Сборник задач и упражнений по органической химии

            ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ



5РР

серия основана в 1 996 г. \ \ .

Г. ИВАНОВ
Н. ГЕВА
.Г. ГАВЕРОВА

СБОРНИК ЗАДАЧ И УПРАЖНЕНИЙ
ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ
ХИМИИ


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

3-е издание, переработанное и дополненное



                   Рекомендуется для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 44.03.01 «Педагогическое образование»





                znanium.com




электронно-библиотечная система

Москва ИНФРА-М 2024

УДК 574(075.8)
ББК 24.2я73
И20

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке   
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

      Рецензенты:
      Т.П. Вавилова — зав. кафедрой биохимии Московского государственного медико-стоматологического университета, д-р мед. наук, профессор;
      А.П. Коничева — доцент Московского государственного областного университета, канд. биол. наук


      Иванов В.Г.
И20 Сборник задач и упражнений по органической химии : учебное пособие / В.Г. Иванов, О.Н. Гева, Ю.Г. Гаверова. — 3-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 319 с. — (Высшее образование).

        ISBN 978-5-16-019154-6 (print)
        ISBN 978-5-16-111907-5 (online)

        Учебное пособие создано в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом по направлению подготовки «Педагогическое образование» профиль «Биология», профиль «Химия» (квалификация «бакалавр»).
        Предложены задачи и упражнения различной степени сложности по основным разделам курса органической химии. Приведены задания по номенклатуре, изомерии, строению, свойствам и способам получения органических соединений разных классов с учетом их структурных и функциональных особенностей.
        Для студентов учреждений высшего профессионального образования.
УДК 574(075.8)
ББК 24.2я73



ISBN 978-5-16-019154-6 (print)
ISBN 978-5-16-111907-5 (online)


© Иванов В.Г., Гева О.Н., Гаверова Ю.Г., 2016

Подписано в печать 08.08.2023.
Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 19,94.
ППТ20. Заказ № 00000

ТК 390300-2091902-250615
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр.1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru            http://www.infra-m.ru
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

            ПРЕДИСЛОВИЕ







   Изучение органической химии занимает важное место в подготовке специалистов химико-биологических специальностей вузов. От усвоения этого предмета зависит успешность дальнейшего изучения функционирования биологических систем на молекулярном уровне. Сборник задач и упражнений по органической химии предназначен для студентов химико-биологических факультетов педагогических университетов.
   Структура пособия в целом носит традиционный характер и соответствует программе дисциплин по специальности «Биология». Задания распределены в соответствии с изучаемыми классами органических соединений. Каждый раздел включает задания по номенклатуре и изомерии, строению, свойствам и способам получения каждого класса органических веществ. Многие задания посвящены выявлению взаимосвязи между строением и свойствами веществ. Большое внимание уделено функциональным производным углеводородов и гетероциклическим соединениям. Тем самым создаются условия для успешного освоения биохимии, молекулярной биологии и биотехнологии.
   Задания в пособии распределены по степени сложности. Наиболее легкие задания могут быть выполнены всеми студентами достаточно быстро, что позволяет преподавателям использовать их как на занятиях, так и для домашненго закрепления изучаемого материала. Задания повышенной категории сложности (отмечены одной звездочкой) предполагают более глубокое владение материалом и могут быть использованы для контроля усвоения темы. Сложные задания могут быть рекомендованы для наиболее способных студентов при выполнении домашнего задания (отмечены двумя звездочками).
   В пособие включены задания на использование номенклатуры, определение строения веществ, расчетные задачи, а также упражнения, устанавливающие генетическую связь между классами органических соединений. В большинстве разделов есть задания, связанные с качественными реакциями на отдельные классы органических веществ и определенные функциональные группы. Для заданий, номера которых выделены полужирным шрифтом, даны ответы.
   Авторы надеются, что пособие окажется полезным при подготовке студентов к семинарским занятиям, зачетам и экзаменам.
   Все замечания и предложения будут приняты авторами с благодарностью.

Глава 1




                ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ








   1.1.  Напишите электронные конфигурации атомов углерода, азота и кислорода. Какую валентность проявляют эти элементы? Почему углерод обычно проявляет валентность, равную четырем?
   1.2.  Приведите электронные конфигурации атомов бериллия, бора и углерода в основном и возбужденном состоянии. Какую валентность могут проявлять атомы в этих состояниях?
   1.3.  Дайте определение понятия «химическая связь». Охарактеризуйте основные типы химической связи. Какие химические связи реализуются в молекулах веществ, структурные формулы которых приведены:


   1.4.   Объясните появление дробных зарядов на атомах в молекулах некоторых соединений, приведенных в задании 1.3. Какие атомы имеют целый заряд? Укажите недостающие заряды и объясните причину их появления.
   1.5.   Охарактеризуйте понятие «электроотрицательность» атома. Определите, какие из связей неполярные или слабополярные, а какие — полярные и ионные: С—Н, С—С, С—О, =С—Na, С-С1, С-К, С-1.


4

   1.6.   В приведенных формулах укажите, если это возможно, не-поделенные пары электронов (точками) и заряды:

                ?Нз            ..                    Н
  СН₃-ОН H-N-СНз          СНз-S-СНз     СНз-СН₂-оС
                н              "                     н

                    СН,'
                H-N-H С1       СН₃—S-СН₃
- Н J               Н

   1.7.   Дайте определение понятий «связывающие молекулярные орбитали», «разрыхляющие молекулярные орбитали». Как распределяются по орбиталям электроны при образовании ковалентной связи?
   1.8*   . Дайте определение понятия «энергия диссоциации». Пользуясь данными прил. 1, рассчитайте энергетический эффект взаимодействия молекулярного фтора с метаном.
   1.9*   . Рассчитайте энергетический эффект (см. прил. 1) взаимодействия молекулярного хлора и иода с метаном в реакции моногалогенирования. Сравните реакционную способность хлора и иода в этих реакциях.
   1.10.   Что понимают под термином «гибридизация орбиталей»? Какие виды гибридизации возможны для атома углерода в органических веществах? Какую форму имеют атомные орбитали углерода в состоянии ,sp³-гибридизации? Как они расположены в пространстве?
   1.11.   Изобразите схемы расположения орбиталей атома углерода в sp²-, sp²- и sp-гибридном состоянии. Отметьте положение не-гибридизованных орбиталей. Какие простые вещества соответствуют каждому валентному состоянию атома углерода?
   1.12.   Как происходит образование о-связи? Пользуясь граничными поверхностями атомных орбиталей, изобразите схемы шести видов о-связей.
   1.13*   . Какие виды о-связей и в каком количестве реализуются в молекуле 1,2-дихлорэтана?
   1.14.   Охарактеризуйте понятие «л-связь». Какие виды л-связей существуют? Нарисуйте схемы образования л-связей в молекулах этилена С₂Н₄ и ацетилена С₂Н₂.
   1.15.   Какие виды о- и л-связей реализуются в молекулах 2-ме-тилбутена-1, пентина-2?
   1.16.   Пользуясь представлениями о граничных поверхностях атомных орбиталей и соблюдая валентные углы, изобразите схему строения молекул метана, этана, пропена, пропина. Укажите зна

5

чения валентных углов у каждого атома углерода; определите виды о-связей в этих молекулах.
  1.17.  Определите вид гибридизации атомов углерода в соединениях, формулы которых приведены:

  а) СН₂=СН-С\
               Н
  б) СН₂=СН-ОСН


  в) CH₃-C=N

   1.18*   . Определите вклад 5-орбитали в образование sp³-, sp²- и 5^-гибридных орбиталей. Как это сказывается на электроотрицательности атома углерода?
   1.19*   . Опишите пространственное строение следующих частиц: СНз, СН₃, СН₃. Как распределены электроны в этих частицах по энергетическим подуровням?
   1.20.   Объясните термины «коллигация» и «координация». Приведите примеры.
   1.21.   Какую связь называют донорно-акцепторной? Используя октетные формулы Льюиса, допишите следующие уравнения реакций:

   a) CH3-S-CH3 + Н⁺ —   б) CH₃-NH₂ + НС1 —
   в) FeCl₃ + С1₂ —
   г) H₃N + BF₃ —*

   1.22.   Для приведенных уравнений определите, по какому механизму образуются новые связи, в каких соединениях реализуется семиполярная связь:

   a) FeCl₃ + :СИ —* [:Cl:FeCl₃]   б) н-с^„ + н⁺ —* н-с^„ of                        Q-н

      сн₃               сн₃
   в) JO: +BF₃ — :O:BF₃
      СНзХ              СНзХ


6

          .. ₊/н
   г) сн₃-о-Н +Н⁺ — СН₃—Ох н

   д) H₃N: + SO₃ —* H₃N:SO₃

   е) СН₃—H₂N: + BF₃ — CH₃-H₂N:BF₃

  ж)  ^N: + SO₃ —*            ^N:SO₃

          ..     ₊            ₊ H
  3)  CH₃—6-H + CH₃ —* ch₃-c(
          "                     CH₃

   Какие из веществ являются донорами электронных пар, какие — акцепторами?
   1.23*  . Расположите в порядке возрастания поляризуемости связи С—X (X = F, С1, Вт, I) вещества, формулы которых приведены: СН₃—I, СН₃—Cl, СН₃—F, СН₃—Вт. Какие факторы определяют поляризуемость связи? Как в этом ряду будет изменяться полярность связи?
   1.24.  Расположите в порядке возрастания полярности связей С—Н вещества, формулы которых приведены: Н₃С—СН₂—Н, НС=СН, СН₂=СН₂. Как в этом ряду изменяются длина и энергия связи С—С? Как это отражается на кислотных свойствах веществ?
   1.25*   . Рассчитайте длину одинарных связей С—С в молекулах соединений, формулы которых приведены: а) СН₃—СН=СН₂; б) СН₃—СН₂—С=СН; в) СН₂=СН—С=СН. Ковалентный радиус атома углерода при .$р³-гибридизации равен 0,0767 нм, ^-гибридизации — 0,0742 нм, .sp-гибридизации — 0,0668 нм.
   1.26.  Какие частицы образуются при гомолитическом и гетеро-литическом распаде связей С—Н и С—С в молекуле этана? Назовите их.
   1.27.  Какие частицы образуются при гомолитическом и гетеро-литическом распаде связей С—Н и С—С в молекулах пропана и изобутана? Назовите их.
   1.28.  Дайте определение понятий «кислота по Льюису», «основание по Льюису». Для уравнений, приведенных в задании 1.21, укажите, какие вещества являются кислотами Льюиса, какие — основаниями Льюиса.
   1.29*   . Допишите уравнения реакций и укажите, какие вещества являются основаниями Льюиса, а какие — кислотами Льюиса; точками отметьте свободные электронные пары:
   a) CH₃-NH₂ + Н⁺ —в) NH₃ + BF₃ —
   б) СН₃-О-Н + Н⁺ —►         г) СО₂ + Н₂О —


7

   д) СН₃—SH + CH₃I —*■        ж) Ag⁺ + CN~ —*   е) (CH₃)₂-NH + НС1 —        3) CH₃-S-CH₃ + HC1 —   1.30*  . Кислотно-основные реакции по Бренстеду можно считать частным случаем кислотно-основных реакций по Льюису (основание предоставляет электронную пару только протону). Среди уравнений, приведенных в задании 1.29, выберите те, в которых принимает участие кислота Бренстеда.
   1.31*  *. Расположите вещества, формулы которых приведены, в порядке усиления кислотных свойств: СН₄, HF, СН₃ОН, NH₃.
   1.32*  *. Как изменяются кислотные свойства в ряду: алканолы R— О—Н, тиолы R—S—Н, селенолы R— Se—Н. Сравните атомные радиусы кислорода, серы и селена; поляризуемость связей О—Н, S—Н, Se—Н; устойчивость образующихся при диссоциации анионов R—О“, R—S“, R—Se~. Напишите уравнения реакций алканола, тиола и селенола с гидроксидом натрия.
   1.33.  Охарактеризуйте понятие «индукционный эффект». Как определяют знак индукционного эффекта? Приведите примеры веществ, в которых проявляется положительный (+/) и отрицательный (-/) индукционный эффект.
   1.34.  Расположите вещества, формулы которых приведены, в порядке усиления отрицательного индукционного эффекта заместителей: СН₃-СООН, С1-СН₂-СООН, f-ch₂-cooh, Вг—СН₂—СООН, I—СН₂—СООН. Как изменяются кислотные свойства веществ в этом ряду? Какие факторы определяют индукционный эффект?
   1.35*  . Расположите вещества, формулы которых приведены, в порядке усиления положительного индукционного эффекта алкильных радикалов:

z/O          z/O                 Z/O
    а) СН₃-С б) Н-Сч в) СН₃-СН₂-С
ОН           ОН                  ОН
сн₃ ₀                    ₀
         г) СН₃-С-С( д) СН₃-СН-(/
                СН₃ ⁰Н             СН₃ он


  Какое влияние оказывает этот электронный эффект на кислотные свойства соединений?
  1.36.  Укажите, в каких из соединений, формулы которых приведены, заместители проявляют положительный индукционный эффект, в каких — отрицательный индукционный эффект:
no₂-ch₂-cooh n=c-ch₂-cooh СН₃-СН₂-СООН
СН₃-СООН Н-СООН НО-СН₂-СООН H₂N-CH₂-COOH

8

С1-СН₂-СООН С1-СН₂-СН₂-СООН НО-СН₂-СН₃
О-СН₂-СН₃ Na—СН₂—СН₃ Cl-Mg-CH₂-CH₂-CH₃

⁺NaO~4^

  Индукционный эффект какого атома принят равным нулю?
  1.37.   Расположите вещества, формулы которых приведены, в порядке усиления кислотных свойств:
no₂-ch₂-cooh сн₃-соон h₂n-ch₂-cooh
    СН₃-СН₂-СООН Н-СООН НО-СН₂-СН₃

  Дайте объяснения.
  1.38.  Расположите соединения, формулы которых приведены, в порядке усиления кислотных свойств:

  СН₃-СН₂-СН-СООН СН₃-СН₂-СН₂-СООН
           С1

  СН₃-СН-СН₂-СООН       С1-СН₂-СН₂-СН₂-СООН
       С1

  Как изменяется полярность связи О—Н при удалении атома хлора от карбоксильной группы?
  1.39*   . Расположите соединения, формулы которых приведены, в порядке ослабления кислотных свойств:
     а) СН₃—СООН;            в) СН₂С1-СООН;
     б) СНС1₂—СООН;          г) СС1₃-СООН.

  Как изменяется полярность связи О—Н карбоксильной группы при увеличении числа электроноакцепторных заместителей в молекуле карбоновой кислоты?
  1.40.  Какое из веществ, формулы которых приведены, обладает большим дипольным моментом:

  а)  СН₃—СН₂—Вг или СН₃—СН₂—F;
  б)  СН₃-СН₂-СН₂-1 или СН₃-1?

  1.41.  Охарактеризуйте понятие «мезомерный эффект». Какие условия должны выполняться для возникновения мезомерного эффекта? Назовите виды мезомерного эффекта.
  1.42.  При помощи граничных поверхностей изобразите строение молекулы бутадиена-1,3. В каком валентном состоянии нахо

9

дятся атомы углерода? Как располагаются негибридизованные ^-орбитали? Напишите формулы предельных структур и мезоформулу.
  1.43*  . Какие атомы называют «атомами с недостроенными до октета электронными оболочками»? В приведенных формулах отметьте атомы с достроенными до октета и недостроенными до октета электронными оболочками:

  а) СН₃-СН=СН₂
  б) СН₃-С=СН


  в) СН₃-(\
          Н
  г) CH₃-CH₂-C=N
  д) но-сн=сн₂


            //О


  е) СН₃~С\
          ОН

.0
  ж) ch₃-ch₂-n^
               О
  з) СН₃-СН₂
    СН₃. .
  и⁾сн<сн ,
  к) сн₂=сн-сн₂
  л) сн₂=сн-сн₂
  м) сн₂=сн-сн₂

         //О
  н)-СН₂-С\
          н

             //О
  о) сн₂=сн-с\
              н


  1.44   **. В формулах д, е, к, л, н, о задания 1.43 стрелками покажите смещение (делокализацию) электронной плотности.
  1.45   *. Напишите формулы предельных структур и мезоформулу акриловой кислоты СН₂=СН—СООН. Какой мезомерный эффект характерен для этой молекулы?

10