Углубленный курс для факультативных занятий (стр. 1 )

Органическая химия

Углеводороды

Углубленный курс для факультативных занятий

2011

В этой работе вы найдете краткое изложение основ химии углеводородов. Данный курс предназначен для факультативных занятий и для самостоятельного изучения с целью подготовки к участию в химических олимпиадах достаточно высокого уровня. Многие обсуждаемые здесь темы даже не упоминаются в обычных школьных учебниках, другие обсуждаются в незначительной степени. Впрочем, данное пособие также не является всеохватывающим учебником, здесь дается лишь краткое изложение основных свойств и реакций углеводородов. Если ученик или учитель хотят обсудить какую-то реакцию более подробно, они должны использовать современные учебники по органической химии и специализированные книги. Тем не менее, здесь обсуждаются все основные превращения алканов, алкенов, диенов, алкинов, которые встречаются в задачах олимпиад разного уровня, включая международную олимпиаду по химии, а также основы номенклатуры органических соединений, знание которых необходимо как при изучении химии в школе, так и для успешного участия в олимпиадах по химии. В каждом разделе есть пример задач на обсуждаемую тему с решением, а также большое количество задач для самостоятельного решения, разделенных на три уровня, в зависимости от их сложности. Конечно, эти задачи легче, чем задачи международной олимпиады по химии, но автор и не ставил перед собой цели обсудить здесь задачи высшего уровня сложности. В то же время, нужно подчеркнуть, что успешное решение приведенных здесь задач является необходимой предпосылкой для понимания задач более высокого уровня.

Оглавление

1.  Номенклатура органических соединений 2

2.  Алканы 19

3.  Алкены 38

4.  Диены 64

5.  Алкины 81

1. Номенклатура органических соединений

Многие органические соединения имеют весьма сложную структуру, поэтому встает вопрос, как описать то или иное соединение, чтобы наше описание стало понятным любому другому химику. Например, фразы «углеводород, содержащий только один атом углерода» вполне достаточно, чтобы понять, что мы имеем дело с метаном. Но для соединения, содержащего, 10 углеродных атомов, подобный «словесный портрет» явно недостаточен. Поэтому многие химические соединения имеют так называемые тривиальные названия, которые обычно связаны с названием того биологического объекта (растения, бактерии, низшего или высшего животного), откуда они были выделены. Но запомнить все тривиальные названия, очевидно, невозможно. Действительно, структура ацетона известна всем химикам, структуру коричной кислоты знает большинство химиков-органиков, но структуру, например, милдиомицина напишут только те, кто долго работал с этим веществом. Поэтому в качестве «языка для общения» химиков-органиков используется та или иная номенклатура органических соединений, представляющая собой набор правил, рекомендуемых к использованию при составлении «однозначного» названия вещества. Существует несколько таких номенклатур, но в настоящее время практически повсеместно используется так называемая заместительная номенклатура, или номенклатура ИЮПАК (ИЮПАК – Международный союз по общей и прикладной химии). При этом в ряде случаев тривиальные названия соединений стали основой для их «систематических» названий. Действительно, трудно использовать систематические названия для производных, скажем фуллерена, если для самого фуллерена С60 такое название занимает несколько строк и совершенно нечитаемо.

Вначале рассмотрим ациклические алканы. Для нескольких алканов используются несистематические (тривиальные) названия: CH4 – метан, C2H6 – этан, CH3CH2CH3 – пропан, CH3CH2CH2CH3 – бутан, (CH3)3CH – изобутан, (CH3)2CHCH2CH3 – изопентан, (CH3)3CH – неопентан. Алканы, имеющие пять и более атомов углерода, получают название, в которых корнем слова является соответствующее греческое числительное; принадлежность соединения к насыщенным углеводородам описывается окончанием –ан. Таким образом, неразветвленные алканы имеют следующие названия: пентан (С5Н12), гексан (С6Н14), гептан (С7Н16), октан (С8Н18), нонан (С9Н20), декан (С10Н22), ундекан (С11Н24), додекан (С12Н26), тридекан (С13Н28) и т. д. Алкан С20Н42 называется эйкозан, С30Н62 триаконтан, С40Н82 – тетраконтан и т. д. В случае разветвленных алканов, чтобы дать название органическому соединению, необходимо выделить самую длинную углеродную цепочку, которая будет основой названия, после чего указать заместитель и номер атом углерода в цепи, к которому присоединен этот заместитель. Название алкильного заместителя определяется названием соответствующего алкана, но суффикс –ан в конце слова заменяется на –ил (метил, этил, пропил, бутил и т. п.). Если имеется два одинаковых заместителя, используется приставка ди-, для трех заместителей – три-, далее тетра-, пента- и т. д. Если в молекуле несколько алкильных заместителей, они перечисляются в алфавитном порядке таким образом, чтобы младшая цифра была наименьшей.

В случае разветвленного заместителя необходимо выделить в этом заместителе самую длинную углеродную цепочку, дать ей название, после чего указать тип заместителя в этой цепочке и место его расположения, считая, что атом, соединенный с основной цепью имеет номер 1.

Но несколько радикалов имеют собственные, несистематические названия: (CH3)2CH – изопропил, (CH3)2CHCH2 – изобутил, (C2H5)(CH3)CH – втор-бутил, (CH3)3C – трет-бутил, (CH3)2CHCH2CH2 – изопентил, (CH3)3CCH2 – неопентил. При том втор-бутил и трет-бутилперечисляются так, как если бы они назывались просто «бутил».

Наличие в молекуле углеводорода одной, двух, трех и т. д. двойных связей обозначают окончаниями –ен, - диен, - триен и т. д. За основу названия выбирается самая длинная углеродная цепь, положения двойных связей в этой цепи обозначаются наименьшими возможными номерами. Сохраняются два тривиальных названия: этилен СН2=CH2 и аллен СН2=С=CH2.

Если неразветвленная молекула содержит тройную связь СºС, ее название определяется названием соответствующего алкана, но вместо суффикса –ан используется суффикс –ин. Для простейшего алкина (C2H2) используется тривиальное название: ацетилен. Если в молекуле имеется и двойная, и тройная связь, цепь нумеруется таким образом, чтобы кратная связь имела наименьший номер. При равных условиях меньший номер получает двойная связь С=С.

Когда заместитель содержит двойную связь, его название соответствует названию алкильного заместителя, но вместо –ил используется –енил с указанием положения двойной связи (например, бут-2-енил). Аналогично, в названии заместителя, содержащего тройную связь, появляется –инил. Для некоторых заместителей используются тривиальные названия: винил для CH2=CH–, аллил для CH2=CH-СH2–.

В случае алкенов существует несколько видов изомерии: изомерия углеродного скелета (бутен-1 и 2-метилпропен; последний также называют изобутеном), изомерия положения функциональной группы (бутен-1 и бутен-2). Поскольку вращение вокруг двойной связи С=С невозможно (при обычных условиях), для бутена-2 характерна также цис-/транс-изомерия. Этот тип изомерии характерен для всех алкенов, содержащих разные заместители при обоих атомах углерода, образующих двойную связь. При этом вместо терминов цис- и транс- ИЮПАК рекомендует использовать буквы Z- и E- (от немецких слов zusammen – вместе и entgegen – напротив). Z-Изомерами называют такие изомеры, в которых старшие заместители расположены по одну сторону двойной связи. В E-изомерах старшие заместители расположены по разные стороны. Старшинство заместителей определяется порядковым номером в периодической таблице атома, связанного с атомом углерода двойной связи (углерод старше, чем водород, но младше, чем азот и т. д.). Если в первом окружении атомы одинаковы (например, два атома углерода), рассматриваются связанные с ними заместители. Иначе говоря, для алкильных групп старшинство изменяется в ряду: CH3 < CH2CH3 < CH2CH2CH3 < CH(CH3)2 < CH(CH3)CH2CH3 < C(CH3)3 и т. п. Группа СH2NH2 старше, чем C(CH3)3, т. к. атом азота имеет больший атомный номер, чем атомы углерода (один «старший» атом важнее, чем три «младших», как в армии: несколько сержантов подчиняются одному лейтенанту, несколько лейтенантов одному майору и т. п.). Очевидно, группа CH2N(CH3)2 старше, чем СH2NH2, но младше, чем CH2OH (атом кислорода имеет больший атомный номер, чем атом азота); двойная связь рассматривается как две одинарных. Для иллюстрации общего правила можно сравнить еще несколько заместителей: CH2OH < CH2OCH3 < CHO < COOH < COOCH3 < CH2F < CF3 < CH2Cl и т. д.

Названия циклоалканов образуют, добавляя цикло - к названию соответствующего алкана: циклопропан, циклобутан и т. д. Если цикл содержит гетероатом, его название определяется числом атомов в цикле и природой гетероатома:

Для простейшего ароматического соединения – бензола – и некоторых его производных используются тривиальные названия:

Положения заместителей обозначают цифрами, либо используя приставки орто - (о-), мета- (м-), пара - (п-):