УГЛЕВОДОРОДЫ

Алканы



Общая формула CnH2rt+2. Важнейшие представители — метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10. Начиная с бутана, возможна изомерия скелета. Все связи в молекулах алканов ковалентные неполярные или малополярные. Атомы углерода

Q

Находятся в состоянии sp - гибридизации (тетраэдр). Алканы содержатся в нефти, природном газе. Для алканов характерны реакции замещения атомов водорода на другие атомы, например хлорирование: СН4 + С12 СН3С1 + НС1. Механизм реакции — радикально-цепной. Каталитическое дегидрирование алканов (отщепление водорода) приводит к непредельным углеводородам: С2Н6 -> С2Н4 + Н2. Алканы используются в качестве топлива, а также сырья для получения многих органических соединений.

Циклоалканы

Общая формула С„Н2г1. Важнейший представитель — циклогексан СбН12. По химическим свойствам напоминают алканы, но, в отличие от них, могут гидрироваться с раскрытием цикла. Циклогексан применяется в качестве растворителя и для синтеза полимеров.

Алкены

Общая формула СлН2л. Содержат одну двойную связь. Важнейшие представители — этилен (этен) С2Н4, пропилен (пропен) С3Н6, бутен С4Н8. Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии в/Лгибридизации (плоская конфигурация). В алкенах возможна изомерия скелета, изомерия положения двойной связи, пространственная цис-транс-изомерия. Алкены получают отщеплением воды от спиртов, каталитическим дегидрированием алканов, крекингом алканов. Для алкенов характерны реакции присоединения по двойной связи водорода, галогенов и гидрогалогенов, воды. Присоединение галогеноводородов по ионному механизму идет по правилу Марковни - I кова: водород присоединяется к атому углерода, соединенному с наибольшим числом атомов водорода. Характерная реакция алкенов — обесцвечивание растворов Вг2 и КМп04. Алкены применяют для получения полимеров (полиэтилен, полипропилен и др.), из этилена получают этанол и другие продукты.

Диены

Общая формула С„Н2п_2. Содержат две двойные связи. Важнейшие представители — 1,3-бутади - ; ен СН2=СН-СН=СН2 (дивинил), 2-метил-1,3-бута - диен СН2=С(СН3)-СН=СН2 (изопрен), 2-хлор-1,3- бутадиен СН2=СС1-СН=СН2 (хлоропрен). Из них получают искусственный каучук — бутадиеновый, изопреновый, хлоропреновый; 1,3-бутадиен можно получить дегидрированием бутана, а также из этанола методом Лебедева:

2СН3-СН2-ОН -> СН2=СН-СН=СН2 + 2Н20 + Н2

(обе реакции каталитические).

Особенность 1,3-диенов — 1,4-присоединение со смещением двойной связи:

СН2=СН-СН=СН2 + Вг2 ->

-> ВгСН2-СН=СН-СН2Вг.

Аналогичное смещение двойной связи происходит и в случае полимеризации:

ЛСН2=СН-СН=СН2 -» (-СН2-СН=СН-СН2-)Л.

В результате полимеризации диенов образуется каучук. Для получения из каучука резины его вулканизируют — нагревают с серой. При этом отдельные полимерные цепи сшиваются друг с другом дисульфидными мостиками - S-S - по месту расположения остаточных двойных связей.

Алкины

Общая формула СлН2л_2. Содержат тройную связь. Важнейший представитель — ацетилен С2Н2. Атомы углерода при тройной связи находятся в состоянии ер-гибридизации (линейная структура). Ацетилен можно получить из карбида кальция:

СаС2 4- 2Н20 -> С2Н2 + Са(ОН)2

И пиролизом метана:

2СН4 С2Н2 + ЗН2.

Для алкинов характерны реакции присоединения: водорода:

С2Н2 + Н2 -> С2Н4,

Галогенов:

С2Н2 + С12 -> С1СН=СНС1,

Галогеновод ородов:

С2Н2+НС1 -> Н2С=СНС1,

Воды в присутствии солей ртути — реакция Куче - рова:

С2Н2 + Н20 -> СН3-СНО.

Алкины (как и алкены, и диены) обесцвечивают бромную воду и растворы КМп04. Ацетилен применяют в кислородных горелках, для синтеза уксусной кислоты и других органических соединений.

Арены (ароматические углеводороды)

Общая формула СпН2л_6. Важнейшие представители — бензол С6Н6, метилбензол (толуол) С6Н5-СН3, диметилбензолы (ксилолы, С6Н4(СН3)2). В аренах возможна изомерия относительного расположения заместителей в кольце. Ароматическое кольцо — правильный шестиугольник, все связи С-С в нем одинаковы. Атомы углерода находятся в состоянии s/Г-гибридизации. Арены получают из каменноугольной смолы, каталитическим дегидрированием алканов с замыканием цикла. Для бензольного кольца характерны реакции замещения (один из признаков ароматичности): галогенирование: (С6Н6 + С12 -» С6Н5С1 + НС1, катализаторы — FeCl3, А1С13), нитрование:

C6H6 + HN03 -> C6H5N02 (нитробензол) + Н20.

Толуол при нитровании дает 2,4,6-тринитротолуол (тротил, тол). Бензол и его гомологи не обесцвечивают бромную воду и раствор КМп04. Арены могут вступать также в реакции присоединения: каталитическое гидрирование:

СбН6 + ЗН2 -> цикло-СвН.12, хлорирование на свету до гексахлорциклогексана:

С6Н6 + ЗС12 -> С6Н6С16.

Арены применяются как растворители, а также для синтеза красителей, взрывчатых веществ, полимеров.

Спирты

Общая формула R-ОН. Важнейшие представители — метанол СН3ОН, этанол (этиловый спирт)

С2Н5ОН. Для спиртов возможна изомерия скелета, а также изомерия положения гидроксильной группы - ОН. Этанол получают сбраживанием сахаристых веществ (их получают из плодов и ягод, гидролизом крахмала и целлюлозы), гидратацией этилена:

С2н4 + н2о -> С2Н5ОН,

В лаборатории спирты получают гидролизом гало - геналканов:

RBr + КОН -> ROH + КВг.

Спирты реагируют с щелочными металлами: 2С2Н5ОН + 2Na -> 2C2H5ONa + Н2, с галогеноводородами:

С2Н5ОН + НВг -> С2Н5Вг + Н20, с кислотами с образованием сложных эфиров:

СН3СООН + С2Н5ОН -> СН3-С0-0-С2Н5;

В присутствии водоотнимающих средств отщепляют воду с образованием алкенов:

С2Н5ОН -> С2Н4 + Н20,

А также простых эфиров:

2С2Н5ОН -> С2Н5-0-С2Н5 + Н20;

Окисляются с образованием альдегидов:

СН3-СН2-ОН + СиО -> СН3-СНО + Н20 + Си;

При одновременном отщеплении воды и водорода из этанола образуется диен:

2СН3СН2ОН -> СН2=СН-СН=СН2 + Н20 + Н2.

Спирты применяют как растворители, для синтеза сложных эфиров, кислот, других органических соединений. Многоатомные спирты содержат несколько гидроксильных групп: этиленгликоль НО-СН2-СН2-ОН, глицерин НО-СН2-СН(ОН)-СН2-ОН.

Их используют для получения антифризов (незамерзающих жидкостей), для получения полимеров, растворителей, взрывчатых соединений (нитроглицерин).

Особыми свойствами обладает ароматический спирт — фенол С6Н5ОН. Ароматическое кольцо и группа ОН взаимно влияют друг на друга: фенол реагирует не только с щелочными металлами, но и с щелочами с образованием C6H5ONa, легко бромируется и нитруется с образованием соответственно 2,4,6-трибромфенола и 2,4,6-тринит - рофенола (пикриновой кислоты). Фенол применяют для получения фенолформальдегидных смол, красителей, лекарственных и взрывчатых веществ.

Альдегиды

Общая формула R-СНО. Важнейшие представители — метаналь НСНО (формальдегид, муравьиный альдегид), этаналь СН3СНО (уксусный альдегид). Альдегиды получают окислением спиртов, гидратацией ацетилена (реакция Кучерова), каталитическим окислением этилена:

2С2Н4 + 02 -> 2СН3СНО.

Для альдегидов характерна реакция «серебряного зеркала»: RCHO + 2[Ag(NH3)2]OH -» RCOONH4 + 2Аg + Н20 + 3NH3, восстановление Cu(OH)2 с образованием желтого осадка СиОН (при нагревании образуется красный Си20). При каталитическом гидрировании альдегиды переходят в спирты: RCHO + Н2 -» RCH2OH. Метаналь используют для получения фенолформальдегид - ных и карбамидных смол, для дезинфекции, консервации, дубления кож. Из этаналя получают уксусную кислоту.

Карбоновые кислоты

Общая формула RCOOH, группа -СООН называется карбоксильной. Важнейшие представители — метановая (муравьиная) кислота НСООН, этано - вая (уксусная) кислота СН3СООН, октадекановая (стеариновая) кислота С17Н35СООН. В непредельных карбоновых кислотах (акриловая, олеиновая и др.) в углеводородном радикале R имеется одна или несколько двойных связей. В ароматических кислотах имеется бензольное кольцо (бензойная кислота С6Н5СООН). Карбоновые кислоты получают каталитическим окислением углеводородов, спиртов и альдегидов, гидролизом сложных эфиров (жиров). Карбоновые кислоты являются слабыми кислотами и проявляют характерные свойства кислот: реагируют с активными металлами, оксидами, гидроксидами, солями. Реакция со спиртами дает сложные эфиры. Непредельные жидкие кислоты (олеиновая) гидрируются с образованием предельных твердых кислот. Особые свойства муравьиной кислоты: она дает реакцию «серебряного зеркала», при нагревании с концентрированной H2S04 выделяет СО. Карбоновые кислоты используют для синтеза растворителей, красителей, лекарственных средств, в пищевой промышленности (уксусная кислота).

Сложные эфиры

Общая формула RCOOR!. Образуются в реакциях кислот со спиртами:

RCOOH + RjOH -> RCOORt + Н20

(реакция этерификации). Важнейший представитель — этилацетат СН3СООС2Н5, он используется в качестве растворителя лаков и красок.

Высокомолекулярные соединения (ВМС) и полимеры

Полимеры образуются в результате реакций полимеризации непредельных соединений (мономеров) или реакций поликонденсации («сшивка» молекул с отщеплением молекул Н20, NH3). Механические свойства полимера сильно зависят от регулярности строения его цепи. Полимеризацию непредельных соединений проводят при высоком давлении и повышенной температуре, либо в присутствии катализаторов. В последнем случае получают стереорегулярные полимеры. В наибольших количествах получают: полиэтилен [-СН2-СН2-]П, полипропилен [-СН2-СН(СН3)-]„, поливинилхлорид [-СН2-СНС1-]„, полистирол [-СН2-СН(СбН5)-]п, полиметилметакрилат[-СН2-СН(СООСН3)-]п. Это термопластичные полимеры — при нагревании они плавятся, а при охлаждении затвердевают.

Примером поликонденсации является образование фенолформальдегидной смолы. В этой реакции молекулы формальдегида «сшивают» молекулы фенола группами - СН2- с выделением молекул Н20. Полученный полимер при высокой степени поликонденсации при нагревании не размягчается и не плавится. Подобные полимеры называются термореактивными. При полимеризации 1,3-бутадиена в присутствии катализатора образуется бутадиеновый каучук [~СН2-СН=СН-СН2-]

Аналогично из 2-метил-1,3-бутадиена (изопрена) образуется изопреновый каучук, из 2-хлор-1,3- бутадиена (хлоропрена) — хлоропреновый. При «сшивке» цепей каучука (вулканизации) обра - ; зуется эластичная и прочная пространственная структура. Многие каучуки получают совместной полимеризацией разных мономеров с образованием сополимеров (например, бутадиенстирольный каучук). |

Азотсодержащие органические соединения

Нитросоединения содержат в молекулах одну или несколько нитрогрупп ~N02, соединенных с атомами углерода: нитрометан CH3N02, нитробензол C6H5N02, тринитротолуол CH3C6H2(N03)3.

Аминами называются производные аммиака, в молекулах которых один или несколько атомов Н замещены углеводородными радикалами. Соответственно образуются первичные амины (метиламин CH3NH2, фениламин или анилин C6H5NH2), вторичные амины (диметиламин CH3-NH-CH3), третичные амины (триметиламин (CH3)3N). Группа NH2 называется аминогруппой. Амины, как и аммиак, обладают основными свойствами: изменяют цвет индикаторов, реагируют с кислотами с образованием солей: 'Ш

CH3NH2 + HCl-> CH3NH3C1 щ

Простейший ароматический амин — анилин. Его получают восстановлением нитробензола (реакция Зинина):

C6H5N02 + 6Н -> C6H5NH2 + 2Н20.

Анилин реагирует с бромной водой:

C6H5NH2 + 3Br2 -> 2,4,6-C6H2Br3NH2 + ЗНВг.

Азотсодержащие гетероциклические соединения содержат атомы углерода и азота. Пиридин C3H5N — ароматическое соединение, его молекулу можно представить как бензольное кольцо, в котором фрагмент - СН - заменен атомом N. Пиридин — слабое основание (по основности близок к анилину), с кислотами образует соли. Пиридиновое кольцо входит в состав многих природных соединений, витаминов и лекарственных средств. Пиррол — ароматический пятичленный гетероцикл. Производные пиррола входят в состав гемоглобина и хлорофилла. Несколько атомов азота находятся в молекулах пиримидиновых и пуриновых оснований — гетероциклических соединений, входящих в состав нуклеиновых кислот (ДНК, РНК).

Биологически важные

Органические вещества

Жирами называются сложные эфиры глицерина и карбоновых кислот. Жиры, образованные высшими насыщенными кислотами (например, стеариновой), — твердые вещества (животный жир); ненасыщенными кислотами (например, олеиновой), — жидкие (растительные масла). При гидрировании жидких жиров образуются твердые жиры. При гидролизе (омылении) жиров образуются глицерин и соли карбоновых кислот. Натриевые и калиевые соли высших карбоновых кислот образуют мыло.

Вещества, содержащие в молекуле одновременно амино - и карбоксильные группы, называются аминокислотами. В природных аминокислотах группы - NH2 и - СООН соединены с одним и тем же атомом углерода: аминоуксусная кислота (глицин) H2NCH2COOH, аминопропионовая кислота (аланин) H3CCH(NH2)COOH. Все белки живых организмов построены из 20 основных аминокислот.

Белки образуются в результате поликонденсации аминокислот с образованием пептидных связей - CO-NH-. Белки в живых организмах имеют строго определенную последовательность аминокислот (первичная структура) и определенное пространственное строение. Белки образуют прозрачные коллоидные водные растворы. При их нагреве, действии кислот, некоторых солей происходит денатурация — разрушение упаковки макромолекул. При гидролизе белков разрываются пептидные связи и образуются аминокислоты.

Углеводами называются некоторые продукты биосинтеза в живых организмах, содержащие атомы Н, С и О. К углеводам относятся сахара. Моносахариды содержат 4, 5 или 6 атомов углерода и называются соответственно тетрозами, пентозами и гексозами.

Важнейшие представители гексоз — глюкоза и фруктоза. Молекулы глюкозы С6Н1206 могут существовать как в открытой (линейной), так и в циклической форме. В растворе обе формы находятся в равновесии. Открытая форма является альдеги- доспиртом, поэтому глюкоза дает реакцию «серебряного зеркала». Фруктоза — изомер глюкозы, в ее молекуле нет альдегидной группы. Глюкоза и фруктоза образуются в хлорофилловых зернах зеленых растений из воды и углекислого газа с использованием энергии солнечного света (процесс фотосинтеза):

6С02 - Ь 6Н20 —> С6Н1206 + 6С02.

Дисахариды содержат два остатка моносахаридов, соединенных через атом кислорода. Важнейший представитель дисахаридов — сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). При гидролизе сахароза распадается на глюкозу и фруктозу.

Полисахариды — высокомолекулярные соединения (полимеры), молекулы которых состоят из многих остатков полисахаридов, соединенных через атомы кислорода. Важнейшие представители полисахаридов — крахмал и целлюлоза.




See also: