Химия Для студентов I курса специальностей: 2080165 — экология, 08040165 — товароведение и экспертиза товаров, 260800 — технология, конструирование изделий и материалы легкой промышленности ИИИБС, кафедра ЭПП к.х.н., доцент А. Н. Саверченко КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Кафедра ЭПП, к.х.н., доцент Саверченко А.Н. Студент должен: знать строение, номенклатуру, свойства, способы получения и применение кислородсодержащих органических соединений уметь составлять названия и химические уравнения реакций кислородсодержащих органических соединений К кислородсодержащим органическим соединениям относят многочисленные органические соединения, как природного происхождения, так и синтетические, являющиеся производными углеводородов, в молекулах которых содержатся углеродные атомы, непосредственно связанные с кислородом. В органических кислородсодержащих веществах кислород в соединении с углеродом образует различные группы, в которых углерод затрачивает на соединении с атомами кислорода одну, две или три валентные связи: O C OH гидроксильная группа C O карбонильная группа –С OH карбоксильная группа Остальные валентности углерода могут участвовать в образовании связи либо с углеродными атомами, либо с атомами водорода или других элементов. Таким образом, приведённые кислородсодержащие группы, можно представить как различные стадии окисления углеродных атомов в органических молекулах; эти группы связаны между собой так же, как и соединения, в состав которых они входят, взаимными окислительно-восстановительными превращениями. Гидроксильная группа содержится в спиртах, карбонильная – в альдегидах и кетонах, карбоксильная – в карбоновых кислотах. Спирты и их производные Производные углеводородов, представляющие собой продукты замещения атома водорода в углеводородной молекуле водным остатком, т.е. гидроксильной группой – OH, называют спиртами. Эти вещества можно рассматривать и как производные воды, в молекуле которой один атом водорода замещён углеводородным радикалом R. Это можно представить схемой: R–H углеводород R–OH спирт Н–OH вода Спирты могут содержать и несколько гидроксильных групп но при разных атомах углерода. Число их характеризует атомность спирта. В соответствии с этим спирты бывают одноатомные и многоатомные; последние подразделяются на двухатомные, трёхатомные и т.д. спирты. Строение. Изомерия. Изомерия предельных одноатомных спиртов, общая формула которых CnH2n+1OH, обусловлена изомерией углеродного скелета и изомерией положения гидроксильной группы. Спирту состава C3H7OH соответствует два изомера по положению гидроксильной группы: CH 3 CH 2 CH 2 OH пропиловый спирт (первичный) CH 3 CH CH3 OH вторичный пропиловый спирт (изопропиловый) Из бутана и изобутана могут быть произведены четыре изомерных бутиловых спирта. В зависимости от положения гидроксильной группы при первичном, вторичном и третичном углеродном атоме спирты могут быть первичными, вторичными и третичными: R/ R CH 2 OH первичный спирт R CH OH вторичный спирт R/ R C OH R // третичный спирт Химические свойства Химические свойства спиртов обусловлены наличием гидроксильной группы. В разнообразных химических превращениях спиртов особая роль принадлежит двум типам реакций: R CH2 O H (1) (2) разрыву связи между атомами C и O (1), O и H(2). Положение гидроксильной группы существенно влияет на её поведение в этих превращениях. Кислотные свойства спиртов. Атомы водорода гидроксильных групп в спиртах проявляют определённую подвижность. Подобно воде, спирты реагируют со щелочными металлами, которые замещают водород спиртовых гидроксильных групп; при этом образуются алкоголяты и выделяется водород: 2R OH + 2Na 2R ONa + H2 алкоголят натрия 2CH 3 CH2 OH + 2Na этиловый спирт 2CH 3 CH2 этилат натрия ONa + H2 По мере увеличения числа углеродных атомов в углеводородных радикалах спиртов активность последних в этой реакции всё более уменьшается. Высшие спирты реагируют с натрием лишь при нагревании. Первичные спирты значительно активнее в реакциях со щелочными металлами, чем изомерные им вторичные и особенно третичные. В реакции со щелочными металлами спирты проявляют свойства кислот; но в результате влияния, оказываемого на гидроксильную группу алкильным радикалом, спирты – ещё более слабые кислоты, чем вода. Практически спирты – нейтральные вещества: они не показывают ни кислой, ни щелочной реакции на лакмус, не проводят электрический ток. Окисление спиртов. Кислород воздуха окисляет спирты только при высокой температуре; при этом они горят. В результате происходит полное разрушение молекул с образованием оксида углерода(IV) и воды.Возможно и умеренное окисление спиртов: при этом они окисляются легче, чем соответствующие предельные углеводороды. Углеводороды на холоду не взаимодействуют с раствором перманганата калия или хромовой смесью, спирты же окисляются ими.Внешне реакция проявляется в том, что в случае перманганата калия (KMnO4) исчезает его фиолетовая окраска, а в случае хромовой смеси (K2Cr2O7+H2SO4) её оранжевый цвет переходит в зеленый. Большая склонность спиртов к окислению по сравнению с углеводородами объясняется влиянием имеющейся в их молекулах гидроксильной группы. Молекулы спиртов содержат углеродные атомы, как бы уже подвергшиеся окислению, т.е. связанные с кислородом гидроксида, и поэтому действие окислителя прежде всего направляется на спиртовую группу. При этом окислению легче подвергаются спирты, в которых при углероде спиртовой группы имеется водород, - первичные и вторичные. При окислении первичных спиртов образуются альдегиды, вторичных – кетоны, окисление третичных спиртов сопровождается разрывом углеродной цепи. Н R C O H O H +O R H первичный спирт C + H2 O альдегид R/ R C R/ H +O O H вторичный спирт R C + H2O O кетон Дегидратация спиртов. Дегидратация (отнятие воды от молекулы спирта) приводит к образованию этиленовых углеводородов или простых эфиров. При избытке спирта дегидратация протекает межмолекулярно, что приводит к образованию простого эфира: 130 o CH3 CH2 OH + HO CH2 CH3 H SO C2H5 – О – С2Н5 + Н2О 2 4 Внутримолекулярная дегидратация, т.е. за счёт одной молекулы спирта, приводит к образованию этиленового углеводорода: o CH 2 H 160 CH2 OH H SO 2 4 CH2 CH2 + H2O Образование сложных эфиров. Взаимодействие спиртов с кислотами (органическими и неорганическими) приводит к образованию производных кислот, называемых сложными эфирами: O CH3 CH 2 OH + CH3 этиловый спирт C OH уксусная кислота O -Н2 О CH3 C O C2 H5 этиловый эфир уксусной кислоты Эта реакция называется реакцией этерификации. Способы получения Гидролиз галогеналканов. При действии на галогеналкилы воды в присутствии щелочей происходит реакция гидролиза, в результате которой галоген замещается гидроксилом с образованием спирта и галогеноводородной кислоты. R Cl + HOH ROH + HCl Реакция протекает при каталитическом участии образуемых щелочами ионов OH - . В присутствии щелочей галогеноводородная кислота связывается, образуя соответствующую соль. Взаимодействие галогеналкилов с водными растворами щелочей может быть представлено и как реакция обмена R Cl + Na OH ROH + NaCl Таким образом, при действии водного раствора щелочи на галогеналкилы образуются спирты. Например: CH3 CH2 Cl NaOH водн. р− р CH3 CH2 OH + NaCl Гидратация алкенов. CH2 = CH2 + HOH t кат CH3 CH2 OH 1 С гомологоми этилена реакция протекает по правилу Марковникова. Например: CH 2 = CH CH3 + HOH CH3 CH CH3 OH пропен 2 - пропанол Восстановление альдегидов и кетонов. При действии водорода в момент выделения (H) на карбонильные соединения альдегиды восстанавливаются в первичные спирты, а кетоны – во вторичные: R׀ R׀ R CH 2 [ H ] R CH2 O OH R C 2 [H ] R CH O OH альдегид кетон первичный спирт вторичный спирт Специфические способы получения спиртов. Некоторые спирты получают характерными только для них способами. Так, метанол в промышленности получают при взаимодействии водорода с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и высокой температуре на поверхности катализатора: CO + H2 t 1 P 1 ZnO синтез газ - метанол CH3 OH Синтез газ получают при пропускании паров воды над раскаленным углем: C + H2O t CO + H2 Этанол (этиловый спирт) в промышленности получают при спиртовом брожении глюкозы C6H12O6 дрожжи 2C2H5OH + 2CO2 Многоатомные спирты Многоатомные спирты этиленгликоль CH 2 CH 2 OH OH двухатомный спирт глицерин CH 2 CH CH 2 OH OH OH трехатомный спирт Химические свойства. CH2 OH CH 2 + 2 Na CH2 OH CH2 CH2 OH CH 2 ONa +H ONa Cl + 2 HCl CH2 OH + 2H CH2 2 Cl 2 O 3. Реагируют с кислотами, образуя сложные эфиры: CH2 OH CH + 2 HNO CH2 OH 3 O NO 2 H 2 SO4 + 2H 2 O CH2 O NO2 2 4. Реагируют с гидроксидом меди (II) – качественная реакция на многоатомные спирты (ярко-синее окрашивание раствора) H 2C OH HO H 2 C HC OH + HO Cu OH + HO H2 C OH HC HO H2 C H2 C O Cu HC O HO H 2C H H O CH 2 O CH +2H2 O CH 2OH Рекомендуемая литература 30 Коровин Николай Васильевич. Общая химия: Учебник. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 2000. - 558с.: ил. Павлов Н.Н. Общая и неорганическая химия: Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, 2002. – 448 с.: ил. Ахметов Наиль Сибгатович. Общая и неорганическая химия: Учебник для студ. химико-технологических спец. вузов / Н.С.Ахметов. - 4-е изд., исп. М.:Высш. шк.: Академия, 2001. - 743с.: ил. Глинка Николай Леонидович. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Н.Л.Глинка; Ермаков Л.И (ред.) – 29–е изд.; исп. – М.: Интеграл Пресс, 2002 – 727с.: ил. Писаренко А.П., Хавин З.Я. Курс органической химии – М.: Высшая школа,1975,1985. Альбицкая В.М., Серкова В.И. Задачи и упражнения по органической химии. – М.: Высш. шк., 1983. Грандберг И.И. Органическая химия – М.: Дрофа, 2001. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия М.: Высш. Шк., 1981 Иванов В.Г., Гева О.Н., Гаверова Ю.Г. Практикум по органической химии – М.: Академия., 2000.