и современные методы
физической химии, используемые в клинических лабораториях, а также в
научных изысканиях.
В настоящее время имеется достаточно современной литературы для
качественного изучения проблем как органической, так, что позволяет
преподавателю рекомендовать студентам современную литературу по
предмету, которая имеется в необходимом количестве в библиотеке.
Все современные учебные пособия и учебники по органическому
синтезу для студентов медицинских вузов рассматривают теоретические
вопросы по данному предмету в приложении к биологическим системам, что
создает возможность уже с младших курсов помочь студентам освоить
теоретический материал по предмету. Для знакомства студентов с
современными воззрениями на дисциплину, а также возможности
применения современных методов в клинической лабораторной диагностике,
необходимо рекомендовать студентам шире использовать для подготовки к
занятиям и при самостоятельном изучении некоторых разделов дисциплины
интернет-ресурсы, а также современную зарубежную литературу по медикобиологическим проблемам.
1. Образовательные технологии
Дисциплина «Органический синтез» изучается в четвёртом семестре,
именно поэтому так важно привить интерес к ней и к процессу обучения в
целом. Крайне важно заинтересовать студента процессом саморазвития и
самосовершенствования, что, естественно, скажется на качестве выпускника.
1.1. Активные и интерактивные формы проведения занятий.
По дисциплине «Органическая и физическая химия» можно предложить
следующие активные и интерактивные формы:
N
Интерактивные формы
Наименование раздела дисциплины
п/п
проведения занятий
1
Пиримидиновые и пуриновые
Разбор конкретных ситуаций
нуклеиновые основания, их свойства
(решение проблем,
поставленных в конкретной
задаче)
2
Методы разделения и очистки
Деловая игра:
органических веществ
прогнозирование нештатных
ситуаций
3
Методы синтеза органических
Деловая игра:
соединений
прогнозирование нештатных
ситуаций
Деловые игры могут быть проведены по любому сценарию, удобному
для преподавателя и студентов, например, любая деловая игра по теме
«Методы синтеза органических соединений» можно провести следующим
образом:
Преподаватель делит группу на 2 (3,4) команды и определяет следующие
задачи командам:
1. Определить перечень побочных реакций, протекающих при синтезе того
или иного соединения.
2. Выбрать одну из таких побочных реакций.
3. Определить условия при которых она может протекать.
4. Принять меры по изменению таких условий и предотвращению
протекания данной реакции.
5. Уложиться во времени (необходимо определить временные рамки);
Подведение итогов и выбор победителя.
Необходимо учитывать при определении общего количества баллов все
этапы исследования:
- полноту перечня побочных реакций,
- точность условий протекания данной реакции,
- правильность принятия мер.
Определяется общая сумма баллов и определяется победитель.
1.2.
Организация и контроль самостоятельной работы обучающихся
Самостоятельная работа студентов – важный этап обучения, способный
помочь студенту самостоятельно пользоваться научной литературой,
выбирая основное, главное. Самостоятельная работа поможет студенту
делать самостоятельный выбор, принимать самостоятельные решения.
Новые федеральные стандарты третьего поколения отводят достаточно
много времени на самостоятельную работу студентов, доля часов,
выделенных на самостоятельную работу, составляет 50% от часов
аудиторной работы. Для повышения её эффективности, необходимо
разнообразить её формы. При изучении дисциплины «Органический синтез»
можно использовать:
- подготовку рефератов по медико-биологическим проблемам;
- подготовку студентами слайд - презентаций по современным методам
исследования;
- проведение самостоятельных исследований по синтезу,
-подготовку групповых (курсовых) учебных конференций по отдельным
темам предмета и др.
При этом рекомендуется контролировать поэтапное выполнение
самостоятельных заданий, студент должен представить преподавателю план
своей самостоятельной работы. Результаты самостоятельной работы должны
быть оценены преподавателем или студентами и обязательно учитываться
при подведении общего балла по предмету.
2. Принципы и критерии оценивания результатов обучения.
Для контроля знаний студентов и степени освоения материала
рекомендуется использовать текущий и итоговый контроль знаний
студентов. Текущий контроль проводится в виде проверки подготовки к
практическим занятиям в виде устного опроса по вопросам, предложенным
студентам для подготовки к занятию. Оценивать качество подготовки к
занятию таким способом можно по традиционной пятибалльной системе.
Для контроля освоения отдельных тем дисциплины, можно
рекомендовать проведение обычных письменных контрольных работ, а также
небольших тестовых заданий в компьютерном классе или обычной учебной
аудитории, поэтому проверяемых преподавателем вручную. Однако не стоит
весь контроль освоения дисциплины проводить только с помощью тестов.
Использование только компьютерной проверки знаний не всегда даёт
преподавателю возможность иметь полное представление о качестве
освоения той или иной темы каждым студентом. Целесообразнее сочетать
различные способы проверки степени освоения учебного материала.
Например, при изучении дисциплины «Органический синтез» можно
рекомендовать проведение рубежных контролей знаний по следующим
темам дисциплины:
1. Пятичленные гетероциклические соединения.
2. Шестичленные гетероциклические соединения.
3. Нуклеиновые основания, нуклеозиды, нуклеотиды, нуклеиновые
кислоты.
4. Методы разделения и очистки органических веществ.
5. Методы синтеза органических соединений,
которые могут быть представлены в различном виде (в виде обычных
тестовых заданий с одним или несколькими вариантами ответов,
компьютерных тестов, а также традиционных письменных контрольных
работ). В любом случае, студенты должны быть ознакомлены с критериями,
исходя из которых будет оценена каждая из его работ. Можно рекомендовать
следующую шкалу оценивания результатов работы:
-оценка «отлично» - 95%-100% правильных ответов
-оценка «хорошо» - от 80% до 94% правильных ответов
-оценка «удовлетворительно» -в случае 60%-79% правильных ответов
-оценка «неудовлетворительно» - менее 60% правильных ответов.
Итоговым контролем знаний является зачёт, который можно провести в
два этапа:
-решение задачи по определению пути синтеза;
-устное собеседование по предмету.
Зачёт считается сданным при правильном варианте решения и при
полном устном ответе.
Федеральное агентство по здравоохранению и социальному развитию
Северный научный центр РАМН
Северный государственный медицинский университет
Методические рекомендации
к лабораторно-практическим
занятиям
по органической химии
Архангельск
Издательский центр СГМУ
2008 год
Печатается по решению центрального
координационно-методического совета
Северного государственного
медицинского университета
Авторы-составители: А.Е. Щеголев, канд. хим. наук, доцент
кафедры биомедхимии СГМУ
Л.Н. Ботнареску, преподаватель кафедры
биомедхимии СГМУ
Рецензенты:
Е.А. Айвазова, канд. биол. наук, доцент кафедры
биомедхимии СГМУ;
Н.Б. Чагина, канд. техн. наук, доцент кафедры химии
ПГУ имени М.В. Ломоносова
Методические рекомендации содержат материал для подготовки студентов к
лабораторно-практическим и семинарским занятиям по органической химии.
Сформулированы типовые обучающие вопросы и эталонные ответы на них. Приведены
контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения. В разделе лабораторного
практикума по органическому синтезу содержится теоретический и практический
материал, необходимый для подготовки студентов к занятиям практикума. В брошюре
приведен необходимый минимум работ по синтезу как завершающей части обучения
студентов органической химии.
Методические рекомендации предназначены для студентов медико-биохимических и
фармацевтических специальностей медицинских вузов. Могут быть полезны также и
студентам химических специальностей других вузов и факультетов.
© Щеголев А.Е., 2008
© Северный государственный
медицинский университет, 2008
Весь изучаемый материал по органической химии распределён по главам,
соответствующим тематике лабораторно-практических и семинарских
занятий, а также занятиям по органическому синтезу. Основой для
изучения органической химии служат учебники и учебные пособия,
приведённые в списке литературы, и лекции по органической химии,
читаемые на данном факультете.
ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ
И СЕМИНАРСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Занятие 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ
Вопросы для подготовки к занятию
Состав органических веществ. Основные органогены. Классификация
органических соединений. Важнейшие функциональные группы. Структурная изомерия. Гибридизация атомных орбиталей на примере различных валентных состояний атома углерода. Основные характеристики ковалентной
связи (энергия, длина, полярность, поляризуемость): -, -, -связи. Электронные эффекты заместителей. Различные типы сопряжённых систем.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Какие атомы или атомные группировки обладают положительным,
а какие – отрицательным индуктивным эффектом:
-F, -Br, -CН2СH2F, -+NH3, -OC2H5, -К, -СаBr, -CH2CH2CH3 ?
Ответ. Положительным индуктивным эффектом (+I-эффектом) обладают
атомы и атомные группировки, менее электроотрицательные по сравнению с
атомом углерода, а также алкильные группы (насыщенные углеводородные
заместители). Среди перечисленных такими являются атом калия К, группировка, в которой первый атом — атом кальция -СаBr, и заместитель CH2CH2CH3.
Отрицательным индуктивным эффектом (–I-эффектом) обладают атомы и атомные группировки, более электроотрицательные по сравнению с
атомом углерода. Сюда относятся случаи, когда первый атом в группировке
заместителя – это атом более электроотрицательного элемента: -F, -Br, OC2H5, а также углеводородные заместители, содержащие электроотрицательные атомы: -CН2СH2F. Положительный заряд на одном из атомов заместителя резко увеличивает его электроотрицательность, поэтому аммонийная
группа -NH3+ обладает наибольшим (по модулю) –I-эффектом.
Вопрос 2. Что такое сопряжение и в каких случаях оно возникает?
Ответ.
Сопряжением
называется
явление
образования
единой
π-электронной системы в молекуле, свободном радикале или ионе путём бокового перекрывания негибридных p-орбиталей трёх или более соседних
атомов, оси симметрии которых параллельны. Следовательно, оно характерно для соединений, содержащих негибридные p-орбитали в непрерывной цепи атомов. (Возможно также сверхсопряжение, в котором могут участвовать
p-орбитали только одного или двух атомов углерода). В зависимости от природы перекрывающихся орбиталей различают два основных вида сопряжения: π-π- и р-π-сопряжения. В первом случае — это перекрывание двух (или
нескольких) π-связей, разделённых ординарной связью, например, в бутадиене-1,3 или акролеине. Во втором случае — это перекрывание орбитали πсвязи с вакантной p-орбиталью соседнего с ней атома или с p-орбиталью с
неподелённой парой электронов или с неспаренным электроном.
Вопрос 3. Какие электронные эффекты проявляет аминогруппа в каждом из
следующих соединений: CH3–CH=CH-NH2 (I) и CH2=CH-CH2-NH2 (II)?
Ответ. В молекуле пропенил-1-амина (I) CH3–CH=CH-NH2 аминогруппа обладает отрицательным индуктивным эффектом, так как азот более электроотрицателен по сравнению с атомом углерода. Однако мезомерный эффект,
проявляемый этой функциональной группой, будет донорный, т.е. положительный за счёт того, что рz-орбиталь с неподелённой парой электронов азота может участвовать в сопряжении с орбиталями π-связи (р-π-сопряжение).
Схематично это можно показать следующим образом:
:
CH3-CH=CH
NH2
–I, +М.
В молекуле аллиламина (II) CH2=CH-CH2-NH2 возможно только проявление
индуктивного эффекта аминогруппой по отношению к углеводородной части
молекулы. Сопряжение, подобное тому, что наблюдается в соединении (I),
здесь невозможно поскольку аминогруппа и атомы углерода, участвующие в
образовании π-связи, разделены насыщенным атомом углерода (подчёркнуто):
:
CH2=CH-CH2
NH2 –I.
Контрольные вопросы и задачи
1. Какие атомы или атомные группировки обладают положительным, а какие
—
отрицательным
индуктивным
эффектом:
1) -CH2F, 2) -Li, 3) -NH2, 4) -CHF2, 5) -CF3, 6) -I, 7) -Si(CH3)3,
8) -CH3, 9) -Na, 10) -CH2OH, 11) -CCl3, 12) -SH, 13) -NO2,
14) -PH3+, 15) -MgBr, 16) -NO2, 17) -CHCl2, 18) -CF3, 19) -Cl,
20) -BH3, 21) -CH=O, 22) -OH, 23) -C2H5, 24) -CdCl, 25) -CH2Cl, 26) CH2CH2CH2CH3 ?
2. Какие атомы или атомные группировки могут проявлять положительный, а
какие
—
отрицательным
мезомерный
эффект:
1) -F, 2) -CH=O, 3) -NH2, 4) -OCH3, 5) -COOH, 6) -COCl, 7) -NO2, 8) -Br, 9)
-CH=CH-Cl, 10) -O-CH=O ?
Занятие 2. СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ
Вопросы для подготовки к занятию
Пространственное строение органических соединений. Понятие о
пространственной изомерии. Оптическая изомерия. Хиральность молекул.
Проекционные формулы Э. Фишера. Абсолютная и относительная
конфигурации. Стереохимическая номенклатура Кана-Ингольда-Прелога (R-,
S-номенклатура). Понятие об D-, L-стереохимических рядах. Геометрическая
изомерия (относительно плоскости двойной связи и плоскости цикла).
Конформации органических молекул. Факторы, влияющие на стабилизацию
предпочтительной конформации. Проекционные формулы Ньюмена.
Конформации бутана, циклогексана, 2-хлорэтанола.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Какие атомы углерода являются хиральными центрами в следующих структурах: а) СН3-СНCl-СН2Cl, б) СН3-СНF-СНCl-СН3?
Ответ. Хиральным центром может быть асимметрический атом, находящийся в центре тетраэдра (в данном случае это sp3-гибридизованный атом углерода). Асимметрический атом должен образовывать -связи с четырьмя разными атомными группировками.
Первая из перечисленных структур (а) СН3-СНCl-СН2Cl имеет в своём
составе только один такой атом углерода. Этот атом находится в середине
углеродной цепи:
H
CH3 - C - CH2Cl
Cl
Два других углеродных атома имеют в своём окружении одинаковые группы.
(В данном случае каждый из них связан с двумя или тремя атомами водорода.)
Вторая из перечисленных структур (б) СН3-СНF-СНCl-СН3 имеет в
своём составе два атома углерода, образующие -связи с четырьмя разными
атомными группировками:
H H
CH3 - C - C - CH3
F Cl
Таким образом, в первом случае (а) имеется один хиральный центр, ответственный за наличие оптических изомеров, а во втором случае (б) — два
хиральных центра.
Вопрос 2. Изобразите при помощи формул Фишера оптические изомеры с
общей структурной формулой СН3-СНCl-СН2-СН3. Определите абсолютную
конфигурацию одного из них.
Ответ. Находим в структурной формуле асимметрический атом углерода,
являющийся хиральным центром. Это второй атом в углеродной цепи:
H
CH3 - C *- CH2CH3
Cl
В проекционных формулах Фишера углеродная цепь должна располагаться
вертикально. В данном случае нет принципиальной разницы, какая из атомных группировок (-СН3 или -СН2СН3) будет изображена вверху, а какая —
внизу. Два других (неуглеродных) атома у хирального центра располагаются
в формуле Фишера слева и справа от него. Химический символ асимметрического атома углерода не изображается. Тогда проекционные формулы двух
оптических изомеров будут отличаться расположением неуглеродных атомов
относительно хирального центра:
CH3
H
*
CH3
Cl
CH2CH3
Cl
*
H
CH2CH3
Для определения абсолютной конфигурации одного из этих изомеров
(например, первого) представим схему получения проекционной формулы
Фишера из пространственной формулы. В пространстве горизонтальные связи хирального центра С–Н и C–Cl расположены на переднем плане, а углеродная цепь — на заднем плане от асимметрического атома углерода:
CH3
H
Cl
CH2CH3
Полученный тетраэдр необходимо повернуть так, чтобы самая младшая
группа (по Кану-Инголду-Прелогу) оказалась наиболее удалённой от наблюдателя. Самая младшая здесь — это атом водорода. В результате получим:
CH3
H
CH2CH3
Cl
Тогда остальные группы располагаются по старшинству в указанном изогнутой стрелкой порядке. Получается движение против часовой стрелки. Это соответствует S-изомеру.
Вопрос 3. При помощи формул Ньюмена изобразите конформеры вещества
CH3 - CH - CH2 - CH3
CH3
относительно связи С2–С3 . Какие из них являются заслонёнными, а какие —
заторможенными?
Ответ. Для того, чтобы изобразить конформеры относительно данной углерод-углеродной связи, представим пространственное расположение групп у
атомов углерода при данной связи и затем поместим наблюдателя слева так,
чтобы один из атомов углерода этой связи заслонял другой.
CH3
H
2
H3C
CH3
3
H
H
Получим изображение, в котором оба атома углерода (и связь между ними)
спроецируются в точку, а три оставшиеся связи каждого из этих атомов углерода будут располагаться под углами 120 друг к другу. При этом ближайший к наблюдателю атом углерода обозначается точкой, а удалённый –
окружностью. Связи этих атомов в проекционной формуле проводятся соответственно из точки и от окружности:
H3C H
H3C
H
CH3
H
В данной конформации атомные группировки соседних атомов углерода
максимально сближены (они заслоняют друг друга). Положение молекулы
неустойчиво, она обладает максимальной потенциальной энергией. При некотором повороте вокруг связи С2–С3 эти атомные группировки переместятся, и расстояние между ними увеличится. Если этот угол (в проекции) составит 60, то такое расстояние будет максимальным:
H
H
H3C
60o
CH3
CH3
H
Такое положение молекулы устойчиво, и она обладает минимумом энергии.
Это заторможенная конформация.
При следующем повороте на 60 атомные группировки опять окажутся
сближенными, и в заслонённой конформации энергия молекулы опять достигнет своего максимального значения. Затем последует снова переход в заторможенную конформацию.
У следующих — пятого и шестого — полученных таким образом конформеров расположение атомных группировок окажется таким же, как и у третьего и
второго. Поэтому в итоге можно выделить только четыре конформера этого вещества относительно связи С2-С3:
H3C H
H3C
H
H
H
H
H H
H
CH3
H
CH3 H3C
CH3 H3C
H
H
H
CH3
CH3 H3C
CH3
CH3
Контрольные вопросы и задачи
1. Какие атомы углерода являются хиральными центрами в следующих
структурах:
1)
СН3-СНF-СН2F;
2)
СН3-СНFBr;
3) СН3-СНF-СН2-СН3; 4) СН2Br-СНF-СН3?
2. Изобразите при помощи формул Фишера оптические изомеры, соответствующие
следующим
структурным
формулам:
1)
СН3-СН(ОН)-СН2ОН,
2)
НОСН2-СН(NН2)-СН(ОН)-СOОН,
3) ClСН2-СН(ОН)-СН2Br. Определите их абсолютную конфигурацию.
3. При помощи формул Ньюмена изобразите конформеры вещества
СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 относительно связи С2–С3. Сравните их устойчивость.
Занятие 3. АЛКАНЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Номенклатура (заместительная и рациональная), изомерия и строение
предельных углеводородов. Физические свойства и их связь со строением.
Химические свойства. Механизм реакций радикального замещения:
галогенирования, нитрования. Направление радикальных реакций.
Региоселективные реакции. Распространение в природе и медикобиологическое значение предельных углеводородов.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК:
C2H5
CH3 - CH - CH2 - CH2 - CH - CH3
CH3 - CH - C - CH3
CH3
C2H5
CH3 C2H5
Ответ. В молекулах алканов отсутствуют функциональные группы и кратные связи, и поэтому выбор родоначальной структуры определяется протяжённостью углеродной цепи. В первом случае она включает семь атомов углерода, а во втором — пять. Нумерация атомов углерода производится таким
образом, чтобы заместители получили наименьшие номера.
1
2
3
4
CH3 - CH - CH2 - CH2 - CH - CH3
CH3
CH2 - CH3
6
C2H5
CH3 - CH - C - CH3
CH3 CH2 - CH3
1
5
7
2
3
4
5
Название родоначальной структуры состоит из корня, соответствующего греческому числительному, и суффикса -ан. В первом случае — «гептан»,
во втором — «пентан». Затем называют заместители в родоначальной структуре в алфавитном порядке. В данных примерах заместители — углеводородные радикалы, название которых строится с применением суффикса «ил»
вместо «ан» в соответствующем алкане: -СН3 — метил, -С2Н5 — этил. Присутствие одинаковых заместителей обозначается соответствующими приставками (ди-, три- и т.д.). Место заместителей в родоначальной структуре
указывается арабскими цифрами. При этом количество цифр должно соответствовать количеству заместителей.
В наших примерах в первом случае в родоначальной структуре имеется
две метильные группы (-СН3) у второго и пятого атомов углерода, а во втором случае — две метильные группы у второго и третьего атомов углерода и
этильная группа (-С2Н5) тоже у третьего атома. Таким образом, полные
названия этих соединений будут выглядеть следующим образом:
C2H5
CH3 - CH - CH2 - CH2 - CH - CH3
CH3
CH2 - CH3
2,5-диметилгептан
CH3 - CH - C - CH3
CH3 CH2 - CH3
2,3-диметил-5-этилпентан
Вопрос 2. Назовите по рациональной номенклатуре:
CH3 - CH2 - CH - CH2 - CH3
CH3
CH3 - CH - CH2 - CH - CH2 - CH3
;
CH3
CH3
.
Ответ. В ряду предельных углеводородов любое соединение рассматривается как производное метана и называется как замещённый метан. Для этого в
структуре выбирается «метановый» атом углерода. Он должен: 1) быть
наиболее разветвлённый и 2) находиться по возможности ближе к центру молекулы. Для составления названия перечисляются радикалы, связанные с
«метановым» углеродом и добавляется слово «метан». Количество одинаковых заместителей обозначают с помощью греческих числительных «ди»,
«три», «тетра».
CH3 - CH2 - CH - CH2 - CH3
CH3 - CH - CH2 - CH - CH2 - CH3
CH3
CH3
метилдиэтилметан
CH3
метилэтилизобутилметан
Вопрос 3. Сравните устойчивость радикалов: С2Н5 и С(СН3)3.
Ответ. В этил-радикале С2Н5 неспаренный электрон находится на
р-орбитали первичного атома углерода. Поэтому этот свободный радикал
стабилизирован индуктивным эффектом только одной метильной группы. В
отличие от этого в трет-бутил-радикале углерод с неспаренным электроном
является третичным, и такой радикал стабилизирован индуктивными эффектами трёх таких метильных групп.
CH3
CH2
CH3
C CH3
CH3
Однако часто большее влияние на устойчивость частиц оказывает эффект сверхсопряжения (гиперконъюгации). В данном случае это взаимодействие р-орбитали, на которой находится неспаренный электрон, с -связями
С-Н соседних углеродных атомов:
H
H
H
H
C
CH2 - C
H
C -C
H
H
H
C
H
H
H
H
Если в случае этил-радикала каждая из трёх -связей С–Н одного атома
углерода (одной метильной группы) может перекрываться с р-орбиталью радикального центра, то в случае трет-бутил-радикала таких С–Н связей девять (по три -связи от каждой из трёх метильных групп). Таким образом,
возможности для делокализации неспаренного электрона в третичном радикале больше, и он устойчивее.
Вопрос 4. Определите преимущественное направление реакции бромирования 2-метилпентана. Приведите механизм реакции.
Ответ. Реакции бромирования алканов протекают по механизму радикального замещения, первая стадия которого — взаимодействие алкана с атакующей радикальной частицей:
R-H +


Br 
R + HBr.
Направление реакции (т.е. по какому атому углерода алкана происходит атака
атомом брома) зависит от нескольких факторов, из которых определяющим
является устойчивость образующегося углеводородного радикала. В связи с
этим при взаимодействии 2-метил-пентана с атомом брома возможно протекание реакции по нескольким различным направлениям:
CH3 - CH - CH2 - CH2 - CH3
CH3
Br
a
CH3 - CH - CH2 - CH2 - CH2
CH3
b
CH3 - CH - CH2 - CH - CH3
CH3
c
CH3 - CH - CH - CH2 - CH3
CH3
d
CH2 - CH - CH2 - CH2 - CH3
CH3
e
CH3 - C - CH2 - CH2 - CH3
CH3
При этом наиболее устойчивым радикалом из всех этих возможных является
третичный (направление e). Причиной большей устойчивости данного третичного радикала по сравнению с остальными радикалами является бóльшее
значение суммарного электронодонорного эффекта (индуктивного и мезомерного) алкильных групп, окружающих атом углерода с неспаренным электроном (см. предыдущий вопрос).
CH3 C
CH2 - CH2 - CH3
CH3
Другие факторы (размер и активность атакующей частицы и вероятностный фактор, связанный с количеством замещаемых атомов водорода одного типа) в реакции бромирования менее существенны, и поэтому преимущественным направлением будет замещение у третичного атома углерода в
2-метилпентане. Первая стадия реакции бромирования будет выглядеть следующим образом:
Br
CH3 - CH - CH2 - CH2 - CH3
-HBr
CH3
CH3 - C - CH2 - CH2 - CH3
CH3
.
Контрольные вопросы и задачи
1. Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК:
C2H5
C2H5
CH3 - CH - CH - CH2 - CH - CH3
CH3 - C - CH - CH3 CH3 - CH - C - CH2
CH3 CH3
C2H5
; H C CH
CH3 C2H5 C2H5;
3
3
;
CH3
CH3 - CH
CH3
CH2CH2CH3
C2H5 CH3 C2H5
CH3 - CH2 - C - CH2 - C - CH3
CH3 - C - CH - C - CH
CH3 - C - C2H5
CH3 - CH2
CH2 - CH3
CH3 CH3
CH2CH3
;
; H5C2 CH3
;
H3C CH2 - CH3
CH3 - C - CH - CH - CH3
H3C
CH - CH3
CH3
.
2. Назовите по рациональной номенклатуре:
CH
3
CH3 - CH - CH - CH3
CH3 - C - CH3
H3C CH3
;
CH3
;
CH3 - CH - CH3
CH2 - CH3.
3. Сравните устойчивость 1) двух радикалов: СН3 и С2Н5; 2) метилрадикала и трет-бутил-радикала; 3) первичного и вторичного радикалов
н-бутана; 4) радикалов изобутана; 5) двух первичных радикалов 2метилбутана; 6) двух разных вторичных радикалов С5Н11; 7) третичных
радикалов C4H9 и С5Н11.
4. Определите преимущественное направление реакции жидкофазного нитрования (по Коновалову) 2,2-диметилбутана; 2,5-диме-тилгексана; 4,4диметилгептана;
2,4-диметилпентана;
2,2,3-три-метилбутана;
2метилгексана. Приведите механизм реакции.
Занятие 4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
АЛКАНОВ: ГАЛОГЕНАЛКАНЫ, СПИРТЫ,
ПРОСТЫЕ ЭФИРЫ, АМИНЫ. НОМЕНКЛАТУРА,
КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
Вопросы для подготовки к занятию
Номенклатура галогеналканов, спиртов, простых эфиров, аминов.
Строение и физические свойства функциональных производных алканов.
Водородные связи. Кислотно-оснόвные свойства спиртов, простых эфиров,
аминов. Кислотность и оснόвность органических соединений. Теории кислот
и оснований Брёнстеда-Лоури и Льюиса. Принцип жёстких и мягких кислот
и оснований Р. Пирсона. Реакции окисления спиртов, аминов. Радикальный
механизм образования пероксидов из простых эфиров. Реакции
нитрозирования первичных и вторичных аминов.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК:
Br
CH3 - C - CH - CH - CH3
Br Cl CH3
NH2 -CH - CH2 -NH2
CH - CH3
CH3
CH3
HO - C - CH - CH3
CH3O OH
Ответ. Первое из перечисленных соединений представляет производное углеводорода, в молекуле которого, кроме атомов галогенов, никаких других
гетерофункциональных групп нет.
1
Cl
2
3
4
5
CH3 - C - CH - CH - CH3
Cl Br CH3
Атомы галогенов называют по заместительной номенклатуре как заместители в родоначальной структуре при помощи приставок (бромо-, хлоро-). Ну-
мерация атомов углерода родоначальной структуры осуществляется таким
образом, чтобы сумма номеров всех заместителей была наименьшей. В
названии соединения все приставки перечисляются в алфавитном порядке.
Таким образом, название этого соединения по заместительной номенклатуре:
3-бромо-2,2-дихлоро-4-метилпентан.
Второе соединение можно охарактеризовать и как двухатомный спирт,
и как простой эфир, так как в молекуле кроме двух гидроксильных групп
имеется атом кислорода, связанный с двумя углеводородными радикалами:
CH3
HO - C - CH - CH3
CH3 - O OH
В качестве родоначальной структуры выбираем углеродную цепь из четырёх
атомов углерода, так как она содержит две старшие функциональные группы
(-ОН). Нумерацию в этой цепи необходимо осуществить так, чтобы гидроксильные группы получили наименьшие номера, но при любой нумерации они
оказываются у второго и третьего углеродных атомов. Поэтому нумерацию
углеродной цепи будет определять заместитель (-ОСН3).
1
CH3
4
2
3
HO - C - CH - CH3
CH3O OH
При составлении названия гидроксильные группы, как старшие, называют суффиксом -ол. Эфирная группа присутствует в названии в качестве приставки метокси-. Таким образом, название этого соединения по заместительной номенклатуре: 2-метоксибутандиол-2,3.
Третье из указанных в задании соединений представляет собой диамин,
причём обе аминогруппы первичные, поэтому в названии по заместительной
номенклатуре они должны присутствовать в качестве суффикса «амин» (если
нет других старших групп). Выбор родоначальной структуры и нумерацию
углеродной цепи определяют тоже эти аминогруппы:
2
1
NH2 -CH - CH2 -NH2
3
CH - CH3
4
CH3
Таким образом, полное название этого соединения по заместительной номенклатуре: 3-метилбутандиамин-1,2.
Вопрос 2. Назовите по радикало-функциональной номенклатуре ИЮПАК:
OH
CH3 - CH - CH - CH3
CH3 -CH - CH2 -CH2 - CH3
Cl CH3
CH3
CH3 - C - CH2 - NH2
CH3
CH3
CH3 -O - CH2CH2 - CH - CH3
OH OH
CH3 -CH - CH2
Ответ. Для названия первого из перечисленных соединений
CH3 - CH - CH - CH3
Cl CH3
по радикало-функциональной номенклатуре необходимо выделить в нём
атом галогена и связанный с ним углеводородный радикал:
CH3 - CH - CH - CH3
Cl CH3
Название соединения строится из названия этого углеводородного радикала
(«втор-изоамил») и названия галогена в анионной форме («хлорид»). Полное
название соединения: втор-изоамилхлорид.
Второе из перечисленных соединений
OH
CH3 -CH - CH2 -CH2 - CH3
представляет собой одноатомный спирт, название которого по радикалофункциональной номенклатуре должно быть построено из прилагательного,
образованного от названия радикала, и слова «спирт».
OH
CH3 -CH - CH2 -CH2 - CH3
Полное название соединения: втор-амиловый спирт.
Третье из перечисленных соединений
OH OH
CH3 -CH - CH2
— это двухатомный спирт. Для составления названия такого соединения
необходимо назвать соответствующий двухвалентный радикал
CH3 -CH - CH2
и добавить слово «гликоль», которое означает наличие двух гидроксильных
групп, присоединённых к данному бирадикалу, и характеризует отношение
таких соединений к классу двухатомных спиртов. Полное название соединения: пропиленгликоль.
Соединение, изображённое следующей структурной формулой
CH3
CH3 - C - CH2 - NH2
CH3
относится к аминам, и для того, чтобы составить его название, необходимо
назвать углеводородный радикал у атома азота и добавить слово «амин».
CH3
CH3 - C - CH2 - NH2
CH3
Тогда полное название соединения: неопентиламин.
Соединение, имеющее формулу
CH3
CH3 -O - CH2CH2 - CH - CH3
является простым эфиром. Его название по радикало-функциональ-ной номенклатуре должно быть построено из прилагательных, образованных от
названий углеводородных радикалов, и слова «эфир».
CH3
CH3 -O - CH2CH2 - CH - CH3
Полное название соединения метилизоамиловый эфир.
Вопрос 3. Назовите по рациональной номенклатуре:
CH3
HO - C - CH2 - CH3
CH3
Ответ. В ряду спиртов по рациональной номенклатуре любое соединение
рассматривается как производное «карбинола» (метанола) и называется как
замещённый карбинол. Для этого в структуре выбирается «карбинольный»
атом углерода аналогично «метановому» в алканах. Для составления названия перечисляются радикалы, связанные с «карбинольным» углеродом, и добавляется слово «карбинол». Количество одинаковых заместителей обозначают с помощью греческих числительных «ди», «три», «тетра».
CH3
HO - C - CH2 - CH3
CH3
диметилэтилкарбинол
Вопрос 4. Сравните кислотные свойства следующих спиртов: этанол, пропанол-1, пропандиол-1,3.
Ответ. В ряду одноатомных спиртов (этанол, пропанол) кислотные свойства
уменьшаются с удлинением углеродной цепи. Это связано с возрастанием в
этом ряду электронодонорного эффекта алкильной группы у кислорода, который уменьшает полярность связи О–Н.
CH3
CH3
CH2
CH2
CH2
O: H
d-
O
H
Это можно объяснить также бóльшим возрастанием частичного отрицательного заряда на атоме кислорода, что понижает его электроотрицательность, и
полярность связи О–Н уменьшается. А чем менее полярна связь, тем менее
она способна к гетеролитическому разрыву, т.е. к ионизации. Значит, протон
отрывается труднее, кислотные свойства пропанола-1 ниже, чем этанола.
При сравнении кислотных свойств одноатомных и двухатомных спиртов необходимо учитывать электроноакцепторное влияние одной гидроксильной группы на другую, которое приводит к взаимному усилению их кислотных свойств.
H
O
H
O
CH3 -CH - CH2
Поэтому среди перечисленных спиртов наиболее сильно кислотные свойства
выражены у пропандиола-1,3, а наименее — у пропанола-1.
Вопрос 5. Сравните оснóвные свойства следующих аминов: этиламин, пропиламин, диметиламин.
Ответ. С удлинением углеродной цепи в ряду первичных алифатических
аминов (этиламин, пропиламин) возрастает электронодонорный эффект алкильной группы (см. предыдущий вопрос).
CH3 CH2 NH2
d-
CH3 CH2 CH2 NH2
В связи с этим увеличивается частичный отрицательный заряд на атоме азота. Это приводит к более лёгкому взаимодействию атома азота за счёт своей
неподелённой электронной пары с протоном. Значит, оснóвные свойства
пропиламина сильнее выражены, чем у этиламина.
Диметиламин — это вторичный амин, и атом азота в нём испытывает
действие электронодонорных эффектов двух алкильных групп. В связи с
этим электронная плотность (а значит, и частичный отрицательный заряд) на
атоме азота возрастает ещё в бóльшей степени, чем в пропиламине.
CH3 NH CH3
Поэтому наиболее оснóвным амином среди перечисленных будет диметиламин, а наименее оснóвным — этиламин.
Контрольные вопросы и задачи
1. Назовите:
CH3
CH3
OH
HO - C - CH2 - C - CH3 CH3 - C - NH2
CH3
CH3
CH3
CH2CH2CH3
BrCH2 - CH2 - CF - CH2Br HOCH2 - CH - OC2H5
CH3 - N
CH3 - CH - CH3
CH3
CH2CH3
CH3
CH3 - CH - OH
CBr3 - CFCl2
N - CH2 - NH - CH3
CH3O - CH - OH
CH3
CH3 - CH - Br
CH3 - CH - CH2Cl
2. Сравните кислотные свойства следующих спиртов: метанол; пропанол-2;
бутанол-2; неопентиловый спирт; 2,2,3,4,4-пентаметил-пентанол-3; бутандиол-2,3; бутандиол-1,4; глицерин.
3. Сравните основные свойства следующих аминов: изобутиламин; бутанамин-1; 2-метилбутанамин-2; 2-метилпропанамин-1; этандиамин-1,2; 2метилпропандиамин-1,2; диметиламин; метилэтил-амин; диэтиламин; диметилэтиламин; трипропиламин.
Занятие 5. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ПРОИЗВОДНЫХ АЛКАНОВ: РЕАКЦИИ
НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ
Вопросы для подготовки к занятию
Механизмы реакций SN1 и SN2 на примерах свойств галогеналканов,
спиртов, простых эфиров, аминов. Сравнение механизмов. Факторы,
влияющие на направление и скорость нуклеофильного замещения.
Стереохимия нуклеофильного замещения. Способы установления механизма
реакции.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
3. Лабораторная работа.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Какие факторы способствуют протеканию реакции по
механизму, а какие — по SN2:
1) доступность реакционного центра субстрата,
2) возможность образования стабильного карбокатиона,
3) высокая нуклеофильность реагента,
4) стабильность нуклеофуга,
5) применение протонного растворителя и кислотных катализаторов,
применение апротонного растворителя?
SN1-
Ответ. 1) Доступность реакционного центра субстрата способствует протеканию реакции в том случае, когда взаимодействие этого соединения с нуклеофилом является скоростьопределяющей стадией. Это имеет место при
SN2-процессе. SN2-механизм — одностадийный, и на этой единственной стадии происходит взаимодействие субстрата с нуклеофилом, что приводит к
образованию и дальнейшему распаду переходного состояния.
Y:
C
d'-
X
Y...C...X
d-
Y
C
+ :X
-
Поэтому чем доступнее реакционный центр (т.е. меньше размеры окружающих его заместителей), тем этот фактор в большей степени способствует
протеканию реакции по SN2-механизму и тем выше скорость реакции.
Напротив, скорость реакции, протекающей по механизму SN1, зависит только
от скорости наиболее медленной первой стадии, в которой нуклеофил участия не принимает.
1)
R-X
2)
R
+
R
Y
+
X
R-Y
Взаимодействие с нуклеофилом протекает быстро, на второй стадии. Поэтому доступность реакционного центра субстрата на скорость SN1-реакций в
целом не влияет.
2) Возможность образования стабильного карбокатиона способствует
протеканию реакции в том случае, когда этот карбокатион образуется на лимитирующей (скоростьопределяющей) стадии. Это наблюдается, если реакция протекает по механизму SN1. Чем стабильнее образуется карбокатион,
тем легче осуществляется реакция по этому механизму, а значит, образование стабильного карбокатиона способствует протеканию SN1-реакции. В SN2механизме карбокатион не образуется, поэтому данный фактор не может
способствовать протеканию реакции по этому механизму.
3) Высокая нуклеофильность реагента имеет значение в том случае, когда атакующая частица принимает участие в лимитирующей стадии процесса. В реакциях, протекающих по механизму SN1, лимитирующая стадия представляет собой диссоциацию субстрата, в которой нуклеофил участия не
принимает. Поэтому высокая активность нуклеофила не может способствовать протеканию реакции по этому механизму. Однако для реакций, протекающих по механизму SN2, нуклеофильная активность реагента может играть
решающую роль, так как нуклеофил участвует в лимитирующей стадии процесса.
4) Высокая стабильность аниона уходящей группы (нуклеофуга) должна способствовать протеканию реакции по механизму SN1, так как в лимитирующей стадии SN1-процесса образуются карбокатион и анион уходящей
группы. То есть чем стабильнее нуклеофуг, тем легче будет протекать реакция по SN1-механизму. На скорость SN2-реакций природа уходящей группы
часто не оказывает существенного влияния. Более важна бывает в этих реакциях нуклеофильная атака.
5) Применение протонного растворителя способствует диссоциации
субстрата по SN1-механизму, так как образующийся при этом анион уходящей группы может связываться таким растворителем за счёт образования водородных связей. Аналогичную роль играют и кислотные катализаторы. Но в
этом случае возможно и связывание анионов нуклеофуга в нейтральные молекулы, особенно если это анионы слабых кислот. И в том и в другом случае
равновесие диссоциации субстрата смещается вправо, и скорость SN1реакции увеличивается. Однако применение протонного растворителя и кислотных катализаторов для реакций, протекающих по механизму SN2, может
уменьшать активность нуклеофильной частицы за счёт частичного или полного её связывания. Поэтому применение протонного растворителя и кислотных катализаторов не будет способствовать протеканию SN2-реакций.
Апротонные полярные растворители могут по-разному влиять на скорость
SN2-реакций, так как от их применения зависит способность к сольватации
исходного субстрата, нуклеофила, переходного состояния и продуктов реакции. Другими словами, апротонные полярные растворители могут способствовать или не способствовать протеканию реакции по SN2-механизму, это
зависит от вида переходного состояния. Для SN1-реакций при применении
апротонных растворителей более важным оказывается их полярность. Высокополярные растворители способствуют диссоциации, а значит, протеканию
реакций по SN1-механизму.
Таким образом, протеканию реакции по SN1-механизму способствуют
возможность образования стабильного карбокатиона, стабильность нуклеофуга, применение протонных растворителей и кислотных катализаторов,
а также возможно применение апротонных высокополярных растворителей.
Протеканию реакции по SN2-механизму способствуют доступность реакционного центра субстрата, высокая нуклеофильность реагента и, как вариант,
применение апротонных высокополярных растворителей.
Вопрос 2. Приведите наиболее вероятные механизмы реакций взаимодействия каждого из соединений: изобутилхлорида и трет-бутилхлорида с водным раствором бромоводородной кислоты.
Ответ. В водном растворе бромоводородная кислота находится в диссоциированном виде, поэтому роль нуклеофилов будут играть образующиеся при
этой диссоциации бромид-ионы Br-. При взаимодействии изобутилхлорида с
бромид-ионом реакция, вероятнее всего, будет протекать по SN2-механизму,
так как реакционный центр субстрата доступен для нуклеофильной атаки, но,
напротив, молекула исходного изобутилхлорида не способна к диссоциации
(это означает, что SN1-механизм невозможен).
CH3
d+
CHCH2 Cl
CH3
CH3-CH-CH3
+ Br
Br . . . CH 2 . . . Cl
- Cl
CH3
CHCH2-Br
CH3
Для взаимодействия трет-бутилхлорида, наоборот, более вероятен
SN1-механизм, так как реакционный центр субстрата доступен для нуклеофильной атаки по третичному атому углерода, но молекула субстрата может
диссоциировать в протонном высокополярном растворителе (вода) с образованием устойчивого третичного карбокатиона.
CH3
CH 3 - C + + HCl
CH3
CH3 - C - Cl + H+
CH3
CH3
CH3
+
CH3 - C
+
Br
CH3
CH 3 - C - Br
CH3
CH3
Вопрос 3. Получите по реакции Вильямсона 1-метокси-2,2-диме-тилпропан
двумя способами. Какая из этих реакций протекает легче?
Ответ. По реакции Вильямсона простые эфиры получают взаимодействием
галогеналканов с алкоголятами щелочных металлов:
R-X + R’-O-Na+  R-O-R’ + NaX .
Для получения 1-метокси-2,2-диметилпропана
CH3
CH3 - C - CH2 - O - CH3
CH3
могут быть использованы: а) либо неопентилгалогенид и метилат натрия
CH3
d+
+
CH3 - C - CH2 Br + Na OCH3
CH3
- NaBr
CH3
CH3 - C - CH2 - O - CH3
CH3
,
б) либо метилгалогенид и 2,2-диметилпропанолят натрия
CH3
d'+
+
CH3 - C - CH2 - O Na + Br CH3
- NaBr
CH3
CH3
CH3 - C - CH2 - O - CH3
CH3
.
Это реакции нуклеофильного замещения, в которых разные субстраты (галогеналканы) и разные нуклеофильные частицы (алкоголят-ионы). Легкость
протекания реакции зависит от реакционной способности реагентов. Алкоголят-ионы мало отличаются по своей активности (только в основном за счёт
различия в подвижности частиц разного размера), так как имеют целочисленный отрицательный заряд. Активность электронейтральных молекул субстрата (неопентилгалогенида и метилгалогенида) различается более существенно. К реакции по SN1-механизму они не способны, потому как при их
диссоциации образуются неустойчивые первичные карбокатионы. Значит,
наиболее вероятный механизм — SN2. В этом случае метилгалогенид более
активен, так как и атом углерода значительно более доступен для нуклеофильной атаки, и эффективный положительный заряд на нём (d'>d) выше,
чем на соответствующем атоме углерода неопентилгалогенида. Поэтому реакция (б) — взаимодействие метилгалогенида с 2,2-диметил-пропанолятом
натрия будет протекать легче.
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите SN2-механизм реакции н-бутилового спирта с хлороводородом.
2. Приведите SN1-механизм реакции трет-амилхлорида со щёлочью.
3. Приведите наиболее вероятные механизмы реакций взаимодействия каж-
дого из соединений: неопентилбромида, трет-амилбромида, изоамилбромида, 3-метил-3-бромпентана с водным раствором КОН.
4. Для н-пропилового спирта приведите механизм реакции образования в
присутствии концентрированной серной кислоты простого эфира (симметричного).
5. Получите по реакции Вильямсона 2-метоксибутан разными способами,
сравните легкость протекания этих реакций и выберите оптимальный.
Лабораторная работа
Оформление этой и всех последующих лабораторных работ следует
делать по шаблону, представленному на странице 170.
ПОЛУЧЕНИЕ ЭТИЛХЛОРИДА ИЗ ЭТИЛОВОГО СПИРТА
В пробирку насыпьте 2 лопаточки хлорида натрия. Прилейте 5–6 капель этилового спирта (на общем столе). Затем добавьте 3–4 капли концентрированной серной кислоты (в вытяжном шкафу) и нагревайте в пламени
спиртовки, не допуская слишком обильного выделения хлороводорода. Время от времени подносите отверстие пробирки к пламени спиртовки. Выделяющийся этилхлорид загорается, образуя колечко зеленого цвета (образование этилхлорида начинается не сразу).
Приведите схему и механизм реакции получения этилхлорида.
Занятие 6. РЕАКЦИИ ЭЛИМИНИРОВАНИЯ И ПРОЧИЕ
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГАЛОГЕНАЛКАНОВ,
СПИРТОВ, АМИНОВ
Вопросы для подготовки к занятию
Реакции отщепления в ряду галогеналканов, спиртов, аминов:
сравнение условий протекания реакций. Механизмы Е1 и Е2. Сравнение
условий протекания реакций отщепления и нуклеофильного замещения.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Приведите наиболее вероятный механизм реакции взаимодействия
2-метил-2-бромпропана со спиртовой щёлочью.
Ответ. Для галогеналканов наиболее характерными реакциями являются реакции нуклеофильного замещения (SN) и отщепления (Е). В спиртовых растворах щелочей (а также для твёрдых щелочей) основность гидроксид-иона
преобладает над нуклеофильностью (ввиду значительно меньшей сольватации гидроксид-иона или даже практически полного отсутствия сольватации).
Поэтому гидроксид-ион предпочтительно будет взаимодействовать с протоном (а не с углеродом), что приведёт к образованию продуктов отщепления.
В структуре субстрата атом галогена связан с третичным углеродным
атомом, поэтому вследствие диссоциации в сильнополярном растворителе
(спирт) образуется третичный карбокатион, который достаточно устойчив
вследствие +I и +М-эффектов (сверхсопряжение). Гидроксид-ион в этом случае взаимодействует с карбокатионом, отрывая водород в виде протона от углеродного атома.
CH3
CH3
CH 3 - C + + Br
CH3 - C Br
CH3
CH3
CH3
+
CH3 - C
+
OH
- H2O
CH3
CH 3 - C = CH2
CH2 H
Это механизм Е1.
Вопрос 2. Приведите Е2-механизм взаимодействия этилхлорида с твёрдой
щёлочью.
Ответ. При взаимодействии галогеналканов с твёрдой щёлочью протекают
преимущественно реакции отщепления (см. предыдущий вопрос). В том случае, когда промежуточный карбокатион не может образоваться из-за своей
неустойчивости, механизм Е2 представляет собой одностадийный процесс,
включающий переходное состояние:
HO + H CH2-CH2 Cl
HO: . . .H. . . :CH2-CH2. . .:Cl
H2O + CH2=CH2 + Cl
Вопрос 3. Приведите механизм реакции образования алкена в присутствии
концентрированной серной кислоты из изогексилового спирта.
Ответ. Под действием концентрированной серной кислоты происходит протонирование гидроксильной группы молекулы спирта
(СН3)2СН-СН2-CH2-CH2OH + H+  (СН3)2СН-СН2-CH2-CH2-OH2+
Это приводит к увеличению поляризации связи С-О вплоть до полного её
разрыва
(СН3)2СН-СН2-CH2-CH2OH2+  (СН3)2СН-СН2-CH2-CH2+ + Н2О
Вслед за этим быстро протекает следующая стадия — отрыв протона, ввиду
незначительной устойчивости такого карбокатиона.
(СН3)2СН-СН2-CH2-CH2+  (СН3)2СН-СН2-CH=СН2 + Н+
Вопрос 4. При взаимодействии какого из аминов с азотистой кислотой происходит выделение азота: этиламин, диэтиламин, триэтиламин? Приведите
механизм реакции.
Ответ. Молекулярный азот выделяется при взаимодействии с азотистой кислотой только первичных алифатических аминов. Среди перечисленных соединений таким является этиламин.
Азотистая кислота неустойчива, поэтому реакцию проводят в момент
её выделения при смешении водных растворов нитритов с минеральными
кислотами. Первичные амины на первой стадии нитрозируются нитрозонийкатионом NO+, нитрозацидий-катионом H2ONO+, нитрозилгалогенидом NOX
или оксидом азота (III) N2O3, которые могут возникать в растворе азотистой
кислоты в момент её получения:
HO-N=O + H+  H2O+-N=O  +N=O + H2O
+
+
N=O + Clˉ  NOCl
N=O + NO2ˉ  N2O3 .
Рассмотрим реакцию нитрозирования с участием нитрозоний-катиона:
+
C2H5-NH2 + N=O
+
C2H5-NH=N-O-H
H
+
C2H5-NH - N=O
+
C2H5-N=N-OH 2
+
C2H5-NH-N=O-H
+
C2H5-N N + H2O
Образующийся катион этандиазония малоустойчив и быстро разлагается с
образованием спирта и выделением азота:
С2Н5-+NN + H2O  С2Н5-OH + H+ + N2.
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите наиболее вероятные механизмы реакций взаимодействия каждого из соединений: 1-бром-2-метилбутана и 2-бром-2-метил-бутана с
твёрдым гидроксидом натрия.
2. Приведите Е2-механизм взаимодействия н-гексилбромида с твёрдой щёлочью.
3. Для изоамилового спирта приведите механизм реакций образования алкена
в присутствии концентрированной серной кислоты.
4. Приведите механизмы реакций взаимодействия с азотистой кислотой следующих аминов: метилэтиламин, метиламин, трет-бутиламин, метилэтилпропиламин.
Занятие 7. СИСТЕМЫ -СВЯЗЕЙ
Содержание занятия
1. Контрольная работа.
Вопросы для подготовки к контрольной работе
1. Классификация органических соединений. Основные функциональные
группы.
2. Номенклатура алканов, галогеналканов, спиртов, простых эфиров, аминов.
3. Гибридизация атомных орбиталей на примере различных валентных состояний атома углерода.
4. Электронные эффекты заместителей. Сопряжение и сверхсопряжение
(гиперконъюгация).
5. Оптическая изомерия. Хиральность молекул. Проекционные формулы Э.
Фишера. Абсолютная и относительная конфигурации. Стереохимическая
номенклатура Кана-Ингольда-Прелога (R-, S-номенклатура).
6. Геометрическая изомерия (относительно плоскости двойной связи и
плоскости цикла).
7. Конформации органических молекул. Факторы, влияющие на стабилизацию предпочтительной конформации. Проекционные формулы Ньюмена.
8. Строение предельных углеводородов и радикальных частиц. Устойчивость свободных радикалов.
9. Механизм реакций радикального замещения в ряду алканов: галогенирования, нитрования, сульфохлорирования. Направление радикальных реакций. Региоселективные реакции.
10. Кислотность и основность органических соединений. Теории кислот и
оснований Брёнстеда-Лоури и Льюиса. Кислотно-оснόвные свойства
спиртов, простых эфиров, аминов. Принцип жёстких и мягких кислот и
оснований Пирсона.
11. Реакции окисления спиртов. Радикальный механизм образования пероксидов из простых эфиров.
12. Реакции нитрозирования первичных и вторичных аминов.
13. Механизмы реакций SN1 и SN2 на примерах свойств галоген-алканов,
спиртов, простых эфиров, аминов. Сравнение механизмов. Факторы, влияющие на направление и скорость нуклеофильного замещения.
14. Реакции отщепления в ряду галогеналканов, спиртов, аминов. Механизмы
Е1 и Е2. Сравнение условий протекания реакций отщепления и нуклеофильного замещения.
Занятие 8. НОМЕНКЛАТУРА НЕПРЕДЕЛЬНЫХ
УГЛЕВОДОРОДОВ.
РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО И
РАДИКАЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ И
РАДИКАЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ АЛКЕНОВ,
АЛКАДИЕНОВ, АЛКИНОВ
Вопросы для подготовки к занятию
Заместительная и рациональная номенклатуры непредельных
углеводородов. Механизм реакций электрофильного присоединения.
Влияние структуры субстрата на направление протекания реакции. Примеры
электрофильного присоединения воды, галогенов, галогеноводородов,
борана, озона. Особенности реакций АЕ-при-соединения по тройной связи.
Особенности реакций АЕ-присоеди-нения к диеновым углеводородам.
Реакции 1,2- и 1,4-присоедине-ния к сопряжённым диенам. Механизм
реакций радикального присоединения. Влияние структуры субстрата на
направление протекания реакции. Примеры реакций. Реакции радикального
замещения в ряду непредельных углеводородов. Реакции окисления.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК и по рациональной номенклатуре следующие соединения:
C2H5
CH3
CH3 - C=C - CH2 - CH=CH2
CH3-C=CH-C CH
CH3
Ответ. Первое из этих соединений представляет диеновый углеводород. По
заместительной номенклатуре родоначальная структура должна содержать
обе имеющиеся в молекуле двойные связи, а нумерация атомов в родоначальной структуре осуществляется так, чтобы атомы углерода при двойных
связях получили наименьшие номера:
6
5
C2H5
4
3
2
1
CH3 - C=C - CH2 - CH=CH2
CH3
Название родоначальной структуры состоит из корня, соответствующего
греческому числительному, и суффикса -диен вместо суффикса -ан. Суффикс
-ен означает наличие в молекуле двойной связи, а -диен – соответственно,
двух двойных связей. После этого необходимо указать локантами местоположения двойных связей. Таким образом, родоначальная структура получит
название «гексадиен-1,4». Затем называют заместители в родоначальной
структуре и название этого соединения по заместительной номенклатуре:
5-метил-4-этилгексадиен-1,4. По рациональной номенклатуре любой углеводород, имеющий двойную связь, может рассматриваться как производное
этилена СН2=СН2. Так как здесь имеются две двойные связи, то выбирается
та из них, которая находится ближе к центру молекулы:
H3C
H3C


C=C
C2H5
CH2-CH=CH2 .
Затем перечисляются заместители в этиленовом фрагменте и добавляется
слово «этилен». При необходимости указывается, какие заместители у какого
из углеродных атомов ( или ) находятся. Таким образом, название этого
соединения по рациональной номенклатуре: ,-диметил--этил-аллилэтилен.
Во втором соединении имеется и двойная, и тройная связь. Поэтому
родоначальная структура выбирается в данном случае таким образом, чтобы
она включала обе кратные связи:
1
CH3
2
3
4
5
CH3-C=CH-C CH
Нумерация цепи осуществляется так, чтобы атомы углерода при двойной
связи получили наименьшие номера. При составлении названия необходимо
после корня слова использовать суффикс -ен и локант, указывающий положение
двойной
связи,
а
затем
–
суффикс
-ин и локант, указывающий положение тройной связи. Таким образом, название по заместительной номенклатуре: 2-метилпентен-2-ин-4. По рациональной номенклатуре данное соединение может быть рассмотрено и как производное этилена СН2=СН2, и как производное ацетилена СНСН. Однако этиленовый фрагмент расположен ближе к центру молекулы, и атомные группировки, окружающие его, проще по структуре и могут быть легче названы.
Поэтому соединение рассматривается как производное этилена:
H 3C
H 3C


C=CH - C CH
Аналогично предыдущему соединению перечисляются заместители и добавляется слово «этилен». Название по рациональной номенклатуре: ,диметил--ацетиленилэтилен.
Вопрос 2. Приведите механизм реакции взаимодействия бутена-1 и
2-метилбутена-1 с водой в присутствии кислотного катализатора. Какое из
этих соединений легче будет вступать в реакцию? В чем различие
взаимодействия бутена-1 с концентрированной HCl и с очень разбавленной
HCl ?
Ответ. Первое, что необходимо сделать, – это убедиться, что данные
соединения действительно взаимодействуют с водой по АЕ-механизму.
Присутствие кислотного катализатора означает, что в среде содержатся
катионы водорода Н+, способные выполнять функцию электрофилов. Бутен-1
и 2-метилбутен-1 — это алкены, а значит, неполярные -электронные
системы, в которых -электрон-ное облако, как правило, доступно для
электрофильной атаки. Поэтому механизм взаимодействия можно
представить так:
d-
CH2= CH
CH2CH3 + H
d-
+
CH2= CH
H
+
CH2- CH - CH2CH3
H2O
CH2CH3
+
CH3- CH - CH2CH3 -H +
+
H
OH2
Образующийся
СН3-+СН-СН2СН3
+
СН2-СН2-СН2СН3
заряда с участием
эффекты):
CH3- CH - CH2CH3
OH
на
промежуточной
стадии
втор-бутил-катион
устойчивее альтернативного первичного бутил-катиона
по причине большей делокализации положительного
соседних алкильных групп (индуктивный и мезомерный
+
CH3
CH
CH2 - CH2CH3
Потому продуктом присоединения будет вторичный спирт.
Аналогичный механизм гидратации можно представить и для
2-метилбутена-1
d-
CH2= C
CH2CH3 + H
d-
+
CH2= C
CH2CH3
+
H CH
CH3
3
+
OH2
+
CH2- C - CH2CH3
H
H2O
OH
CH3- C - CH2CH3 -H +
CH3
CH3
CH3- C - CH2CH3
CH3
В этом примере будет более полная делокализация положительного заряда в
карбокатионе, образующемся на промежуточной стадии (трет-амил-катион).
Поэтому карбокатион образуется легче, и гидратация такого алкена
протекает быстрее.
При взаимодействии бутена-1 с концентрированной соляной кислотой
продукт реакции будет иным, чем при взаимодействии с разбавленной
кислотой, так как образующиеся на первой стадии карбокатионы будут
преимущественно взаимодействовать не с молекулами воды, а с более
активными хлорид-ионами, концентрация которых в данном растворе
кислоты будет большой.
+
CH2- CH - CH2CH3 + Cl
-
CH3- CH - CH2CH3
Cl
Вопрос 3. Приведите механизм реакции взаимодействия пропена с
бромноватистой кислотой (в присутствии каталитических количеств
бромоводородной
углеводорода.
кислоты)
и
механизм
реакции
озонолиза
Ответ. Бромноватистая кислота в присутствии
бромоводородной, подвергается протонированию и
образованием бромоний-катиона
H
HOBr
+
этого
более сильной,
диссоциирует с
+
+
H - O - Br
H2O + Br
H
,
который и будет играть роль электрофила в этой реакции.
d-
CH2= CH
CH3 + Br
d-
+
+
CH2= CH
CH3
+
CH2- CH - CH3
Br
Br
Образовавшийся карбокатион должен далее взаимодействовать с
нуклеофильной частицей (анионом или нейтральной молекулой). Так как по
условию используются каталитические количества бромоводородной
кислоты, то концентрация бромид-ионов невелика. Поэтому карбокатион
может взаимодействовать только с молекулами растворителя (воды),
находящимися в большом избытке:
+
H2O
CH2- CH - CH3
Br
CH2- CH - CH3 -H +
+
Br OH2
CH2- CH - CH3
OH
Br
Реакцию озонолиза тоже можно отнести к реакциям электрофильного
присоединения, в которых роль электрофила играет молекула озона за счёт
одного из концевых атомов кислорода. При присоединении озона к алкену
образуется соответствующий озонид, который после перегруппировки и
последующего гидролиза распадается на карбонильные соединения.
d-
CH2= CH
CH3 +
O
O
+
O
+
CH2- CH - CH3
O
+
O
O
CH - CH3
O
O
O
O
CH2
CH2- CH - CH3
O
O
CH2 - O - CH - CH3
O
O
H2O
-H2O2
CH2
O
+
CH-CH3
O
Вопрос 4. Приведите механизм реакции взаимодействия 3-метилбуте-на-1 с
бромоводородом в тетрахлорметане в присутствии пероксида водорода.
Ответ. Так как реакция по условиям должна протекать в присутствии
пероксида водорода, то, скорее всего, механизм такого превращения не
электрофильный, а радикальный. И действительно, тетрахлорметан —
неполярный растворитель, поэтому бромоводород диссоциировать в этих
условиях не будет, катионов водорода в среде не образуется. Так как
электрофильных частиц нет, то и реакция по электрофильному механизму не
пойдёт. Но пероксиды являются источниками свободных радикалов, а при
взаимодействии их с бромоводородом образуются атомы брома, также
являющиеся свободными радикалами:
Н2О2  2НО
НО + HBr  Н2О + Br
Именно эти частицы и атакуют далее молекулы алкена:
CH2=CH-CH-CH3
CH3
H2C . C-CH-CH3
Br CH3
+ Br .
CH2=CH-CH-CH3
Br. CH3
.
CH-CH-CH-CH3
CH3
Br
HBr CH-CH -CH-CH
2
3
-Br .
Br
CH3
При этом при разрыве -связи атом брома присоединяется в данном случае к
концевому углеродному атому и, таким образом, образуется в качестве
промежуточной частицы более устойчивый углеводородный радикал,
который затем превращается в молекулу конечного продукта за счёт отрыва
водорода от молекулы бромоводорода.
Вопрос 5. Приведите пример реакции радикального замещения для
5-метилгексена-1. Каковы условия и направление протекания таких реакций?
Ответ. Реакции замещения характерны для алканов, а для алкенов более
предпочтительными являются реакции присоединения (электрофильного или
радикального) по причине более лёгкого разрыва -связей. Однако при
повышенных температурах (до 400–500С) реакции радикального замещения
начинают конкурировать с реакциями присоединения, в этих условиях
энергии молекулы становится достаточно для разрыва как -связи, так и связи. При этом при отрыве атома водорода от -углеродного атома (по
отношению к двойной связи) образуется радикал, стабилизированный р-сопряжением, и реакция протекает по пути замещения. В случае реакции
присоединения такого стабильного радикала не образуется. Для 5метилгексена-1 по такому пути будет протекать взаимодействие с
газообразным хлором при 500С:
CH3
CH2 = CH - CH2 - CH2 - CH - CH3
Cl
-HCl
CH3
CH2 = CH - CH - CH2 - CH - CH3
Cl
CH3
CH2 - CH = CH - CH2 - CH - CH3
CH2- CH - CH2 - CH2 - CH - CH3
CH3
Cl
CH3
CH2 = CH - CH - CH2 - CH - CH3
Cl
Cl2
-Cl
CH3
CH2 = CH - CH - CH2 - CH - CH3
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите механизм реакции взаимодействия каждого из соединений: а)
2-метилбутена-2, б) 2-метилбутена-1, в) 4-метил-пентена-2, г) пентена-1,
д) 2,4-диметилпентена-2, е) 2,4-диметил-гексена-1, ж) 2-метилпропена, з)
4-метилпентена-1 — со следующими реагентами: 1) с водой в присутствии кислотного катализатора, 2) с водным раствором бромоводородной
кислоты в отсутствие пероксидов, 3) с бромоводородом в апротонном растворителе в присутствии пероксидов, 4) с бромной водой,
5) с этанолом в присутствии кислотного катализатора. Какое из этих соединений легче будет вступать в реакцию?
2. Приведите механизм озонолиза для 2-метилбутена-2 и для
пентена-2.
3. Приведите механизм AE- и SR-реакций взаимодействия с хлором для каждого
из следующих алкенов: а) 2,4-диметилгексена-1; б) 4-ме-тилпентена-1; в)
2,2,5,5-тетраметилгексена-3. Укажите условия.
Занятие 9. ДИЕНЫ, ПОЛИЕНЫ, АЛКИНЫ:
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ
Вопросы для подготовки к занятию
Строение, изомерия и особенности свойств алленов. Особенности
строения сопряжённых диенов. Реакции диенового синтеза. Особенности
полимеризации сопряжённых диенов. Особенности строения алкинов.
Кислотные свойства алкинов. Возможность протекания реакций
нуклеофильного присоединения и электрофильного замещения.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Какие соединения образуются при присоединении хлороводорода
(1 и 2 моль) к бутадиену-1,2 (1 моль) в отсутствие пероксидов? Приведите
механизм реакции.
Ответ. Бутадиен-1,2 относится к диеновым углеводородам с кумулированными
двойными связями. Присоединение хлороводорода в отсутствие пероксидов —
это реакция электрофильного присоединения, в которой электрофилом является
полярная молекула хлороводорода. Так же, как и в случае алкенов,
первоначально образующийся -комплекс превращается в -комплекс,
являющийся карбокатионом. При этом концевая двойная связь оказывается
более полярной, и, соответственно, присоединение протона от молекулы
хлороводорода происходит к концевому углеродному атому:
d' -
d+ d-
CH2=C=CH CH3 + HCl
+
CH2=C=CH-CH3
CH2- C=CH-CH3
-Cl + HCl
H
CH2=C=CH-CH3
+ HCl
Присоединение
первой
молекулы
хлороводорода
завершается
взаимодействием образовавшегося карбокатиона с хлорид-ионом:
+
CH3- C=CH-CH3 + Cl
CH3- C=CH-CH3
Cl
При определении направления присоединения второй молекулы HCl к
образовавшемуся продукту необходимо учесть влияние атома хлора на
распределение электронной плотности на двойной связи (р--сопряжение), и
поэтому протон от молекулы хлороводорода присоединяется к атому
углерода с бόльшим отрицательным зарядом.
H
d-
+
CH3- C=CH-CH3 + HCl
-Cl
-
CH3- C - CH-CH3
Cl
Cl -
Cl
CH3- C -CH2-CH3
Cl
Cl
Вопрос 2. Какое соединение преимущественно образуется
взаимодействии 4-метилпентадиена-1,3 с очень разбавленной HCl?
при
Ответ. В разбавленной соляной кислоте присутствуют катионы Н+, и
поэтому данная реакция — это электрофильное присоединение, где
электрофилом является протон. В 4-метилпентадиене-1,3 двойные связи
сопряжены (--сопряжение), и из-за влияния двух метильных групп
электронная плотность будет локализоваться на противоположном конце
молекулы диена:
d-
CH2=CH-CH=C CH3
CH3
В результате присоединения протона образуется карбокатион,
стабилизированный р--сопряжением:
+
CH2-CH-CH=C - CH3
H
CH3
+
CH2-CH=CH-C - CH3
H
CH3
a
,
b
причём карбокатион, представленный граничной структурой b, более
устойчив, чем карбокатион a, и поэтому дальнейшее превращение в продукт
реакции протекает преимущественно для катиона b. В среде соляной кислоты
карбокатионы могут взаимодействовать с ионами Cl‾, однако если кислота
очень разбавленная, то из-за малой концентрации хлорид-ионов в реакцию с
карбокатионами будут преимущественно вступать молекулы воды.
Продуктом реакции будет непредельный спирт:
OH
+
CH3-CH=CH-C - CH3 + H2O
CH3
-H +
CH3-CH=CH-C - CH3
CH3
Однако в избытке реагента может происходить присоединение второй
молекулы воды.
Вопрос 3. Какой продукт преимущественно образуется при присоединении
акрилонитрила CH2=CH-CN к изопрену по Дильсу–Альдеру?
Ответ. Реакция Дильса–Альдера — это взаимодействие диеновых
углеводородов
с
непредельными
соединениями
(диенофилами),
содержащими сильные электроноакцепторные группы. Акрилонитрил
относится к таким соединениям, так как -электронная плотность на двойной
углерод-углеродной связи понижена из-за влияния цианогруппы. В такой
паре диен–диенофил диеновый углеводород является электронодонором,
который и взаимодействует с наиболее электронодефицитным атомом
диенофила. Согласно распределению электронной плотности в молекулах
изопрена и акрилонитрила взаимодействие между ними будет протекать
следующим образом:
d-
CH2
H3C C
CH2
d+
CH2
H3C-C
HC
HC
CH2
HC
C
N
H3C
CH2
HC
CN
CN
CH2
.
Как показано на схеме, механизм реакции можно представить как
одностадийный процесс, протекающий через переходное состояние с
практически одновременным образованием двух новых углерод-углеродных
-связей.
Основным
продуктом
реакции
является
1-ме-тил-4цианоциклогексадиен-1,4. Но могут образовываться (и образуются) и другие
структурные изомеры, так как различие в величине электронной плотности
на концах молекулы изопрена невелико.
Вопрос 4. Какие соединения образуются при озонолизе бутадиена-1,2?
Ответ. В молекуле бутадиена-1,2 имеются две двойные углерод-углеродные
связи, и поэтому озонолиз будет протекать сразу с двумя молекулами озона.
O
O
CH2=C=CH-CH3 + 2O3
O
O
CH2- C - CH - CH3
O
O
CH2-O-C-O-CH-CH3
O
O
O
O
Продукт присоединения в присутствии воды легко распадается на
карбонильные соединения по схеме:
O O
CH2 - O - C - O - CH-CH3
O
O
2H2O
-2H2O2
CH2
O
+ CO2 +
CH-CH3
O
Вопрос 5. Сравните кислотные свойства этина и пропина между собой и с
аммиаком и водой. Подтвердите это схемами превращений.
Ответ. В этине и пропине, как и в молекулах всех терминальных алкинов,
имеется С-Н связь, образованная sp-гибридизованным атомом углерода. Эта
связь значительно полярнее, чем С-Н связи в других углеводородах, и
гетеролитический разрыв этой связи в терминальных алкинах происходит
легче.
H
C
H
CH
этин
C
C - CH3
пропин
Однако по мере удлинения углеводородной цепи увеличивается
электронодонорный эффект алкильной группы, направленный в сторону,
противоположную поляризации С-Н связи. Это происходит и в молекуле
пропина:
H
C
C
CH3
Поэтому из-за влияния метильного радикала С-Н связь в молекуле пропина
поляризована меньше и гетеролитический разрыв этой связи в пропине
происходит труднее, чем в молекуле этина. Таким образом, кислотные
свойства ацетилена (этина) выражены сильнее. Поэтому этин должен
вытеснять пропин из его металлических производных (солей):
H-CC-H + CH3-CCˉNa+  H-CCˉNa+ + CH3-CC-H .
Тем не менее кислотные свойства ацетиленовых углеводородов
характеризуются весьма низкими значениями констант диссоциации
(порядка 10-25), и поэтому ацетилениды при взаимодействии со щелочами
образовываться не могут:
H-C
C-R + NaOH
Однако при взаимодействии терминальных алкинов с амидами щелочных
металлов в жидком аммиаке образуются металлические производные
углеводородов:
- +
R-C C-H + NaNH2
R-C C Na + NH3 .
Вопрос 6. Какие непредельные углеводороды: алкены или алкины – легче
вступают в реакции электрофильного присоединения?
Ответ. Реакции электрофильного присоединения характерны и для алкенов,
и для алкинов. Механизм этих реакций включает в себя несколько стадий:
образование -комплекса в результате взаимодействия непредельного
соединения с электрофилом, перегруппировка -комплекса в -комплекс
(карбокатион) за счёт разрыва -связи и образование новой -связи,
взаимодействие карбокатиона с анионом из среды с образованием
нейтральной молекулы продукта.
Первая из перечисленных стадий для алкинов осуществляется труднее,
так как -электронная плотность тройной связи сильнее притягивается spгибридизованными атомами углерода из-за меньшего расстояния между
ними, для образования -комплекса электрофил должен ближе подойти к
ядру атома, а это затруднено из-за электростатического отталкивания
электрофила атомным ядром (одноименные заряды).
R-C
C - R' + E
+
R-C
C - R'
E
+
Вторая стадия для алкинов также протекает труднее, так как для
образования -связи электрофильной частице необходимо оторвать пару
электронов от тройной связи, электроны которой, как уже было сказано,
располагаются ближе к ядру и, значит, прочнее с ним связаны.
R-C
C - R'
E
+
+
R-C
C
R'
E
К тому же такой карбокатион менее стабилен, чем карбокатион,
образованный при присоединении электрофила к алкену:
H
R-C C
C C R'
E
H
E
Третья стадия для алкинов осуществляется тоже труднее, так как
превращению карбокатиона в нейтральную молекулу в этом случае
препятствует наличие -электронной плотности в катионе, образованном из
алкина. В карбокатионе, образованном из алкена, -связи нет, и поэтому
таких электростатических препятствий нет.
+
R'
R
+
Вопрос 7. Как будет реагировать бутин-1 с этанолом в присутствии этилата
натрия?
Ответ. Взаимодействие алкинов с этанолом в присутствии этилата натрия —
это реакция нуклеофильного присоединения. Для алкинов, в отличие от
алкенов, характерны реакции AN, однако только с жёсткими нуклеофилами.
Нуклеофильная частица (этилат-ион) атакует молекулу алкина по тому
углеродному атому тройной связи, на котором меньше величина электронной плотности:
d-
H-C C
C2H5 + :OC2H5
H-C C-C2H5
OC2H5
Присоединение завершается тем, что образовавшийся карбанион отрывает
протон от молекулы спирта:
H-C C-C2H5 C2H5OH
H2C C-C2H5
OC2H5 -C2H5O
OC2H5
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите механизм реакции взаимодействия каждого из соединений: а)
3-метилгексадиена-1,3;
б)
3-метилбутадиена-1,2;
в) 2,3-диметилбутадиена-1,3; г) гептадиена-2,5; д) 2,3-диметилгексадиена-2,4; е) 2,3,4-триметилпентадиена-1,3; ж) пентадиена-1,3; з) 2метилпентадиена-2,3
—
со
следующими
реагентами:
1) избытком воды в присутствии кислотного катализатора, 2) избытком
концентрированного водного раствора бромоводородной кислоты в отсутствие пероксидов, 3) бромоводородом в апротонном растворителе в присутствии
пероксидов,
4) избытком бромной воды, 5) этанолом (1:1) в присутствии кислотного
катализатора, 6) хлорноватистой кислотой. Какое из этих соединений легче будет вступать в реакцию?
2. Приведите механизм озонолиза для 3-метилбутадиена-1,2 и для 2,3,4триметилпентадиена-1,3.
3. Приведите механизм AЕ- и SR-реакций взаимодействия с хлором для каждого из следующих углеводородов: а) 3-метилбутадиена-1,2; б) гептадиена-2,4; в) гептадиена-1,6. Укажите условия.
4. Какие из перечисленных ниже соединений: а) 3-метилбутин-1, б) пентин2, в) 4-метил-3-этилпентин-1, г) 3,4-диметилпентин-1, д) 4-метилпентин-1,
е) гексин-2 — могут взаимодействовать со следующими реагентами: 1)
реактивом Толленса, 2) амидом натрия? Приведите схемы реакций.
5. Приведите механизм реакции взаимодействия каждого из соединений: а)
3-метилбутин-1, б) пентин-2, в) 4-метил-3-этилпентин-1, г) пентен-1-ин-4,
д) гексин-2 — со следующими реагентами: 1) водой в присутствии Hg2+, 2)
избытком концентрированного водного раствора бромоводородной кислоты в отсутствие пероксидов, 3) бромоводородом в апротонном растворителе в присутствии пероксидов, 4) избытком бромной воды,
5) метанолом (1:1) в присутствии кислотного катализатора,
6) метанолом в присутствии метилата натрия, 7) хлором при 400С. Какие
из них протекают по AЕ-, AR- и SR-механизмам? Как влияют условия на
направление протекания реакций?
Занятие 10. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
НЕПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Вопросы для подготовки к занятию
Классификация
функциональных
производных
непредельных
углеводородов. Строение субстратов винильного и аллильного типа.
Галогеналкены и простые эфиры винильного типа: особенности реакционной
способности в SN и АЕ-реакциях. Виниловые эфиры и полимеры на их
основе. Виниловый спирт и его эфиры. Особенности реакционной
способности в SN-реакциях соединений аллильного типа: аллилгалогенидов,
аллилового и пропаргилового спиртов.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. В чём различие взаимодействия винилхлорида и аллилхлорида с
йодоводородной кислотой, с аммиаком?
Ответ. Винилхлорид и аллилхлорид — непредельные галогенопроизводные,
сильно отличающиеся своей активностью в реакциях нуклеофильного
замещения галогена.
В винилхлориде благодаря (+М)-эффекту возникает частичная
двоесвязанность галогена с углеродом.
d-
CH2= CH - Cl
-
+
CH2- CH=Cl
Поэтому винилхлорид будет инертен к нуклеофильным реагентам в обычных
условиях, и при его взаимодействии с йодоводородной кислотой возможно
лишь электрофильное присоединение по двойной углерод-углеродной связи.
Электрофилом является катион Н+.
CH2=CH-Cl + H+Iˉ  CH3-CHICl
Так как аммиак не проявляет электрофильных свойств, а может быть только
нуклеофилом, то взаимодействие его с винилхлоридом протекать не будет.
Для
аллилхлорида,
напротив,
легко
протекают
реакции
нуклеофильного замещения (особенно легко в протонных высокополярных
растворителях, когда возможна диссоциация субстрата) за счёт образования
устойчивого карбокатиона:
CH2= CH - CH2 - Cl
-Cl-
+
+
CH2= CH - CH2
CH2- CH=CH2
+
+
CH2 CH CH2
Поэтому аллилхлорид будет легко вступать в реакции нуклеофильного
замещения галогена с йодоводородом и аммиаком:
CH2=CH-CH2-Cl + H+Iˉ  CH2=CH-CH2-I
CH2=CH-CH2-Cl + 2NH3  CH2=CH-CH2-NH2 + NH4Cl.
С избытком йодоводорода затем возможна и реакция присоединения по
двойной связи.
Вопрос 2. Какое соединение образуется при взаимодействии винилбромида с
водой в кислой среде?
Ответ. Винилгалогениды несколько более реакционноспособны по
отношению к электрофилам, чем этилен, и при этом наблюдается чёткая
ориентация в электрофильном присоединении. Протон присоединяется
согласно распределению электронной плотности:
d-
+
CH2= CH - Br + H
+
CH2- CH - Br
H
Дальнейшее присоединение молекулы воды приводит к образованию
бромзамещённого спирта, характеризующегося повышенной кислотностью и
легко отщепляющего молекулу бромоводорода.
+
CH3- CH - Br
H2O
H
CH3- CH - Br
+
-H
+
OH2
CH3- CH Br
+
-H
O H
-Br
CH3- C
O
Продуктом реакции является карбонильное соединение (уксусный альдегид).
Вопрос 3. Почему не существует виниловый спирт (не удаётся выделить его
в чистом виде), но известны его простые и сложные эфиры?
Ответ. Виниловый спирт CH2=CH-OH, как и все спирты такого типа, по
правилу Эльтекова–Эрленмейера изомеризуется в карбонильное соединение.
Причина этого — в повышенной кислотности данного спирта по сравнению с
насыщенными спиртами, что можно объяснить как распределением
электронной плотности в самой молекуле спирта, так и стабильностью
алкоголят-аниона
за
счёт
р--сопряжения:
d-
CH2= CH - O
H
-H
+
d-
d'-
CH2= CH - O-
CH2 - CH - O
При присоединении протона к атому углерода образуется связь
С–Н. А СН-кислоты значительно менее сильные, менее способны к
диссоциации, чем ОН-кислоты, которые образуются при протонировании
атома кислорода в еноле. Константы кислотности этих двух реакционых
центров различаются на 5–8 порядков, и поэтому такие соединения, в том
числе и виниловый спирт, существуют преимущественно в карбонильной
форме.
Эфиры винилового спирта (простые и сложные) не содержат
подвижного атома водорода, и в обычных условиях они не
перегруппировываются в производные карбонильных соединений, например,
винилэтиловый эфир и винилацетат.
O
CH2= CH - O - C - CH3
CH2= CH - O - C2H5
винилэтиловый эфир
винилацетат
Вопрос 4. В чём причины высокой основности аллилового спирта?
Ответ. Проявление оснόвных свойств для спиртов — это способность к
взаимодействию с протоном и/или способность к отщеплению гидроксидиона. Для аллилового спирта (и спиртов этого типа) отщепление
гидроксогруппы в виде аниона легко объясняется устойчивостью
образующегося карбокатиона: аллильный катион стабилизирован р-сопряжением. Протонирование же способствует диссоциации молекулы
аллилового спирта.
CH2=CH-CH2-OH
H
+
+
CH2=CH-CH2
OH2
+
-H2O
CH2=CH-CH2
Таким образом, аллиловый спирт должен обладать повышенной
способностью к протонированию, так как этот процесс приводит к
образованию устойчивого катиона.
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите SN1 и SN2-механизмы реакций взаимодействия каждого из соединений: а) 4-метил-1-хлорпентена-2, б) 3-бром-2-метил-пропена-1, в) 3метилбутен-2-ола-1 — со следующими реагентами: 1) с аммиаком, 2) с йодоводородной кислотой, 3) с водой.
2. Приведите AE-механизм реакции взаимодействия 2-бром-пропена-1 и 3метил-1-хлорбутена-1 со следующими реагентами: 1) с водой, 2) с бромоводородной кислотой, 3) с бромной водой, 4) с метанолом в присутствии
кислотного катализатора.
3. Чем отличается взаимодействие с галогеноводородными кислотами 3-
бром-2-метилпропена-1 и 1-бром-2-метилпропена-1? По каким механизмам протекает взаимодействие каждого из бромалкенов с галогеноводородными кислотами?
4. Приведите SR-механизм реакции хлорирования каждого из соединений: а)
4-метил-1-хлорпентена-1, б) 4-метил-1-хлор-пентена-2, в) 3-бром-2метилпропена-1, г) 3-метил-1-хлор-пентена-1. Укажите условия проведения этой реакции.
Занятие 11. АЛИФАТИЧЕСКИЕ АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Классификация оксосоединений. Строение оксогруппы. Реакции
нуклеофильного присоединения, механизм, роль катализатора. Сравнение
реакционной способности оксогруппы альдегидов и кетонов. Реакции
замещения в углеводородном радикале. Реакции окисления и
восстановления.
Особенности окисления
кетонов. Полимеризация
карбонильных соединений.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
3. Лабораторная работа.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Дайте все возможные названия:
=
CH3-CH2-CH-CHO
=
O O
C 2H 5
CH3-C - C-H
Ответ. Первое вещество является насыщенным алифатическим альдегидом,
для названия которого применяются заместительная и рациональная
номенклатуры. По заместительной номенклатуре должна быть выбрана
родоначальная структура, включающая атом углерода альдегидной группы,
при этом нумерация начинается с альдегидной группы:
4
3
2
1
CH3-CH2-CH-CHO
C2H5
К названию углеводорода из четырёх атомов углерода добавляется суффикс аль. Заместитель «этил» присутствует в названии в качестве приставки.
Таким образом, название этого соединения по заместительной номенклатуре:
2-этилбутаналь. По рациональной номенклатуре любой альдегид может
быть назван как замещённый уксусный. Для этого выделим в структуре
данного альдегида фрагмент уксусного
CH3-CH2 - CH-CHO
C 2H 5
,
который связан с двумя этильными радикалами. Поэтому полное название
альдегида по рациональной номенклатуре — диэтилуксусный альдегид.
Молекула второго соединения содержит альдегидную и кетонную
группы. Назвать его можно только по заместительной номенклатуре. При
этом старшей функциональной группой из них является альдегидная, и для её
названия используется суффикс -аль. Название кетонной группа в
присутствии альдегидной образуется путём добавления приставки оксо-.
Нумерацию углеродных атомов в соединении определяет старшая
(альдегидная) группа.
3
2
1
=
=
CH3-C - C-H
O O
Таким образом, название соединения 2-оксопропаналь.
Вопрос 2. В чём различие механизма взаимодействия ацетона с метанолом в
кислой, щелочной и нейтральной среде? Приведите образование
соответствующего полуацеталя и ацеталя.
Ответ. Взаимодействие карбонильных соединений со спиртами — это
реакция нуклеофильного присоединения, в которой нуклеофилом является
молекула спирта или алкоголят-ион, в зависимости от среды. В нейтральной
среде с ацетоном взаимодействуют молекулы воды по схеме:
OCH3
d- d+
CH3-C-CH3
CH3-C-CH3 + CH3-O H
OH
O
Образовавшееся производное кетона, относящееся к полуацеталям (или,
правильнее, к полукеталям), может дальше взаимодействовать со второй
молекулой метанола. Но это уже реакция нуклеофильного замещения
гидроксогруппы в замещённых спиртах; при этом получаются полные
ацетали (кетали):
OCH3
CH3-C-CH3
OH
d- d+
+ CH3-O
H
OCH3
CH3-C-CH3
OCH3
В кислой среде нуклеофилом является также молекула спирта, однако
реакция протекает легче, так как происходит первичное (быстрое и
обратимое) протонирование молекулы субстрата (ацетона) с образованием
карбокатиона, реакционная способность которого по отношению к
нуклеофилам значительно выше, чем нейтральных молекул.
CH3-C-CH3
d- d+
+
+
+ H
CH3-C-CH3 + CH3-O
O
H
-H
+
OCH3
CH3-C-CH3
OH
OH
И дальнейшее превращение в ацеталь (кеталь) в кислой среде протекает
легче:
OCH3
CH3-C-CH3
OH
+
H
OCH3
CH3-C-CH3
+
OH2
d- d+
OCH3
CH3-O H
CH3-C-CH
3
+
-H2O
+
-H
OCH3
CH3-C-CH3
OCH3
В щелочной среде взаимодействие кетонов со спиртами также
протекает легче, чем в нейтральной среде, но за счёт того, что
нуклеофильной частицей здесь будет алкоголят-анион. Однако в данном
случае образуется только полуацеталь (полукеталь). Дальнейшее
нуклеофильное замещение не происходит, по-видимому, потому, что
щелочная среда не способствует протеканию реакций по SN1-механизму.
-
-
CH3-O + H2O
CH3-O-H + OH
CH3-C-CH3
O
+ -O-CH3
OCH3
OCH3
d+
CH3-O H
CH3-C-CH3
CH3-C-CH3
-
O
-CH3O
OH
Вопрос 3. В чём различие реакций окисления альдегидов и кетонов?
Поясните на примере ацетальдегида и гексанона-3.
Ответ. Окисление альдегидов протекает легко за счёт наличия подвижного
атома водорода в альдегидной группе. В качестве окислителей обычно
применяют влажный оксид серебра, раствор перманганата калия или
фелингову жидкость. Качественной реакцией на альдегиды (для отличия их
от кетонов) обычно считается реакция серебряного зеркала —
взаимодействие альдегидов с гидроксидом диамминсеребра (реактивом
Толленса). Из уксусного альдегида, таким образом, получается уксусная
кислота (в виде аммонийной соли):
O
O
[Ag(NH3)2]OH
=
=
CH3-C
CH
-C
+
3
- Ag, - NH3, - H2O
H
O NH4 .
В отличие от альдегидов кетоны подвергаются действию окислителей в
жёстких
условиях.
Так,
диоксид
селена
окисляет
-метиленовую группу до карбонильной. Поэтому из гексанона-3 получится
соответствующие изомерные -дикетоны:
SeO2
- H2O, - Se
O
O
=
CH3-C-C
CH2CH2CH3
=
O
CH3CH2-C =
CH2CH2CH3
=
O
O
=
CH3CH2-C-C
CH2CH3
А действие сильных окислителей (например, хромовой смеси) при
нагревании приводит к окислению одного из -углеродных атомов и разрыву
C-C-связи по обе стороны от карбонильной группы:
CH3CH2-COOH + CH3CH2COOH
O
K2Cr2O7 + H2SO4
CH3CH2-C =
CH2CH2CH3
CH3COOH + CH3CH2CH2-COOH
При этом из каждого осколка образуется молекула карбоновой кислоты, и
получается смесь трёх кислот (в общем случае — смесь четырёх кислот).
Вопрос 4. Какова должна быть структура соединений, чтобы реакции
альдольной и кротоновой конденсации для них были возможны? Приведите
механизм этих реакций для изовалерианового альдегида.
Ответ. Альдольная и кротоновая конденсации характерны для альдегидов и
кетонов, имеющих -водородные атомы. При альдольной конденсации
происходит присоединение одной молекулы карбонильного соединения к
другой молекуле; образуется альдегидоспирт (альдоль). При кротоновой
конденсации из двух молекул карбонильного соединения образуется молекула
непредельного альдегида или кетона; процесс сопровождается выделением
молекулы воды.
Реакции обычно проводят в присутствии оснований, однако возможен
и кислотный катализ. В качестве оснований для катализа используют 5–10%й раствор щёлочи. Реакция начинается с отрыва протона от -углеродного
атома изовалерианового альдегида:
O
CH3-CH-CH C =
H
CH3 H
a
:OH
- H2O
O
CH3-CH-CH - C =
H
CH3
При этом образуется карбониевый анион, стабилизированный р-сопряжением. Дальнейшее превращение происходит за счёт проявления им
нуклеофильных свойств по отношению ко второй молекуле альдегида:
d+ O
CH3-CH-CH2-C =
H
CH
3
O
O
+ :CH - C =
H
CH3-CH-CH3
-
O
CH3-CH-CH2-C - CH - C =
H
CH3
H CH(CH3)2
Образовавшийся анион отрывает протон от молекулы воды, сам превращаясь
в молекулу альдоля:
O
-
OH
O
CH3-CH-CH2 - C - CH - C =
H
H3C
H CH(CH3)2
O
CH3-CH-CH2 - CH- CH - C =
H
CH(CH3)2
H3C
H2O
- OH
-
Дальнейшее превращение альдоля также связано с отрывом
-водородного атома от того же атома углерода (находящегося между функциональными группами) под действием щёлочи, а затем происходит отщепление гидроксид-иона от образовавшегося карбониевого аниона:
OH
-
O
CH3-CH-CH2-CH - C - C =
H
(CH3)2CH
H3C
- OH
-
O
=
CH3-CH-CH2-CH=C-C
H
(CH3)2CH
CH3
Вопрос 5. Каковы будут продукты реакции Канниццаро, если в неё вступают
два альдегида: муравьиный и трихлоруксусный? Приведите механизм.
Ответ. Это реакция диспропорционирования альдегидов, в которой одна
молекула окисляется до кислоты, а другая восстанавливается до спирта.
Реакция протекает при участии концентрированного водного раствора
щёлочи (40–50%) и характерна для альдегидов, не содержащих водородных атомов. В противном случае в этих условиях будет проходить
альдольная (и кротоновая) конденсация с участием -водородных атомов.
Реакция начинается с обратимого присоединения гидроксид-иона по
двойной связи C=О. И если реакция Канниццаро протекает в смеси двух
альдегидов, то атаке гидроксид-анионом будет подвергаться альдегид, более
реакционноспособный по отношению к нуклеофилам. Так, если одним из
альдегидов является трихлоруксусный альдегид, то гидроксид-ион
взаимодействует с карбонильным атомом углерода именно этого альдегида
за счёт значительного положительного заряда на этом атоме:
Cl
Cl
Cl
-
d+ =O
C-C
H
+
-
O
OH
Cl3C - C - OH
H
,
а затем от образовавшегося аниона происходит отрыв гидрид-иона и его
взаимодействие с карбонильным атомом углерода молекулы муравьиного
альдегида:
-
O
=
O
Cl3C - C - OH
H-C-H
O
=
Cl3C-C
OH
O+ H-C-H
H
H
.
По завершении нуклеофильной атаки происходит быстрая миграция протона
от молекулы карбоновой кислоты к алкоголят-иону:
Cl3C–COOH + CH3Oˉ  Cl3C–COOˉ + CH3OH
Контрольные вопросы и задачи
1. Назовите:
CH3 C2H5
CH3-CH-CH-CHO
CH3
CH3-CH2-C-CHO
CH3
O
=
O
=
=
O
CH2=CH-CH2-C-CH3
CH3 CH3
CH3-CH-CH-CHO
CH3-C -CH2-C-H
2. Приведите AN-механизм реакции присоединения воды, метанола, синильной кислоты, аммиака, метиламина, гидросульфита натрия к следующим
карбонильным соединениям: 1) пропаналю, 2) 2-метил-бутаналю, 3) пентанону-2, 4) 3-метилбутанону-2. В каких случаях возможно применение
кислотного катализатора, в каких случаях возможно применение основного катализатора?
3. Приведите возможные схемы окисления и восстановления следующих альдегидов
и
кетонов:
1)
пропаналя,
2)
бутанона-2,
3) пентанона-3.
4. Приведите механизм альдольной конденсации для 2,3-диметил-бутаналя.
5. Приведите механизм реакции Канниццаро для 2,2-диметил-бутаналя.
6. Как протекает реакция бромирования в кислой и щелочной среде бутанона-2?
Лабораторная работа
Опыт 1. ОТНОШЕНИЕ ФОРМАЛЬДЕГИДА И АЦЕТОНА
К ОКИСЛЕНИЮ ГИДРОКСИДОМ ДИАММИНСЕРЕБРА
Для получения «серебряного зеркала» необходимо сначала подготовить
пробирки. Возьмите две пробирки и в каждую из них поместите по 5 мл 10%го раствора гидроксида натрия NaOH и осторожно кипятите в течение 1–2
мин., а затем тщательно ополосните их дистиллированной водой. В
подготовленные пробирки вносят по 5 капель 5%-го раствора нитрата
серебра AgNO3, добавляют приблизительно по 1 мл воды и затем прибавляют
по каплям при встряхивании 10%-й водный раствор аммиака до полного его
растворения выпавшего осадка. Затем в первую пробирку прибавьте 2 капли
40%-го формалина, а во вторую — 2 капли ацетона и опустите пробирки на
несколько минут в водяную баню. Отметьте все изменения, происходящие в
пробирках.
Напишите уравнение реакции «серебряного зеркала». Чем объясняется
выпадение осадка черного цвета в первой пробирке?
Объясните, почему во второй пробирке не наблюдается выпадение
осадка.
Опыт 2. ОТКРЫТИЕ АЦЕТОНА ПЕРЕВОДОМ ЕГО В ЙОДОФОРМ
Эта реакция используется в клинических лабораториях и имеет
практическое значение для диагностики сахарного диабета.
В пробирку поместите 1 каплю раствора йода в йодиде калия и
прибавьте почти до обесцвечивания по каплям 10%-й раствор гидроксида
натрия. К обесцвеченному раствору добавьте 1 каплю ацетона. При слабом
нагревании от тепла рук выпадает желтовато-белый осадок с характерным
запахом йодоформа.
Приведите схему реакции образования йодоформа.
Занятие 12. СИСТЕМЫ -СВЯЗЕЙ
Содержание занятия
1. Контрольная работа.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Вопросы для подготовки к контрольной работе
Номенклатура непредельных углеводородов.
Механизм реакций электрофильного присоединения. Влияние структуры
субстрата на направление протекания реакции. Стереоселективность
электрофильного присоединения.
Примеры электрофильного присоединения воды, галогенов, галогеноводородов, борана, озона.
Особенности реакций АЕ-присоединения по тройной связи.
Особенности реакций АЕ-присоединения к диеновым углеводородам. Реакции 1,2- и 1,4-присоединения к сопряжённым диенам. Особенности полимеризации сопряжённых диенов.
Механизм реакций радикального присоединения. Примеры реакций. Реакции каталитического гидрирования и комплексообразования.
Реакции радикального замещения в ряду непредельных углеводородов:
хлорирование и пероксидное окисление.
8. Алкены: особенности изомерии. Примеры реакций АЕ и АR. Изомеризация, полимеризация, теломеризация. Реакции окисления.
9. Строение, изомерия и особенности свойств алленов.
10. Особенности строения и химических свойств сопряжённых диенов. Реакции диенового синтеза.
11. Особенности строения алкинов и реакций присоединения по тройной связи.
12. Кислотные свойства алкинов. Возможность протекания реакций нуклеофильного присоединения и электрофильного замещения.
13. Классификация функциональных производных непредельных углеводородов. Строение субстратов винильного и аллильного типа.
14. Галогеналкены и простые эфиры винильного типа: особенности реакционной способности в SN и АЕ-реакциях.
15. Виниловый спирт, его эфиры и полимеры на их основе. Понятие о кетоенольной таутомерии.
16. Особенности реакционной способности в SN-реакциях соединений аллильного типа: аллилгалогенидов, аллилового и пропаргилового спиртов.
17. Классификация оксосоединений. Строение оксогруппы.
18. Реакции нуклеофильного присоединения к альдегидам и кетонам, механизм, роль катализатора. Сравнение реакционной способности оксогруппы альдегидов и кетонов. Реакции конденсации оксосоединений.
19. Реакции замещения в углеводородном радикале альдегидов и кетонов.
Реакции окисления и восстановления. Особенности окисления кетонов.
20. Полимеризация карбонильных соединений. Параформ.
21. Особенности ,-ненасыщенных альдегидов.
22. Дикарбонильные соединения: строение, свойства. Таутомерия дикарбонильных соединений. Ацетилацетон и его свойства.
Занятие 13. ПРЕДЕЛЬНЫЕ МОНОКАРБОНОВЫЕ
КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ
Вопросы для подготовки к занятию
Номенклатура карбоновых кислот и их производных. Строение
карбоксильной и ацильной групп. Кислотные и основные свойства
карбоновых кислот и производных. Реакции нуклеофильного замещения в
ряду карбоновых кислот и их ацильных производных, механизм, роль
катализатора. Сравнение их реакционной способности. Другие реакции
карбоновых кислот, их солей, амидов (реакции с участием -водородных
атомов
—
Гелля–Фольгарда–Зелин-ского,
декарбоксилирование,
перегруппировка по Гофману). Особенности получения и химического
поведения нитрилов. Жиры как сложные эфиры глицерина: строение, состав.
Общая характеристика карбоновых кислот, входящих в состав жиров. Общее
представление о строении и физиологической роли фосфатидов.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
3. Лабораторная работа.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Дайте названия для следующих двух соединений по заместительной номенклатуре:
CH3
1) CH3-CH2-C-CH-CH2-CH3
CH3 COOH
CH3
O
CH3
CH
-CH-CH
-C
3
2
2)
O-CH2-CH-CH3
Приведите также для них другие возможные названия.
Ответ. В молекуле первого соединения присутствует единственная
функциональная группа -СООН, поэтому родоначальная структура должна
обязательно включать атом углерода карбоксильной группы, и нумерация
углеродной цепи должна начинаться с этого атома углерода.
CH3
4
5
3
2
CH3-CH2-C-CH-CH2-CH3
1
CH3 COOH
Основа названия составляется как производное соответствующего углеводорода — пентана — с добавлением суффикса с окончанием -овая и слова «кислота». Полное название будет включать перечисление заместителей, не попавших в родоначальную структуру, в виде приставок по алфавиту с указанием локантов: 3,3-диметил-2-этилпентановая кислота. Среди других возможных названий — это название по рациональной номенклатуре: данная карбоновая килота рассматривается как замещённая уксусная — этил-третамилуксусная кислота; и полутривиальное название: как замещённая валериановая кислота — α-этил-β,β-диметилвалериановая кислота.
Второе соединение представляет собой сложный эфир. Поэтому для
названия по заместительной номенклатуре необходимо к названию углеводородного радикала спиртового остатка добавить название ацилата кислоты.
Этот эфир является производным изобутилового спирта и изовалериановой
(3-метилбутановой) кислоты. Поэтому его название будет изобутил-3метилбутаноат. Среди других названий — это полутривиальные названия
изобутил-изовалерат, изовалериано-изобутило-вый эфир, изобутиловый
эфир изовалериановой кислоты и название по рациональной номенклатуре
изобутиловый эфир β-метилмасляной кислоты.
Вопрос 2. Сравните кислотные свойства этановой кислоты, этанамида и этанамина.
Ответ. Этановая кислота, этанамид и этанамин представляют собой производные одного углеводорода — этана:
O
CH3-C
OH
O
CH3-C
CH3-CH2-NH2
NH2
Молекулы этановой кислоты, этанамида и этанамина содержат разные
функциональные группы, причём в первом соединении кислотным центром
является атом кислорода, а во втором и третьем веществе – атом азота. В
молекуле этановой кислоты на атом кислорода, являющийся кислотным
центром, оказывает сильное электроноакцепторное влияние карбонильный
фрагмент >C=O, увеличивающий полярность связи О–Н в гидроксильной
группе за счёт р-π-сопряжения и уменьшающий эффективный отрицательный
заряд на кислотном центре:
d'-
O
CH3-C dO H
Аналогично в молекуле этанамида на атом азота, являющийся кислотным
центром, оказывает сильное электроноакцепторное влияние карбонильный
фрагмент >C=O. В результате увеличивается полярность связи N–Н за счёт рπ-сопряжения и уменьшается эффективный отрицательный заряд на кислотном центре:
d'-
O
CH3-C dN H
H
Всё это способствует отрыву протона и проявлению этим соединением более
сильных кислотных свойств, чем этанамином, в молекуле которого отсутствует р-π-сопряжение:
H
CH3-CH2 N
H
Поэтому кислотные свойства у этанамина в меньшей степени выражены, чем
у этановой кислоты и этанамида.
Однако в молекуле этанамида по сравнению с этановой кислотой кислотным центром является менее электроотрицательный атом азота, поэтому
полярность связи N–H меньше, чем О–H, и эффективный заряд на атоме азота, являющемся кислотным центром, также меньше, чем на атоме кислорода
в этановой кислоте.
Таким образом, кислотность этанамида меньше, чем этановой кислоты,
и весь ряд уменьшения кислотных свойств можно представить следующим
образом:
O
CH3-C
O
>
OH
CH3-C
NH2
>
CH3-CH2-NH2
Вопрос 3. Чем отличаются условия и механизм реакций образования сложного эфира при взаимодействии спирта с а) этаноилхлоридом, б) этановой кислотой и в) этанамидом?
Ответ. Наиболее реакционноспособными ацильными производными карбоновых кислот по отношению к нуклеофилам являются галогенангидриды. Их
представителем из числа перечисленных в задании является этаноилхлорид.
Высокая реакционная способность галогенангидридов объясняется преобладанием акцепторного индуктивного эффекта атома галогена над донорным
мез
онильном атоме углерода, являющимся реакционным центром) и стабильностью галогенид-иона, являющимся анионом уходящей группы. Нуклеофильное замещение в ряду галогенангидридов протекает достаточно быстро при
обычных условиях. Механизм реакции здесь может быть SN1 или SN2.
SN1-механизм:
O
CH3-C
+
Cl -Cl
ROH
CH3-C=O
-
O
H
CH3-C +
+
O-R -H
O
CH3-C
OR
SN2-механизм:
O
CH3-C
ROH
Cl
:O H
+
CH3-C O-R
O
-HCl
CH3-C
OR
Cl:
Реакционная способность карбоновых кислот при взаимодействии со
спиртами ниже, чем ацилгалогенидов, а амидов – ещё ниже. Поэтому реакция
образования сложного эфира из этановой кислоты или этанамида протекает
медленнее и только в присутствии кислотного катализатора:
O
CH3-C
+
H
+
OH
CH3-C
OH
OH
OH
CH3-C O-R
+
HOH
+
-H2O
ROH
CH3-C
OH H
+
CH3-C O-R
HO:
O
OH
+
OR -H
CH3-C
OR
O
CH3-C
+
H
OH
+
CH3-C
NH2
NH2
OH
+
CH3-C O-R
-NH3
+
ROH
CH3-C
OH H
+
CH3-C O-R
H2N:
OH NH
3
+
OR -NH4
O
CH3-C
OR
NH3
Причина низкой реакционной способности карбоновых кислот и их
амидов заключается в донорном эффекте гидроксильной и амино-групп, что
стабилизирует промежуточный карбокатион и затрудняет нуклеофильную
атаку. Для активирования таких субстратов, как карбоновые кислоты и, особенно, амиды, реакцию проводят обычно при нагревании.
Вопрос 4. Каковы механизмы превращения 2-метилбутаноата аммония а) при
нагревании; б) при взаимодействии с ацетилхлоридом?
Ответ. 2-Метилбутаноат аммония — соль слабой кислоты и слабого основания. Поэтому в равновесии с ионной формой вещества существует и молекулярная:
O
CH3CH2-CH-C O NH4+
CH3
O
CH3CH2-CH-C
CH3
+ NH3
OH
Образующиеся аммиак и карбоновая кислота вступают друг с другом в реакцию нуклеофильного замещения. Нагревание приводит к увеличению нуклеофильной активности аммиака и ускорению реакции распада ионного соединения.
O
O
+
CH3CH2-CH-C
CH3
:O
OH
+ :NH3
CH3CH2-CH-C NH3
CH3 OH
-
CH3CH2-CH-C NH2
+
CH3 OH2
O
-H2O
CH3CH2-CH-C
CH3
NH2
Ацетилхлорид — высокоактивное по отношению к нуклеофилам
ацильное производное уксусной кислоты. Его взаимодействие с солью другой карбоновой кислоты приведёт к нуклеофильному замещению, в котором
роль нуклеофила будет играть 2-метилбутаноат-анион:
d+ O
+
CH3CH2-CH-C CH3-C
Cl
O:
CH3
O
-
O :O
CH3CH2-CH-C O C-CH3
CH3
-Cl
-
Cl
O
O
CH3CH2-CH-C O C-CH3
CH3
Продуктом реакции является смешанный ангидрид
метилмасляной кислот — этаноил-2-метилбутаноат.
уксусной
и
α-
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите все возможные названия для данных соединений:
CH3 O
CH3-C-C
OC2H5
CH3
O
CH3-CH-CH2-CH2-C
Cl
CH3
O
C2H5-C
C 2H 5
N CH
2 5
O O
HC-O-C-CH-C2H5
C2H5
COOH
H * CH3
CH2CH3
2. Какие общие свойства спиртов и карбоновых кислот можно отметить?
3.
4.
5.
6.
Приведите примеры. Поясните.
Как будет протекать взаимодействие 2,2-диметилпропановой кислоты с
хлором на свету; с пентахлоридом фосфора; с пропанолом-2 в кислой среде; при нагревании с пентаоксидом дифосфора? Приведите механизмы
реакций.
Как следует проводить реакцию, чтобы переэтерифицировать метиловый
эфир карбоновой кислоты в бутиловый и наоборот?
Приведите
механизм
реакции
взаимодействия
2,2-диметилбутаноилхлорида с метанолом; с избытком аммиака.
Почему при пиролизе кальциевых и влажных натриевых солей карбоновых кислот образуются разные продукты? Сравните механизмы реакций.
Лабораторная работа
ОТКРЫТИЕ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ
В пробирку поместите по 3 капли уксусной кислоты и воды. К раствору
добавьте 2–3 капли 10%-го раствора гидроксида натрия до полной
нейтрализации уксусной кислоты. После этого добавьте 2–3 капли 1%-го
раствора FeCl3. Появляется жёлто-красное окрашивание ацетата железа (III).
Подогрейте раствор до кипения. Выделяется красно-бурый осадок
нерастворимого в воде гидроксида диацетата железа (III) (CH3COO)2FeOH.
Раствор над осадком становится бесцветным.
Занятие 14. ДИКАРБОНОВЫЕ И НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ
КИСЛОТЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ
Вопросы для подготовки к занятию
Номенклатура
и
строение
непредельных
кислот.
Реакции
присоединения к непредельным монокарбоновым кислотам и реакции
замещения в радикале. Общая характеристика высших непредельных
карбоновых кислот, входящих в состав жиров.
Номенклатура дикарбоновых кислот и их производных; особенности их
химического поведения: кислотные свойства, нуклеофильное замещение в
ацильных группах, поведение при нагревании. Свойства циклических
ангидридов и имидов.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
3. Лабораторная работа.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. По какому направлению преимущественно будут протекать реакции радикального замещения в а) кротоновой и б) пентен-3-овой кислоте?
Ответ. Кротоновая, или бутен-2-овая, и пентен-3-овая кислоты — это непредельные карбоновые кислоты:
O
O
CH3CH=CH-C
OH
кротоновая кислота
CH3CH=CH-CH2-C
OH
пентен-3-овая кислота,
причём кротоновая кислота относится к α,β-ненасыщенным, то есть в её молекуле имеется π-π-сопряжённый фрагмент, включающий углеродуглеродную π-связь и π-связь карбонильной группы. В молекуле пентен-3овой кислоты π-связи разделены насыщенным атомом углерода, и сопряжения между ними нет.
Реакции радикального замещения, инициируемые светом или высокой
температурой, обычно протекают через образование наиболее стабильного из
возможных углеводородного радикала. Типичным примером может служить реакция хлорирования. В случае кротоновой кислоты реакция идёт по четвёртому
атому углерода; при этом образуется радикал, в котором р-орбиталь с неспарен-
ным электроном включается в цепь имеющегося сопряжения и удлиняет её:
h
Cl . + Cl .
Cl
2
Cl . +
O
CH3CH=CH-C
OH
.
O
CH2-CH=CH-C
OH
-HCl
Такой радикал будет очень стабильным, что можно подтвердить также граничными структурами:
.
O
CH2-CH=CH-C
OH
O.
.
O
CH2=CH-CH-C
OH
CH2=CH-CH=C
OH
В молекуле пентен-3-овой кислоты имеется два насыщенных атома углерода (второй и пятый), однако только радикальная атака по пятому атому
углерода приведёт к образованию стабильного промежуточного радикала с
длинной цепью π-р-π-сопряжения:
O
Cl . +
CH3CH=CH-CH2-C
OH
-HCl
O
.
CH3CH=CH-CH-C
OH
Превращение промежуточных углеводородных радикалов, образованных из кротоновой и пентен-3-овой кислот, протекает аналогично другим реакциям радикального хлорирования:
.
O
+ Cl2
CH2-CH=CH-C
OH
O
CH2-CH=CH-C
Cl
+ Cl .
OH
4-хлорбутен-2-овая кислота
O
.
+ Cl2
CH3CH=CH-CH-C
OH
O
+ Cl .
CH3CH=CH-CH-C
OH
Cl
2-хлорпентен-3-овая кислота
Вопрос 2. Дайте название по заместительной номенклатуре следующим соединениям:
1)
O
O
C-CH-CH2-CH-C
H3CO
OH
CH3
C2H5
2)
3)
O
O
C-CH-CH2-CH2-C
HO
NH2
CH3
4)
O
O
C-CH2-CH2-CH-C
C2H5O
Cl
C2H5
O
CH3-CH-C
NH
CH3-CH-C
O
Ответ. 1) Дикарбоновые кислоты образуют два ряда сложных эфиров:
нейтральные и кислые. Первое соединение относится к кислым эфирам. Кислые
эфиры называются аналогично эфирам монокарбоновых кислот — к названию
алкильного остатка спирта добавляется название аниона кислоты (ацилата), но
наличие атома водорода в одной из карбоксильных групп обозначается приставкой гидро-, помещаемой после названия спиртового остатка. Заместители в
углеводородной цепи обозначают приставками, указывая локантами их положение и перечисляя в алфавитном порядке. Нумерация углеводородной цепи
проводится с учётом старшинства функциональных групп. Название: Метилгидро-4-метил-2-этилпентандиоат.
2) Второе соединение как функциональное производное дикарбоновой кислоты — это неполный галогенангидрид, содержащий ещё сложноэфирную
группу, которая в названии имеет приоритет перед галогенокарбонильной.
Поэтому для обозначения последней используется приставка галогенокарбонил. В данном случае хлоркарбонильная группа находится у четвертого атома
углеводородной цепи остатка гексановой кислоты. Поэтому название: Этил4-хлоркарбонилгексаноат.
3) Третье вещество относится к неполным амидам, причём карбоксильная
группа имеет приоритет в названии. В таком случае амидная группа обозначается приставкой аминокарбонил- (или карбамоил- — как ацильного остатка
карбаминовой кислоты NH2-COOH) с указанием её положения в углеродной
цепи. Все приставки перечисляются в алфавитном порядке с указанием их
положения локантами. Название: 4-Аминокарбонил-2-метилбутановая кислота или 4-Карбамоил-2-метилбутановая кислота.
4) Названия имидов образуют от соответствующих карбоновых кислот путём
замены словосочетания -карбоновая кислота на -кар-боксимид. Двумя локантами указывают положение в углеродной цепи двухвалентного заместителя –CO-NH-CO–. Название: 2,3-Бу-танкарбоксимид.
Вопрос 3. Каков механизм взаимодействия янтарного ангидрида с избытком
этанола в кислой среде?
Ответ. Янтарный ангидрид, как ацильное производное дикарбоновой кислоты, образует со спиртами сложные эфиры, причём с избытком этанола продукт реакции будет содержать две сложноэфирные группы:
O
CH2-C
O
CH2-C
O
+
2 C2H5OH
H+
CH2-COOC2H5
+ H2O
CH2-COOC2H5
Механизм всей реакции в целом включает нуклеофильное замещение
сначала в ангидридной группе, а затем, при участии второй молекулы этанола, — в карбоксильной группе:
Od'O
CH2-C
CH2-C
H+
O
CH2-C
O
OH C2H5
+
CH2-C O
O: H
CH2-C
O
OH
:
CH2-C
+
C2H5OH
O
H-O
:
CH2-C +OC2H5
O H
CH2-C
O
:
OH
O
+
C-CH2-CH2-C
C2H5O
OH
:
:
OH
OH C2H5
O
O
+
+
C2H5OH
C-CH2-CH2-C
C-CH2-CH2-C O
OH
OH H
C2H5O
C2H5O
:
O-H
OH
O
O
+
C-CH2-CH2-C
C-CH2-CH2-C OC2H5
-H+
-H2O
OC
H
C2H5O
C2H5O
2 5
+OH
2
O
O
C-CH2-CH2-C
OC2H5
C2H5O
Вопрос 4. Какие продукты образуются при взаимодействии гидрооксалата
натрия с избытком концентрированной серной кислоты при нагревании.
Приведите схемы превращений.
Ответ. Первая стадия взаимодействия гидрооксалата натрия с серной кислотой — это обменная реакция с образованием щавелевой кислоты:
НООС-CООNa + Н2SO4  НООС-CООН + NaНSО4
Дальнейшее нагревание приводит к декарбоксилированию щавелевой кислоты и превращению её в муравьиную кислоту:
-450
К  НСООН + СО ,



НООС-CООН 430
2
а муравьиная кислота при нагревании с концентрированной серной дегидратируется с образованием монооксида углерода:
H SO
4  CO + Н О.
HCOOН 2
2
Поэтому суммарное уравнение превращения гидрооксалата натрия при
нагревании с серной кислотой будет:
o
t
НООС-CООNa + Н2SO4 
NaНSО4 + СО2 + СО + Н2О
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите возможные превращения гидросукцината аммония при нагревании.
2. Приведите механизм реакции взаимодействия янтарного ангидрида с этиламином (при мольном соотношении реагентов 1:1).
3. Приведите механизм реакции полного гидролиза малонилдихлорида.
4. Приведите механизм реакции взаимодействия диэтилоксалата с избытком
разбавленной соляной кислоты.
Лабораторная работа
Опыт 1. ОТКРЫТИЕ ЩАВЕЛЕВОЙ КИСЛОТЫ
В ВИДЕ КАЛЬЦИЕВОЙ СОЛИ
В пробирку поместите лопаточку щавелевой кислоты и прибавьте 4–5
капель воды до полного растворения. Пипеткой возьмите одну каплю
раствора и нанесите на предметное стекло. Добавьте к ней 1 каплю раствора
хлорида кальция. Выпадает кристаллический осадок.
Напишите схему реакции образования оксалата кальция.
С кристаллами оксалата кальция можно встретиться при клиническом
исследовании мочи. Они имеют форму почтовых конвертов и хорошо видны
под микроскопом.
Опыт 2. ОКИСЛЕНИЕ ОЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ РАСТВОРОМ
ПЕРМАНГАНАТА КАЛИЯ
В пробирку поместите 2 капли олеиновой кислоты, добавьте 2 капли
5%-го раствора Na2CO3 и 2 капли 2%-го раствора KMnO4. Встряхните
пробирку
несколько раз. Отметьте, какие изменения происходят с
первоначальной фиолетовой окраской раствора.
Занятие 15. ГИДРОКСИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ.
ОКСОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Классификация и оптическая изомерия гидроксикислот. Химические
свойства в сравнении со свойствами спиртов и карбоновых кислот.
Особенности химического поведения гидроксикарбоновых кислот:
кислотные свойства, поведение при нагревании. Классификация и
номенклатура оксокислот. Химические свойства в сравнении со свойствами
альдегидов, кетонов и карбоновых кислот. Особенности химического
поведения оксокарбоновых кислот: кислотные свойства, поведение при
нагревании, реакции декарбоксилирования и декарбонилирования.
Природные гидроксикислоты и оксокислоты, их значение.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Как будет взаимодействовать яблочная кислота с избытком водного раствора щёлочи. Дайте название продукту реакции.
Ответ. Яблочная кислота является двухосновной трёхатомной кислотой, т.е.
содержит две карбоксильные группы и одну спиртовую гидроксогруппу. Со
щелочами протекают обменные реакции только по карбоксильным группам с
образованием солей. Спиртовые гидроксильные группы в реакции со щелочами не вступают. Поэтому для полной нейтрализации 1 моль яблочной кислоты потребуется 2 моль щелочи:
HOOC-CH2-CH-COOH
OH
NaOOC-CH2-CH-COONa
OH
2-гидроксибутандиоат натрия,
оксисукцинат натрия,
малат натрия
+ 2 NaOH
-2H2O
Вопрос 2. Приведите механизм взаимодействия гликолевой кислоты с эквимолярным количеством уксусного ангидрида.
Ответ. В молекуле гликолевой кислоты имеется карбоксильная и спиртовая
гидроксильная группы. Реакции с ангидридами кислот протекают по спиртовой группе так же, как и с ангидридами реагируют спирты с образованием
сложных эфиров.
O
CH2-COOH
+
:
OH
+
CH3
OH3C C O C
O
d+ O
CH3-C
O
CH2-COOH
CH3
O+
H3C C O C
O
H
O
CH2-COOH
CH3-C
HO
CH2-COOH
+ CH3-COOH
O
C CH3
O
Вопрос 3. Приведите механизм взаимодействия пировиноградной кислоты с
эквимолярным количеством аммиака.
Ответ. Пировиноградная кислота — это представитель оксокислот, и в её
молекуле имеется два электрофильных центра, способных взаимодействовать
с аммиаком:
O
d+ d'+
CH3-C C
O
+
:NH3
OH
Величина эффективного положительного заряда на атоме углерода кетонной
группы больше, чем на углероде карбоксильной группы (d>d). Поэтому с
аммиаком будет взаимодействовать, прежде всего, кетонный фрагмент молекулы пировиноградной кислоты. В результате будет происходить присоединение аммиака (AN-реакция) с возможным последующим отщеплением молекулы воды от продукта присоединения:
O
O
O
d+
CH3-C C
+
:NH3
-
OH
CH3-C-COOH
CH3-C-COOH
NH3
NH2
+
OH
+
OH
CH3-C-COOH
NH
CH3-C-COOH
NH
Вопрос 4. Приведите механизм превращения β-оксокислот а) при нагревании
чистого вещества и б) при нагревании её с концентрированным раствором
щёлочи.
Ответ. В молекулах β-оксокислот кетонная группа оказывает акцепторное
влияние на карбоксильную. В результате происходит поляризация связей:
R
C
CH2
O
C
O
O
H
,
что при нагревании приводит к их разрыву, образованию енола, который затем изомеризуется в кетон:
:
R
C
CH2
O
C
O
H
O
R
C
O
CH2
H
O
+ C
O
R
C
O
CH3
+ CO2
В сильнощелочной среде декарбоксилирование затруднено, так как исходная кислота полностью находится в ионизированной форме R-CO-CH2COO– (т.е. в виде аниона), и образование циклического переходного состояния невозможно. Однако становится возможной нуклеофильная атака гид-
:
роксид-ионом по карбонильному атому углерода кетонной группы, за которой при нагревании следует разрыв углерод-углеродной связи и миграция
протона:
OH
R C CH2-COO
R C CH2COO+ :OH
O
O
O
O
O
O
+
R C - + :CH2C
CH3C R C O
OH
O
O
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите
2.
3.
4.
5.
превращение 1 моля глицериновой (2,3-дигидроксипропановой) кислоты а) с избытком раствора щёлочи без нагревания, б) с
2 молями металлического натрия.
Приведите механизм реакции взаимодействия гликолевой кислоты с ацетилхлоридом.
Приведите механизм реакции взаимодействия молочной кислоты с бромоводородом.
Приведите механизм превращения при нагревании а) молочной кислоты,
б) -оксивалериановой кислоты.
Приведите механизм реакции образования N,N-диметил-гидразона ацетоуксусной кислоты.
Занятие 16. МАЛОНОВЫЙ И АЦЕТОУКСУСНЫЙ ЭФИРЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Строение малонового и ацетоуксусного эфиров как представителей дикарбонильных соединений. Кето-енольная таутомерия и СН-кислотность
малонового и ацетоуксусного эфиров. Особенности химического поведения:
нуклеофильные свойства, кислотное и кетонное расщепление. Синтезы на
основе малонового и ацетоуксусного эфиров: получение моно- и
дикарбоновых кислот, моно- и дикарбонильных соединений, оксокислот и
других соединений.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Получите из малонового эфира и любого галогенозамещённого уг-
леводорода изокапроновую кислоту.
Ответ. Изокапроновая кислота — монокарбоновая кислота, поэтому для её
синтеза из малонового эфира выделим в изокапроновой кислоте структурный
фрагмент уксусной кислоты, поскольку этот фрагмент вносится в молекулу
синтезируемой кислоты из малонового эфира:
CH3-CH-CH2-CH2-COOH
CH3
Таким образом, для синтеза изокапроновой кислоты, или по рациональной номенклатуре изобутилуксусной, необходимо в молекулу малонового эфира ввести изобутильный радикал и в качестве алкилирующего агента
использовать изобутилйодид или изобутилбромид. Но для этого сначала из
малонового эфира надо получить его натриевую соль — натриймалоновый
эфир, который и подвергается алкилированию (по механизму SN1 или SN2).
Таким образом, схема превращений будет следующей:
H5C2OOC-CH2-COOC2H5
(CH3)2CH-CH2Br
-NaBr
C2H5ONa
-C2H5OH
- +
H5C2OOC-CH-COOC2H5 Na
COOC2H5
H2O/H+,t
CH3-CH-CH2-CH
-2C2H5OH
CH3
COOC2H5
COOH
CH3-CH-CH2-CH
CH3
COOH
t
-CO2
CH3-CH-CH2-CH2-COOH
CH3
Две последние стадии — это гидролиз сложного эфира и декарбоксилирование замещённой малоновой кислоты. Эти реакции протекают в тех же
условиях и по тем же механизмам, что и, соответственно, гидролиз любого
сложного эфира и декарбоксилирование самой малоновой кислоты.
Вопрос 2. Получите из малонового эфира и любого галогенозамещённого углеводорода -метилглутаровую кислоту.
Ответ. Для того, чтобы из малонового эфира получить дикарбоновую кислоту — -метилглутаровую, необходимо в ней выделить два структурных
фрагмента уксусной кислоты, так как эти фрагменты вносятся в молекулу
синтезируемой кислоты из двух молекул малонового эфира:
HOOC-CH-CH2-CH2-COOH
CH3
Следовательно, углеводородные радикалы, не попавшие во фрагменты
уксусной кислоты, привносятся в синтезируемую молекулу с алкилирующи-
ми агентами — метилбромидом CH3Br и метилендибромидом CH2Br2.
Первоначально две молекулы малонового эфира надо «сшить» с помощью метилендибромида. Для этого получают натриймалоновый эфир и подвергают его алкилированию (по механизму SN1 или SN2):
2H5C2OOC-CH2-COOC2H5 2C2H5ONa 2 H5C2OOC-CH-COOC2H5 Na+
-2C2H5OH
Br-CH2-Br
-2NaBr
H5C2OOC-CH-COOC2H5
CH2
H5C2OOC-CH-COOC2H5
Затем необходимо проалкилировать полученный эфир тетракарбоновой кислоты и таким образом ввести метильную группу в синтезируемое соединение. Снова получают натриевую соль этого эфира, вводят её во взаимодействие с метилбромидом, после чего гидролизуют сложный эфир и декарбоксилируют образовавшуюся тетракарбоновую кислоту:
H5C2OOC-CH-COOC2H5
C2H5ONa
CH2
H5C2OOC-C-COOC2H5
CH2
H5C2OOC-CH-COOC2H5
H5C2OOC-CH-COOC2H5
-C2H5OH
Na+
H5C2OOC
COOC2H5 H O/H+,t HOOC
COOH
2
CH3-C-CH2-CH
CH3-C-CH2-CH
-NaBr
-4C2H5OH
H5C2OOC
HOOC
COOC2H5
COOH
CH3Br
t
HOOC-CH-CH2-CH2-COOH
-2CO2
CH3
Вопрос 3. Получите из ацетоуксусного эфира и любого галогенозамещённого
углеводорода 2,4-диметилпентандиовую кислоту.
Ответ. В синтезах карбоновых кислот из ацетоуксусного эфира надо также
иметь в виду, что в молекулу целевой кислоты из эфира вносится фрагмент
уксусной кислоты. Так как синтезируемая кислота является дикарбоновой, то
в её структуре выделяются два фрагмента уксусной кислоты
HOOC-CH-CH2-CH-COOH
CH3
CH3
,
а для синтеза необходимо использовать две молекулы ацетоуксусного эфира.
Однако прежде, чем «сшивать» фрагменты ацетоуксусного эфира, необходимо в него ввести метильную группу и затем уже соединять остатки эфира
вместе с ней:
CH3-CO-CH2-COOC2H5
C2H5ONa
-C2H5OH
CH3Br
CH3-CO-CH-COOC2H5 Na+
-NaBr
CH3-CO-CH-COOC2H5
CH3
2 CH3-CO-CH-COOC2H5 2C2H5ONa
-2C2H5OH
CH3
Br-CH2-Br
-2NaBr
CH3-CO-C-COOC2H5
+
Na
CH3
CH3CO
COCH3
CH3-C-CH2-C CH3
H5C2OOC
COOC2H5
Образовавшееся соединение подвергают кислотному расщеплению аналогично ацетоуксусному эфиру, то есть при действии на него концентрированного раствора щёлочи.
O
CCH3
+ OH
CH3-CH-CH2-C CH3 -CH COO-CH3COO
CH3-CH-CH2-CH-CH3
3
H5C2OOC
COOC2H5
H5C2OOC
COOC2H5
-
H2O/OH ,t
-2C2H5OH
CH3-CH-CH2-CH-CH3
COOH
HOOC
Вопрос 4. Получите из ацетоуксусного эфира и любого галогенозамещённого
углеводорода 3,4,4-триметилгептандион-2,6.
Ответ. Кетоны можно получить из ацетоуксусного эфира в результате кетонного расщепления. Для этого в молекуле синтезируемого кетона выделяется структурный фрагмент (или фрагменты) ацетона, а непопавшие в эти
фрагменты углеводородные радикалы вводятся в молекулу алкилированием.
CH3 O
CH3-C-CH-C-CH2-C-CH3
O
CH3 CH3
Прежде всего, необходимо при помощи 2,2-дибромпропана CH3-CBr2CH3 «сшить» два остатка натрийацетоуксусного эфира, а затем, снова получив натриевое производное, проалкилировать его бромметаном CH3Br и провести кетонное расщепление полученного эфира.
- +
2CH3-CO-CH2-COOC2H5 2C2H5ONa 2 CH3-CO-CH-COOC2H5 Na
-2C2H5OH
Br Br
CH3-C-CH3
-2NaBr
CH3-CO-CH-COOC2H5
H3C C CH3
CH3-CO-CH-COOC2H5
C2H5ONa
-C2H5OH
CH3-CO-C-COOC2H5
+
Na
H3C C CH3
CH3
CH3-CO-C-COOC2H5
CH3Br
H3C C CH3
-NaBr
CH3-CO-CH-COOC2H5
CH3-CO-CH-COOC2H5
-
H2O/OH ,t
-2C2H5OH
CH3
CH3-CO-C-COOH
H3C C CH3
CH3-CO-CH-COOH
CH3 O
CH3-C-CH-C-CH2-C-CH3
O
t
-2CO2
CH3 CH3
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите уравнение реакции образования из малонового эфира натриймалонового эфира и из ацетоуксусного эфира натрийацетоуксусного эфира. Объясните строение и устойчивость анионов малонового и ацетоуксусного эфиров.
2. Получите из малонового эфира разными способами 2,3-диметилпентановую
кислоту,
4,4-диметилпентановую
кислоту,
2,4диметилпентановую кислоту, 3-метилпентандиовую кислоту, 2метилпентандиовую кислоту, 2,3-диметилпентандиовую кислоту.
3. Получите из ацетоуксусного эфира и любого галогенозамещённого углеводорода 4-метил-3-этилпентановую кислоту, 3-трет-бутилгександиовую
кислоту, 3-изопропилгексанон-2, 3,4-ди-метилгептандион-2,6.
4. Используя малоновый и ацетоуксусный эфиры получите 3-метил5-оксогексановую кислоту, 4-оксопентановую кислоту.
Занятие 17. АМИНОКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Классификация и оптическая изомерия аминокислот. Химические
свойства в сравнении со свойствами аминов и карбоновых кислот. Кислотнооснόвные свойства аминокислот. Изоэлектрическая точка. Особенности
химического поведения аминокарбоновых кислот: поведение при
нагревании, образование пептидов. Важнейшие природные аминокислоты,
входящие в состав белков и их значение.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
3. Лабораторная работа.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. В чём различие взаимодействия лизина и аспарагиновой кислоты с
избытком сильной кислоты или щёлочи? Приведите схемы превращений в
ионном и молекулярном виде.
Ответ. Лизин относится к диаминомонокарбоновым кислотам, а аспарагиновая кислота — к моноаминодикарбоновым:
NH2-(CH2)4-CH-COOH
NH2
HOOC-CH2-CH-COOH
NH2
лизин
аспарагиновая кислота
С сильными кислотами будет осуществляться протонирование по всем
аминогруппам. Поэтому одна молекула лизина может провзаимодействовать
с двумя молекулами одноосновной кислоты (например, HCl), а аспарагиновая
— с одной молекулой
+
NH2-(CH2)4-CH-COOH
NH2
+ 2H+
NH3-(CH2)4-CH-COOH
+
NH3
HOOC-CH2-CH-COOH
NH2
+ H+
HOOC-CH2-CH-COOH
+
NH3
или в молекулярном виде
NH2-(CH2)4-CH-COOH
NH2
HOOC-CH2-CH-COOH
NH2
+ 2HCl
NH3-(CH2)4-CH-COOH
NH3
+
Cl2
+
+ HCl
HOOC-CH2-CH-COOH ClNH3
Со щелочами взаимодействие протекает по всем карбоксильным группам, а так как в молекуле лизина только одна такая функциональная группа, а
в молекуле аспарагиновой кислоты — две, то лизин может провзаимодействовать только с одной молекулой однокислотной щёлочи, а аспарагиновая
кислота — с двумя:
NH2-(CH2)4-CH-COOH
NH2
HOOC-CH2-CH-COOH
NH2
или в молекулярном виде
+ OH
NH2-(CH2)4-CH-COO
-
+ 2OH
NH2
-
+ H2O
-OOC-CH -CH-COO 2
+ 2H2O
NH2
NH2-(CH2)4-CH-COOH
+ NaOH
NH2
NH2-(CH2)4-CH-COONa
HOOC-CH2-CH-COOH
+ 2NaOH
NH2
NaOOC-CH2-CH-COONa
NH2
NH2
+ H 2O
+ 2H2O
Вопрос 2. Каков механизм взаимодействия аминокислот с азотистой кислотой и какой практический смысл имеет эта реакция?
Ответ. Взаимодействие аминокислот с азотистой кислотой — это реакция
нитрозирования первичных алифатических аминов, приводящая к образованию гидроксикислот и выделению азота.
NH2-CH(R)-COOH + HNO2  HO-CH(R)-COOH + H2O + N2
Реакция протекает в присутствии сильных кислот как катализаторов, происходит нитрозирование по первичной аминогруппе, поэтому механизм можно
представить в следующем виде:
+ NH2-CH-COOH -ClR
+
+
O=N-NH-CH-COOH
R
H
HO-N-N-CH-COOH
HO=N-NH-CH-COOH
+
H2O-N=N-CH-COOH
-H2O
R
:
d+
H+
:
:
HO-N=N-CH-COOH
R
+
-H+
R
R
N N-CH-COOH
R
+
:
Cl
H
:
O d+
N
H2O
HO-CH-COOH + N2 + H+
R
По объёму выделившегося азота можно проводить количественное определение аминокислот.
Вопрос 3. Приведите уравнение реакции взаимодействия треонина с избытком уксусным ангидридом.
Ответ. Треонин — это гидроксиаминокарбоновая кислота, то есть помимо
карбоксильной и аминогрупп в молекуле имеется ещё спиртовая гидроксогруппа. За счёт этого ацилированию уксусным ангидридом может подвергаться как аминогруппа, так и гидроксогруппа. При этом за счёт большей
нуклеофильности аминогруппа будет ацетилироваться в первую очередь, а
затем уже реакция пойдёт по гидроксильной группе. Поэтому взаимодействие треонина с избытком уксусного ангидрида можно представить так:
HO-CH2-CH-COOH
NH2
O
O
+ CH3-C-O-C-CH3
- CH3-COOH
O
O
+ CH3-C-O-C-CH3
- CH3-COOH
HO-CH2-CH-COOH
NH-C-CH3
O
CH3-C-O-CH2-CH-COOH
O
NH-C-CH3
O
Вопрос 4. Приведите уравнение реакции взаимодействия аспарагиновой кислоты с избытком этилового спирта в присутствии кислотного катализатора.
Ответ. Аспарагиновая кислота — это аминодикарбоновая кислота, и реакция
со спиртами возможна только по карбоксильным группам. Аминогруппа алкилированию спиртами не подвергается. В результате происходит образование сложноэфирных групп — реакция этерификации:
HOOC-CH2-CH-COOH
+ 2 C2H5OH
NH2
H+ H5C2OOC-CH2-CH-COOC2H5
NH2
Реакционная способность карбоксильных групп в молекуле аспарагиновой
кислоты между собой различается незначительно, поэтому можно считать,
что этерификация протекает не селективно, а, значит, практически одновременно по обеим группам.
Лабораторная работа
Опыт 1. РЕАКЦИЯ ГЛИЦИНА С НИНГИДРИНОМ
В пробирку поместите 4 капли 1%-го раствора глицина и 2 капли 0,1%го раствора нингидрина. Содержимое пробирки осторожно нагрейте до
появления сине-красной окраски. Напишите уравнение и механизм реакции
взаимодействия глицина с нингидрином.
Опыт 2. РЕАКЦИЯ ГЛИЦИНА С ФОРМАЛЬДЕГИДОМ
В пробирку поместите 5 капель 1%-го раствора глицина и добавьте 1
каплю индикатора метилового красного. Раствор окрашивается в жёлтый
цвет (нейтральная среда). К полученной смеси добавьте равный объем
формалина. Отметьте появление красной окраски (кислая среда). Данная
реакция под названием «формольное титрование» используется для
количественного определения карбоксильных групп в α-амино-кислотах.
Напишите уравнение и механизм реакции взаимодействия глицина с
формальдегидом.
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите схемы превращений и механизмы реакций взаимодействия а)
2-аминопропановой кислоты, б) 2,6-диамино-гексановой кислоты, в) 2-
амино-3-гидроксибутановой кислоты с 1 молем каждого из следующих
реагентов: 1) гидроксид натрия (водный раствор), 2) бромметан, 3) уксусный ангидрид, 4) метанол в кислой среде.
2. Приведите механизм взаимодействия орнитина с избытком азотистой
кислоты в присутствии HCl.
3. Предложите способ направленного получения дипептида Лиз-Сер из двух
-аминокислот.
4. Какие аминокислоты можно получить по методу Штреккера-Зелинского
из а) пропаналя, б) бутанона-2, в) 2-метилбутаналя? Приведите схемы
превращений.
Занятие 18. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ
ПРОИЗВОДНЫЕ
Содержание занятия
1. Контрольная работа.
Вопросы для подготовки к контрольной работе
1. Номенклатура карбоновых кислот и их производных.
2. Оптическая изомерия гидрокси- и аминокарбоновых кислот.
3. Строение карбоксильной и ацильной групп.
4. Кислотные свойства моно-, дикарбоновых кислот, непредельных кислот, замещённых (гидрокси-, оксо-, амино-) карбоновых кислот.
5. Кислотно-оснόвные свойства аминокислот. Изоэлектрическая точка.
6. Реакции нуклеофильного замещения в ряду карбоновых кислот и их
ацильных производных, механизм, роль катализатора. Сравнение их реакционной способности. Нуклеофильное замещение в дикарбоновых кислотах и их производных. Свойства циклических ангидридов и имидов.
7. Жиры как сложные эфиры глицерина: строение, состав. Общая характеристика карбоновых кислот, входящих в состав жиров. Фосфатиды: строение, физиологическая роль.
8. Особенности получения и химического поведения нитрилов.
9. Химические свойства непредельных и замещённых карбоновых кислот:
свойства карбоксильной группы, непредельного фрагмента и заместителя.
10. Реакции присоединения к непредельным монокарбоновым кислотам и реакции замещения в радикале.
11. Реакции декарбоксилирования и декарбонилирования оксокар-боновых
кислот.
12. Поведение дикарбоновых кислот, гидроксикислот, аминокислот при
нагревании.
13. Образование пептидов из -аминокарбоновых кислот.
14. Природные гидрокси-, оксокислоты и их значение. Важнейшие природные
аминокислоты, входящие в состав белков и их значение.
15. Малоновый и ацетоуксусный эфиры: строение, кето-енольная таутомерия, СН-кислотность, особенности химического поведения (нуклеофильные свойства, кислотное и кетонное расщепление).
16. Синтезы на основе малонового и ацетоуксусного эфиров: получение моно- и дикарбоновых кислот, моно- и дикарбонильных соединений, оксокислот и других соединений.
Занятие 19. УГЛЕВОДЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРОЕНИЕ
МОНОСАХАРИДОВ
Вопросы для подготовки к занятию
Углеводы, их классификация. Моносахариды: классификация,
номенклатура.
Проекционные
формулы
Фишера.
Стереоизомерия
моносахаридов. Цикло-оксо-таутомерия. Формулы Колли-Толленса и
Хеуорса. Номенклатура циклических форм. Конформации пиранозного
кольца. Производные моносахаридов.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Приведите для ,D-глюкопиранозы строение её аномера.
Ответ. ,D-Глюкопираноза — представитель гексоз. В химии моносахаридов
диастереомеры, различающиеся конфигурацией только одного углеродного
атома, называются эпимерами. Если речь идёт о различии в конфигурации
гликозидного атома углерода, то тогда диастереомеры называются
аномерами. У альдоз таким углеродным атомом является С1. Аномеры
являются частным случаем эпимеров. В молекуле ,D-глюкопиранозы атом
углерода С1 имеет конфигурацию, совпадающую с конфигурацией её
«концевого» хирального центра С5, т.е. атома, определяющего
принадлежность к стереохимическому ряду. При различных способах
написания стереохимических формул углеводородов конфигурация С1 в ано-мере изображается таким образом, что полуацетальная гидроксильная
группа в формуле Колли–Толленса располагается справа от линии
углеродной цепи, в формуле Хеуорса—под плоскостью пиранозного цикла
(если это D-стереоизомер), в конформационной формуле занимает
аксиальное положение.
,D-Ãëþ êî ï èðàí î çà
-êî í ô èãóðàöèÿ
6
H
H
HO
H
H
1
OH
OH
O
H
OH
H
4
CH2OH
5
O
H
OH H
OH
3
H
H
1
OH
2
H
4
HO
HO
6
CH2OH
HO
5
H
3
2
H
OH
1
OH
OH
H
конформация кресла
ô î ðì óëà Õåóî ðñà
CH2OH
ô î ðì óëà Êî ëëè-Òî ëëåí ñà
Аномером
,D-глюкопиранозы
является
,D-глюкопираноза,
отличающаяся
от
рассмотренного
-аномера
противоположной
конфигурацией
хирального
атома
углерода
С 1.
Соответственно
полуацетальная гидроксильная группа у -аномера располагается слева от
линии углеродной цепи в формуле Колли–Толленса, над плоскостью
пиранозного цикла — в формуле Хеуорса и занимает экваториальное
положение в конформационной формуле.
,D-Ãëþ êî ï èðàí î çà
-êî í ô èãóðàöèÿ
6
HO
H
HO
H
H
1
OH
OH
O
H
OH
H
4
OH
CH2OH
5
O
H
OH H
3
H
2
OH
1
H
H
4
HO
HO
OH
ô î ðì óëà Õåóî ðñà
6
CH2OH
HO
5
H
3
H
2
1
OH
H
OH
конформация кресла
CH2OH
ô î ðì óëà Êî ëëè-Òî ëëåí ñà
Вопрос 2. Приведите строение ,L-маннофуранозы.
Ответ. Для замыкания фуранозного цикла необходимо взаимодействие
альдегидной группы с гидроксогруппой -атома (т. е. 4-м атома) углеродной
цепи, как показано на примере рибозы в главе 7.1.1 учебника. Однако в
случае L-маннозы в формуле Фишера слева от углеродной цепи находится не
только гидроксогруппа, определяющая принадлежность к D- или Lстереохимическому ряду (это гидроксогруппа 5-го атома углерода), но и
гидроксогруппа 4-го углеродного атома, за счёт которой происходит
образование фуранозного цикла.
H
OH
1
HC=O
H 2 OH
H 3 OH
HO 4 H
5
HO
H
6
CH2OH
H
5
H
CH2OH
O: C H
1
4
C
HC O
H H
H 3 2
HO
HO
H
OH
H
OH OH -аномер
6
CH2OH
H
HO
H
5
H
OH
O
O
OH
H
H
H
OH OH -аномер
6
CH2OH
5
При этом -аномером будет вторая из приведённых структур, так как
конфигурация аномерного углерода в ней такая же, как и у 5-го атома
(определяющего отнесение к D- или L-стереохимическому ряду).
Вопрос
3.
Приведите
строение
1)
энантиомера
D-галактозы;
2) эпимера D-галактозы, отличающегося конфигурацией хирального атома
углерода С3. Дайте им названия.
Ответ. Энантиомером (т. е. оптическим антиподом) D-галактозы является
моносахарид, у которого конфигурации всех хиральных центров
противоположны. Это L-галактоза.
Эпимером D-галактозы, отличающимся от неё конфигурацией С3,
является D-гулоза.
CHO
H
OH
HO
HO
H
3
H
H
OH
CH2OH
D-галактоза
CHO
HO
H
CHO
H
OH
H
H
OH
OH
H
HO
HO
H
CH2OH
H
L-галактоза
3
OH
H
OH
CH2OH
D-гулоза
Контрольные вопросы и задачи
1. В каком случае число стереоизомеров не соответствует формуле 2n . Приведите примеры. Объясните.
2. Изобразите проекции Фишера для L-глюкозы, L-сорбозы.
3. Изобразите циклические структуры для пиранозной и фуранозной форм Dманнозы, L-гулозы.
4. В состав нуклеиновых кислот входит D-рибоза в -фуранозной форме.
Напишите структуру ,D-рибофуранозы и укажите, за счёт каких функциональных групп образуется фуранозный цикл.
Занятие 20. МОНОСАХАРИДЫ: СВОЙСТВА,
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Вопросы для подготовки к занятию
Реакции карбонильных групп моносахаридов. Способы удлинения углеродной цепи. Роль образования озазонов в установлении структуры моносахаридов. Реакции циклических форм. Особенности реакционной способности полуацетального гидроксила. Гликозиды. Реакции окисления и восстановления. Образование альдоновых, гликаровых и гликуроновых кислот.
Превращение под действием кислот и щелочей. Эпимеризация.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
3. Лабораторная работа.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос
1.
Какие
продукты
образуются
при
взаимодействии
,D-глюкопиранозы с пропанолом-2 в присутствии кислотного катализатора
в безводной среде? Приведите механизм реакции.
Ответ. ,D-Глюкопираноза в растворе существует в виде смеси таутомеров
(пиранозные и фуранозные формы; -, -аномеры). Из двух видов
циклических форм преобладает пиранозная форма. Поскольку ,Dглюкопираноза в растворе подвергается аномеризации, то в результате
взаимодействия её с изопропиловым спиртом одновременно образуются - и
-формы изопропил-D-глюкопиранозида.
Первым этапом взаимодействия ,D-глюкопиранозы с изопропиловым
спиртом является протонирование катализатором атома кислорода
полуацетальной гидроксильной группы. Образующийся оксониевый ион
стабилизируется путём отщепления молекулы воды и превращения в
гликозил-катион (второй этап), в котором положительный заряд более
делокализован, чем в оксониевом ионе. Атом С1 в гликозил-катионе
находится в sp2-гибридном состоянии, следовательно, атака этого атома
нуклеофилом (молекулой спирта) равновероятна с обеих сторон плоскости
его расположения (третий этап), что приводит к двум продуктам реакции:
изопропил-,D-глюкопиранозиду и изопропил-,D-глюкопиранозиду.
OH
H
OH
(),D-глюкопираноза
OH
HCl
CH2OH
O
H
OH H
H
H
+
H
CH2OH
O
H
OH H
H
CH2OH
O
H
OH H
OH2 OH
H
OH Cl
H
оксониевый ион
Cl
+
OH2
H
OH
OH
-
-H2O
Cl H C
3
.. H
CHOH
..
HH C
+
H
3
OH
H3C CH3
CH2OHHC
+
O OH
H
H
Cl
OH H
H
OH
HO
OH CH
H
OH
H3C CH3
CH2OH
O
H
OH H
OH
H
OH
H
Cl
H
-
+
-
CH2OH
O
H
OH H
гликозил-катион
CH2OH
O
H
OH H
H
-HCl
H
H
+
O
OH
H
CH2OH
O
H
OH H
OH
CH(CH3)2
H
OH
CH(CH3)2
O
H
OH
изопропил-,D-глюкопиранозид
изопропил-,D-глюкопиранозид
Вопрос 2. В какой среде
Приведите механизм реакции.
гидролизуется
этил-,D-глюкопиранозид?
Ответ. Этил-,D-глюкопиранозид — это гликозид, являясь ацеталем,
гидролизуется в кислой среде. Гидролиз начинается с протонирования
катализатором гликозидного атома кислорода с образованием оксониевого
иона (первый этап). Оксониевый ион, отщепляя молекулу этилового спирта
(второй этап), превращается в гликозил-катион, стабилизированный за счет
делокализации положительного заряда. Гликозил-катион, имеющий атом C1 в
sp2-гибридном состоянии, быстро взаимодействует с нуклеофилом
(молекулой воды), что является третьим этапом. Нуклеофильная атака
равновероятна с обеих сторон плоскости расположения тригонального атома
C1. В результате образуются - и -аномеры D-глюкопиранозы. Реакция
представляет собой реакцию, обратную реакции получения гликозидов.
OC2H5
OH
H
H
OH
H
CH2OH
O
H
OH H
OH
.. H
H
H2O
..
H
OH
O-C2H5
OH H
H
-C2H5OH
CH2OH H H
+
H H
O O
H
OH H
O OH
H
H H
OH
H
OH
CH2OH
O
H
OH H
OH
H
+
H
H+
+
OH
H
CH2OH
O
H
OH H
+
H
CH2OH
O
H
OH H
H
+
-H
CH2OH
O
H
OH H
OH
H
H
H
+
OH
CH2OH
O
H
OH H
OH
H
OH
H
OH
,D-глюкопираноза
OH
,D-глюкопиранозид
Вопрос 3. Какой биологически важный продукт получается при окислении
D-глюкозы мягкими окислителями?
Ответ. Окисление D-глюкозы мягким окислителем (бромной водой) не
сопровождается деструкцией (разрушением) молекулы, происходит
избирательное окисление альдегидной группы в карбоксильную, не
затрагивающее гидроксильных групп. Бромная вода — мягкий окислитель
(pH = 6,0). В данном случае окисляющие свойства проявляет бромноватистая
кислота HOBr.
Br2 + H2O  HBr + HOBr
-
COOH
CHO
COO
H
HO
OH
H
H
Br2/H2O HO
OH
H
H
OH
H
OH
H
H
OH
H
OH
CH2OH
H
CH2OH
D-глюкоза
CaCO3
D-глюконовая кислота
H
HO
OH
H
Ca2+
OH
OH
CH2OH
2
глюконат кальция
В медицине используется кальциевая соль глюконовой кислоты (глюконат
кальция).
Контрольные вопросы и задачи
1. Напишите уравнение реакции образования озазона D-фруктозы. Какие ещё
две монозы дают тот же озазон? Монозы представьте формулами Хеуорса.
2. С помощью какой реакции можно доказать наличие нескольких гидроксильных групп в глюкозе?
3. Что получается в результате взаимодействия следующих исходных соединений? Приведите механизм реакции.
CH2OH
O
H
H
OH + C2H5OH HCl
OH H
OH
H
OH
4. Напишите уравнения реакций D-фруктозы со следующими веществами:
гидроксиламином, уксусным ангидридом, метилйодидом. Все соединения
назовите.
5. Приведите механизм полного гидролиза ,D-галактопиранозы пентаацетата.
6. Напишите уравнение реакции получения D-галактоновой кислоты.
7. Какой продукт получается при окислении разбавленной азотной кислотой
D-галактозы и L-галактозы?
8. Напишите схему реакции получения D-галактуроновой кислоты.
9. Почему моносахариды обладают восстановительными свойствами и где
эти свойства находят применение?
Лабораторная работа
Опыт 1. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО НАЛИЧИЯ ГИДРОКСИЛЬНЫХ ГРУПП В DГЛЮКОЗЕ
В пробирку поместите 1 каплю 0,5 % раствора D-глюкозы и 6 капель
10%-го раствора гидроксида натрия. К полученной смеси добавьте 1 каплю
20% раствора сульфата меди (II). Образующийся осадок гидроксида меди (II)
быстро растворяется и получается прозрачный раствор синего цвета.
Полученный раствор сохраните для следующего опыта.
Опыт 2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГИДРОКСИДА МЕДИ (II) ГЛЮКОЗОЙ В
ЩЕЛОЧНОЙ СРЕДЕ (ПРОБА ТРОММЕРА)
К полученному в предыдущем опыте (опыт 1) синему раствору добавьте несколько капель воды до высоты слоя жидкости в пробирке 18–20 мм.
Нагрейте её над пламенем горелки, держа пробирку наклонно так, чтобы
нагревалась только верхняя часть раствора, а нижняя осталась для контроля
(без нагревания). Нагревайте только до начала кипения, но не кипятите. При
нагревании цвет верхней части раствора изменяется от синего до жёлтокрасного. Эта реакция называется пробой Троммера и используется для открытия глюкозы в биологических жидкостях.
Опыт 3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГИДРОКСИДА ДИАММИНСЕРЕБРА
ГЛЮКОЗОЙ
Для получения «серебряного зеркала» необходимо сначала подготовить
пробирку (так же, как в теме 11, оп. 2). Налейте в пробирку 5 мл 10%-го раствора гидроксида натрия NaOH и осторожно кипятите в течение 1–2 мин., а
затем тщательно ополосните её дистиллированной водой. В подготовленную
пробирки вносят 5 капель 5%-го раствора нитрата серебра AgNO3, добавляют
 по 1 мл воды и затем прибавляют по каплям при встряхивании 10%-й водный раствор аммиака до полного его растворения выпавшего осадка. Полученный прозрачный аммиачный раствор гидроксида серебра (гидроксид диамминсеребра) является реактивом, окисляющим глюкозу (реактив Толленса).
Добавьте к полученному реактиву 1–2 капли 0,5%-го раствора глюкозы
и опустите пробирку на несколько минут в водяную баню. Отметьте все
изменения, происходящие в пробирке.
Занятие 21. ДИСАХАРИДЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Классификация
дисахаридов
на
восстанавливающие
и
невосстанавливающие. карбонильных групп моносахаридов. Особенности
строения и таутомерных превращений представителей разных групп
дисахаридов. Мальтоза, лактоза, целлобиоза, сахароза, трегалоза. Медикобиологическое значение дисахаридов.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
3. Лабораторная работа.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Напишите механизм реакции гидролиза трегалозы. Укажите
условия проведения реакции, назовите продукты.
Ответ. Гидролиз дисахаридов протекает по гликозидной связи и возможен
только в кислой среде. При этом образуются смесь моносахаридов. Трегалоза
— невосстанавливающий дисахарид, состоит только из остатков ,Dглюкопиранозы, поэтому в её молекуле имеются две гликозидные связи (и
они абсолютно одинаковы).
CH2OH
O
H
OH H
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
O
H
OH H
H
CH2OH
O
H
OH H
H
O
+
H
H
CH2OH
O
H
OH H
H
OH
OH
O+ H
H
OH
H
H
OH
CH2OH
O
H
OH H
H
H
OH
+
OH
OH
CH2OH
O
H
OH H
+
H
H
H
OH
H
OH
H
2
H
CH2OH
O
H
OH H
OH
H
OH
+
-H
OH
H
HO
H
H
OH
H2O
HC=O
OH
H
OH
OH
CH2OH
D-глюкоза
Продуктами гидролиза будет D-глюкоза во всех пяти таутомерных
формах. Образование различных таутомерных форм происходит вследствие
аномеризации,
т.е.
взаимопревращения
и
-аномеров друг в друга через промежуточную оксоформу, и установления
таутомерного равновесия:
CH2OH
H
H O
OH H
HO
H
H
CH2OH
O
H
OH H
H
OH
OH
OH
H
,D-ãëþ êî ô óðàí î çà
CHO
H
OH
HO
H
D-ãëþ êî çà
H
(î òêðû òàÿ ô î ðì à)
O H
H
O H
CH2OH
OH
H O
OH H
H
H
H
OH
D-ãëþ êî ô óðàí î çà
H
OH
OH
D-глюкопираноза
Çàì û êàí èå
öèêëà
CH2OH
HO
ì åñò î
ðàñêðû ò èÿ
öèêëà
H
CH2OH
O
H
OH H
OH
H
OH
H
OH
D-ãëþ êî ï èðàí î çà
Вопрос 2. Приведите схему реакции восстановления мальтозы водородом на
металлических катализаторах.
Ответ. В эту реакцию ступают углеводы, содержащие свободную
оксогруппу, поэтому невосстанавливающие дисахариды в неё вступать не
будут. Мальтоза относится к восстанавливающим дисахаридам, поэтому её
оксоформа подвергается превращению, аналогичному для моносахаридов:
H
CH2OH
O
H
OH H
H
H
OH
CH2OH
O
H
OH H
H
H
H
CH2OH
O
H
OH H
OH
H
OH
CH2OH
OH
H
OH H
O
OH
H
OH
O
OH
H
H
CH2OH
O
H
OH H
OH
H
H
H
CH2OH
OH
H
OH H
O
C H
H2/Pt,Pd,Ni/ T
OH
CH2OH
O
H
OH
H
OH
4-О-(,D-глюкопиранозидо)-D-глюцит,
или 3-О-(,D-глюкопиранозидо)-L-сорбит
Вопрос 3. Приведите схему реакции взаимодействия лактозы с метиламином.
Ответ. В эту реакцию так же, как и в предыдущем примере вступают углеводы,
содержащие свободную оксогруппу. Взаимодействие оксосоединений с
первичными аминами приводит к образованию оснований Шиффа, однако в
случае углеводов продуктами реакции будут также N-гликозиды, находящиеся в
таутомерном равновесии с шиффовыми основаниями. Для лактозы это будет
выглядеть так:
CH2OH
O
OH
H
O
OH H
H
H
H
OH
лактоза
H
CH2OH
OH
H
OH H
H
OH
O
С
H
+ NH2-CH3
CH2OH
O
OH
H
O
OH H
H
H
H
OH
H
CH2OH
O
OH
H
O
OH H
H
H
H
OH
CH2OH
OH
H
OH H
OH H
С N-CH3
H
H
OH
H
CH2OH
OH
H
OH H
H
- H2O
N-CH3
С
H
OH
N-ì åòèëëàêòî çèì èí
CH2OH
O
OH
H
O
OH H
H
H
H
OH
H
CH2OH
O
H
OH H
H
NH-CH3
OH
N-ì åòèë---,D-ãàëàêòî ï èðàí î çèäî -),D-ãëþ êî ï èðàí î çèä
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите механизм реакции гидролиза -лактозы. Укажите условия
проведения реакции, назовите продукты.
2. В различных пробирках находятся растворы мальтозы и сахарозы. Предложите способ идентификации этих дисахаридов. Напишите схемы реакций.
3. Приведите механизм этанолиза сахарозы.
4. Приведите механизм исчерпывающего этилирования трегалозы.
Лабораторная работа
Опыт 1. ОТСУТСТВИЕ ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ У
САХАРОЗЫ
В пробирку поместите 1 каплю 1% раствора сахарозы и 6 капель 10%го раствора гидроксида натрия. Добавьте для разбавления 5–6 капель воды
(высота слоя жидкости 18–20 мм). Прибавьте 1 каплю 2%-го раствора
сульфата меди (II) — образуется прозрачный синий раствор комплексной
соли меди (II) с сахарозой. Осторожно нагрейте пробирку над пламенем
спиртовки так, чтобы нагревалась только верхняя часть раствора, а нижняя
оставалась без нагревания (для контроля). Нагревайте только до кипения, но
не кипятите. Изменения окраски раствора не происходит. Вспомните, что с
D-глюкозой в аналогичных условиях происходило изменение верхней части
раствора в жёлто-красную.
Опыт 1. ВОССТАНАВЛИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЛАКТОЗЫ
В пробирку поместите 1 каплю 1%-го раствора лактозы и 10%-го
гидроксида натрия. Добавьте 1 каплю 2%-го раствора сульфата меди (II).
Образующийся голубой осадок гидроксида меди (II) при встряхивании
пробирки растворяется, образуя синий раствор комплексной меди (II) с
лактозой. Добавьте для разбавления 5–6 капель воды (высота слоя жидкости
18–20 мм). Осторожно нагрейте пробирку над пламенем спиртовки так,
чтобы нагревалась только верхняя часть раствора, а нижняя оставалась без
нагревания (для контроля). Нагревайте только до кипения, но не кипятите.
При нагревании цвет верхней части раствора изменяется в жёлто-красный.
Вспомните, что с D-глюкозой наблюдается аналогичный результат (проба
Троммера положительна), тогда как в опыте с сахарозой в тех же условиях
окраска верхней части раствора не изменяется.
Занятие 22. ПОЛИСАХАРИДЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Важнейшие представители гомо- и гетерополисахаридов: целлюлоза,
амилоза, амилопектин, гликоген, гепарин, гиалуровая кислота — их строение
и особенности химического поведения. Медико-биологическое значение полисахаридов.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контрольная работа по теме.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Напишите схему постадийного гидролиза крахмала. Какие из
образующихся продуктов находят практическое применение?
Ответ. Гидролиз крахмала под действием разбавленных минеральных кислот
или ферментов проходит ступенчато по схеме:
Н О
Н О
Н О
(С6Н10О5)n 2 (С6Н10О5)m 2 С12Н22О11 2 С6Н12О6
крахмал
декстрины
мальтоза
глюкоза
Декстрины — более простые полисахариды по сравнению с крахмалом;
лучше усваиваются живыми организмами, образуются при выпечке хлеба из
крахмала муки (образование корки). Мальтозу (солодовый сахар) используют
в производстве пива и вина. Глюкозу используют в пищевой
промышленности, медицине, в качестве исходного вещества для получения
глюконовой и аскорбиновой кислот, а также для получения этилового
спирта.
Вопрос 2. Некоторые пектиновые вещества оказывают противоязвенное
действие, вследствие чего, являются основой ряда препаратов, например
плантаглюцида. В основе пектиновых веществ лежит пектовая кислота,
являющаяся полигалактуроновой кислотой. Напишите строение фрагмента
макромолекулы пектовой кислоты.
Ответ. Макромолекула пектовой кислоты образована остатками
галактуроновой кислоты, которые связаны -1,4-гликозидными связями.
COOH
COOH
...O
H
OH
D-
H
O
H
H
OH
O
H
O
H
H
O ...
H
H
OH
пектовая кислота
H
OH
Контрольные вопросы и задачи
1. Объясните влияние особенностей конформационного строения мономеров
на формирование вторичной структуры полисахаридных цепей амилозы и
целлюлозы.
2. Назовите и напишите строение продуктов полного и частичного гидролиза
амилопектина.
3. Объясните, почему полисахариды обладают очень слабыми восстанавливающими свойствами.
4. В состав препарата луронита входит гетерополисахарид — гиалуроновая
кислота. Из каких моносахаридных остатков построен дисахаридный
фрагмент в макромолекулярной цепи гиалуроновой кислоты? Укажите, какими гликозидными связями образована макромолекула гиалуроновой
кислоты.
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ
1. Реакции карбонильных групп моносахаридов. Способы удлинения углеродной цепи. Роль образования озазонов в установлении структуры моносахаридов.
2. Реакции циклических форм. Особенности реакционной способности полуацетального гидроксила. Гликозиды.
3. Реакции окисления и восстановления. Образование альдоновых, гликаровых и гликуроновых кислот.
4. Превращение под действием кислот и щелочей. Эпимеризация.
5. Классификация дисахаридов на восстанавливающие и невосстанавливающие. карбонильных групп моносахаридов. Особенности строения и тауто-
мерных превращений представителей разных групп дисахаридов. Мальтоза, лактоза, целлобиоза, сахароза, трегалоза.
6. Медико-биологическое значение дисахаридов.
7. Важнейшие представители гомо- и гетерополисахаридов: целлюлоза, амилоза, амилопектин, гликоген, декстраны, хитин, пектовая кислота, альгиновые кислоты, гиалуровая кислота — их строение и особенности химического поведения.
8. Медико-биологическое значение полисахаридов.
Занятие 23. АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ.
ТЕРПЕНЫ, ТЕРПЕНОИДЫ, СТЕРОИДЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Классификация, номенклатура и структурная изомерия алициклических соединений. Строение и пространственная изомерия малых и средних
циклов. -Связи с малых циклах. Конформации циклогексана. Свойства малых и средних циклов. Реакции раскрытия и изомеризации циклов.
Важнейшие представители ациклических, моноциклических и бициклических терпенов и терпеноидов. Каротиноиды. Стероиды как неомыляемые липиды. Классификация стероидов. Пространственное строение стероидов. Важнейшие представители разных групп стероидов и их медикобиологическое значение: холестерин, холестанол, копростанол, витамины
группы D, холевая кислота, прогестерон, эстрон, эстрадиол, андростерон, тестостерон, дигидроксигенин, строфантидин.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
3. Лабораторная работа
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Дайте систематические названия моноциклическому монотерпеноиду ментолу, бициклическому сесквитерпену -кадинену и бициклическому альдегиду миртеналю:
CH3
CH3
CH
H3C
H3C
CH3
H2C
CH3
C
CH3
H3C
OH
-кадинен
ментол
OHC
миртеналь
Ответ. Основу названия ментола составляет циклогексановое кольцо. В молекуле нумеруется циклический фрагмент, и нумерацию определяет ОНгруппа. При этом два имеющихся в кольце заместителя должны получить
наименьшие номера.
4
H3C
3
CH3
2
5
CH
1
6
CH3
OH
Родоначальная структура — циклогексан, гидроксогруппа обозначается суффиксом -ол, а заместители у 2 и 5 атомов углерода перечисляются в названии
в виде приставок по алфавиту. Полное название — 5-метил-2изопропилциклогексанол.
-Кадинен — бициклический мостиковый углеводород. Основу названия составляет бициклическая система. Нумерация атомов начинается от одного из её узловых атомов, и в данном случае сначала нумеруется цикл, содержащий двойную связь. При этом начало нумерации (узловой атом) выбирается так, чтобы двойная связь получила меньший номер. Затем от второго
узлового атома нумеруется другой цикл в обратном порядке.
7
8
H 2C
6
5
4
9
C
H3C
CH3
10
1
3
2
CH3
В названии сначала перечисляются заместители с помощью приставок, затем
слово «бицикло», и в квадратных скобках указывается число атомов углерода
в каждом цикле между узловыми (общими для двух циклов) атомами (в порядке уменьшения). После этого пишется название углеводорода, соответствующего общему числу атомов в бициклической системе. Двойная связь
указывается при помощи суффикса «ен». Полное название — 2,6-диметил-9пропен-2-илбицикло[4,4,0]децен-2.
В молекуле бициклического альдегида миртеналя сначала нумеруется
больший цикл так, чтобы альдегидная группа получила меньший номер. Затем нумеруются другие атомы между узловыми в бициклической системе.
Здесь меньший номер получает атом с заместителями.
H3C
3
CH3
6
4
5
1
2
7
OHC
Полное название составляется аналогично предыдущему примеру: 6,6диметилбицикло[3,1,1]гептен-2-аль-2 .
Вопрос 2. Какая конформация цис-1,4-диметилциклогексана является чрезвычайно энергетически невыгодной? В виде каких конформеров должно существовать это соединение?
Ответ. Крайне невыгодной должна быть конформация циклогексана в виде
«ванны» с аксиальным расположением обоих цис-метильных группировок у
1 и 4 углеродных атомов кольца.
CH3
H3C
a
4
He
a
1e
H
5
H
6
H
H
H
2
3
H
H
H
H
Эта конформация является одной из заслонённых форм, и данный конформер
обладает наиболее высокой энергией за счёт взаимного отталкивания пространственно сближенных заместителей по сравнению, например, с конформацией «ванна», имеющей экваториальное расположение заместителей.
H
4
H3C e
a
H
a
1
H
5
H
H
6
H
2
3
H
e
CH3
H
H
H
Данное соединение должно существовать в виде конформера «кресло»,
так как именно для такого конформационного изомера должен наблюдаться
минимум энергии:
H
a
H
H
e
CH3
6
5
H
1
H
H
3
2
H
H e4
H
H
a
CH3
Вопрос 3. Как будут взаимодействовать а) метилциклопропан и
б) циклопентен с разбавленной соляной кислотой? Каковы механизмы этих
реакций?
Ответ. Метилциклопропан является соединением, содержащим малый цикл,
характеризующийся
высокой
энергией
напряжения
(115 кДж/моль). Для таких соединений характерны реакции присоединения с
раскрытием кольца. В частности под действием соляной кислоты будет происходить электрофильная атака катиона водорода по -связям с последующим гетеролитическим разрывом и образованием наиболее устойчивого карбокатиона (из возможных):
H+
H3C
H+
H3C
H3C
CH
CH2
CH
CH2
CH2
+
CH2-CH2-CH-CH3
H
+
+
H
CH2
CH3-CH-CH2
CH2 H
Образовавшийся карбокатион взаимодействует затем с хлорид-ионами или с
молекулами воды (если кислота очень разбавленная):
+
CH2-CH2-CH-CH3
H
-
CH3-CH2-CH-CH3
Cl
H2O
+
CH3-CH2-CH-CH3
-H
OH
Cl
Циклопентен является соединением, содержащим нормальный цикл. Такие циклы устойчивы к раскрытию. Поэтому для циклопентена будут характерны реакции, аналогичные алифатическим углеводородам. В частности, так
как в молекуле циклопентена имеется двойная связь, то это, прежде всего, реакции присоединения по двойной связи (как для алкенов) с сохранением углеродного скелета:
H+
-
+
+
Cl
H
Cl
H2O
+
-H
OH
Вопрос 4. Как будут происходить взаимодействие циклобутана с водородом
при нагревании на платиновом катализаторе и с хлором при нагревании на
свету?
Ответ. В молекуле циклобутана угловое напряжение существенно меньше,
чем в циклопропане: валентный угол составляет 88 (но и в плоском циклобутане он был бы почти таким же — 90). Поэтому реакции раскрытия цикла
для него не протекают ни под действием галогенов, ни под действием галогеноводородов; четырёхчленное кольцо разрушается только гидрированием
на платине при значительном нагревании
+ H2
Pt, 420 K
CH3CH2CH2CH3
.
А взаимодействие с хлором при нагревании на свету приведёт к радикальному замещению водорода, аналогично алканам:
Cl
+ Cl2
h, T
- HCl
Контрольные вопросы и задачи
1. Приведите
наиболее
стабильные
конформации
соединений:
а) цис-1,2-диметилциклогексан, б) транс-1,2-диметилцикло-гексан, в)
транс-1,3-диметилциклогексан, г) транс-1,4-диметил-циклогексан.
2. Приведите механизмы реакций взаимодействия метилциклопропана со
следующими веществами: а) с водородом на никелевом катализаторе, б) с
бромом, в) с бромоводородом.
3. Какие соединения будут реагировать с бромоводородом: а) этилциклопропан, б) метилциклобутан, в) 1-метилциклобутен, г) циклогексан, д) циклопентен? Приведите механизмы возможных реакций.
4. Приведите механизм следующего превращения:
CH3
CH2OH
H2SO4
CH3 +
CH3
OSO3H
5. Приведите формулу соли холевой кислоты. Какая особенность строения
позволяет холевой кислоте и ее производным выполнять функцию эмульгатора жиров?
6. Приведите формулу холестерина. Какова биологическая роль этого соединения? Каковы последствия нарушения обмена холестерина в организме?
Лабораторная работа
Опыт 1. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО НЕПРЕДЕЛЬНОСТИ ТЕРПЕНОВ
В пробирку поместите 2 капли бромной воды и 1 каплю скипидара,
встряхните. Отметьте изменения, происходящие в пробирке. Напишите
схему и приведите механизм взаимодействия α-пинена (составная часть
скипидара) с бромной водой.
Опыт 2. ОКИСЛЯЕМОСТЬ ТЕРПЕНОВ
В пробирку поместите 1 каплю 2% раствора перманганата калия и 5
капель воды, добавьте 1 каплю скипидара и встряхните. Отметьте изменения,
происходящие в пробирке. Напишите схему взаимодействия α-пинена с
перманганатом калия в нейтральной среде.
Занятие 24. БЕНЗОЛ. АРЕНЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Строение молекулы бензола. Ароматичность. Механизм реакций
электрофильного замещения. Особенности и закономерности реакций
нитрования,
сульфирования,
галогенирования,
алкилирования
и
ацилирования. Механизм образования электрофильных частиц, роль
катализаторов. Реакции присоединения, изомеризации и окисления бензола.
Номенклатура, изомерия аренов. Строение аренов. Химические
свойства аренов: реакции электрофильного замещения, реакции боковых
цепей, дегидрирование, окисление.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Сравните условия и селективность реакции нитрования бензола и
толуола.
Ответ. Реакция нитрования бензола по схеме
NO2
HNO3 / H2SO4
- H2O
протекает при использовании смеси концентрированных азотной и серной
кислот при температуре 50–60С в течение 40–50 мин. В результате образуется только нитробензол; дальнейшее нитрование с образованием мдинитробензола в этих условиях практически не протекает по причине низкой реакционной способности нитробензола в реакциях SE.
Нитрование толуола протекает легче, чем бензола. Эту реакцию проводят обычно при более низкой температуре (25–30С) и/или за более короткий
промежуток времени. При этом мононитрование приводит к образованию
смеси трёх изомерных продуктов, в которой преобладают о- и п-изомеры.
Это объясняется распределением электронной плотности в ароматическом
кольце под влиянием +М-эффекта метильной группы.
CH3
CH3
H
CH3
NO2
NO2
d-
+
d-
+
d-
NO2+
+
-H
CH3
+
H NO2
CH3
-H
+
NO2
Вопрос 2. Сравните влияние метильной и втор-изоамильной групп как заместителей в бензольном кольце на скорость и направление реакций электрофильного замещения.
Ответ. В молекуле метилбензола, как и в молекуле втор-изоамилбензола
CH3
H3C CH CH-CH3
CH3
алкильный заместитель оказывает суммарный электронодонорный (+М и +I)
эффект на бензольное кольцо. Однако вклад мезомерного эффекта (-сопряжение) в общий электронный эффект значительно больше индуктивного, поэтому необходимо сравнивать воздействие алкильных групп только за
счёт --сопряжения. В метильной группе три С–Н-связи могут находиться в
сопряжении
с
-электронным секстетом бензольного кольца, а у -углеродного атома в молекуле
втор-изоамилбензола
имеется
только
одна
С–Н-связь, поэтому и в сопряжении с -электронным секстетом кольца может участвовать только одна С–Н-связь. Таким образом, электронодонорный
эффект метильной группы оказывается больше, чем втор-изоамильной (эффект Натана–Бейкера).
Метильная и втор-изоамильная группы являются о-п-ориен-тантами в
бензольном кольце по отношению к вступающему электрофилу. Однако необходимо иметь в виду, что о- и п-ориентация определяет лишь преимущественное направление реакции электрофильного замещения в алкилбензолах, то
есть замещение идёт в эти положения бензольного кольца преобладающим
образом, но не исключительно. Обычно образуется смесь всех трёх изомеров
(орто-, мета-, пара-), но они находятся в разных соотношениях. У вторизоамильного радикала сила о-п-ориентирующего влияния ослабевает по
сравнению с метильным радикалом, то есть доля о- и п-изомеров несколько
уменьшается, но увеличивается относительное количество продукта мзамещения. Кроме того, по пространственным причинам в молекуле вторизоамилбензола о-положение экранировано заместителем (значительно бóльшим по размерам, чем в молекуле метилбензола). Поэтому преимущественное
направление электрофильного замещения в молекуле втор-изоамилбензола —
в п-положение, а в молекуле метилбензола — в о- и п-положения с преобладанием продукта о-замещения (за счёт того, что в молекуле два ортоположения и только одно пара-положение).
Вопрос 3. Чем отличаются реакции бромирования этилбензола, проведённые
в темноте в присутствии FeBr3 и на свету в отсутствие даже следов железа?
Ответ. Бромид железа (III) является типичной кислотой Льюиса. Молекулы
брома, взаимодействуя с FeBr3, образуют электрофильные частицы, которыми могут быть либо катионы Br+, либо комплексы Br+[FeBr4]ˉ в зависимости
от растворителя:
FeBr3 + Br2  Br+[FeBr4]ˉ  FeBr4ˉ + Br+
Образовавшаяся электрофильная частица Br+ может атаковать молекулой
этилбензола по бензольному кольцу, что приводит к продуктам электрофильного замещения:
C2H5
C2H5
+
+ Br
C2H5
Br
+
C2H5
Br
+
...
Br
При бромировании на свету без катализатора может протекать только
замещение по радикальному механизму, так как молекулы брома в этих
условиях претерпевают гомолитическую диссоциацию:
Br2  2 Br 
Замещение протекает по алкильной боковой цепи, причём всегда по углеродному атому, за исключением тех случаев, когда у этого атома отсутствуют С–Н-связи.
.CH-CH3
CH2-CH3
+
. Br
- HBr
CHBr-CH3
Br2
- Br .
Промежуточный алкильный радикал стабилизирован за счёт р--сопряжения,
которое возможно только в том случае, если неспаренный электрон находится у -углеродного атома.
Присутствие металлического железа при проведении радикальных
процессов недопустимо, так как в реакционной среде будет образовываться
кислота Льюиса
Fe + Br2  FeBr3,
которая будет инициировать электрофильное замещение.
Вопрос 4. Установите структуру исходного ароматического углеводорода,
если при его озонолизе была получены 2-оксопропаналь и этандиаль в мольном соотношении 1:2.
Ответ. Для того, чтобы привести схему озонолиза ароматического углеводорода, надо представить бензольное кольцо в его структуре в виде чередующихся двойных связей. Тогда для моноалкилбензола в общем виде это будет
выглядеть так:
R
R
O
O
O O
O
O
O
3 O3
O
3
H
O
2
O
R-C-C
+ 2 C-C
-3 H2O2
O
O
H
H
H
O
O
Продуктами данной реакции являются
O O
CH3-C-C
H
и
O
O
C-C
H
H
в том же мольном соотношении. Поэтому R = CH3 , а исходный ароматический углеводород — толуол.
Контрольные вопросы и задачи
1. Перечислите все электрофильные частицы и сравните их активность в реакциях а) нитрования, б) сульфирования, в) галогенирования, г) ацилирования, д) алкилирования.
2. Из бензола и изопропилхлорида в присутствии хлорида алюминия получите монозамещенный гомолог бензола. Приведите механизм этой реакции.
Для полученного алкилбензола приведите схемы превращений при а)
окислении KMnO4, б) бромировании в присутствии железа, в) бромировании при нагревании на свету.
3. Из бензола получите этилбензол, используя в качестве одного из исходных
веществ а) этилен, б) этанол. Для одного из взятых реагентов а) или б) рассмотрите механизм реакции. Для этилбензола напишите схемы реакций: а)
окисления, б) сульфирования, в) бромирования в условиях радикального
замещения.
4. Какие углеводороды получатся при алкилировании толуола пропиловым
спиртом в присутствии серной кислоты? Объясните, почему группа -СН3
обладает активирующим действием и является преимущественно о- и пориентантом. Для одного из диалкилзамещенных бензола приведите схему
окисления перманганатом калия.
5. Приведите механизм алкилирования толуола изобутилхлоридом в присутствии хлорида алюминия. Какое соединение будет основным продуктом
этой реакции?
6. Какое превращение будет протекать при нагревании изобутилбензола на
хлориде алюминия при 470 К? Приведите его механизм и поясните.
7. Установите в каждом случае структуру исходного ароматического углеводорода, если при его озонолизе с последующим гидролизом была получена
смесь карбонильных соединений следующего состава (в скобках указаны
их
мольные
соотношения):
а) бутандион, 2-оксопропаналь, этандиаль (1:2:3); б) бутандион, 2оксопропаналь, этандиаль (1:4:1); в) пентандион-2,3, 2-оксо-бутаналь,
этандиаль (1:1:1); г) 2-оксопропандиаль, 2,3-диоксо-бутаналь, 2оксопропаналь, этандиаль, этаналь (1:1:1:3:2).
Занятие 25. АЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ И АРОМАТИЧЕСКИЕ
УГЛЕВОДОРОДЫ
Содержание занятия
1. Контрольная работа.
Вопросы для подготовки к контрольной работе
1. Алициклические углеводороды: номенклатура, строение, свойства.
2. Особенности поведения малых циклов.
3. Терпены, терпеноиды, каротиноиды — тривиальные названия, нахождение в природе, биологическая роль.
4. Стероиды как неомыляемые липиды. Классификация стероидов.
5. Пространственное строение стероидов.
6. Важнейшие представители разных групп стероидов и их медикобиологическое значение.
7. Бензол, его строение и свойства. Ароматичность. Реакции присоединения,
окисления, изомеризации.
8. Механизм реакций электрофильного замещения. Электрофильные частицы и условия их образования. Частные случаи реакций и их особенности
(нитрование, сульфирование, галогенирование, ацилирование, алкилирование, нитрозирование, карбоксилирование, азосочетание).
9. Ароматические углеводороды. Свойства ароматического кольца в сравнении с бензолом.
10. Свойства боковых углеводородных цепей в молекулах аренов: реакции замещения, окисления, присоединения, дегидрирования.
Занятие 26. ВЛИЯНИЕ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ В БЕНЗОЛЬНОМ
КОЛЬЦЕ. ГАЛОГЕНАРЕНЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Электронные эффекты заместителей в бензольном кольце:
индуктивный и мезомерный; их влияние на распределение электронной
плотности в бензольном кольце и на скорость электрофильных реакций.
Заместители I и II рода. Факторы, влияющие на направление реакций
электрофильного замещения. Роль стерического (пространственного)
фактора.
Классификация
и
номенклатура
(радикало-функциональная,
заместительная) галогенаренов. Строение арилгалогенидов: особенности
распределения электронной плотности в ароматическом кольце и
особенности влияния галогенов в бензольном кольце на скорость и
направление электрофильных реакций. Электрофильное замещение в
ароматическом кольце арилгалогенидов. Нуклеофильное замещение в
ароматическом кольце арилгалогенидов: механизмы ариновый (ЕА) и SN2аром.
Взаимодействие арилгалогенидов с металлами. Свойства галогенаренов с
атомом галогена в боковой цепи: реакции электрофильного и
нуклеофильного замещения.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. В чём различие во влиянии на бензольное кольцо заместителей СООСН3 и -ООССН3? Каков суммарный электронный эффект (донорный или
акцепторный) заместителя в каждом из ароматических соединений? Какова
ориентация каждого из этих заместителей по отношению к вступающему
электрофилу?
Ответ. Данные ароматические соединения представляют собой изомерные
сложные эфиры, однако бензольное кольцо каждого из них соединено с разными по природе заместителями.
O
C
OCH3
метилбензоат
O
O C CH3
фенилацетат
В первом соединении, метилбензоате, заместитель понижает электронную плотность на ароматическом кольце за счёт –I и –М (--сопряжение)
эффектов, поэтому суммарный эффект акцепторный; и является мориентантом (реакции электрофильного замещения протекают преимущественно по мета-положению). Второе соединение, фенилацетат, является
производным фенола и воздействует на кольцо за счёт атома кислорода,
имеющего неподелённую пару электронов (р--сопряжение). Этот эффект —
донорный мезомерный (+М), и он превосходит –I-эффект, проявляемый этим
заместителем по отношению к бензольному кольцу. Поэтому суммарный эффект донорный, и заместитель является о-п-ориентантом (засчёт +Мэффекта), то есть направляет вступающие в бензольное кольцо электрофильные частицы в о- и п-положения.
Вопрос 2. Какими электронными эффектами обладают атомы галогенов (F,
Cl, Br, I) по отношению к бензольному кольцу? Каков суммарный электронный эффект (донорный или акцепторный) для каждого из галогенов?
Ответ. Атомы галогенов в галогенобензолах проявляют –I-эффект за счёт их
большей электроотрицательности по сравнению с атомом углерода, несмотря
на то, что в случае йода электроотрицательности атомов С и I близки — здесь
основную роль играет поляризуемость связи C–I. Кроме индуктивного, для
атомов галогенов характерен мезомерный эффект за счёт неподелённой электронной пары (одной из трёх внешних) — это р--сопряжение (+М-эффект).
F
Cl
Br
I
Во всех случаях величина индуктивного эффекта по модулю больше
величины мезомерного эффекта. Так, фтор наиболее электроотрицателен, и
донорный эффект (мезомерный) его незначителен. Электроотрицательность
от хлора к йоду уменьшается хотя и значительно, но в том же ряду сильно
увеличиваются размеры орбиталей внешнего уровня (на котором находится
неподелённая пара электронов), поэтому взаимодействие такой орбитали с рорбита-лями атомов углерода бензольного кольца будет всё менее
эффективным. Другими словами, одновременно с уменьшением
–I-эффекта атома галогена (от фтора к йоду) происходит и уменьшение +Мэффекта. Уменьшение индуктивного эффекта связано с понижением
электроотрицательности в ряду галогенов (фтор — йод); уменьшение
электронодонорного мезомерного эффекта связано с возрастанием
несоответствия геометрической конфигурации внешних р-орбиталей атомов
углерода и галогена (также от фтора к йоду). Поэтому суммарный
электронный эффект во всех случаях акцепторный.
Вопрос 3. Почему в одних случаях атом хлора в бензольном кольце замещается по механизму SN2аром., а в других — по ЕА-механизму?
Ответ. Так как атом хлора относится к относительно слабым электроноакцепторам в бензольном кольце (он проявляет акцепторный индуктивный, но
донорный мезомерный эффекты), то в результате его влияния ни на одном из
углеродных атомов ароматического кольца не возникает значительного положительного заряда, достаточного для осуществления нуклеофильной атаки. Значительно меньших энергетических затрат требует отрыв катиона водорода и последующий выброс хлорид-аниона (ароматичность кольца при
этом сохраняется) — это ариновый механизм (ЕА):
Cl
d+
H
+ :Nu
Cl
- NuH
-
- Cl -
Nu
+
:NuH
H
.
Однако если в ароматическом кольце помимо атома хлора присутствует
другая электроноакцепторная группировка, способствующая замещению атома хлора, то становится возможной нуклеофильная атака по углероду, связан-
ному с хлором. Такой акцептор должен находиться в орто- или параположении к атому хлора. Это механизм ароматического бимолекулярного
замещения (SN2аром):
Cl Nu
Cl
Nu
d+
d+
d+
+
:Nu
-
NO2
+
:Cl
-
NO2
NO2
Вопрос 4. Какое из соединений будет легче вступать в реакцию нуклеофильного замещения: 1-фенил-1-хлорпропан или 1-фенил-2-хлорпропан? Приведите механизмы кислотного гидролиза каждого из этих соединений.
Ответ. В молекулах 1-фенил-1-хлорпропана или 1-фенил-2-хлорпропана
атом хлора находится в боковой цепи, но в первом соединении — у -атома,
а во втором — у -атома углерода:




CH2-CH-CH3
Cl
.
CH-CH2CH3
Cl
И в том, и в другом случае атом хлора способен подвергаться нуклеофильному замещению, подобно тому, что наблюдается в алифатических соединениях. В этих молекулах атом хлора связан с вторичным углеродным атомом углеродной цепи. Такие реакционные центры мало доступны для нуклеофильной атаки по бимолекулярному механизму (SN2). А для осуществления замещения по мономолекулярному механизму необходима диссоциация субстрата и образование устойчивого карбокатиона. В случае -хлорпроиз-водного
такое замещение возможно и даже довольно легко осуществимо, так как
вследствие диссоциации этого соединения образуется карбокатион, стабилизированный за счёт р--сопряжения:
+
CH-CH2CH3
Cl
CH-CH2CH3
- Cl
Кислая среда способствует связыванию отщепляющегося аниона и ещё в
большей степени будет ускорять процесс замещения, втом числе и реакцию
гидролиза:
CH-CH2CH3
Cl
H+
- HCl
+
CH-CH2CH3
H2O
CH-CH2CH3
OH
Для 1-фенил-2-хлорпропана примерно одинаково трудно осуществляются и SN1, и SN2-реакции. Однако кислая среда способствует протеканию
реакции по SN1-механизму, поэтому наиболее вероятным здесь будет мономолекулярное замещение:
CH2-CH-CH3
Cl
H+
- HCl
+
CH2-CH-CH3
H2O
CH2-CH-CH3
OH
Стабильность карбокатиона здесь примерно такая же, как и у обычного вторичного алифатического, поэтому -хлорпроизводное будет легче вступать в
реакцию нуклеофильного замещения.
Контрольные вопросы и задачи
1. Проведите сульфирование: а) этилбензола, б) бензойной кислоты. Рассмотрите механизм реакции сульфирования на примере этилбензола. Объясните,
почему
группа
-СООН
является
м-ориентантом и обладает дезактивирующим действием.
2. Сравните строение и реакционную способность галогенозамещённых углеводородов ароматического и алифатического рядов. Найдите сходство и
объясните различие в поведении хлорбензола, этилхлорида и винилхлорида.
3. Разберите механизмы реакций нуклеофильного замещения в ароматическом
кольце на примере ароматических галогенопроизводных.
Занятие 27. АРОМАТИЧЕСКИЕ СУЛЬФОКИСЛОТЫ И ИХ
ПРОИЗВОДНЫЕ.
АРОМАТИЧЕСКИЕ НИТРОСОЕДИНЕНИЯ
Вопросы для подготовки к занятию
Номенклатура сульфокислот и их производных. Строение
сульфогруппы. Кислотные свойства аренсульфокислот: сравнение с
кислотными свойствами органических и неорганических кислот; влияние
заместителей в ароматическом кольце на кислотные свойства сульфокислот.
Электрофильное замещение в ароматическом кольце сульфокислот:
замещение атома водорода и замещение сульфогруппы. Нуклеофильное
замещение сульфогруппы в ароматическом кольце. Нуклеофильное
замещение в сульфогруппе: условия и возможность протекания реакции в
сравнении
с
карбоновыми
кислотами.
Реакции
восстановления
аренсульфокислот и их производных. Производные аренсульфокислот:
особенности строения и химического поведения хлорангидридов, амидов и
эфиров аренсульфокислот.
Строение нитробензола. Природа акцепторного влияния нитрогруппы в
ароматическом кольце. Физические свойства нитросоединений. Реакции
комплексообразования. Электрофильное замещение в ароматическом кольце
нитроаренов: скорость реакции и возможность её протекания.
Нуклеофильное замещение нитрогруппы и атома водорода. Реакции
восстановления
нитрогруппы.
Сравнение
химического
поведения
нитроаренов с нитрогруппой в боковой цепи: кислотные и нуклеофильные
свойства.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. В каком случае при электрофильном замещении в бензольном
кольце будет происходить замещение водорода, а в каком — сульфогруппы?
Ответ. Замещение атома водорода в бензольном кольце по электрофильному
механизму в общем протекает легче, чем сульфогруппы, что определяется
сравнением стабильности катионов уходящих групп Н+ и +SO3Н. Поэтому во
всех случаях, когда у атомов углерода ароматического кольца имеются атомы
водорода, которые могут быть замещены электрофильной частицей, реакция
пойдёт именно по этому направлению. Для замещения сульфогруппы имеются
принципиально две возможности: 1) когда электрофильной частицей является
катион водорода — это реакция десульфирования:
CH3
CH3
CH3
H+
+ H+
SO3H
SO3
CH3
SO3
+
H2O
SO3 H
CH3
+ H2SO4
2) в молекуле уже имеется несколько заместителей, в том числе и сульфогруппы, и ни один из них не направляет электрофильную частицу к свободному атому углерода для замещения водородного атома; например:
OH
OH
SO3H
O2N
+
OH
SO3H
O2N
O 2N
+
NO2
d+
d+
NO2
+
NO2
NO2
SO3H
NO2
NO2
OH
NO2
O2N
+ H2SO4 + NO2+
NO2
Вопрос 2. Как можно из п-толуолсульфокислоты получить п-нитротолуол?
Поясните. Приведите механизм превращения.
Ответ. Замещением по электрофильному механизму такое превращение
осуществить не удастся, так как атом водорода замещается легче, и будет
протекать нитрование по 2-му положению:
CH3
CH3
+
NO2
NO2
CH3
NO2
SO3H
SO3H
Однако сульфогруппу можно заместить по нуклеофильному механизму при
сплавлении с нитритами:
CH3
CH3
+ Na+ :NO2
CH3
Na+
+ NaHSO3
d+
SO3H
HO3S
NO2
NO2
Вопрос 3. Какими способами можно из бензолсульфокислоты получить тиофенол? Приведите схемы и, по возможности, механизмы превращений. Поясните.
Ответ. Превращение бензолсульфокислоты в тиофенол
SO3H
SH
можно осуществить либо нуклеофильным замещением, либо восстановлением сульфогруппы. В первом случае необходимо провести сплавление с сульфидом натрия:
SO3H
SO3Na
+ Na2S
NaO3S
SH
Na+
+ NaHS
SH + Na2SO3
во втором случае — подействовать сильным восстановителем, например,
тетрагидроалюминатом лития Li[AlН4]:
SO3H
4
SLi
+ 7 Li[AlH4]
+ 2 Al2O3 + 3 LiAlO2 + 16 H2
4
Вопрос 4. Гидролиз эфиров аренсульфокислот может протекать как по бимолекулярному, так и по мономолекулярному механизму. Приведите мономолекулярный механизм гидролиза этилтозилата (этил-п-толуолсульфоната).
Возможно ли здесь протекание реакции в кислой среде?
Ответ. Гидролиз эфиров аренсульфокислот протекает по механизму, промежуточному между SN1 и SN2. Кислая среда будет способствовать протеканию
реакций по SN1-механизму, как и во всех случаях нуклеофильного замещения
у насыщенного атома углерода. За счёт протонирования этил-птолуолсульфоната в его молекуле ещё в большей степени поляризуется С–О
связь.
CH3
CH3
CH3
CH3
+ H+
SO2-O-C2H5
O S-O-C2H5
+
OH
CH3CH2+
H3C
SO3H
+
O S-O-C2H5
OH
H2O
+
O S O
OH
CH3CH2OH2+
CH2CH3
- H+
C2H5OH
Вопрос 5. В чём различие химического поведения мета- и парадинитробензолов? Поясните на примере а) нитрования (SE-реакция) и б) взаимодействия со щёлочью (SN-реакция).
Ответ. Нитрогруппа в ароматическом кольце обладает электроноакцепторным эффектом, главным образом за счёт --сопряжения. При этом значительно понижается электронная плотность в орто- и пара-положениях бензольного кольца по отношения к нитрогруппе. Если в бензольном кольце две
нитрогруппы находятся в мета-положении друг к другу, то они оказывают
согласованное влияние на бензольное кольцо. Если же нитрогруппы находятся
в
о- или п-положении, то их влияние будет несогласованным.
d+
O2N
d'+
NO2
d'+
O2N
d+
d+
NO2
d'+
м-динитробензол
d'+
п-динитробензол
Поэтому,
несмотря
на
то,
что
в
бензольном
кольце
м-динитробензола электронная плотность сильно понижена, распределение
электронной плотности неравномерное, и 5 положение может подвергаться
электрофильной атаке. Так, известно, что м-динитробензол может вступать в
реакцию нитрования, хотя и в очень жёстких условиях:
O2N
NO2
+
-
+ NO2 BF4 / FSO3H
O 2N
NO2
423 K
NO2
А на атомах углерода п-динитробензола электронная плотность понижена
одинаково сильно, её распределение равномерно, и ни один из углеродных
атомов п-динитробензола не способен подвергаться электрофильной атаке
нитроний-катиона. Это соединение не вступает в реакцию нитрования и другие SE-реакции.
O2N
NO2
NO2+
Для нитробензолов более характерными являются реакции нуклеофильного замещения из-за сильно пониженной электронной плотности. При
этом более предпочтительным является замещение нитрогруппы, а не атома
водорода по причине большей устойчивости NO2ˉ-аниона по сравнению с
гидрид-анионом
Нˉ.
В
молекуле
м-динитробензола активированными для нуклеофильной атаки являются по-
ложения 2, 4 и 6, и поэтому замещаться может только атом водорода, находящиеся в одном из этих положений, причём преимущественно в положении
2, где наибольшей степени понижена электронная плотность:
NO2
d+
+ :OH
d+
NO2
NO2
OH
H
d+
NO2
OH
-
-H
NO2
NO2
В молекуле п-динитробензола активированными для нуклеофильной атаки
являются все углеродные атомы бензольного кольца (по причине несогласованного влияния нитрогрупп) и, прежде всего, 1 и 4 атомы (у которых имеются нитрогруппы). Поэтому замещаться будет одна из нитрогрупп (она
находится в п-положении к другой нитрогруппе):
NO2
O2N OH
OH
d+
d+
d+
d+
+ :OH
-
- NO2
d+
d+
NO2
NO2
NO2
Замещение нитрогруппы протекает в более мягких условиях, чем атома водорода: для этого используются водные растворы щелочей, а для замещения водорода необходимо нагревание с твёрдой щёлочью.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Контрольные вопросы и задачи
Сравните кислотные свойства следующих соединений: п-нитробензолсульфокислоты,
бензолсульфокислоты,
п-хлорбензолсульфокислоты, о-толуолсульфокислоты, воды. Объясните.
Какое из предложенных соединений наиболее легко десульфируется: бензолсульфокислота, п-хлорбензолсульфокислота, о-то-луолсульфокислота,
п-нитробензолсульфокислота. Поясните. Приведите механизм реакции.
Объясните, почему для ароматических сульфокислот возможны реакции
замещения сульфогруппы как по электрофильному, так и по нуклеофильному пути. Сравните условия протекания этих реакций.
Какие продукты образуются при взаимодействии п-изопропилбензолсульфокислоты а) с концентрированной серной кислотой, б) с избытком нитрующей смеси, в) с кипящей очень разбавленной соляной кислотой? Приведите механизмы реакций.
Приведите три уравнения реакций хлорирования п-толуолсуль-фокислоты:
а)
хлором
в
присутствии
железа,
б)
хлором
на
свету,
в) пентахлоридом фосфора (V). Приведите механизмы этих реакций.
Приведите механизм нуклеофильного замещения для 1,2,3-три-
нитробензола при взаимодействии с гидроксидом натрия. Какая нитрогруппа заместится в первую очередь и сколько нитрогрупп заместится
всего при избытке нуклеофильного реагента? Поясните. Приведите механизм реакции.
7. Какие продукты образуются при взаимодействии ,п-динитро-толуола а) с
нитрующей смесью, б) с разбавленным водным раствором щёлочи? Приведите механизмы реакций.
Занятие 28. ФЕНОЛЫ И АРОМАТИЧЕСКИЕ СПИРТЫ.
ХИНОНЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Строение фенола и бензилового спирта. Природа влияния заместителя
в ароматическом кольце. Физические свойства фенолов. Кислотно-основные
и нуклеофильные свойства фенолов и спиртов. Характерные реакции,
отличающие эти два класса соединений. Электрофильное замещение в
ароматическом кольце фенолов: скорость, глубина протекания реакций;
реакции со слабыми электрофилами. Нуклеофильное замещение
гидроксогруппы. Реакции окисления и восстановления. Фенолы и их
производные. Простые эфиры фенолов. Хиноны: получение и особенности
свойств. Нахождение в природе хинонов. Медико-биологическое значение
фенолов и их производных.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Какой продукт будет образовываться при взаимодействии пгидроксибензилового спирта с разбавленным водным раствором щелочи?
Приведите схему реакции.
Ответ. Молекула п-гидроксибензилового спирта содержит две гидроксильные группы обладающие разным характером: фенольную и спиртовую. У
спиртов кислотные свойства выражены слабее, чем у воды, и поэтому они не
реагируют со щелочами. Фенолы, наоборот, дают соли при взаимодействии с
водными растворами щелочей. Причина этого — р--сопряжение, в котором
участвует неподелённая электронная пара кислорода и -электронная система бензольного кольца, приводящее к большей поляризации связи О–Н :
H
O
CH2-OH + :OH
O
CH2-OH + H2O
Вопрос 2. В чём различие взаимодействия фенола а) с концентрированными
серной и азотной кислотами, б) с разбавленными серной и азотной кислотами
(при нагревании)? Приведите схемы превращений.
Ответ. При взаимодействии с концентрированной серной кислотой происходит сульфирование фенола, причём недостаток реагента селективно приводит к образованию орто- или пара-изомера в зависимости от температуры:
OH
SO3H
OH
288 K
H2SO4
OH
373 K
SO3H
Образования различных структурных изомеров при разной температуре объясняется обратимостью реакции сульфирования и большей термодинамической стабильностью п-изомера, который накапливается в реакционной среде
при повышенной температуре.
Действие концентрированной азотной кислоты на фенол приводит к
электрофильному нитрованию, происходит введение одной, двух и трёх нитрогрупп в молекулу фенола. При недостатке реагента возможно образование
мононитропроизводных, но реакция протекает неселективно, что приводит к
получению смеси орто- и пара-изомеров:
OH
OH
HNO3
OH
NO2
+
NO2
Разбавленная серная кислота сульфирующими свойствами не обладает
и может участвовать только в протонировании. Но основность фенолов выражена крайне слабо, и протонированию (с образованием солей) они не подвергаются.
OH
+ H+ (H2SO4)
Разбавленная азотная кислота, аналогично серной, также не обладает
нитрующими свойствами: в ней не образуется необходимый для нитрования
нитроний-катион. Однако при нагревании происходит разложение азотной
кислоты до диоксида азота NO2, из которого в реакционной среде образуется
нитрозо-катион, и протекает нитрозирование фенола с последующим окислением образовавшегося нитрозофенола:
2 NO2  NO+ + NO3¯
OH
OH
NO
OH
NO2
+HNO3
-HNO2
+
+ NO
+
-H
OH
OH
+HNO3
-HNO2
NO
NO2
Вопрос 3. Как реагируют фенолы с альдегидами? Рассмотрите механизм реакции на примере взаимодействия 2,6-диметилфенола с этаналем.
Ответ. За счёт наличия в ароматическом кольце гидроксогруппы, которая
является сильным электронодонором, фенолы легко вступают в реакции SE и
могут взаимодействовать со слабыми электрофилами, например, с
альдегидами. Поэтому реакция с этаналем — это типичная реакция
электрофильного
замещения,
в
которой
2,6-диметилфенол является субстратом, а этаналь — электрофилом. С другой
стороны, по отношению к альдегидам это реакция нуклеофильного
присоединения, в которой нуклеофилом является молекула фенола. Таким
образом, механизм этой реакции можно квалифицировать и как SE, и как AN,
в зависимости от того, что считать субстратом, а что — нуклеофилом. С
учётом того и другого механизм реакции можно описать в следующем виде:
OH
H3C
OH
CH3
d+
O
H3C
CH3
+ CH3-C
H
d-
d+ C
H3C
O
H
OH
H3C
OH
CH3
H3C
CH3
+
CH3
H HC O-
H3C CH OH
Вопрос 4. Приведите механизмы реакций алкилирования фенола бромэтаном
а) в щелочной среде, б) в присутствии кислотного катализатора.
Ответ. В щелочной среде молекула фенола превращается в фенолят-ион.
Отрицательный заряд этого иона в какой-то степени делокализован по всей
частице, но преимущественно локализован на атоме кислорода. Таким
образом, нуклеофильность такой частицы высокая и, главным образом, за
счёт атома кислорода; нуклеофильная атака осуществляется атомом
кислорода:
-
OH
O-CH2-CH3
O
d+
-
d-
CH3-CH2 Br
- NaBr
+ OH
- H2O
Однако в кислой среде молекула фенола практически не ионизирована
(диссоциация подавлена), и за счёт делокализации неподелённой электронной
пары атома кислорода избыточный отрицательный заряд возникает на орто- и
пара-атомах бензольного кольца. Кислая среда (или, как вариант, кислотный
катализатор) молекулу субстрата (в данном случае, бромэтана), облегчая, тем
самым, образование углерод-углеродных связей. В результате осуществляется
алкилирование в бензольное кольцо по Фриделю-Крафтсу:
-
[C2H5]+ AlBr4
C2H5Br + AlBr3
OH
OH
+ [C2H5]+ AlBr4
OH
-
- AlBr4
C2H5+
OH
C2H5
+
C2H5
Вопрос 5. В чём различие ацилирования фенола в обычных условиях без катализатора и в присутствии кислотного катализатора? Приведите механизмы
реакций.
Ответ. В обычных условиях (или в присутствии карбонатов) происходит
ацилирование по атому кислорода. В реакцию вступает фенолят-ион, образующийся при диссоциации молекулы фенола (карбонаты способствуют отрыву протона от молекулы фенола и, тем самым, увеличивают концентрацию
фенолят-иона):
-
OH
O
- H+
или
-
OH
O
-
-
+ CO32
+ HCO3
Дальнейшее взаимодействие фенолят-иона с ангидридами или галогенангидридами карбоновых кислот — это типичное нуклеофильное замещение, характерное для ацильных производных карбоновых кислот:
O
O
O
O-C-R
O-C-R
O
Cl
+
C-R
- Cl
Cl
При применении кислот Льюиса (среда кислая) ацилирование протекает по атомам углерода бензольного кольца, потому что как и в случае алкилирования (см. предыдущий вопрос) диссоциация фенола подавлена, но активированы о- и п-положения ароматического кольца. Это типичная реакция
Фриделя-Крафтса в ароматическом ряду:
O
R-C-Cl + AlCl3
[R-C=O]+ AlCl4
OH
OH
-
+ [R-C=O]+ AlCl4
OH
- AlCl4
OH
O
C-R
+
O C-R
-
O
C-R
+
Контрольные вопросы и задачи
1. Сравните кислотные свойства следующих соединений: фенол,
п-нитрофенол, п-хлорфенол, о-нитрофенол, м-нитрофенол. Объясните.
2. Сравните реакционную способность в реакциях электрофильного нитрования следующих соединений: м-крезол, резорцин, фенол, бензиловый
спирт, 1-фенилэтанол-1. Объясните. Приведите механизмы реакций.
3. Приведите механизмы реакций взаимодействия с бромной водой следующих соединений: о-крезол, анизол, фенил-трет-бутиловый эфир.
4. Приведите механизмы реакций метилирования в щелочной среде а) пкрезола, б) гидрохинона, в) п-нитрофенола. Сравните их реакционную
способность. Объясните.
5. Приведите механизмы реакций ацилирования пирокатехина а) изомасляным ангидридом, б) муравьино-уксусным ангидридом, в) янтарным ангидридом в обычных условиях без катализатора.
6. Какие продукты могут образоваться при а) взаимодействии бензилового
спирта с концентрированной соляной кислотой, б) взаимодействии бензилового спирта с концентрированной серной кислотой? Приведите схемы реакций и названия веществ.
7. Какой продукт преимущественно будет образовываться при
а) метилировании гидрохинона избытком йодметана в щелочной среде, б)
взаимодействии гидрохинона с броматом калия? Приведите схемы реакций и названия веществ.
Занятие 29. АРОМАТИЧЕСКИЕ АМИНЫ И ИХ
ПРОИЗВОДНЫЕ.
АЗО- И ДИАЗОСОЕДИНЕНИЯ
Вопросы для подготовки к занятию
Строение анилина. Природа влияния аминогруппы в ароматическом
кольце. Физические свойства ароматических аминов. Кислотно-основные и
нуклеофильные
свойства
ароматических
аминов.
Сравнение
с
алифатическими аминами. Электрофильное замещение в ароматическом
кольце ароматических аминов: скорость, глубина протекания реакций;
реакции со слабыми электрофилами. Продукты неполного восстановления
нитросоединений: нитрозобензол, фенилгидроксиламин, гидразобензол,
азобензол, азоксибензол — особенности строения, свойств, получения,
применения.
Строение и номенклатура азо- и диазосоединений. Получение солей
арендиазония,
механизм
реакции
диазотирования.
Амфотерность
диазосоединений. Реакции солей арендиазония с выделением азота: SR, SN1,
восстановление. Реакции восстановления без выделения азота. Реакции
азосочетания (SЕ), особенности протекания этих реакций с фенолами и
ароматическими аминами.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
3. Лабораторная работа.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Приведите механизм алкилирования п-толуидина хлорэтаном.
Объясните направление реакции.
Ответ. Молекулы галогеналканов обладают электрофильными свойствами, а
в молекуле п-толуидина (как и в молекулах всех ароматических аминов) имеется два нуклеофильных центра. Это атом азота и бензольное кольцо. Нуклеофильные свойства азота выражены значительно сильнее, чем у бензольного кольца, и алкилирование по азоту протекает обычно легко, без катализаторов. (Хотя щелочная среда повышает активность нуклеофила.)
d+
H3C
NH2 + CH3CH2-Cl
+
H3C
NH2 C2H5
Cl
-
Попытки проведения алкилирования по Фриделю-Крафтсу в бензольное
кольцо, используя в качестве катализаторов кислоты Льюиса, успехами не
увенчаются, так как катализатор будет взаимодействовать с атомом азота. В
результате этого аминогруппа будет дезактивирована и, кроме того, в бензольном кольце из электронодонора превратится в электроноакцептор, что
привёт к понижению электронной плотности на ароматическом кольце и его
дезактивации по отношению к электрофилам:
d+
H3C
+
NH2 + AlCl3
H3C
NH2 AlCl3
Поэтому механизм данной реакции — бимолекулярное нуклеофильное замещение в ряду галогеналканов, где нуклеофилом является ароматический
амин:
d+
H2N
NH2
d+
CH3
+ CH3CH2-Cl
CH3
CH2
CH3
d-
Cl
+
H2N CH2CH3
HN CH2CH3
Cl
-
-
+ OH
- Cl , - H2O
CH3
CH3
Вопрос 2. В чём различие нитрозирования первичных, вторичных и третичных ароматических аминов? Поясните на примере нитрозирования анилина,
N-этиланилина и N,N-диэтиланилина. Приведите схемы превращений.
Ответ. Нитрозирование — это взаимодействие с нитрозирующими частицами: NO+, NOCl, H2ONO+ или N2O3. Эти частицы образуются из азотистой
кислоты HNO2 при действии на неё сильной кислоты (обычно HCl или
H2SO4). Однако ввиду нестабильности азотистой кислоты для нитрозирования используют её соли (нитриты) с большим избытком соляной или серной
кислоты. Нитрозирование первичных и вторичных ароматических аминов
протекает по атому азота. При этом из первичных аминов образуются соли
арендиазония, например:
NH2
+
+ HNO2 + H
+
N N
+
2H2O
Действие нитрозирующих частиц на вторичные амины приводит к образованию N-нитрозоаминов, например:
NH-C2H5
+ HNO2
NO
N-C2H5
H+
+
H2O
.
Третичные ароматические амины, в отличие от первичных и вторичных нитрозируются по ароматическому кольцу (обычно в п-положе-ние), что приводит к
образованию п-нитрозоаминов, например:
N(C2H5)2
+ HNO2
H+
ON
NH-C2H5 +
H2O
Вопрос 3. Какие превращения претерпевает бензолдиазонийхлорид а) при
добавлении
к
нему
холодного
водного
раствора
щёлочи,
б) при нагревании этого щелочного раствора, в) при добавлении раствора йодида калия? Приведите механизмы реакций.
Ответ. Бензолдиазонийхлорид — диазосоединение, которое в кислой среде
находится в форме соли диазония. При изменении рН диазосоединения переходят в арендиазогидроксиды (в нейтральной среде) и затем в арендиазоаты
(в щелочной среде). Так для бензолдиазонийхлорида при добавлении щёлочи
происходят следующие превращения:
+
N N Cl
-
-
-
+ OH
- Cl
N N-OH
-
+ OH
- H2O
N N-O
Однако при нагревании соли арендиазония со щёлочью происходит разложение катиона диазония по механизму SN1:
-
+
N N
+ OH
+
OH
- N2
При действии йодидов также происходит разложение катиона арендиазония.
Однако, если реагент обладает мягкими основными свойствами, то реакция
осуществляется по механизму SR:
+
N N: +
+
-
N N: +
:I
I
I
- N2
I
Вопрос
4.
Приведите
механизм
реакций
взаимодействия
птолуолдиазонийхлорида с п-толуидином в нейтральной (рН = 7) и слабокислой среде (рН = 5).
N
+
Ответ. При взаимодействии солей арендиазония с ароматическими аминами
(или фенолами) протекает реакция азосочетания. Однако для осуществления
сочетания с аминами необходима слабокислая среда (обычно рН = 45). А в
нейтральной среде сначала образуются триазены, которые затем переходят в
азосоединения — продукты реакции азосочетания. Например, для взаимодействия п-толуолдиазонийхлорида с п-толуидином:
NH2
N
NH
pH=7
+
- H+
CH3
H3C
CH3
+
CH3
N
N N
d-
pH=5
- H+
+
CH3
H2N
NH2
N
CH3
N N
H3C
CH3
Контрольные вопросы и задачи
1. Сравните основные свойства следующих соединений: бензиламин, этиламин, аммиак, N-этиланилин, п-этиланилин. Объясните.
2. Определите преимущественное направление реакции взаимодей-ствия 1) с
концентрированной серной кислотой, 2) с бромной водой следующих
ароматических
аминов:
а)
о-толуидина,
б) м-толуидина, в) п-толуидина. Приведите механизмы реакций.
3. Приведите схемы и механизмы реакций превращения следующих аминов
при
взаимодействии
с
азотистой
кислотой:
а) м-броманилина, б) N,N-диметиланилина.
4. Какие из перечисленных аминов образуют соли диазония:
1) п-нитроанилин, 2) N-этиланилин, 3) п-анизидин, 4) триметил-амин, 5) птолуидин, 6) N,N-диметиланилин, 7) N-метиланилин, 8) п-этиланилин, 9)
сульфаниловая кислота, 10) N,N-диэтил-анилин, 11) о-толуидин, 12) диметиламин,
13)
дифениламин,
14)
N,N-диметил-п-аминоанилин,
15)
2,4-динитроанилин,
16) триэтиламин. Приведите механизм реакции для наиболее реакционноспособного амина.
5. Из анилина получите: а) п-нитроанилин, б) N,N-диэтиланилин. Какой из
аминов будет проявлять более сильные оснóвные свойства? Дайте объяснение.
6. Какие из перечисленных ароматических соединений вступают в реакции
азосочетания с бензолдиазонийхлоридом: 1) о-толу-идин, 2) N,Nдиэтиланилин,
3)
толуол,
4)
м-динитробензол,
5) о-фенилендиамин, 6) п-ксилол, 7) N-метиланилин, 8) о-толуолсульфокислота, 9) п-толуидин, 10) диметиламин, 11) N,N-ди-метиланилин,
12) п-нитротолуол, 13) м-толуидин, 14) N,п-ди-этиланилин, 15) бензиламин? Приведите схемы превращений. Назовите продукты реакций. Приведите механизм реакции для наиболее реакционноспособного соединения.
7. Назовите соединение, определите диазосоставляющую и азосоставляющую, приведите механизм реакции его образования:
H2N
NC
N=N
N(CH3)2
N=N
H2N
NHCH3
N=N
C2H5O
OH
COOH
NO2
OC2H5
H3CO
N=N
NH2
Лабораторная работа
ОБРАЗОВАНИЕ ТРИБРОМАНИЛИНА
В пробирку поместите 1 каплю анилина и 5–6 капель воды, хорошо
взболтайте и прибавьте несколько капель бромной воды до появления белого
осадка 2,4,6-триброманилина.
Реакция бромирования анилина протекает количественно и
используется в фармацевтическом анализе для открытия анилина и ряда его
производных.
Напишите схему реакции бромирования анилина.
Занятие 30. АРОМАТИЧЕСКИЕ АЛЬДЕГИДЫ, КЕТОНЫ,
КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ
ПРОИЗВОДНЫЕ
Вопросы для подготовки к занятию
Номенклатура
ароматических
оксосоединений,
строение
бензальдегида. Реакции нуклеофильного присоединения, механизм, отличие
реакционной способности от алифатических оксосоединений. Особенности
реакций электрофильного замещения по сравнению с незамещённым
бензолом. Примеры. Бензоиновая конденсация и другие специфические
реакции ароматических оксосоединений.
Номенклатура аренкарбоновых кислот и их производных, строение
бензойной кислоты. Кислотные свойства аренкарбоновых кислот, их амидов
и имидов. Реакции нуклеофильного замещения в ацильной группе.
Особенности реакций электрофильного замещения по сравнению с
незамещённым бензолом.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Для м-фторбензальдегида приведите механизмы реакций: 1) с уксусным альдегидом, 2) с ацетоном, 3) с уксусным ангидридом.
Ответ. Исходное вещество — м-фторбензальдегид — типичный ароматический альдегид. Его взаимодействие с другим карбонильным соединением
может протекать по-разному в зависимости от структуры этих соединений, в
частности наличия -водородного атома в молекуле хотя бы одного из этих
веществ. В молекуле м-фторбензальдегида такой атом водорода отсутствует
(как и в любом другом ароматическом альдегиде), но в молекуле уксусного
альдегида такие атомы есть. Поэтому в присутствии разбавленной щёлочи мфторбензальдегид и уксусный альдегид будут вступать в реакцию альдольной (и кротоновой) конденсации:
O -:OH
CH3-C =
H - H2O

F
H2O
- OH
F
O d+
C
H
-
O
CH2-C =
H
-
O
CH CH2-CH
F
OH H
O
CH CH-CH
O-
F
O
CH=CH-CH
- H2O
В молекуле ацетона также имеются -водородные атомы, причём так
как имеется два -углеродных атома, то в кротоновую конденсацию с одной
молекулой ацетона может вступить две молекулы м-фторбензальдегида. Механизм реакции аналогичный:
O '
-:OH
CH3-C-CH3 - H O
2

F
H2O
- OH
O
CH2-C-CH3
-
F
OCH=CH-C-CH2
O-
F
O
CH CH2-C-CH3
F
OH H O
CH CH-C-CH3
-
F
O d+
C
H
O
CH=CH-C-CH3
- H2O
- H2O
CH=CH CH=CH
C
O
F
O d+
C
H
-:OH
F
F
Взаимодействие ароматических альдегидов с ангидридами кислот известно под названием «конденсация Перкина». Её механизм аналогичен альдольной и кротоновой конденсации; реакция также протекает в слабощелочной среде, при участии ацетата калия:
O
CH3-C =
O
CH3-C=
O
F
-
O
CH2-C =
O
-CH3COOH CH -C
3 =
O
-
CH3COO
O-
O O
CH CH2-C-O-C-CH3
F
-CH3COOH
O d+
C
H
F
O
CH=CH-C-OH
Вопрос 2. Какие превращения протекают при действии на 3-метил-4этилбензамид 1) оксида фосфора (V) при нагревании, 2) избытка
нейтрального
водного
раствора
KMnO4?
Приведите
механизм
взаимодействия с оксидом фосфора (V).
Ответ. Действие оксида фосфора (V) на амиды карбоновых кислот приводит
к получению нитрилов. Это в полной мере относится и к ароматическим
карбоновым кислотам. Поэтому продуктом реакции будет 3-метил-4этилбензонитрил:
C
O
C2H5
H
O-
O
O
P-O-P
O
O
+
H2N
HN;
C
O
O
+ P-O-P
O
O
CH3
;N
O O
C O P-O-P+
OH OH
C2H5
CH3
N H
C
O
O P-O-P
O
O OH
C2H5
C2H5
CH3
N
C
+ 2HPO3
CH3
CH3
C2H5
Нагревание с раствором перманганата калия приводит к окислению
алкильных групп боковых цепей до карбоксильных групп:
O
O
[O]
C2H5
HOOC
C
C
NH2
NH2
H3C
HOOC
Вопрос 3. Какие соединения образуются в результате взаимодействия
изофталевой кислоты 1) с избытком газообразного аммиака при нагревании,
2) с концентрированной серной кислотой. Приведите механизмы реакций.
Ответ. Изофталевая кислота — типичная ароматическая дикарбоновая
кислота. Действие избытка аммиака при нагревании приводит к образованию
амидов по обеим функциональным группам, а при действии
концентрированной серной кислоты происходит сульфирование в
ароматическое кольцо:
C
HOOC
O
C NH3
OH
O
OH
+
d+
+ NH3
HOOC
OH
C NH2
- H2O
OH
O
d+
HO C
HOOC
O
C
+ NH3
NH2
O
C
O
C
H2N
NH2
;
COOH
COOH
d+
d+
HOOC
COOH
+
+ SO3H
+
HOOC
d+
SO3H - H+
H
HOOC
SO3H
При этом сульфирование протекает селективно в 5 положение, так как
ориентация двух карбоксильных групп в ароматическом кольце
согласованная.
Вопрос 4. Приведите механизмы превращения фталевой кислоты
1) при
нагревании с аммиаком, 2) при действии на неё избытка
метилтозилата.
Ответ. При взаимодействии фталевой кислоты с аммиаком при нагревании
сначала образуется амид, аналогично тому, как это происходит для
изофталевой кислоты (см. выше), а затем внутримолекулярная
нуклеофильная атака приводит к образованию фталимида:
O
C NH2
O
C
OH
+ NH3
COOH
d+
+
O
C
NH2
C O
OH
d+
O
C OH
O
C
NH
C OH
OH
- H2O
O
C
NH
C
O
Метилтозилат, как и другие эфиры аренсульфоновых кислот, являются
хорошими алкилирующими агентами, и при взаимодействии со фталевой
кислоты будет происходит метилирование по обеим карбоксильным группам
(в избытке метилтозилата):
d-
O
O
C
d+
OH
+ H3C-O-S
O
COOH
d+
C O
OH
COOH
+
O CH3
+
C
CH3
O
O-S
O
CH3
+
O H
COOH
O CH3
O
O-S
O
d-
CH3
CH3
H3C
H3C
SO3H
SO3CH3
COOCH3
SO3H
COOCH3
C
O
COOH
H3C
Контрольные вопросы и задачи
1. Получите п-толуиловый альдегид: а) окислением ароматического спирта, б)
гидролизом соответствующего дигалогенопроизводного.
2. Какое из перечисленных карбонильных соединений наиболее активно в
реакциях нуклеофильного присоединения: 1) ацетофенон, 2) бензальдегид,
3) анисовый альдегид, 4) п-нитробенз-альдегид? Приведите для данного
соединения а) механизм взаимодействия с гидроксиламином, б) механизм
реакции Кижнера–Вольфа.
3. Какое из перечисленных карбонильных соединений наиболее легко вступает в конденсацию Кляйзена с этилацетатом: п-гидро-ксибензальдегид,
бензальдегид,
п-толуиловый
альдегид,
бензилацетон,
пметоксибензофенон, п-нитробензальдегид? Объясните. Приведите для
данного соединения механизм этой реакции.
4. Какое из перечисленных карбонильных соединений наиболее легко вступает в реакцию Канниццаро: бензальдегид, п-толу-иловый альдегид, мтолуиловый альдегид, о-гидроксибенз-альдегид? Объясните. Приведите
для данного соединения механизм реакции.
5. Сравните кислотные свойства следующих соединений: бензойная кислота, пбензолдикарбоновая
кислота,
п-гидроксибензойная
кислота,
пнитробензойная кислота. Объясните. Какое из этих соединений легче вступает в реакцию электрофильного замещения?
6. Получите
п-толуиловую
кислоту
следующими
реакциями:
1) гидролизом нитрила, 2) окислением спирта. Для кислоты напишите схемы реакций: а) образования хлорангидрида кислоты, б) бромирования в
присутствии катализатора (SE).
7. Какие
продукты
могут
образоваться
при
взаимодействии
п-хлорбензойной кислоты 1) с разбавленным водным раствором гидроксида калия, 2) с твёрдым гидроксидом калия при сплавлении, 3) со смесью
концентрированных азотной и серной кислот, 4) с бромом в присутствии
бромида железа (III). По возможности приведите механизмы этих реакций.
8. Назовите продукты реакций взаимодействия фталимида с а) разбавленным
водным раствором гидроксида калия (1 моль), б) метанолом (2 моль). Приведите механизм взаимодействия с метанолом.
9. С помощью каких реакций можно различить следующие соединения: а)
бензилацетат и п-этилбензойную кислоту, б) бензамид и паминобензойную кислоту?
Занятие 31. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
БЕНЗОЛА
Содержание занятия
1. Контрольная работа.
Вопросы для подготовки к контрольной работе
1. Механизм реакций электрофильного замещения. Электрофильные частицы и условия их образования. Частные случаи реакций и их особенности
(нитрование, сульфирование, галогенирование, ацилирование, алкилирование, нитрозирование, карбоксилирование, азосочетание).
2. Монозамещенные бензолы. Заместители I и II рода. Правила ориентации
в бензольном кольце. Факторы, влияющие на направление замещения и
соотношение количества изомерных продуктов.
3. Галогенозамещенные бензола. Строение и свойства арилгалогенидов в
сравнении с галогеналканами и галогеналкенами. Реакции электрофильного и нуклеофильного замещения. Свойства галогена в боковой цепи.
4. Реакции нуклеофильного замещения в ароматическом кольце. Механизмы реакций (ариновый, SN2аром, SN1), примеры.
5. Ароматические сульфокислоты и их производные. Получение и свойства.
Строение сульфогруппы. Реакции электрофильного и нуклеофильного
замещения. Сульфохлориды, сульфамиды, эфиры сульфокислот. Получение и свойства.
6. Ароматические нитросоединения. Реакции электрофильного и нуклеофильного замещения, образование КПЗ, аци-нитро-производных, реакции
восстановления.
7. Фенолы и спирты. Классификация, номенклатура. Сравнение кислотных
свойств. Свойства фенолов: электрофильные реакции в кольцо, алкилирование и ацилирование, окисление и восстановление, реакции замещения
гидроксогруппы. Хиноны: общая характеристика.
8. Ароматические амины. Классификация, номенклатура. Сравнение основных свойств ароматических, жирно-ароматических и алифатических аминов. Химические свойства: алкилирование, ацилирование, нитрозирование, образование оснований Шиффа. Реакции электрофильного замещения.
9. Азо- и диазосоединения. Классификация, номенклатура. Получение солей
диазония, их строение. Нитрозирование первичных, вторичных и третичных ароматических и алифатических аминов. Получение азосоединений,
строение азогруппы.
10. Ароматические альдегиды и кетоны. Реакции нуклеофильного присоединения: сравнение реакционной способности с алифатическими карбонильными соединениями. Реакции электрофильного замещения, окисления и восстановления.
11. Ароматические карбоновые кислоты и их производные. Кислотные свойства в сравнении с алифатическими кислотами. Реакции замещения в
ацильной группе, реакции декарбоксилирования. Реакции замещения в
ароматическом кольце.
Занятие 32. ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ. НАФТАЛИН
Вопросы для подготовки к занятию
Строение нафталина. Ароматический и диеновый характер молекулы.
Реакции присоединения к молекуле нафталина. Радикальный характер реакций. Примеры присоединения водорода, галогенов, галогеноводородов. Особенности протекания реакций. Электрофильное замещение в молекуле
нафталина. Направление реакции. Примеры реакций (нитрование, сульфирование, галогенирование). Особенности направления реакций при введении
двух электрофильных частиц. Реакции окисления нафталина и его производных.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
3. Лабораторная работа.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Укажите, по каким критериям нафталин относят к ароматическим
соединениям? Сравните ароматичность и реакционную способность
нафталина и бензола.
Ответ. Нафталин представляет собой плоскую систему: атомы углерода
имеют sp2-гибридизацию, все атомы углерода и водорода находятся в одной
плоскости. Атомы углерода образуют два цикла, имеющих два общих (узловых) атома углерода. Каждый из атомов углерода поставляет три из четырёх
валентных электронов на связывание с тремя соседними атомами -связями.
10 -электронов, не участвующих в образовании -связей (по одному от каждого атома углерода) и находящихся на негибридных p-орбиталях, оси которых перпендикулярны плоскости молекулы, взаимно перекрываются с образованием общих -электронных облаков в виде объёмных «восьмёрок», расположенных, над и под плоскостью, в которой лежит молекула нафталина.
Нафталин удовлетворяет правилу Хюккеля, поскольку имеет плоскостное
строение бициклической системы, в каждом из циклов можно выделить делокализованную сопряженную систему 6 -электронов (4n+2 при n=1). Следовательно, нафталин — ароматическое соединение.
Нафталин обладает меньшей ароматичностью, чем бензол. Энергия делокализации нафталина (255 кДж/моль) меньше, чем для двух молекул бензола (301 кДж/моль), и поэтому нафталин более реакционноспособен, чем
бензол. Большую реакционную способность нафталина можно также объяснить, если рассматривать одно из колец как ароматическое, а другое — как
диеновую систему:
Нафталин проявляет более ненасыщенный характер, чем бензол, легче чем
бензол вступает в реакции присоединения.
Вопрос 2. В чём различие реакций сульфирования и нитрования нафталина?
Ответ. Это типичные реакции электрофильного замещения, и преимущественным направлением их протекания должно быть образование производных (см. учебник, гл.11.2.2.1). Сульфирование при 60С действительно приводит к образованию 1-нафталинсульфокислоты:
SO3H
H2SO4
333 K
Однако повышение температуры вызывает увеличение скорости не только
прямой, но и обратной реакции (сульфирование обратимо!), и реакции обра-
зования 2-нафталинсульфокислоты:
SO3H
H2SO4
433 K
Этот продукт термодинамически более стабилен и с течением времени при
проведении реакции при повышенных температурах будет накапливаться в
реакционной смеси. Дальнейшее сульфирование в этих условиях (при продолжительном нагревании) приведёт к образованию смеси 2,6- и 2,7нафталиндисульфокислот:
SO3H
SO3H
HO3S
HO3S
2,6-нафталиндисульфокислота
2,7-нафталиндисульфокислота
Нитрование, в отличие от сульфирования — необратимая реакция. Поэтому
при
мононитровании
преимущественно
образуется
нитропроизводные (1-нитронафталин), а при введении второй нитрогруппы
— смесь ,-динитропроизводных (1,5- и 1,8-динитронафталинов):
NO2
+
+NO2
NO2 NO2
NO2
+
+NO2
+
NO2
1,5-динитронафталин 1,8-динитронафталин
При этом, введение второй электрофильной частицы и при сульфировании, и при нитровании происходит во второе (незамещённое) кольцо, так
как сульфо- и нитрогруппы являются сильными электроноакцепторами и тем
самым дезактивируют замещённое кольцо для электрофильной атаки.
Вопрос 3. Приведите механизм превращения нафталина в 1-бромнафталин.
Объясните.
Ответ. Эта реакция:
Br
+ Br2
- HBr
протекает без катализатора и начинается как присоединение к диеновой
системе (1,4-присоединение). Однако затем следует процесс отщепления,
вызванный образованием более устойчивой --сопряжённой системы:
Br
H
Br
+ Br2
- HBr
H
Br
При этом, в ходе протекания этих реакций ароматичность второго кольца не
нарушается, поэтому и условия должны быть аналогичными условиям
присоединения к диеновым углеводородам.
Вопрос 4. В чём различие хлорирования нафталина и 1-аминонафталина?
Ответ. Хлорирование нафталина — это электрофильная реакция. Если катализатор не используется, то она начинается как электрофильное присоединение, и затем протекает отщепление (см. выше, аналогично бромированию).
При использовании хлорида алюминия в качестве катализатора протекает
электрофильное замещение — в любом случае продукт монохлорирования
будет одним и тем же — 1-хлорнафталин. Дальнейшее хлорирование приведёт в конечном итоге к продукту исчерпывающего хлорирования — перхлорнафталину:
Cl
+ Cl2
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl2 / AlCl3, t
- HCl
Cl
Cl
Хлорирование -нафтиламина сопровождается окислением и помимо
обычного электрофильного замещения (путь а) протекает образование хинонов (путь b), аналогичное для аминобензолов (см. учебник, гл. 10.5.7):
NH2
NH2
+ Cl2
NH2
Cl
+ Cl2
a
b
Cl
Cl
O
O
Cl
+ Cl2
...
Cl
O
O
Доля продуктов окисления зависит от условий проведения реакции.
Контрольные вопросы и задачи
1. Назовите по заместительной номенклатуре ИЮПАК:
а)
NH-C-CH3
O
O
O-C
б)
HO3S
OCH3
2. Какими физическими и химическими свойствами можете подтвердить
ароматичность нафталина?
3. Как влияет природа заместителей в молекулах нафталина на направление и
скорость электрофильных реакций? Приведите примеры.
4. Какие продукты образуются при взаимодействии с концентрированной
азотной кислотой а) нафталина, б) -нафтола? Приведите механизмы взаимодействия. Объясните направления протекания реакций.
5. Приведите
механизм
взаимодействия
с
хлором
на
свету
а)
нафталина,
б)
1-нитронафталина,
в)
нафтохинона-1,4,
г) 5-метилнафтохинона-1,4.
6. Какие продукты образуются при действии газообразного хлора на 1аминонафталин?
7. Приведите схемы превращения -нафтиламина при действии на него а) оксида хрома (VI) в присутствии кислотного катализатора, б) кислорода на
ванадиевом катализаторе.
8. Приведите механизм взаимодействия -нафтиламина с 1 молем концентрированной серной кислоты при нагревании и с избытком H2SO4 в тех же
условиях.
9. Приведите механизм взаимодействия -нафтола а) с разбавленной азотной
кислотой, б) с бромной водой. Какие продукты образуются при действии
на -нафтол в) раствора гидроксида натрия, г) хромовой смеси?
Лабораторная работа
Опыт 1. СУЛЬФИРОВАНИЕ НАФТАЛИНА
В сухую пробирку поместите 1 лопаточку нафталина. Нагрейте
пробирку до расплавления нафталина. Затем дайте ей остыть и добавьте к
затвердевшему нафталину 10 капель концентрированной серной кислоты (в
вытяжном шкафу). Осторожно нагрейте пробирку в пламени спиртовки,
постоянно встряхивая о достижения полной однородности смеси. Затем
дайте смеси остыть, добавьте к ней 10 капель воды и снова слегка нагрейте.
При охлаждении выделяются кристаллы -нафталинсульфокислоты.
Занятие 33. ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ. АНТРАЦЕН. ФЕНАНТРЕН
Вопросы для подготовки к занятию
Строение антрацена и фенантрена. Ароматический и диеновый
характер молекул. Реакции присоединения к молекулам антрацена и
фенантрена. Радикальный и электрофильный характер реакций. Примеры
присоединения водорода, галогенов, галогеноводородов. Особенности
протекания реакций. Электрофильное замещение в молекулах антрацена и
фенантрена. Направление реакции. Примеры реакций (нитрование,
сульфирование, галогенирование). Реакции окисления антрацена и
фенантрена.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Приведите схемы реакций хлорирования антрацена и фенантрена.
Что можно сказать о механизмах этих реакций?
Ответ. Хлор присоединяется к внутренней диеновой системе с образованием
9,10-дигидро-9,10-дихлорантрацена. Реакция идёт уже при 0С, однако в
дальнейшем отщепляется молекула хлороводорода с образованием 9хлорантрацена.
H
Cl
Cl
+ Cl2/0oC
T
- HCl
H Cl
9,10-дигидро-9,10-дихлорантрацен
9-хлорантрацен
При хлорировании фенантрена образуется продукт присоединения 9,10
дихлор-9,10-дигидрофенантрен, при нагревании которого образуется 9хлорфенантрен.
H
Cl H
Cl
Cl
+ Cl2
T
- HCl
9,10 дихлор-9,10-дигидрофенантрен
9-хлорфенантрен
Присоединение может протекать по электрофильному или радикальному
механизму в зависимости от условий проведения реакций.
Вопрос 2. Объясните, почему нитрование антрацена приводит исключительно к
9-нитроантрацену, а фенантрен нитруется неселективно.
Ответ. Образование 9-нитроантрацена связано с тем, что в электрофильных
реакциях антрацена образующийся -комплекс обладает большей ароматичностью, чем исходная молекула, так как в нём можно выделить два бензольных цикла (а в антрацене только один из трёх циклов является ароматическим):
NO2
H
+ NO2+
+
H
Другими словами, образование такого карбокатиона сопровождается значительным понижением энергии системы и делает его существенно выгодным.
По этой причине все электрофильные агенты направляются в антрацене,
прежде всего, в 9 положение. Однако именно при нитровании такой продукт
будет не просто преобладающим среди прочих, а исключительным ввиду необратимости этой реакции.
Электрофильные реакции в 9 положение фенантреновой системы не
сопровождаются сколько-нибудь значительным изменением ароматичности,
образование -комплекса не является энергетически выгодным процессом.
Поэтому нитрование в 9 положение хотя и является преимущественным
направлением, но не исключительным: возможны реакции в 1, 2, 3 и 4 положения:
H
NO2 H
O2N
+
+ NO2+
NO2
+
NO2
...
+
+
NO2
O2N
Вопрос 3. В чём проявляется различие при взаимодействии с электрофильными частицами а) антрацена и б) антрахинона-9,10?
Ответ. Антрацен легко взаимодействует с электрофилами по причине большей стабильности промежуточного -комплекса по сравнению с исходной
молекулой (например, при нитровании — см. предыдущий вопрос), образуя
9-замещённые антрацены.
Антрахинон-9,10 можно представить системой, состоящей из двух бензольных колец, соединённых кетонными группами:
O
O
O
7
2
6
3
O
Каждая из этих карбонильных групп, как заместитель в бензольном кольце, является электроноакцептором, понижая электронную плотность в орто- и параположениях и затрудняя взаимодействие с электрофилами. В целом, на каждое
бензольное кольцо карбонильные группы оказывают несогласованное действие,
и в меньшей степени электронная плотность оказывается пониженной на 2, 3, 6,
7 атомах антрахинона-9,10 за счёт меньшего влияния акцепторного индуктивного эффекта. Поэтому взаимодействие будет возможно только с активными
электрофилами (это реакции нитрования, сульфирования и хлорирования) и
преимущественно во 2 положение.
Контрольные вопросы и задачи
1. Напишите
структурные
формулы
следующих
соединений:
а)
гидразона
10-бром-2-антраценкарбальдегида;
б)
8-ацетил-1фенантренкарбонилхлорида.
2. Сравните ароматический и непредельный характер бензола, нафталина, антрацена и фенантрена. Приведите примеры реакций, подтверждающих это.
3. Какое из соединений — антрацен или фенантрен — будет легче окисляться
раствором KMnO4? Объясните. Какое из соединений — антрацен или фенантрен — будет легче гидрироваться?
4. Какие продукты образуются при взаимодействии с холодной концентрированной азотной кислотой и с концентрированной азотной кислотой при
нагревании до 100С антрацена, фенантрена?
5. Как будет взаимодействовать антрахинон-9,10 а) с нитрующей смесью, б) с
олеумом, в) с хлорметаном в присутствии хлорида алюминия. Приведите
механизмы реакций.
6. Приведите механизм взаимодействия антрацена с хлором на свету: а) с 1
молем, б) с избытком.
7. Какие продукты образуются при действии газообразного хлора на 9аминоантрацен?
8. Реакцией Вюрца–Фиттига получите 2,3,6,7-тетраметилантрацен, используя
любые галогенарены. Рассмотрите механизм реакции. Для продукта реакции приведите схемы: а) окисления, б) сульфирования, в) бромирования в
условиях радикального замещения.
Занятие 34. ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
Содержание занятия
1. Контрольная работа.
Вопросы для подготовки к контрольной работе
1. Нафталин, антрацен, фенантрен: строение, сравнение ароматичности.
Ароматический и диеновый характер молекул.
2. Химические свойства нафталина, антрацена, фенантрена: реакции присоединения, окисления, электрофильного замещения. Примеры присоединения водорода, галогенов, галогеноводородов. Особенности протекания реакций.
3. Реакции окисления нафталина, антрацена, фенантрена и их производных.
4. -Нафтиламин, нафтолы. Особенности химического поведения: реакции
замещения, окисления. Нафтохинон: строение, свойства, получение.
5. Биохимическое значение многоядерных конденсированных углеводородов
и их производных.
Занятие 35. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ОДНИМ
ГЕТЕРОАТОМОМ
Вопросы для подготовки к занятию
Пятичленные азото-, кислородо- и серосодержащие насыщенные и
ароматические гетероциклические соединения. Строение фурана, пиррола,
тиофена. Кислотно-основные свойства фурана, пиррола, тиофена; ацидофобность; реакции электрофильного замещения, присоединения, окисления,
расширения цикла, замены гетероатома. Индол: особенности строения, химического поведения. Медико-биологическое значение пятичленных гетероциклов и их производных.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Докажите наличие у пиррола кислотно-основных свойств.
Ответ. Пиррольный атом азота, связанный с атомом водорода, может
служить центром кислотности. Пиррол ведет себя как слабая NH-кислота.
Поэтому протон будет отщепляться только при действии только сильных
оснований, таких, как амид натрия NaNH2 или гидроксид калия KOH (при
130C). Щелочные металлы также могут замещать атом водорода у
пиррольного атома азота.
+ KOH
N
H
T
N K+
+ H2O
пиррил-калий
Пиррольный атом азота не склонен присоединять протон, т.е. не является
центром основности. Это объясняется тем, что неподелённая пара электронов
пиррольного атома азота находится на негибридной p-орбитали и участвует
в сопряжении:
N
H
Пиррол в сильнокислой среде неустойчив. Такая неустойчивость в
сильнокислой среде называется ацидофобность (что означает «кислотобоязнь»). Ацидофобность связана с присоединением протона в большинстве
случаев к -углеродному атому, разрушением ароматической системы и
дальнейшим превращением активной диеновой системы:
+
H
+ H+
N
N
H
+
N
H
...
H
Происходит «осмоление» (олигомеризация и полимеризация).
Вопрос 2. Приведите механизмы превращений фурана, тиофена под
действием
а)
холодной
концентрированной
серной
кислоты,
б) пиридин-сульфотриоксида. Объясните направление реакции в каждом
случае.
Ответ. Фуран и тиофен взаимодействуют с сильными кислотами, в случае
фурана происходит «осмоление» (олигомеризация и полимеризация),
тиофеновое кольцо к разрушению под действием холодных кислот
устойчиво. Фуран ацидофобен. Ацидофобность связана с присоединением
протона в большинстве случаев к -углеродному атому, разрушением
ароматической системы и дальнейшим превращением активной диеновой
системы:
+
H
H
+ H+
...
+
H
H
O
O
O
Сульфировать серной кислотой можно только тиофен:
+ H2SO4
S
S
SO3H
+ H2O
2-тиофенсульфокислота
Для сульфирования фурана по причине его ацидофобности используют
пиридин-сульфотриоксид:
O
S O
N: SO3
+
O
d+
-
O
O
N:
O
O
+
S
O
HO
-
+
N:
O
NH
+
SO3-
Вопрос 3. Взаимодействие индола с формальдегидом протекает по схеме:
CH2
o
+ H2CO
2
H2O/80 C
N
H
N
N
H
H
Приведите механизм и объясните направление этого превращения.
Ответ. По отношению к индолу как к субстрату данное взаимодействие
представляет собой реакции электрофильного замещения, в которые
последовательно вступают сначала одна, а затем другая молекула индола:
CH2OH
O
+ H-C-H
N
H
N
H
N
H
CH2
N
N
H
H
Как и другие реакции электрофильного замещения, взаимодействие с
альдегидами протекает по -положению ввиду большей устойчивости
образующегося в этом случае -комплекса:
O
d+
+ H-C-H
CH2-O
+
N
H
-
-
CH2-O
H
H
+
N
H
N
H
d+
CH2OH
N
H
CH2 H
N
H
d-
OH
N
H
d+
N
H
CH2
- H2O
N
H
N
H
Контрольные вопросы и задачи
1. Укажите, по каким критериям пиррол, фуран и тиофен относятся к ароматическим соединениям? Объясните причину неравномерного распределения электронной плотности в кольце.
2. Объясните причины наличия кислотных свойств у пиррола и индола. Могут ли они вступать в реакцию Чугаева–Церевитинова? Поясните. Обладают ли эти соединения основными свойствами?
3. Приведите механизмы превращений тиофена под действием а) холодной
концентрированной серной кислоты, б) холодного серного ангидрида, в)
комплекса серного ангидрида с донором. Объясните направление реакции
в каждом случае.
4. Какое соединение образуется в результате взаимодействия пиррола с гидридом натрия и затем с йодметаном?
5. Приведите механизм декарбоксилирования пирролкарбоновых кислот при
нагревании.
6. Приведите реакции с участием фуранов, подтверждающие более низкую
ароматичность фурана по сравнению с тиофеном и пирролом (реакции,
приводящие к образованию неароматических продуктов).
7. Существуют ли 2-гидроксифураны? Ответ мотивируйте.
8. Какие фенилгидразоны необходимы для проведения синтеза следующих
индолов по реакции Фишера: 3-метилиндола, 2-метил-3-этилиндола, 3этил-2-фенилиндола? Приведите необходимые схемы и механизмы превращений.
Занятие 36. ПЯТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ДВУМЯ
ГЕТЕРОАТОМАМИ
Вопросы для подготовки к занятию
Строение диазолов, оксазола, изоксазола, тиазола, изотиазола. «Пиррольный» и «пиридиновый» атомы азота. Ароматичность в сравнении пятичленными гетероциклами с одним гетероатомом и бензолом. Кислотноосновные свойства имидазола и пиразола, реакции электрофильного замещения, реакции алкилирования. Медико-биологическое значение пятичленных
гетероциклов и их производных. Бензимидазол и бензотиазол: особенности
строения, химического поведения; медико-биологическое значение.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Приведите механизм реакции сульфирования пиразола. Объясните
направление реакции. Как будет реагировать пиразол с разбавленной серной
кислотой?
Ответ. Механизм реакции сульфирования — электрофильное замещение.
Сульфирование происходит при воздействии концентрированной серной
кислоты:
3 H2SO4  H2S2O7 + H3O+ + HSO4ˉ
H
N:
H2SO4
- H2S2O7
NH HSO4
+
N
H
SO3H
N
H
N
H
HO3S
HO3S
NH HSO4 - H SO
2
4
N
H
+
NH (HSO4)2 - H2SO4
N
-
+
-
+
N
H
4-пиразолсульфокислота
В водном растворе серной кислоты:
H2SO4 + H2O  H3O+ + HSO4ˉ
Разбавленная серная кислота не сульфирует. В результате присоединения
протона образуются стабильный катион:
+
N
H
N
H
NH
+
NH
NH
+
N
H
+
N
H
N
H
катион пиразолия
Вопрос 2. Почему оксазол и тиазол значительно менее активны в
электрофильных реакциях, чем диазолы? Предложите механизм
сульфирования тиазола.
Ответ. Оксазол не подвергается нитрованию и сульфированию. Причину
можно видеть в значительно меньшем электронодонорном эффекте атома
кислорода в этом гетероцикле, чем пиррольного азота, например в
имидазоле. Это проявляется не только в молекулярной форме, но и в
протонированном состоянии. По аналогичной причине тиазол не вступает в
реакцию нитрования.
+
N
NH
H+
N
H
E+
...
N
H
+
N
NH
+
+
H
E
O
...
O
+
N
NH
+
+
H
E
S
...
S
Однако тиазол может быть подвергнут сульфированию (в жёстких условия, в
присутствии HgSO4). Причиной осуществления такой реакции в случае
тиазола может быть взаимодействие мягкого оснόвного центра (атом серы) в
его молекуле с мягким кислотным центром, каким является катион Hg+. Это
исключает протонирование на первой стадии и делает молекулу более
реакционноспособной. Возможный механизм:
N
+
N
N
2+
Hg
+
+
S
H
S
Hg+
S
Hg+
HO3S
SO3H
N
+
S
-H
N
N
H2S2O7
+
S
Hg+
- HgSO4
S
+
-H
+
Hg
N
+
S
Занятие 37. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ОДНИМ
ГЕТЕРОАТОМОМ
Вопросы для подготовки к занятию
Шестичленные азото- и кислородосодержащие насыщенные и ароматические гетероциклические соединения и их производные. Строение пири-
дина, пиранов, пиронов. Ароматичность пиридина. Хинолин и изохинолин:
их строение и ароматичность. Основность пиридина, хинолина и изохинолина. Реакции электрофильного замещения. Реакции окисления. Реакции алкилирования. Медико-биологическое значение шестичленных гетероциклов с
одним гетероатомом и их производных.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Объясните, почему пиридин обладает выраженными основными
свойствами, а пиррол проявляет слабые основные свойства? Сравните
основность пиридина и алифатических аминов.
Ответ. Пиридин имеет свободную пару электронов на sp2-орбитали азота и
поэтому способен реагировать с протоном, т.е. проявляет основные свойства.
Пиридин как основание (Kb = 210-9) значительно сильнее, чем пиррол (Kb =
2,510-14), и более слабое основание, чем алифатические амины (Kb 10-14).
Пиррольный атом азота не склонен присоединять протон, т.е. не является
центром основности. Это объясняется тем, что неподелённая пара электронов
пиррольного атома азота находится на негибридной p-орбитали и участвует
в циклическом ароматическом сопряжении.
Более низкую основность пиридина по сравнению с алифатическими
аминами можно объяснить следующим образом. Азот в алифатических
аминах имеет sp3-гибридизацию, а в пиридине — sp2-гибридизацию.
Электроны на р-орбиталях находятся дальше от ядра и поэтому слабее
удерживаются , т.е. легче взаимодействуют с протоном, чем электроны на sорбиталях. В тоже время р-характер орбитали алифатических аминах (доля
р-орбитали в sp3-гибридной орбитали составляет 3/4) больше, чем в пиридине
(доля р-орбитали в sp2-гибридной орбитали — 2/3). Следовательно,
свободная электронная пара в пиридине труднее взаимодействует с
протоном, чем электронная пара азота в алифатических аминах.
+ HCl
N
-
N + Cl
H
хлорид пиридиния
Вопрос
2.
Как
будет
взаимодействовать
2,3-дихлорпиридин
а) с разбавленной серной кислотой, б) с концентрированной серной кислотой
при нагревании? Для реакций электрофильного замещения приведите
механизмы.
Ответ. В водном растворе серной кислоты сульфирующая частица не
образуется вследствие того, что кислота практически полностью
диссоциирована:
H2SO4 + H2O  H3O+ + HSO4¯,
поэтому разбавленная кислота не сульфирует. Пиридин имеет свободную
пару электронов на sp2-орбитали азота и поэтому способен реагировать с
протоном, т.е. проявляет основные свойства.
Cl
Cl
-
+ H2SO4
N
HSO4
+
Cl
Cl
N
H
2,3-дихлорпиридиния гидросульфат
С концентрированной серной кислотой при нагревании протекает реакция
сульфирования. В молекуле 2,3-дихлорпиридина в положениях 2 и 3
находятся элетроноакцепторные заместители (атомы хлора), но обладающие
+М-эффектом, т. е. ориентирующие вступающий электрофил в орто- и параположения (как в бензольном кольце). Однако их ориентация
несогласованная и поэтому электрофил будет вступать в свободное положение (как в незамещённом пиридине), т. е. в положение 5.
Реакции сульфирования протекают в сильнокислой среде, поэтому
первой стадией этих процессов является протонирование, а затем — атака
электрофила.
Cl
+ H2SO4
N
Cl
N+
H
Cl
HO3S
N
Cl
Cl
- H2S2O7/ T
HSO4
-HSO4
Cl
- H2SO4
-
H
HO3S
Cl
+
N
Cl
-H+
Cl
O3S
+N
Cl
H
Вопрос 3. Приведите схему реакции получения амида никотиновой кислоты
из -пиколина.
Ответ. Один из способов получения никотинамида в наиболее мягких
условиях может быть таким: -пиколин (3-метилпиридин) окисляется без
нарушения цикла в никотиновую кислоту; взаимодействие никотиновой
кислоты с тионилхлоридом приводит к образованию хлорангидрида
никотиновой кислоты; затем при его взаимодействии с аммиаком образуется
никотинамид.
COOH
CH3
KMnO4
N
-пиколин
SOCl2
N
COCl
CONH2
NH3
N
никотиновая кислота
никотинамид
никотиновой кислоты
N
хлорангидрид
Контрольные вопросы и задачи
1. По каким критериям пиридин и хинолин относят к ароматическим соединениям?
2. Приведите примеры, характеризующие оснόвные и нуклеофильные свойства пиридина.
3. Сравните реакционную способность пиридина и бензола в реакциях электрофильного замещения. Какие факторы способствуют более сложному
течению реакций электрофильного замещения в пиридине по сравнению
с бензолом? Почему для пиридина возможны реакции нуклеофильного
замещения, не характерные для бензола?
4. Сравните реакционную способность бромбензола, 2-бром-пиридина и 3бромпиридина в реакциях нуклеофильного замещения атома галогена на
этоксигруппу при взаимодействии с этилатом натрия.
5. Приведите механизмы реакций взаимодействия 2-хлорметилпиридина с
а) избытком твёрдой щёлочи при нагревании, б) хлором (1 моль) на свету.
Поясните.
6. Приведите основные таутомерные формы для 2-гидрокси-пиридина, 3гидроксипиридина и 2-аминопиридина.
7. Приведите механизмы реакций взаимодействия 2,5-диамино-пиридина с
а) разбавленной соляной кислотой, б) концентрированной серной кислотой.
8. Что происходит при обработке смеси 1 моля 2-метилпиридина и 1 моля 3метилпиридина диизопропиламидом лития (1 моль) и затем йодметаном
(1 моль)?
9. Приведите механизм реакций нитрования хинолина и изохинолина. Объясните направление реакций.
10. Какое положение в хинолине и изохинолине наиболее склонно к реакциям с нуклеофильными реагентами и почему? Приведите механизм реакции Чичибабина для хинолина, изохинолина.
11. Напишите схему реакции получения изоникотиновой кислоты путем
окисления -пиколина.
12. Сравните поведение пиридина и бензола в реакциях окисления цикла и
восстановления цикла.
Занятие 38. ШЕСТИЧЛЕННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ С ДВУМЯ
ГЕТЕРОАТОМАМИ
Вопросы для подготовки к занятию
Шестичленные азотосодержащие насыщенные и ароматические гетероциклические соединения с двумя гетероатомами их производные. Строение и ароматичность пиримидина, пиразина, пиридазина; основность насыщенных и ароматических гетероциклов. Реакции электрофильного и радикального замещения для диазинов и их производных, реакции окисления, алкилирования. Медико-биологическое значение шестичленных гетероциклов с
двумя гетероатомами и их производных.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. В чём различие взаимодействия при нагревании с
концентрированной серной кислотой а) пиримидина, б) 2,4-дигидроксипиримидина. Приведите механизмы реакций.
Ответ. Незамещённый пиримидин в реакции электрофильного замещения не
вступает, молекула пиримидина при нагревании с концентрированной серной
кислотой протонируется. Присоединение второго протона — чрезвычайно
сложный процесс, и возможен лишь в концентрированных растворах очень
сильных кислот, таких как серная.
N
+
NH
H2SO4
N
+
-
HSO4
NH
H2SO4
+
N
-
2 HSO4
N
H
В кольце молекулы 2,4-дигидроксипиримидина находятся две
гидроксильные группы (являющиеся электронодонорами). Это способствует
течению реакции по механизму электрофильного замещения; наиболее
активно в молекуле для SE-реакций положение C5.
OH
N
N
OH
N
H2S2O7
OH
N
HO3S
H2S2O7
OH
H
OH
+
N
-
N
HSO4
OH
OH
HO3S
N
- H2SO4
OH
N
Вопрос 2. Какой вид таутомерии характерен для пурина.
Ответ. Для пурина характерна прототропная таутомерия за счет миграции
протона между атомами азота имидазольного кольца. В кристаллическом
состоянии пурин существует в виде 7Н-таутомера, однако в растворе 7Нпурин и 9Н-пурин представлены примерно в равных количествах.
N
N
N
N
H
9H-пурин
H
N
N
N
N
7Н-пурин
Контрольные вопросы и задачи
1. Почему дипротонные соли диазинов трудно образуются?
2. Какой из хлордиазинов вступает в реакции нуклеофильного замещения в
наиболее жёстких условиях? Почему?
3. В чем различие протекания реакции Чичибабина для пиримидина, пиразина. Как будет взаимодействовать с данным реагентом барбитуровая
кислота (2,4,6-тригидроксипиримидин)?
4. Какие два вида таутомерии характерны для барбитуровой кислоты?
5. Как исходя из пентандиона-2,4 можно получить следующие соединения:
4,6-диметилпиримидин,
4,6-диметилпиримидинон-2,
2-амино-4,6диметилпиримидин?
6. Докажите соответствие пурина критериям ароматичности.
7. Пурин проявляет амфотерные свойства. Напишите схемы образования
солей пурина с калием и серной кислотой.
8. Приведите механизмы реакций взаимодействия со щёлочью пиридазина,
пиримидина, пурина.
9. Приведите механизм реакции превращения 2,6-дигидрокси-пурина (ксантина) в 1,2,3,6-тетрагидро-1,3,9-триметил-2,6-диоксопурин (кофеин).
10. Изобразите структуру замещённого пурина, образующегося при нагревании 4,5,6-триаминопиримидина с формамидом. Приведите механизм реакции.
Занятие 39. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. АЛКАЛОИДЫ
Вопросы для подготовки к занятию
Строение производных пиридина: урацила, тимина, цитозина, барбитуровой и оротовой кислот; их кислотно-основные свойства и отношение к
электрофилам. Строение пурина и его производных: гипоксантина, ксантина,
мочевой кислоты, аденина, гуанина; их кислотно-основные свойства. Таутомерия азотистых оснований нуклеиновых кислот.
Общая характеристика алкалоидов. Химическая классификация и важнейшие группы алкалоидов. Представители разных групп алкалоидов, их физико-химические и физиологические свойства и медико-биологическое значение.
Содержание занятия
1. Обсуждение вопросов по теме занятия.
2. Контроль усвоения темы.
Типовые обучающие вопросы и эталоны ответов на них
Вопрос 1. Приведите схему реакций сначала щелочного гидролиза 5'уридиловой кислоты, а затем кислотного гидролиза образовавшегося
продукта. Назовите продукты реакций.
Ответ. Молекулы 5'-уридиловой кислоты образованы сложноэфирными и
гликозидными связями. В условиях щелочного гидролиза необратимо
разрушаются сложноэфирные связи.
O
NH
O
5'-уридиловая кислота
NH
-
OH
CH2OH
N
O
H H
H
H
OH OH
O
+
OH
O P O CH2
N
O
OH
H H
H
H
OH OH
O
-
PO43
уридин
Затем в кислой среде в образовавшемся нуклеозиде гидролизуется
гликозидная связь.
O
NH
O
H2O/H
+
CH2OH
O
H H
H
OH OH
OH
NH
+
CH2OH
N
O
H H
H
H
OH OH
O
N
H
O
урацил
D-рибоза
Вопрос 2. Приведите различные таутомерные формы урацила. Объясните,
почему дилактамная форма является наиболее устойчивой.
Ответ. Урацил, или 2,4-дигидроксипиримидин, может существовать в
нескольких таутомерных формах:
OH
N
OH
N
H
O
N
N
O
NH
OH
NH
N
O
N
H
O
OH
При этом, само название «2,4-дигидроксипиримидин» соответствует
дилактимной форме (изображена слева). Переход дилактимной в
дилактамную форму (справа) осуществляется через промежуточные лактимтактамные формы, как показано на схеме. Однако наиболее устойчивой
является дилактамная форма, и именно в такой форме урацил входит в состав
РНК. Причиной этому могут быть более низкие кислотные свойства NHкислот по сравнению с ОН-кислотами (лактам является NH-кислотой, а
лактим — ОН-кислотой), и трудность отрыва протона от атома азота в NHкислоте делает эту таутомерную форму более устойчивой.
Контрольные вопросы и задачи
1. Напишите лактим–лактамные таутомерные превращения нуклеиновых оснований: урацила, тимина, цитозина, гуанина, аденина. Укажите более
устойчивую форму для каждого из них.
2. Какая из комплементарных пар: УА или ТА входит в состав ДНК, приведите её строение.
3. Приведите схему дефосфорилирования нуклеотида 3'-уриди-ловой кислоты. Укажите условия и назовите продукты реакции.
4. Приведите строение нуклеотида, полученного из дезоксирибозы, гуанина и
фосфорной кислоты. Назовите его, укажите сложноэфирную и гликозидную связи.
5. Приведите схему кислотного гидролиза гуанозин-5'-фосфата, назовите
продукты реакции.
6. Напишите уравнение окислительного дезаминирования аденина, назовите
продукт.
Занятие 40. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Содержание занятия
1. Контрольная работа.
Вопросы для подготовки к контрольной работе
1. Гетероциклические соединения: понятие, классификация. Ароматические
гетероциклические соединения: типы, распространение в природе, медико-биологическое значение.
2. Пятичленные азото-, кислородо- и серосодержащие насыщенные и ароматические гетероциклические соединения. Строение фурана, пиррола, тиофена, индола, их кислотно-основные свойства, ацидофобность
3. Реакции электрофильного замещения, присоединения, окисления, расширения цикла и замены гетероатома пятичленных гетероциклов с одним гетероатомом.
4. Строение диазолов, оксазола, изоксазола, тиазола, изотиазола. «Пиррольный» и «пиридиновый» атомы азота. Ароматичность в сравнении пятичленными гетероциклами с одним гетероатомом и бензолом.
5. Кислотно-основные свойства имидазола и пиразола, их реакции электрофильного замещения и алкилирования.
6. Медико-биологическое значение пятичленных гетероциклов и их производных. Бензимидазол и бензотиазол: особенности строения, химического
поведения; медико-биологическое значение.
7. Шестичленные азото- и кислородосодержащие насыщенные и ароматические гетероциклические соединения и их производные. Строение пиридина, пиранов, пиронов. Ароматичность и основность пиридина.
8. Хинолин и изохинолин: их строение, ароматичность и основность.
9. Реакции электрофильного замещения, окисления и алкилирования пиридина, хинолина и изохинолина.
10. Медико-биологическое значение шестичленных гетероциклов с одним гетероатомом и их производных.
11. Шестичленные азотсодержащие насыщенные и ароматические гетероциклические соединения и их производные. Строение и ароматичность пи-
римидина, пиразина, пиридазина. Основность насыщенных и ароматических гетероциклов.
12. Реакции электрофильного и радикального замещения, окисления, алкилирования для диазинов и их производных.
13. Строение производных пиридина: урацила, тимина, цитозина, барбитуровой и оротовой кислот; их кислотно-основные свойства и отношение к
электрофилам.
14. Строение пурина и его производных: гипоксантина, ксантина, мочевой
кислоты, аденина, гуанина; их кислотно-основные свойства.
15. Таутомерия азотистых оснований нуклеиновых кислот.
16. Медико-биологическое значение производных пиримидина и бициклических гетероциклов.
17. Нуклеозиды и нуклеотиды: строение, β-гликозидная и сложноэфирная
связи. Номенклатура нуклеозидов и мононуклеотидов. Гидролиз βгликозидных и сложноэфирных связей.
18. Образование полинуклеотидной цепи. Структура нуклеиновых кислот:
первичная и вторичная структура ДНК. Комплементарность нуклеиновых
оснований.
19. Алкалоиды: классификация, представители важнейших групп алкалоидов
и их характеристика.
20. Кислотно-основные, физико-химические и физиологические свойства алкалоидов.
ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ
1. МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ
ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Продукты реакции, выделенные из реакционной массы, обычно
содержат примеси и называются сырыми продуктами. В качестве примесей в
них могут присутствовать растворители, исходные вещества, побочные
продукты, возникающие в xoдe синтеза. Сырые продукты, как правило,
подвергаются очистке. Методы очистки зависят от физических и химических
свойств веществ, подвергаемых разделению. В лаборатории органического
синтеза постоянно приходится иметь дело с разделением суспензий, смесей
твердых веществ, выделением веществ из растворов. Ниже рассмотрены применяемые при этом методы.
1.2. РАЗДЕЛЕНИЕ ТВЕРДЫХ СМЕСЕЙ И ОЧИСТКА ТВЁРДЫХ
ВЕЩЕСТВ
Очистка твердых веществ от примесей является частным случаем более
общей задачи — разделения твердых смесей органических соединений. Применяются различные методы разделения и очистки твёрдых смесей, и выбор
метода определяется свойствами веществ, подвергаемых разделению или
очистке, характером примесей, степенью требуемой чистоты, а также экономичностью метода.
Органические соединения, принадлежащие к различным классам,
обладают разной растворимостью. Это обстоятельство используется для
очистки и разделения органических веществ путем кристаллизации, в
частности дробной кристаллизации, а также при проведении экстракции.
Очистка и разделение твердых веществ могут осуществляться также с
помощью возгонки. Для разделения смесей, состоящих из веществ, весьма
близких по химическому строению, широко примeняeтcя распределительная
и адсорбционная хроматография.
Кристаллизация. Кристаллизация является важным методом очистки
органических соединений.
Вещество, которое нужно перекристаллизовать, растворяют при нагревании в подходящем растворителе. Растворитель следует брать в количестве,
достаточном для полного растворения вещества при нагревании (нерастворимые примеси во внимание не принимаются).
Решающее значение для успешного проведения кристаллизации имеет
правильный выбор растворителя. Одно из основных требований к
растворителю заключается в том, чтобы при нагревании он растворял
кристаллизуемое вещество значительно лучше, чем на холоду. Растворитель
не должен растворять примеси (тогда их можно будет отфильтровать) или,
наоборот, должен растворять их очень хорошо (тогда при охлаждении
раствора они не выпадут вместе с основным продуктом, а останутся в
маточном растворе). Сведения о растворимости органических соединении
находят в справочной литературе, а если такие сведения отсутствуют, то
подбирают соответствующий растворитель на основании результатов пробирочных опытов. При этом следует иметь в виду, что «подобное растворяет
подобное».
Так как не всегда можно найти растворитель, который позволил бы
избавиться от всех примесей, приходится в ряде случаев проводить
последовательно две и более кристаллизации из различных растворителей.
При необходимости перекристаллизовать большие количества вещества
удобен растворитель, в 1 л которого при нагревании растворяется около 200 г
вещества, а при работе с небольшими количествами следует пользоваться
растворителем,
5–10 мл которого растворяют примерно 0,1–0,5 г вещества.
Если подходящий растворитель подобрать не удается, то пользуются
смесью растворителей, из которых один хорошо, а другой плохо растворяет
очищаемое вещество. При этом чаще всего применяются разбавленный
спирт, смесь бензола и предельных углеводородов, эфира и хлороформа и др.
Горячий раствор, насыщенный кристаллизуемым веществом, отфильтровывают от нерастворившихся примесей, затем фильтрат охлаждают, выпавший осадок фильтруют, промывают на нутч-фильтре и сушат. Для более
полного выделения осадка охлаждение можно вести в бане с ледяной водой
или в холодильнике.
Нутч-фильтр:
1 – колба для отсасывания
(колба Бунзена)
2 – воронка Бюхнера
Органические соединения, как правило, хорошо растворимы в обычных
растворителях. Поэтому вытеснение маточного раствора из осадка,
собранного на фильтре, должно производиться как можно меньшим
количеством пpoмывной жидкости.
Для более полного отделения органических соединений от маточных
растворов и ускорения фильтрования процесс этот проводят, создавая
перепад давления между областями над фильтром и под фильтром, что в
лабораторных условиях достигается преимущественно путем создания
разрежения под фильтром (отсасывание). Фильтр для отсасывания,
называемый нутч-фильтром, состоит из цилиндрической воронки с сетчатым
дном (воронка Бюхнера) и толстостенной конической колбы для работы под
вакуумом (колба Бунзена).
На сетчатое дно воронки накладывают лист фильтровальной бумаги, по
размерам точно совпадающий с площадью дна воронки, а колба
подключается к водоструйному вакуум-насосу.
Перед началом фильтрования фильтровальную бумагу, находящуюся
на дне воронки, смачивают растворителем, включают вакуум-насос (при этом
бумага присасывается к дну воронки) и приступают к фильтрованию. В
процессе фильтрования по мере опорожнения воронки Бюхнера ее
равномерно заполняют.
На нутч-фильтре можно фильтровать только холодные суспензии.
Размеры воронки Бюхнера и колбы Бунзена должны находиться в
соответствии с количеством осадка и объемом фильтрата.
Собранный на фильтре осадок тщательно отжимают стеклянной
пробкой до тех пор, пока не перестанет капать маточный раствор. При этом
происходит устранение трещин в осадке. Затем осадок промывают
растворителем, из которого велось выделение продукта, или каким-либо
другим растворителем, в котором этот осадок плохо растворим. Промывку
производят небольшими порциями. При этом сначала колбу Бунзена
соединяют с атмосферой и пропитывают осадок на фильтре промывной
жидкостью. Затем в колбе создают вакуум и промывную жидкость тщательно
отсасывают. Эту операцию повторяют несколько раз. После этого осадок
снимают с фильтра и сушат.
При фильтровании очень мелких осадков на дно воронки Бюхнера
кладут два–три слоя фильтровальной бумаги. В больших воронках Бюхнера
для предохранения фильтровальной бумаги от разрыва ее покрывают
фильтром из ткани, который, кроме того, облегчает удаление осадка с
фильтра.
При фильтровании горячих растворов, чтобы предотвратить
охлаждение в процессе фильтрования и возможную в связи с этим
кристаллизацию, пользуются специальной металлической воронкой, которая
служит обогревательным кожухом для фильтровальной воронки.
При работе с водными растворами удобно
нагревать
фильтровальную
воронку
парами
фильтруемого раствора. Для этого в стакан наливают
небольшое количество растворителя и вставляют
укороченную воронку, в которую помещают бумажный
фильтр.
1 – укороченная воронка
2 – стакан
3 – растворитель
Диаметр верхнего сечения воронки должен быть лишь ненамного
больше диаметра стакана. Воронку закрывают часовым стеклом и доводят
растворитель в стакане до кипения, нагревая его на бане. После того как пары
растворителя нагреют воронку, часовое стекло снимают и в воронку
наливают горячий раствор, подлежащий фильтрованию. Затем воронку снова
закрывают часовым стеклом. В течение всего фильтрования растворитель в
стакане поддерживают в состоянии слабого кипения.
Горячие растворы фильтруются значительно скорее, чем холодные, так
как вязкость растворов с повышением температуры уменьшается.
Некоторые органические вещества образуют пересыщенные растворы.
Поэтому иногда, для того чтобы началась кристаллизация, приходится
вносить в раствор для затравки кристаллик выделяемого вещества. Вызвать
кристаллизацию можно также, потирая стеклянной палочкой по стенке
сосуда.
При растворении органических соединений, содержащих смолистые
пpимеси, последние могут придать окраску растворам. Окрашенные примеси,
как правило, затрудняют кристаллизацию основного продукта. Эти примеси
по физико-химическим свойствам в большинстве случаев отличаются от
основного продукта и могут быть избирательно извлечены из раствора при
помощи адсорбентов.
Полярные растворители обесцвечивают активированным углем,
который добавляют к горячему раствору в тщательно измельчённом виде,
составляющем 2% до 5% от массы кристаллизуемого вещества. Температура
горячего раствора при добавлении активированного угля должна быть
значительно ниже температуры кипения, чтобы добавление угля не вызвало
бурного кипения жидкости, которое может сопровождаться выбросом. Затем
раствор некоторое время тщательно перемешивают, кипятят и в горячем виде
фильтруют. Если раствор полностью не обесцветился, то обработку
активированным углем повторяют.
Следует иметь в виду, что при обесцвечивании активированным углем,
особенно при нагревании, некоторые соединения легко окисляются зa счет
кислорода, адсорбированного углем.
Растворы неионизированных растворителей, например гексана,
тетрахлорметана, дихлорэтана, бензола, хлороформа, обесцвечивают
оксидом алюминия. Их фильтруют через слой адсорбента, который
помещают в воронку Бюхнера или на стеклянный фильтр.
При обработке пористыми материалами обесцвечивание достигается
только в том случае, если окрашенные вещества лучше адсорбируются на по-
верхности пористого материала, чем основное вещество. Это происходит,
например, тогда, когда окрашенные вещества являются сложными высокомолекулярными соединениями, образующимися в результате окисления, полимеризации или конденсации молекул основного вещества или каких-либо
сопутствующих ему продуктов.
Возгонка. Возгонка состоит из двух стадий, одна из которых —
испарение твердого вещества, а вторая — конденсация образовавшихся
паров в твердое вещество.
Для очистки органических соединений возгонка удобна в том случае,
когда возгоняется лишь основной продукт, а примеси не испаряются.
Возгонка применяется для очистки хинонов, многоядерных углеводородов и
некоторых других соединений. Её ведут при температуре, которая ниже
точки возгонки данного вещества. Это обеспечивает получение чистого
продукта.
Возгонку можно вести в фарфоровой чашке, закрытой широким концом воронки, диаметр которой несколько
меньше диаметра чашки. Узкий конец воронки неплотно
закрывают ватой, а для того чтобы возгон не попадал обратно в чашку, ее покрывают круглым листком фильтровальной бумаги с несколькими отверстиями в нём. Вещество, подвергаемое возгонке, должно быть мелко раздроблено.
Преимущество возгонки по сравнению с кристаллизацией заключается в том, что в результате возгонки, как
правило, сразу же получается чистый продукт и возгонку легко провести даже с очень небольшими количествами вещества.
1.3. РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКИХ СМЕСЕЙ И ОЧИСТКА ЖИДКОСТЕЙ
Перегонка является весьма удобным способом выделения и очистки
продуктов реакции. Разделение смеси жидкостей перегонкой возможно
тогда, когда образующийся при перегонке пар имеет другой состав по
сравнению
с
жидкостью.
Д.П.
Коновалов
установил
законы,
характеризующие соотношения между составами равновесных жидкостей и
пара.
Согласно
первому
закону
Д.П. Коновалова, повышение относительного содержания данного компонента в жидкой фазе всегда вызывает увеличение относительного содержания его в парах. При этом в двухкомпонентной системе пар (по
сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью) относительно
богаче тем из компонентов, прибавление которого к системе повышает
общее давление пара, т.е. понижает температуру кипения смеси при данном
давлении.
Способы перегонки разделяют на две группы: простая перегонка и
ректификация.
Перегонка применяется: для удаления растворителей; для разделения
нескольких продуктов реакции, имеющих различные температуры кипения;
для очистки от примесей.
По условиям проведения различают три вида перегонки:
а) при атмосферном давлении, б) при уменьшенном давлении (перегонка в
вакууме), в) водяным паром.
Первые два вида перегонки могут быть использованы для решения
любой из указанных выше задач. Перегонку с водяным паром применяют для
удаления растворителей и для отделения основного вещества от примесей.
Простая перегонка. При простой перегонке пары кипящей жидкости
непосредственно из перегонной колбы поступают в холодильник, где
превращаются в конденсат. Таким образом, разделение смеси жидкостей в
основном может происходить лишь на стадии испарения.
Простая перегонка применяется тогда, когда температуры кипения
веществ, входящих в состав перегоняемой смеси, значительно отличаются
друг от друга. Удовлетворительное разделение в процессе простой перегонки
наступает лишь при условии, что разница в температурах кипения
перегоняемых жидкостей составляет не менее 80С. Простая перегонка
удобна для очистки веществ от нелетучих или трудно летучих примесей.
Установка для простой перегонки при атмосферном давлении:
1 – перегонная колба
(колба Вюрца)
2 – холодильник
3 – алонж
4 – приёмник
В этой установке используется колба с отводной
трубкой — колба Вюрца. Один из видов колбы Вюрца в месте присоединения отводной трубки имеет небольшое колено, которое служит для предотвращения попадания в холодильник капель, уносимых парами. При сборке установки следует обратить внимание на то, чтобы ртутный шарик
термометра находился примерно на 0,5 см ниже отверстия
отводной трубки и чтобы шарик термометра хорошо омывался парами перегоняемой жидкости.
Холодильник, из которого конденсат не попадает обратно в
перегонную колбу, а направляется в приёмник, называется прямым, или
нисходящим, холодильником. Если температура перегоняемой жидкости
ниже 120–130С, в качестве прямого холодильника используется
холодильник с водяной рубашкой — холодильник Либиха. Следует строго
следить за тем, чтобы во время перегонки вода непрерывно поступала в
холодильник, так как и противном случае может возникнуть пожар или
взрыв.
При перегонке жидкостей, температура кипения которых выше 120–
130С, применяется воздушный холодильник. (При перегонке жидкостей,
кипящих в интервале 120–160С, ещё можно применять холодильник
Либиха. Однако в этом случае охлаждающим средством служит непроточная
вода).
В качестве приемника могут служить различные плоскодонные колбы,
в том числе и конические (колбы Эрленмейера). Приёмник, в который
собирают легко испаряющиеся жидкости, обычно помещают в баню со
льдом.
Следует строго следить за тем, чтобы внутреннее пространство
приборов, не предназначенных для работы под давлением, всегда было
соединено с атмосферой.
Описанные выше установки применяются для отгонки растворителей и
для перегонки сравнительно однородных веществ, температура кипения
которых значительно ниже, чем у примесей, от которых они отгоняются.
После того, как установка собрана и все её части плотно соединены
друг с другом, вынимают пробку с термометром, вставляют в горловину
колбы Вюрца воронку, нижний конец которой должен располагаться ниже
бокового отвода колбы. Через воронку наливают перегоняемую жидкость.
При этом перегонную колбу нужно заполнять не больше чем на 2 3 . Воронку
вынимают и в находящуюся в колбе жидкость вносят «кипелки»
(«кипятильники»). После окончания загрузки в горловину перегонной колбы
снова вставляют пробку с термометром и жидкость в колбе начинают
нагревать.
Чтобы обеспечить равномерное нагревание и избежать перегрева,
перегонную колбу следует нагревать на одном из видов жидкостных бань
(водяная, масляная, металлическая, солевая), причем всегда нужно следить за
температурой в бане.
Перегонку ведут с такой скоростью, чтобы в течение секунды в приемник попадало не больше 1–2 капель дистиллята. После окончания перегонки
использованные «кипелки» выбрасывают.
Простая перегонка широко используется, в частности, для отгонки
растворителей. При отгонке низкокипящих и легковоспламеняющихся
растворителей — ацетона, спирта, бензола и особенно эфира — следует
проявлять большую осторожность. Отгонку эфира лучше вести в вытяжном
шкафу, в котором нет включенных нагревательных приборов и зажжённых
горелок. Нагревание колбы с эфиром можно производить только на водяной
бане, нужную температуру в которой поддерживают, приливая горячую воду.
Не следует собирать в одни приемник больше чем 300–400 мл эфира. Ацетон,
спирт, бензол можно отгонять на водяной бане, подогреваемой
электрической плиткой с закрытым обогревом.
Следует иметь в виду, что к концу отгонки растворителя температура
кипения раствора повышается настолько, что даже на кипящей водяной бане
не удается отогнать остатки растворителя. Их следует отгонять при
небольшом вакууме. Растворители, кипящие при температуре выше 100С,
как правило, отгоняются на масляной бане, которая нагревается на 20–30С
выше температуры кипения растворителя. Высококипящие растворители,
например нитробензол, целесообразно отгонять в вакууме и, когда это возможно, с водяным паром.
Если остаток, полученный после отгонки растворителя, занимает
небольшой объем в перегонной колбе и, в свою очередь, подлежит разгонке,
то его следует перелить в перегонную колбу меньших размеров. Чтобы
избежать этого, отгонку растворителя ведут из небольшой колбы, в которую
по мере отгонки приливают из капельной воронки новые порции
перегоняемого раствора. Для этой цели можно, например, использовать
колбу Вюрца, в которую вместо термометра вставляют капельную воронку.
Следует заметить, что если остаток в колбе кипит при температуре
выше 150С, то после отгонки растворителя, перед тем как начать перегонку
этого остатка, перегонную колбу разъединяют с водяным холодильником и
присоединяют к воздушному.
Перегонка с водяным паром. Перегонка с водяным паром является
эффективным методом очистки органических соединений, не растворимых
или трудно растворимых в воде. Она особенно пригодна в тех случаях, когда
продукт реакции загрязнен большим количеством труднолетучих смолистых
примесей. Этот способ позволяет проводить перегонку веществ при
температуре, значительно меньшей, чем их температура кипения.
Обусловлено это тем, что общее давление паров над смесью воды и
нерастворимой в ней жидкости равно сумме парциальных давлений паров
воды (р1) и этой жидкости (р2): Р = р1 + р2 и, следовательно, р1 = Р - р2 < Р.
1 – круглодонная колба с длинным горлом
2 – перегоняемое вещество и вода
3 – холодильник
4 – приёмник
5 – парообразователь
6 – трубка, по которой поступает пар
7 – пароотводная трубка
8 – предохранительная трубка
9 – тройник
10 – винтовой зажим
11 – алонж
Поэтому температура кипения такой смеси, например, при атмосферном давлении всегда будет ниже 100°С. Для перегонки с водяным паром
можно использовать колбу Кляйзена, в которую вставляют трубку, доходящую до дна колбы. По этой трубке из парообразователя поступает пар. Для
того чтобы в процессе перегонки предотвратить переполнение перегонной
колбы водой, ее нужно нагревать.
Перегонку, как правило, ведут до тех пор, пока дистиллят не перестанет разделяться на две фазы.
При перегонке весьма мало летучих веществ применяется перегретый
водяной пар. Для получения перегретого водяного пара между парообразователем и перегонной колбой включается пароперегреватель.
2. МЕТОДЫ СИНТЕЗА
ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
2.1. БРОМЭТАН
C2H5OH + KBr + H2SO4→ C2H5Br + KHSO4 + H2O
Реактивы. Этиловый спирт (95%) 30 мл, бромид калия 25 г,
серная кислота (d 1,84 г/мл) 30 мл.
В круглодонную колбу емкостью 250 мл вносят 30 мл
концентрированной серной кислоты и быстро, при помешивании добавляют
30 мл этилового спирта. Смесь охлаждают до комнатной температуры и
осторожно приливают к ней (при постоянном внешнем охлаждении) 20 мл
ледяной воды, затем прибавляют 25 г тонкоизмельченного бромида калия.
Колбу с реакционной смесью присоединяют к длинному прямому
холодильнику, соединенному с алонжем. Конец алонжа на 1–1,5 см опускают
в смесь воды со льдом, налитую в колбу-приемник, который в свою очередь,
охлаждают в бане со льдом. Реакционную смесь нагревают на песчаной или
воздушной бане до тех пор, пока в приемник не перестанут поступать
маслянистые капли, опускающиеся на дно. Если реакционная смесь в колбе
начинается пениться, то на короткое время уменьшают нагревание. В
процессе перегонки вода, налитая в приемник, может подниматься в алонж.
В этом случае приемник опускают на столько, чтобы конец алонжа был лишь
немного погружен в жидкость или можно повернуть аллонж в сторону.
По окончанию реакции содержимое приемника переливают в
делительную воронку и отделяют бромэтан (нижний слой) в коническую
колбу емкостью 100 мл. В колбу добавляют прокалённый хлорид кальция,
охлаждают её водой со льдом (лучше снегом с солью) в течение 10 мин.
Происходит высушивание. Бромэтан отделяют декантацией и перегоняют на
водяной бане. Колбу-приемник охлаждают водой со льдом. Бромистый этил
перегоняют в интервале температур 35–40°С, основная масса — при 38–
39°С. Неочищенный бромэтан может быть окрашен примесью брома
(побочного продукта) в желтоватый цвет. Выход бромэтана 20г.
Чистый бромэтан (этилбромид) — бесцветная жидкость со
специфическим запахом, смешивается со спиртом, эфиром, хлороформом;
имеет низкую температуру кипения, поэтому хранить его следует в темной
склянке с притертой пробкой или в запаянной ампуле. При хранении на
свету желтеет вследствие разложения с выделением брома. Молекулярная
масса 108,97; температура кипения 38,4°С; d4201,4555; nD201,4239.
Качественная реакция на присутствие галогена. Проба Бельштейна.
Медную проволоку с загнутым в идее петельки концом прокаливают в
пламени горелки для образования на поверхности слоя оксида меди (П).
По охлаждении конец проволоки смачивают бромистым этилом и
вводят его в несветящееся пламя горелки. Сначала пламя становиться
светящимся (сгорает углерод), а затем оно окрашивается в яркий синезеленый цвет (от испаряющихся бромидов меди). Эта реакция характерна для
галогенопроизводных.
2.2. СУЛЬФАНИЛОВАЯ КИСЛОТА
+
NH2 + H2SO4
NH3HSO4-
HO3S
NH2
Реактивы. Анилин 9 мл, серная кислота (d 1,84 г/мл) 16 мл.
В круглодонную колбу вместимостью 50 мл вносят 9 мл анилина и
небольшими
порциями
при
встряхивании
добавляют
16 мл концентрированной серной кислоты. Смесь сильно разогревается.
Колбу закрепляют в штативе, погружают в неё термометр (ртутный шарик
термометра должен быть полностью в жидкой смеси!). Термометр
закрепляется в штативе отдельно. Нагревают колбу на воздушной бане в
течение
2–2,5
час
при
180°–190°С. Окончание реакции устанавливается по прекращению
выделения водяных паров. В противном случае нагревание продолжают.
После окончания реакции смесь охлаждают до ~150°С и ещё горячую
быстро выливают в стакан со 100 мл холодной воды. Выпадают кристаллы
сульфаниловой кислоты. Смесь охлаждают в бане с ледяной водой,
кристаллы отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают на фильтре
небольшим количеством холодной воды.
Продукт очищают перекристаллизацией из воды. Кристаллы
отфильтровывают, промывая небольшим количеством воды, и высушивают
на воздухе. Получают 12 г продукта.
Сульфаниловая кислота — бесцветные блестящие кристаллы,
температура разложения 280°С; умеренно растворима в этаноле, диэтиловом
эфире, воде.
2.3. НИТРОБЕНЗОЛ
+ HNO3
H2SO4
NO2
+ H2O
Реактивы. Бензол 20 мл, серная кислота (d 1,84 г/мл) 26 мл, азотная кислота 20 мл.
! Работа выполняется в вытяжном шкафу.!
В коническую колбу вместимостью 250 мл, снабженную термометром,
помещают 20 мл концентрированной азотной кислоты и при перемешивании
прибавляют 26 мл концентрированной серной кислоты. Полученную
нитрующую смесь охлаждают в бане с холодной водой до 25–30°С, закрывают
пробкой с обратным воздушным холодильником и при энергичном
перемешивании прибавляют к ней небольшими порциями 20 мл бензола. В
процессе нитрования температура должна поддерживаться в интервале 50–
60°С, что достигается регулированием скорости приливания бензола и
охлаждением колбы с реакционной смесью в бане с холодной водой.
После прибавления всего количества бензола колбу нагревают в
течение 40–50 мин. на водяной бане при температуре бани 60°С, продолжая
перемешивание. Затем смесь охлаждают до комнатной температуры и
переносят в делительную воронку. Нижний, кислотный, слой сливают, а
верхний слой, содержащий нитробензол, промывают водой. При этом может
образоваться стойкая эмульсия. Для разрушения эмульсии добавляют 1–2
капли этанола. Нитробензол (нижний слой) отделяют, промывают 5%-м
раствором гидроксида натрия и снова водой.
Промытый нитробензол высушивают хлоридом кальция. Для этого
после прибавления хлорида кальция колбу закрывают пробкой с небольшим
обратным воздушным холодильником и нагревают на водяной бане до тех
пор, пока жидкость не станет прозрачной. Высушенный нитробензол
декантируют от хлорида кальция и перегоняют, собирая фракцию в
интервале 207–211°С.
! Нитробензол нельзя перегонять досуха, так как возможный побочный
продукт реакции м-динитробензол при нагревании может разлагаться со
взрывом.
Нитробензол — маслянистая жидкость желтоватого цвета с запахом
горького миндаля, т. пл. 6°С; т. кип. 211°С; d420 1,2037; nD201,5526; легко
растворим в этаноле, диэтиловом эфире, бензоле, нерастворим в воде.
2.4. β-НАФТОЛОРАНЖ
N2+Cl
NH2
+ NaNO2
SO3H
+ 2HCl
-
+ NaCl
SO3H
+ 2H2O
N2+Cl
-
HO
+
O Na
+
NaOH
-NaCl
NaO3S
N=N
SO3H
Реактивы. Сульфаниловая кислота 2,5 г; нитрит натрия 1 г; β-нафтол 1,8 г;
2 М раствор гидроксида натрия; 2 М раствор соляной кислоты; хлорид
натрия.
Диазотитрование сульфаниловой кислоты проводят следующим
образом: в стакане емкостью 100 мл растворяют при легком нагревании 2,5 г
кристаллической сульфаниловой кислоты в 6,5 мл 2 М раствора гидроксида
натрия. После растворения всей кислоты жидкость должна иметь щелочную
реакцию (по лакмусу). К полученному раствору прибавляют 1 г нитрита
натрия в 12 мл воды, охлаждают до 10°С и приливают его при
перемешивании в стакан, содержащий 13 мл 2 М раствора соляной кислоты.
Реакционную смесь охлаждают ледяной водой. Через несколько минут
выделяется белый порошкообразный осадок соли диазония. Полученный
продукт не отделяют, а используют в виде взвеси. Он более устойчив, чем
другие соли диазония, и может храниться несколько часов.
Затем при комнатной температуре полученную взвесь п-сульфобензолдиазоний хлорида приливают при перемешивании к щелочному
раствору β-нафтола (1,8 г β-нафтола в 22,5 мл 2М раствора гидроксида
натрия). Перемешивание продолжается в течение 30 мин. Для уменьшения
растворимости красителя прибавляют 12,5 г хлорида натрия и оставляют
стоять в ледяной воде 1 час., время от времени перемешивая смесь.
Выпавший краситель отсасывают, промывают небольшим количеством
холодной воды и сушат на воздухе. Выход β-нафтолоранжа около 4 г.
β-Нафтолоранж (кислотный оранжевый, оранж II) — кристаллическое
вещество ярко-оранжевого цвета; хорошо растворим в воде. Молекулярная
масса 350, 34.
2.5. ДИЭТИЛФТАЛАТ (АНТИКОМАРИН)
O
C
COOC2H5
O
C
O
+ 2 C2H5OH
+
H2O
COOC2H5
Реактивы. Фталевый ангидрид (или фталевая кислота) 8 г; этанол (95%) 25 мл,
концентрированная серная кислота; насыщенный раствор соды.
В колбу на 100 мл внесите 8 г фталевого ангидрида (или 9 г фталевой
кислоты), прибавьте 25 мл этанола и 3 мл концентрированной серной кис-
лоты. Полученную смесь нагрейте на воздушной бане с обратным холодильником и кипятите смесь с обратным холодильником в течение 30–35 мин.
После этого перелейте горячую смесь в стакан с 70–80 мл холодной воды.
При помощи делительной воронки отделите осевший на дно
антикомарин. К выделенному сырому антикомарину прибавьте
25–30 мл насыщенного раствора соды и хорошо перемешайте (до полной
нейтрализации серной кислоты).
Снова отделите антикомарин при помощи делительной воронки. Выход
8 мл.
2.6. ЙОДБЕНЗОЛ
N2+Cl
NH2
+ NaNO2 + 2HCl
N2+Cl
-
+ NaCl
+ 2H2O
I
+ KI
Реактивы.
-
+ KCl
+ N2
Анилин
свежеперегнанный
9,1
мл,
соляная
кислота
(d 1,19 г/моль) 25 мл, нитрит натрия 8 г, йодид калия 20 г, гидроксид натрия,
хлорид кальция, мочевина.
В стакане емкостью 300 мл смешивают 25 мл концентрированной соляной кислоты с 25 мл воды и к полученному раствору прибавляют 9,1 мл
анилина. Стакан помещают в баню с ледяной водой, охлаждают смесь до 510°С и по каплям при перемешивании добавляют раствор 8 г нитрита натрия
в 20 мл воды. По окончании введения нитрита натрия смесь перемешивают при охлаждении еще 1 ч. Полученный раствор соли диазония переносят в
круглодонную колбу емкостью 500 мл, удаляют избыток азотистой кислоты
добавлением сухой мочевины (до прекращения выделение газов). Прибавляют охлажденный раствор 20 г йодида калия в 25 мл воды и оставляют стоять
смесь 1 час. Затем приливают к реакционной смеси концентрированный раствор гидроксида натрия до сильно щелочной реакции и отгоняют йодбензол с
водяным паром. Перегонку ведут до тех пор, пока из холодильника не перестанут стекать маслянистые капли. Дистиллят из приемники переносят в делительную воронку, и нижний слой — йодбензол — сливают в маленькую
коническую колбу. Сырой продукт должен быть светло-желтым, если он бурого цвета (от присутствия свободного иода), то его встряхивают с небольшим количеством раствора сульфита или гидросульфита натрия и снова отде-
ляют нижний слой. Йодбензол сушат хлоридом кальция и перегоняют, собирая фракцию, кипящую при 185—190° С. Выход йодбензола 16 г.
Йодбензол — жидкость со своеобразным запахом, нерастворим в воде,
хорошо растворяется в спирте, эфире. Молекулярная масса 204,01;
температура кипения 188,45 СС; температура плавления –31,35 °С; d415
1,8382; nD18 1,6213.
2.7. 1-БРОМБУТАН
CH3CH2CH2CH2OH + KBr + H2SO4→ CH3CH2CH2CH2Br + KHSO4 + H2O
Реактивы: бутанол-1 23 мл, бромид калия 37 г,
серная кислота (d 1,84 г/мл) 25 мл.
В круглодонную колбу вместимостью 250 мл помещают 37 г тонко
растертого бромида калия, 40 мл воды и 23 мл бyrанола-l. При охлаждении в
бане с водой и перемешивании в колбу порциями по 3–4 мл добавляют 25 мл
концентрированной серной кислоты. Колбу снабжают обратным
холодильником и нагревают на асбестовой сетке в течение 2 ч., поддерживая
слабое кипение жидкости. Вначале содержимое колбы периодически
встряхивают для ускорения растворения бромида калия. В процессе
кипячения реакционная смесь приобретает красно-коричневую окраску,
обусловленную бромом.
Прекратив на некоторое время нагревание, колбу соединяют с прибором для простой перегонки и отгоняют из реакционной смеси l-бромбyтан в
приемник с 50 мл холодной воды. Перегонку ведут, пока в приемник не перестанут стекать тяжелые маслянистые капли l-бромбyтана. Отгон вместе с водой переносят в делительную воронку, нижний слой отделяют. Если продукт
окрашен, то его промывают разбавленным раствором гидросульфита натрия.
Для очистки продукта от непрореагировавшего спирта и дибyтилового эфира
его встряхивают в делительной воронке с равным объемом охлажденной до
0°С концентрированной серной кислоты. Нижний (кислотный) слой сливают,
l-бромбyтан промывают последовательно водой, 10%-м раствором гидрокарбоната натрия, снова водой и высушивают хлоридом кальция. Высушенный
продукт перегоняют, собирая фракцию в интервале 99–103°С.
1-Бромбутан — бесцветная жидкость, температура кипения 102°С; d420
1,299; nD201,4398; растворим в этаноле, диэтиловом эфире, очень мало
растворим в воде (0,06 г в 100 мл воды при 30°С).
2.8. м-ДИНИТРОБЕНЗОЛ
NO2
NO2
+ NaNO3
+ H2SO4
+ NaHSO4 + H2O
NO2
Реактивы. Нитробензол 8,3 мл, серная кислота (d 1,84 г/мл) 25 мл, нитрат натрия 12,5 г,
карбонат натрия
! Работа выполняется в вытяжном шкафу.!
В круглодонной колбе ёмкостью 100 мл смешивают 8,3 мл нитробензола
с 25 мл концентрированной серной кислоты, погружают термометр в жидкость
и нагревают до 80–90°С. Затем небольшими порциями прибавляют 12,5 г тонкорастёртого нитрата натрия, следя за тем, чтобы температура не поднималась
выше 130°С. Нитрат натрия растворяется, серная кислота мутнеет, и наблюдается слабое выделение оксидов азота. Образующийся м-динитробензол всплывает в виде маслянистого слоя. Нагревание продолжают ещё 30 мин., пока вся
реакционная смесь не перейдёт в раствор. После этого содержимое колбы
охлаждают до 70°С и при энергичном перемешивании выливают в стакан с 120
г толчёного льда.
м-Динитробензол выделяется в виде жёлтой аморфной массы. По
охлаждении кислый раствор декантацией сливают с осадка, добавляют к последнему 50 мл воды и нагревают до кипения. м-Динитробензол при этом
плавится. Затем воду сливают и повторяют ту же операцию, добавляя в воду
карбонат натрия до резко щелочной реакции. Охладив раствор, сливают воду
через фильтр, а оставшийся на дне стакана м-динитробензол (в виде твёрдой
лепёшки) ещё два раза плавят в чистой воде, добавляя каждый раз по 50 мл
воды и сливая охлаждённый раствор через тот же фильтр. Небольшое количество задержанных фильтром кристаллов промывают холодной водой, отжимая между листами фильтровальной бумаги и присоединяют к основной
массе м-динитробензола, который вынимают из стакана и высушивают на
воздухе. Выход сырого продукта 12–12,5 г. Для получения чистого мдинитробензола его перекристаллизовывают из спирта.
м-Динитробензол — кристаллическое вещество, почти нерастворим в
воде, хорошо растворим в спирте, бензоле, толуоле. Молекулярная масса
168,10; температура плавления 89,8°С; температура кипения 297°С.
м-Динитробензол очень ядовит, надо остерегаться вдыхания выделяющихся паров. При попадании вещества на руки немедленно удалить его и обмыть кожу спиртом.
ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
В процессе самоподготовки к лабораторной работе прочитайте описание опытов и частично заполните протокол работы. Форма протокола представлена таблицей 1, которую следует располагать на развернутом листе тетради. Столбцы 1–4 заполняются при подготовке к занятию, а столбцы 5 и 6
после выполнения опыта.
Таблица 1
Номер
опыта
Название
опыта
1
2
Название темы
Условия реСхема реакции с
акции (темуказанием мехапература, канизма
тализатор и
т.д.)
3
Наблюдаемый результат (изменение окраски, выпадение осадка и
т.п.)
Выводы
5
6
4
ОФОРМЛЕНИЕ РАБОТ
ПО ОРГАНИЧЕСКОМУ СИНТЕЗУ
ОТЧЁТ по СИНТЕЗУ_____________
(препарата)
Работа начата______________________ Окончена_________________________
Уравнения основных реакций__________________________________________
____________________________________________________________________
Механизмы основных реакций__________________________________________
____________________________________________________________________
Уравнения побочных реакций__________________________________________
_____________________________________________________________________________
___________________________________________________________
Свойства синтезируемого вещества по литературным данным:
Мол. масса _____________, Темп. пл. ____________, Темп. кип. ____________,
Плотность _______________, Показатель преломления ________________.
Особенности препарата и побочных продуктов, которые необходимо учитывать при
синтезе:_____________________________________________________
Свойства исходных веществ, применяемых в синтезе
Формула
Мол.
масса
Темп.
пл., С
Темп.
кип., С
Плотность,
г/см3
Массовая
доля осн.
вещества,
%
Примечание
Количества исходных веществ, применяемых в синтезе
Назв
ание
вещ
еств
а
Требуется по
уравнению
реакции
Колво,
моль
Требуется по методике
Избыток
Прив пересчёте на
мечан
100%-ное
ие
Объё
в
вещество
Масса, г Масса, г
в %%
м, мл
моль
Масса, Кол-во,
г
моль
Схема прибора:
Главные этапы синтеза:________________________________________________
____________________________________________________________________
Описание хода синтеза (описание операций, наблюдения, объяснения):
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
__________________________________________________
Очистка сырого продукта:_____________________________________________
Константы полученных веществ:________________________________________
____________________________________________________________________
Выход (масса в г)________________________
Выход от теоретического (по уравнению реакции) в %_____________________
Выход от указанного в методике в %_____________________
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
3. Щеголев А.Е. Органическая химия / А.Е. Щеголев.— Архангельск : Изда-
тельский центр СГМУ, 2008.— 618 с.
4. Щеголев А.Е. Основы органической химии / А.Е. Щеголев.— Архангельск
: Поморский государственный университет, 2003.— 448 с.
5. Органическая химия. Кн.1: Основной курс / Под ред. Н.А. Тюкавкиной. –
М. : Дрофа, 2003.— 640 с.
6. Органическая химия (в вопросах и ответах) / Под ред. Б.А. Ивина и Л.Б.
Пиотровского.— СПб. : Наука, 2002.— 510 с.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Реутов О.А. Органическая химия: В 4 ч. / О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин.— М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004.
2. Нифантьев Э.Е. Курс органической химии. Ч.1 / Э.Е. Нифантьев, Е.Е.
Миллиареси.— М. : Прометей, 1993.— 312 с.
3. Нейланд О.Я. Органическая химия / О.Я. Нейланд.— М. : Высшая школа,
1990.— 751 с.
4. Тюкавкина Н.А. Биоорганическая химия / Н.А. Тюкавкина, Ю.И. Бауков.—
М. : Медицина, 1991.— 528 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ И СЕМИНАРСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Занятие 1. Классификация органических веществ. Электронные
эффекты заместителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 2. Стереоизомерия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 3. Алканы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 4. Функциональные производные алканов: галогеналканы,
спирты, простые эфиры, амины. Номенклатура, кислотноосновные свойства. . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 5. Химические свойства функциональных производных
алканов: реакции нуклеофильного замещения .
Занятие 6. Реакции элиминирования и прочие химические свойства
галогеналканов, спиртов, аминов . . . . . . . .
Занятие 7. Системы -связей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 8. Номенклатура непредельных углеводородов. Реакции
электрофильного и радикального присоединения и
радикального замещения алкенов, алкадиенов, алкинов. . .
...............................
Занятие 9. Диены, полиены, алкины: особенности строения и свойств.
....................................
Занятие 10. Функциональные производные непредельных
углеводородов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 11. Алифатические альдегиды и кетоны. . . . . . . . . . . . . .
Занятие 12. Системы -связей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 13. Предельные монокарбоновые кислоты и их производные. .
....................................
Занятие 14. Дикарбоновые и непредельные кислоты и их производные.
...................................
Занятие 15. Гидроксикарбоновые кислоты. Оксокарбоновые кислоты. .
...................................
Занятие 16. Малоновый и ацетоуксусный эфиры . . . . . . . . . . . . .
Занятие 17. Аминокарбоновые кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 18. Карбоновые кислоты и их производные. . . . . . . . . . .
Занятие 19. Углеводы. Классификация и строение моносахаридов . . . .
.....................................
Занятие 20. Моносахариды: свойства, биологическое значение.
Занятие 21. Дисахариды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 22. Полисахариды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 23. Алициклические углеводороды. Терпены, терпеноиды,
стероиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 24. Бензол. Арены . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 25. Алициклические и ароматические углеводороды . .
Занятие 26. Влияние заместителей в бензольном кольце. Галогенарены
3
3
5
9
14
20
25
27
28
35
41
44
51
53
58
63
63
71
75
76
79
83
87
89
94
99
...................................
Занятие 27. Ароматические сульфокислоты и их производные.
Ароматические нитросоединения . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 28. Фенолы и ароматические спирты. Хиноны . . . . . . . .
Занятие 29. Ароматические амины и их производные. Азо- и
диазосоединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 30. Ароматические альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и
их производные. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 31. Функциональные производные бензола. . . . . . . . . . .
Занятие 32. Полициклические ароматические соединения. Нафталин . .
..................................
Занятие 33. Полициклические ароматические соединения. Антрацен.
Фенантрен. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 34. Полициклические ароматические соединения . . . . .
Занятие 35. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом. .
Занятие 36. Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами .
Занятие 37. Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом
Занятие 38. Шестичленные гетероциклы с двумя гетероатомами. . . . . .
.....................................
Занятие 39. Нуклеиновые кислоты. Алкалоиды. . . . . . . . . . . . . . .
Занятие 40. Гетероциклические соединения. . . . . . . . . . . . . . . . . .
ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Методы разделения и очистки органических веществ . . . . . . .
2. Методы синтеза органических соединений . . . . . . . . . . . . . . . .
ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ . . . . . . . . . . . . . . . . .
ОФОРМЛЕНИЕ РАБОТ ПО ОРГАНИЧЕСКОМУ СИНТЕЗУ. . .
Список рекомендованной литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
104
110
115
120
126
127
132
135
136
140
142
145
147
150
151
151
161
170
170
172
Учебное издание
Щеголев Александр Евгеньевич
Ботнареску Людмила Николаевна
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ЛАБОРАТОРНОПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Печатается в авторской редакции
Оригинал-макет выполнил А.Е. Щеголев
__________________________________________________________
Подписано в печать 24.06.2008. Бумага писчая.
Формат 60  84 116 . Объём 13 п.л.
Тираж 100 экз. Заказ №
__________________________________________________________