Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
|
Число групп, |
Тип |
Типы |
Примеры формул соединений |
|
4 |
sp3 |
Четыре - связи |
|
|
3 |
sp2 |
Три - связи и |
|
|
2 |
sp |
Две - связи |
H–CC–H |
Типы связей в органических соединениях
1. Ковалентная – это связь, образованная за счет обобществления
электронов двух атомов. Имеется два механизма образования ковалентной
связи:
а) при ковалентном механизме образования каждый из атомов, образующих
связь предоставляет по одному электрону:
1ē + 1ē (ē - электрон)
Примеры
Н-Н – ковалентная неполярная
Н-Cl – ковалентная полярная;
Полярность связи (поляризация связи) обозначается в органической химии с
помощью частичных зарядов ( δ ) и соответствует разнице в
электроотрицательности элементов
б) при донорноакцепторном механизме образования один из атомов
предоставляет неподеленную пару электронов (НПЭ), а другой – вакантную
орбиталь.
Семиполярная – ковалентная связь, дополненная электростатическим
взаимодействием атомов (образована по донорно-акцепторному механизму).
Ионная – электростатическая связь между противоположно заряженными
ионами.
В органических соединениях из-за значительной разницы в
электроотрицательности элементов ионными являются связи между атомами
углерода (в sp-гибридизации), кислорода, азота, серы и щелочными и
щелочноземельными металлами.
Примеры
H-C =_C:Na ацетиленид натрия
3.Строение органических соединений: сопряжение и ароматичность, электронные эффекты.
В молекулах алифатических соединений, содержащих сопряженные связи, а также в ароматических молекулах взаимное влияние атомов осуществляется преимущественно другим путем, качественно отличающимся от индукционного взаимного влияния атомов. Для того чтобы уяснить характер такого влияния, рассмотрим, например, свойства систем с сопряженными двойными связями в жирных соединениях.
Среди химических особенностей систем с двумя сопряженными двойными связями наиболее характерным является протекание реакций 1,4-присоединения. В таких реакциях атакующие молекулы или их части (ионы, радикалы) присоединяются к крайним (первому и четвертому) атомам сопряженной системы, причем между вторым и третьим атомами возникает новая двойная связь, например:
Кроме того, в целом такие системы более реакционноспособ-ны (в первую очередь за счет повышенной реакционной способности первого и четвертогоатомов) и могут вступать в реакции, не свойственные молекулам с изолированными двойными связями. Таково восстановление систем
водородом в момент выделения, присоединение к системам С=С—С=С щелочных металлов и их металлоорганических соединений, присоединение анионовCN-, SO3H- и R- (при действии RMgX) к четвертому (углеродному) атому системы О=С—С=С и др.
Таким образом, химические свойства сопряженных систем показывают, что содержащиеся в них двойные связи отличаются от изолированных двойных связей. Это отличие обусловлено особым характером взаимного влияния ненасыщенных атомов сопряженных систем. Такой специфический вид взаимного влиянияатомов, качественно отличный от индукционного влияния, может быть интерпретирован как результат взаимодействия π-электронов двух или нескольких сопряженных двойных связей. Вследствие этого такой вид взаимного влияния атомов предложено называть сопряжением связей.
Ароматичность — особое свойство некоторых химических соединений, благодаря которому сопряженное кольцо ненасыщенных связей проявляет аномально высокую стабильность; большую чем та, которую можно было бы ожидать только при одномсопряжении.
Ароматичность не имеет непосредственного отношения к запаху органических соединений, и является понятием, характеризующим совокупность структурных и энергетических свойств некоторых циклических молекул, содержащих систему сопряженных двойных связей. Термин «ароматичность» был предложен потому, что первые представители этого класса веществ обладали приятным запахом.
К ароматическим соединениям относят обширную группу молекул и ионов разнообразного строения, которые соответствуюткритериям ароматичности.
Кроме бензольного кольца и его конденсированных аналогов ароматические свойства проявляют многие гетероциклы — гетарены: пиррол, фуран, тиофен, пиридин, индол, оксазол и другие. При этом в сопряженную систему шестичленных гетероциклов гетероатом отдает один электрон (по аналогии с углеродом), в 5-атомных — неподеленную электронную пару.
Одним из простейших ароматических соединений является бензол. Эти соединения играют большую роль в органической химии и обладают многими химическими свойствами, свойственными только этому классу соединений.
Ароматизация — образование ароматических соединений из соединений других типов.
В промышленности широко применяют процессы ароматизации продуктов переработки нефти для увеличения содержания в них ароматических углеводородов. Наибольшее значение имееткаталитический риформинг бензиновых фракций.
Процессы ароматизации протекают в условиях биохимического синтеза в растениях, животных, грибах и микроорганизмах. Одним из наиболее существенных метаболических путей, неотъемлемой частью которого выступают реакции ароматизации, является шикиматный путь.
Электронные эффекты - смещение электронной плотности в молекуле, ионе или радикале под влиянием заместителей.
Заместителем считается любой атом (кроме водорода) или группа атомов, связанные с атомом углерода.
Различают индуктивный (I) и мезомерный (M) эффекты заместителей.
Индуктивный эффект — смещение электронной плотности по цепи σ-связей, которое обусловлено различиями в электроотрицательностях атомов.
Из-за слабой поляризуемости σ-связей I-эффект быстро затухает с удалением от заместителя и через 3-4 связи становится практически равным 0.
Индуктивный эффект называют отрицательным (–I), если заместитель уменьшает электронную плотность на атоме углерода, с которым связан этот заместитель. При этом заместитель приобретает частичный отрицательный заряд (δ-), а атом углерода – частичный положительный заряд (δ+).
Например:
Индуктивный эффект называется положительным (+I), если заместитель увеличивает электронную плотность на атоме углерода, индуцируя на нем частичный отрицательный заряд δ-, сам при этом приобретая заряд δ+.
Направление (знак) I-эффекта заместителя качественно оценивается путем сравнения со стандартом — атомом водорода, индуктивный эффект которого принят за 0.
-F, -Cl, -Br, -OH, -NH2, -NO2, >C=O, -COOH и др.
-Mg-, -Li; алифатические углеводородные радикалы (-CH3, -C2H5)
Мезомерный эффект - смещение электронной плотности по цепи делокализованных (сопряженных) π-связей
Этот эффект проявляют заместители, связанные с sp2- или sp-гибридизованным атомом. Благодаря подвижности π-электронов, М-эффект передается по цепи сопряжения без затухания.
+М-эффектом обладают заместители, повышающие электронную плотность в сопряженной системе. К ним относятся группы, которые содержат атомы с неподеленной парой электронов, способные к передаче этой пары электронов в общую систему сопряжения. +М-эффект характерен для групп -OH и -NH2. Так, в молекуле фенола C6H5OH группа -OH проявляет +М-эффект за счет участия одной из неподеленных электронных пар атома кислорода в системе сопряжения:
–М-эффект проявляют заместители с электроотрицательными атомами и смещающие электронную плотность на себя. –М-эффект характерен для групп -CH=O, -COOH, -NO2. Хотя эти группы имеют неподеленные электронные пары, пространственное расположение орбиталей с этими электронами не позволяет им вступать в систему сопряжения. Таким образом, в данном случае заместитель может лишь оттягивать электроны из общей системы сопряжения за счет своей более высокой электроотрицательности.
Для определения знака М-эффекта полезно строить атомно-орбитальные модели, отражающие пространственную ориентацию орбиталей и возможности их перекрывания. Например:
Направление смещения электронной плотности под влиянием М-эффекта обозначается изогнутыми стрелками.
4.Классификация и механизмы органических реакций.
Механизм реакции-ряд последовательных стадий,в результате которых вещества превращаются в продукты.
По внешним проявлениям
Присоединие-А
Замещение-S
Отщепление-Е
По типу атакующей частицы:
Радикалное-R
Электрофильное-E
Нуклеофильное-N
По кинетическим особенностям:
Мономолекулярный-1
Бимолекулярные-2
Примеры
Алканы(радикальное замещение(галогенирование)
5.Кинетика органических реакций
Скорость химической реакции определяют по изменению концентрации одного из реагентов или продуктов реакции за определенный период времени. В приведенном примере в 1 л раствора за 1 с расходуется 3 ммоля реагента и, в результате образуется 3 ммоля продукта. Это соответствует скорости реакции
v = ЗмМ · с-1 = 3 · 10-3 моль · л-1 · с-1
Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий протекания реакции: концентрации с, температуры t , присутствия катализаторов, а также от некоторых других факторов (например, от давления - для газовых реакций, от измельчения - для твердых веществ, от радиоактивного облучения).
Влияние концентраций реагирующих веществ. Чтобы осуществля лось химическое взаимодействие веществ А и В, их молекулы (части цы) должны столкнуться. Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. Число же столкновений тем больше, чем выше концентрация реагирующих веществ. Отсюда на основе обширного экспериментального материала сформулирован основной за кон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ:
Cкорость химической реакции пропорциональна произведению концентра ций реагирующих веществ.
Для реакции ( I ) этот закон выразится уравнением
v = kcA cB ,
где сА и сВ - концентрации веществ А и В, моль/л; k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции. Основной закон химической кинетики часто называют законом действующих масс.
Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от их концентраций.
Влияние температуры .
Зависимость скорости реакции от температу ры определяется правилом Вант-Гоффа:
При повышении температуры на каждые 10о скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.
где vt 1 , vt 2 - скорости реакции соответственно при начальной ( t 1 ) и конечной ( t 2 ) температурах, а γ - температурный коэффициент скоро сти реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается ско рость реакции с повышением температуры реагирующих веществ на 10°.
Правило Вант-Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния температуры на скорость реак ции. Температура влияет на скорость химической реакции, увеличивая константу скорости.
Катализатор
Одно из наиболее эффективных средств воздействия на скорость химических реакций –использование катализаторов. Как вы уже знаете из школьного курса химии, катализаторы – это вещества, которые изменяют скорость реакции, а сами к концу процесса остаются неизменными как по составу, так и по массе. Иначе говоря, в момент самой реакции катализатор активно участвует в химическом процессе, как и реагенты, но к концу реакции между ними возникает принципиальное отличие: реагенты изменяют свой химический состав, превращаясь в продукты, а катализатор выделяется в первоначальном виде.
Химическое равновесие — состояние химической системы, в котором обратимо протекает одна или несколько химических реакций, причём скорости в каждой паре прямая-обратная реакция равны между собой. Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем.[1]
А2 + В2 ⇄ 2AB
Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на химическую реакцию, подчиняются закономерности, которая была высказана в общем виде в 1885 году французским ученым Ле-Шателье.
Факторы влияющие на химическое равновесие:
1) температура
При увеличении температуры химическое равновесие смещается в сторону эндотермической (поглощение) реакции, а при понижении в сторону экзотермической (выделение) реакции.
CaCO3=CaO+CO2 -Q t↑ →, t↓ ←
N2+3H2↔2NH3 +Q t↑ ←, t↓ →
2) давление
При увеличении давления химическое равновесие смещается в сторону меньшего объёма веществ, а при понижении в сторону большего объёма. Этот принцип действует только на газы, т.е. если в реакции участвуют твердые вещества, то они в расчет не берутся.
CaCO3=CaO+CO2 P↑ ←, P↓ →
1моль=1моль+1моль
3) концентрация исходных веществ и продуктов реакции
При увеличении концентрации одного из исходных веществ химическое равновесие смещается в сторону продуктов реакции, а при увеличении концентрации продуктов реакции-в сторону исходных веществ.
S2+2O2=2SO2 [S],[O]↑ →, [SO2]↑ ←
Катализаторы не влияют на смещение химического равновесия!
Ката́лиз (греч. κατάλυσις восходит к καταλύειν — разрушение) — избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора(ов), который многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой химический состав после каждого цикла промежуточных химических взаимодействий.[1]
Термин «катализ» был введён в 1835 году шведским учёным Йёнсом Якобом Берцелиусом.
Явление катализа распространено в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и др.). Большая часть всех промышленных реакций — каталитические.
6.Углеводороды: строение, номенклатура, изомерия, природные источники и основные методы синтеза алканов и циклоалканов
Углеводоро́ды — органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода. Углеводороды считаются базовыми соединениями органической химии, все остальные органические соединения рассматривают как их производные.
Выбирается один из атомов углеродной цепи, он считается замещённым метаном и относительно него строится название «алкил1алкил2алкил3алкил4метан», например:
По номенклатуре ИЮПАК названия алканов образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь так, чтобы у наибольшего числа заместителей был минимальный номер в цепи. В названии соединения цифрой указывают номер углеродного атома, при котором находится замещающая группа или гетероатом, затем название группы или гетероатома и название главной цепи. Если группы повторяются, то перечисляют цифры, указывающие их положение, а число одинаковых групп указывают приставками ди-, три-, тетра-. Если группы неодинаковые, то их названия перечисляются в алфавитном порядке.
В алканах четыре sp3-гибридные орбитали атома углерода (см. ОРБИТАЛИ) направлены к вершинам тетраэдра с углом между ними около 109°28' – именно в этом случае отталкивание между электронами и энергия системы минимальны. В результате перекрывания этих орбиталей друг с другом, а также с s-орбиталями атомов водорода образуются s-связи С–С и С–Н. Эти связи в молекулах алканов – ковалентные неполярные или малополярные.
В алканах различают первичные атомы углерода (они связаны только с одним соседним атомом С), вторичные (связаны с двумя атомами С), третичные (связаны с тремя атомами С) и четвертичные (связаны с четырьмя атомами С). Так, в 2,2-диметил-3-метилпентане СН3–С(СН3)2–СН(СН3)–СН2–СН3 есть один четвертичный, один третичный, один вторичный и пять первичных атомов углерода. Разное окружение атомов углерода очень сильно отражается на реакционной способности связанных с ними атомов водорода.
В циклопропане угол уменьшается со 108° до 60°, что приводит к сильному напряжению и «изогнутости» связей, которые занимают промежуточное положение между обычными s- иp-связями; благодаря их форме эти связи называют «банановыми». При этом sp3-орбитали атомов углерода перекрываются лишь частично. Результатом является двойственность химических свойств циклопропана. С одной стороны, в нем возможно замещение атомов водорода (реакция, типичная для алканов), с другой – возможно присоединение с раскрытием цикла (реакция, типичная для алкенов, например: цикло-С3Н6 + Br2 ® BrCH2CH2CH2Br).
1. Дегалогенирование
Br-СН2-СН2-СН2-Br + Mg = циклопропан + MgBr2
2. Гидрирование ароматических углеводородов (катализатор, давление, температура)
С6Н6 +3Н2 = С6Н12
Получение алканов
Гидрирование непредельных углеводородов
CnH2n + H2 → CnH2n+2
CnH2n-2 + 2H2 → CnH2n+2
Восстановление спиртов:
Восстановление спиртов приводит к образованию углеводородов, содержащих то же количество атомов С. Так, например, проходит реакция восстановления бутанола (C4H9OH), проходящую в присутствии LiAlH4. При этом выделяется вода[6].
H3C—CH2—CH2—CH2OH → H3C—CH2—CH2—CH3 + H2O
7.Углеводороды: физические и химические свойства алканов и циклоалканов. Механизм реакции радикального замещения (SR).
Алканы имеют низкую химическую активность. Это объясняется тем, что единичные связи C—H и C—C относительно прочны и их сложно разрушить. Поскольку углеродные связи неполярны, а связи С—Н малополярны, оба вида связей малополяризуемы и относятся к σ-виду, их разрыв наиболее вероятен по гомолитическому механизму, то есть с образованием радикалов.
Галогенирование — это одна из реакций замещения.
Нитрование RH + HNO3 → RNO2 + H2O.
Основным химическим свойством предельных углеводородов, определяющих их использование в качестве топлива, является реакция горения. Пример:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q.
Крекинг Для метана:
CH4 → С + 2H2 — при 1000 °C.
Частичный крекинг:
2CH4 → C2H2 + 3H2 — при 1500 °C.
Cl22Cl* зарождение цепи
CH3*--HCH3*+HCL рост цепи
CH3*+ Cl2 CH3Сl +Cl* рост цепи
CH3* +CH3* CH3- CH3 обрыв цепи
CH3* +Cl* CH3-Сl обрыв цепи
Cl+CLCl2 Обрыв цепи
8.Углеводороды: строение, номенклатура, изомерия, природные источники и основные методы синтеза алкенов, алкинов и алкадиенов.
Строение алкенов :
В соответствии с теорией гибридизации двойная связь образуется за счет перекрывания вдоль линии связи С-С sp²-гибридных орбиталей атомов углерода (σ-связь) и бокового перекрывания углеродных p-орбиталей (π-связь).
Все атомы этилена лежат в одной плоскости, а величина валентного угла связи C-H практически равна 120°. Центры углеродных атомов в этилене находятся на расстоянии 0,134 нм, то есть длина двойной связи несколько короче, чем С-С.
Согласно теории молекулярных орбиталей линейная комбинация двух атомных 2p-орбиталей углерода формирует две молекулярные π-орбитали этилена
Номенклатура
цис- изомеры: заместители расположены по одну сторону от двойной связи;
транс- изомеры: заместители расположены по разные стороны от двойной связи.
IUPAC рекомендует называть геометрические изомеры по следующей номенклатуре:
Z- изомеры: старшие заместители у углеродных атомов двойной связи находятся по одну сторону относительно двойной связи;
E- изомеры: старшие заместители у углеродных атомов двойной связи находятся по разные стороны относительно двойной связи.
По номенклатуре IUPAC названия алкенов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ен»; положение двойной связи указывается арабской цифрой.
Основным промышленным методом получения алкенов является каталитический и высокотемпературный крекинг углеводородов нефти и природного газа. Для производства низших алкенов используют также реакцию дегидратации соответствующих спиртов.
В лабораторной практике обычно применяют метод дегидратации спиртов в присутствии сильных минеральных кислот[1], дегидрогалогенирование и дегалогенирование соответствующих галогенпроизводных; синтезы Гофмана, Чугаева, Виттига и Коупа[11].
Подробнее — см. соответствующие разделы ниже.
Это один из промышленных способов получения алкенов[12][13]. Температура: 350—450 °C, катализатор — Cr2O3. Также используются алюмомолибденовые и алюмоплатиновые катализаторы[14].
Отщепление галогенов у дигалогеналканов происходит в присутствии цинка[15]:
Дегидрогалогенирование проводят при нагревании действием спиртовыми растворами щелочей[16]:
При отщеплении галогенводорода образуется смесь изомеров, преобладающий из которых определяется правилом Зайцева: отщепление протона происходит от менее гидрогенизированного атома углерода.
Дегидратацию спиртов ведут при повышенной температуре в присутствии сильных минеральных кислот[15]:
Строение алкинов У алкинов связь −С≡С− линейна (угол 180°) и находится в одной плоскости. Атомы углерода связаны одной σ- и двумя π-связями, максимальная электронная плотность которых расположена в двух взаимно перпендикулярных плоскостях[5]. Длина тройной связи примерно 0,121 нм, энергия связи 836 кДж/моль.
Простейшим алкином является этин (ацетилен C2H2). По номенклатуре IUPAC названия алкинов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ин»; положение тройной связи указывается арабскими цифрами.
Углеводородные радикалы, образованные от алкинов имеют суффикс «-инил», так CH≡C- называется «этинил».
Ниже представлены некоторые представители алкинов и их названия:
Основным промышленным способом получения ацетилена является электро- или термокрекинг метана, пиролиз природного газа и карбидный метод.
Прокаливанием в электрических печах смеси оксида кальция с коксом при 1800—2000°С получают карбид кальция:
При действии на полученный карбид воды образуется гидроксид кальция и ацетилен:
Углерод напрямую взаимодействует с водородом при очень высоких температурах:
Этот метод имеет чисто историческое значение (получение ацетилена в 1863 году М. Бертло).
В 1864 году Кекуле получил ацетилен электролизом фумарата и малеата натрия[15]:
Аналогично получается ацетилен и из акрилата натрия.
Этот метод носит чисто историческое значение.
Алкадиены
Алкадиены — непредельные углеводороды, содержащие две двойные связи. Общая формула алкадиенов СnН2n-2.
Если двойные связи разделены в углеродной цепи двумя или более одинарными связями (например, пентадиен-1,4), то такие двойные связи называются изолированными. Химические свойства алкадиенов с изолированными двойными связями не отличаются от свойств алкенов с той лишь разницей, что в ре акции могут вступать не одна, а две двойные связи независимо друг от друга.
Если двойные связи разделены в цепи только одной s-связью, то их называют сопряженными. Важнейшие представители со пряженных диенов:
СН2 = СН-СН = СН2 СН2 = С(СН3)-СН = СН2.
бутадиен-1,3 изопрен
По правилам IUPAC главная цепь молекулы алкадиена должна включать обе двойные связи. Нумерация атомов углерода в цепи проводится так, чтобы двойные связи получили наименьшие номера. Названия алкадиенов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода), в которых последняя буква заменяется окончанием–диен.
Местоположение двойных связей указывается в конце названия, а заместителей – в начале названия.
Название "дивинил" происходит от названия радикала –СН=СН2 "винил".
Получение
1. Каталитическое двухстадийное дегидрирование алканов (через стадию образования алкенов). Этим путем получают в промышленности дивинил из бутана, содержащегося в газах нефтепереработки и в попутных газах:
Каталитическим дегидрированием изопентана (2-метилбутана) получают изопрен:
3. Дегидратация гликолей (двухатомных спиртов, или алкандиолов):
4. Действие спиртового раствора щелочи на дигалогеналканы (дегидрогалогенирование):
9.Углеводороды: физические и химические свойства алкенов, алкинов и алкадиенов. Механизмы реакции электрофильного (АЕ), нуклеофильного (АN) и радикального (AR) присоединения.
Алкины по своим физическим свойствам напоминают соответствующие алкены. Низшие (до С4) — газы без цвета и запаха, имеющие более высокие температуры кипения, чем аналоги в алкенах. Алкины плохо растворимы в воде, лучше — в органических растворителях.
Алкадиены: газ-дивинил,остальное жидкости
10. Углеводороды: реакции полимеризации непредельных углеводородов и промышленное получение на их основе полимерных материалов и синтетических каучуков.
Такие реакции, в которых происходит соединение молекул исходного вещества в огромную молекулу, называются реакциями полимеризации. Исходное вещество называют мономером, а продукт реакции —полимером.
Полимеризацию можно рассматривать как частный случай реакций присоединения. Эти реакции наиболее характерны для непредельных соединений. Среди них и такая важная для применения этилена реакция, как присоединение воды, или гидратация (реакция, обратная дегидратации):
СН2=СН2 + H2O кат-> С2Н5ОН