II. Квантово-механическое представление в органической химии

Вид материала

Реферат

Содержание 2. Жиры, масла и их поверхностно-активные свойства Поверхностные активные вещества Поверхностные явления Виды адсорбции 2 вид. Химическая адсорбция. Количественная характеристика адсорбции При равновесии Пчелиный воск Основность аминов Химические реакции аминов Реакции аминов с азотной кислотой Первичные амины Формула продукта Визуальный эффект

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.

2. Жиры, масла и их поверхностно-активные свойства


Жиры и масла являются глицериновыми эфирами жирных кислот.


O

C – (CH₂)₁₄ – CH₃

O

H₂C – OH CH₂

| |

HC – OH + 3HOOC – (CH₂)₁₄ – CH₃ → HC – OOC – (CH₂)₁₄ – CH₃ + Н₂О

| (пальмитиновая кислота) |

H₂C – OH H₂C – OOC – (CH₂)₁₄ – CH₃

(глицерин) (трипальминад глицерина)


Если жир содержит три жирнокислотные группы, то его называют триглицеридом. Содержание глицеринов в плазме крови служит одним из показателей здоровья.

Сложный эфир глицерина и олеиновой кислоты называется триамид. Он является компонентом оливкового масла.

Чистые жиры обладают высокой калорийностью (теплота сгорания 37,6 кДж/г).

Обычно человек получает за счет жиров около ⅓ от общего количества энергии. Жиры более концентрированный источник энергии, чем углеводы.


Состав природных жиров

1. Насыщенные кислоты;
   

1. Миристиновая кислота;
   

O

C – (CH₂)₁₂ – CH₃

HO

1.2. Пальмитиновая кислота;


O

C – (CH₂)₁₄ – CH₃

HO


1.3. Стеариновая кислота.


O

C – (CH₂)₁₆ – CH₃

HO

2. Ненасыщенные кислоты^*.
   

1. Олеиновая кислота;
   

O

CH₃ – (CH₂)₇ – CH = CH – (CH₂)₇ – C

OH

2. Линолевая кислота;
   

CH₃ – (CH₂)₄ – CH = CH – CH₂ – CH = CH – (CH₂)₇ – CООН

или

CH₃ – (CH₂)₃ – (СН₂ – CH = CH)₂ – (CH₂)₇ – CООН

3. Линоленовая кислота;
   

CH₃ – (CH₂ – CH=CH)₃ – (CH₂)₇ – COOH.

4. Арахиди(о)новая кислота.
   

O

CH₃ – (CH₂)₄ – (CH = CH – CH₂)₄ – (CH₂)₂ – C

OH


Жиры являются исходным сырьем в производстве масла.

Твердые жиры животного происхождения являются эфирами преимущественно насыщенных кислот. А жидкие растительные масла имеют в своем составе группы НС = СН.

Ненасыщенные (с двойной связью) жирные кислоты имеют ЦИС-конфигурацию относительно двойных связей. Следовательно, углеродная цепь обладает изогнутой конфигурацией, и цепи не могут плотно прилегать друг к другу. По этой причине температура плавления падает, и полиненасыщенные жиры при комнатной температуре являются жидкостями (масла).

Растительные жиры превращают в твердые жиры (маргарин) методом гидрогенизации (+Н₂ к двойной связи).

Ненасыщенные масла усваиваются лучше и уменьшают уровень холестерина в крови. Также они окисляются кислородом из воздуха (растительное масло портится именно из-за окисления).

Диссимиляция – окисление жиров в организме. Во время этого процесса происходит отщепление двух атомов углерода в виде СН₃ – СООН.

Пример.


CH₃ – (CH₂)₁₆ – COOH + O₂ → CH₃ – (CH₂)₁₄ – COOH + CH₃ – COOH


Поверхностные активные вещества


Омыление – метод щелочного гидролиза жиров. Этим методом получают глицерин и натриевые соли жирных кислот – твердое мыло.


Пример.


C₁₇H₃₅COO – CH₂ H₂C – OH

| |

C₁₇H₃₅COO – CH + 3NaOH → HC – OH + 3C₁₇H₃₅COONa

| | (стеарат натрия)

C₁₇H₃₅COO – CH₂ H₂C – OH

(тристеарат глицерина)


При использовании КОН получают калиевую соль – жидкое мыло.


Пример.


Н₃C – (СН₂)₁₄ – COO – CH₂ H₂C – OH

| |

Н₃C – (СН₂)₁₄ – COO – CH + 3NaOH → HC – OH + 3CН₃ – (СН₂)₁₄ – СOONa

| |

Н₃C – (СН₂)₁₄ – COO – CH₂ H₂C – OH


Мыло – эффективное моющее средство. Оно может превращать жиры и масла в водные эмульсии. Твердое мыло переводит жиры и масла в мельчайшие капельки, которые смачиваются водой. Грязь удерживается на ткани тонким слоем жиров и масел, которые нужно удалить.


Пример.

O

С₁₇Н₃₅ – С

ONa

или

O

CH₃ – (CH₂)₁₆ – C

ONa




Адсорбция – концентрирование вещества на границе раздела фаз.

Эмульгирующее свойство моющих средств связано с наличием в их молекулах гидрофильных (полярных) [COONa (карбоксилат ион)] и липофильных (неполярных) групп [R (углеродная цепь)]. Подобное растворяет подобное (масло – неполярно).


=

=

=

=


=

При стирке загрязненной ткани молекулы моющего средства окружают каплю масла. Таким образом липофильные группы «растворяются» в масле, а гидрофильные – в воде. Образуется мицелла. Так как поверхности мицелл заряжены отрицательно, то они не «слипаются» между собой и не образуют больших комков. Мицеллы уносятся с током воды с поверхности ткани.


В настоящее время существует много синтетических моющих средств: натриевые соли сульфокислот и органических моноэфиров серной кислоты.


Пример.


CH₃ – (CH₂)₁₀ – CH₂ – SO₃ – ONa

Эта натриевая соль додецил-серной кислоты является одним из примеров синтетических моющих средств.


Современное синтетическое средство вместо карбоксильной группы [COO¯ ] содержится сульфитную группу [SO₃¯ ].

Преимущество синтетических средств: они могут использоваться в жесткой воде, т.к. их кальциевые и магниевые соли растворяются в воде. А простое мыло образует в жесткой воде осадок – кальциевые соли жирных кислот.

Недостаток синтетических средств: они могут накапливаться в окружающей среде и загрязнять ее. В отличии от карбоновых сульфокислот синтетические моющие средства не разлагаются микроорганизмами и накапливаются в водоемах, что приводит к гибели живых организмов.


Поверхностные явления


Адсорбция


Любая поверхность твердого тела обладает избыточной энергией.



У частиц, находящихся внутри кристалла, силы притяжения и отталкивания со стороны окружающих частиц скомпенсированы. А у частиц, находящихся на поверхности, часть сил не скомпенсирована. Поэтому, поверхность обладает свободной поверхностной энергией (∆G_пов).


При адсорбции (концентрации вещества на поверхности раздела фаз) возникает связь между молекулами, находящихся на поверхности твердого тела (адсорбат) и молекулами поглощаемого вещества. При этом ∆G_пов уменьшается.


Виды адсорбции:


1 вид. Физическая адсорбция.


При физической адсорбции связь между молекулами адсорбента и адсорбата возникает за счет действия сил Ван-дер-Ваальса.


2 вид. Химическая адсорбция.


При химической адсорбции связь между молекулами адсорбента и адсорбата возникает за счет действия химической связи.


Количественная характеристика адсорбции





р – парциальное давление;

θ – степень заполнения (доля поверхности твердого тела, заполненной мономолекулярным слоем молекул поглощенного вещества);

(1 – θ) – доля свободной поверхности.


При равновесии:


Vадс = Vдес;

V = KC_A^a C_B^b

Vадс = Kv_ад р (1 – θ) 1/K_дес

V
Kадс

Kдес
дес = Kv_ад θ 1/K_дес


(1 – θ) = θ



K_pp (1 – θ) = θ




Уравнение Лэнгмюра


K_pp

1+ K_pp

= θ








Г – адсорбция в данный момент времени.

Г_∞ – адсорбция при максимальном заполнения поверхности адсорбата.

θ - степень заполнения


θ
Т₁ > Т₂



Т₁

1



Т₂



р

Ионно-обменная хроматография


Ионно-обменная хроматография является одним из способов очистки воды.



K – катионид – (R – H)

высоко молекулярные смолы

А – анионид – (R – OH)

1. R – H + NaCl ↔ R – Na + H⁺ + Cl¯
   
2. R – OH + H⁺ + Cl¯ → R – Cl + H⁺ + OH¯
   

H₂O

Десорбция


Десорбция, также как и диффузия, обусловлена тепловым движением молекул. Следовательно, с повышением температуры процесс десорбции усиливается (только для физической десорбции). При десорбции с течением времени наступает момент динамического равновесия, при котором скорость десорбции равна скорости адсорбции:






V = K (C = 1 Моль/л)

; ∆H – теплота адсорбции (выделение теплоты – самопроизвольный процесс).

∆G_пов = σS;


σ – поверхностное натяжение;

S – площадь поверхности раздела фаз;

∆G_пов – максимальная полезная работа, затраченная на отрыв единицы поверхности раздела фаз.

Все самопроизвольные процессы стремятся понизить запас энергии Гиббса.


3. Воска


Воск – сложные эфиры жирных кислот и спиртов, отличных от глицерина.

Пчелиный воск – состоит из миристил-пальмитата.


С₃₀Н₆₁ОН – миристиловый спирт.


IX. Амины


Амины – органические производные аммиака (NH₃).

Амины


Первичные; Вторичные; Третичные

NH₂ – R R¹ – NH – R² R² – N – R³

|

R¹

Пример.


C₆H₅ – NH₂ – NH₂

бензиламин


Примеры.


NH₂

|

фениламин (анилин).


СН₃ – NH

|

метиланилин.


Нахождение в природе

• Амины широко распространены в живой природе.
  
• Амины – основание ДНК.
  
• Аминокислоты являются составляющими белковых молекул.
  
• Многие биологические вещества такие как наркотики, яды, галлюциногены также являются аминами.
  

Физические свойства аминов

1. Связь NH полярнее связи СН, но менее полярна, чем связь ОН. Поэтому молекулярные связи в аминах слабее, чем в спиртах. По этой же причине низшие амины, содержащие до трех атомов углерода в скелете, являются газами (при t˚=20˚С).
   

2. Низшие амины хорошо растворимы в воде, так как образуют водородные связи с молекулами воды.
   

3. Амины с большими углеводородными группами (например, анилин) хорошо растворимы в органических растворителях и плохо растворимы в воде.
   

Например, анилин хорошо растворяется в жировых тканях. По этой причине он легко проникает через кожу, что приводит к отравлению организма.

4. Амины образуются при разложении белков.
   

Ди- и триметиламины образуются при гниении рыбы. А высшие амины образуются при гниении мяса.

Мочевина ((NH₂)₂CO) – диамид угольной кислоты – важнейший продукт обмена белков в организме. Это первое соединение, которое было получено в лаборатории из неорганических веществ.


Основность аминов


Основание – электро-донорный реагент, который обладает сродством к протону.

Из этого определения следует, что, взаимодействуя с кислотами, амины образуют соли. Так газообразный метиламин (СH₃NH₂) при взаимодействии с соляной кислотой (HCl) образует твердую соль – хлоридметил аммония.

Метиламин можно получить в виде основания. (CH₃)₃N⁺ образует соль (CH₃)₃NBr (бромистый триметил аммония). А анилин образует C₆H₅NH₃I.

Алифатические амины в водных растворах являются более сильными основаниями, чем NH₃ (аммиак). Причина этого заключается в том, что алкильные группы являются донорами электронов, что приводит к частичной делокализации по отношению к атому углерода.

Во вторичных и третичных аминах в делокализации участвуют 2 и 3 атома углерода, поэтому основность увеличивается к третичным аминам.


первичный C₂H₅NH₂

C₂H₅

|

вторичный CH₃ – CH₂ – CH₂ – NH

третичный CH₃ – CH₂ – N – C₂H₅

|

CH₃


Также амины способны к образованию водородных связей.


H

Н ••• O

H

R – N

H

H ••• O

H


Комбинация этих двух факторов приводит к тому, что по основности амины распределяются так:

вторичные > первичные > третичные > NH₃

Ароматические амины более слабые основания, чем алифатические.

NH₂ ••

| и C₂H₅ N H₂




В этом случае неподеленная пара электронов атома азота частично делокализована по ароматическому кольцу. В результате чего происходит сопряжение с электронами бензольного кольца. Поэтому эта пара электронов менее доступна для координации с протоном.

Электро-донордные группы ОН ¯ усиливают основность. А электро-акцепторные группы NO₂¯, Cl¯ уменьшают.


Химические реакции аминов

1. Алкилирование аминов (RHall);
   

RHall

NH₃ HHall + RNH₂


R²Hall

R³Hall

R⁴Hall
R⁴

|

R¹NH₂ R¹ – N – R² R¹ – N – R² R¹ – N – R²Hall

| |

R³ R³

четвертичная аммониевая соль


В четвертичной аммониевой соли азот является четырехвалентным [(CH₃)₄N⁺Br¯ ].


Галоген-арены практически не вступают в эту реакцию.

2. Реакции аминов с азотной кислотой;
   

	Первичные амины	Вторичные амины	Третичные амины
Алифатические	Ароматические	Алифатические	Ароматические1	Алифатические	Ароматические2
Формула	RNH2	ArNH2	R2 – N – H | R1	R – N – H |	R2 – N – R3 | R1	R1 – N – R2 |
Реакция получения	NaNO2 + HCl → R – N+ NCl¯ или ArN NCl (соль диазония) (для ароматических)
Возможны реактивы	ROH, RCl, CnH2n и т.д.
Формула продукта	R – N+ NCl¯	Ar – N+ Cl¯	(R)2N – N = O	(Ar)2N – N = O	(R)3N+HNO2	HN+(R)2Cl¯ |
Продукт	Соли диазония R+ + N2	Устойчивые соли диазония	Нитрозоамины	Соли	Нитрозопроизводные
Визуальный эффект	Выделения газа (N2)	Качественная реакция с фенолами дает азокрасители	Появляется желтое масло	Видимых изменений не происходит	Соли желтого цвета