А.Н. Девятловская
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ
СОЕДИНЕНИЯ
Красноярск 2013
Стр.1
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический
университет»
Лесосибирский филиал
А. Н. Девятловская
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ
СОЕДИНЕНИЯ
Утверждено редакционно – издательским советом СибГТУ в качестве
сборника контрольных заданий для студентов специальности
250403.65 «Технология деревообработки» и
направления 250400.62 «Технология лесозаготовительных и
деревоперерабатывающих производств» заочной формы обучения
Красноярск 2013
Стр.2
УДК 547
ББК
Девятловская, А. Н. Органическая химия и высокомолекулярные
соединения: сборник контрольных заданий для студентов специальности
250403.65 «Технология деревообработки» и направления 250400.62
«Технология
лесозаготовительных
и
производств» заочной формы обучения / А.Н. Девятловская. – Красноярск:
СибГТУ, 2013. – 100 с.
Сборник контрольных заданий составлен для студентов на основе
учебной рабочей программы по дисциплине «Органическая химия и
высокомолекулярные соединения» специальности 250403.65, направления
250400.62. Предназначен для развития навыков самостоятельной работы с
лекционным материалом и учебно-справочной литературой. Сборник
содержит теоретический материал по разделам дисциплины, контрольные
вопросы по каждой теме. Предложены темы контрольных работ,
рекомендована основная и дополнительная литература.
деревоперерабатывающих
Рецензенты: доцент С.И. Левченко (научно-методический совет СибГТУ),
канд. пед. наук, доц. С. А. Осяк (Лесосибирский педагогический институт
– филиал Сибирского федерального университета).
©Девятловская А. Н., 2013
© ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный
технологический университет», Лесосибирский филиал, 2013.
Стр.3
3
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время актуальность изучения курса «Органическая
химия и высокомолекулярные соединения» приобретает важное значение в
связи с комплексным использованием древесины, а эта проблема возможна
лишь на основе глубокого изучения химических процессов, протекающих
при переработке древесины. Поэтому возникла необходимость в
подготовке инженеров, обладающих знаниями по строению, составу и
химическим свойствам органических веществ и древесины, а также
основные особенности получения полимеров и свойства синтетических
смол. Интенсификация производственной деятельности выделяет такие
проблемы, как вопросы охраны окружающей среды и соблюдение
экологических требований в новых технологических процессах, создание
безотходных технологий.
Особое место дисциплины в профессиональной подготовке
обусловлено включением курса в структуру учебного плана, в цикл общих
математических и естественнонаучных дисциплин, национального
компонента по специальности 250403.65 «Технология деревопереработки»
и направления 250400.62 «Технология лесозаготовительных и
деревоперерабатывающих производств».
В соответствии с учебным планом курс «Органическая химия и
высокомолекулярные соединения» для студентов специальности 250403.65
включает 150 часов, из них на самостоятельную работу студентов отведено
126 часов. Для направления 250400.62 курс общим объемом 144 часа, из
них на самостоятельную работу – 80 часов.
Задачи методических указаний:
- определить конкретный круг вопросов и последовательность их
изучения по каждой теме курса;
Стр.4
4
- определить
литературные
источники, необходимые для
самостоятельного изучения курса;
- изложить методику выполнения контрольной работы.
В соответствии с учебными планами по данной дисциплине студенты
выполняют контрольную работу. Контрольная работа способствует
закреплению теоретических знаний и углубленному изучению химических
свойств органических веществ и свойств древесины, проведению
химического эксперимента по основным разделам курса.
Цель контрольной работы:
- углубление и систематизация знаний по применению химических
веществ в зависимости от особенностей химического строения,
превращений для решения конкретных задач в технологической практике;
- практическое
использование
производстве
лесозаготовительной
и
современных технологий в
деревоперерабатывающей
промышленности.
Контрольная работа по курсу «Органическая химия и
высокомолекулярные соединения» выполняется после установочной
лекции и предоставляется для проверки на кафедру фундаментальной
подготовки Лесосибирского филиала СибГТУ до начала сессии.
Итоговой формой контроля знаний студентов специальности
250403.65 является экзамен в V семестре, направления 250400.62 –
экзамен в III семестре. К экзамену по «Органической химии и
высокомолекулярным соединениям» допускаются студенты, защитившие
контрольную работу. При необходимости контрольная работа может быть
возвращена студенту на доработку.
Стр.5
5
1 СОДЕРЖАНИЕ КУРСА ДИСЦИПЛИНЫ
1.1 Углеводороды. Предельные или насыщенные
углеводороды
Углеводороды – наиболее простые органические соединения, в
состав которых входят только углерод и водород. Заменяя в этих
соединениях атомы водорода на другие атомы или функциональные
группы, можно получить различные многочисленные производные
углеводородов – практически все известные классы органических
соединений.
Все алифатические углеводороды можно разделить по характеру
связей между атомами углерода на две большие группы: предельные
(насыщенные) и непредельные (ненасыщенные) углеводороды.
Алканы или парафины - алифатические предельные углеводороды,
в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой
(одинарной) σ-связью.
Атом углерода в предельных углеводородах находится в первом
валентном состоянии (sp3 – гибридизация). Это значит, что углеродные
атомы в алканах полностью насыщены водородом, т.е. все их единицы
валентности, не затраченные на связь с другими атомами углерода,
соединены с атомами водорода.
Простейшим представителям и родоначальником предельных
углеводородов является метан СН4.
Строение молекулы метана можно представить структурной или
электронной (октетной) формулой:
Н
│
Н
··
Н ─ С ─ Н или Н ·· С ·· Н
│
Н
··
Н
Стр.6
6
При sp3 – гибридизации углерода четыре его электронные орбитали,
как известно, составляют между собой угол 109˚28. Пространственное
расположение атомов в молекуле метана показано рисунке 1.
Н
С
Н
а
Н
Н
б
Рис. 1. Модели пространственного строения молекулы метана:
а –шаростержневая; б – по Бриглебу
Заменяя атом водорода в молекуле метана на метильную группу СН3,
можно вывести структурную формулу следующего за метаном
углеводорода – этана С2Н6 :
Н
│
Н
│
│
Н
Н Н
│ │
Н ─ С ─ Н ← ─ С ─ Н → Н ─ С ─ С ─ Н.
│
Н
│ │
Н Н
Пространственное строение молекулы этана показано на рисунке 2.
Н
С
С
Н
а
Н Н
Н
Н
б
Рис. 2. Модели пространственного строения молекулы этана:
а –стержневая; б – по Бриглебу
Стр.7
7
Все предельные углеводороды, или алканы, объединяют в ряд,
руководствуясь при этом ростом числа углеродных атомов в этих
углеводородах:
СН4 – метан
С2Н6 – этан
С3Н8 – пропан
С4Н10 – бутан
С5Н12 – пентан
С6Н14 – гексан
С7Н16 – гептан
С8Н18 – октан
С9Н20 – нонан
С10Н22 – декан и т.д.
Сопоставляя между собой два любых ближайших представителя этого
ряда, можно отметить, что они отличаются друг от друга по составу на
одну СН2 – группу. Подобный ряд соединений, представители которого
обладают близкими химическими свойствами и характеризуются
закономерным
изменением физических свойств, а по
строению
отличаются друг от друга на одну или несколько СН2-групп, называется
гомологическим рядом (от греческого homos – одинаковый, равный).
Отдельные члены этого ряда называются гомологами.
Для гомологического ряда предельных углеводородов общая формула
имеет вид СпН2п+2.
Если углеводород лишается одного (или нескольких) атома водорода,
то образуется частица, называемая углеводородным радикалом (от лат.
radix – корень) (не следует смешивать со свободным радикалом!). В
зависимости от числа потерянных водородных атомов радикалы могут
быть одно-, двух- и трехвалентными. Если в радикале свободная
валентность находится у первичного атома углерода, то такой радикал
называется первичным. Соответственно этому бывают вторичные
(свободная валентность у вторичного атома углерода) и третичные
(свободная валентность у третичного углеродного атома) радикалы:
Стр.8
8
—СН3 – первичный одновалентный радикал (метил);
—СН (СН3)2 – вторичный одновалентный радикал (изопропил);
—С (СН3)3 – третичный одновалентный радикал (трет-бутил);
СН2 – вторичный двухвалентный радикал (метилен).
Одновалентные углеводородные радикалы называются алкилами.
Названия радикалов строятся из названий соответствующих углеводородов
с заменой суффикса –ан (характерного для названия предельных
углеводородов) на –ил. Например, метан – метил, этан – этил, пропан –
пропил и т.д. Названия двухвалентных радикалов (с двумя свободными
валентностями у одного и того же атома углерода) производятся заменой
суффикса –ан на –илиден (исключение – радикал метилен
СН2).
Трехвалентные радикалы имеют суффикс –илидин (исключение – радикал
метин ─ СН).
Сокращенно радикалы обозначают R или Alk. Общая формула
одновалентных радикалов СпН2п+1.
Названия первых четырех членов гомологического ряда метана
тривиальные: метан, этан, пропан и бутан. Названия следующих
гомологов, начиная с пятого, образуется сочетанием
греческого
числительного и суффикса –ан.
Чаще всего применяют систематическую номенклатуру органических
соединений. Согласно ей названия углеводородов составляют следующим
образом.
1. В молекуле углеводорода выбирают главную цепь – самую
длинную, например:
Н3С ─ СН ─ СН2 ─ СН ─ СН2 ─ СН3
│
│
СН3
СН2 ─ СН2 ─ СН3
2. Затем эту цепь нумеруют с того конца, к которому ближе
заместитель (радикал, имеющий меньшее число углеродных атомов):
Стр.9
9
1Н3С — 2 СН — 3СН2 — 4СН — СН2 — СН3
│
СН3
5СН2 — 6СН2 — 7СН3
│
3. Углеводород называют в следующем порядке: вначале указывают
(цифрой) место расположения заместителя, затем этот заместитель
(радикал), а в конце добавляют название главной (самой длинной) цепи.
Вышеприведенный углеводород может быть назван: 2-метил-4-этилгептан.
Если в главной цепи содержится несколько одинаковых заместителей,
то их число обозначают греческим числительным (ди-, три-, тетра- и т.д.),
которое ставят перед названием этих радикалов, а их положение
указывают цифрой. Например:
СН3
1СН3 ─ 2С ─ 3СН2 ─ 4СН2 ─ 5СН3 CH3 — C — CH2 — C — CH3
│
│
СН3
2,2 – диметилпентан
По рациональной
номенклатуре
CH3
│
│
CH3
CH3
│
│
CH3
2,2,4,4 - тетраметилпентан
предельные
углеводороды
рассматриваются как производные метана, в молекуле которых один или
несколько атомов водорода замещены на радикалы. Названия строят
следующим образом. Называют по старшинству все заместители (указывая
их количество, если они одинаковые) и основу названия – слово «метан».
Приведем примеры углеводородов и назовем их по систематической и
рациональной номенклатурам:
CH3
│
H3C — C — CH2 — CH2 — CH3
│
CH3
2,2 – диметилпентан
C2H5
│
H3C — CH — CH — CH3
│
CH3
2,3 –диметилпентан
(триметилпропилметан) (метилэтилизопропилметан)
Стр.10
10
Молекулы бутана и изобутана, имея одинаковый состав, различаются
химическим строением. Такие соединения называются изомерами. Такой
вид изомерии называется структурной изомерией. Цепь молекулы пентана
С5Н12 состоит из пяти атомов углерода.
CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3
н - пентан
CH3
│
CH3 — C — CH3
│
CH3
2,2 - диметилпропан
1.2 Непредельные углеводороды ряда этилена
Алкенами или олефинами называют углеводороды, в молекулах
которых между углеродными атомами имеется одна двойная связь.
Непредельные углеводороды содержат в своей молекуле меньшее
число водородных атомов, чем соответствующие им предельные
углеводороды (с тем же числом углеродных атомов), поэтому их называют
ненасыщенными.
Алкены, как и предельные углеводороды, образуют свой
гомологический ряд с общей формулой СnH2n. Простейшим
представителем этого ряда, его родоначальником, является этилен С2H4.
По названию этого соединения непредельные углеводороды такого ряда
называются также этиленовыми.
В молекуле этилена атомы углерода находятся во втором валентном
состоянии (sp2- гибридизация). В молекуле этилена имеется пять σ-связей
(одна С–С- и четыре С–Н-связи, образованные
sp2- гибридными
орбиталями атома углерода) и одна π-связь (вторая С–С-связь,
образованная негибридизованным 2р-орбиталями):
CH3
│
CH3 — CH2 — CH — CH3
2 - метилбутан
Стр.11
11
Н
σ
σ
Н
С == С
σ
π
σ
Н
структурная формула
σ
или
Н
Н
Н
·· ··
С : : С
·· ··
Н
октетная формула
Согласно систематической номенклатуре названия этиленовых
углеводородов производят из названий соответствующих алканов с
заменой суффикса –ан на –ен. Например: алкан – алкен, этан – этен,
пропан – пропен и т.д. главная цепь должна обязательно содержать
двойную связь. Нумерацию этой цепи начинают с того конца, к которому
ближе двойная связь. Цифру, обозначающую обозначение двойной связи,
ставят после названия цепи, например пентен-1, пентен-2 и т.д. Остальной
порядок составления названий такой же, как и в случае алканов:
1
CH3 — 2C = 3CH — 4CH2 — 5CH — 6CH3
│
│
CH3
CH3
Алкены простого строения часто называют, заменяя суффикс –ан в
предельных углеводородах на –илен: этан – этилен, пропан – пропилен и
т.д. Употребляют иногда и рациональные названия. В этом случае
этиленовые углеводороды рассматривают как замещенные этилена:
Н3С — СН = СН — СН2 — СН3
метилэтилэтилен
Непредельные углеводородные радикалы по систематической
номенклатуре называют, добавляя к корню суффикс –енил: этенил
СН2 = СН —, пропенил-2 СН2 = СН — СН2— . Чаще для этих
радикалов употребляют эмпирические названия – соответственно винил и
аллил.
Кроме изомерии, связанной со строением углеродного скелета (как у
алканов), появляется изомерия, зависящая от положения двойной связи в
2,5-диметилгексен-2
Н
Стр.12
12
цепи. Все приводит к увеличению числа изомеров в ряду алкеновых
углеводородов.
Для бутилена С4Н8 возможны три изомера:
CH3
│
CH2 = CH — CH2 — CH3 CH3— CH = CH — CH3 CH2 = C — CH3
бутен -1
бутен-2 2-метилпропен-1
Первые два изомера отличаются положением двойной связи в
неразветвленной цепи, а третий – характером цепи (изостроение).
Амилен С5Н10 имеет пять изомеров:
CH2 = CH — CH2— CH2— CH3 CH3— CH = CH2— CH3
пентен-1
пентен-2
CH3— C = CH —CH3
│
CH3
CH2 = C —CH2— CH3 CH3— CH — CH = CH2
│
│
CH3
│
CH3
2-метилбутен-2 2-метилбутен-1 3-метилбутен-1
CH3— CH — C = CH — CH — CH2— CH2— CH3
│ │
CH3 CH3
CH3
2,3,5-триметилоктен-3
Однако в ряду этиленовых углеводородов помимо структурной
изомерии возможен еще один вид изомерии – цис-транс-изомерия,
характерный только для соединений с двойной связью. Геометрическая
изомерия является одним из видов пространственной изомерии.
Изомеры, у которых одинаковые заместители расположены по одну
сторону от двойной связи, называются цис-изомерами, а по разную –
транс-изомерами:
Н
Н
С == С
Н3С
СН3
цис-бутен-2
Н3С
Н
С -== С
Н
транс-бутен-2
СН3
Стр.13
13
1.3 Непредельные углеводороды ряда ацетилена
Ненасыщенные углеводороды, содержащие в молекуле одну
тройную связь, называются ацетиленовыми углеводородами или
алкинами. Общая формула таких соединений, как и у диеновых
углеводородов, СпН2п-2.
Первый основной представитель гомологического ряда ацетиленовых
углеводородов – ацетилен (этин) С2Н2.
Известно, что тройная связь в молекуле ацетилена представляет собой
сочетание одной σ- и двух π-связей. Атомы углерода, связанные тройной
связью, находятся в третьем валентном состоянии (sp-гибридизация), т.е.
из четырех орбиталей (одна 2s- и три 2р-) гибридизованны только две
(2s- и 2р-). Все четыре атома в молекуле ацетилена расположены на одной
прямой линии, представляющей собой ось трех σ-связей, образованных
гибридными орбиталями атомов углерода (рис. 4):
Н — С ≡ С — Н
структурная
формула
Н : С ::: С : Н
электронная
формула
По систематической номенклатуре ацетиленовые углеводороды
называют, заменяя в названиях парафинов суффикс –ан на –ин. Главная
цепь должна обязательно включать тройную связь, которая определяет и
начало нумерации цепи, т.е. цепь нумеруют с того конца, к которому
ближе расположена тройная связь. По рациональной номенклатуре эти
соединения называют, как производные ацетилена:
1СН ≡ 2С — 3СН2 — 4СН3
бутин-1, или этилацетилен
1СН ≡ 2С — 3СН — 4СН3
│
СН3
3-метилбутин-1, или
изопропилацетилен
1СН3—2 С ≡ 3С—4 СН3
бутин-2, или диметилацетилен
5СН3 — 4СН — 3С ≡ 2С — 1СН3
│
СН3
4-метилпентин-2, или метил
изопропилацетилен
Стр.14
14
Изомерия ацетиленовых углеводородов определяется двумя
факторами: строением основной углеродной цепи и положением в ней
тройной связи. Структурная изомерия в ряду ацетилена начинается с
углеводорода С4Н6.
1.4 Кислородсодержащие соединения. Спирты
К кислородсодержащим органическим соединениям относят спирты,
альдегиды и кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры.
Спирты, или алкоголи, - производные углеводородов, в молекулах
которых один или несколько атомов водорода замещены на
соответствующее число гидроксильных групп ( —ОН). Общая
формула спиртов R—ОН.
Характер алифатического радикала определяет насыщенность или
ненасыщенность спиртов, а от числа гидроксильных групп, содержащихся
в молекуле спирта, зависит его атомность: спирты бывают одноатомные
(I), двухатомные (II), трехатомные (III) и многоатомные (IV):
СН3 — СН2ОН НОСН2 — СН2ОН
І этиловый спирт
ІІ этиленгликоль
НОСН2— (СНОН)4— СН2ОН
IV гексит
В зависимости от характера углеродного атома (первичный,
вторичный или третичный), с которым связана гидроксильная группа,
различают спирты первичные (I), вторичные (II) и третичные (III):
R
R
R — CH2OH (I) CH — OH (II) R′ ─ C—OH (III)
R
R″
Предельные одноатомные спирты имеют общую формулу
СпН2п+1ОН.
НОСН2— СНОН — СН2ОН
ІІІ глицерин
Стр.15