Związki organiczne zawierające tlen i ich zastosowanie. Kwasy i ich właściwości

Związki zawierające tlen mogą obejmować grupy hydroksylowe, karbonylowe i karboksylowe. Odpowiadają klasie związków - alkohole, aldehydy, ketony, kwasy karboksylowe.

Alkohole

Zaatakujmy etylen wodą. Jako katalizator stosujemy kwas siarkowy. Katalizuje zarówno dodawanie, jak i usuwanie wody. W wyniku rozerwania wiązania podwójnego jeden atom węgla przyłączy atom wodoru, a drugi przyłączy grupę hydroksylową cząsteczki wody. W ten sposób otrzymuje się związki z klasy alkoholi.

Najprostszym alkoholem jest metyloCH3–OH. Alkohol etylowy to kolejny homolog szeregu alkoholi.

Jeśli cząsteczka alkoholu zawiera jedną grupę hydroksylową, taki alkohol nazywa się jednowodorotlenowym. Istnieją również alkohole zawierające dwie lub więcej grup hydroksylowych. Takie alkohole nazywane są wielowodorotlenowymi. Przykładem alkoholu wielowodorotlenowego jest dobrze znana gliceryna.

Aldehydy

Pod wpływem słabego utleniacza grupę hydroksylową można przekształcić w grupę karbonylową. W rezultacie powstaje nowa klasa związków - aldehydy. Na przykład alkohol etylowy utlenia się tak słabym utleniaczem, jak tlenek miedzi(II). Reakcja zachodzi po podgrzaniu. Produktem reakcji jest aldehyd octowy.

Jest to jakościowa reakcja na alkohole. Jest produkowany w ten sposób. Drut miedziany kalcynuje się do momentu utworzenia warstwy tlenku, a następnie zanurza w gorącym alkoholu. Alkohol utlenia się, a miedź redukuje. Drut miedziany staje się błyszczący i śmierdzi aldehydem octowym.

Podobnie jak alkohole, aldehydy można utlenić za pomocą słabych środków utleniających. Reakcja ta zachodzi, gdy aldehyd utlenia się amoniakalnym roztworem tlenku srebra. Wytrącone srebro tworzy na ściankach probówki cienką, lustrzaną warstwę. Proces ten nazywany jest reakcją srebrnego lustra. Służy do jakościowego oznaczania aldehydów.

Kwasy karboksylowe

Podczas utleniania aldehydów grupa karbonylowa dodaje atom tlenu. Tworzy to grupę karboksylową. Powstaje nowa klasa związków organicznych – kwasy karboksylowe. W naszym przypadku kwas octowy otrzymano z aldehydu octowego. Jak widzimy, grupy funkcyjne mogą przekształcać się w siebie.

Wiele kwasów karboksylowych to słabe elektrolity. Podczas dysocjacji pod wpływem cząsteczek wody wodór oddziela się od grupy karboksylowej cząsteczki kwasu organicznego:

CH3COOH – CH3COO- + H+

Kwas octowy, podobnie jak inne kwasy organiczne, reaguje z zasadami, zasadowymi tlenkami i metalami.

Aldehydy, alkohole i kwasy mają ogromne znaczenie w naszym życiu. Wykorzystuje się je do syntezy różnych substancji. Alkohole wykorzystywane są do produkcji kauczuków syntetycznych, substancji zapachowych, leków, barwników oraz jako rozpuszczalniki.

Kwasy organiczne są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie i odgrywają ważną rolę w reakcjach biochemicznych. W przemyśle chemicznym kwasy organiczne stosuje się do garbowania i drukowania perkalu.

Alkohole to także substancje toksyczne. Szczególnie trujący jest metanol. Jeśli dostanie się do organizmu, powoduje ślepotę, a nawet śmierć. Alkohol etylowy ma negatywny wpływ na ośrodki życiowe w korze mózgowej, naczyniach krwionośnych i na psychikę, niszcząc osobowość człowieka.

Ta lekcja wideo została stworzona specjalnie do samodzielnej nauki tematu „Substancje organiczne zawierające tlen”. Podczas tej lekcji poznasz nowy rodzaj substancji organicznej zawierającej węgiel, wodór i tlen. Nauczyciel opowie o właściwościach i składzie substancji organicznych zawierających tlen.

Temat: Materia organiczna

Lekcja: Substancje organiczne zawierające tlen

Właściwości substancji organicznych zawierających tlen są bardzo zróżnicowane i zależą od tego, do której grupy atomów należy atom tlenu. Ta grupa nazywa się funkcjonalna.

Grupę atomów, która w istotny sposób determinuje właściwości substancji organicznej, nazywa się grupą funkcyjną.

Istnieje kilka różnych grup zawierających tlen.

Pochodne węglowodorów, w których jeden lub więcej atomów wodoru zastąpiono grupą funkcyjną, należą do pewnej klasy substancji organicznych (tabela 1).

Patka. 1. O przynależności substancji do określonej klasy decyduje grupa funkcyjna

Alkohole jednowodorotlenowe nasycone

Rozważmy indywidualni przedstawiciele i ogólne właściwości alkoholi.

Najprostszym przedstawicielem tej klasy substancji organicznych jest metanol, lub alkohol metylowy. Jego formuła jest CH3OH. Jest to bezbarwna ciecz o charakterystycznym alkoholowym zapachu, dobrze rozpuszczalna w wodzie. Metanol- to jest bardzo trujący substancja. Kilka kropli przyjętych doustnie powoduje ślepotę, a nieco większa ilość prowadzi do śmierci! Wcześniej metanol izolowano z produktów pirolizy drewna, dlatego zachowano jego starą nazwę - alkohol drzewny. Alkohol metylowy jest szeroko stosowany w przemyśle. Produkuje się z niego leki, kwas octowy i formaldehyd. Stosowany jest także jako rozpuszczalnik do lakierów i farb.

Nie mniej powszechny jest drugi przedstawiciel klasy alkoholi - alkohol etylowy lub etanol Jego formuła jest C2H5OH. Pod względem właściwości fizycznych etanol praktycznie nie różni się od metanolu. Alkohol etylowy ma szerokie zastosowanie w medycynie, wchodzi także w skład napojów alkoholowych. Wystarczająco dużą liczbę związków organicznych otrzymuje się z etanolu w syntezie organicznej.

Otrzymywanie etanolu. Główną metodą produkcji etanolu jest uwodnienie etylenu. Reakcja zachodzi w wysokiej temperaturze i ciśnieniu, w obecności katalizatora.

CH 2 = CH 2 + H 2 O → C 2 H 5 OH

Reakcja substancji z wodą nazywa się hydratacją.

Alkohole wielowodorotlenowe

Alkohole wielowodorotlenowe obejmują związki organiczne, których cząsteczki zawierają kilka grup hydroksylowych połączonych z rodnikiem węglowodorowym.

Jednym z przedstawicieli alkoholi wielowodorotlenowych jest gliceryna (1,2,3-propanotriol). Cząsteczka glicerolu zawiera trzy grupy hydroksylowe, z których każda jest zlokalizowana przy własnym atomie węgla. Gliceryna jest substancją bardzo higroskopijną. Jest w stanie absorbować wilgoć z powietrza. Ze względu na tę właściwość gliceryna jest szeroko stosowana w kosmetologii i medycynie. Gliceryna posiada wszystkie właściwości alkoholi. Przedstawicielem dwóch alkoholi atomowych jest glikol etylenowy. Jego wzór można uznać za wzór etanu, w którym atomy wodoru każdego atomu zastępuje się grupami hydroksylowymi. Glikol etylenowy jest syropowatą cieczą o słodkim smaku. Ale jest bardzo trujący i pod żadnym pozorem nie powinieneś go próbować! Jako środek przeciw zamarzaniu stosuje się glikol etylenowy. Jedną z powszechnych właściwości alkoholi jest ich oddziaływanie z metalami aktywnymi. W grupie hydroksylowej atom wodoru można zastąpić aktywnym atomem metalu.

2C 2H 5OH + 2Nie→ 2C 2 H 5 ONie+ H 2

Otrzymuje się etanolan sodu i wydziela się wodór. Etolan sodu jest związkiem podobnym do soli, należącym do klasy alkoholanów. Alkohole ze względu na słabe właściwości kwasowe nie wchodzą w interakcje z roztworami alkalicznymi.

Związki karbonylowe

Ryż. 2. Poszczególni przedstawiciele związków karbonylowych

Związki karbonylowe obejmują aldehydy i ketony. Związki karbonylowe zawierają grupę karbonylową (patrz tabela 1). Najprostszy aldehyd jest formaldehyd. Formaldehyd jest gazem o ostrym zapachu, wyjątkowo toksyczna substancja! Roztwór formaldehydu w wodzie nazywany jest formaliną i służy do konserwacji produktów biologicznych (patrz ryc. 2).

Formaldehyd jest szeroko stosowany w przemyśle do produkcji tworzyw sztucznych, które nie miękną pod wpływem ogrzewania.

Najprostszy przedstawiciel ketony Jest aceton. Jest to ciecz dobrze rozpuszczalna w wodzie i stosowana głównie jako rozpuszczalnik. Aceton ma bardzo ostry zapach.

Kwasy karboksylowe

Kwasy karboksylowe zawierają grupę karboksylową (patrz ryc. 1). Najprostszym przedstawicielem tej klasy jest metan lub kwas mrówkowy. Kwas mrówkowy występuje w mrówkach, pokrzywach i igłach świerkowych. Oparzenie pokrzywy jest efektem drażniącego działania kwasu mrówkowego.

Patka. 2.

Najważniejsze jest to kwas octowy. Jest niezbędny do syntezy barwników, leków (na przykład aspiryny), estrów i błonnika octanowego. 3-9% wodny roztwór kwasu octowego - ocet, aromat i konserwant.

Oprócz mrówkowego i octowego kwasu karboksylowego istnieje wiele naturalnych kwasów karboksylowych. Należą do nich kwas cytrynowy, kwas mlekowy i kwas szczawiowy. Kwas cytrynowy występuje w soku z cytryny, malin, agrestu, jagód jarzębiny itp. Szeroko stosowany w przemyśle spożywczym i medycynie. Jako konserwanty stosuje się kwas cytrynowy i mlekowy. Kwas mlekowy powstaje w wyniku fermentacji glukozy. Kwas szczawiowy służy do usuwania rdzy i jako barwnik. Wzory poszczególnych przedstawicieli kwasów karboksylowych podano w tab. 2.

Wyższe kwasy karboksylowe zawierają zwykle 15 lub więcej atomów węgla. Na przykład kwas stearynowy zawiera 18 atomów węgla. Sole wyższych kwasów węglowych sodu i potasu nazywane są mydła. Stearynian sodu C 17 H 35 COONiejest częścią stałego mydła.

Istnieje powiązanie genetyczne pomiędzy klasami substancji organicznych zawierających tlen.

Podsumowanie lekcji

Dowiedziałeś się, że właściwości substancji organicznych zawierających tlen zależą od tego, która grupa funkcyjna wchodzi w skład ich cząsteczek. Grupa funkcyjna określa, czy substancja należy do określonej klasy związków organicznych. Istnieje związek genetyczny pomiędzy klasami substancji organicznych zawierającymi tlen.

1. Rudzitis G.E. Chemia nieorganiczna i organiczna. Klasa 9: Podręcznik dla placówek kształcenia ogólnego: poziom podstawowy / G.E. Rudzitis, F.G. Feldmana. - M.: Edukacja, 2009.

2. Papież P.P. Chemia. Klasa IX: Podręcznik dla placówek oświaty ogólnokształcącej / P.P. Popel, L.S. Krivlya. - K.: IC "Akademia", 2009. - 248 s.: il.

3. Gabrielyan O.S. Chemia. Klasa 9: Podręcznik. - M.: Drop, 2001. - 224 s.

1. Rudzitis G.E. Chemia nieorganiczna i organiczna. Klasa 9: Podręcznik dla placówek kształcenia ogólnego: poziom podstawowy / G.E. Rudzitis, F.G. Feldmana. - M.: Edukacja, 2009. - nr 2-4, 5 (s. 173).

2. Podaj wzory dwóch homologów etanolu oraz wzór ogólny szeregu homologicznego nasyconych alkoholi jednowodorotlenowych.

Charakterystyczne właściwości chemiczne nasyconych alkoholi jednowodorotlenowych i wielowodorotlenowych, fenolu

Nasycone alkohole jednowodorotlenowe i wielowodorotlenowe

Alkohole (lub alkanole) to substancje organiczne, których cząsteczki zawierają jedną lub więcej grup hydroksylowych (grupy $-OH$) połączonych z rodnikiem węglowodorowym.

Ze względu na liczbę grup hydroksylowych (atomowość) alkohole dzielą się na:

- monoatomowe, na przykład:

$(CH_3-OH)↙(metanol(alkohol metylowy))$ $(CH_3-CH_2-OH)↙(etanol(alkohol etylowy))$

— dwuwodorowy (glikole), Na przykład:

$(OH-CH_2-CH_2-OH)↙(etanodiol-1,2(glikol etylenowy))$

$(HO-CH_2-CH_2-CH_2-OH)↙(propanodiol-1,3)$

— trójatomowy, Na przykład:

Ze względu na charakter rodnika węglowodorowego wyróżnia się następujące alkohole:

— limit zawierające w cząsteczce wyłącznie nasycone rodniki węglowodorowe, np.:

— Nieograniczony zawierające wiązania wielokrotne (podwójne i potrójne) pomiędzy atomami węgla w cząsteczce, na przykład:

$(CH_2=CH-CH_2-OH)↙(propen-2-ol-1 (alkohol allilowy))$

— aromatyczny, tj. alkohole zawierające w cząsteczce pierścień benzenowy i grupę hydroksylową, połączone ze sobą nie bezpośrednio, ale poprzez atomy węgla, na przykład:

Substancje organiczne zawierające w cząsteczce grupy hydroksylowe, połączone bezpośrednio z atomem węgla pierścienia benzenowego, różnią się znacznie właściwościami chemicznymi od alkoholi i dlatego zaliczane są do niezależnej klasy związków organicznych – fenoli. Na przykład:

Istnieją również alkohole wielowodorotlenowe (wielowodorotlenowe) zawierające w cząsteczce więcej niż trzy grupy hydroksylowe. Na przykład najprostszy heksaol alkoholu sześciowodorotlenowego (sorbitol):

Nazewnictwo i izomeria

Tworząc nazwy alkoholi, do nazwy węglowodoru odpowiadającego alkoholowi dodaje się przyrostek rodzajowy -ol. Liczby po przyrostku wskazują pozycję grupy hydroksylowej w głównym łańcuchu oraz przedrostki di-, tri-, tetra- itp. - ich liczba:

W numeracji atomów węgla w łańcuchu głównym pozycja grupy hydroksylowej ma pierwszeństwo przed pozycją wiązań wielokrotnych:

Począwszy od trzeciego członu szeregu homologicznego alkohole wykazują izomerię położenia grupy funkcyjnej (propanol-1 i propanol-2), a od czwartego izomerię szkieletu węglowego (butanol-1,2-metylopropanol-1 ). Charakteryzuje je także izomeria międzyklasowa – alkohole są izomeryczne do eterów:

$(CH_3-CH_2-OH)↙(etanol)$ $(CH_3-O-CH_3)↙(eter dimetylowy)$

alkohole

Właściwości fizyczne.

Alkohole mogą tworzyć wiązania wodorowe zarówno pomiędzy cząsteczkami alkoholu, jak i pomiędzy cząsteczkami alkoholu i wody.

Wiązania wodorowe powstają, gdy częściowo dodatnio naładowany atom wodoru jednej cząsteczki alkoholu oddziałuje z częściowo naładowanym ujemnie atomem tlenu innej cząsteczki. To dzięki wiązaniom wodorowym między cząsteczkami alkohole mają nienormalnie wysoką temperaturę wrzenia w stosunku do swojej masy cząsteczkowej. Zatem propan o względnej masie cząsteczkowej wynoszącej 44 USD jest gazem w normalnych warunkach, a najprostszy alkohol, metanol, o względnej masie cząsteczkowej wynoszącej 32 USD, jest cieczą w normalnych warunkach.

Dolne i środkowe składniki szeregu nasyconych alkoholi jednowodorotlenowych, zawierających od 1 do 11 dolarów atomów węgla, to ciecze. Wyższe alkohole (począwszy od $C_(12)H_(25)OH$) są ciałami stałymi w temperaturze pokojowej. Niższe alkohole mają charakterystyczny alkoholowy zapach i ostry smak; są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Wraz ze wzrostem rodnika węglowodorowego rozpuszczalność alkoholi w wodzie maleje, a oktanol nie miesza się już z wodą.

Właściwości chemiczne.

O właściwościach substancji organicznych decyduje ich skład i struktura. Alkohole potwierdzają ogólną zasadę. W ich cząsteczkach znajdują się rodniki węglowodorowe i hydroksylowe, zatem o właściwościach chemicznych alkoholi decyduje wzajemne oddziaływanie i oddziaływanie tych grup. Właściwości charakterystyczne dla tej klasy związków wynikają z obecności grupy hydroksylowej.

1. Oddziaływanie alkoholi z metalami alkalicznymi i ziem alkalicznych. Aby zidentyfikować wpływ rodnika węglowodorowego na grupę hydroksylową, należy porównać z jednej strony właściwości substancji zawierającej grupę hydroksylową i rodnik węglowodorowy z substancją zawierającą grupę hydroksylową i niezawierającą rodnika węglowodorowego , na inne. Substancjami takimi mogą być na przykład etanol (lub inny alkohol) i woda. Wodór grupy hydroksylowej cząsteczek alkoholu i cząsteczek wody można redukować przez metale alkaliczne i ziem alkalicznych (zastępowane przez nie):

$2Na+2H_2O=2NaOH+H_2$,

$2Na+2C_2H_5OH=2C_2H_5ONa+H_2$,

$2Na+2ROH=2RONa+H_2$.

2. Oddziaływanie alkoholi z halogenowodorami. Podstawienie grupy hydroksylowej halogenem prowadzi do powstania haloalkanów. Na przykład:

$C_2H_5OH+HBr⇄C_2H_5Br+H_2O$.

Ta reakcja jest odwracalna.

3. Międzycząsteczkowe odwodnienie alkoholi— oddzielenie cząsteczki wody od dwóch cząsteczek alkoholu podczas ogrzewania w obecności środków usuwających wodę:

W wyniku międzycząsteczkowego odwodnienia alkoholi, etery. Tak więc, gdy alkohol etylowy zostanie podgrzany z kwasem siarkowym do temperatury od 100 $ do 140 $ C $, powstaje eter dietylowy (siarkowy):

4. Interakcja alkoholi z kwasami organicznymi i nieorganicznymi tworząc estry ( reakcja estryfikacji):

Reakcję estryfikacji katalizują mocne kwasy nieorganiczne.

Na przykład, gdy alkohol etylowy i kwas octowy reagują, powstaje octan etylu - octan etylu:

5. Wewnątrzcząsteczkowe odwodnienie alkoholi zachodzi podczas podgrzewania alkoholi w obecności środków odwadniających do temperatury wyższej niż temperatura odwodnienia międzycząsteczkowego. W rezultacie powstają alkeny. Reakcja ta wynika z obecności atomu wodoru i grupy hydroksylowej przy sąsiadujących atomach węgla. Przykładem jest reakcja wytwarzania etenu (etylenu) poprzez ogrzewanie etanolu powyżej 140°C w obecności stężonego kwasu siarkowego:

6. Utlenianie alkoholi zwykle przeprowadza się przy użyciu silnych środków utleniających, na przykład dwuchromianu potasu lub nadmanganianu potasu, w środowisku kwaśnym. W tym przypadku działanie utleniacza jest skierowane na atom węgla, który jest już związany z grupą hydroksylową. W zależności od charakteru alkoholu i warunków reakcji mogą powstawać różne produkty. Zatem alkohole pierwszorzędowe utleniają się najpierw do aldehydy, a następnie w kwasy karboksylowe:

Utlenianie alkoholi drugorzędowych wytwarza ketony:

Alkohole trzeciorzędowe są dość odporne na utlenianie. Jednakże w trudnych warunkach (silny utleniacz, wysoka temperatura) możliwe jest utlenianie alkoholi trzeciorzędowych, które następuje w wyniku zerwania wiązań węgiel-węgiel znajdujących się najbliżej grupy hydroksylowej.

7. Odwodornienie alkoholi. Kiedy pary alkoholu przepuszczane są w temperaturze 200-300°C przez katalizator metalowy, taki jak miedź, srebro lub platyna, alkohole pierwszorzędowe przekształcają się w aldehydy, a alkohole drugorzędowe w ketony:

Obecność kilku grup hydroksylowych w cząsteczce alkoholu jednocześnie determinuje specyficzne właściwości alkohole wielowodorotlenowe, które są zdolne do tworzenia rozpuszczalnych w wodzie jasnoniebieskich związków kompleksowych podczas interakcji ze świeżo przygotowanym osadem wodorotlenku miedzi (II). Dla glikolu etylenowego możemy napisać:

Alkohole jednowodorotlenowe nie mogą brać udziału w tej reakcji. Jest to zatem reakcja jakościowa na alkohole wielowodorotlenowe.

Fenol

Struktura fenoli

Grupa hydroksylowa w cząsteczkach związków organicznych może być połączona bezpośrednio z pierścieniem aromatycznym lub może być od niego oddzielona jednym lub większą liczbą atomów węgla. Można się spodziewać, że w zależności od tej właściwości substancje będą się znacznie różnić od siebie ze względu na wzajemne oddziaływanie grup atomów. Rzeczywiście, związki organiczne zawierające aromatyczny rodnik fenylowy $C_6H_5$—, bezpośrednio związany z grupą hydroksylową, wykazują szczególne właściwości, różniące się od właściwości alkoholi. Takie związki nazywane są fenolami.

Fenole to substancje organiczne, których cząsteczki zawierają rodnik fenylowy związany z jedną lub większą liczbą grup hydroksylowych.

Podobnie jak alkohole, fenole klasyfikuje się ze względu na atomowość, tj. przez liczbę grup hydroksylowych.

Fenole jednowodorotlenowe zawierają w cząsteczce jedną grupę hydroksylową:

Fenole wielowodorotlenowe zawierają więcej niż jedną grupę hydroksylową w cząsteczkach:

Istnieją inne fenole wielowodorotlenowe zawierające trzy lub więcej grup hydroksylowych w pierścieniu benzenowym.

Przyjrzyjmy się bliżej budowie i właściwościom najprostszego przedstawiciela tej klasy - fenolu $C_6H_5OH$. Nazwa tej substancji stała się podstawą nazwy całej klasy - fenoli.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Właściwości fizyczne.

Fenol jest substancją stałą, bezbarwną, krystaliczną, $t°_(ln.)=43°C, t°_(wrzenie)=181°C$, o ostrym, charakterystycznym zapachu. Trujący. Fenol jest słabo rozpuszczalny w wodzie w temperaturze pokojowej. Wodny roztwór fenolu nazywa się kwasem karbolowym. W przypadku kontaktu ze skórą powoduje oparzenia, dlatego z fenolem należy obchodzić się ostrożnie!

Właściwości chemiczne.

Właściwości kwasowe. Jak już wspomniano, atom wodoru grupy hydroksylowej ma charakter kwasowy. Kwasowe właściwości fenolu są wyraźniejsze niż wody i alkoholi. W przeciwieństwie do alkoholi i wody, fenol reaguje nie tylko z metalami alkalicznymi, ale także z zasadami, tworząc fenolany:

Jednakże właściwości kwasowe fenoli są mniej wyraźne niż właściwości kwasów nieorganicznych i karboksylowych. Na przykład właściwości kwasowe fenolu są około 3000 dolarów razy słabsze niż właściwości kwasu węglowego. Dlatego przepuszczając dwutlenek węgla przez wodny roztwór fenolanu sodu, można wyizolować wolny fenol:

Dodanie kwasu solnego lub siarkowego do wodnego roztworu fenolanu sodu prowadzi również do powstania fenolu:

Jakościowa reakcja na fenol.

Fenol reaguje z chlorkiem żelaza (III), tworząc intensywnie purpurowy związek kompleksowy.

Reakcja ta pozwala na jego wykrycie nawet w bardzo ograniczonych ilościach. Inne fenole zawierające jedną lub więcej grup hydroksylowych w pierścieniu benzenowym również dają jasne niebiesko-fioletowe zabarwienie w reakcji z chlorkiem żelaza (III).

Reakcje pierścienia benzenowego

Obecność podstawnika hydroksylowego znacznie ułatwia zachodzenie reakcji podstawienia elektrofilowego w pierścieniu benzenowym.

1. Bromowanie fenolu. W przeciwieństwie do benzenu bromowanie fenolu nie wymaga dodatku katalizatora (bromku żelaza (III)).

Ponadto oddziaływanie z fenolem zachodzi selektywnie: kierowane są atomy bromu orto- i pozycje para, zastępując znajdujące się tam atomy wodoru. Selektywność podstawienia wyjaśniają omówione powyżej cechy struktury elektronowej cząsteczki fenolu.

Tak więc, gdy fenol reaguje z wodą bromową, powstaje biały osad 2,4,6-tribromofenol:

Reakcja ta, podobnie jak reakcja z chlorkiem żelaza(III), służy do jakościowego wykrywania fenolu.

2. Nitrowanie fenolu zachodzi również łatwiej niż azotowanie benzenu. Reakcja z rozcieńczonym kwasem azotowym zachodzi w temperaturze pokojowej. W rezultacie powstaje mieszanina orto- I para- izomery nitrofenolu:

W przypadku użycia stężonego kwasu azotowego powstaje materiał wybuchowy - 2,4,6-trinitrofenol(kwas pikrynowy):

3. Uwodornienie rdzenia aromatycznego fenolu w obecności katalizatora następuje łatwo:

4.Polikondensacja fenolu z aldehydami, szczególnie w przypadku formaldehydu, zachodzi wraz z tworzeniem się produktów reakcji - żywic fenolowo-formaldehydowych i stałych polimerów.

Oddziaływanie fenolu z formaldehydem można opisać następującym schematem:

Prawdopodobnie zauważyłeś, że w cząsteczce dimeru zatrzymywane są „ruchome” atomy wodoru, co oznacza, że ​​dalsza kontynuacja reakcji jest możliwa przy wystarczającej liczbie odczynników:

Reakcja polikondensacja, te. reakcja wytwarzania polimeru, która zachodzi wraz z uwolnieniem produktu ubocznego o niskiej masie cząsteczkowej (wody), może trwać dalej (aż do całkowitego zużycia jednego z odczynników) z utworzeniem ogromnych makrocząsteczek. Proces można opisać ogólnym równaniem:

Tworzenie się cząsteczek liniowych zachodzi w zwykłych temperaturach. Prowadzenie tej reakcji po podgrzaniu powoduje, że powstały produkt ma rozgałęzioną strukturę, jest stały i nierozpuszczalny w wodzie. W wyniku nagrzania liniowej żywicy fenolowo-formaldehydowej z nadmiarem aldehydu otrzymuje się twarde masy plastyczne o unikalnych właściwościach. Polimery na bazie żywic fenolowo-formaldehydowych stosowane są do produkcji lakierów i farb, wyrobów z tworzyw sztucznych, które są odporne na ogrzewanie, chłodzenie, wodę, zasady i kwasy oraz posiadają wysokie właściwości dielektryczne. Najbardziej krytyczne i najważniejsze części urządzeń elektrycznych, obudowy zespołów napędowych i części maszyn oraz podłoże polimerowe płytek drukowanych do urządzeń radiowych wykonane są z polimerów na bazie żywic fenolowo-formaldehydowych. Kleje na bazie żywic fenolowo-formaldehydowych są w stanie niezawodnie łączyć części o najróżniejszym charakterze, zachowując najwyższą wytrzymałość połączenia w bardzo szerokim zakresie temperatur. Klej ten służy do mocowania metalowej podstawy lamp oświetleniowych do szklanej żarówki. Teraz rozumiesz, dlaczego fenol i produkty na jego bazie są szeroko stosowane.

Charakterystyczne właściwości chemiczne aldehydów, nasyconych kwasów karboksylowych, estrów

Aldehydy i ketony

Aldehydy to substancje organiczne, których cząsteczki zawierają grupę karbonylową , połączony z atomem wodoru i rodnikiem węglowodorowym.

Ogólny wzór aldehydów to:

W najprostszym aldehydzie, formaldehydzie, rolę rodnika węglowodorowego pełni drugi atom wodoru:

Nazywa się grupę karbonylową związaną z atomem wodoru aldehydowy:

Substancje organiczne, w których cząsteczkach grupa karbonylowa jest połączona z dwoma rodnikami węglowodorowymi, nazywane są ketonami.

Oczywiście ogólny wzór na ketony to:

Grupa karbonylowa ketonów nazywa się grupa ketonowa.

W najprostszym ketonie, acetonie, grupa karbonylowa jest połączona z dwoma rodnikami metylowymi:

Nazewnictwo i izomeria

W zależności od budowy rodnika węglowodorowego związanego z grupą aldehydową wyróżnia się aldehydy nasycone, nienasycone, aromatyczne, heterocykliczne i inne:

Zgodnie z nomenklaturą IUPAC nazwy aldehydów nasyconych tworzy się od nazwy alkanu o tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce za pomocą przyrostka -glin. Na przykład:

Numeracja atomów węgla głównego łańcucha zaczyna się od atomu węgla grupy aldehydowej. Dlatego grupa aldehydowa zawsze znajduje się przy pierwszym atomie węgla i nie ma potrzeby wskazywania jej położenia.

Oprócz nazewnictwa systematycznego stosowane są także banalne nazwy powszechnie stosowanych aldehydów. Nazwy te zwykle pochodzą od nazw kwasów karboksylowych odpowiadających aldehydom.

Aby nazwać ketony zgodnie z nomenklaturą systematyczną, grupa ketonowa jest oznaczona przyrostkiem -On oraz liczbę wskazującą numer atomu węgla grupy karbonylowej (numeracja powinna zaczynać się od końca łańcucha najbliższego grupie ketonowej). Na przykład:

Aldehydy charakteryzują się tylko jednym typem izomerii strukturalnej - izomerią szkieletu węglowego, która jest możliwa w przypadku butanalu, a dla ketonów - także izomerią położenia grupy karbonylowej. Ponadto charakteryzują się izomerią międzyklasową (propanal i propanon).

Trywialne nazwy i temperatury wrzenia niektórych aldehydów.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Właściwości fizyczne.

W cząsteczce aldehydu lub ketonu, ze względu na większą elektroujemność atomu tlenu w porównaniu z atomem węgla, wiązanie $C=O$ jest silnie spolaryzowane ze względu na przesunięcie gęstości elektronowej wiązania $π$ w stronę tlenu:

Aldehydy i ketony są substancjami polarnymi o nadmiernej gęstości elektronowej na atomie tlenu. Dolne składniki szeregu aldehydów i ketonów (formaldehyd, aldehyd octowy, aceton) są nieograniczenie rozpuszczalne w wodzie. Ich temperatury wrzenia są niższe niż w przypadku odpowiednich alkoholi. Wynika to z faktu, że w cząsteczkach aldehydów i ketonów, w przeciwieństwie do alkoholi, nie ma ruchomych atomów wodoru i nie tworzą one asocjatów na skutek wiązań wodorowych. Niższe aldehydy mają ostry zapach; aldehydy zawierające od czterech do sześciu atomów węgla w łańcuchu mają nieprzyjemny zapach; Wyższe aldehydy i ketony mają zapach kwiatowy i są stosowane w przemyśle perfumeryjnym.

Właściwości chemiczne

Obecność grupy aldehydowej w cząsteczce determinuje charakterystyczne właściwości aldehydów.

Reakcje odzyskiwania.

Dodatek wodoru do cząsteczek aldehydu następuje poprzez podwójne wiązanie w grupie karbonylowej:

Produktem uwodornienia aldehydów są alkohole pierwszorzędowe, a ketony alkohole drugorzędowe.

Zatem podczas uwodorniania aldehydu octowego na katalizatorze niklowym powstaje alkohol etylowy, a podczas uwodorniania acetonu powstaje propanol-2:

Uwodornienie aldehydów - reakcja odzyskiwania, przy którym stopień utlenienia atomu węgla wchodzącego w skład grupy karbonylowej maleje.

Reakcje utleniania.

Aldehydy można nie tylko redukować, ale także utleniać. Po utlenieniu aldehydy tworzą kwasy karboksylowe. Proces ten można schematycznie przedstawić w następujący sposób:

Z aldehydu propionowego (propanalu) powstaje na przykład kwas propionowy:

Aldehydy utleniają się nawet pod wpływem tlenu atmosferycznego i tak słabych środków utleniających, jak amoniakalny roztwór tlenku srebra. W uproszczonej formie proces ten można wyrazić równaniem reakcji:

Na przykład:

Proces ten dokładniej odzwierciedlają równania:

Jeżeli powierzchnia naczynia, w którym prowadzona jest reakcja, została wcześniej odtłuszczona, to powstające podczas reakcji srebro pokrywa ją równą, cienką warstwą. Dlatego tę reakcję nazywamy reakcją "srebrne lustro". Znajduje szerokie zastosowanie do wyrobu luster, srebrzenia ozdób i ozdób choinkowych.

Świeżo wytrącony wodorotlenek miedzi (II) może również działać jako środek utleniający aldehydy. Utleniając aldehyd, $Cu^(2+)$ redukuje się do $Cu^+$. Wodorotlenek miedzi (I) $CuOH$ powstały podczas reakcji natychmiast rozkłada się na czerwony tlenek miedzi (I) i wodę:

Reakcja ta, podobnie jak reakcja „srebrnego lustra”, służy do wykrywania aldehydów.

Ketonów nie utlenia się ani tlenem atmosferycznym, ani tak słabym środkiem utleniającym, jak amoniakalny roztwór tlenku srebra.

Poszczególni przedstawiciele aldehydów i ich znaczenie

Formaldehyd(metanal, formaldehyd$HCHO$ ) - bezbarwny gaz o ostrym zapachu i temperaturze wrzenia -21°C°$, dobrze rozpuszczalny w wodzie. Formaldehyd jest trujący! Roztwór formaldehydu w wodzie (40% $) nazywany jest formaldehydem i służy do dezynfekcji. W rolnictwie formaldehyd stosuje się do zaprawiania nasion, a w przemyśle skórzanym do zaprawiania skór. Formaldehyd służy do produkcji metenaminy, substancji leczniczej. Czasami jako paliwo wykorzystuje się metenaminę sprasowaną w postaci brykietów (suchy alkohol). Dużą ilość formaldehydu zużywa się przy produkcji żywic fenolowo-formaldehydowych i niektórych innych substancji.

Aldehyd octowy(etanal, aldehyd octowy$CH_3CHO$ ) - ciecz o ostrym nieprzyjemnym zapachu i temperaturze wrzenia 21°C $, dobrze rozpuszczalna w wodzie. Z aldehydu octowego na skalę przemysłową wytwarza się kwas octowy i szereg innych substancji, wykorzystuje się go do produkcji różnych tworzyw sztucznych i włókien octanowych. Aldehyd octowy jest trujący!

Kwasy karboksylowe

Substancje zawierające jedną lub więcej grup karboksylowych w cząsteczce nazywane są kwasami karboksylowymi.

Grupa atomów zwany grupa karboksylowa, Lub karboksylowy.

Kwasy organiczne zawierające w cząsteczce jedną grupę karboksylową to kwasy organiczne jednozasadowy.

Ogólny wzór tych kwasów to $RCOOH$, na przykład:

Nazywa się kwasy karboksylowe zawierające dwie grupy karboksylowe dwuzasadowy. Należą do nich na przykład kwasy szczawiowy i bursztynowy:

Istnieje również wielozasadowy kwasy karboksylowe zawierające więcej niż dwie grupy karboksylowe. Należą do nich na przykład trójzasadowy kwas cytrynowy:

W zależności od charakteru rodnika węglowodorowego dzielimy kwasy karboksylowe na nasycone, nienasycone, aromatyczne.

Nasyconymi lub nasyconymi kwasami karboksylowymi są na przykład kwas propionowy (propionowy):

lub znany już kwas bursztynowy.

Jest oczywiste, że nasycone kwasy karboksylowe nie zawierają wiązań $π$ w rodniku węglowodorowym. W cząsteczkach nienasyconych kwasów karboksylowych grupa karboksylowa jest połączona z nienasyconym, nienasyconym rodnikiem węglowodorowym, np. w cząsteczkach akrylu (propenu) $CH_2=CH-COOH$ lub oleinowego $CH_3-(CH_2)_7-CH=CH —(CH_2)_7—COOH $ i inne kwasy.

Jak widać ze wzoru kwasu benzoesowego, jest on aromatyczny, ponieważ zawiera w cząsteczce pierścień aromatyczny (benzen):

Nazewnictwo i izomeria

Omówiono już ogólne zasady tworzenia nazw kwasów karboksylowych, a także innych związków organicznych. Rozważmy bardziej szczegółowo nomenklaturę jedno- i dwuzasadowych kwasów karboksylowych. Nazwa kwasu karboksylowego pochodzi od nazwy odpowiedniego alkanu (alkanu o tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce) z dodatkiem przyrostka -ow-, końcówki -i ja i słowa kwas. Numeracja atomów węgla zaczyna się od grupy karboksylowej. Na przykład:

Liczba grup karboksylowych jest podana w nazwie przedrostkami di-, tri-, tetra-:

Wiele kwasów ma również historycznie ustalone lub trywialne nazwy.

Nazwy kwasów karboksylowych.

Po zapoznaniu się z różnorodnym i interesującym światem kwasów organicznych rozważymy bardziej szczegółowo nasycone jednozasadowe kwasy karboksylowe.

Jest oczywiste, że skład tych kwasów wyraża się wzorem ogólnym $C_nH_(2n)O_2$ lub $C_nH_(2n+1)COOH$ lub $RCOOH$.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Właściwości fizyczne.

Niższe kwasy, tj. kwasy o stosunkowo małej masie cząsteczkowej, zawierające do czterech atomów węgla w cząsteczce, to ciecze o charakterystycznym ostrym zapachu (pamiętajcie zapach kwasu octowego). Kwasy zawierające od 4 do 9 dolarów atomów węgla to lepkie oleiste ciecze o nieprzyjemnym zapachu; zawierające więcej niż 9 dolarów atomów węgla na cząsteczkę – ciała stałe, które nie rozpuszczają się w wodzie. Temperatury wrzenia nasyconych jednozasadowych kwasów karboksylowych rosną wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce, a co za tym idzie ze wzrostem względnej masy cząsteczkowej. Na przykład temperatura wrzenia kwasu mrówkowego wynosi 100,8°C, kwasu octowego 118°C, a kwasu propionowego 141°C.

Najprostszy kwas karboksylowy, kwas mrówkowy $HCOOH$, mający małą względną masę cząsteczkową $(M_r(HCOOH)=46)$, w normalnych warunkach jest cieczą o temperaturze wrzenia 100,8°C$. Jednocześnie butan $(M_r(C_4H_(10))=58)$ w tych samych warunkach jest gazem i ma temperaturę wrzenia -0,5°C$. Tę rozbieżność między temperaturami wrzenia a względnymi masami cząsteczkowymi wyjaśnia się tworzeniem dimerów kwasów karboksylowych, w których dwie cząsteczki kwasu są połączone dwoma wiązaniami wodorowymi:

Występowanie wiązań wodorowych staje się jasne, biorąc pod uwagę strukturę cząsteczek kwasu karboksylowego.

Cząsteczki nasyconych jednozasadowych kwasów karboksylowych zawierają polarną grupę atomów - karboksylową i praktycznie niepolarny rodnik węglowodorowy. Grupa karboksylowa jest przyciągana do cząsteczek wody, tworząc z nimi wiązania wodorowe:

Kwas mrówkowy i octowy są nieograniczenie rozpuszczalne w wodzie. Oczywiste jest, że wraz ze wzrostem liczby atomów rodnika węglowodorowego zmniejsza się rozpuszczalność kwasów karboksylowych.

Właściwości chemiczne.

Ogólne właściwości charakterystyczne dla klasy kwasów (zarówno organicznych, jak i nieorganicznych) wynikają z obecności w cząsteczkach grupy hydroksylowej zawierającej silne wiązanie polarne pomiędzy atomami wodoru i tlenu. Rozważmy te właściwości na przykładzie rozpuszczalnych w wodzie kwasów organicznych.

1. Dysocjacja z utworzeniem kationów wodoru i anionów reszty kwasowej:

$CH_3-COOH⇄CH_3-COO^(-)+H^+$

Dokładniej proces ten opisuje równanie uwzględniające udział w nim cząsteczek wody:

$CH_3-COOH+H_2O⇄CH_3COO^(-)+H_3O^+$

Równowaga dysocjacji kwasów karboksylowych jest przesunięta w lewo; zdecydowana większość z nich to słabe elektrolity. Jednakże kwaśny smak na przykład kwasu octowego i mrówkowego wynika z dysocjacji reszt kwasowych na kationy wodoru i aniony.

Jest oczywiste, że obecność „kwaśnego” wodoru w cząsteczkach kwasów karboksylowych, tj. wodór grupy karboksylowej, ze względu na inne charakterystyczne właściwości.

2. Interakcja z metalami, stojąc w szeregu napięcia elektrochemicznego aż do wodoru: $nR-COOH+M→(RCOO)_(n)M+(n)/(2)H_2$

W ten sposób żelazo redukuje wodór z kwasu octowego:

$2CH_3-COOH+Fe →(CH_3COO)_(2)Fe+H_2$

3. Oddziaływanie z tlenkami zasadowymi z tworzeniem się soli i wody:

$2R-COOH+CaO →(R-COO)_(2)Ca+H_2O$

4. Interakcja z wodorotlenkami metali z utworzeniem soli i wody (reakcja neutralizacji):

$R—COOH+NaOH→R—COONa+H_2O$,

$2R—COOH+Ca(OH)_2 →(R—COO)_(2)Ca+2H_2O$.

5. Oddziaływanie z solami słabszych kwasów z powstaniem tego ostatniego. Zatem kwas octowy wypiera kwas stearynowy ze stearynianu sodu i kwas węglowy z węglanu potasu:

$CH_3COOH+C_(17)H_(35)COONa→CH_3COONa+C_(17)H_(35)COOH↓$,

$2CH_3COOH+K_2CO_3→2CH_3COOK+H_2O+CO_2$.

6. Oddziaływanie kwasów karboksylowych z alkoholami z powstawaniem estrów – reakcja estryfikacji (jedna z najważniejszych reakcji charakterystycznych dla kwasów karboksylowych):

Oddziaływanie kwasów karboksylowych z alkoholami jest katalizowane przez kationy wodoru.

Reakcja estryfikacji jest odwracalna. Równowaga przesuwa się w kierunku tworzenia estrów w obecności środków odwadniających i gdy ester jest usuwany z mieszaniny reakcyjnej.

W odwrotnej reakcji estryfikacji, zwanej hydrolizą estrów (reakcja estru z wodą), powstają kwas i alkohol:

Jest oczywiste, że reakcja z kwasami karboksylowymi, tj. Alkohole wielowodorotlenowe, na przykład glicerol, mogą również wchodzić w reakcję estryfikacji:

Wszystkie kwasy karboksylowe (z wyjątkiem kwasu mrówkowego) wraz z grupą karboksylową zawierają w swoich cząsteczkach resztę węglowodorową. Oczywiście nie może to nie wpłynąć na właściwości kwasów, które są określone przez charakter reszty węglowodorowej.

7. Reakcje wielokrotnej addycji- zawierają nienasycone kwasy karboksylowe. Na przykład reakcja addycji wodoru uwodornienie. Dla kwasu zawierającego w rodniku jedno wiązanie $π$ równanie można zapisać w ogólnej postaci:

$C_(n)H_(2n-1)COOH+H_2(→)↖(katalizator)C_(n)H_(2n+1)COOH.$

Zatem podczas uwodornienia kwasu oleinowego powstaje nasycony kwas stearynowy:

$(C_(17)H_(33)COOH+H_2)↙(\text"kwas oleinowy"))(→)↖(katalizator)(C_(17)H_(35)COOH)↙(\text"kwas stearynowy" ) $

Nienasycone kwasy karboksylowe, podobnie jak inne związki nienasycone, dodają halogeny poprzez podwójne wiązanie. Na przykład kwas akrylowy odbarwia wodę bromową:

$(CH_2=CH—COOH+Br_2)↙(\text"Kwas akrylowy (propenowy)") →(CH_2Br-CHBr-COOH)↙(\text"Kwas 2,3-dibromopropanowy").$

8. Reakcje podstawienia (z halogenami)- mogą do nich wchodzić nasycone kwasy karboksylowe. Na przykład w reakcji kwasu octowego z chlorem można otrzymać różne chlorowane kwasy:

$CH_3COOH+Cl_2(→)↖(P(czerwony))(CH_2Cl-COOH+HCl)↙(\text"kwas chlorooctowy")$,

$CH_2Cl-COOH+Cl_2(→)↖(P(czerwony))(CHCl_2-COOH+HCl)↙(\text"kwas dichlorooctowy")$,

$CHCl_2-COOH+Cl_2(→)↖(P(czerwony))(CCl_3-COOH+HCl)↙(\text"kwas trichlorooctowy")$

Poszczególni przedstawiciele kwasów karboksylowych i ich znaczenie

Mrówka(metan) kwas HTSOOKH- ciecz o ostrym zapachu i temperaturze wrzenia 100,8°C $, dobrze rozpuszczalna w wodzie. Kwas mrówkowy jest trujący Powoduje oparzenia w przypadku kontaktu ze skórą! Kwas ten zawiera parzący płyn wydzielany przez mrówki. Kwas mrówkowy ma właściwości dezynfekujące, dlatego znajduje zastosowanie w przemyśle spożywczym, skórzanym, farmaceutycznym i medycynie. Stosowany jest do barwienia tkanin i papieru.

Ocet (etan)kwas $CH_3COOH$ jest bezbarwną cieczą o charakterystycznym ostrym zapachu, mieszalną z wodą w dowolnym stosunku. Wodne roztwory kwasu octowego sprzedawane są pod nazwą ocet (roztwór 3-5% USD) i esencja octowa (roztwór 70-80% USD) i są szeroko stosowane w przemyśle spożywczym. Kwas octowy jest dobrym rozpuszczalnikiem wielu substancji organicznych i dlatego jest stosowany w farbiarstwie, garbarstwie oraz w przemyśle farb i lakierów. Ponadto kwas octowy jest surowcem do produkcji wielu ważnych technicznie związków organicznych: otrzymuje się z niego m.in. substancje stosowane do zwalczania chwastów – herbicydy.

Głównym składnikiem jest kwas octowy ocet winny, charakterystyczny zapach, który zawdzięcza właśnie temu. Jest produktem utleniania etanolu i powstaje z niego podczas przechowywania wina w powietrzu.

Najważniejszymi przedstawicielami wyższych nasyconych kwasów jednozasadowych są palmitynowy$C_(15)H_(31)COOH$ i stearynowy Kwas $C_(17)H_(35)COOH$. W przeciwieństwie do niższych kwasów, substancje te są stałe i słabo rozpuszczalne w wodzie.

Jednak ich sole – stearyniany i palmityniany – są dobrze rozpuszczalne i mają działanie detergentowe, dlatego nazywane są również mydłami. Wiadomo, że substancje te produkowane są na dużą skalę. Spośród nienasyconych wyższych kwasów karboksylowych najważniejszy jest kwas oleinowy$C_(17)H_(33)COOH$ lub $CH_3 - (CH_2)_7 - CH=CH -(CH_2)_7COOH$. Jest to ciecz przypominająca olej, bez smaku i zapachu. Jego sole znajdują szerokie zastosowanie w technice.

Najprostszym przedstawicielem dwuzasadowych kwasów karboksylowych jest kwas szczawiowy (etanodiowy).$HOOC-COOH$, którego sole występują w wielu roślinach, takich jak szczaw i szczaw. Kwas szczawiowy jest bezbarwną substancją krystaliczną, dobrze rozpuszczalną w wodzie. Stosowany jest do polerowania metali, w przemyśle drzewnym i skórzanym.

Estry

Kiedy kwasy karboksylowe reagują z alkoholami (reakcja estryfikacji), tworzą się estry:

Ta reakcja jest odwracalna. Produkty reakcji mogą oddziaływać ze sobą, tworząc materiały wyjściowe - alkohol i kwas. Zatem reakcja estrów z wodą – hydroliza estrów – jest odwrotnością reakcji estryfikacji. Równowagę chemiczną ustaloną, gdy szybkości reakcji przedniej (estryfikacji) i odwrotnej (hydrolizy) są równe, można przesunąć w kierunku tworzenia estrów w obecności środków usuwających wodę.

Tłuszcze- pochodne związków będących estrami gliceryny i wyższych kwasów karboksylowych.

Wszystkie tłuszcze, podobnie jak inne estry, ulegają hydrolizie:

Hydroliza tłuszczu prowadzona w środowisku zasadowym $(NaOH)$ i w obecności sody kalcynowanej $Na_2CO_3$ przebiega nieodwracalnie i prowadzi do powstania nie kwasów karboksylowych, lecz ich soli, tzw. mydła. Dlatego nazywa się hydrolizą tłuszczów w środowisku zasadowym zmydlanie.

Tlen nadaje substancjom organicznym cały szereg charakterystycznych właściwości.

Tlen jest dwuwartościowy, ma dwie pary elektronów walencyjnych i charakteryzuje się wysoką elektroujemnością (x = 3,5). Pomiędzy atomami węgla i tlenu powstają silne wiązania chemiczne, co widać na przykładzie cząsteczek CO2. Pojedyncze wiązanie С-0 (£ св = 344 kJ/mol) jest prawie tak mocne jak wiązanie С-С (E sa = 348 kJ/mol), a wiązanie podwójne C=0 ( E St = 708 kJ/mol) jest znacznie silniejsze niż wiązanie C=C (E St == 620 kJ/mol). Dlatego w cząsteczkach substancji organicznych powszechne są przemiany prowadzące do powstania podwójnych wiązań C=0. Z tego samego powodu kwas węglowy jest niestabilny:

Grupa hydroksylowa zlokalizowana przy wiązaniu podwójnym jest przekształcana w grupę hydroksylową (patrz wyżej).

Tlen nada polaryzację cząsteczkom substancji organicznych. Przyciąganie między cząsteczkami wzrasta, a temperatury topnienia i wrzenia znacznie wzrastają. W normalnych warunkach wśród substancji zawierających tlen występują bardzo macho gazy - tylko eter CH 3 OCH 3, formaldehyd CH 2 0 i tlenek etylenu CH 2 CH 2 0.

Tlen sprzyja tworzeniu wiązań wodorowych zarówno jako donor, jak i akceptor wodoru. Wiązania wodorowe wzmacniają przyciąganie cząsteczek, a w przypadku cząsteczek dość złożonych nadają im określoną strukturę przestrzenną. Wpływ polarności i wiązań wodorowych na właściwości substancji można zobaczyć na przykładzie węglowodorów, ketonów i alkoholi

Polarność i powstawanie wiązań wodorowych decydują o dobrej rozpuszczalności substancji organicznych zawierających tlen w wodzie.

Tlen w takim czy innym stopniu nadaje właściwości kwasowe substancjom organicznym. Oprócz klasy kwasów, których właściwości są oczywiste z nazwy, fenole i alkohole wykazują właściwości kwasowe.

Inną wspólną właściwością substancji zawierających tlen jest łatwa utlenialność atomu węgla związanego zarówno z tlenem, jak i wodorem. Wynika to jasno z następujących łańcuchów reakcji, które kończą się, gdy węglowodan traci ostatni atom wody:

zawiera grupę hydroksylową i jest uważany za kwas heterofunkcyjny.

Alkohole i etery

Nazwa całej klasy substancji organicznych alkohole(od łacińskiego „spiritus” – spirytus) pochodzi od „składnika czynnego” mieszaniny otrzymywanej w wyniku fermentacji soków owocowych i innych układów zawierających cukier. Ta substancja czynna - alkohol winny, etanol C2H5OH, jest oddzielana od wody i nielotnych substancji rozpuszczonych podczas destylacji mieszaniny. Inna nazwa alkoholu to alkohol - Pochodzenie arabskie.

Alkohole są związkami organicznymi, które zawierają grupę hydroksylową związaną z atomem węgla $p3 rodnika węglowodorowego.

Alkohole można również uważać za produkty zastąpienia jednego atomu wodoru w wodzie rodnikiem węglowodorowym. Alkohole tworzą serie homologiczne (tab. 22.5), różniące się charakterem rodników i liczbą grup hydroksylowych.

Tabela 22.5

Niektóre homologiczne serie alkoholi

„Tlikole i gliceryny to wielofunkcyjne alkohole z grupami OH przy sąsiednich atomach węgla.

Grupa hydroksylowa przy nienasyconych atomach węgla jest niestabilna, ponieważ zamienia się w grupę karbonylową. Alkohol winylowy jest w znikomych ilościach w równowadze z aldehydem:

Istnieją substancje, w których grupa hydroksylowa jest związana z atomem węgla r/g pierścienia aromatycznego, ale są one uważane za specjalną klasę związków - fenole.

W alkoholach możliwa jest izomeria szkieletu węglowego i położenia grupy funkcyjnej. W alkoholach nienasyconych występuje także izomeria położenia wiązania wielokrotnego oraz izomeria przestrzenna. Związki klasy eterowej są izomeryczne z alkoholami. Wśród alkoholi znajdują się odmiany tzw podstawowy drugorzędny I trzeciorzędowy alkohole. Wynika to z natury atomu węgla, przy którym znajduje się grupa funkcyjna.

Przykład 22.12. Zapisz wzory alkoholi pierwszorzędowych, drugorzędowych i trzeciorzędowych zawierających cztery atomy węgla.

Rozwiązanie.

Rozważmy bardziej szczegółowo serię homologiczną nasyconych alkoholi. Pierwsze 12 wyrazów tego szeregu to ciecze. Metanol, etanol i propanol mieszają się z wodą w dowolnym stosunku ze względu na ich strukturalne podobieństwo do wody. W dalszej części szeregu homologicznego rozpuszczalność alkoholi maleje, ponieważ duże (pod względem liczby atomów) rodniki węglowodorowe są coraz bardziej wypierane ze środowiska wodnego, podobnie jak węglowodory. Ta właściwość nazywa się hydrofobowość. W przeciwieństwie do rodnika, grupa hydroksylowa jest przyciągana do wody, tworząc z wodą wiązanie wodorowe, tj. przedstawia hydrofilowość. Wyższe alkohole (pięć lub więcej atomów węgla) wykazują tę właściwość aktywność powierzchniowa- zdolność do koncentracji na powierzchni wody w wyniku wydalenia rodnika hydrofobowego (ryc. 22.3).

Ryż. 22.3.

Środki powierzchniowo czynne powlekają kropelki cieczy i sprzyjają tworzeniu stabilnych emulsji. Na tym opiera się działanie detergentów. Aktywność powierzchniową mogą wykazywać nie tylko alkohole, ale także substancje innych klas.

Większość alkoholi rozpuszczalnych w wodzie jest trująca. Najmniej toksyczne są etanol i gliceryna. Ale jak wiadomo, etanol jest niebezpieczny, ponieważ powoduje uzależnienie od jego używania. Najprostszy z alkoholi, metanol, ma zapach podobny do etanolu, ale jest wyjątkowo trujący. Znanych jest wiele przypadków zatrucia ludzi w wyniku omyłkowego spożycia.

metanol zamiast etanolu. Sprzyja temu ogromna wielkość przemysłowego wykorzystania metanolu. Najprostszy alkohol dwuwodorotlenowy, glikol etylenowy C 2 H 4 (OH) 2, jest stosowany w dużych ilościach do produkcji włókien polimerowych. Jego roztwór stosowany jest jako środek przeciw zamarzaniu do chłodzenia silników samochodowych.

Przygotowanie alkoholi. Przyjrzyjmy się kilku powszechnym metodom.

1. Hydroliza węglowodorów halogenowanych. Reakcje prowadzi się w środowisku zasadowym:

Przykład 22.13. Napisz reakcje wytwarzania glikolu etylenowego w wyniku hydrolizy pochodnych halogenowych, biorąc jako substancję wyjściową etylen.

2. Dodawanie wody do alkenów. Najważniejszą reakcją jest dodanie wody do etylenu w celu wytworzenia etanolu. W wysokich temperaturach reakcja przebiega dość szybko, ale jednocześnie równowaga przesuwa się znacznie w lewo i wydajność alkoholu maleje. Dlatego konieczne jest wytworzenie wysokiego ciśnienia i zastosowanie katalizatora, aby uzyskać tę samą prędkość procesu w niższej temperaturze (podobnie jak warunki syntezy amoniaku). Etanol wytwarza się przez uwodnienie etylenu w temperaturze -300°C i pod ciśnieniem 60-70 atm:

Katalizatorem jest kwas fosforowy osadzony na tlenku glinu.

3. Istnieją specjalne metody produkcji etanolu i metanolu. Pierwszą otrzymuje się dobrze znaną biochemiczną metodą fermentacji węglowodanów, które w pierwszej kolejności rozkładają się na glukozę:

Metanol otrzymywany jest syntetycznie z substancji nieorganicznych:

Reakcję prowadzi się w temperaturze 200-300°C i pod ciśnieniem 40-150 atm, stosując kompleksowy katalizator Cu0/2n0/Al203/Cr203. Znaczenie tego procesu przemysłowego wynika z faktu, że rocznie produkuje się ponad 14 milionów ton metanolu. Stosowany jest głównie w syntezie organicznej do metylacji substancji organicznych. Etanol jest produkowany w przybliżeniu w takich samych ilościach.

Właściwości chemiczne alkoholi. Alkohole mogą być garściami i utleniać. Jako paliwo do silników samochodowych czasami stosuje się mieszaninę alkoholu etylowego i węglowodorów. Utlenianie alkoholi bez uszkodzenia struktury węgla sprowadza się do utraty wodoru i dodania atomów tlenu. W procesach przemysłowych opary alkoholu są utleniane przez tlen. W roztworach alkohole utlenia się nadmanganianem potasu, dwuchromianem potasu i innymi środkami utleniającymi. Z alkoholu pierwszorzędowego po utlenieniu otrzymuje się aldehyd:

Gdy występuje nadmiar środka utleniającego, aldehyd jest natychmiast utleniany do kwasu organicznego:

Alkohole drugorzędowe utleniają się do ketonów:

Alkohole trzeciorzędowe można utlenić jedynie w trudnych warunkach z częściowym zniszczeniem szkieletu węglowego.

Właściwości kwasowe. Alkohole reagują z aktywnymi metalami wydzielając wodór i tworząc pochodne o ogólnej nazwie alkoholany (metoksydy, etoksydy itp.):

Reakcja przebiega spokojniej niż podobna reakcja z wodą. Uwolniony wodór nie zapala się. Ta metoda niszczy pozostałości sodu po eksperymentach chemicznych. Reakcja tego rodzaju oznacza, że ​​alkohole wykazują właściwości kwasowe. Jest to konsekwencja polarności wiązania OH. Jednak alkohol praktycznie nie reaguje z zasadami. Fakt ten pozwala wyjaśnić siłę kwasowych właściwości alkoholi: są to kwasy słabsze niż woda. Etotlenek sodu ulega prawie całkowitej hydrolizie, tworząc roztwór alkoholu i zasady. Właściwości kwasowe glikoli i gliceryny są nieco silniejsze ze względu na wzajemne indukcyjne działanie grup OH.

Alkohole wielowodorotlenowe tworzą złożone związki z jonami niektórych pierwiastków ^/-. W środowisku zasadowym jon miedzi natychmiast zastępuje dwa jony wodoru w cząsteczce glicerolu, tworząc niebieski kompleks:

Kiedy stężenie jonów H+ wzrasta (w tym celu dodaje się kwas), równowaga przesuwa się w lewo i kolor znika.

Reakcje podstawienia nukleofilowego grupy hydroksylowej. Alkohole reagują z chlorowodorem i innymi halogenowodorami:

Reakcję katalizuje jon wodoru. Po pierwsze, H+ przyłącza się do tlenu, przyjmując jego parę elektronową. To pokazuje główne właściwości alkoholu:

Powstały jon jest niestabilny. Nie można go wyizolować z roztworu w postaci stałej soli, takiej jak jon amonowy. Dodatek H+ powoduje dodatkowe przemieszczenie pary elektronów z węgla na tlen, co ułatwia atak gatunków nukleofilowych na węgiel:

Wiązanie między węglem i jonem chlorkowym zwiększa się w miarę rozrywania wiązania między węglem i tlenem. Reakcja kończy się uwolnieniem cząsteczki wody. Jednak reakcja jest odwracalna i po zobojętnieniu chlorowodoru równowaga przesuwa się w lewo. Następuje hydroliza.

Grupa hydroksylowa w alkoholach jest również zastępowana w reakcjach z kwasami zawierającymi tlen, tworząc estry. Glicerol tworzy się z kwasem azotowym nitrogliceryna, stosowany jako środek łagodzący skurcze naczyń serca:

Ze wzoru jasno wynika, że ​​tradycyjna nazwa substancji jest niedokładna, ponieważ w rzeczywistości jest to azotan glicerolu - ester kwasu azotowego i gliceryny.

Kiedy etanol ogrzewa się z kwasem siarkowym, jedna cząsteczka alkoholu działa jako odczynnik nukleofilowy w stosunku do drugiej. W wyniku reakcji powstaje eter etoksyetanowy:

Niektóre atomy zaznaczono na schemacie, aby ułatwić prześledzenie ich przejścia w produkty reakcji. Jedna cząsteczka alkoholu najpierw przyłącza katalizator - jon H +, a atom tlenu innej cząsteczki przenosi parę elektronów na węgiel. Po usunięciu wody i dysocjacji H4 otrzymuje się cząsteczkę eteru. Reakcja ta nazywana jest także międzycząsteczkowym odwodnieniem alkoholu. Istnieje również metoda wytwarzania eterów z różnymi rodnikami:

Etery są substancjami bardziej lotnymi niż alkohole, ponieważ między ich cząsteczkami nie tworzą się wiązania wodorowe. Etanol wrze w temperaturze 78°C, a jego izomer, ester CH3OCH3, wrze w -23,6°C. Etery nie hydrolizują do alkoholi podczas gotowania z roztworami alkalicznymi.

Odwodnienie alkoholi. Alkohole mogą rozkładać się przy usuwaniu wody w taki sam sposób, jak halogenowe pochodne węglowodorów rozkładają się przy usuwaniu halogenowodoru. Przy produkcji alkoholi z alkenu i wody (patrz wyżej) zachodzi również odwrotna reakcja eliminacji wody. Różnica w warunkach dodawania i usuwania wody polega na tym, że dodawanie następuje pod ciśnieniem z nadmiarem pary wodnej w stosunku do alkenu, a eliminacja następuje z oddzielnego alkoholu. To odwodnienie nazywa się wewnątrzcząsteczkowym. Występuje również w mieszaninie alkoholu i kwasu siarkowego o temperaturze ~150°C.

I ich obecność w przyrodzie

45. Nazwij substancje, scharakteryzuj każdy alkohol według klasyfikacji alkoholi:

a) CH 3 ─CH 2 ─ CH─CH 2 ─CH 3 b) CH 3 ─ CH ─ CH─CH 3

c) CH 3 ─CH=CH─CH 2 ─OH d) HO─CH 2 ─CH 2 ─CH 2 ─CH 2 ─OH

e) CH 3 ─ CH ─ C─CH 3 f) HO─CH 2 ─C≡C─CH 2 ─OH g) CH 3 ─ CH─CH 2 OH

Uzupełnij wzory strukturalne substancji tworzących zwycięską ścieżkę, jeśli wiadomo, że wszystkie mają rozgałęzioną strukturę. Nazwij substancje.

49. Z którymi substancjami może reagować alkohol metylowy: potas, tlenek sodu, woda, tlenek miedzi(II), kwas octowy, 1-propanol, etylen. Napisz równania możliwych reakcji, wskaż ich rodzaj, warunki wystąpienia i nazwij produkty.

50. Rozwiąż łańcuchy transformacji:

2) CH 2 = CH─CH 3 X Y Z

51. Po utlenieniu etylenu wodnym roztworem nadmanganianu potasu otrzymano substancję organiczną A. Rozpuszcza wodorotlenek miedzi(II), tworząc złożony związek B jasny niebieski kolor. Przetwarzanie substancji A mieszanina nitrująca daje produkt W, który jest silnym materiałem wybuchowym. Zapisz równania wszystkich wymienionych reakcji, podaj nazwy substancji A─W.

52. Trzy ponumerowane probówki zawierają bezbarwne, przezroczyste ciecze - wodę, etanol, glicerynę. Jak rozpoznać te substancje? Zapisz równania reakcji, wskaż ich rodzaj, warunki występowania i nazwij produkty.

53. Zapisz wzory strukturalne następujących substancji: a) 2,4-dichlorofenol, b) 4-etylofenol, c) 3-nitrofenol, d) 1,2,3-trihydroksybenzen.

54. Uporządkuj następujące substancje według rosnących właściwości kwasowych: P-nitrofenol, kwas pikrynowy, O-krezol, fenol. Zapisz wzory strukturalne tych substancji w wymaganej kolejności i pokaż wzajemne oddziaływanie atomów w cząsteczkach.

55. Napisz równania reakcji, za pomocą których można otrzymać fenol z metanu. Wskaż rodzaj reakcji, warunki ich wystąpienia i nazwij produkty.

56. Wyznacz wzór nasyconego alkoholu jednowodorotlenowego, jeżeli po odwodnieniu próbki o objętości 37 ml i gęstości 1,4 g/ml otrzymano alken o masie 39,2 g.

57. Zapisz i nazwij wszystkie możliwe izomery o składzie C 5 H 10 O.

58. Formaldehyd powstały podczas utleniania 2 moli alkoholu metylowego rozpuszczono w 100 g wody. Oblicz udział masowy formaldehydu w tym roztworze.

59. Rozwiąż łańcuchy transformacji:

1) CH 3 ─CHO → CH 3 ─CH 2 OH → CH 2 =CH 2 → HC≡CH → CH 3 ─CHO

Acetylen → etanal → kwas etanowy

etylen → etanol → eter dimetylowy

60. Trzy probówki zawierają bezbarwne przezroczyste ciecze - aldehyd octowy, glicerynę, aceton. Jak rozpoznać te substancje za pomocą jednego odczynnika? Opisz swoje działania i obserwacje. Napisz równania możliwych reakcji, wskaż ich rodzaj, warunki wystąpienia i nazwij produkty.

61. Po utlenieniu substancji organicznej zawierającej tlen o masie 1,8 g amoniakalnym roztworem tlenku srebra otrzymano srebro o masie 5,4 g. Jaka materia organiczna ulega utlenianiu?

62. Zapisz wzory strukturalne następujących substancji: a) kwas 2-metylopropanowy, b) kwas 3,4-dimetyloheptanowy, c) kwas buteno-2-oesowy, d) kwas 2,3,4-trichlorobutanowy, e) 3 kwas -metylo-2-etylopetanowy, e) kwas 2-metylobenzoesowy.

63. Uporządkuj następujące związki według rosnących właściwości kwasowych:

1) fenol, kwas mrówkowy, kwas solny, propanol-1, woda

2) etanol, P-krezol, kwas bromowodorowy, woda, kwas octowy, kwas węglowy.

64. Z którą z poniższych substancji będzie oddziaływać roztwór kwasu octowego: Cu(OH) 2, Na 2 SiO 3, Hg, Mg, SO 3, K 2 CO 3, NaCl, C 2 H 5 OH, NaOH, Cu , CH3OH, CuO? Napisz równania możliwych reakcji, wskaż ich rodzaj, warunki wystąpienia i nazwij produkty.

65. Trzy ponumerowane probówki zawierają: alkohol etylowy, kwas mrówkowy, kwas octowy. W jaki sposób można eksperymentalnie rozpoznać te substancje? Zapisz równania reakcji i opisz oczekiwane obserwacje.

66. Jaką objętość esencji octowej 80% o gęstości 1,070 g/ml należy przygotować, aby przygotować ocet stołowy 6% o objętości 200 ml i gęstości 1,007 g/ml?

67. Ułóż wzory na estry i napisz równania reakcji ich wytwarzania: a) ester butylowy kwasu propionowego, b) ester etylowy kwasu masłowego, c) ester amylowy kwasu mrówkowego, d) ester etylowy kwasu benzoesowego.

68. Ester metylowy kwasu metakrylowego (2-metylopropenowego) stosuje się do produkcji polimeru zwanego szkłem organicznym. Zapisz równania reakcji wytwarzania tego eteru.

69. Po ogrzaniu metanolu o masie 2,4 g i kwasu octowego o masie 3,6 g otrzymano octan metylu o masie 3,7 g. Określ moc wyjściową eteru.

70. Zapisz wzory strukturalne następujących substancji: a) tripalmitynian, b) trioleinian, c) dioleostearynian, d) palmitynian sodu, e) stearynian magnezu.

71. Zapisz równania reakcji, wskaż ich rodzaj, warunki występowania, nazwij produkty:

1) synteza tłuszczu na bazie kwasu stearynowego,

2) hydroliza tłuszczu na bazie kwasu linolenowego w obecności wodorotlenku potasu,

3) uwodornienie trioleinianu,

4) hydroliza dioleopalmitynianu w obecności wodorotlenku sodu.

72. Jaką masę gliceryny można uzyskać z naturalnego tłuszczu o masie 17,8 kg zawierającego 97% tristearynianu glicerolu?

73. Osoby lubujące się w słodyczach dodają średnio 2 łyżeczki cukru do szklanki herbaty. Wiedząc, że w takiej łyżce mieści się 7 g cukru, a objętość szklanki wynosi 200 ml, oblicz udział masowy sacharozy w roztworze (przyjmij, że gęstość herbaty wynosi 1 g/ml).

74. Zmieszane 100 g 10% i 200 g 5% roztworów glukozy. Jaki jest udział masowy węglowodanów w powstałym roztworze?

75. Rozwiąż łańcuch przemian: dwutlenek węgla → glukoza → → etanol → etanal → kwas etanowy → octan etylu.

76. Jak rozpoznać roztwory następujących substancji za pomocą jednego odczynnika: woda, glikol etylenowy, kwas mrówkowy, aldehyd octowy, glukoza. Zapisz równania odpowiednich reakcji, wskaż ich rodzaj, warunki wystąpienia i opisz obserwacje.

77. Podano roztwory glukozy i sacharozy. Jak je rozpoznać eksperymentalnie? Opisz hipotezę obserwacyjną i poprzej ją równaniami reakcji.

78. Rozwiąż łańcuch przemian: maltoza → glukoza → kwas mlekowy → dwutlenek węgla.

79. Udział masowy skrobi w ziemniakach wynosi 20%. Jaką masę glukozy można uzyskać z 1620 kg ziemniaków, jeśli wydajność produktu wynosi 75% wydajności teoretycznej?

80. Rozwiąż łańcuchy transformacji:

1) CH 4 → X → CH 3OH → Y → HCOOH → mrówczan etylu

2) CH 3 ─CH 2 ─CH 2 OH → CH 3 ─CH 2 ─CHO → CH 3 ─CH 2 ─COOH → →CH 3 ─CHBr─COOH → CH 3 ─CHBr─COOCH 3 → CH 2 =CH─COOCH 3

81. Jak przy użyciu minimalnej liczby odczynników rozpoznać substancje z każdej pary: a) etanol i metanal, b) aldehyd octowy i kwas octowy, c) gliceryna i formaldehyd, d) kwas oleinowy i kwas stearynowy. Zapisz równania reakcji, wskaż ich rodzaj, nazwij produkty, opisz obserwacje.

82. Rozwiąż łańcuchy transformacji:

1) metan → etyna → etanal → kwas etanowy → ester metylowy kwasu octowego → dwutlenek węgla

2) skrobia → glukoza → etanol → etylen → polietylen

3) węglik wapnia → acetylen → benzen → chlorobenzen → fenol → 2,4,6-tribromofenol

83. Nazwij substancje i wskaż klasę substancji organicznych zawierających tlen:

A) CH 3 ─ C ─CH 2 ─CHO b) CH 3 ─CH 2 ─COOCH 3