II. Квантово-механическое представление в органической химии

Вид материала

Реферат

Содержание 3. Алканы (СnH2n+2) Физические свойства алканов 2) Крекинг 3) Алкилирование 4) Риформинг 5) Галогенирование IV. Спирты По количеству ОН групп Ароматические спирты Константа диссоциации (равновесия) (Kg). Ферментативный синтез этанола (при брожении сахаров) Дрожжи – живые одноклеточные организмы, содержащие фермент – зимазу Из крахмала. Схема методов получения спиртов (С2Н5ОН) Сравнение свойств этилового спирта и фенола.

Подобный материал:

• Етодические особенности изучения органической химии место органической химии в школьном, 462.44kb.
• Программа элективного курса «Теоретические основы органической химии», 128.29kb.
• Элективный курс по химии для 10 класса естественнонаучного профиля «Механизмы реакций, 49.19kb.
• Тематическое планирование по органической химии для 10 класс, 550.27kb.
• Примерный перечень экзаменационных вопросов по органической химии, специальность 260303, 53.85kb.
• Элективный курс по химии для 10 класса профильного уровня. Тема: «Избранные вопросы, 93.44kb.
• Новые органические лиганды n 2 s 2 ­ -типа и их комплексные соединения с ni(II), Co(II),, 232.86kb.
• Утверждаю, 425.07kb.
• Утверждаю, 318.85kb.
• Методы органической химии, 158.45kb.

3. Алканы (СnH₂n+₂)


Нефть. Фракционная перегонка сырой нефти.


Сырая нефть состоит примерно из 150 соединений. Они плохо горят. Сырую нефть подвергают фракционной перегонке.

Название фракции	Температура кипения (°С)	Число атомов водорода	Использование
Газ	20	1-4	Топливо.
Пертолейный эфир	20-100	5-7	Растворители.
Бензин	35-205	5-12	Горючее для двигателей внутреннего сгорания.
Керосин	175-300	12-18	Горючее для реактивных двигателей.
Солярное масло (газойль)	200-400	14-25	Испаряется с трудом. Дизельные двигатели. Промышленные печи.
Смазочное масло	труднолетучее	20-34	Смазка.
Парафин	твердая часть, выделяющаяся из масел	25-40	Изоляция материалов в электротехнике. Применяют в медицине. Применят пищевой промышленности.
Битум	остаток	от 30	Покрытие дорог.

Из фракций перегонки нефти получают пластмассы, краски, растворители, резины, моющие и лекарственные средства и многое другое.


Физические свойства алканов:

1. Электроотрицательность;
   

Э.О. (С) = 2,5

Э.О. (Н) = 2,1


Следовательно, С^{δ –} ← Н^δ+


Имеют небольшой дипольный момент. Смещение электронной плотности к атому углерода. Из-за небольшого дипольного момента силы Ван-дер-Ваальса малы, и поэтому:


низшие алканы – газы;

с С₅ по С₁₇ – жидкости;

с С₁₈ и выше – твердые тела.


Линейные молекулы высших гомологов могут располагаться относительно друг друга так, что дипольные силы Ван-дер-Ваальса действуют по всей длине. А, следовательно, происходит сцепление молекул.

2. Алканы легче воды и с ней не взаимодействуют, т.к. не могут образовать водородные связи.
   

∆G > 0 – энергетически не выгодно.


Реакции

1. Горение;
   

СН₄↑ + 2О₂↑ → СО₂↑ + 2Н₂О + 890кДж

∆Н = – 890кДж/Моль


Жидкие алканы горят только в виде паров.


С₈Н₁₈ + 12,5О₂ → 8СО₂ + 9Н₂О

∆Н = – 5510кДж/Моль (эта реакция протекает в двигателе внутреннего сгорания)


При недостатки кислорода вместо углекислого газа (СО₂) выделяется угарный газ (СО). Атомы угарного газа, соединяясь с гемоглобином крови (красные кровяные тельца), образуют стабильный комплекс карбоксигемоглобина. В результате чего, гемоглобин перестает переносить кислород.

В двигателях внутреннего сгорания сжатие воздушной смеси может привести к детонации. По этой причине используют топливо с антидетонационными свойствами, т.е. изооктан (2,2,4 триметилпентан).


СН₃ СН₃

| | (октановое число = 100)

СН₃ – С – СН₂ – СН – СН₃

|

СН₃


У гептана октановое число = 0, так как он легко воспламеняется.

Октановое число бензина получают, сравнивая его антидетонационные свойства со свойствами смеси изооктан + гептан.

Если значение октанового числа 95, то это означает, что антидетонационные свойства такие же как у смеси из 95% изооктана и 5% гептана.


2) Крекинг;


Крекинг – расщепление высших алканов в низшие, при высокой температуре.

450°С



Al₂O₃ или SiO₂
2СН₃ – СН₂ – СН₃ СН₄ + СН₃ – СН = СН₂ + С₂Н₄ + Н₂↑

3) Алкилирование;


Алкилирование применяют для получения разветвленных алканов.


СН₃ – СН = СН – СН₂ – СН₃ + СН₃ – СН – СН₃ → СН₃ – СН₂ – СН – СН₂ – СН₃

| |

СН₃ СН₃ – С – СН₃

|

СН₃

2,2-диметил 3-этил пентан

4) Риформинг;


Риформинг – превращение алканов в ароматические соединения.

500°С, 40атм.

С₆Н₁₄ Al₄O₃ С₆Н₆ + 4Н₂


Если в качестве катализатора используют платину, тогда этот процесс называют платформингом.


Pt

СН₃ – (СН₂)₅ – СН₃ С₆Н₅ – СН₃ + 4Н₂

5) Галогенирование;


Данная реакция является цепной и фотохимической.


hν


С₆Н₁₄ + Br₂ С₆Н₁₃Br + HBr


Любая химическая реакция состоит из трех стадий:

1. Инициирование;
   

Под действием света молекула галогена распадается на два радикала.


hν


Br₂ 2Br •

2. Рост цепи;
   

hν



hν
С₆Н₁₄ + Br• С₆Н₁₃Br + H•

С₆Н₁₄ + Br• С₆Н₁₃ • + HBr

3. Обрыв цепи.
   

Взаимодействие двух радикалов.


hν


С₆Н₁₃ • + Н• С₆Н₁₄


6) Нитрование;


kat, 400°C


С₂Н₆ + HNO₃ С₂Н₅NO₂ + H₂O


IV. Спирты


Классификации


По количеству радикалов:

1. Первичные; 2) Вторичные; 3) Третичные.
   

H R² R²

| | |

R – C – OH; R¹ – C – OH R¹ – C – OH

| | |

H Н R³

По количеству ОН групп:

1. Двухатомные;
   

Пример.

СН₂ – СН₂

| | Применяется в качестве растворителя и антифриза для

ОН ОН заливки в радиаторы автомобиля.

Этиленглюколь


2) Трехатомные.


Пример.

СН₂ – СН – СН₂

| | | Применяется для производства взрывчатого вещества.

ОН ОН ОН

Глицерин


Пример.

Н₂SO₄ (к)

СН₂ – СН – СН₂ + 3HNO СН₂ – СН – СН₂ + 3Н₂О

| | | | | |

ОН ОН ОН ОNO₂ ОNO₂ ОNO₂


Ароматические спирты


СН₂ – ОН

| Бензиловый спирт




Задание.

Назовите соединение:


С₆Н₅ – СН₂ – СН₂ – ОН

Ответ: 2 фенил-этанол.


Ароматические спирты по своим свойствам близки к алифатическим.

Фенолы


ОН

| С₆Н₅ ОН




Константа диссоциации (равновесия) (Kg).

Константа диссоциации фенолов меньше чем у спиртов.


Пример.


С₆Н₅ОН → С₆Н₅О¯ + Н⁺


K_g =
[С₆Н₅О¯ ] [Н⁺]

[С₆Н₅ ОН]

Если отщепляется ион водорода, то – константа кислотности (К_к)

У фенолов K_g в 10⁶ раз больше, чем у спиртов.

Kg (спирт) = 10^-16

Kg (вода) = 10^-14

Спирт как кислота более слабый, чем вода.


Ферментативный синтез этанола (при брожении сахаров)

1. Из глюкозы (процесс вызывается ферментами);
   

Фрукты содержат глюкозу (С₆Н₁₂О₆).

Дрожжи – живые одноклеточные организмы, содержащие фермент – зимазу (катализатор реакции). Они являются ферментами (катализаторами) при брожении.

В вине около 12% С₂Н₅ОН, так как при увеличение концентрации дрожжи гибнут и брожение прекращается.


дрожжи

С₆Н₁₂О₆ С₆Н₅ ОН + СО₂↑

(водный)

2. Из крахмала.
   

В качестве источника этанола используют крахмал, содержащийся в картофеле и зерне. Путем ферментативного гидролиза из крахмала получают глюкозу.


Схема методов получения спиртов (С₂Н₅ОН)





LiAlH₄ – самый сильный восстановитель.


Реакции к схеме:

HO O HOH

1) CH₂ = CH₂ + S CH₃ – CH₂ – O – SO₃H C₂H₅OH + H₂SO₄

НО О (алкилгидросульфит)


Ni, t°, p


2
Cr₂O₃, I₂O, t°, p
) СH₄ + H₂O CO + 3H₂

CO + 2H₂ CH₃OH


3) При кипячении сложного эфира с разбавленной кислотой/щелочью образуется карбоновая кислота/соль и спирт.

O t° O

CH₃ – C + K OH CH₃ – C + C₂H₅OH

O – K

O – C₂H₅

4) Для получения первичных спиртов используют реактив Гриньяра (RMgHall).

H₂O

H ^δ+– C ^δ¯= O^δ¯+ R^δ+(MgHall)^δ¯→ R^δ+– C ^δ¯H₂– O – [MgHall] ^δ¯ R – CH₂ – OH + Mg(OH)Hall

| R^δ+ R

H ^δ+ | H₂O |

5) H₃C – C – CH₃ + R^δ+[Mg ²⁺Br ^–]^{δ – *}→ H₃C – C^δ¯– CH₃ H₃C – C – CH₃ + Mg(OH)Br

|| | |

O^δ¯ O ^δ+– [MgBr]^δ¯ OH

Схема реакций спиртов


Обычно R – OH. Но в некоторых случаях R – O – H.



СH₂=CH₂




Вторичные спирты окисляются до кетонов.

Реакции к схеме: Третичные спирты к окислению устойчивы.

1. C₂H₅OH + H₂SO₄ → C₂H₅SO₃H + H₂O
   

↑170° ↑170°

2. C₂H₅SO₃H + H₂O C₂H₅OSO₃H CH₂ = CH₂ + H₂SO₄
   

140° 140°

3. C₂H₅OSO₃H + H₂O C₂H₅OSO₃H + C₂H₅OH C₂H₅OC₂H₅ + H₂SO₄
   

Вторичные спирты при Т >170° образуют смесь алкенов:

300°, Al₂O₃

2CH₃ – СH – CH₂ – CH₃ CH₂ = CH – CH₂ – CH₃ + CH₃ – CH = CH – CH₃ +2Н₂О

|

OH


Схема взаимодействия между спиртами, галогеналканами, алканами и алкинами.





Реакции к схеме:

1. R – CH₂ – CH₂ – Br + NaOH (НОН) → R – (CH₂)₂ – OH + NaBr
   

H₂SO₄ (k) избыток спирта, t°

2. R – (CH₂)₂ – OH R – (CH₂)₂OSO₃H [R – (CH₂)₂]₂O
   
3. R – (CH₂)₂ – OH + Na → R – (CH₂)₂ – ONa
   

избыток кислоты

4. R – (CH₂)₂ – OH + H₂SO₄ (k) → R– (CH₂)₂OSO₃H R – CH=CH₂
   

K₂Cr₂O₇ O K₂Cr₂O₇

5),6) R – (CH₂)₂ – OH R – CH₂ – C R – CH₂ – COOH

H

7. R – CH₂ = CH₂ + H₂ → R – CH₂ – CH₃
   

Br

|

7. R – CH₂ = CH₂ + H⁺Br¯→ R – CH – CH₃
   
8. R – CH₂ = CH₂ + H⁺OH ¯→ R – CH – CH₃
   

|

OH


Схема реакций фенола.


Фенолы –– слабые кислоты –– слабее угольной кислоты, но сильнее спиртов.

• При наличии в фенольном кольце электронно-акцепторных групп кислые свойства фенолов повышаются.
  

Пример.


O H⁺

NO₂ | NO₂



|

NO₂

• Электро-донорные группы (СН₃) понижают кислотность фенолов. Следовательно, реакция этерификации протекает труднее, чем у спиртов.
  

• Замещение гидроксильной группы галогенфенолов также протекает труднее.
  

Сравнение свойств этилового спирта и фенола.

Реагент	Этиловый спирт	Фенол
Комнатная температура	Жидкость	Твердое вещество
Вода	Смешивается во всех соотношениях	Ограниченно растворим в воде
PCl5	Энергично взаимодействует. → С2H5Сl + POCl3 + HCl	Медленно взаимодействуют. Выход С6Н5Сl мал.
Na (металлический)	С2Н5ONa + H2	С6Н5ONa + H2
Реакция этерификации (гидрид и ангидрид кислоты)	Легко реагирует с образованием сложного эфира
НHall	С2Н5Hall	–
HNO3 (водная)	–	Нитрофенол и т.д.
H2SO4 (к)	Т>170°С; дегидротация C2H4	OH | | SO3H (сульфирование)
Br2 в воде	–	Легко Br Br Br (трибромфенол)
Zn (пыль)	–	Бензол
FeCl3	Цвет не меняется	Окрашивается в фиолетовый цвет*