Свойства органических соединений (стр. 2 )

Циклоалканы (циклопарафины, цикланы) – насыщенные алициклические углеводороды общей формулы СnH2n, где n≥3, например, циклобутан. Плохо растворяются в воде, хорошо – в органических растворителях. Вступают в реакции присоединения, замещения, дециклизации, горения и т. д. Получают циклизацией дигалогенпроизводных алканов, гидрированием аренов. Циклогексан и циклопентан встречаются в составе нефти.

Циклоалкены (циклоолефины, циклены) – ненасыщенные алициклические углеводороды, содержащие одну или несколько двойных связей (С=С). В зависимости от числа двойных связей различают циклоалкены, циклоалкадиены, циклоалкатриены и т. д.

Наиболее устойчивыми являются соединения с 5-7 атомами углерода в цикле. По химическим свойствам сходны с алкенами. Вступают в реакции присоединения, полимеризации и т. д. Получают каталитическим дегидрированием циклоалканов при высокой температуре. Применяют в качестве растворителей, для получения полимеров и многочисленных органических соединений.

Алкины (ацетиленовые углеводороды) – ненасыщенные углеводороды гомологического ряда ацетилена, имеющие в составе молекулы одну тройную связь. Общая формула СnН2n-2. В молекулах алкинов электронные орбитали атомов углерода, соединенные тройной связью находятся в состоянии sp-гибридизации, а сама связь придает данному фрагменту молекулы линейное строение. Длина связи СºС равна 0,120 нм. Алкинам присущи изомерия углеродной цепи, изомерия положения тройной связи, межклассовая изомерия (изомерны алкадиенам). Названия алкинов образуются из названий соответствующих алканов с заменой суффикса –ан на -ин, например, этин, гептин и т. д.

Простейшие представители – ацетилен (этин), пропин, бутин и т. д. В связи с наличием в молекулах тройных связей вступают в реакции присоединения, протекают в две стадии. Так, при гидрировании алкинов в качестве конечного продукта получают алканы; галогенирование приводит к тетрагалогеналканам; гидрогалогенирование приводит к дигалогеналканам (протекает по правилу Марковникова); гидратация ацетилена дает ацетальдегид, при гидратации гомологов ацетилена образуются кетоны (реакция Кучерова). Реакции окисления могут протекать по-разному, в зависимости от окислителя. При горении в кислороде наблюдается полное окисление с образованием CO2 и H2O, при недостатке кислорода – сопровождается обильным выделением сажи (копоти). При окислении ацетилена раствором KMnO4 образуется щавелевая кислота; гомологи ацетилена в аналогичных условиях окисляются с расщеплением, образуя карбоновые кислоты. Реакции полимеризации для алкинов нехарактерны, а только ди - и тримеризация. Ацетилен при димеризации дает винилацетилен. Циклотримеризация алкинов приводит к образованию аренов, ацетилен превращается в бензол. Алкины, молекулы которых имеют концевую тройную связь (терминальные алкины), способны при определенных условиях образовывать соли – ацетилениды, например, ацетиленид натрия однозамещенный НСºС-Na, метилацетиленид меди СН3-СºС-Cu. Алкины получают из алканов и алкенов в результате реакций дегидрогенизации. Одним из способом получения алкинов является дегидрогалогенирование (отщепление атомов водорода и галогена) дигалогеналканов с помощью спиртового раствора щелочи. Ацетилен получают в больших количествах термическим разложением метана, а также из карбида кальция. Алкины находят широкое применение в органическом синтезе, ацетилен используется при резке и сварке металлов.

Арены (бензоидные углеводороды, углеводороды бензольного ряда) – углеводороды гомологического ряда бензола, характеризующиеся наличием бензольного кольца (ядра), в котором атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. Общая формула бензола и его гомологов СnН2n-6 (n≥6). Названия аренов оканчиваются словом –бензол, перед которым записывают названия радикалов-заместителей. Если их несколько, то числами указывают их относительное расположение в бензольном ядре:

Для двух заместителей возможно три варианта их взаимного расположения в бензольном ядре: орто- (обозначается буквой о-), мета- (обозначается буквой м-), пара- (обозначается буквой п-):

Часто используются и тривиальные названия.

Для аренов характерны изомерия, связанная со строением радикала-заместителя; изомерия, обусловленная наличием разного числа заместителей различного строения; изомерия, вызванная положением двух заместителей относительно друг друга в ядре (орто-, мета-, пара-изомеры). Низшие арены – бесцветные жидкости с характерным запахом, легче воды и в ней не растворимы. Являются хорошими растворителями многих органических веществ. В молекулах гомологов бензола ярко выражено взаимное влияние бензольного ядра и радикала, находящегося в его боковой цепи, нарушается равномерность распределения электронной плотности в ядре (проявление мезомерного эффекта (М)). В зависимости от оказываемого мезомерного эффекта заместители делятся на две группы. Электронодонорные заместители (заместители 1-го рода) вызывают +М-эффект, повышая электронную плотность в сопряженной системе π-связей бензольного ядра, сосредотачивая ее при этом в орто- и пара-положениях: . К электронодонорным заместителям относятся алкилы, гидроксильная группа, аминогруппа, галогены, которые направляют новые заместители в реакциях замещения атомов водорода в бензольном ядре преимущественно в орто- и пара-положения.

Все заместители 1-го рода (кроме галогенов) повышают реакционную активность бензольного ядра и облегчают следующие реакции замещения. Электроноакцепторные заместители (заместители 2-го рода) вызывают - М-эффект, снижая в целом и электронную плотность в сопряженной системе π-связей бензольного ядра, и его реакционную способность в реакциях замещения. Однако в меньшей степени электронная плотность снижается в мета-положениях: . К электроноакцеторным заместителям относятся альдегидная группа, карбоксильная группа, нитрогруппа, сульфогруппа (-SO3H, или - SO2ОH), которые направляют новые заместители в реакциях замещения атомов водорода в бензольном ядре преимущественно в мета-положения.

Несмотря на значительную ненасыщенность атомов углерода в бензольном кольце аренов не вступают в реакции присоединения, характерные для ненасыщенных соединений. Для гомологов бензола характерны реакции электрофильного замещения атомов водорода бензольного кольца, в том числе каталитическое галогенирование (при недостатке галогена получается смесь орто- и пара-изомеров, при избытке – трехзамещенные производные); нитрование (например, при нитровании толуола действием смеси концентрированных HNO3 и H2SO4 образуется тротил); гидрирование аренов в присутсвии катализаторов приводит к образованию циклоалканов. Из реакций аренов с участием боковой цепи следует отметить галогенирование и окисление. Алкильные радикалы производных бензола взаимодействуют с галогенами подобно алканам. Реакции протекают на свету, при этом замещаются (последовательно) те атомы водорода, которые связаны с атомами углерода бензольного кольца. Реакции окисления в боковой цепи протекают легче, чем окисление алканов, и приводят к образованию кислот. Так, при окислении толуола образуется бензойная кислота.

Простейшие представители аренов – бензол, метилбензол (толуол), диметилбензол (ксилол) и др. Получают арены в основном при коксовании каменного угля и ароматизацией нефтепродуктов. Арены находят применение в производстве красителей, лекарств, моющих средств, полимеров, взрывчатых веществ и др.

Опыт 1. Открытие углерода и водорода в составе органических веществ. Кусочек парафина величиной с горошину разотрите в ступке с равной по объему порцией порошка оксида меди. Для опыта лучше всего подойдет свежеполученный тонкодисперсный порошок оксида, полученный прокаливанием малахита.

Смесь поместите в пробирку, насыпьте поверх еще немного порошка CuO и укрепите пробирку почти горизонтально в штативе, чуть наклонив ее в сторону отверстия, у края которого поместите щепотку безводного сульфата меди. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опустите в стакан с известковой водой (рис. 40)

Рис. 40. Открытие водорода и углерода в органических соединениях.

1 – смесь CuO с анализируемым веществом; 2 – безводный CuSO4;

3 – стакан с известковой водой.

Нагрейте смесь в пробирке и наблюдайте образование капель жидкости на стенках пробирки, изменение цвета сульфата меди, выделение газа и помутнение известковой воды. Объясните эти явления, напишите соответствующие уравнения реакций, сделайте выводы.

Опыт 2. Определение галогенов пробой Бейльштейна. Медную проволочку прокалите в пламени горелки до прекращения окрашивания пламени. Концом проволоки (можно горячим) коснитесь анализируемого вещества (хлороформ, бромбензол, хлоруксусная кислота, иодоформ, полихлорвинил и т. д.) и внесите в бесцветное пламя (можно в фарфоровой чашечке зажечь немного этанола). Если анализируемое вещество содержит хлор или бром, то пламя окрашивается в красивый изумрудно-зеленый цвет, если иод – пламя приобретает зеленую окраску. Метод предложен в 1872 г. Ф. Бейльштейном (1838-1906).

Методика получения и демонстрирования
свойств углеводородов

С целью формирования понятий о свойствах углеводородов и других органических соединений удобно и методически правильно использовать единый подход при их объяснении. Это позволяет обобщать, систематизировать и осуществлять более прочное усвоение учащимися знаний о свойствах разных группах органических веществ. Последовательность постановки учебного эксперимента при изучении углеводородов может быть следующей. Одновременно с получением изучаемого вещества демонстрируются его физические свойства, отношение к окислителям (водный раствор KMnO4), взаимодействие с галогенами в водных растворах, проба на взрывоопасность и реакция горения. В целях большей безопасности в газоотводные трубки вставляются медные спирали. Отдельно ставится эксперимент по изучению особых свойств изучаемых веществ.