ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ
РАБОТ
По органической химии
для бакалавров
заочной формы обучения
Составители:
В. А. Иванов
Е. С. Сашина
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный университет
технологии и дизайна»
Кафедра теоретической и прикладной химии
ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ
РАБОТ
По органической химии
для бакалавров
заочной формы обучения
Составители
В. А. Иванов
Е. С. Сашина
Санкт-Петербург
УТВЕРЖДЕНО
на заседании кафедры
теоретической и прикладной
химии 02.11.2011 г.,
протокол № 5
Рецензент И. И. Шамолина
Методические указания составлены для проверки подготовки студентов-бакалавров заочной формы обучения по курсу «Химия, ч. 2 (органическая химия)». Весь объем учебного материала разделен на 6 заданий. Каждое из заданий разбито на ряд конкретных задач для усиления самостоятельности овладением материалом дисциплины. Набор задач в индивидуальном варианте контрольной работы студента осуществляется с помощью специальной таблицы. Приведены примеры решения типовых задач и рекомендованная литература.
Составленная таким образом контрольная работа включает в себя весь основной материал из рекомендованных учебных пособий и отвечает требованиям рабочей программы курса органической химии.
Указания предназначены для бакалавров технологических специальностей профиля текстильной, швейной и кожевенно-обувной отраслей легкой промышленности, обучающихся в СПГУТД.
ВВЕДЕНИЕ
Органические соединения прочно вошли в качестве сырья в различные отрасли легкой промышленности и составляют основу таких отраслей, как производства искусственных и синтетических волокон, нетканых материалов, синтетических каучуков и резин, клеев, красителей, натуральных и синтетических моющих средств, моторного и дизельного топлива, смазочных материалов, лаков, растворителей, пластмасс и т. д.
Курс органической химии состоит из двух частей: теоретической (лекционный курс) и практической (лабораторные занятия). Предполагается, что студенты заочной формы обучения вначале слушают вступительную лекцию, которая ориентирует в выборе учебного пособия по изучаемой дисциплине и объясняющую основные правила написания контрольной работы. Кроме того, на этой лекции кратко излагается использование современной (1971 г.) систематической номенклатуры органических соединений IUPAC. После самостоятельного изучения органической химии в течение семестра и успешного написания контрольной работы студенты во время сессии осваивают лабораторный практикум по предложенным методическим указаниям и обновляют на лекциях теоретические знания в нужном объеме для сдачи экзамена. Необходимыми условиями допуска к сдаче экзамена являются в требуемый срок зачтенная контрольная работа и защищенные результаты лабораторных работ.
В целях проверки самостоятельного усвоения теоретической части органической химии студентам заочной формы обучения предлагается выполнить контрольную работу, включающую 6 заданий, в каждом из которых 2 задачи (вопроса). Данные методические указания содержат всевозможные варианты заданий контрольной работы, которые студенты находят, руководствуясь специальной таблицей (с. 5). Для определения номеров заданий, которые необходимо выполнить конкретному студенту в контрольной работе, он должен:
1) в первой колонке с буквами алфавита найти буквы, с которых начинаются его фамилия, имя и отчество;
2) во второй и третьей колонках найти первые два номера своих заданий против начальной буквы фамилии;
3) в четвертой и пятой колонках отыскать свои номера третьего и четвертого заданий против начальной буквы имени;
4) в шестой и седьмой колонках найти против начальной буквы своего отчества номера двух последних заданий контрольной работы. Если отчества в паспорте нет, то используют еще раз букву имени.
Так, для студентки заочного обучения технологической (швейной, кожевенно-обувной) специальности Петровой Нине Антоновне выполняются в контрольной работе задания № 12, 30 (найдены по первой букве ее фамилии «П»); 46, 64 (найдены по первой букве ее имени «Н»); 73, 91 (найдены по первой букве ее отчества «А»).
При выполнении работы студенты должны соблюдать следующие безусловные требования (их невыполнение часто приводит к отсылке контрольной работы на переделку как незачтенную):
1. На обложке отдельной тетради, выделенной для контрольной работы, написать изучаемый предмет, фамилию, имя и отчество студента (все полностью), а также указать номер зачетной книжки.
2. Приводить номера и полные тексты задач. Не сокращать и не изменять условия задач (вопросов).
3. Исправления в работах, возвращенных для доработки, необходимо делать в той же самой тетради после подписи рецензента в объеме, указанном для исправления рецензентом.
4. Избегать длинных описаний, решение обязательно должно содержать формулы и химические уравнения. Необходимо указывать условия, при которых осуществляется та или иная реакция.
5. Все органические соединения необходимо изображать с помощью сокращенных структурных формул (например, СН3-СН2-NH2, СН3-СН2-СН2-СООН). Перенос химических формул не допускается.
6. Для всех исходных и конечных органических соединений в химических реакциях, которые были использованы для решения задач, указать либо тривиальные, либо систематические названия.
7. С наружной стороны страниц оставлять широкие чистые поля для замечаний рецензента.
8. Строго выдерживать срок первого выполнения контрольной работы и ее отсылки рецензенту до 01.11.
Курс органической химии состоит из четырех частей: теоретические основы, углеводороды, монофункциональные соединения и полифункциональные соединения (совместно с гетероциклами). Есть учебные пособия с другой разбивкой изучаемого материала (не по функциональным группам, а по рядам, они нами не рекомендуются). Студенты, прочитав рекомендованный учебник «Органическая химия» могут приступать к написанию контрольной работы. После определения в таблице номеров своих задач (их 12 в 6 заданиях) студент находит, что первое задание посвящено изучению предельных углеводородов (алканов) и этиленовых углеводородов (алкенов) [две задачи], а второе задание рассматривает свойства диеновых углеводородов (алкадиенов) и ацетиленовых углеводородов (алкинов) [еще две задачи]. Необходимо понять, что в некоторых задачах разбираются не только химические свойства органических соединений, но и их главные способы получения, а также основное применение.
В третьем задании разбирается материал темы «Ароматические углеводороды» и «Реакции полимеризации» (вместо последних могут встретиться задачи по небольшой теме монофункциональных соединений – «Галогенопроизводные»)[всего две задачи]. В четвертом задании рассмотрены две темы монофункциональных соединений: гидроксисоединения (спирты, фенолы) и оксосоединения (альдегиды, кетоны) [еще две задачи].
Т а б л и ц а. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
| Алфавит | Номера заданий к контрольной работе, определяемые | |||||
| по фамилии | по имени | по отчеству | ||||
| А | ||||||
| Б | ||||||
| В | ||||||
| Г | ||||||
| Д, Е | ||||||
| Ж, З, И | ||||||
| К | ||||||
| Л | ||||||
| М | ||||||
| Н | ||||||
| О | ||||||
| П | ||||||
| Р | ||||||
| С | ||||||
| Т | ||||||
| У, Ф, Х | ||||||
| Ц, Ч, Ш, Щ, Э | ||||||
| Ю, Я |
Подобным образом ищут соответствие между номерами задач и главами учебника при разборе пятого задания (первая задача в нем посвящена карбоновым кислотам, а вторая – азотсодержащим монофункциональным соединениям: нитросоединениям, аминам и диазо- и азосоединениям). В шестом задании проводится разбор полифункциональных соединений. Так, первая его задача рассматривает углеводы (монозы, биозы и полиозы), а последняя задача контрольной работы посвящена аминокислотам и белкам (здесь же несколько задач отводится на проверку изучения гетероциклических соединений).
РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
Помимо указанных в списке изданий учебников можно использовать и другие их издания (другой год выпуска).
А) общие курсы
1. Иванов В. А. Органическая химия / В. А. Иванов, Е. С. Сашина, Н. П. Новоселов. – СПб.: СПГУТД, 2009.
1. Петров, А. А. Органическая химия / А. А. Петров, Х. В. Бальян, А. Т. Трощенко; под ред. М. Д. Стадничука. – СПб.: Иван Федоров, 2005.
2. Нейланд, О. Я. Органическая химия / О. Я. Нейланд. – М.: Высшая школа, 1990.
3. Нечаев, А. П. Органическая химия / А. П. Нечаев, Т. В. Еременко. – М.: Высшая школа, 1987.
4. Писаренко, А. П. Курс органической химии / А. П. Писаренко, З. Я. Хавин. – М.: Высшая школа, 1985.
5. Степаненко, Б. Н. Курс органической химии / Б. Н. Степаненко. – М.: Высшая школа, 1989.
7. Химический энциклопедический словарь / под ред. И. Л. Кну-нянца. – М.: Советская энциклопедия, 1983.
Б) отдельные разделы курса
8. Иванов, В.А. Курс органической химии. Ч. 1. Общее введение и теоретические основы органической химии / В. А. Иванов, Н. П. Новоселов. – СПб.: СПГУТД, 1998.
9. Иванов, В.А. Курс органической химии. Ч. 5. Прикладная органическая химия в легкой промышленности / В. А. Иванов, Н. П. Новоселов. – СПб.: СПГУТД, 2002.
10. Безпрозванных, А. В. Высокомолекулярные соединения / А. В. Безпрозванных, В. А. Иванов, Н. П. Новоселов. – СПб.: СПГУТД, 2006.
11. Органические вещества в технологии химических волокон и композиционных материалов / И. В. Калаус, В. А. Иванов и др. – СПб.: СПГУТД, 2003.
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Решение любой задачи, посвященной синтезу соединений, обычно начинается с рассмотрения целевого (конечного) продукта. Разбирается: из чего может образоваться подобная структура, кратная связь или функциональная группа? Если найден способ получения конечного продукта, то ведется поиск превращения в промежуточное вещество исходного соединения. Иногда приходится рассмотреть несколько имеющихся вариантов и выбрать единственно правильный.
Поменять место кратной связи или функциональной группы в углеродной цепи обычно удается при использовании в синтезах правил отщепления (А. М. Зайцев) и присоединения (В. В. Марковников, М. Караш) галогеноводородов или воды.
Укорочение углеродных цепей в соединениях обычно происходит при термических процессах (например, при декарбоксилировании некоторых солей карбоновых кислот) и при перегруппировках (в частности, из амидов кислот по А. Гофману). Увеличение углеродных цепей осуществляется, если к функциональной группе (чаще всего к галоидной или магнийгалоидной) или кратной связи можно присоединить углеродсодержащую группу (KCN, CO2, CO, карбонильные соединения и некоторые др.). После укорочения или увеличения углеродной цепи уже стремятся видоизменять функциональные группы на требуемые в задании.
При синтезе ароматических соединений с несколькими заместителями (функциональными группами) из бензола (или нафталина) необходимо воспользоваться правилами ориентации (П. Кернер, Ф. Ф. Бейльштейн) и в нужной последовательности провести реакции.
Но самый обычный тип задач – это получить из чего-нибудь заданный продукт и написать для него ряд реакций. Такие задачи легко решаются, если известны основные способы получения и главные химические свойства заданного вещества.
После нижеприводимых примеров решения типовых задач даются правила, которые важно знать для успешного написания задач.
Задача 1. Из 1-бутанола синтезировать 1-бутин.
Решение. Известно, что алкины (и в их числе 1-бутин) можно получить действием спиртового раствора щелочи на вицинальные дигалогенпроизводные (т. е. в нашем случае можно взять 1,2-дибром-бутан). Последнее вещество образуется при действии молекулярного брома на 1-бутен. В свою очередь, 1-бутен легко получается дегидратацией (отщеплением воды) из 1-бутанола. Эти превращения могут быть выражены следующей схемой реакций (названия под каждой формулой не указаны, так как в тексте решения они все приведены):
Задача 2. Напишите проекционные и перспективные формулы для β-D -глюкопиранозы и α-D -глюкофуранозы. Напишите уравнения реакции между этиловым спиртом и β-D -глюкопиранозой (в присутствии сухого хлористого водорода).
Решение. Согласно стандарту М. Розанова моносахариды (монозы) D -ряда обладают расположением атомных групп у последнего асимметричного атома углерода (хирального центра) таким же, как у D -глицеринового альдегида (водород слева от углеродной цепи в проекционных формулах:
α,β -Изомеры появляются у моноз в циклической (полуацетальной) форме. Если полуацетальный гидроксил расположен над окисным кольцом в проекционной формуле, то это – α -изомер, если он находится с противоположной стороны, у нас – β -изомер. Если цикл включает в себя 6 атомов, то моноза существует в пиранозной форме, если 5 атомов – в фуранозной.
Перспективные формулы (формулы У. Хеуорса) более наглядны, так как показывают расположение атомов относительно плоскости цикла. Все атомные группы, расположенные слева от углеродного кольца в проекционных формулах Э. Фишера, помещаются над циклом в перспективных формулах У. Хеуорса. Отсчет углеродных атомов ведется справа налево по их цепи:
В β - D -глюкопиранозе имеется полуацетальный гидроксил, обладающий большей реакционной способностью, чем другие гидроксильные группы, поэтому он легко взаимодействует со спиртами (в присутствии сухого хлористого водорода) с образованием ацеталей, которые часто называют гликозидами (для глюкозы – глюкозидами).
Задача 3. Напишите схемы получения всех изомерных нитрохлорбензолов из бензола.
Решение. При наличии в бензольном ядре двух заместителей возможно получение трех изомеров: о -, м - и п -нитрохлорбензолов. Синтез из бензола того или иного изомера зависит от последовательности введения заместителей NO2- и Cl-. Хлор – заместитель первого рода, нитрогруппа – заместитель второго рода. Если сначала бензол прохлорировать, затем промежуточный продукт (хлорбензол) пронитровать, то получится смесь о - и п -нитрохлорбензолов:
Если же бензол сначала пронитровать, а полученный нитробензол подвергнуть хлорированию, то образуется м -нитрохлорбензол.
Названия соединений под формулами в реакциях отсутствуют, так как все они употреблены в ходе решения задачи.
Задача 4. Из этилового спирта получить пропионовую кислоту, для последней написать реакции с пятихлористым фосфором, гидроксидом кальция и изопропиловым спиртом.
Решение. Углеродный скелет в этиловом спирте содержит два углерода, а в пропионовой кислоте – три. Есть два способа получения кислот, идущих с увеличением углеродной цепи: оксосинтез кислот из алкенов и магнийорганический синтез из магнийалкилгалогенидов и диоксида углерода. Возможно получение кислот также из нитрилов, которые сами образуются из галоидных алкилов и цианистого натрия (при этом происходит рост углеродной цепи). В любом из трех вариантов надо исходное соединение превращать в промежуточный продукт (алкен или галоидный алкил). Выбираем один из вариантов:
Во второй части задачи надо написать три реакции и назвать получающиеся соединения:
Трудности в составлении названий эфиров можно всегда преодолеть, если использовать их имена типа «изопропиловый эфир пропионовой кислоты», т. е. можно употребить названия кислоты и спирта, из которых он построен. Единственная трудность – надо знать тривиальные названия кислот. Систематические названиях галогенангидридов строят из имени углеводородного скелета и окончания «оил»: метаноил (1С), пропаноил (3С), гексаноил (6С), бензоил (С6Н6С). Можно использовать и широко известные тривиальные названия: формил (1С), ацетил (2С), пропионил (3С), бутироил (4С). Систематические названия солей и сложных эфиров составляют подобным образом, только применяют окончание «оат»: метаноат (1С) калия, пентаноат (5С) бария, этилэтаноат (2С в кислотном остатке). Систематические названия нитрилов и амидов включают в себя названия углеводородного скелета и слов «нитрил» или «амид». Так, соединение СН3СН2С≡N носит название «пропаннитрил».
Задача 5. Получите диазосоединение из п -хлоранилина и проведите его сочетание с о -нитро- N, N -диметиланилином. Укажите, к какому классу принадлежит конечный продукт?
Решение. Диазосоединение получают при действии на первичные ароматические амины азотистой кислоты в присутствии сильной минеральной кислоты при пониженной температуре до 0 °С.
Реакция азосочетания солей диазония с ароматическими аминами или фенолами идет как замещение водорода в пара -положении к амино- или гидроксильным группам с образованием азогруппы. Если это положение занято (например, алкильными или ацильными группами), то азосочетание осуществляется в орто -положении к амино- или гидроксильной группам. Схема данной реакции следующая:
Принадлежность соединения к конкретному классу определяется по наличию в нем самой старшей функциональной группы. Обычно эта группы записывается в конце названия (здесь: азогруппа). Ответить на вопрос о классе предлагается студентам самостоятельно.
