Органическая химия

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

В. П. Твердохлебов

ОРГАНИЧЕСКАЯ  ХИМИЯ

Допущено Учебно-методическим советом Сибирского федерального 
университета в качестве учебника для студентов, обучающихся по специальности «Химия и технология природных энергоносителей и углеродных 
материалов». Протокол № 9 от 14.06.2017

Красноярск 
СФУ 
2018

УДК 547(07)
ББК  24.2я73
Т263

Р е ц е н з е н т ы:
Л. А. Круглякова, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой физической и аналитической химии СибГУ имени академика М. Ф. Решетнева;
П. Н. Кузнецов, доктор химических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Красноярского научного центра Сибирского отделения РАН

Твердохлебов, В. П.
Т263 
 
Органическая химия : учебник / В. П. Твердохлебов. – Красноярск : 
Сиб. федер. ун-т, 2018. – 492 с.
ISBN 978-5-7638-3726-1

Подготовлен для углубленного изучения студентами основ органической химии. 
При рассмотрении строения органических соединений, типов и механизмов реакций, 
реакционной способности автор связывает фундаментальные положения органической 
химии с переработкой природного органического сырья, а также с химическими процессами, используемыми в производстве моторных топлив и других важных химических 
продуктов.
Предназначен для студентов, обучающихся по специальности «Химия и технология 
природных энергоносителей и углеродных материалов».

Электронный вариант издания см.: 
УДК 547(07)
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК  24.2я73

ISBN 978-5-7638-3726-1 
© Сибирский федеральный 
университет, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ............................................................................................................................. 5
Глава 1 ................................................................................................................................ 6
1.1. Алифатические углеводороды ................................................................................... 6
1.1.1. Алканы ............................................................................................................. 23
1.1.2. Алкены (этиленовые углеводороды, олефины) ........................................... 47
1.1.3. Алкины ............................................................................................................ 73
1.2. Углеводороды циклического ряда ........................................................................... 80
1.2.1. Ациклические соединения ............................................................................ 80
1.2.2. Ароматические соединения ........................................................................... 97
1.2.3. Алкилзамещенные бензола (арены)............................................................ 114
1.2.4. Ароматические сульфокислоты .................................................................. 124
1.2.5. Конденсированные ароматические соединения ........................................ 130
1.3. Галогенопроизводные углеводородов .................................................................. 147
1.3.1. Алкилгалогениды ......................................................................................... 147
1.3.2. Ди- и полигалогенопроизводные предельных углеводородов ................. 162
1.3.3. Галогенопроизводные непредельных углеводородов ............................... 165
1.3.4. Галогенопроизводные ароматических углеводородов .............................. 169
1.4. Азотсодержащие соединения ................................................................................ 176
1.4.1. Нитросоединения ......................................................................................... 176
1.4.2. Ароматические нитросоединения ............................................................... 182
1.5. Амины ...................................................................................................................... 190
1.5.1. Алифатические амины ................................................................................. 190
1.5.2. Ароматические амины ................................................................................. 203
1.5.3. Диазо- и азосоединения ............................................................................... 213
Вопросы к главе 1 .......................................................................................................... 220

Глава 2  ........................................................................................................................... 224
2.1. Кислородсодержащие соединения ........................................................................ 224
2.1.1. Спирты ........................................................................................................... 224
2.1.2. Ненасыщенные спирты ................................................................................ 247
2.1.3. Двухатомные спирты (гликоли) ................................................................... 252
2.1.4. Трехатомные спирты .................................................................................... 259
2.1.5. Простые эфиры ............................................................................................. 263
2.1.6. Циклические эфиры ..................................................................................... 272
2.1.7. Фенолы .......................................................................................................... 279
2.1.8. Двухатомные фенолы ................................................................................... 296
2.1.9. Трехатомные фенолы ................................................................................... 299
2.2. Хиноны .................................................................................................................... 301
2.3. Альдегиды и кетоны ............................................................................................... 306
2.3.1. Алифатические альдегиды и кетоны .......................................................... 306
2.3.2. Ненасыщенные альдегиды и кетоны .......................................................... 327

Оглавление

2.3.3. Кетены ........................................................................................................... 336
2.3.4. Ароматические альдегиды ........................................................................... 338
2.3.5. Ароматические кетоны ................................................................................ 347
2.4. Карбоновые кислоты и их производные .............................................................. 351
2.4.1. Алифатические карбоновые кислоты ......................................................... 351
2.4.2. α,β-Ненасыщенные кислоты и их производные ........................................ 371
2.4.3. Высшие жирные кислоты ............................................................................ 378
2.4.4. Дикарбоновые кислоты ................................................................................ 381
2.4.5. Двухосновные ненасыщенные кислоты ..................................................... 389
2.4.6. Ароматические карбоновые кислоты ......................................................... 391
2.4.7. Ароматические дикарбоновые кислоты ..................................................... 410
2.4.8. Оксикислоты ................................................................................................. 415
2.4.9. Альдегидо- и оксокислоты .......................................................................... 418
2.5. Гетероциклические соединения ............................................................................ 428
2.5.1. Пятичленные гетероциклические соединения .......................................... 429
2.5.2. Шестичленные циклы .................................................................................. 435
Вопросы к главе 2 .......................................................................................................... 442

Глава 3 ............................................................................................................................ 445
3.1. Некоторые аспекты технологических процессов в нефтепереработке  
с использованием органических реакций ............................................................ 445
3.1.1. Алкилирование ............................................................................................. 445
3.1.2. Каталитический риформинг ........................................................................ 448
3.1.3. Каталитический крекинг .............................................................................. 452
3.1.4. Дегидрирование ............................................................................................ 454
3.1.5. Гидрокрекинг ................................................................................................ 454
3.1.6. Гидроочистка ................................................................................................ 458
3.1.7. Изомеризация ................................................................................................ 462
3.2. Нефтехимические процессы ................................................................................. 464
3.2.1. Производство линейных алкилбензолов .................................................... 464
3.2.2. Производство ароматических соединений ................................................. 466
3.2.3. Этилбензол .................................................................................................... 468
3.2.4. Стирол............................................................................................................ 471
3.2.5. Кумол ............................................................................................................. 475
3.2.6. Фенол и ацетон ............................................................................................. 479
3.2.7. Производство оксигенатов ........................................................................... 482
3.2.8. Уксусная кислота .......................................................................................... 487
Вопросы к главе 3 .......................................................................................................... 490

Библиографический список ....................................................................................... 491

ВВЕДЕНИЕ

Извечные истины классической органической химии довольно подробно 
изложены в таких фундаментальных изданиях, как: Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия, 1974; Травень В. Ф. Органическая химия, 2004; Петров А. А., 
Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая химия, 2002. Казалось бы, зачем их 
повторять. 
Однако во всех вышеперечисленных трудах в основном даются общие, 
хотя довольно-таки подробные, сведения о строении органических веществ, связи их с реакционной способностью, химических и физико-химических свойствах 
всех классов органических соединений, а также области их практического применения.
Цель настоящего учебника – связать вышеперечисленные знания с технологическими процессами переработки углеводородного сырья, поскольку 
именно физические свойства исходных продуктов, их агрегатное состояние, растворимость, температуры плавления и кипения и т. д., а также реакционная способность перерабатываемых веществ непосредственно заложены в оформление 
технологической схемы процесса переработки и синтеза.
Кроме того, эти знания помогут будущим химикам-технологам рационально варьировать технологические режимы для направления химического процесса в ту или иную сторону без изменения основной технологии и нарушения 
техники безопасности проведения процесса. Этим вопросам посвящены первые 
две главы настоящего учебника.
Третья глава учебника посвящена практическому приложению представленного выше материала. Приведены примеры основных современных технологических процессов нефтепереработки, позволяющих значительно увеличить 
глубину перерабатываемой продукции и улучшить ее качества.
Также показаны некоторые основные технологические аспекты получения многотоннажных химических продуктов, имеющих широкое народно-хозяйственное применение.
Все это в совокупности еще раз подтверждает огромную роль органической химии и, в частности, химии переработки углеводородного сырья в современной жизнедеятельности человека.

ГЛАВА 1

1.1. Алифатические углеводороды

Органическая химия – это химия соединений углерода. Свое название 
«органическая» она получила исторически, поскольку первые органические соединения были получены из растительного (целлюлоза1) или животного (жиры2) 
сырья.
К настоящему времени грань между органическим и неорганическим 
происхождением органических веществ стерта практически полностью. Яркой 
иллюстрацией этого положения могут служить получение ацетилена из карбида 
кальция:

CaC2 + 2H2O → HC≡CH + Ca(OH)2

и процесс Фишера−Тропша:

nCO + (2n + 1)H2 → CnH2n+2 + nH2O.

1 Целлюлоза (фр. cellulose от лат. cellula – «клетка, клетушка») – углевод, полимер с формулой (С6Н10О5)n, белое твердое вещество, нерастворимое в воде, молекула имеет линейное (полимерное) строение, структурная единица – остаток β-глюкозы:

n

2 Жиры (или триглицериды) – природные органические соединения, полные сложные эфиры глицерина и одноосновных жирных кислот; входят в состав липидов. Состав жиров отвечает 
общей формуле

 
 

 

 
_____

1Целлюлоза
твердое вещ

2Жиры или 

н

C

C

_________
а (фр. cellulos
щество, нерас

триглицерид
новных жирн

R1

CH4

H2CC

CH2

CH2

CH2

CH2

CaC2   + 

nCO   +  

_________

se от лат.cellu
створимое в в

ды – природн
ных кислот; в

1, R2, R3 – рад

4

CH2             

CH2

  2H2O     

 (2n+1)H2 

_________
ula – «клетка
воде, молекул

ца – о

ные органичес
ходят в соста

R2C

O

дикалы (один

          H3C

              HC

ГЛАВА I

H

_________
а, клетушка»)
ла имеет лин
остаток β-глю

ские соедине
ав липидов. С

COCH

H2CO

H2CO
O

наковых или р

CH3         
 
 
 

CCH        
 
 
 

 
 
 

I

HCCH   +  

 CnH2n+2 

________
 – углевод, п
ейное (полим
юкозы: 

ения, полные 
Состав жиров

CR3

CR1

O

O

 

различных) ж

H

H

Ca(OH)2 

 +   nH2O 

_________
полимер с фор
мерное) строе

 

сложные эф
в отвечает об

жирных кисл

H3CCH2

H2CCHC

_________
рмулой (С6Н
ение, структу

иры глицери
бщей формул

от. 

CH3 

CHCH2 

_____ 

10О5)n, белое 
урная едини
на и одноосе: 

 

,

где R1, R2, R3 – радикалы (одинаковых или различных) жирных кислот.

Глава 1

Последняя реакция сейчас заложена в основу многих технологических вариантов получения углеводородов различного строения (от СН4 и выше: масла, 
топлива). 
Одним из основных источников получения органических веществ является выделение их из природного органического сырья (природный газ, нефть, 
уголь и т. д.), а также большое количество разработанных синтетических методов, 
позволяющих получать органические соединения различных классов и структур, 
в том числе близких к природным веществам.

Классификация органических соединений
В основе классификации органических соединений лежит теория строения, которая позволяет систематизировать соединения по их физическим и химическим свойствам.
В структурной формуле каждого соединения присутствует фрагмент остова молекулы (углеводородный циклический или гетероциклический) и функциональный фрагмент (функциональная группа). Строение остова определяет ряд, 
которому принадлежит данное соединение.
Ациклический (или алифатический, или жирный) ряд включает соединения с открытой цепью углеродных атомов; эти соединения могут быть насыщенными (предельными), например:

CH4
H3C–CH3
H3C–CH2–CH3
метан
этан
пропан

или ненасыщенными (непредельными), например:

H2C=CH2
HC≡CH
H2C=CH–CH=CH2
этилен
ацетилен
1,3-бутан

Циклический ряд включает:
• карбоциклические соединения, содержащие углеродный скелет, замкнутый в цикл:

C

C

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2 или

 
 

 

 
_____

1Целлюлоза
твердое вещ

2Жиры или 

н

C

C

_________
а (фр. cellulos
щество, нерас

триглицерид
новных жирн

R1

CH4

H2CC

CH2

CH2

CH2

CH2

CaC2   + 

nCO   +  

_________

se от лат.cellu
створимое в в

ды – природн
ных кислот; в

1, R2, R3 – рад

4

CH2             

CH2

  2H2O     

 (2n+1)H2 

_________
ula – «клетка
воде, молекул

ца – о

ные органичес
ходят в соста

R2C

O

дикалы (один

          H3C

              HC

циклопетан 
циклопентадиен 
бензол

Органическая химия

• гетероциклические соединения, содержащие гетероатомы (иные, нежели углерод) в составе циклов:

O
NH
O
N

 
 
 
 
а) молекулярными формулами (брутто), С2Н5ОН, С6Н6; 
 
 
 
б) структурными формулами,  
 
, 
 
 
 
 

HCCCCH
H H H H

H H H H

H2CCCH2

H H H

H

HCH

HCCOH

H H

H
H

HCOCH

H
H

H
H


 
 
 
 
 

4
CH т. кип. = 162°С
4
10
C H
т. кип. = 0°С 
 
 
 
т. кип. = –12°С 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

CH3
HCCH3

CH3

CH3(CH2)2CH3

CH3

CH3

+
kt

+

CC
CCCCH3

CC

;

kt 

фуран 
пиррол 
тетрагидрофуран 
пиридин

В свою очередь, карбоциклические соединения подразделяются на ароматический ряд, который включает углеводороды и их производные, содержащие 
шестичленные циклы с чередующимися простыми и двойными связями (ароматические ядра):

2 

HCCOH

H H

H H

CH3

CH3

iCH3CH

O
NH
O
N

 
 
 
 
а) молекулярными формулами (брутто), С2Н5ОН, С6Н6; 
 
 
 
б) структурными формулами,  
 
, 
 
 
 
 

HCCCCH
H H H H

H H H H

H2CCCH2

H H H

H

HCH

HCCOH

H H

H
H

HCOCH

H
H

H
H


 
 
 
 
 

4
CH т. кип. = 162°С
4
10
C H
т. кип. = 0°С 
 
 
 
т. кип. = –12°С 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

CH3
HCCH3

CH3

CH3(CH2)2CH3

CH3

CH3

+
kt

+

CC
CCCCH3

CC

;

kt 

бензол 
нафталин

Наличие тех или иных функциональных групп в молекуле органического соединения определяет принадлежность этого соединения к тому или иному 
классу (табл. 1).

Таблица 1

Наиболее распространенные функциональные группы  
и классы органических соединений

Группа
Название группы
(в префиксе)
Название класса
Отдельные представители класса

–F, –Cl, –Br, –I ГалогенГалогенпроизводные
СН3Cl (хлорметан);
CH3CHBrCH3 (2-бромпропан);
СН2=СH–Сl (хлорэтен);
С6Н5Br (бромбензол)

–ОН
ГидроксиСпирты

Фенолы

СН3ОН (метанол);
С6Н5СН2ОН (бензиловый спирт);
С6Н5ОН (фенол)

–SH
МеркаптоМеркаптаны
С2Н5SH (этилмеркаптан, этантиол)

–OR
АлкоксиПростые эфиры
(СН3CН2)2О (диэтиловый эфир)

–N→O
НитрозоНитрозосоединения
С6Н5N=O (нитрозобензол)

Глава 1

Окончание табл. 1

Группа
Название группы
(в префиксе)
Название класса
Отдельные представители класса

− N
O

O

→

НитроНитросоединения
СН3NO2 (нитрометан);
(СН3)2СНNO2 (2-нитропропан);
С6Н5NO2 (нитробензол)

− N
H

H

АминоАмины
С6Н5NH2 (анилин);
С4Н9NH2 (бутиламин)

С целью удобства теоретической работы с химическими соединениями 
пользуются их химическими формулами:
а) молекулярными (брутто), С2Н5ОН, С6Н6;

б) структурными, HCCOH

H H

H H

CH3

CH3

iCH3CH

O
NH
O
N

 
 
 
 
а) молекулярными формулами (брутто), С2Н5ОН, С6Н6; 
 
 
 
б) структурными формулами,  
 
, 

HCCCCH
H H H H

H H H H

H2CCCH2

H H H

H

HCH

HCCOH

H H

H
H

HCOCH

H
H

H
H


 
 
 
 
 

4
CH т. кип. = 162°С
4
10
C H
т. кип. = 0°С 
 
 
 
т. кип. = –12°С 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

CH3
HCCH3

CH3

CH3(CH2)2CH3

CH3

CH3

+
kt

+

CC
CCCCH3

CC

;

kt 

,  

2 

HCCOH

H H

H H

CH3

CH3

iCH3CH

O
NH
O
N

 
 
 
 
а) молекулярными формулами (брутто), С2Н5ОН, С6Н6; 
 
 
 
б) структурными формулами,  
 
, 
 
 
 
 

HCCCCH
H H H H

H H H H

H2CCCH2

H H H

H

HCH

HCCOH

H H

H
H

HCOCH

H
H

H
H


 
 
 
 
 

4
CH т. кип. = 162°С
4
10
C H
т. кип. = 0°С 
 
 
 
т. кип. = –12°С 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

CH3
HCCH3

CH3

CH3(CH2)2CH3

CH3

CH3

+
kt

+

CC
CCCCH3

CC

;

kt 

.

Согласно теории химического строения каждое вещество имеет строго 
определенное химическое строение. В то же время одной и той же брутто-формуле может соответствовать несколько веществ – столько, сколько можно построить 
молекул из данного количества атомов, учитывая правила валентности. Все они 
будут иметь разное химическое строение и разные структурные формулы. Вещества, тождественные по составу и молекулярной массе, но отличающиеся по 
химическому строению, называют изомерами:

2 

HCCOH

H H

H H

CH3

CH3

iCH3CH

O
NH
O
N

 
 
 
 
а) молекулярными формулами (брутто), С2Н5ОН, С6Н6; 
 
 
 
б) структурными формулами,  
 
, 
 
 
 
 

HCCCCH
H H H H

H H H H

H2CCCH2

H H H

H

HCH

HCCOH

H H

H
H

HCOCH

H
H

H
H


 
 
 
 
 

4
CH т. кип. = 162°С
4
10
C H
т. кип. = 0°С 
 
 
 
т. кип. = –12°С 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

CH3
HCCH3

CH3

CH3(CH2)2CH3

CH3

CH3

+
kt

+

CC
CCCCH3

CC

;

kt 

бутан 
i-бутан 
этанол 
демитиловый эфир

Внутри класса свойства могут изменяться в зависимости от их строения. 
Например, для одного класса органических соединений с увеличением длины 
цепи молекулы, как правило, увеличивается т. кип.:

CH4     т. кип. = − 162 °С 
C4H10     т. кип. = 0 °С

В то же время органические молекулы с одинаковым количеством атомов 
углерода, но различного строения, имеют не только разные физические характеристики, но и разную реакционную способность:

Органическая химия

2 

HCCOH

H H

H H

CH3

CH3

iCH3CH

O
NH
O
N

 
 
 
 
а) молекулярными формулами (брутто), С2Н5ОН, С6Н6; 
 
 
 
б) структурными формулами,  
 
, 
 
 
 
 

HCCCCH
H H H H

H H H H

H2CCCH2

H H H

H

HCH

HCCOH

H H

H
H

HCOCH

H
H

H
H


 
 
 
 
 

4
CH т. кип. = 162°С
4
10
C H
т. кип. = 0°С 
 
 
 
т. кип. = –12°С 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

CH3
HCCH3

CH3

CH3(CH2)2CH3

CH3

CH3

+
kt

+

CC
CCCCH3

CC

;

kt 

                 т. кип. = − 12 °С

Наличие у третичного атома углерода трех электронодонорных метильных группировок делает протон более реакционноспособным:

2 

HCCOH

H H

H H

CH3

CH3

iCH3CH

O
NH
O
N

 
 
 
 
а) молекулярными формулами (брутто), С2Н5ОН, С6Н6; 
 
 
 
б) структурными формулами,  
 
, 
 
 
 
 

HCCCCH
H H H H

H H H H

H2CCCH2

H H H

H

HCH

HCCOH

H H

H
H

HCOCH

H
H

H
H


 
 
 
 
 

4
CH т. кип. = 162°С
4
10
C H
т. кип. = 0°С 
 
 
 
т. кип. = –12°С 
 
 

CH3
HCCH3

CH3

CH3(CH2)2CH3

CH3

CH3

+
kt

+

CC
CCCCH3

CC

;

kt 

Типы химических связей
Классическое определение химической связи – это сила, с которой удерживаются атомы в молекуле. Наиболее полное понимание природы химической 
связи оказалось возможным лишь после создания квантовой механики, согласно 
которой электроны в атомах находятся на атомных орбиталях (далее – АО). Атомная орбиталь – понятие, принятое для обозначения наиболее вероятной области 
нахождения электронов в атоме.
В физическом понимании каждая атомная орбита представляет собой волновую функцию, которая описывается набором квантовых чисел.
Главное квантовое число n определяет размер и энергию АО, оно может 
принимать целочисленные значения, а его максимальное значение для данного 
элемента определяется номером периода.
Побочное (азимутальное) квантовое число l определяет форму АО: 

l = 0, 1, …, (n – 1).

Магнитное квантовое число m определяет пространственную ориентацию 
АО:
m = 0, ± 1, …, ± l.

Значения главного, побочного и магнитного квантовых чисел для разных 
типов атомной орбитали и заполнение электронами орбиталей атомов различных 
элементов представлены в табл. 2 и 3 соответственно.