Лекция 2. Углеводы.

Углеродный скелет – это последовательность соединенных между собой атомов углерода в органической молекуле.

Функциональная группа – это атом или группа атомов, которая определяет принадлежность молекулы к определенному классу органических веществ и химические свойства, соответствующие данному классу веществ.

Классификация органических веществ по составу

Углеводороды

Кислородсодержащие вещества

Азотсодержащие вещества

Состоят из атомов углерода и водорода

Содержат также атомы кислорода

Содержат также атомы азота

Углеводороды – это вещества, состав которых отражается формулой С_хН_у, то есть в их составе только атомы углерода и водорода.

Углеводороды

Предельные (содержат только одинарные связи)

Непредельные (содержат двойные или тройные связи между атомами углерода)

Алканы

Циклоалканы

Алкены

Алкадиены

Алкины

Ароматические углеводороды

Углеводороды с открытой (незамкнутой)  углеродной цепью

Атомы углерода соединены в замкнутый цикл

Одна двойная связь

Две двойные связи

Одна тройная связь

Циклические углеводороды с тремя двойными связями (бензольное кольцо)

C_nH_2n+2

C_nH_2n

C_nH_2n

C_nH_2n-2

C_nH_2n-2

C_nH_2n-6

Этан

CH₃-CH₃

Циклобутан

Этилен

CH₂=CH₂

Дивинил

CH₂=CН-СН=СH₂

Ацетилен

СН≡СН

Бензол

Ациклические углеводороды

С неразветвленной цепью

С разветвленной углеродной цепью

н-Бутан

CH₃-CH₂-CH₂-CH₃

Изобутан

Номенклатура органических соединений

Тривиальная

Систематическая

Рациональная

Количество атомов С в цепи

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Корень

Мет-

Эт-

Проп-

Бут-

Пент-

Гекс-

Гепт-

Окт-

Нон-

Тип связей

Одинарная связь (С–С)

Двойная связь (С=С)

Тройная связь (СΞС)

Суффикс

-ан

-ен

-ин

Функциональная группа

Приставка

Суффикс

–СООН

-карбокси

–СООН

— овая кислота

–SO₃H

Сульфо-

-сульфокислота

–(С)Н=O

Оксо-

-аль

–ОН

Гидрокси-

-ол

–SН

Мерканто-

-тиол

–NH₂

Амино-

-амин

–NО₂

Нитро-

–OR

Алкокси-

–F, –Cl, –Br, –I, –Hal

Фтор-, хлор-, бром-, йод- (галоген-)

Количество кратных связей и функциональных групп

2

3

4

5

6

7

8

Числительное

Ди

Три

Тетра

Пента

Гекса

Гепта

Окта

Название

Углеводородный радикал

Метил-

–CH₃

Этил-

–CH₂CH₃

Пропил-

–CH₂CH₂CH₃

Изопропил-

–CH(CH₃)CH₃

Бутил-

– CH₂CH₂CH₂CH₃

Изобутил-

– CH₂CH(CH₃)CH₃

Втор-бутил

– CH(CH₃)CH₂CH₃

Трет-бутил

– C(CH₃)₃

Например, в молекуле на рисунке главной является цепь, отмеченная на рисунке а

Например, в молекуле, изображенной на рисунках а и б, выделены цепи с одинаковым числом атомов углерода. Но главной будет цепь, изображенная на рисунке а, т.к. от нее отходит 2 заместителя, а от главной цепи на рисунке б – один:

Например, правильная нумерация  в главной углеродной цепи

Алканы– предельные углеводороды, поэтому они не могут вступать в реакции присоединения.

Для предельных углеводородов характерны реакции:

• разложения,

• замещения,

• окисления.

Физические свойства:

СН₄-С₄Н₁₀ –газы,

С₅Н₁₂-С₁₅Н₃₂-жидкости,

высшие алканы - твѐрдые вещества

 Из синтез-газа (СО + Н₂) получают смесь алканов:

CO + 3H₂ = CH₄ + H₂O

Реакция Вюрца- Синтез более сложных алканов из галогенопpоизводных с меньшим числом атомов углеpода

2С_nН_2n+2Сl+2NaС_n*Н_2n*+2+ 2NaCl

Гидролиз карбида алюминия

Al₄C₃+ 12H₂O3CH₄+ 4Al(OH)₃

Крекинг алканов с изначально большей длиной цепи

Процесс, используемый в промышленности, протекает в интервале температур 450-500oC в присутствии катализатора и при температуре 500-700oC в отсутствие катализатора:

C₈H₁₈=C₄H₁₀+C₄H₈

Гидрирование непредельных углеводородов

алкенов: алкинов и алкадиенов:

C_nH_2n + H₂ = C_nH_2n+2

C_nH_2n-2 + 2H₂ = C_nH_2n+2

Химические свойства

Тип реакции

Уравнение

I. Реакции окисления.

1. Горение:

а) полное

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

2С4Н10 + 13О2 → 8СО2 +10Н2О

б) неполное

2CH4 + 3O2 → 2CO + 4H2O

2. Каталитическое окисление

(различные катализаторы и t окисления)

а) метан – до метанола, я или муравьиной кислоты

2CH4 + O2 → 2CH3OН

метанол

CH4 + O2 → НCНO + H2O

метаналь

2CH4 + 3O2 → 2НCOOН+ 2H2O

муравьиная

кислота

б) гомологи метана окисляются с разрывом С-С цепи и образованием карбоновых кислот

2C4H10 + 5O2 → 4СН3COOН+ 2H2O

Уксусная

кислота

II. Замещение.

1.Галогенирование (на свету или при t).

Идѐт по свободнорадикальному механизму, начинается с разрыва связи в молекуле хлора.

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

2.Нитрование (реакция Коновалова)

С2Н6 + НNО3→ С2Н5NО2+ H2O

III. Термические превращения алканов

1. Дегидрирование гомологов метана

Гомологи метана превращаются в алкены:

С2Н6 → С2Н4 + Н2

2. Изомеризация

(при нагревании и в присутствии хлорида алюминия)

СН3-СН2-СН2-СН3→ СН3-СН-СН3

|

СН3

3. Пиролиз (разложение на простые вещества):

а) полное

б) неполное

^{1000о С}

СН4 → С + 2Н2

^1500оС

2CH4 → С2Н2 + 3Н2

4. Разрушение С - С цепи (крекинг) (400-500 оС) Алкан → новый алкан + алкен

С20Н42 → С10Н22 + С10Н20

IV. Конверсия метана при 800оС и в присутствии никелевого катализатора

СН4 + Н2О → СО + 3Н2

V. Ароматизация алканов (С ≥ 6) при нагревании и действии катализатора

С6Н14→ С6Н6 + 4Н2

VI. При о.у. не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия

-

VII. Реакции присоединения не характерны

-

Алкены

Физические свойства:

С2Н4-С4Н8 –газы,

С5Н10-С16Н32- жидкости,

высшие алкены - твѐрдые вещества.

Дегидрогалогенирование галогеналканов

С_nН_2n+1Cl+NaOH_(спирт)С_nН_2n+ NaCl+ H₂O

Дегидратация спиртов

С_nН_2n+1OHС_nН_2n+H₂O

Химические свойства

Тип реакции

Уравнение химической реакции

I. Окисление:

1) Полное (горение)

С2Н4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О

2) Неполное (разрывтолько π-связей)

В нейтральной среде:

окисление перманганатом калия сопровождается образованием диолов

(двухатомных спиртов), причем гидроксильные группы присоединяются к тем

атомам углерода, между которыми существовала двойная связь.

Окисление этилена приводит к образованию двухатомного спирта –

этиленгликоля:

3 CH2 = CH2 + 2KMnO4 + 4H2O →

3 CH2 – CH2 + 2MnO2 + 2KOH

| |

OH OH

Упрощѐнно:

CH2 = CH2 + НОН + [O] → CH2(OH) – CH2(OH)

II. Присоединение

1) Гидрирование при о.у.

CH2 = CH2 + Н2 → CH3 – CH3

2) Гидратация

^H2SO4

СН2 = СН2 + НОН → СН3 – СН2ОН

Присоединение воды к несимметричному алкену происходит по правилу Марковникова: «Атом водорода присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода, а гидроксогруппа к менее гидрированному атому углерода».

CH3-CH=CH2 + НОН → СН3 – СН– СН3

|

ОН

3) Галогенирование

CH2 = CH2 + Br2 → CH2Br – CH2Br

4) Гидрогалогенирование

Присоединение галогеноводорода к несимметричному алкену происходит по правилу Марковникова: «Атом водорода присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода, а галогены к менее гидрированному атому углерода».

CH2 = CH2 + HBr → CH3– CH2Br

СН3 – CH = CH2 + HBr → CH3 – CHBr – CH3

III. Полимеризация -процесс образования

полимера изнизкомолекулярных

веществ, без выделения

побочных продуктов

n CH2 = CH2 → (– CH2 – CH2 –)n - полиэтилен

n CH2 = CН → (– CH2 – CH –)n - полипропилен

| |

CH3 CH3

Алкадиены

Виды диенов:

1) алкадиены с кумулированным расположением двойных связей

СН₂ = С = СН₂;

2) с сопряжѐнными двойными связями

СН₂ = СН - СН= СН₂;

3) с изолированными двойными связями

СН₂ = СН – СН₂ – СН= СН₂.

Физические свойства:

в обычных условиях

пропадиен-1,2 и бутадиен-1,3 – газы;

изопрен - летучая жидкость.

Алкадиены с изолированными двойными связями - жидкости.

Высшие диены -твѐрдые вещества.

Способ Лебедева для бутадиена-1,3

2C₂H₅OHCH₂=CH-CH=CH₂+2H₂O+ H₂

Каталитическое двухстадийное дегидрирование алканов (через стадию образования алкенов). Этим путем получают в промышленности дивинил из бутана, содержащегося в газах нефтепереработки и в попутных газах: 

Химические свойства

Тип реакции

Уравнение химической реакции

I. Реакции присоединения

У кумулированных и изолированных диенов вначале взаимодействует одна связь, затем вторая.

Особенностью сопряженных диенов является то, что двойные связи в их молекулах функционируют как единое целое и присоединение идет преимущественно по крайним положениям сопряженной системы (1,4 присоединение) с образованием новой двойной связи в центре системы.

Параллельно, однако, идет второстепенная реакция - присоединение по одной из двойных связей (1,2 присоединение).

1. галогенирование

Обесцвечивают бромную воду:

CH2 = CH – CH = CH2 + Br2 →

CH2Br – CH = CH – CH2Br

1,4 –дибромбутен-2

2) гидрирование

CH2 = CH – CH = CH2 + Н2 → CH3 – CH = CH – CH3

бутен-2

3) гидрогалогенирование

CH2 = CH – CH = CH2 + НBr →

CH2Br – CH = CH – CH3

1 –бромбутен-2

CH2 = CH – CH = CH2 + НBr →

CH3 – CHBr – CH = CH2

3 –бромбутен-1

II. Реакция полимеризации

(получают синтетическиекаучуки СК)

^{t, p, кат}

nCH2 = CH – CH = CH2 →

(- CH2 – C = CH – CH2- )n

бутадиеновый СК

^{t, p, кат}

nCH2 = C – CH = CH2 →

|

СН3

(- CH2 – C = CH – CH2- )n

|

СН3

изопреновый СК

III. Обесцвечивают KMnO4

Алкины

Физические свойства:

Ацетилен – газ, без запаха, малорастворим в Н₂О, легче воздуха. Температуры кипения иплавления ацетиленовых углеводородов увеличиваются с ростом их молекулярной массы.

При обычных условиях алкины

С₂Н₂ - С₄Н₆ – газы,

С₅Н₈ - С₁₆Н₃₀ – жидкости,

с С₁₇Н₃₂ – твердыевещества.

Температуры кипения и плавления алкинов выше, чем у соответствующих алкенов.

Алкины плохо растворимы в воде, лучше – в органических растворителях.

Термический крекинг метана:

2СН₄ = С₂H₂ + 3H₂ (Температура = 1500)

Карбидный способ

СаС₂+ 2H₂OC₂H₂+ Ca(OH)₂

Дегидрогалогенирование дигалогеналканов

С_nН_2nCl₂+2NaOH_(спирт)С_nН_2n-2 + 2NaCl+2 H₂O

Химические свойства алкинов

Тип реакции

Уравнение химической реакции

I. Окисление:

2 C2H2 + 5О2 → 4СО2 + 2Н2О

1) Полное (горение)

II. Присоединение

(реакции могутпротекать в двестадии):

1) Гидрирование

^{Ni, t}

H C C H + Н2 → Н2С=СН2

2) Гидратация Реакция Кучерова:

^{Н+, Hg2+}

H C C H + Н2О → СН3-СНО

Гомологи ацетилена – в кетоны:

^{Н+, Hg2+}

HC C СH3 + Н2О →СН3-СО-СН3

(ацетон)

3) Галогенирование

H C C H + Br2 → H CBr = CBr H

H CBr=CBr H+ Br2→ H CBr2 CBr2 H

4) Гидрогалогенирование

HC CH + НCl → СН2 = СНCl

хлорэтен (винилхлорид)

По правилу Марковникова – несимметричные алкины:

СН3 - C CH + 2НCl → СН3 - СCl2 – СН3

III. Полимеризация

Тримеризация: реакция Зелинского:

^{акт. С, 500 С}

3НC CH → С6H6 (бензол)

Димеризация: получение винилацетилена

^{NH4Cl, CuCl, t}

2НC CH → СН2 = СН С СН

IV. Реакция алкинов с аммиакатами серебра или одновалентной меди является качественной на наличие концевой тройной связи:

HC CH + Ag2O Ag- C C- Ag + H2O

диацетиленид серебра (желтый осадок)

Арены

Физические свойства:

Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкие вещества, нерастворимые в воде, но хорошо растворяющиеся во многих органических жидкостях. Легче воды. Огнеопасны. Бензол токсичен (вызывает заболевание крови – лейкемию).

Тримеризация ацетилена

3С₂H₂C₆H₆

Химические свойства аренов на примере бензола

Тип реакции

Уравнение химической реакции

I. Окисление:

1) Полное (горение)

Неполное окисление не характерно.

2C6H6 + 15О2 → 12СО2 + 6Н2О

II. Реакции замещения - наиболее характерны, бензольное

кольцо не разрушается (сходство с алканами):

1) галогенирование

^FeCl3

С6H6 + чист.Cl2 → С6H5Cl + HCl

хлорбензол

^FeBr3

С6H6 + чист.Br2 → С6H5Br + HBr

бромбензол

2) нитрование

^{t, к.H2SO4}

С6H6 + HNO3 → С6H5NO2 + H2O

нитробензол

3) алкилирование - получение гомологов вещества

с алкенами

t

С6H6 + СН2=СH - СН3 → С6H5СН(СН3)2

изопропилбензол

(кумол)

III.Реакции присоединения- менее характерны, протекают с

трудом (в жѐстких условиях), т.к. происходит разрушение

π-электронного облака (сходство с алкенами):

1) гидрирование

^t,Ni

С6Н6 + 3Н2 →

циклогексан

2) присоединение Cl₂ при освещении

^hυ

С6H6 + 3Cl2 → C6H6Cl6

гексахлорциклогексан

(гексахлоран)

Бензол в отличие от непредельных углеводородов не присоединяет воду и галогеноводороды, а также не обесцвечивает раствор KMnO4 и бромную воду.