Органическая химия

1. Приведите схемы: а) гомолитического разрыва связи С-Н в молекуле этана; б) гетеролитического разрыва связи С-Н в молекуле этана (два варианта). Как называются образующие частицы?

                        Решение:

а) гомолитический разрыв связи С-Н в молекуле этана

Радикальные реакции обычно являются цепными реакциями, т.к. взаимодействие свободного радикала с молекулой  приводит к образованию нового свободного радикала или атома с развитием цепи химических превращений. Примером цепных радикальных реакций является реакция взаимодействия галогенов с углеводородами при освещении:

Сl : Cl   +  hn ® 2Cl×                    инициирование цепи

 

CH3 – СН3 + Cl× ®  ×CH2 – СН3 +  HCl      î     развитие или рост

×CH2 – СН3 + Cl2  ®   CH3  – СН2Cl  +  Cl× ì    цепи

Обрыв цепи происходит вследствие исчезновения из газовой фазы свободных радикалов в результате их рекомбинации:

                                 Cl× + Cl× = Cl2                           î

                           ×CH2 – СН3 + ×CH2 – СН3 = C4H9   ì                 обрыв цепи

Причиной обрыва цепи являются также столкновения радикалов со стенками сосуда и с молекулами примесей.

Б) гетеролитический разрыв связи С-Н в молекуле этана 

- образование этилена:

                                     400-600 оС

              СН3—СН3   ¾¾¾®  СН2=СН2  +  Н2        

                                     кат. (Cr2O3)

-Реакция окисления:

СН3 — СН3   + 2O2→СН3 — CН=O + 2H2O

2. Напишите схемы взаимодействия 1-бромбутана со следующими веществами: а) раствором иодида натрия в ацетоне (реакция Финкельштейна); б) водным раствором щелочи при нагревании; в) метилатом натрия (реакция Вильямсона); г) триэтиламином (образование соли аммония); д) магнием (образование магнийорганического соединения).

                          Решение:

а) раствором иодида натрия в ацетоне (реакция Финкельштейна):

С3Н7 – СН2 – Br + NaJ С3Н7 – СН2 – J + NaBr

    1-бромбутан                                          1-иодбутан

 б) водным раствором  щелочи при нагревании:

С3Н7 – СН2 – Br + КОН С3Н7 – СН2 – ОН + КBr

     1-бромбутан                                          бутанол – 1

 в) метилатом натрия (реакция  Вильямсона):

С3Н7 – СН2 – Br + СН3ОNa С3Н7 – СН2 – ОСН3 + NaBr

     1-бромбутан                                          метил - н-бутиловый эфир

 г) триэтиламином (образование  соли аммония):

                                                                               +      

С3Н7 – СН2 – Br +(С2Н5)3N С3Н7 – СН2 –  N – (СН3)3 + Br-

     1-бромбутан                                         

 д) магнием (образование  магнийорганического соединения).

С3Н7 – СН2 – Br + Mg С3Н7 – СН2 – MgBr

     1-бромбутан                                н-бутилмагнийбромид

 

 

3. Напишите схемы взаимодействия 2-метилбутена-1 со следующими веществами: а) бромом; б) хлороводородом; в) водой в присутствии кислотного катализатора (Н+); г) Н2, Pd/C (катализатор). В случае (б) приведите механизм реакции.

                                              Решение:

     а) бромом                                          

                                                                       Вr

                                                                      |

CH3 – CH2 – C=CH2 + Вr2 → CH3 – CH2 – C – CH  – Вr →

                      |                                               |

                      CH3                                                                CH3

           2-метилбутен-1                                       2-метил – 1,2 - дибромбутан

 

                                                         

 б) хлороводородом:

                                                                  Сl

                                                                   |

CH3 – CH2 – C=CH2  + НСl → CH3 – CH2 – C – CH3

                      |                                                 |

                      CH3                                                                  CH3

           2-метилбутен-1                                             2-метил – 2 – хлорбутан 

AdE реакции – основной тип превращений алкенов. По электрофильному механизму к алкенам могут присоединяться галогены, галогеноводороды, серная кислота, вода и другие электрофильные реагенты.

Общий механизм реакции включает ряд последовательных стадий:

На первой стадии электрофил образует p -комплекс с алкеном, в котором двойная связь выступает как донор, а электрофил как акцептор электронов. Далее p -комплекс медленно перегруппировывается в карбокатион (s -комплекс). На последней стадии происходит быстрое взаимодействие карбокатиона с нуклеофилом (Y -) с образованием продукта присоединения. Скорость-определяющей стадией процесса является стадия образования s -комплекса. Ее скорость, а, следовательно, и скорость процесса в целом, зависит от стабильности интермедиата – карбокатиона, который близок по энергии к переходному состоянию лимитирующей стадии.      

 

 в) водой в присутствии  кислотного катализатора (Н+):                                               

                                                                  ОН

                                                                   |

CH3 – CH2 – C=CH2  + Н2О→ CH3 – CH2 – C – CH3

                      |                                                 |

                      CH3                                                                  CH3

           2-метилбутен-1                                             2-метилбутанол -2        

     

 г) Н2, Pd/C (катализатор)

CH3 – CH2 – C=CH2 + Н2, Pd/C → CH3 – CH2 – CН – CH3 

                      |                                                          |

                      CH3                                                             CH3

           2-метилбутен-1                                        2-метилбутан           

 

 

4. Напишите схемы взаимодействия толуола со следующими веществами: а) Br2, FeBr3; б)  H₂SO₄(конц.); в) HNO₃(конц.),  H₂SO₄(конц.); г) KMnO4, t0C.

                      Решение:

а) Br2, FeBr3

 

 

 

 

 

 

б) H₂SO₄(конц.);  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 в) HNO₃(конц.),  H₂SO₄(конц.):

С6H5СH3 + HNO₃(конц.) → 5С6H4 (NO2)СH3

                                             п- и о- нитротолуол

 г) KMnO4, t0C.

5С6H5СH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5С6H5СOOH + 6MnSO4 + 3K2SO4 + 14H2O         толуол                                                      бензойная кислота

 

5. Дополните цепочку превращений:

                   NaNH2                C2H5Br               H2O, Hg2+, H+

CH3CH2-C≡C-H -----------à …….-----------à……..-------------------à ………..

                              Решение:

                        NaNH2                                                C2H5Br                                         H2O, Hg2+, H+

CH3CH2-C≡C-H   →   CH3CH2-C º C –MgBr→ CH3CH2-C º C –С2Н5      →

Бутин - 1

→ CH3CH2– C= CН – С2Н5                                

                                    |

                                  ОН

6. На примере этилового спирта опишите химические свойства одноатомных спиртов.

                                                  Решение:

1. Горение: Как и большинство органических веществ спирты горят с образованием углекислого газа и воды:

C2H5-OH + 3O2 -->2CO2 + 3H2O

При их горении выделяется много теплоты, которую часто используют в лабораториях (лабораторные горелки). Низшие спирты горят почти бесцветным пламенем, а у высших спиртов пламя имеет желтоватый цвет из-за неполного сгорания углерода.

2. Реакция со щелочными металлами

C2H5-OH + 2Na --> 2C2H5-ONa + H2

При этой реакции выделяется водород и образуется алкоголят натрия. Алкоголяты похожи на соли очень слабой кислоты, а также они легко гидролизуются. Алкоголяты крайне неустойчивы и при действии воды - разлагаются на спирт и щелочь.

3. Реакция с галогеноводородом

C2H5-OH + HBr --> CH3-CH2-Br + H2O

В этой реакции образуется галогеноалкан (бромэтан и вода).

4) Внутримолекулярная дегидратация (в присутствии катализатора H2SO4) 
 
В этой реакции при действии концентрированной серной кислоты и при нагревании происходит дегидратация спиртов. В процессе реакции образуется непредельный углеводород и вода. 
Отщепление атома водорода от спирта может происходить в его же молекуле (то есть происходит перераспределение атомов в молекуле). Эта реакция является межмолекулярной реакцией дегидратации. Например, так: 
 
В процессе реакции происходит образование простого эфира и воды.

5) реакция с карбоновыми кислотами:  
 
Если добавить к спирту карбоновую кислоту, например уксусную, то произойдёт образование простого эфира. Но сложные эфиры менее устойчивы, чем простые эфиры. Если реакция образования простого эфира почти необратима, то образование сложного эфира - обратимый процесс. Сложные эфиры легко подвергаются гидролизу, распадаясь на спирт и карбоновую кислоту.

6) Окисление спиртов.

Кислородом воздуха при обычной температуре спирты не окисляются, но при нагревании в присутствии катализаторов идёт окисление. Примером может служить оксид меди (CuO), марганцовка (KMnO4), хромовая смесь. При действии окислителей получаются различные продукты и зависят от строения исходного спирта. Так, первичные спирты превращаются в альдегиды (реакция А), вторичные - в кетоны (реакция Б), а третичные спирты устойчивы к действию окислителей. 

 

 

7. Напишите схемы взаимодействия ацетона со следующими реагентами: а) NaBH4 в этаноле (растворитель); б) HCN, KCN (катализатор); в) этилмагнийбромид (C2H5MgBr) с последующим взаимодействием продукта присоединения с разбавленным раствором кислоты (Н2О, Н+); г) схему альдольной конденсации ацетона под действием щелочи.

                                 Решение:

а) NaBH4 в этаноле (растворитель):

(СН3)2О + NaBH4 → СН3 – СН – СН3

                                                                            |

                                                                           ОН   пропанол – 2

 б) HCN, KCN (катализатор):

 в) этилмагнийбромид (C2H5MgBr) с последующим взаимодействием продукта присоединения с разбавленным раствором кислоты (Н2О, Н+):

(СН3)2О + C2H5MgBr → СН3 – СН – СН3 СН3 – СН – СН3

                                                   |                                           |

                                                  ОMgBr                                 ОН  пропанол – 2

 

 г) схему альдольной  конденсации ацетона под действием щелочи.

Под действием щелочей вступает в альдольную самоконденсацию, с образованием диацетонового спирта.

 

 

8. Приведите структурные формулы D-глюкозы (нециклическую и две циклические формы), крахмала и целлюлозы. Из каких  мономерных звеньев построены молекулы крахмала и целлюлозы?

                                              Решение:

Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных из α-D - глюкозных звеньев:

- амилозы (10-20%)

- амилопектина (80-90%).

Структура молекулы амилозы представляет собой линейную цепь, состоящую из остатков α-D -глюкозы, связанных α (1→4)-гликозидными связями. В точках разветвления остатки моносахаридов связаны  
α (1→6)-гликозидными связями.