Дихлоретилен 1,1,2,2-тетрахлоретан 1 страница

Таблиця 1

Деякі органічні сполуки

№	Природні речовини	Синтетичні речовини
1.	Вуглеводи	Пластмаси
2.	Білки	Багато лікарських препаратів
3.	Жири та масла	Інсектициди
4.	Вітаміни	Багато барвників

Причина такого явища, що атоми Карбону здатні утворювати таку велику кількість різноманітних природних і синтетичних сполук, полягає в унікальній здатності карбону до утворення зв’язків між атомами, що приводить до виникнення різноманітних розгалужених та циклічних структур. Крім того, атоми Карбону здатні утворювати прості, подвійні і потрійні зв’язки один з одним.

Органічні сполуки можна класифікувати: 1) за структурою їхнього карбонового каркасу. В основі такої класифікації лежать чотири головних класи органічних сполук(аліфатичні сполуки, аліциклічні сполуки, ароматичні сполуки і гетероциклічні сполуки); 2) за функціональними групами.

2. Основні класи оганічних сполук

В основі будови даного навчального посібника лежить класифікація органічних сполук за функціональними групами. За цією класифікацією основними класами органічних сполук є:

1. Вуглеводні насичені, ненасичені, ароматичні - R– H; Ar – H

2. Галогеновуглеводні - R – Х

3. Гідроксисполуки (спирти, феноли та їх похідні) - R– ОН; Ar – ОН

4. Етери R– O– R’

5. Оксосполуки (альдегіди і кетони) - R–С=О; Ar –С = О; R–С=О

Н Н R

6. Карбонові кислоти - R–С=О

ОН

7. Гідроксикарбонові кислоти - R–СН –С=О

ОН ОН

8. Оксокарбонові кислотикислоти - R–С –С=О

О ОН

9. Вуглеводи Сn(Н₂О)m

10. Нітросполуки (аміни, аміноспирти, амінокислоти, білки)

11. Гетероциклічні сполуки.

3. Номенклатура органічних сполук

Існує декілька способів найменування органічних сполук: тривіальна, раціональна та систематична номенклатури.

Тривіальні назви звичайно пов’язані з джерелами, першими способами добування речовин, іменами вчених або є випадковими.

Раціональна номенклатура розглядає сполуку як похідну від найбільш простого представника даного гомологічного ряду, що утворений заміною атомів Гідрогену на інші групи. Вона знайшла застосування для найменування відносно простих органічних сполук.

Найбільш зручною номенклатурою, що дає можливість називати любі сполуки, є систематична номенклатура органічних сполук. Найчастіше систематичні назви грунтуються на принципі заміщення, тобто будь-яка сполука розглядається як нерозгалужений вуглеводень - ациклічний чи циклічний, в молекулі якого один або декілька атомів Гідрогену заміщені іншими атомами і групами, в тому числі вуглеводневими залишками. З розвитком органічної хімії систематична номенклатура постійно вдосконалюється і доповнюється; за цим слідкує комісія з номенклатури Міжнародної спілки теоретичної і прикладної хімії (Internation Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC).

4. Механізми органічних реакцій

Хімічні реакції відбуваються за такими механізмами (розщепленнями зв’язків) – гомолітичними і гетеролітичними.

4.1. Гомолітичне розщеплення

Розщеплення такого типу відбувається таким чином, що усуспільнені електрони при розриванні зв’язку розподіляються нарівно між двома атомами:

׀ ׀ ׀ ׀

―С: С― ―С^· + _·С ―

׀ ׀ ׀ ׀

В результаті такого розщеплення утворюються частинки, які називаються радикалами. Радикали являють собою проміжні продукти реакції і існують лише в ту мить, коли відбувається розщеплення зв’язку.

Гомолітичне розщеплення може відбуватися не лише між простими карбон – карбоновими зв’язками. Воно може відбуватися і з іншими простими ковалентними зв’язками. Наприклад:

С: CI C^•+ _•CI

Гомолітичне розщеплення зв’язку звичайно відбувається в реакціях, що протікають у газовій фазі або в неполярних розчинниках. Такі реакції часто каталізуються світлом або присутністю інших радикалів.

4.2. Гетеролітичне розщеплення

Розщеплення такого типу відбувається таким чином, що обидва усуспільнених електрона при розриванні зв’язку розподіляються між двома атомами не нарівно, а повністю переходять до одного з них. В результаті такий атом дістає негативний заряд. Другому атому тепер невистачає електрона, і, таким чином, він дістає позитивний заряд. Молекулярна частинка, що містить атом Карбону з негативним зарядом, називається карбаніоном, а друга частинка з позитивно зарядженим атомом Карбону,називається карбкатіоном.

Наприклад:

R C C R' R C‾ + ⁺C R'

карбаніон карбкатіон

Іони, що утворюються при гетеролітичному розщепленні, звичайно є лише проміжними продуктами реакції. Тому, як і радикали, вони мають дуже невелику тривалість життя. Органічні реакції, що здійснюються в результаті гетеролітичного розщеплення зв’язку, приводять до утворення іонів, тому краще протікають в полярних розчинниках.

5. Фактори, що впливають на реакційну здатність

органічних сполук

На розривання зв’язку, а таким чином, на реакційну здатність органічних сполук, впливає цілий ряд факторів, а саме: температура, тиск, ступінь подрібненості речовини, наявність каталізатора. Розчинники також можуть суттєво впливати на хімічний процес (ефект розчинника). Ефекти розчинника можуть розглядатися як вплив навколишнього середовища на реакційну здатність молекули. Але на реакційну здатність якої-небудь функціональної групи в молекулі може впливати і безпосереднє оточення цієї функціональної групи в самій молекулі (так зване хімічне оточення). Вплив такого типу називають структурним ефектом.

Структурні ефекти в самій молекулі поділяються на дві різновидності: електронні ефекти та стеричні ефекти.

Електронні ефекти

Електронні ефекти теж бувають декількох типів. Найбільш важливими з них є два: індуктивний та мезомерний (резонансний) ефект.

Індуктивний ефект. Цей ефект виникає тільки в простих ковалентних зв’язках між неоднаковими атомами. Через різну електронегативність таких атомів подібні зв’язки звичайно поляризовані. Наприклад, зв’язок між атомами Карбону і Хлору. Такий зв’язок можна схематично показати таким чином:

С^d⁺ СІ^d^-

Замість цього поляризацію зв’язку можна показувати стрілкою:

С СІ

В даному випадку стрілка показує, що атом Карбону відштовхує сполучені електрони, а атом Хлору з-за більшої електронегативності притягує сполучені електрони. Тому на атомі Хлору зосереджується більша електронна густина, а на атомі Карбону утворюється недостатня електронна густина. Це зміщення (зсув) електронної густини від одного атома до другого і поляризація зв’язку, що виникає в результаті, називається індуктивним ефектом.

Ті атоми і групи атомів, які мають більшу електронегативність, ніж Карбон, в зв’язках з ним відтягують від нього електрони. Це відтягування електронів називаєть ся негативним індуктивним ефектом або– I-ефектом. Інші атоми і групи, які менш електронегативні по відношенню до Карбону, навпаки, поступаються елекронами атому Карбону в зв’язках з ним. Така ситуація (а вона зустрічаєтьсяне так часто)називається позитивним індкутивним ефектом або + I- ефектом. Позитивним індуктивним ефектом володіють алкільні групи. Цей ефект тим більше, чим більше число алкільних груп, що приєднані до атома Карбону.

Мезомерний ефект. Ці ефекти виникають в молекулах з кратними зв’язками і поширюютьсяпо p-орбіталях.Мезомерний ефект проявляється в перерозподілу p-електронів і приводить до стабілізації молекул і деяких радикалів, а також карбаніонів та карбкатіонів. Мезомерний ефект має важливе значення для спряжених систем.

Прикладом може бути 1,3 – бутадієн. В такій системі мезомерний ефект передається по супряженому ланцюгу атомів Карбону. Електронну будову 1,3-бутадієну можна представити як гібрид двох резонансних структур.

Мезомерний ефект також характерний для сполук, що містять карбонільну групу.

Стеричні ефекти

Найбільш важливим прикладом впливу стеричних факторів на реакційну здатність органічних сполукє стерична перешкода. Стерична перешкода може виникнути в тих випадках, коли молекула має об’ємисті групи, які механічно перешкоджають протіканню реакції.

Стеричні перешкоди виключають вільне внутрішньомолекулярне обертання навколо більшості карбон-карбонових зв’язків.

Хімічна реакція між двома реагентами може розглядатися як атака однієї частинки на другу. При такому підході частинка, що атакує, вважається реагентом, а частинка, яку атакують, - субстратом. Субстрат – це реагент, що містить атоми, з якими утворюються нові зв’язки, або у яких розриваються зв’язки.

Реагенти в органічних реакціях розділяються на нуклеофіли і електрофіли. Слово нуклеофіл означає “той, що любить ядра”, а слово електрофіл означає “той, що любить електрони”.

Нуклеофіл – це частинка, яка атакує атом Карбону, віддаючи йому електронну пару.

Електрофіл – це частинка, яка атакує атом Карбону, віднімаючи від нього електронну пару.

6. Типи хімічних реакцій

1. Реакції заміщення (Substitution; індекс S). В цих реакціях який-небудь атом або група атомів заміщюється іншим атомом або групою атомів:

Н Н Н Н

R C C R' + АВ R C C R' + НВ

Н Н А Н

2. Реакції приєднання (Addition; індекс A або Ad). В цих реакціях відбувається приєднання електрофілу або нуклеофілу до ненасиченого атома Карбону:

С = С + АВ С С

А В

3. Реакції відщеплення, або елімінування (Elimination; індекс E). Ці реакції є зворотними по відношенню до реакцій приєднання. Вони приводять до видалення яких-небудь атомів або групи атомів від двох атомів Карбону, що зв’язані між собою простим ковалентним зв’язком, в результаті чого між ними виникає кратний зв’язок:

R R" R R"

R'С С R* АВ + С С

А В R' R*

4. Міжмолекулярні перегрупування

R R" R R"

R'C C Rײ R' C C Rײ

А В B A

7. Функціональний аналіз

Функціональний аналіз на відміну від елементного не потребує розкладу речовини і руйнування всіх зв'язків у молекулі. Навпаки, специфічні реакції на окремі функціональні групи здійснюються за достатньо м'яких умов — за кімнатної температури або незначного нагрівання — коли в реакцію вступає лише функціональна група, не зачіпаючи у цьому разі інших зв'язків у молекулі.

Вимоги, що висуваються до характерних реакцій на функціональні групи, практично збігаються з вимогами до іонних реакцій в неорганічному аналізі: найбільша специфічність до аналізованої групи, швидкий перебіг реакції, що супроводжується характерними візуальними ефектами — випадінням осаду, виділенням газів (поява характерного запаху), зміною розчинності сполуки, що досліджується, а найчастіше в органічному аналізі — зміною забарвлення розчину (зникненням чи появою характерно забарвлених сполук).

Наприклад, характерними реакціями на ненасичені зв'язки є знебарвлення бромної води або розбавленого розчину Калій перманганату за кімнатної температури. Для того щоб відрізнити первинні, вторинні і третинні нітросполуки, застосовується взаємодія їх з нітритною кислотою, що в перших двох випадках зумовлює утворення забарвлених у різні кольори відповідно нітролових кислот і псевдонітролів. Оксосполуки ідентифікуються у вигляді кристалічних осадів заміщених фенілгідразонів, що утворюються в результаті взаємодії альдегідів і кетонів із заміщеними фенілгідразинами. Досить широко в органічному аналізі застосовується комплексоутворення. Так, спирти визначають у вигляді забарвлених комплексів з церійаммонійнітратом, феноли — з Ферум (ІІІ) хлоридом, кетони — з Натрій нітропрусидом, фруктозу — з амоній молібдатом тощо.

Наявність у молекулі кількох функціональних груп у результаті їх взаємного впливу іноді значно ускладнює проведення функціонального аналізу.

Лекція № 2

Насичені вуглеводні

ПЛАН

1. Насичені вуглеводні.

1.1.Ізомерія, номенклатура.

1.2. Фізичні властивості

1.3. Хімічні властивості

1.4. Способи добування

1.5. Застосування. Окремі представники.

1.Алканами або насиченими вуглеводнями називають вуглеводні, в молекулах яких атоми Карбону сполучені один з одним простими (ординарними) зв’язками, а всі валентності карбонових атомів, які не приймають участі в їх взаємному сполученні, утворюють зв’язки з атомами Гідрогену.

Алкани утворюють гомологічний ряд сполук, що відповідають загальній формулі С_nН₂_n₊₂.

1.1.Ізомерія та номенклатура насичених вуглеводнів

У збудженому стані атом Карбону має чотири неспарені електрони 2s¹2p_x¹2p_y¹2p_z¹, однак у разі сполучення з чотирма іншими атомами не використовуються одна 2s-орбіталь і три 2p-орбіталі, оскільки це зумовило б утворення трьох взаємноперпендикулярних зв’язків (за рахунок трьох 2p-орбіталей) і одного зв’язку, відмінного від них, який не має напрямленості)за рахунок сферично симетричної 2s-орбіталі). Насправді, чотири С–Н зв’язки, наприклад, у метані, рівноцінні й розміщені симетрично (тетраедрично) під кутом 109⁰28^´ один відносно одного. Це пояснюється тим, що одна 2 s - і три 2 p -орбіталі об’єднуються так, щоб утворити чотири нові (ідентичні) орбіталі, спроможні дати міцніші зв’язки.

Ці орбіталі напрямлені до вершин тетраедра – такого розміщення, коли орбіталі максимально віддалені одна від одної. Такі нові орбіталі називаються sp³ – гібридизованими атомними орбіталями.

Три перші сполуки гомологічного ряду насичених вуглеводнів (ряду метана) не мають ізомерів. Починаючи з бутану спостерігається ізомерія карбонового ланцюга (структурна ізомерія):

СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃ СН₃ – СН – СН₃

н -Бутан СН₃

Ізобутан

Із збільшенням числа атомів Карбону в молекулі алкану число ізомерів швидко зростає; так, для вуглеводню С₆Н₁₄ можна написати 5 ізомерів, для С₁₀Н₂₂ – 75.

Ізомери з нерозгалуженими карбоновими ланцюгами називають вуглеводнями нормальної будови. Наведена формула бутану називається структурною. СН₃ СН₃

СН₃– СН – СН₂– С – СН₃

СН₃

Як можна бачити, в молекулах ізомерів не всі карбонові атоми однакові за своїм положенням в молекулі. Кожний з атомів Карбону, що витратив тільки по одному валентному зв’язку на сполучення з іншим атомом Карбону, називають первинним карбоновим атомом. Атом Карбону, що витратив на сполучення з іншими атомами Карбону два валентних зв’язки, називають вторинним карбоновим атомом. Атом Карбону, що витратив на сполучення з іншими атомами Карбону три валентних зв’язки, називають третинним карбоновим атомом. Атом Карбону, що витратив на сполучення з іншими атомами Карбону чотири валентних зв’язки, називають четвертинним карбоновим атомом.

1.2. Фізичні властивості алканів

Алкани з числом атомів Карбону від одного до чотирьох за нормальних умов – це безкольорові гази. Алкани з числом атомів Карбону від 5 до 16 за нормальних умов – рідини, а алкани з числом атомів Карбону від 17 і вище – тверді речовини. Усі алкани не розчинні у воді та інших полярних розчинниках, але розчинні у неполярних розчинниках (бензен, хлороформ тощо). Температури плавлення та кипіння алканів систематично зростають із збільшенням в їхніх молекулах числа атомів Карбону.

1.3. Хімічні властивості алканів

Для алканів характерна інертність у хімічному відношенні — за звичайних температур не взаємодіють із сильними кислотами (наприклад, з концентрованою сульфатною кислотою), з сильними основами (наприклад, натрій гідроксидом), з сильними окисниками (наприклад, з Калій перманганатом), із сильними відновниками (наприклад, з натрієм). Причина хімічної інертності алканів в особливості будови їхніх молекул. Усі насичені вуглеводні містять тільки ковалентні s-зв’язки.

Кожна пара атомних орбіталей, що перекриваються, являє один s-зв’язок.

1. Реакції заміщення.

1.1. Реакції з хлором. В особливих умовах (як правило, жорстких) алкани вступають у реакції заміщення. В цих реакціях відбувається гомолітичне розщеплення ковалентних зв’язків, що означає, що реакція здійснюється за радикальним механізмом.

За умов, які сприяють утворенню радикалів (високі температури або дія УФ-випромінювання) алкани легко атакуються галогенами. Наприклад, суміш метану з хлором на сонячному світлі вибухає, в результаті чого утворюється суміш хлорметану, дихлорметану, трихлорметану і тетрахлорметану.

Ця реакція є прикладом фотохімічної ланцюгової реакції. Вона здійснюється в три стадії: ініціювання, розвиток ланцюга і обрив ланцюга.

Ініціювання (зародження ланцюга). Ця стадія являє собою гомолітичне розщеплення молекули хлору з утворенням радикалів Хлору:

_h_n

CI₂2CI^•

Розвиток ланцюга. Ця стадія включає безліч реакцій, що приводять до утворення таких продуктів, як СН₂СІ₂, СН₃СІ, СНСІ₃, ССІ₄. Наприклад,

CН₄ + CI^• ® СН₃^• + НСІ

СН₃^• + CI₂ ® СН₃СІ + CI^•

СН₃СІ + CI^• ® СН₂СІ^•+ НСІ

СН₂СІ^•+ CI₂ ® СН₂СІ₂ + CI^•

Обрив ланцюга. Ця стадія наступає, коли два радикали з’єднуються один з одним. Енергія, що виділяється при цьому процесі, передається якому-небудь третьому тілу. Ним може бути люба молекула, що присутня в реакційній системі, або стінка реакційної посудини. Стадія обриву ланцюга включає такі реакції: