Лекция №3 Кислородсодержащие соединения

Лекционный учебный материал

Учебная дисциплина ОУД .10 Химия

Преподаватель

Специальность

Группы

Тема: Кислородсодержащие органические соединения.

Цель: изучить гомологический ряд предельных одноатомных спиртов, альдегидов ,карбоновых кислот строение, физические и химические свойства, способы их получения, применение, биологическое влияние на организм; расширить понятия о генетических связях между классами органических веществ и показать усложнение их состава и строения при переходе от углеводородов к кислородосодержащим.

Содержание

1. Спирты. Строение предельных одноатомных спиртов. Гомологический ряд спиртов, изомерия. Рациональная и систематическая номенклатура. Основные способы получения спиртов. Химические свойства спиртов.

2. Многоатомные спирты, их строение. Особенности свойств многоатомных спиртов. Качественная реакция на многоатомные спирты. Применение этиленгликоля и глицерина.

3. Альдегиды. Их функциональная группа. Общая формула, гомологический ряд и структурная изомерия, номенклатура. Получение и свойства альдегидов

4. Карбоновые кислоты

5. Углеводы.

Спирты.

Классификация спиртов.

Спирты - органические соединения, в состав молекул которых входит одна или несколько гидроксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом.

По числу гидроксильных групп в молекуле спирты делятся на одноатомные, двухатомные трехатомные и т. д.

Общая формула одноатомных спиртов - R—OH.

По типу углеводородного радикала спирты делятся на предельные, непредельные и ароматические.

Предельные одноатомные спирты.

Общая формула предельных одноатомных спиртов - C_nН_2n+1—OH.

Органические вещества, содержащие в молекуле гидроксильные группы, непосредственно связанные с атомами углерода бензольного кольца называются фенолами. Например, C₆H₅—OH - гидроксобензол (фенол). По типу атома углерода, с которым связана гидроксильная группа, различают первичные (R—CH₂—OH), вторичные (R—CHOH—R') и третичные (RR'R''C—OH) спирты.

Номенклатура и изомерия.

Название спирта образуется прибавлением суффикса -ол к названию соответствующего углеводорода или на основе углеводородного радикала.

Для спиртов характерна структурная изомерия (изомерия углеродного скелета, изомерия положения заместителя или гидроксильной группы), а также межклассовая изомерия (предельные одноатомные спирты изомерны простым эфирам - соединениям с общей формулой R—O—R')

Изомеры и гомологи

Алгоритм составления названий одноатомных спиртов

1. Найдите главную углеродную цепь - это самая длинная цепь атомов углерода, с одним из которых связана функциональная группа.

2. Пронумеруйте атомы углерода в главной цепи, начиная с того конца, к которому ближе функциональная группа.

3. Назовите соединение по алгоритму для углеводородов.

4. В конце названия допишите суффикс -ол и укажите номер атома углерода, с которым связана функциональная группа.

Физические свойства спиртов во многом определяются наличием между молекулами этих веществ водородных связей:

С этим же связана и хорошая растворимость в воде низших спиртов.

Простейшие спирты - жидкости с характерными запахами. С увеличением числа атомов углерода температура кипения возрастает, а растворимость в воде падает. Температура кипения у первичных спиртов больше, чем у вторичных спиртов, а у вторичных - больше, чем у третичных. Метанол крайне ядовит.

Химические свойства спиртов

1. Горение:

C₂H₅OH + 3O₂ 2CO₂ +3H₂O

1. Реакции с щелочными и щелочноземельными металлами ("кислотные" свойства):

2Na + 2R—O—H 2RONa + H₂

из-за влияния радикала кислотные свойства спиртов убывают в ряду

метанол первичные спирты вторичные спирты третичные спирты

С твердыми щелочами и с их растворами спирты не реагируют.

1. Реакции с галогеноводородами:

C₂H₅OH + HBr C₂H₅Br + H₂O

1. Внутримолекулярная дегидратация (t 140^oС, образуются алкены):

C₂H₅OH C₂H₄ + H₂O

1. Межмолекулярная дегидратация (t ^oС, образуются простые эфиры):

2C₂H₅OH C₂H₅OC₂H₅ + H₂O

1. Окисление (мягкое, до альдегидов):

CH₃CH₂OH + CuO CH₃—CHO + Cu + H₂O

Это качественная реакция на спирты: цвет осадка изменяется с черного на розовый, ощущается своеобразный "фруктовый" запах альдегида.

Получение спиртов

1. Щелочной гидролиз галогеналканов (лабораторный способ):

C₂H₅Cl + NaOH C₂H₅OH + NaCl.

1. Гидратация алкенов: C₂H₄ + H₂O C₂H₅OH.

2. Брожение глюкозы : C₆H₁₂O₆ 2C₂H₅OH + 2CO₂ .

3. Синтез метанола: CO + 2H₂ CH₃OH

Применение. Из одноатомных спиртов наиболее широко применяется этиловый спирт. Синтетический этиловый спирт применяется в различных отраслях промышленности: для получения синтетического каучука, уксусной кислоты, пороха, лекарств.

Метиловый спирт применяется главным образом в производстве формальдегида, эфиров.

Многоатомные спирты

Многоатомные спирты – это органические соединения, в молекулах которых содержатся две или более гидроксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом.

Группы -ОН в многоатомных спиртах размещаются у разных атомов углерода:

Соединения с двумя группами -ОН при соседних атомах углерода называют гликолями (или диолами).

Получение

1. Гликоли получают окислением алкенов в водной среде. Например, при действии перманганата калия или кислорода воздуха в присутствии серебряного катализатора алкены превращаются в двухатомные спирты:

1. Другой способ получения многоатомных спиртов – гидролиз галогенпроизводных углеводородов:

1. На производстве глицерин получают по схеме:

Физические свойства

Этиленгликоль и глицерин – бесцветные вязкие жидкости со сладким вкусом (от греч. – сладкий). Растворимость в воде – неограниченная. Температуры кипения этиленгликоля – 197,2 °С, глицерина – 290 °С. Этиленгликоль – яд.

Химические свойства

Качественная реакция многоатомных спиртов, позволяющая отличить соединения этого класса, – взаимодействие со свежеприготовленным гидроксидом меди(II). В щелочной среде при достаточной концентрации глицерина голубой осадок Cu(OH)₂ растворяется с образованием раствора ярко-синего цвета – гликолята меди(II):

Применение многоатомных спиртов 

Альдегиды

Альдегиды - органические вещества, молекулы которых содержат карбонильную группу — —, связанную с атомом водорода и углеводородным радикалом.

Общая формула альдегидов или R—CHO. Функциональная группа альдегидов (—CHO) называется альдегидной группой. Альдегиды называются карбонильными соединениями, их общая формула - C_nH_2nO.

Изомеры и гомологи

В молекулах альдегидов, в отличие от спиртов нет атомов водорода со значительным положительным частичным зарядом, поэтому между молекулами альдегидов нет водородных связей.

Алгоритм составления названий альдегидов

1. Найдите главную углеродную цепь - это самая длинная цепь атомов углерода, включающая атом углерода альдегидной группы.

2. Пронумеруйте атомы углерода в главной цепи, начиная с атома углерода альдегидной группы.

3. Назовите соединение по алгоритму для углеводородов.

4. В конце названия допишите суффикс -аль.

Физические свойства: формальдегид - газ с удушливым запахом, растворим в воде (с молекулами воды водородные связи образуются, 40 %-ный водный раствор называется формалином с увеличением температуры растворимость уменьшается); ацетальдегид - бесцветная легкокипящая жидкость с фруктовым запахом, растворим в воде; ацетон - бесцветная жидкость с резким запахом, растворим в воде.

В ряду алканы альдегиды (кетоны) спирты растворимость в воде и температура кипения увеличивается.

Химические свойства

Химические свойства альдегидов и кетонов в значительной степени обусловлены наличием в их молекулах сильно полярной карбонильной группы (связь поляризована в сторону атома кислорода). Чем больше частичный заряд ( +) на атоме углерода этой группы, тем выше активность соединения.

1. Горение:

2CH₃CHO + 5O₂ 4CO₂ + 4H₂O

2CH₃COCH₃ + 9O₂ 6CO₂ + 6H₂O

1. Гидрирование (восстановление водородом):

HCHO + H₂ CH₃OH

CH₃—CO—CH₃ + H₂ CH₃—CH(OH)—CH₃

1. Окисление:

CH₃CHO + Ag₂O 2Ag + CH₃COOH

(реакция "серебряного зеркала" - качественная реакция)

HCHO + 2Cu(OH)₂ 2H₂O + Cu₂O + HCOOH

(образуется красный осадок - качественная реакция)

1. Реакции полимеризации и поликонденсации:

Получение альдегидов

1. Окисление спиртов.

CH₃OH + CuO HCHO + Cu + H₂O

1. Дегидрирование спиртов.

CH₃CH₂OH CH₃CHO + H₂

1. Окисление метана: CH₄ + O₂ HCHO + H₂O (При 500^oС в присутствии оксидов азота)

2. Гидратация ацетилена (реакция Кучерова; лабораторный способ):

C₂H₂ + H₂O CH₃CHO

1. Окисление этилена: 2C₂H₄ + O₂ 2CH₃CHO

Применение альдегидов и кетонов

В таблице представлены основные направления органических синтезов на основе формальдегида: получение полимерных материалов (карбамидные и фенолформальдегидные смолы); обра­зование продуктов конденсации формальдегида (триоксан, параформ); синтез взрывчатых веществ (гексоген), лекарственных препаратов (уротропин), первичных спиртов.

Большое количество формальдегида используется в органическом синтезе для производства лекарственных веществ, красителей.

Широко применяется 40%-ный водный раствор формальдегида — формалин. Его использование связано со способностью свертывать белок. Так, например, в кожевенном произ­водстве в результате дубильного действия формалина кожа твердеет и не подвергается гниению. На том же свойстве основано применение формалина для хранения биологических препаратов. Формалин используется для дезинфекции и про­травливания семян.

Карбоновые кислоты. Сложные эфиры. Жиры

Карбоновые кислоты – это производные углеводородов, содержащие функциональную группу СООН (карбоксил).

Формулы и названия некоторых распространенных карбоновых кислот приведены в таблице ниже

Традиционные названия кислот

НСООН(муравьиная), 

СН₃СООН (уксусная),

С₆Н₅СООН (бензойная)

(СООН)₂(щавелевая) 

рекомендуется использовать вместо их систематических названий.

Формулы и названия кислотных остатков приведены в табл. 12.

Для составления названий солей этих карбоновых кислот (а также их сложных эфиров, см. ниже) обычно используются традиционные названия, например:

Низшие карбоновые кислоты – бесцветные жидкости с резким запахом. При увеличении молярной массы температура кипения возрастает.

Карбоновые кислоты обнаружены в природе:

Простейшие карбоновые кислоты растворимы в воде, обратимо диссоциируют в водном растворе с образованием катионов водорода:

и проявляют общие свойства кислот:

Важное практическое значение имеет взаимодействие карбоновых кислот со спиртами (подробнее см. ниже):

Отметим, что кислота НСООН вступает в реакцию «серебряного зеркала» как альдегиды:

и разлагается под действием водоотнимающих реактивов:

Получение:

• окисление альдегидов:

• окисление углеводородов:

а)

б)

Кроме того, муравьиную кислоту получают по схеме:

а уксусную кислоту – по реакции:

Применяют муравьиную кислоту как протраву при крашении шерсти, консервант фруктовых соков, отбеливатель, дезинфекционный препарат. Уксусную кислоту используют как сырье в промышленном синтезе красителей, медикаментов, ацетатного волокна, негорючей кинопленки, органического стекла. Натриевые и калиевые соли высших карбоновых кислот – основные компоненты мыла.

Сложные эфиры – продукты обменного взаимодействия карбоновых кислот со спиртами. Это взаимодействие называется реакцией этерификации:

Механизм реакции этерификации был установлен при использовании спирта, меченного изотопом ¹⁸O; этот кислород после реакции оказался в составе эфира (а не воды):

Следовательно, в отличие от реакции нейтрализации неорганической кислоты щелочью (Н⁺ + ОН^- = Н₂O), в реакции этерификации карбоновая кислота всегда отдает группу ОН, спирт – атом Н (образуется вода). Реакция этерификации обратима; она лучше протекает в кислотной среде, обратная реакция (гидролиз, омыление) – в щелочной среде.

Формулы и названия распространенных сложных эфиров приведены в табл. 13.

Среди сложных эфиров есть бесцветные низкокипящие горючие жидкости с фруктовым запахом, например:

Используются сложные эфиры как растворители для лаков, красок и нитратов целлюлозы, носители фруктовых ароматов в пищевой промышленности.

Сложные эфиры трехатомного спирта – глицерина и высших карбоновых кислот (в общем виде RCOOH), например с формулами и названиями:

носят названия жиров. Примером жира будет смешанный сложный эфир глицерина и этих кислот:

Чем выше содержание остатков олеиновой кислоты (или других ненасыщенных кислот), тем ниже температура плавления жира. Жидкие при комнатной температуре жиры называются маслами. Путем гидрогенизации, т. е. присоединения водорода по двойной связи, масла превращают в твердые жиры (например, растительное масло – в маргарин). Реакция этерификации (образования жира) обратима:

Прямая реакция лучше идет в кислотной среде, обратная реакция – гидролиз, или омыление, жира – в щелочной среде; при пищеварении жир омыляется (расщепляется) с помощью ферментов.

Углеводы

Углеводы (сахара) – важнейшие природные соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Углеводы подразделяются на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды не подвергаются гидролизу, а остальные углеводы при кипячении в присутствии кислот расщепляются до моносахаридов.

Моносахариды (и все другие углеводы) относятся к полифункциональным соединениям. В молекуле моносахарида имеются функциональные группы разных типов: группы ОН (спиртовая функция) и группы СО (альдегидная или кетонная функция). Поэтому различают альдозы (альдегидоспирты, спиртоальдегиды) и кетозы (кетоноспирты, спиртокетоны).

Важнейший представитель альдоз — глюкоза:

а представитель кетоз — фруктоза:

Глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар) являются структурными изомерами, их молекулярная формула С₆Н₁₂O₆.

Глюкозу можно отличить от фруктозы так же, как любой альдегид от кетона, – по реакции «серебряного зеркала» в аммиачном растворе Ag₂O:

Этерификация глюкозы и фруктозы (например, уксусной кислотой) приводит к образованию сложных эфиров по всем пяти группам ОН (заменяются на ОСОСН₃).

Однако не все реакции, характерные для альдегидов, протекают с глюкозой; например, не идет реакция присоединения с участием гидросульфита натрия. Причина в том, что молекула глюкозы может существовать в трех изомерных формах, из которых две формы–циклические. В растворе все три формы находятся в состоянии равновесия, причем открытая (альдегидная) форма, приведенная выше, содержится в наименьшем количестве:

Циклические формы глюкозы не содержат альдегидной группы. Они отличаются друг от друга только пространственным расположением атома Н и группы ОН у атома углерода C₁ (рядом с кислородом в цикле):

Дисахариды образуются из двух молекул моносахаридов путем межмолекулярной дегидратации. Так, сахароза (обычный сахар) C₁₂Н₂₂О₁₁ является продуктом соединения остатков глюкозы и фруктозы за счет отщепления воды:

При гидролизе в кислотной среде сахароза вновь переходит в моносахариды:

Получившаяся смесь — инвертный сахар – содержится в мёде. При 200 °C сахароза, теряя воду, превращается в бурую массу (карамель).

Полисахариды – крахмал и целлюлоза (клетчатка) – продукты поликонденсации (межмолекулярной дегидратации) соответственно ?– и ?-форм глюкозы, их общая формула (С₆Н₁₀О₅)_n. Степень полимеризации крахмала составляет 1000–6000, а целлюлозы 10 000—14 000. Целлюлоза – наиболее распространенное в природе органическое вещество (в древесине массовая доля целлюлозы доходит до 75 %). Крахмал (легче) и целлюлоза (труднее) подвергаются гидролизу (условия: H₂SO₄ или НCl, 100 °C); конечный продукт – глюкоза.

Большое практическое значение имеют сложные эфиры целлюлозы с уксусной кислотой:

Их используют в производстве искусственного ацетатного волокна и кинофотопленок.