Органическая и биологическая химия (стр. 1 )

Министерство сельского хозяйства

и продовольствия республики беларусь

­­­­­­­­главное управление образования, науки и кадров

Учреждение образования

«Белорусская государственная

сельскохозяйственная академия»

Кафедра химии

Органическая

и биологическая химия

Ч а с т ь 1

Методические указания по изучению

дисциплины и задания

для выполнения контрольных работ

для студентов-заочников

специальности 1– зоотехния

Горки 2005

Одобрено методической комиссией агробиологического факультета 22.03.2005.

Составили: А. Р. ЦЫГАНОВ, И. В. КОВАЛЕВА, .

УДК 547+547.19(072)

Органическая и биологическая химия. Ч а с т ь 1: Методические указания/Белорусская государственная сельскохозяйственная академия; Сост. А. Р. Ц ы г а н о в, И. В. К о в а л е в а, И. В. С у ч к о в а. Горки, 20с.

Приведены методические указания по выполнению контрольных работ по органической химии, варианты заданий, рекомендуемая литература и вопросы для самоконтроля при изучении основных тем курса.

Для студентов-заочников специальности 1–зоотехния.

Таблиц 1. Библиогр. 8.

МУРТАЗАЕВ, канд. биол. наук, доцент.

Ó Составление. ,

, , 2005

Ó Учреждение образования

«Белорусская государственная

сельскохозяйственная академия», 2005

ВВедение

Настоящее и будущее научно-технического прогресса всецело определяется стремительным развитием различных отраслей современного естествознания. Среди них одно из ведущих мест по праву принадлежит органической и биологической химии.

Перед работниками сельского хозяйства в области животноводства поставлена сложная задача по увеличению приспособленности животных и реализации генетического потенциала продуктивности. Ускоренное решение этой проблемы может быть достигнуто при широком внедрении в практику животноводства новейших достижений биологической науки, в том числе биохимии. Выяснение обменных процессов в организме животного позволит выработать приемы регулирования, интенсивного выращивания, использования животных. Это связано с тем, что продуктивные и племенные качества животного обуславливаются уровнем биохимических процессов в организме. В связи с этим возрастает значимость изучения органической и биологической химии, так как индивидуальные характеристики животного по взаимосвязи хозяйственных показателей с уровнем в организме (например, в крови) тех или иных органических соединений могут быть использованы как тесты для прогнозирования продуктивности животных. Это, в свою очередь, позволит вести эффективную и целенаправленную селекционную работу.

Таким образом, освоение материала по органической и биологической химии даст возможность студентам углубить знания в области химических дисциплин и тем самым окажет положительное влияние на формирование биологического мышления будущего специалиста-животновода высшей квалификации.

Настоящие методические указания составлены в соответствии с программой курса «Органическая и биологическая химия», утвержденной Главным управлением образования и кадров 26 декабря

2000 г. по специальности С 02.01.00 – зоотехния.

Весь материал в соответствии с программой разбит на отдельные темы. В отдельную тему выделены основные теоретические вопросы, касающиеся особенностей соединений углерода, их многообразия и роли в живой природе. В первой теме даны сведения об основных положениях теории строения органических соединений , типах химических связей и механизмах реакций. В остальные темы включена характеристика отдельных классов органических соединений. Помимо вопросов органической химии, согласно программы дисциплины, в настоящих методических указаниях рассматриваются две темы статической биохимии: «ферменты» и «витамины». Данные темы предполагают изучение строения, физико-химических свойств и поведение в живом организме ферментов и витаминов. Органическая химия является фундаментом для последующего освоения материала по биохимии животных. Поэтому, чтобы приобрести знания по биологической химии, студенту, прежде всего, необходимо хорошо знать теоретические основы органической химии, строение и свойства органических соединений.

В период лабораторно-экзаменационной сессии по общетеоретическим и труднодоступным для понимания вопросам студентам читаются лекции.

Основной формой учебы студента-заочника является самостоятельная работа с рекомендуемой литературой. Приступая к изучению дисциплины, целесообразно вначале ознакомиться с программой и прочитать весь материал, включенный в программу по учебнику. Для основательного освоения материала рекомендуется конспектировать отдельные положения, формулировки, выводы и тренироваться в написании строения формул органических веществ и уравнений реакций.

После изучения каждой темы необходимо ответить на вопросы для самопроверки, приведенные в методических указаниях. Только после этого можно приступить к выполнению контрольной работы. При необходимости студент может получать на кафедре письменные и устные консультации преподавателей.

В соответствии с учебным планом, до вызова на сессию, студенты зооинженерного факультета выполняют две контрольные работы (одну – по органической химии, другую – по биологической химии).

Вопросы и условия задач контрольной работы студент обязан переписывать полностью и указывать номера задач в соответствии с его шифром.

Если контрольная работа преподавателем не зачтена, то студент выполняет ее повторно, учитывая при этом замечания рецензента. Исправлять и удалять замечания рецензента нельзя. Исправленные и доработанные ответы оформляют в этой же тетради.

Учебный процесс в период сессии состоит из лекций, лабораторных занятий, консультаций, зачета (по органической химии) и экзамена (по биологической химии). Курс лекций и лабораторно-практические занятия проводятся согласно учебному плану.

1. Органическая химия

1.1. Теоретические основы органической химии

Органическая химия – химия соединений углерода. В связи с этим необходимо вспомнить из курса общей химии строение атома углерода и его валентное состояние с различными типами гибридизации (sp3, sp2, sp), особенности σ-, π-связей, которые встречаются в органических соединениях. Уяснить основные понятия органической химии: гомологический ряд, гомолог, углеводородный радикал, функциональная группа, изомерия.

Необходимо основательно разобраться в номенклатуре органических соединений (тривиальной, рациональной, систематической) и научиться давать названия различным веществам по систематической номенклатуре.

В молекулах органических соединений встречаются различные типы связей (ковалентная, электровалентная, водородная, семиполярная), необходимо вспомнить способ образования указанных связей.

Для более полного восприятия и глубокого понимания вопросов курса органической химии следует обратить серьезное внимание на основные положения теории строения органических соединений :

1. В молекулах соединений существует определенный порядок связи атомов, который и носит название строения.

2. Химические свойства соединения определяются составом и строением его молекул.

3. Различное строение при одном и том же составе и молекулярной массе вещества обуславливает явление изомерии.

4. Химический характер атомов, входящих в молекулу, меняется в зависимости от того, с какими атомами они связаны в данной молекуле.

Это изменение химического характера обуславливается главным

образом взаимным влиянием непосредственно связанных атомов. В настоящее время различают две основные формы такого влияния: индуктивный эффект и эффект сопряжения.

Все химические превращения могут осуществляться в строго определенных условиях (температура, давление, катализатор, растворитель), в значительной мере зависящих от механизма реакции. Под механизмом реакции подразумевают способ разрыва имеющихся валентных связей и образование новых, а также совокупность состояний, через которые проходят реагирующие вещества.

По способу разрыва старых связей и образования новых различают гомолитические и гетеролитические реакции, в зависимости от того, разрываются ли связи «симметрично» или «несимметрично». Объясним более подробно.

(1)

А• + •В

А׃ В (2) А׃σ- + Вσ+

(3) Аσ+ + ׃Вσ-

Механизм (1) называется гомолитическим (радикальным). Образующиеся незаряженные частички А• и •В, имеющие неспаренные электроны, называются радикалами. Радикальный механизм характерен, например, для реакций замещения водорода в молекулах предельных углеводородов.

Механизмы (2) и (3) – гетероциклические (ионные) способы разрыва связей. Ковалентные связи разрываются несимметрично: обобщенная пара электронов передается одному атому, обладающему большей электроотрицательностью.

Частицы, несущие положительный заряд (Аσ+, Вσ+), например Н+, N+O2, H3+O, а также молекулы, имеющие центры с пониженной электронной плотностью (H2SO4, BF3, AlCl3), – называются электрофильными реагентами, а реакции, в которых они участвуют – электрофильными. Примером может служить реакция электрофильного замещения в молекулах ароматических углеводородов.

Частицы, несущие отрицательный заряд (А:σ-, В:σ-) –CN-, –OH-,

­–NH2-, HAl, RCOO - и др., а также молекулы, имеющие центры с повышенной электронной плотностью (NH3, NR3), называются нуклеофильными реагентами. Реакции, в которых они принимают участие, – нуклеофильные. Примером может служить щелочной гидролиз галогенпроизводных.

Как правило, электронная плотность в молекулах соединений

располагается несимметрично. Симметричное распределение электронной плотности характерно для соединений с ковалентной неполярной связью (H-H, Cl-Cl). Если же в состав молекулы входят атомы элементов с разной электроотрицательностью, то происходит смещение электронной плотности к атому с большей электроотрицательностью s+, s-.

Индуктивный эффект (I-эффект) – эффект смещения электронной плотности вдоль σ-связей. Тот атом, который притягивает к себе электронную пару связи, обладает отрицательным индуктивным эффектом (-I-эффект). Например, CH3σ+® Iσ-. Тот атом, который смещает электронную пару связи в сторону другого атома, обладает положительным индуктивным эффектом (+I-эффект). Например, CH3σ- Naσ+. При этом на атомах возникают эффективные частичные долевые заряды, обозначаемые s+, s-.

Индуктивный эффект может передаваться по цепи атомов с быстрым затуханием:

σ"+ σ'+ σ+ σ- σ+ > σ'+ > σ"+

CH3 ® CH2 ® CH2 ® Cl

π-связи характеризуются большей легкостью смещения электронов, чем σ-связи:

σ+ ® σ-

CH3®CH=CH2 (+I-эффект).

Если в молекуле имеются двойные связи, чередующиеся с простыми, то такие связи называются сопряженными. Например, в молекуле бутадиена-1,3

CH2=CH-CH=CH2.

Атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации, т. е. имеют по одной негибридной р-орбитали, которые перекрываются не только у первого и второго, третьего и четвертого атомов, но и у второго и третьего, образуя для всех четырех атомов единое π-электронное облако. Таким образом, образуется общая система разделения электронной плотности.

Эффект сопряжения или мезомерный эффект (М-эффект) – это эффект перераспределения электронной плотности в молекуле, происходящий с участием π-орбиталей. В отличие от индуктивного эффекта мезомерный эффект с расстоянием не затухает. Мезомерный эффект принято считать (как и индуктивный) отрицательным, если замести-

тель оттягивает электроны связи на себя (-М-эффект), и положитель-

ным (+М-эффект), если он отдает их в цепь:

Oσ-

C σ+=C–C C=C-O-CH3

Н

-М – эф. группы С=О +М – эф. группы –О–СН3

Л и т е р а т у р а: [1, с.11-13, 25-82].

Вопросы для самопроверки

1. Приведите электронные конфигурации атома углерода в основном и возбужденном состоянии.

2. Какие виды гибридизации возможны для атома углерода? Охарактеризуйте в каждом случае форму и пространственную направленность атомных орбиталей.

3. Дайте определение σ- и π-связям.

4. Какие частицы называются свободными радикалами? Чем они отличаются от ионов? Приведите примеры органических радикалов.

5. Дайте характеристику основным типам связи в молекулах органических соединений.

6. В чем особенности индуктивного эффекта и эффекта сопряжения?

7. В чем различие между гетеролитическим и гомолитическим способами разрыва ковалентных связей?

Углеводороды

Изучение органической химии необходимо начинать с класса углеводородов. Это объясняется не только тем, что они имеют простой состав, но главным образом тем, что углеводороды являются как бы родоначальниками всех других классов органических соединений.

Углеводороды – класс простейших органических соединений, состоящих из углерода и водорода. Путем замещения атомов водорода различными группами или радикалами из углеводородов можно получить самые разнообразные соединения.

В зависимости от характера строения углеводородного скелета и связи между атомами углерода, углеводороды делятся на предельные, непредельные и ароматические.

В свою очередь соединения перечисленных углеводородов группи-

руются в гомологические ряды, в которых каждый последующий гомолог отличается от предыдущего на группу –СН2–, называемую гомо-

логической разностью. Каждый гомологический ряд объединяет большое количество соединений и имеет свою общую формулу.

По характеру строения углеводородного скелета углеводороды делятся на ациклические (алифатические) и циклические. Ациклические углеводороды имеют открытую неразветвленную или разветвленную цепь:

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-CH=CH2-CH3

пентан CH3

2-метилбутан (изопентан)

CH3

CH3-C-CH3

CH3

2,2-диметилпропан (неопентан).

В зависимости от наличия в молекуле алифатических углеводородов одинарных и кратных углерод-углеродных связей они делятся на насыщенные (алканы) и ненасыщенные (алкены, алкины и др.).

Циклические углеводороды в зависимости от строения циклов делятся на алициклические (насыщенные и ненасыщенные) и ароматические.

CH3

циклогексан циклогексен бензол толуол

Общие обозначения и названия наиболее распространенных классов органических соединений, получаемых на основе

углеводородов

R-Hal** R-OH

галогенпроизводные спирты и фенолы

О

R-C R* - H R-NH2

H амины

альдегиды

R-C-R O R-NO2

O R-C нитросоединения

кетоны OH

карбоновые кислоты

R* - остаток углеводорода (радикал)

Hal** - галогены (фтор, хлор, бром, йод)

Л и т е р а т у р а: [1, с. 115-190].

Предельные углеводороды (алканы)

Предельными углеводородами (алканами) называются соединения, состоящие из атомов углерода и водорода, соединенных между собой только σ-связями и не содержащие циклов. В алканах атомы углерода находятся в степени гибридизации sp3. Общая формула ряда СnH2n+2.

Первые углеводороды гомологического ряда получили случайные названия (тривиальные): СН4 – метан, СН3-СН3 – этан, СН3-СН2-СН3 – пропан, СН3-(СН2)2-СН3 – бутан. В основу названий следующих неразветвленных гомологов были положены греческие числительные, соответствующие числу атомов углерода с окончанием – ан: пентан, гексан и т. д.

Если от молекулы предельного углеводорода отнять атом водорода, то остаток называется алкильным радикалом R: CH3 – метил; С2Н5 – этил; С3Н7 – пропил и т. д.

При выведении структурной формулы углеводородов следует обратить внимание на то обстоятельство, что молекулы их могут быть не только с прямой цепью, но и с разветвленной.

Органические соединения, имеющие одинаковый химический состав, но различную структурную формулу, называются изомерами. Для алканов характерна изомерия углеродного скелета (структурная).

C4H10

CH3-(CH2)2-CH3 CH3-CH­-CH3

бутан CH3

2-метилпропан (изобутан)

Углеродные атомы, составляющие цепь в молекулах углеводородов и их производных, могут быть первичными, когда они соединены с одним атомом углерода, вторичными – с двумя атомами углерода, третичными – с тремя атомами углерода и четвертичными – с четырьмя.

I

СH3

I II III IV I

CH3–CH2–CH–C–CH3

I I

CH3 CH3

I – первичный атом

II – вторичный атом

III – третичный атом

IV – четвертичный атом.

Атомы водорода при таких атомах углерода соответственно называются первичными, вторичными, третичными.

С конца прошлого столетия начала разрабатываться международная систематическая номенклатура, которая претерпела ряд преобразований и в конечном варианте получила название номенклатура ИЮПАК (международный союз по чистой и прикладной химии). Согласно этой номенклатуре, все органические вещества рассматриваются как производные неразветвленно построенных углеводородов. За основу выбирается самая длинная и самая сложная углеродная цепь. Нумерацию начинают с того конца, от которого ближе разветвление. Если разные углеводородные радикалы (алкилы) находятся на равном расстоянии от обоих концов цепи, то нумерацию начинают с того конца, к которому ближе радикал с меньшим числом атомов углерода. Несколько одинаковых заместителей обозначают приставками от греческих числительных: ди-, три-, тетра - и т. д. Цифрами показывается положение этих заместителей в главной цепи. В заключение называется нормальная углеводородная цепь:

CH3-CH-CH-CH2-CH3 2-метил-3-этилпентан

СH3 CH2

CH3

CH3

CH3-C-CH2-CH-CH3 2,2,4-триметилпентан.

CH3 CH3

Приступая к изучению химических свойств, следует иметь в виду, что предельные углеводороды при обычных условиях обладают большой химической инертностью. Это объясняется тем, что все σ-связи углерод-углерод и углерод-водород в них весьма прочны. К реакциям присоединения они вообще не способны вследствие насыщенности всех связей атомов углерода. Алканы устойчивы к действию кислот, щелочей и даже таких сильных окислителей как хромовая кислота и перманганат калия. При высоких t алканы сгорают с образованием углекислого газа и воды: