Курс лекций по органической химии

[Кулясов Сергей]

Эти лекции могут быть полезны студентам второго курса специальности 270900. Даны основы органической химии.

СевКавГТУ

Автор - Серов А.В.

Здесь только вводная лекция и содержание, для просмотра остального – качайте прикрепленный файл.


Содержание

Глава 1 ВВЕДЕНИЕ

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ.

Глава 3. АЛИФАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ. АЛКАНЫ (ПАРАФИНЫ, ПРЕДЕЛЬНЫЕ, НАСЫЩЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ)

Глава 4. АЛКЕНЫ (ОЛЕФИНЫ, ЭТИЛЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ)

ГЛАВА 5 АЛКАДИЕНЫ (ДИЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ)

Глава 6. АЛКИНЫ (АЦЕТИЛЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ)

ГЛАВА 7. КАРБОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ АЛИЦИКЛИЧЕСКИЙ РЯД

ГЛАВА 8. КАРБОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ С ОДНИМ БЕНЗОЛЬНЫМ КОЛЬЦОМ (АРЕНЫ)

ГЛАВА 9. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДОВ ГАЛОГЕНОПРОИЗВОДНЫЕ




ГЛАВА 1.
ВВЕДЕНИЕ
Органическая химия может быть определена как наука, изучающая соединения углерода или углеводороды и их производные.
Название «органическая химия» сохранилось с того времени, когда все известные вещества делили на неорганические (составляющие неживую природу) и органические (представляющие растительный и животный мир).
Выделение органической химии в самостоятельную научную дисциплину обусловлено большим числом и многообразием соединений углерода, наличием специфических свойств, отличающих их от соединений других элементов и, наконец, их исключительным значением в жизни человека.
В настоящее время известно несколько миллионов органических соединений, в то время как соединений неорганических меньше миллиона.
Превращения органических соединений управляются общими законами химии, а также специфическими закономерностями, характерными только для органических соединений.
Органические соединения обычно менее стойки, чем неорганические, легче окисляются, подавляющее большинство из них имеет только ковалентные связи между атомами.
Органическая химия изучает более высокоорганизованную материю, чем неорганическая химия, и тесно связана с биохимией, биологией, экологией, химией пищевых продуктов, биотехнологией.
Органические соединения составляют основу многих отраслей химической и пищевой промышленности.
Развитие теоретических представлений в органической химии может быть разделено на три периода:
1) теория радикалов (Дюма, Либих, Берцелиус)
2) теория типов (Дюма, Лоран, Жерар)
3) теория химического строения (Бутлеров, Купер, Кеккуле)
Начиная с 1858 (1861) года А.М. Бутлеров развивает и экспериментально обосновывает теорию химического строения, основываясь на атомистическом учении М. В. Ломоносова и Дальтона. Эта теория остается основополагающей до настоящего времени. Основные идеи теории могут быть кратко изложены следующим образом:
1. В молекулах соединений существует определенный порядок связи атомов, который и носит название строение.
2. Химические свойства соединения определяются свойствами и строением его молекулы.
3. Различное строение при одном и том же свойстве и молекулярной массе вещества обуславливает явление изомерии.
4. Так как при отдельных реакциях изменяются не все, а только некоторые части молекул, то, изучая продукты химических превращений соединения, можно установить его строение.
5. Химический характер (т.е. реакционная способность) 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 друг с другом атомов. Взаимное влияние атомов, не связанных непосредственно, обычно проявляется значительно слабее.

В конце Х1Х века теория химического строения обогатилась стереохимическими представлениями (Вант-Гофф, Ле-Бель), а с начала ХХ века в органическую химию внедряются электронные представления (Томсон, Коссель, Льюис, Инголь, Робинсон, Полинг). Вторая половина ХХ века ознаменовалась широким использованием в органической химии квантово-механических представлений.
Большой вклад в развитие органической химии внесли отечественные ученые: А.М.Бутлеров, Н.Н.Зинин, В.В.Марковников, Е.Е.Вагнер, А.Е.Фаворский, Н.Д.Зелинский, М.Т.Кучеров, С.В.Лебедев, В.М.Родионов, А.Н.Несмеянов, Н.Н.Семенов и др.

1.2. Основные сырьевые источники органических соединений
Наиболее важным источником органических соединений является нефть, состоящая в основном из смеси углеводородов различного строения. Кроме углеводородов в нефти содержатся разнообразные серу- и(или) азотсодержащие органические соединения. Нефть различных месторождений различается по составу. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность – источники широкого ассортимента органических соединений.
Большие запасы органических соединений, в основном метана, имеются в природном газе. Однако в основном нефть и газ используются как топливо, а не как источники химического сырья, что крайне нерационально.
Все виды каменного угля содержат помимо углерода много сложных органических соединений, в составе которых обнаружены С, Н, О, N, S. Большая часть ароматических соединений добывается из каменноугольного дегтя.
Богаты органическими веществами торф, битуминозные и горючие сланцы. Растительный и животный мир нашей планеты – также богатый источник органических веществ. Например, в нашей стране этиловый спирт получают сбраживанием глюкозы, образующейся при гидролитическом расщеплении клетчатки (из древесины) или крахмала (из хлебных злаков и картофеля). Из глюкозы синтезируют витамин С и лимонную кислоту. Скипидар и канифоль производят из древесины хвойных пород; витамин А, цитраль и другие душистые вещества – из эфирных масел.
В настоящее время имеется тенденция резко уменьшить использование пищевого сырья в химической промышленности на основе применения новых синтетических методов органической химии.

1.3. Классификация органических соединений
К настоящему времени известно более 10 млн. органических соединений. Каждый год химики синтезируют и выделяют из природных источников сотни тысяч новых соединений. Чтобы ориентироваться в этом многообразии, органические соединения принято классифицировать.
Органические соединения делят на три большие группы (ряды) в зависимости от строения углеродного скелета.
1. Ациклические соединения (соединения алифатического, жирного ряда) – углеродный скелет состоит из открытой цепи атомов углерода.
2. Карбоциклические соединения – углеродный скелет состоит из цепей атомов углерода, замкнутых в цикл. Эта группа делится на две подгруппы – алициклические и ароматические.
3. Гетероциклические соединения – циклические соединения, в состав циклов которых входят наряду с атомами углерода атомы других элементов периодической системы.
Внутри каждой из этих групп соединения классифицируют по классам согласно соответствующим функциональным группам, присутствующим в соединении.
Функциональными группами называют атомы (заместители) или группы атомов, обуславливающие особенности химического поведения данной группы органических соединений и определяющие принадлежность этой группы соединений к соответствующему классу.
Наиболее простыми классами соединений каждого ряда являются углеводороды. Заменяя атомы водорода в углеводородах на другие атомы или функциональные группы, переходят к другим классам органических соединений данного ряда. Внутри каждого класса проводится деление на гомологические ряды.
Гомологическим рядом называют бесконечный ряд веществ отличающихся друг от друга на любое число групп -СН2- (гомологическую разность (СН2)n), имеющих сходное строение и, следовательно, сходные химические свойства.
В гомологических рядах существуют соединения, имеющие одинаковый состав, но разное строение. Такие соединения называются изомерами. Поэтому для органической химии очень важно знать не только состав, но и порядок соединения атомов в молекуле. Явление изомерии заставило для записи органических молекул использовать структурные формулы.
Для записи структурных формул молекул используются 4 основных свойства углерода:
1) четырехвалентность,
2) способность образовывать цепи последовательно соединенные друг с другом,
3) способность образовывать двойные и тройные связи,
4) способность образовывать циклы.
В настоящее время считается общепринятым, что одна прямая линия, соединяющая два атома, обозначает одну двухэлектронную связь (простая связь), на образование которой затрачивается по одной валентности от каждого из связанных атомов, две линии – двойную связь, три линии – тройную связь.
Например:

Для экономии времени и места чаще применяют сокращенные формулы, в которых часть связей подразумевается, но не пишется (связи между углеродом и водородом):

Иногда, особенно в карбоциклических и гетероциклических рядах, формулы еще более упрощаются: не пишутся не только некоторые связи, но и символы атомов углерода и водорода, составляющих цикл, которые лишь подразумеваются в местах пересечения связей (в углах циклов):

Таблица 1.1.
Наиболее распространенные функциональные группы и классы органических соединений.

Если в соединениях имеются несколько различных функциональных групп, то такие соединения называются соединениями со смешанными функциями или гетерофункциональными

1.4. Номенклатура органических соединений
При огромном числе органических соединений согласованные правила их наименования, т.е. номенклатура, имеют первостепенное значение. Особенно это важно для обозначения изомеров. В практике органической химии такие единые международные правила были приняты сравнительно недавно. Первая попытка была предпринята в 1892 г в Женеве (международный химический конгресс), следующая - в Льеже в 1930 г (IUPAC) и в 1957 г (номенклатура IUPAC, систематическая или международная, ИЮПАК).
В химической литературе встречаются органические соединения называемые в соответствии с требованиями тех номенклатур, которые появлялись на определенных стадиях развития органической химии и не утратившие своего значения до настоящего времени. Основные требования к названию органического соединения – простота, наглядность, однозначность, системность. Поэтому в каждом конкретном случае химики обычно выбирают наиболее удобную номенклатуру, иногда смешанную. Однако, по возможности, необходимо следовать номенклатуре IUPAC (ИЮПАК).
1.4.1. Тривиальная номенклатура
Данная номенклатура появилась на заре развития органической химии как науки. Согласно ее принципам, название органическим соединениям давалось первооткрывателем без учета строения молекул. Чаще всего название соответствовало:
- источнику получения (лимонная, винная, яблочная кислота)
- способу получения (пировиноградная кислота)
- предложению первооткрывателя (кетон Михлера, барбитуровая кислота).
Данная номенклатура продолжает развиваться и в наши дни. Она используется для обозначения сложных соединений: капрон, лавсан и т.д. Такие названия, как и общепринятые тривиальные названия простых соединений необходимо выучить наизусть: метан, этилен, ацетилен, бензол, анилин, индиго, уксусная кислота и т.д.
1.4.2. Рациональная номенклатура
Этот тип номенклатуры возник позже, чем тривиальная. Он дает возможность называть только достаточно простые органические соединения. Рациональные названия подчеркивают принадлежность соединения к тому или иному классу органических веществ.
За основу берется название простейшего представителя класса (родоначальника гомологического ряда) по тривиальной номенклатуре или функциональной группы.
Первыми в названии перечисляются радикалы, связанные с выбранной основой, в порядке от простых к сложным. При необходимости указывается их количество при помощи приставок: ди-, три-, тетра- и т.д.
Положение заместителей у выбранной основы указывают буквами латинского алфавита или словами «симметричный» (симм), «несимметричный» (несим), орто- (о-), мета- (м-), пара- (п-), буквами N-(у азота), О- (у кислорода) и т.д.
Названия радикалов в рациональной номенклатуре в подавляющем большинстве совпадают с номенклатурой ИЮПАК:

1.4.3. Номенклатура ИЮПАК.
Непригодность принципов рациональной номенклатуры для наименования полифункциональных, элементоорганических, циклических, гетероциклических соединений побудила химиков разработать принципы новой номенклатуры.
Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) разработал и предложил в качестве официальной научной номенклатуры – номенклатуру ИЮПАК.
В основу названия соединения по этой номенклатуре положена углеродная цепь молекулы, содержащая максимальное число функциональных групп.
1.4.3.1. Номенклатура ИЮПАК для алифатических углеводородов.
Для построения названия по номенклатуре ИЮПАК необходимо основываться на следующих понятиях:
1. Углеродной цепью называется последовательное соединение атомов углерода друг с другом. В составе цепи находятся углеродные атомы, которые разделяют на первичные, вторичные, третичные и четвертичные. Первичными углеродными атомами называют те углеродные атомы, которые затрачивают на соединение с другими углеродными атомами 1 валентность (1?-связь), вторичными – две, третичными – три, четвертичными – четыре. Углеродная цепь начинается первичным углеродным атомом, первичным и заканчивается.
2. Следует различать понятие «радикал» в номенклатуре как замещающую группу, свободная валентность которой обозначается черточкой (СН3–), и радикал как реальную реакционную частичку, которая содержит неспаренный электрон, обозначаемый точкой (СН ). Радикалы алифатического ряда изображают общим символом R(алкил), ароматического – Ar(арил).

Таблица 1.2.

Названия в скобках используются в рациональной номенклатуре.
Названия одновалентных радикалов обычно производят от названий соответствующих предельных углеводородов заменой суффикса ан на ил (этан – этил), либо добавлением суффикса ил к названию непредельного углеводорода (этен – этенил). Наряду с такими названиями сохраняются и тривиальные (аллил, винил, амил).
3. Наиболее часто встречающиеся одновалентные углеводородные радикалы в порядке возрастания старшинства (сложности) приведены в таблице 1.2.
4. Первые четыре члена гомологического ряда предельных углеводородов (алканов) сохранили тривиальные названия.
5. Неразветвленные гомологи, содержащие пять и более углеродных атомов называют по греческим и латинским числительным с добавлением суффикса «ан».
6. а). Для построения названия разветвленного изомера выбирают самую длинную углеродную цепь. Выбранная цепь нумеруется с того конца, где ближе расположены радикалы-заместители.
б). Первыми в названии перечисляются заместители в алфавитном порядке с указанием положения их в цепи цифрой. Если имеются одинаковые заместители, то их называют одновременно с указанием положения каждого из них цифрой, а количества – словом.
в). Последним в названии указывается углеводород, соответствующий выбранной цепи:

2,7-диметил-5-изопропил-4-этил нонан
(При записи названий органических соединений необходимо помнить: цифры от слова отделяются дефисами, а между цифрами ставятся запятые).
Для названия сложных радикалов, также используют нумерацию цепи:

5-(1-метил-2-этилбутил)-3,4-диметил-7-изопропилдекан
7. Для непредельных углеводородов выбирают самую длинную цепь, содержащую ?-связи и нумеруют с того конца, где ближе расположена эта связь. Двойная связь при нумерации имеет предпочтение перед тройной связью и радикалом.
Для обозначения двойной связи используют суффикс «ен», а для тройной – «ин», причем цифрой показывают у какого углеродного атома начинается ?-связь.

4-бутил-5-метил-2-гептен-6-ин

8. Номенклатура ИЮПАК для функциональных производных углеводородов.
Для названия соединений содержащих функциональные группы за основу выбирается самая длинная углеродная цепь, содержащая функциональные группы. Нумерация цепи зависит от природы функциональной группы. Основные функциональные группы в порядке уменьшения старшинства можно расположить следующим образом:
-СООН, -SO3H, -COOR, -СОNН2, -СN, -СНO, =С=О, -ОН, -SH, -NH2, -C=C-, -C?С-, -R, -ОR, -NO2, J, Br, Cl, F.
Функциональная группа в названии может быть обозначена префиксом или суффиксом. Если в молекуле присутствуют различные функциональные группы, то суффиксом обозначается старшая. В этом случае за основу выбирается цепь, содержащая максимальное количество функций (родоначальная структура):

2-этил-6-метокси-3-бром-4-фтор-2-октеновая кислота
Перечисление радикалов и функциональных групп в виде приставок осуществляется в порядке алфавита.

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Составить формулу 2-метил-4-этилгексана и привести в ответе число атомов водорода, содержащихся в молекуле этого соединения.
2. Составить формулу 2,2-диметилбутана и привести в ответе число атомов углерода и водорода, содержащихся в молекуле этого соединения.
3. Сколько атомов углерода и водорода в молекуле триметил-втор-бутилметана?
4. Сколько атомов углерода и водорода в молекуле триметил-пропил-метана?
5. Укажите структурную формулу ди-изопропилди-втор-бутилметана
6. Назовите соединение по международной номенклатуре:

[misha248]

спасибо за столь полезную и оказавшуюся как раз кстати информацию) я одним глазком взглянул, думаю в сессию хорошо поможет при подготовке. правда, за сколько лет никто лучше классических учебников не придумал)