Строение и химические свойства основных классов органических соединений. Функциональные производные углеводородов

 
 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 

ОСНОВНЫХ КЛАССОВ 

ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ 

УГЛЕВОДОРОДОВ

Учебно-методическое пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 661.715(075)
ББК Г231я7

С86

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р хим. наук В. Э. Семенов

д-р хим. наук Ю. Ф. Зуев

С86

Авторы: Л. А. Альметкина, Е. Ю. Громова, 
Р. Р. Шамилов, Р. И. Юсупова, Ю. Г. Галяметдинов
Строение и химические свойства основных классов органических соединений. Функциональные производные углеводородов : учебно-методическое пособие / Л. А. Альметкина 
[и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. –
Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 108 с.

ISBN 978-5-7882-2661-3

Рассмотрены теоретические основы представлений о важнейших 

классах органических соединений, приведены методики выполнения 
лабораторных работ, задания для самостоятельной аудиторной и домашней работы студентов.

Предназначено для бакалавров всех форм обучения, изучающих 

дисциплины «Химия», «Дополнительные главы химии» и «Дополнительные главы химии и материаловедения» в рамках бакалаврской 
подготовки по направлениям 21.03.01 «Нефтегазовое дело», 27.03.05 
«Инноватика», 29.03.03 «Технология полиграфического и упаковочного производства».

Подготовлено на кафедре физической и коллоидной химии.

ISBN 978-5-7882-2661-3
© Альметкина Л. А., Громова Е. Ю., Шамилов Р. Р., 

Юсупова Р. И., Галяметдинов Ю. Г., 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 661.715(075)
ББК Г231я7

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………….….
1. Галогенпроизводные углеводородов ……………………………
1.1. Номенклатура галогенуглеводородов …………………………
1.2. Физические свойства галогенуглеводородов …………………
1.3. Химические свойства галогенуглеводородов ………………...
1.3.1. Реакции нуклеофильного замещения галогенпроизводных .
1.3.2. Реакции элиминирования (отщепления) …………………….
1.3.3. Получение магнийорганических соединений ………………
1.3.4. Реакции восстановления или гидрирования галогенпроизводных …………………………………………………………...…...
1.3.5. Реакции окисления ……………………………………………
1.4. Краткое повторение ……………………………………………
1.5. Вопросы для самостоятельной работы ……………………….
Лабораторная работа 1. Галогенуглеводороды ……………………

5
6
7
8
9
10
18
18

19
19
20
22
23

2.Гидроксисоединения ……………………………………………..
2.1. Номенклатура спиртов и фенолов …………………………….
2.2. Физические свойства спиртов и фенолов …………………….
2.3. Химические свойства спиртов и фенолов …………………….
2.3.1. Химические свойства спиртов ……………………………….
2.3.2. Химические свойства фенолов ………………………………
2.4. Краткое повторение …………………………………………….
2.5. Вопросы для самостоятельной работы ………………………..
Лабораторная работа 2. Спирты и фенолы ………………………...

25
27
28
28
28
36
40
41
42

3. Карбонильные соединения ……………………………………….
3.1. Номенклатура альдегидов и кетонов ………………………….
3.2. Физические свойства альдегидов и кетонов …………………
3.3. Химические свойства альдегидов и кетонов …………………
3.3.1. Реакции присоединения по карбонильной группе …………
3.3.2. Реакции замещения карбонильного кислорода …………….
3.3.3. Реакции замещения в углеводородном радикале ……….….
3.3.4. Реакции окисления ……………………………………………
3.3.5. Реакция диспропорционирования (реакция Канницаро) ….
3.3.6. Реакции конденсации ………………………………………...
3.3.7. Реакции олиго- и полимеризации ……………………………
3.4. Краткое повторение …………………………………………….
3.5. Вопросы для самостоятельной работы ……………………….
Лабораторная работа 3. Альдегиды и кетоны ……………….…….

46
47
49
50
51
58
60
62
64
65
69
70
71
72

4. Карбоновые кислоты и их производные ……………………….. 
4.1. Номенклатура карбоновых кислот …………………………… 
4.2.Физические свойства карбоновых кислот ……………………. 
4.3. Химические свойства карбоновых кислот …………………… 
4.3.1. Реакции по связи О–Н ……………………………………….. 
4.3.2. Реакции с разрывом связи C–O …………………………...… 
4.3.3. Реакции идущие с разрывом связи R–C ……………………. 
4.3.4. Реакции с участием связи С–Н в α-положении ……………… 
4.4. Краткое повторение ……………………………………………. 
4.5. Вопросы для самостоятельной работы ……………………….. 
Лабораторная работа 4. Карбоновые кислоты ……………………. 

76 
80 
81 
82 
84 
85 
87 
88 
89 
90 
91 

5. Амины …………………………………………………………….. 
5.1. Номенклатура аминов …………………………………………. 
5.2. Химические свойства аминов …………………………………. 
5.2.1. Основность аминов …………………………………………... 
5.2.2. Окисление аминов …………………………………………... 
5.2.3. Взаимодействие с азотистой кислотой ……………………... 
5.3. Краткое повторение ……………………………………………. 
5.4. Вопросы для самостоятельной работы ……………………….. 
Лабораторная работа 5. Амины ……………………………………. 

95 
95 
96 
97 
98 
99 
100 
101 
102 

Список литературы……………………………………………...…... 106 

 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

Органическая химия играет важнейшую роль в создании прин
ципиально новых видов продукции и принципиально новых технологий практически во всех сферах человеческой деятельности. Она создает теоретический фундамент для развития таких значимых отраслей промышленности, как нефтехимия, химия полимеров, фармацевтическое производство и др. Экономический потенциал страны оценивается по уровню развития таких отраслей промышленности, как переработка нефти, природного газа и каменного угля, горючих сланцев, 
растительной биомассы, древесины, производство синтетического каучука и синтетических волокон, полимерных и конструкционных материалов, синтетических красителей, лекарственных веществ и т. д. 

Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для 

студентов всех форм обучения технологических специальностей, изучающих дисциплины «Химия», «Дополнительные главы химии» и 
«Дополнительные главы химии и материаловедения». В связи с ограниченным числом часов, отводимых в учебных программах указанных 
курсов на органическую химию, приходится жертвовать значительной 
частью классической органической химии и акцентировать внимание 
на тех разделах, которые будут востребованы в дальнейшем при изучении специальных дисциплин. Для сохранения внутренней логики
учебно-методическое пособие содержит:

– основы теории, предоставленные в пяти главах, которые в об
щем виде необходимы для усвоения последующих разделов дисциплины и осознанного выполнения лабораторных работ, посвященных 
классам органических соединений;

– контрольные вопросы и (или) задачи для самостоятельной ра
боты студентов, которые могут быть использованы при текущем контроле знаний студентов;

– лабораторные работы, включающие несложные качественные 

реакции на некоторые классы органических веществ, предназначенные для развития экспериментальных навыков. 

В пособии основное внимание уделено взаимосвязи физических 

и химических свойств органических веществ с их строением.

1. ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДОВ

Структурный фрагмент органической молекулы, определяющий 

ее
химические свойства, называется функциональной группой.

К функциональным группам относятся не только группы атомов, но и
атомы галогенов, кислорода, серы и металлов. Если соединение состоит из нескольких функциональных групп и галогена, то галоген рассматривают как заместитель при том классе, к которому относится 
данное соединение.

Если соединение включает различные функциональные группы, 

то только старшая из них отмечается суффиксом, а остальные отмечаются в префиксе. Существует следующий ряд старшинства функциональных групп: карбоновые кислоты > сульфокислоты > ацилгалогениды > амиды > альдегиды > нитрилы > кетоны > спирты > фенолы >
тиолы > амины.

Если в углеводороде один или несколько атомов водорода заме
нить на галоген, то получится галогенуглеводород. Следовательно, галогенпроизводные – это продукты замещения атомов водорода в углеводородах на атомы галогена (F, Cl, Br, I). Как правило, методы получения и реакции алифатических и алициклических галогенпроизводных аналогичны, поэтому они в этом пособии будут рассматриваться 
совместно.

Галогенуглеводороды имеют высокую реакционную способ
ность и потому используются в органической химии для синтеза других классов органических веществ. Галогенпроизводные в зависимости от типа атома галогена делятся на фтор-, хлор-, бром-, йодпроизводные и смешанные производные, например фторметан, хлорметан, 
бромметан, иодметан, бромхлорметан. В зависимости от числа атомов
галогена в соединении они подразделяются на моно-, ди-, тригалогенпроизводные и т. д., например: дихлорметан (CH2Cl2), тетрахлорметан 
(CCl4).

Учитывая строение углеводородного радикала, связанного с 

атомом галогена, выделяют следующие галогенпроизводные: 

– галогеналканы, например:

CH3Cl
C
H3
CH
CH3

Cl

CH
CH2 Br
C
H3

CH3

хлорметан
2-хлорпропан
бромизобутан

– галогенциклоалканы, например:

Cl
Br
Cl

бромциклопропан
бромциклопентан
хлорциклогексан

– галогеноалкены, например:

CH2=CH–Cl
CH2=CH–CH2–Cl
C
CH2 Br
C
H2

CH3

винилхлорид
аллилхлорид
3-бром-2-метилпропен-1

– галогеналкины, например:

НC≡C–Cl
C
C
CH3
F
C
H
C
CH2 F

хлористый ацетилен
1-фторпропин-1
3-фторпропин-1

– галогенарены, содержащие галоген как в ароматическом ядре, 

так и в боковой цепи, например:

Br
CH2 Cl

бромбензол
хлористый бензил

В зависимости от того, с каким атомом углерода (первичным, 

вторичным или третичным) связан атом галогена, галогенпроизводные 
могут быть первичными, вторичными или третичными:

C
H3
CH2
CH2
Br

I

C
H3
C
H

Br

CH3
II

C
H3
C

Br

CH3

CH3

III

первичный 

бромистый пропил

вторичный 

бромистый пропил

третичный 

бромистый изопропил

где I – первичный, II– вторичный, III– третичный атомы углерода.

1.1. Номенклатура галогенуглеводородов

По правилам ИЮПАК галогенуглеводороды рассматриваются 

как продукты замещения атомов водорода в углеводородах. Соответствующие атомы галогенов указываются в префиксе. При необходимости положение атома галогена в соединении указывается цифрой, 
если галогенов несколько, то они в названии указываются в алфавитном порядке, например:

CH CH2 CH3
C
H3

Cl

CH CH CH2
C
H3

F

C
H3

C Br
C
H3
C
H3

2-хлорбутан
3-фторбутен
2-бром-2-метилпропан

CH2 CH2 Cl
F
CH CH2 Cl
C
H2
C
H3
CH2 Cl

2-фтор-1-хлорэтан
2-хлорпропен
хлорэтан

F

Br
I

Cl

Cl

Cl

2-бром-6-фтор-1
иоднафталин

хлорбензол
2,3-дихлорциклогексен

В замещенных галогенаренах положение галогена указывают 

наименьшими цифрами или о- (орто-), м- (мета-) или п- (пара-):

Br
Br

CH3

F
C
H3

бромбензол
о-бромтолуол
2-бромтолуол

м-фтортолуол
3-фтортолуол

Наряду с этой систематической номенклатурой в низших гомо
логах алифатического ряда часто используется способ наименования,
при котором галогенуглеводород рассматривается как галогенид. 
В этом случае название состоит из названия углеводородного остатка 
и концевой части -фторид, -хлорид, -бромид или -иодид, например:

СН3Сl
СН2Вr2
СН2=СН—СН2—I
СН2=СН—F

метилхлорид
метиленбромид
аллилиодид
винилфторид

1.2. Физические свойства галогенуглеводородов

Низшие гомологи галогенуглеводородов при нормальных усло
виях газообразные, а высшие представляют собой бесцветные жидкости и твердые вещества. Температуры кипения галогеналканов повышаются с ростом длины цепи и увеличением молекулярной массы 
атомов галогена, а с ростом степени разветвленности цепи падают
(табл. 1.1). 

Галогеналканы не растворимы в воде, но растворимы в боль
шинстве органических растворителей. Они обладают характерным 
сладковатым запахом, некоторые из них токсичны.

Таблица 1.1

Физические свойства некоторых галогенуглеводородов

Название
Структурная формула
Т. пл., °С
Т. кип., °С

Фторметан
СН3−F
− 141,8
− 78,5

Хлорметан
СН3−Cl
− 97,7
− 23,7

Бромметан
СН3−Вr
− 93,7
3,6

Иодметан
СН3−I
− 66,5
42,5

Хлорэтан
СН3−СН2−Cl
−138,7
12,3

1-Хлорпропан
СН3−СН2−СН2−С1
−122,8
47,2

2-Хлорпропан
C
H3
CH(Cl) CH3
−117,0
35,4

Винилхлорид (хлорэтилен)
СН2=СН−Сl
−159,7
−13,8

Аллилхлорид
(3-хлорпропен)
СН2=СН−СН2−С1
−136,4
44,6

Метиленхлорид (дихлорме
тан)
СН2С12
−96,8
40,2

Хлороформ (трихлорметан)
СНС13
−63,5
61,2

Четыреххлористый углерод 

(тетрахлорметан)
СС14
−22,9
76,7

Фторбензол
F
−41,9
84,7

Хлорбензол
Cl
−45,2
131,7

Бромбензол
Br
−30,6
156,2

Иодбензол
I
−31,3
188,5

1.3. Химические свойства галогенуглеводородов

Химические свойства галогенпроизводных углеводородов опре
деляются характером связи атома углерода с галогеном. Атом галогена в галогенпроизводных проявляет отрицательный индуктивный эффект (смещение электронной плотности по σ-связи), из-за большой 
электроотрицательности атома обусловливает частичный положи

тельный заряд на атоме углерода δ+. При наличии p,-сопряжения 
атомы галогена проявляют также и мезомерный эффект:

C
Cl

H

H

H

−
+
C
H2
CH
Cl
..

Cl
..

Полярность связи углерод–галоген наибольшая для C–F и 

наименьшая для C–I в соответствии с уменьшением электроотрицательности в ряду F > Cl > Br > I.

Поляризуемость σ-связи углерод–галоген значительно возраста
ет с увеличением атомной массы галогена, обусловливая большую подвижность электронной оболочки атомов, образующих связь. Атомная 
масса иода больше всех других галогенов представленного ряда. Поэтому поляризуемость связи C–I значительно выше, чем C–F, и в реакциях SN иодопроизводные максимально активны, а фторопроизводные практически нереакционно способны. Наличие в молекуле электроотрицательного атома галогена приводит к перераспределению 
электронной плотности, в результате чего возникают два реакционных 
центра:

Характерные реакции для галогенпроизводных – отщепление

(элеменирование Е) и нуклеофильное замещение (SN), т. е. замещение 
атома галогена на другие атомы или группы атомов, являющихся нуклеофилами (анионы или молекулы, имеющие неподеленные электронные пары и способные образовывать новую σ-связь с другим атомом). 

1.3.1. Реакции нуклеофильного замещения

галогенпроизводных

Галогеналканы вступают в многочисленные реакции нуклео
фильного замещения. Поэтому они часто используются для получения 
органических соединений, относящихся к различным классам. 
В табл. 1.2 приведены некоторые из таких реакций.