Органические соединения. Часть 2. Кислородсодержащие и высокомолекуля
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Часть 2
КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ И ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2012
УДК 541.1 ББК 24.23я7
О-64
Авторы: Л.С. Пан, Г.А. Старкова, Т.К. Томчук, Л.Г. Черанева, О.В. Нагорный
Рецензенты:
канд. хим. наук, доцент М.М. Соколова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
канд. хим. наук А.С. Колышкин (ООО «Фирма “Радиус-сервис”»)
Органические соединения : учеб.-метод. пособие : в 2 ч. О-64 Ч. 2. Кислородсодержащие и высокомолекулярные соединения / Л.С. Пан [и др.]. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед.
политехн. ун-та, 2012. – 56 с. ISBN 978-5-398-00834-0
Рассмотрены особенности строения кислородсодержащих и высокомолекулярных соединений, способы их получения и типы химических реакций с указанием механизмов их протекания. Приведены задания для самостоятельной работы студентов и тесты для подготовки к экзамену, а также лабораторные работы к частям 1 и 2.
Предназначено для студентов нехимических специальностей дневной, заочной и дистанционной формы обучения, изучающих курс «Органическая химия».
УДК 541.1 ББК 24.23я7
ISBN 978-5-398-00834-0 |
© ПНИПУ, 2012 |
2
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
1. КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ |
|
|
СОЕДИНЕНИЯ.................................................................................. |
4 |
|
1.1. Спирты и фенолы.............................................................. |
4 |
|
1.2. Альдегиды и кетоны......................................................... |
10 |
|
1.3. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры.......................... |
15 |
|
2. ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ........................... |
21 |
|
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ |
|
|
РАБОТЫ............................................................................................. |
|
27 |
Задание № 1.............................................................................. |
27 |
|
Задание № 2.............................................................................. |
30 |
|
Задание № 3.............................................................................. |
38 |
|
ТЕСТЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ................................. |
41 |
|
Тест № 1.................................................................................... |
41 |
|
Тест № 2.................................................................................... |
42 |
|
Тест № 3.................................................................................... |
44 |
|
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ............................................................ |
46 |
|
Углеводороды.......................................................................... |
46 |
|
1. |
Получение алканов и изучение их свойств............. |
46 |
2. |
Получение этилена и изучение его свойств............ |
48 |
3. |
Получение ацетилена и изучение его свойств........ |
48 |
4. |
Свойства ароматических углеводородов................. |
49 |
Кислородсодержащие органические соединения................. |
50 |
|
1. |
Свойства спиртов и фенолов.................................... |
50 |
2. |
Свойства альдегидов и кетонов................................ |
51 |
3. |
Свойства карбоновых кислот ................................... |
52 |
Полимеры................................................................................. |
52 |
|
1. |
Получение полиметилметакрилата.......................... |
52 |
2. |
Изучение физико-химических свойств |
|
полимеров ...................................................................... |
53 |
|
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................... |
55 |
3
1. КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
1.1. Спирты и фенолы
Спиртами и фенолами называются функциональные производные, в молекулах которых группа –ОН соединена с углеводородным радикалом или непосредственно с ароматическим кольцом. Атомность спиртов и фенолов определяется числом гидроксильных групп. Предельные одноатомные спирты имеют общую формулу СnН2n+2O или СnH2n+1OH. Изомерия спиртов зависит от строения углеродной цепи и положения гидроксильной группы в цепи. По систематической номенклатуре название спирта составляется из названия соответствующего углеводорода с добавлением к суффиксу -ан суффикса -ол и указанием номера углеродного атома, при котором находится гидроксильная группа (табл. 1.1).
|
|
Таблица 1.1 |
Структурные формулы и названия некоторых спиртов |
||
|
|
|
|
Название |
|
Формула |
по тривиальной |
по систематической |
|
номенклатуре |
номенклатуре |
СН3OH |
Метиловый спирт |
Метанол |
СН3СН2ОН |
Этиловый спирт |
Этанол |
СН3СН2СН2ОН |
Первичный пропиловый |
Пропанол-1 |
спирт |
|
|
|
|
|
СН3СН(ОН)СН3 |
Вторичный пропиловый |
Пропанол-2 |
|
спирт |
|
СН3СН(СН3)СН2ОН |
Изобутиловый спирт |
2-Метилпропанол-1 |
СН3СН(ОН)СН2СН3 |
Вторичный бутиловый |
Бутанол-2 |
|
спирт |
|
СН2(ОН)СН2(ОН) |
Этиленгликоль |
Этандиол-1,2 |
СН2(ОН)СН(ОН)СН3 |
Пропиленгликоль |
Пропандиол-1,2 |
СН2(ОН)СН(ОН)СН2ОН |
Глицерин |
Пропантриол-1,2,3 |
4 |
|
|
Название замещенных фенолов производится от фенола с указанием названий и положения заместителей в ароматическом кольце. Нумерация в ароматическом ядре начинается с гидроксильной группы:
ОН |
|
|
OH |
|
|
OH |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Br |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
1 |
|
2 |
6 |
1 |
2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|||
|
|
4 |
|
|
4 |
|||||
|
|
|
|
H3C |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH3 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
фенол |
4-метилфенол |
2-бром-5-метилфенол |
||||||||
|
(п-крезол) |
|
|
|
|
Существует много способов получения спиртов. На рис. 1 приведена схема основных способов получения спиртов, которая отражает генетическую связь спиртов с другими классами органических соединений.
|
|
|
Hal2 |
|
|
CnH2n ← R–Hal ← CnH2n+2 |
|||
H2О |
−HHal |
|
|
|
H2O |
|
|
|
|
Н+ |
OH– |
|
|
|
|
H2 |
|
R–C |
O |
|
|
|
|
H |
R–OH |
t°; Pt |
[H] |
|
|
|
|
R–C |
O |
|
|
|
|
||
|
|
Li [AlH4] |
|
OH |
|
|
|
|
Рис. 1. Способы получения спиртов
5
Фенол получают гидролизом галогенопроизводных:
C H Cl NaOH C H OH + NaCl,
6 5 → 6 5
Cu; t °
или окислением кумола: |
фенол |
|
|
C6H5–CH(CH3)2 |
[O] |
→ C6H5OH + CH3COCH3 |
|
|
kat |
|
фенол пропанон-2 |
Спирты до С10 при обыкновенной температуре представляют собой жидкости, начиная с С11 и выше – твердые вещества. Спирты С1–С3 смешиваются с водой во всех соотношениях и имеют характерный запах. По мере увеличения молекулярной массы растворимость жидких спиртов в воде уменьшается и запах их становится неприятным. Твердые спирты лишены запаха и почти нерастворимы в воде.
Температура кипения спиртов возрастает по мере увеличения их молекулярной массы. Спирты нормального строения кипят при более высокой температуре, чем спирты с разветвленной цепью. Температура кипения спиртов значительно выше температуры кипения соответствующих углеводородов, что обусловлено тем, что спирты, как и вода, хотя и в меньшей степени, являются ассоциированными жидкостями. Отдельные молекулы спиртов соединяются между собой с помощью так называемых водородных связей, возникающих между водородными и кислородными атомами гидроксильных групп различных молекул спирта.
Химические свойства. Химические свойства спиртов обусловлены присутствием реакционноспособной гидроксильной группы –OH. Реакции с участием этой группы проходят с разрывом связей O–H или С–О. Общие химические свойства спиртов приведены на рис. 2.
6
Спирты ROH
Замещение атома водорода в группе –ОН
1. Взаимодействие с очень активными металлами (Li, Na, K) 2C2H5OH+2Na → 2C2H5ONa+H2
2. Образование сложных эфиров при взаимодействии с кислотами
СН3СOОН + С2Н5OН → CH3COOC2H5 + H2O
Н2SO4
Замещение группы –ОН
Взаимодействие с НХ (Х=Cl, Br) в присутствии H2SO4
C2H5OH + HCl → C2H5Cl + H2O
Н2SO4
Реакции окисления
1. Горение
C2H5OH+3О2 → 2CО2+3H2О
2. Окисление первичных спиртов до альдегидов или вторичных до кето-
нов (CuO/t°, O2/Cu+t°, K2Cr2O7 и др.)
СН3–СH2–ОН + CuO → H3C-CОН +Cu+H2O
Реакции дегидратации
1. Внутримолекулярная дегидратация при t > 140 °С (по правилу Зайцева)
t > 140 °C
CH3–СН–СН2–СН3 → CH3–CH=CH–CH3+H2O
Н2SO4
OH
2. Межмолекулярная дегидратация при t < 140 °С
C2H5–OH + HO–C2H5 t < 140 °C→ C2H5–O–C2H5+H2O
Н2SO4
Реакции дегидратации и дегидрирования этанола (реакция Лебедева)
2C H OH t ° СH =CH–CH=CH +H +2H О
2 5 → 2 2 2 2 kat
Рис. 2. Химические свойства спиртов
7
Многоатомные спирты могут вступать в те же реакции замещения, что и одноатомные спирты, с замещением одной или нескольких гидроксильных групп:
В молекулах фенолов реакционноспособны как гидроксильная группа, так и ароматическое ядро. Фенолы проявляют значительно большую кислотность, чем спирты или вода. Они легко вступают
вреакции с разрывом связи О–Н и замещением атома водорода
вароматическом кольце (рис. 3).
Фенолы
Замещение атома водорода в группе –ОН
1.Взаимодействие с очень активными металлами
2.Взаимодействие с растворами щелочей
Замещение атома водорода в орто- и параположениях бензольного кольца
1. Бромирование без катализатора
Рис. 3. Химические свойства фенолов (см. также с. 9)
8
2. Нитрование в жестких условиях |
|
|
O H |
|
||
O H |
|
|
O2N |
|
||
|
|
|
NO2 |
|
||
|
+ 3HO–NO2 |
|
|
+ |
3H2О |
|
|
|
|
|
|
NO2 |
|
3. Нитрование в мягких условиях (нитрующая смесь, невысокие темпе- |
||||||
ратуры) |
|
|
|
|
OH |
|
OH |
|
|
OH |
|
||
|
|
|
|
|
NO2 |
|
+ |
HO–NO2 |
H 2SO 4 |
|
|
+ |
+ H2О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
NO2 |
|
|
|
|
смесь о- и п-изомеров |
|
||
|
|
|
|
|||
Поликонденсация с формальдегидом |
|
|
|
|||
OH |
O |
|
|
|
OH |
|
|
|
−H |
C |
CH − |
|
|
|
|
|
|
|||
n |
+ 2n C |
|
2 |
|
2 |
+ 2n H2O |
|
|
|
|
|||
|
H H |
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Окисление фенола сильным окислителем |
|
|
||||
OH |
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ K2Cr2O7 |
H2 SO4 |
|
|
1,4-бензохинон |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|||
|
|
Рис. 3. Окончание |
|
|||
|
|
|
|
|
|
9 |
1.2. Альдегиды и кетоны
Альдегидами и кетонами называют производные углеводородов, содержащие карбонильную группу >C=O. В молекуле альдегидов одна валентность карбонильной группы затрачивается на соединение с атомом водорода, а другая – с радикалом. В случае
кетонов обе валентности |
карбонильной группы затрачиваются |
|
на соединение с радикалами. Общая формула альдегидов |
. |
|
Общая формула кетонов |
. |
|
Общая формула предельных альдегидов и кетонов СnH2nO. Изомерия альдегидов связана со строением радикалов. Альде-
гиды называют по предельным углеводородам с добавлением суффикса -аль (табл. 1.2).
|
|
Таблица 1.2 |
Структурные формулы и названия некоторых альдегидов |
||
|
|
|
Формула |
Название |
|
по тривиальной |
по систематиче- |
|
|
номенклатуре |
ской номенклатуре |
HCHO |
Муравьиный альдегид |
Метаналь |
|
(формальдегид) |
|
CH3CHO |
Уксусный альдегид |
Этаналь |
СH3CH2CHO |
Пропионовый альдегид |
Пропаналь |
СН3СH2CH2CHO |
Масляный альдегид |
Бутаналь |
CH3CH(CH3)CHO |
Изомасляный альдегид |
2-Метилпропаналь |
CH3CH2CH2CH2CHO |
Валериановый альдегид |
Пентаналь |
CH3CH(CH3)CH2CHO |
Изовалериановый альдегид |
3-Метилбутаналь |
CH3CH2CH(CH3)CHO |
Метилэтилуксусный альдегид |
2-Метилбутаналь |
Изомерия кетонов связана со строением радикалов и с положением карбонильной группы в углеродной цепи. Кетоны называют по наименованию радикалов, связанных с карбонильной группой; по систематической номенклатуре к названию предельного углеводорода добавляется суффикс -он и указывается номер атома углерода, связанного с карбонильным кислородом (табл. 1.3).
10