Теоретические основы органической химии с примерами решения задач

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет) 

М.Б. Степанов, Е.А. Елисеева 

Теоретические основы органической химии  
с примерами решения задач  
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

 

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-5141-8 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 

УДК 543  
ББК 24.1  
  
С79 

Издание доступно в электронном виде по адресу 

https://bmstu.press/catalog/item/6449/ 
 
Факультет «Фундаментальные науки» 
Кафедра «Химия» 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
 
Степанов, М. Б. 
С79        Теоретические основы органической химии с примерами решения 
 
задач : учебное пособие / М. Б. Степанов, Е. А. Елисеева. — Москва :  
  
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 204, [2] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-5141-8 
Издание содержит теоретический материал по основным разделам курса 
«Органическая химия» и задачи с примерами решения по каждой теме. Также 
предложен набор задач для самостоятельной работы. Предложенные задачи 
позволяют найти соотношение между структурой органических веществ и их 
химическими свойствами, что создает предпосылки для творческого подхода к 
решению.  
Для студентов второго курса специальностей 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» и 280201 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», изучающих курс «Органическая 
химия». 

 
 УДК 543 
 
 ББК 24.1 
 
 

 
 
 

 

 
 
Предисловие 

Основой организации учебного процесса, в том числе выполнения контрольных работ, домашних заданий, проведения лабораторных занятий, является ознакомление студентов с материалами лекций, учебных и учебнометодических пособий, а также учебников по изучаемой дисциплине.  
В первой главе предлагаемого учебного пособия рассмотрены виды 
электронных эффектов (индукционный и мезомерный), показано влияние заместителей на строение органических веществ.  
Во второй главе приведены химические и физические свойства предельных углеводородов (алканов), указаны виды изомерии и номенклатуры, строение, а также способы получения и области применения. 
В третьей главе представлены химические и физические свойства непредельных углеводородов (алкенов, диенов и алкинов), рассмотрено влияние 
двойной или тройной связи на строение органических веществ, приведены 
способы получения и области применения непредельных углеводородов.  
Четвертая глава посвящена циклическим углеводородам (циклоалканам 
и ареновам), приведены их химические и физические свойства, указаны признаки ароматических соединений, рассказано о смещении электронной плотности в ароматическом кольце у аренов, представлены способы их получения 
и области применения.  
В пятой главе рассмотрены химические и физические свойства, получение, строение и применение кислородсодержащих органических соединений 
(одноатомных и многоатомных спиртов, фенолов, альдегидов, карбоновых 
кислот, сложных эфиров и жиров).  
В шестой главе приведены химические и физические свойства, способы 
получения, области применения азотсодержащих органических соединений 
(нитросоединений, аминов, ароматических аминов, аминокислот). Показано 
влияние нитро- или аминогруппы на строение органических веществ. 
В седьмой главе описаны свойства углеводов (моносахаридов, дисахаридов, полисахаридов), приведены примеры органических молекул различного строения (циклическая и линейная формы), методы получения, варианты 
применения углеводов.  
В восьмой главе рассмотрены химические и физические свойства, получение, применение гетероциклических органических соединений (пиридина, 
пиримидина, пиррола, пурина, пиримидиновых и пуриновых оснований и др.), 
а также показано влияние гетероатомов на строение органических веществ. 
Для лучшего усвоения материала в конце глав приведены контрольные 
вопросы и задания, требующие обоснованных ответов и поиска дополнительной информации, а для расширения объема знаний и проверки их усвоения 
помещен список литературных источников. 

Данное учебное пособие может быть рекомендовано для самоподготовки к зачету по органической химии.  
В результате освоения учащимися теоретического материала планируются развитие творческого мышления, формирование метакогнитивных 
навыков, позволяющих анализировать излагаемые методики и выбирать 
наиболее приемлемые пути решения задач.  
После усвоения материала учебного пособия студент должен: 
знать 
• теорию строения органических веществ А.М. Бутлерова; 
• формулы основных классов органических соединений;  
• особенности строения органических веществ; 
• названия основных органических веществ по систематической номенклатуре; 
• свойства органических соединений; 
• основные способы получения органических веществ; 
• области применения органических веществ в инженерной деятельности; 
• местонахождение органических веществ в природе; 
уметь 
• различать органические вещества основных классов соединений; 
• составлять формулы органических веществ; 
• давать названия органическим веществам по систематической номенклатуре; 
• составлять уравнения реакций получения органических веществ и взаимодействия органических веществ с другими соединениями; 
• оценивать свойства органических веществ; 
• выводить формулы органического вещества по объемам, массам или 
количествам продуктов его сгорания или иной реакции; 
• находить плотность паров органических веществ по другому веществу; 
• вычислять массовые доли и (или) массовое отношение элементов в органическом веществе; 
• выводить формулы органического соединения, записывать его изомеры 
и гомологи;  
владеть 
• основными представлениями о строении органических веществ различных классов (углеводородов, кислородсодержащих и азотсодержащих соединений); 
• методами определения присутствия веществ того или иного класса; 
• основными законами и правилами органической химии; 
• символикой и способами составления уравнений химических реакций; 
• способами решения задач по расчету объемов, масс и количества вещества; 
• методами написания химических формул и уравнений; 
• методикой решения задач.

Предисловие

Непредельные углеводороды (алкены, олефины)                                                              5 

Глава 1. Электронные эффекты 

Реакционная способность органических соединений определяется несколькими факторами: 
а) поляризацией связей, их поляризуемостью (способностью этих частиц 
приобретать в электрическом поле дипольный момент); 
б) взаимным влиянием атомов в молекуле. 
Взаимное влияние атомов в молекуле связано с перераспределением в 
ней электронной плотности.  
Различают два механизма электронных смещений в молекуле. 
1. Индукционный эффект (понятие индукционного эффекта предложено 
американским ученым Дж. Льюисом) — это смещение электронной плотности 
вдоль -связей, вызванное разностью электроотрицательностей атомов (или 
групп атомов), входящих в молекулу. Этот эффект передается по цепи σ-связей 
с постепенным затуханием и, как правило, через три-четыре связи уже не 
проявляется. Например, в молекуле хлорпропана C3H7Cl индукционный эффект увеличивается следующим образом: Clδ- 
 C1
δ+ 
 C2
δ+δ+ 
 C3
δ+δ+δ+. 
В этом примере электроотрицательный атом хлора, притягивая к себе 
электронную пару связи Cl
C, вызывает дефицит электронов на углеродном атоме, что заставляет смещаться к атому Cδ+ электронную пару следующей связи C1
C2, и т. д. Это способствует появлению недостатка электронной плотности у следующего атома углерода, но уже меньшего по величине, и т. д.  
В монохлоруксусной кислоте ClCH2CO электрическая асимметрия связи 
Cl
C передается по цепочке вплоть до карбоксильной группы и связи О – Н,  
вызывая увеличение ее полярности, и следовательно подвижности атома водорода, и усиление кислотных свойств:  

Cl
CH2
O
H 

Индукционный эффект может быть положительным и отрицательным. 
Если заместители имеют высокую электроотрицательность, то появляется 
отрицательный индукционный эффект (– I). Эти заместители (– Cl, – F, – OH,  
– NO2, – N+H3 и др.) являются электроноакцепторами.  

Глава 1. 

 

Заместители — электронодоноры вызывают положительный индукционный эффект (+I). Этими заместителями могут быть металлы и алкильные 
радикалы. При этом +I алкильного радикала возрастает с увеличением длины 
цепи и степени ее разветвленности:  

H3C– < H3C–CH2– < CH3–CH2–CH2– < 
3
3
CH –C–CH

R

 

< 
3
3

3

R

CH –C–CH

CH




 

Индукционный эффект водорода принят равным нулю: 

X


3
CR ( I)
−
≈
                
3
H
H–CR (I
0)
=
               X
≈

3
CR ( I)
−

 

 
Заместитель — 
Заместитель — 
  
электроноакцептор 
электронодонор 

2. Мезомерный эффект можно определить как перераспределение электронной плотности путем перекрывания π-электронных облаков с соседними 
π-, р-электронными облаками и образованием в результате этого общего  
π-электронного облака. Мезомерный эффект передается по сопряженной системе без затухания.  
Указанный эффект наблюдается в так называемых сопряженных  
системах, содержащих π-связи, неподеленные р-электронные пары или  
 – С – Н-связи.  
Сопряженная система планарна, т. е. в ней р-орбитали соседних атомов углерода перпендикулярны плоскости -связей.  
Рассмотрим молекулу винилхлорида СН2 = СН – Cl, строение которой 
приведено на рис. 1.1. 
Поливинилхлорид со временем выделяет винилхлорид. При температуре 
свыше 80 °С винилхлорид активно выделяется в окружающую среду, превращаясь в ядовитый газ фосген СОCl2. 
Два атома углерода и атом хлора расположены в одной плоскости под 
углом 120°. 

 

Рис. 1.1.  

Электронные эффекты                                                                                                        7 

 

 

Рис. 1.2.  
 
Как следует из рисунка, у винилхлорида полярность ослабевает, у бензальдегида усиливается.  

Контрольные вопросы и задания 

1. Охарактеризуйте понятие «индукционный эффект». Как определяют 
знак индукционного эффекта?  
2. Приведите примеры веществ, в которых проявляется положительный 
и отрицательный индукционный эффект. 
3. Расположите вещества в порядке усиления отрицательного индукционного эффекта заместителей: уксусная кислота, хлоруксусная кислота, фторуксусная кислота, бромуксусная кислота, иодуксусная кислота. Как изменяются кислотные свойства веществ в этом ряду? 
4. Охарактеризуйте понятие «мезомерный эффект». Какие условия 
должны выполняться, чтобы возник мезомерный эффект? 

На рисунке рz-орбитали каждого атома перпендикулярны плоскости  
δ-связей, параллельны между собой и перекрываются не только в месте образования двойной связи, но и между атомами углерода и хлора.  
На атоме хлора, отдающем свои электроны, возникает частичный положительный заряд, р- и π-электроны делокализуются, и над областью простой 
связи С – Cl появляется электронная плотность.  
Мезомерный эффект изображают кривыми стрелками (см. рис. 1.1). 
Одинарная связь укорачивается, приобретая частично двойной характер, 
связь С = С становится менее двойной.  
Электронный мезомерный эффект может быть неполярным (М = 0, 
рис. 1.2, б), положительным (+М, рис. 1.2, а) отрицательным (–М, рис. 1.2, в). 

Глава 1. 

 

5. Укажите, какой вид электронного эффекта характерен для заместителей в следующих соединениях: нитроуксусная кислота, пропановая кислота, 
уксусная кислота, муравьиная кислота, глицин, гликолевая кислота, циануксусная кислота.  
6. Какие реагенты относят к нуклеофильным? Приведите примеры 
нейтральных молекул и ионов, проявляющих нуклеофильные свойства.  
7. Приведите примеры электрофильных реагентов, имеющих валентную 
орбиталь, ионов и молекул, содержащих атомы с пониженной электронной 
плотностью.  
8. Что такое карбокатион? Как делокализация заряда влияет на устойчивость карбокатионов? 

Непредельные углеводороды (алкены, олефины)                                                              9 

Глава 2. Предельные углеводороды 
(алканы, парафины) 

Общая формула алканов CnH2n+2. 

Номенклатура 

Номенклатура представляет собой систему правил, позволяющих дать 
однозначное название каждому индивидуальному соединению. В настоящее 
время общепринятой является систематическая номенклатура ИЮПАК 
(IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry — Международный 
союз теоретической и прикладной химии).  
Первые четыре представителя алканов имеют следующие названия: метан, этан, пропан, бутан. Названия последующих членов ряда начиная с пентана образуют из корня, обозначающего количество атомов углерода, с использованием греческих числительных (до десяти): 1 — моно, 2 — ди, 3 — 
три, 4 — тетра, 5 — пента, 6 — гекса, 7 — гепта, 8 — окта, 9 — нона, 
10 — дека и суффикса -ан: пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декен и т. д.  
Если необходимо дать название соединению, поступают следующим образом:  
1) выбирают главную цепь (самую длинную и разветвленную); 
2) нумеруют атомы углерода начиная с того конца молекулы, где больше 
заместителей, чтобы радикалы получили наименьшие номера; 
3) заместители называют по старшинству или в алфавитном порядке; 
4) затем дают название углеводорода по главной цепи. 
Например, соединение вида (атомы углерода пронумерованы) 

3
2
3

2
3
3

3

1
2
3
4
5
6
CH –CH–CH–CH –CH–CH

CH CH
CH

CH







 

будет называться 2,5-диметил-3-этилгексан. 

Изомерия  

Основной вид изомерии алканов — структурная изомерия углеродного 
скелета. 

Глава 2. 

 

Бутан и изобутан имеют общую формулу С4Н10, обладают сходными химическими, но различными физическими свойствами. Эти вещества являются 
газами, однако имеют разные температуры кипения: –0,5 °С и –11,4 °С. Химическое строение бутана и изобутана выглядит следующим образом: 

 

                    
                      
 
 Первый изомер (н-бутан) имеет неразветвленную углеродную цепь, 
второй (изобутан) — разветвленную. Число изомеров алканов возрастает с 
увеличением углеродной цепи.  

Строение 

Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии в sp3-гибридизации. 
Простейшим представителем и родоначальником простейших углеводородов является метан СН4. Молекула метана имеет тетраэдрическое строение, тип гибридизации — 
sp3 (рис. 2.1).  

В процессе образования химических 

связей облака всех валентных электронов 
атома углерода выравниваются, становятся 
одинаковыми. Каждый атом углеродной цепи 
образует достаточно прочные связи, направленные от атома углерода к углам тетраэдра, т. е. под углом 109°28 друг к 
другу. Для разрыва одной связи в молекуле метана требуется большое количество энергии — 427·103 Дж/моль. 

Физические свойства 

При содержании в молекуле алканов от одного до четырех атомов углерода углеводороды находятся в газообразном состоянии, если атомов углерода 5–17 (нормального, т. е. неразветвленного, строения), — в жидком, если их 
18 и более — в твердом. Разветвленные углеводороды имеют более низкие 
значения температуры кипения. 
Алканы нерастворимы в воде, однако они хорошо растворяются в органических растворителях и друг в друге. 
Газообразные алканы не имеют запаха и цвета, они легче воды.  

Способы получения  

Существует несколько способов получения алканов. 
1. Из природных источников (угля, нефти, газа). 

 
Рис. 2.1.