Республики казахстан



страница1/6
Дата31.12.2017
Размер1.02 Mb.
#6098
ТипУчебно-методический комплекс
  1   2   3   4   5   6


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени ШАКАРИМА города СЕМЕЙ



Документ СМК 3 уровня

УМКД

УМКД

УМКД 042-18-10.1.120/03- 2015г.



УМКД

Учебно-методические материалы по дисциплине «Теоретические основы органической химии»



Редакция № 1 от

11.09 2015 г.



УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

ДИСЦИПЛИНЫ

«ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ»


для специальности 5В072100 – «Химическая технология неорганических веществ»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

СЕМЕЙ


2015

Содержание
1 Глоссарий

2 Лекции


3 Лабораторные занятия

4 Самостоятельная работа обучающегося



1 ГЛОССАРИЙ
Алкил – остаток углеводорода, образующийся в результате отщепления атома водорода

Ассиметрический центр – это атом углерода, связанный с 4 различными углеродными атомами

Атом – наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств.

Атомная единица массы (а.е.м.) – условная единица, равная 1/12 массы атома углерода 12С.

Атомная масса (относительная) элемента, Аr(X) – отношение массы его атома к 1/12 части массы атома углерода 12С.

Атомная орбиталь – полный набор волновых функций электрона в атоме. Для каждой заданной волновой функции существует граничная область, в которой сосредоточена определенная доля электронного заряда.

Валентные электроны – электроны, принимающие участие в образовании химической связи.

Водородная связь – межмолекулярное взаимодействие молекул, содержащих атом водорода, связанный с атомом элемента, обладающего высокой электроотрицательностью.

Гетеролитические реакции – реакции, сопровождающиеся гетеролитическим разрывом ковалентной связи

Гибридизация – комбинация («смешивание») атомных орбиталей разного типа, вследствие чего образуется набор эквивалентных (равноценных) гибридных орбиталей.

Гомологический ряд – последовательность родственных органических соединений со сходными химическими свойствами и однотипным строением, отличающихся по числу – СН2 групп

Гомолитические реакции – реакции, сопровождающиеся гомолитическим разрывом ковалентной связи

Донорно-акцепторная ковалентная связь – связь, формирующаяся за счет неподеленной электронной пары одного атома и свободной орбитали другого атома.

Заместитель - любой атом или группа атомов, которые не входят в родоначальную структуру

Изотопы – (атомы-близнецы) атомы, имеющие одинаковый заряд ядер, но различные массовые числа.

Изомерия - явление, когда несколько разных химических соединений обладают одинаковым элементным составом и молекулярной массой, но отличаются по порядку соединения атомов в молекуле

Индуктивный эффект – передача электронного влияния заместителя вдоль цепи сигма-связей, которая возникает в силу различной электроотрицательности атомов

Ковалентная связь – связь, образованная путем обобществления пары электронов двумя атомами.

Конфигурация – расположение атомов в пространстве, приводящее к появлению стереоизомерии

Конформации – поворотные изомеры, возникающие при вращении групп вокруг простой связи

Мутаротация - изменение начальной величины угла удельного вращения свежеприготовленных растворов оптически активных соединений до постоянной, результат установившегося динамического равновесия между 5 таутомерными формами моносахаридов.

Направленность связи – свойство ковалентной связи, обуславливающее пространственную структуру (геометрию) молекул.

Насыщаемость связи – способность атомов образовывать строго определенное число ковалентных связей.

Нуклеофильные реакции – реакции, в которых образование новой связи осуществляется за счет электронов реагента

Нуклеофильные реагенты – это анионы или молекулы со свободными электронными парами, либо содержащие легко поляризующиеся электронные оболочки, которые участвуют, предоставляя свои электроны для образования новой связи и атакуют в молекуле субстрата участок с дефицитом электронов

Органические соединения - соединения углерода, атомы которого связаны друг с другом или атомами другого элемента ковалентными связями

Пи-связь (-связь) – ковалентная связь, образованная перекрыванием АО по обе стороны линии, соединящей ядра атомов (боковые перекрывания).

Полипептиды – продукты конденсации аминокислот

Радикал – остаток углеводорода, образующийся в результате удаления одного или нескольких атомов водорода

Сигма–связь (-связь) - ковалентная связь, образованная перекрыванием АО по линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов.

Сопряженная система - система, в которой имеет место чередование простых и кратных связей, либо соседство атома, имеющего вакантную р-орбиталь или неподеленную пару р-электронов

Стереоизомерысоединения, имеющие одинаковое химическое строение, но отличающиеся расположением атомов в пространстве

Электрофильные реакции – реакции, в которых образование новой связи осуществляется за счет электронов субстрата

Электрофильные реагенты – это катионы или молекулы, содержащие атомы с незаполненными электронными орбиталями, действие которых связано с приобретением электронной пары в ходе реакции

Энергия связи – энергия, необходимая для разрыва химической связи.

Эффект сопряжения или мезомерный эффект (М) – процесс передачи электронного влияния заместителя по сопряженной системе π-связей.

Функциональная группа – структурный фрагмент молекулы, характеризующий свойства соединений данного класса

Химическая номенклатура – совокупность названий индивидуальных химических веществ, их групп и классов, а также правила составления их названий

2 ЛЕКЦИИ
Микромодуль 1 – Теоретические основы органической химии
Лекция 1, 2 - Введение. Теоретические основы органической химии

План лекции:

1. Строение и свойства органических соединений

2. Изомерия и номенклатура органических соединений

3. Классификация органических соединений

1. В состав органических соединений обязательно входит углерод, почти в каждом органическом веществе имеется также водород. Многие органические соединения содержат кислород и азот, реже входят галогены, сера, фосфор. Таким образом, органическими соединениями называются соединения углерода, атомы которого связаны друг с другом или атомами другого элемента ковалентными связями.

В настоящее время известно несколько миллионов углеродсодержащих соединений, в то время как соединений, не содержащих углерода, насчитывается всего лишь несколько сотен тысяч. Общая причина многообразия органических соединений в том, что в их молекулы могут входить десятки атомов, располагающихся в разном порядке.

Типичные органические соединения характеризуются определенными свойствами, отличными от свойств неорганических веществ. В то время как большинство неорганических соединений – твердые вещества с высокими температурами плавления, большая часть органических соединений – низкоплавкие твердые вещества или жидкости. Многие реакции органических веществ протекают медленнее, чем у веществ, причем превращения нередко идут одновременно в нескольких направлениях. Органические соединения разрушаются при высоких температурах, многие из них постепенно окисляются на воздухе.

Причины выделения в самостоятельную науку органической химии: 1) многочисленность органических соединений, 2) разнообразие использования органических соединений, 3) многонаправленность химических реакций с органическими соединениями. Типы реакций в органических соединениях: реакции присоединения, замещения, окисления, полимеризации, изомеризации, крекинга.

Теория радикалов. Первоначальные представления о природе органических соединений. Первые попытки объяснить природу органических соединений были сделаны в 20-30-х годах прошлого столетия Берцелиусом в его теории радикалов. Берцелиус полагал, что органические вещества построены из двух частей. Эти части он назвал радикалами. Считалось, что радикалы – «подлинные элементы органической химии», что они без изменения могут переходить из одного соединения в другое.

Теория типов. В 40-50-х годах 19 века на смену теории радикалов пришла теория типов, связанная с именем французского ученого Жерара. Все органические соединения рассматривались как производные простейших веществ: водорода, воды, аммиака, хлористого водорода:

Формулы теории типов – это только формулы превращения, а внутренне строение молекул сторонники теории типов считали принципиально непознаваемым.

Теория химического строения органических соединений. Создателем теории химического строения был Александр Михайлович Бутлеров. Основные положения теории:

1. Атомы в органических молекулах связаны друг с другом в определенном порядке химическими силами. Этот порядок Бутлеров назвал химическим строением.

2. Строение можно изучить экспериментально, используя химические методы – синтез и анализ, а также физические – разные виды оптической спектроскопии, ядерный магнитный резонанс, масс-спектрометрию, рентгенографию.

3. Формулы строения выражают порядок химической связи атомов.



4. Каждое вещество имеет определенную формулу строения, отражающую порядок химической связи атомов в реально существующей молекуле.

5. Связанные в молекуле атомы оказывают друг на друга взаимное влияние: свойства каждого атома в составе молекулы зависят не только от его собственной природы, но и от окружения, в котором этот атом находится.

6. Физические и химические свойства органических соединений определяются составом и строением их молекул.

2. Изомерия – это явление, заключающееся в существовании соединений, имеющих одинаковую молекулярную формулу, но различающихся порядком связывания атомов в молекуле или расположением атомов в пространстве, и вследствие этого различающихся по физическим и химическим свойствам. Такие соединения называются изомерами. Различают два вида изомерии – структурную (изомерия строения) и пространственную (стереоизомерия).

Структурные изомеры – это соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но отличающиеся друг от друга порядком связывания атомов в молекуле. Структурная изомерия подразделяется на изомерию углеродной цепи, изомерию положения и изомерию функциональных групп.

Изомерия углеродной цепи. Обусловлена различной последовательностью связывания атомов, образующих углеродный скелет молекулы.

Для органических соединений циклического строения изомерия цепи может быть вызвана величиной цикла.



Изомерия положения обусловлена разным положением функциональных групп, заместителей или кратных связей в молекуле.





Изомерия функциональных групп обусловлена присутствием в изомерах одинакового состава различных по природе функциональных групп.





Пространственная изомерия. Пространственные изомеры – это соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, одинаковый порядок связывания атомов в молекуле, но отличающиеся друг от друга расположением атомов в пространстве. Пространственные изомеры называют также стереоизомерами. Пространственная изомерия подразделяется на конфигурационную и конформационную. К конфигурационной изомерии относится оптическая и геометрическая изомерия.

Причиной возникновения геометрической изомерии является отсутствие свободного вращения вокруг σ-связи. Этот вид изомерии характерен для соединений, содержащих двойную связь, и для соединений алициклического ряда. Геометрические изомеры это вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, одинаковую последовательность связывания атомов в молекулах, но отличающиеся друг от друга различным расположением атомов или атомных групп в пространстве относительно плоскости двойной связи или плоскости цикла.



Для обозначения конфигурации геометрических изомеров используют цис-, транс-систему. Если одинаковые заместители расположены по одну сторону от плоскости двойной связи или цикла – конфигурацию обозначают цис-, если по разные стороны – транс.

3. Различают несколько видов классификации. В основу классификации органических соединений положена его структура, т.е. углеводородный скелет.

1. Классификация по строению углеродной цепи

Ациклические или алифатические – вещества с открытой цепью, другое их название – соединение жирного ряда. Среди ациклических соединений различают насыщенные (предельные) – вещества, содержащие только простые углерод-углеродные связи и ненасыщенные (непредельные) – структуры с кратными (двойными, тройными) углерод-углеродными связями.



К циклическим относятся соединения, содержащие в своей структуре замкнутые цепи атомов – циклы. Циклические соединения делятся на карбоциклические и гетероциклические. В молекулах карбоциклических соединений цикл состоит только из атомов углерода. В гетероциклах наряду с атомами углерода в циклах содержатся атомы других элементов, чаще всего O, S, N.



Карбоциклические соединения делятся на алициклические и ароматические. Алициклические структуры по степени насыщенности подразделяются на насыщенные и ненасыщенные.



Среди гетероциклических соединений различают насыщенные, ненасыщенные и ароматические структуры.



Соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода, называются углеводородами.



2. Классификация по природе функциональной группы. Функциональная группа – структурный фрагмент молекулы, характеризующий свойства соединений данного класса. По количеству и однородности функциональных групп органические соединения делят на моно-, поли- и гетерофункциональные. Вещества с одной функциональной группой называют монофункциональными, с несколькими одинаковыми функциональными группами – полифункциональными. Соединения, содержащие несколько различных функциональных групп – гетерофункциональные.

Соединения одного класса объединены в гомологические ряды. Гомологический ряд – это ряд органических соединений с одинаковыми функциональными группами и однотипным строением, каждый представитель гомологического ряда отличается от предыдущего на постоянную единицу (- СН2 - ), которую называют гомологической разностью. Члены гомологического ряда называются гомологами.



Номенклатура органических соединений. Химическая номенклатура – совокупность названий индивидуальных химических веществ, их групп и классов, а также правила составления их названий. Для названий органических соединений применяют тривиальную, рациональную, международную (ИЮПАК) номенклатуры.

Тривиальная номенклатура. Соединения назывались случайно. Это было связано с их нахождением в природе: щавелевая кислота, яблочная кислота и др., или с источником их получения: древесный спирт, муравьиная кислота и др.

Рациональная номенклатура. В основе лежит принцип деления органических соединений на гомологические ряды. Вещества рассматриваются как производные простейшего представителя данного ряда: для алканов – метана, алкенов – этилена, алкина – ацетилена и т.д.



Международная номенклатура (ИЮПАК). Правила номенклатуры были разработаны на 19 конгрессе Международного союза теоретической и прикладной химии в 19857 году. Эти правила известны под названием номенклатуры ИЮПАК. В ней применяются заместительная и радикало-функциональная номенклатуры. Заместительная номенклатура. В ней используются следующие понятия: родоначальная структура – структурный фрагмент молекулы, лежащий в основе названия соединения: главная углеродная цепь атомов для ациклических соединений, для карбо- и гетероциклических – цикл:

Атом углерода, связанный сигма-связью только с одним атомом углерода называется первичным, с двумя – вторичным, с тремя – третичным.



Радикал – остаток углеводорода, образующийся в результате удаления одного или нескольких атомов водорода. Свободную валентность в радикалах обозначают черточкой.

По количеству свободных валентностей различают одно, двух-, трехвалентные радикалы:

Различают первичные, вторичные и третичные радикалы:



Заместителем называют любой атом или группу атомов, которые не входят в родоначальную структуру. Положение заместителей в молекуле указывают с помощью цифр или букв, которые называют локантами. Для обозначения нескольких одинаковых заместителей или кратных связей в данной молекуле применяют множительные приставки: ди-, три-, тетра-, пента- и т.д.

Составление названий по заместительной номенклатуре проводят в следующем порядке:

1. Среди всех функциональных групп выбирают старшую. Следующие группы перечисляют в порядке уменьшения их старшинства:



Следующие группы не рассматривают по старшинству:



2. устанавливают родоначальную структуру. Если соединение содержит кратные связи, то они должны войти в родоначальную структуру.

3. проводят нумерацию атомов родоначальной структуры таким образом, чтобы старшая функциональная группа получила меньший номер.

4. составляют названием соединения в целом: первым указывают в алфавитном порядке функциональные группы (кроме старшей) и углеводородные радикалы в префиксе. Затем – название родоначальной структуры в корне и в конце названия – старшую функциональную группу в суффиксе.



Степень насыщенности обозначается специальными суффиксами: - ан – для насыщенных, -ен – для двойной, - ин – для тройной связи. Локанты и множительные приставки располагают перед названием заместителей или кратных связей.





Радикало-функциональная номенклатура. В основе лежит название класса, перед котрым перечисляют названия радикалов и функциональных групп (кроме старшей).

Родоначальную структуру чаще обозначают с помощью тривиального названия, а положение радикалов – с помощью буквенных локантов: α, β, γ и т.д. Буквой α обозначают ближайший к старшей функциональной группе атом углерода.

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции: теория строения органических веществ, классификация ОС, номенклатура, изомерия, электронные эффекты

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие виды номенклатуры присущи для органических соединений?

2. Основные положения теории А.М. Бутлерова

3. Типы органических реакций?

Рекомендуемая литература:

1. В.Л. Белобородов, С.Э. Зурабян, А.П. Лузин, Н.А. Тюкавкина. Органическая химия. – М.: Дрофа, 2008. –Кн.1: 638 с. С. 6-80

2. В.Ф. Травень. Органическая химия. – М.: Академкнига, 2008. Т.1. 727с. С.33-86

3. Березин Б.Д. Курс современной органической химии. – М.: Высш. шк., 1999. – 768с. С.21-44
Лекция 3, 4 – Алканы

План лекции:

1. Номенклатура, изомерия

2. Способы получения

3. Химические свойства

1. Алканами называют углеводороды алифатического ряда, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой только простыми σ-связями.

Общая формула алканов – CnH2n+2. Алканы образуют гомологический ряд, в котором каждый представитель отличается на группу – СН2 – (гомологическая разность):


СН4 - метан

С2Н6 - этан

С3Н8 - пропан

С4Н10 - бутан

С5Н12 - пентан

С6Н14 – гексан

С7Н16 - гептан

С8Н18 - октан

С9Н20 – нонан

С10Н22 - декан







Первые четыре члена гомологического ряда алканов – метан, этан, пропан и бутан – имеют тривиальные названия. Названия последующих углеводородов с нормальной углеводородной цепью образуют от названия греческих числительных, указывающих количество атомов углерода в молекуле, с добавлением суффикса – ан. Названия алканов с разветвленной углеводородной цепью образуются согласно заместительной номенклатуре ИЮПАК следующим образом:

1. выбирают наиболее длинную углеводородную цепь; если имеется несколько цепей одинаковой длины, выбирают ту, которая имеет наибольшее число разветвлений:



2. Нумерацию атомов углерода главной цепи с того конца к которому ближе заместитель:



Если одинаковые заместители равноудалены от обоих концов молекулы, начало нумерации определяется алфавитным порядком:



Если одинаковые заместители равноудалены от обоих концов молекулы, нумерацию начинают с того конца, где число заместителей больше:



3. Составляют название соединения, учитывая следующие правила:



  • Названия заместителей перечисляют в алфавитном порядке, указывая цифровой локант, соответствующий положению каждого заместителя в главной углеводородной цепи.

  • Число одинаковых заместителей обозначают множительными приставками ди-, три-, тетра- и т.д.

  • Затем называют углеводород, в основе которого выделена главная углеводородная цепь

  • Если в молекуле алкана две метильные группы расположены на одном конце углеродной цепи и другие ответвления отсутствуют, используют приставку изо-; если три метильные группы – приставку нео-;

Алкил – остаток углеводорода, образующийся в результате отщепления атома водорода. При переходе от алкана к алкилу суффикс -ан заменяется на –ил. Для двухвалентных радикалов с 2 свободными валентностями возле одного углеродного атома суффикс – ан изменяется на –илиден, для трехвалентных соответственно на –илидин.

Наиболее часто встречающиеся радикалы:




метил



метилен



этил



этилиден



изопропил





пропилиден





н-бутил



триметилен


изобутил




метин, метилидин





втор-бутил



этилидин




трет-бутил







Алканы по рациональной (радикально-функциональной) номенклатуре рассматривают как производные метана, в молекуле которого 1 или несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы. Заместители вокруг «метанового» углерода перечисляют в порядке увеличения сложности их строения:

Если в молекуле имеется несколько одинаковых радикалов, то перед их названием ставят префиксы (приставки): ди - , три - , тетра – и т.д.



Атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp3 – гибридизации. Состояние sp3 – гибридизации – результат взаимодействия одной s- и трех p – атомных орбиталей. Четыре равноценные орбитали между собой образуют угол 109028/ и ориентированы в пространстве от центра правильного тетраэдра к его вершинам. Доля s-облака в каждой из 4 гибридных sp3 – орбиталей равна ¼. В результате перекрывания таких орбиталей с другими орбиталями вдоль линии, соединяющей центры атомов, образуются только простые ковалентные связи – σ связи. Перекрывание атомных орбиталей вдоль линии, соединяющей центры атомов, называют σ-перекрыванием или осевым, так как максимальная электронная плотность находится на оси, соединяющей два ядра.



Молекулу этана можно представить как два тетраэдра, соединенных вершинами.



При таком соединении группы СН3 могут свободно вращаться вокруг С – С связей, образуя различные поворотные изомеры – конформации. Углеродная цепь может принимать зигзагообразную (атомы находятся в выгодной заторможенной конформации) или клешневидную конформацию. Таким образом, для алканов характерна конформационная изомерия, которая представляет собой один из видов пространственной изомерии.

Для алканов характерна также структурная изомерия, а именно, изомерия углеродного скелета. Она обусловлена различной последовательностью связывания атомов углерода в молекуле. В гомологическом ряду алканов структурная изомерия появляется у четвертого гомолога – бутана:

2. Промышленные способы. 1. Фракционная перегонка нефти. Каждая фракция нефти представляет собой смесь углеводородов, кипящих в определенном интервале температур.



2. Гидрогенизация угля (сланцев, торфа, каменноугольных смол). Это процесс превращения органической массы угля при 400 – 5000С под давлением водорода в жидкие и газообразные продукты.

3. Каталитическое гидрирование оксида углерода (II) (синтез Фишера - Тропша). Позволяет получить алканы нормального строения (С610). Смесь СО и Н2 пропускают над никелевым или кобальтовым катализатором при температуре 180-300С0.



Каталог: ebook -> umkd
umkd -> Программа дисциплины «Аграрная экология»
umkd -> Республики казахстан
umkd -> Лекция Теоретические основы стратегии экономического развития Республики Казахстан
umkd -> Лекция часа Приборы для контроля параметров микроклимата, систем вентиляции, пылегазового режима, пылегазоулавливающих систем
umkd -> Республики казахстан
umkd -> Республики казахстан
umkd -> Учебно-методическии комплекс
umkd -> Республики казахстан
umkd -> Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы судебно-медицинской экспертизы»


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6




База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница