Органическая химия - базовые знания

Органическая химия - раздел химии, занимающийся свойствами, структурой и реакциями соединений углерода. Основные области интереса к органической химии:

СТРУКТУРНЫЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ - выделение, очистка и изучение структуры органических соединений

ОРГАНИЧЕСКАЯ ФИЗИКОХИМИЯ - определение корреляции между структурой органического соединения и его физико-химическими свойствами

ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ - синтез соединений углерода, встречающихся в природе в природе, и новых соединений с желаемыми свойствами

Органическая химия - это химия соединений углерода, в том числе:

1. Насыщенные, ненасыщенные, циклические углеводороды
2. спирты и фенолы
3. альдегиды
4. кетонов
5. Карбоновые кислоты
6. Высшие жирные кислоты
7. жиры
8. белки
9. другой

Основные вопросы органической химии:

1. ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ:

Углеводороды

Насыщенные углеводороды, называемые алканами, относятся к алифатическим углеводородам, которые включают только атомы углерода и водорода. Легкие алканы (метан, этан, пропан, бутан) в нормальных условиях представляют собой газы, более тяжелые - от C5H12 до C13H38 - жидкости и с более высоким содержанием твердых веществ. Начиная с бутана, та же самая формула суммы соответствует числу соединений и структурных изомеров, которое больше единицы. Изомеры различаются по структуре и свойствам. Алифатические углеводороды с прямой (неразветвленной) углеводородной цепью называются нормальными, углеводороды с разветвленной цепью имеют префикс изо -.

Углеводороды также могут быть расщеплены из-за типа гибридизации атомов углерода, которая определяет структуру их молекул.

Алканы и циклоалканы являются насыщенными углеводородами, в которых каждый атом углерода находится в состоянии гибридизации sp3 и образует четыре равные связи с другими атомами углерода или с атомами водорода. Углы между всеми связями составляют около 109 °. Углы между связями в первых трех циклоалканах: циклопропане, циклобутане и циклопентане подвержены значительным деформациям из-за высоких напряжений, возникающих в результате малых размеров частиц.

Первичный атом углерода соединяется с одним атомом углерода.

Атом углерода второго порядка объединяется с двумя атомами углерода.

Третичный атом углерода соединяется с тремя атомами углерода.

Третичный атом углерода соединяется с четырьмя атомами углерода.

Атом углерода в молекуле метана не связан ни с одним другим атомом углерода. Это атом нулевого порядка.

ЦИКЛАЛАКАНЫ - это органические химические соединения - циклические алканы, молекулы которых имеют только одинарные связи между атомами углерода в кольцах.

Соединения, в которых атомы углерода расположены в кольцах, известны уже более ста лет. Эти соединения называются циклоалканы или алициклические (алифатические циклические) соединения. Поскольку циклоалканы содержат кольца из -CH2- единиц, они имеют общую формулу (CH2) n или CnH2n, и на рисунке они показаны в форме многоугольника.

АЛКОГОЛИ И ФЕНОЛЫ

Спирты - алифатические соединения и алициклические углеводородные производные, в которых атомы или атомы водорода замещены гидроксильными (гидроксильными) -ОН группами. Спирты, содержащие одну группу ОН, называются одноатомными, например, СН 3 СН 2 ОН, этиловый спирт или этанол. Спирты с двумя, тремя и т. Д. Группы ОН называются двух-, трех- и т. Д. Водородными спиртами. В зависимости от числа атомов водорода у атома углерода, связанного с группой ОН, первичные спирты (2 атома водорода и -CH2OH), вторичные спирты (1 атом водорода и = CHOH, например (CH3) 2CHOH) и третичные спирты (без атом водорода, часть -COH, например (CH3) 3COH). Они отличаются некоторыми химическими реакциями, низшие одноатомные спирты имеют приятный запах, высшие - неприятные. Наиболее важными спиртами являются:

• Метиловый спирт, полученный ранее сухой перегонкой древесины при 500 ° С в дополнение к уксусной кислоте, сегодня синтез метилового спирта из окиси углерода и водорода в присутствии оксидов цинка и хрома в качестве катализаторов или путем окисления метана, содержащегося в природном газе. Метиловый спирт используется для приготовления формальдегида, метилметакрилата, метилхлорида, для синтеза красителей, в качестве растворителя.
• этиловый спирт - самый старый способ производства основан на сбраживании крахмала, содержащегося в картофеле, кукурузе, ячмене, ржи, рисе и т. д., или сбраживании сахара, содержащегося, например, в патоке.

C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2

Полученный этиловый спирт выделяют дистилляцией, а затем очищают ректификацией. Синтетически этиловый спирт получают каталитической гидратацией этилена при давлении 60 - 100 атм. или гидрирование ацетальдегида в присутствии меди или никеля при 170 - 190 ° С.

CH2 = CH2 + H2O = CH3 - CH2 - OH

Этиловый спирт используется в пищевых целях (спирт, водка), в качестве растворителя, для совместного производства сложных эфиров, хлороформа, этилового эфира, уксусной кислоты, в медицине и т. Д. Загрязненный этиловый спирт называется денатурированным спиртом.

кетонов

Кетоны представляют собой органические соединения, молекулы которых содержат карбонильную группу C = O, связанную с двумя углеводородными радикалами.

Их можно рассматривать как углеводородные производные, в которых два атома водорода на вторичном атоме углерода заменены кислородом. Названия кетонов образуются из названий радикалов, включенных в их молекулу с добавлением слова кетон, или из названий подходящих углеводородов с добавлением -on tip , например:

диметилкетон или пропанон-2

метилэтилкетон или 2-бутанон

метилпропилкетон или пентанон-2

Свойства кетонов будут обсуждаться на примере их первого гомолога - диметилкетона или ацетона.

Ацетон.

Ацетон (диметилкетон, пропанон-2) представляет собой бесцветную легковоспламеняющуюся жидкость с характерным запахом. Температура кипения 56,2 ° С Хорошо растворим в воде, спирте и эфире. Это один из лучших органических растворителей, он хорошо растворяет жиры, смолы и многие другие органические вещества. Ацетон, как и другие кетоны, не дает реакции «серебряного зеркала» и не полимеризуется, он отличается от формальдегида и альдегидов в целом в тех же условиях, что и формальдегид, ацетон связан с водородом, также в этом случае водород присоединяется в результате разрыва Ацетон также присоединяет кислый сульфит натрия и синильную кислоту. Ацетон используется в качестве растворителя во многих отраслях промышленности, при производстве искусственного шелка, бездымного порошка, пленочной пленки, лаков, лекарств и других). субстрат для синтеза различных органических соединений. Ацетон получают в больших количествах различными способами: во время сухой перегонки древесины, в результате разложения ацетата кальция, в результате окисления изопропилового спирта, гидратация ацетилен с водяным паром. В последнем способе реакция протекает при температуре 400-600ºC над катализатором, содержащим оксиды железа и марганца:

2CH = CH + 3H2O → CH3-CO-CH3 + CO2 + 2H2

Из вышеперечисленных способов последние два являются наиболее экономически удобными.

КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Кислоты называются органическими соединениями, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных функций - СООН. Карбоксильную группу можно рассматривать как комбинацию карбонильной группы С = О с гидроксильным ОН. Если молекула содержит одну группу карбоновой кислоты, то эта кислота называется одноосновной кислотой, если две - двухосновной кислотой и т. Д.

Карбоновые кислоты могут рассматриваться как производные углеводородов, в которых атомы водорода заменены на карбоновые группы. Общая формула для гомологического ряда: CnH2n + 1COOH или RCOOH.

Согласно систематической номенклатуре, названия кислот образуются из названий соответствующих углеводородов путем добавления слова кислота, например:

HCOOH - метановая кислота

CHSCOOH - этановая кислота

CH3CH2COOH - пропановая кислота

Изомерия этих кислот зависит от структуры радикала. Изомеры появляются, начиная с масляной кислоты C8H7COOH.

Химические свойства карбоновых кислот в основном обусловлены наличием карбоксильной группы. В результате сильного влияния карбонильной группы СО на гидроксильную группу - ОН, водородная связь в гидроксильной группе серьезно ослаблена, так что атом может быть отщеплен в виде протона. Это влияние может быть представлено следующим образом. В карбонильной группе электроны смещены от атома углерода к атому кислорода как более электроотрицательный элемент. В результате этого сдвига уголь имеет положительный заряд и притягивает электроны друг к другу со второго атома кислорода в гидроксильной группе. Связь между кислородом и водородом в гидроксильной группе ослаблена, и становится возможным отщепить водород.

Карбоновые кислоты, как и минеральные кислоты, образуются в водных растворах. Поэтому они показывают все свойства кислот: они дают кислую реакцию, они создают соли с металлами, они реагируют с основаниями (реакция нейтрализации). Почти все органические кислоты относятся к слабым электролитам. Характерной особенностью карбоновых кислот является реакция со спиртами и образование сложных эфиров.

Важную роль играют высокомолекулярные кислоты: пальмитиновая кислота C15H31COOH и стеариновая кислота C17H36COOH, которые представляют собой твердые вещества и жидкую ненасыщенную олеиновую кислоту C17H33COOH. Остальные эти одноосновные кислоты включены в жиры и масла. Общий способ получения карбоновых кислот снижается за счет окисления органических соединений. При окислении первичных спиртов получают альдегиды, а при окислении альдегидов - соответствующие кислоты. Свойства кислот на примере муравьиной и уксусной кислот обсуждаются более подробно.

Амины

Амины являются органическими производными аммиака, NH3, аналогично спиртам, а простые эфиры являются органическими производными воды. Амины, как и аммиак, содержат атом азота с паром свободных электронов, что приводит к тому, что амины обладают как нуклеофильными, так и основными свойствами. Амины широко распространены как в растительных, так и в животных организмах. Например, триметиламин обнаружен в тканях животных и отчасти ответственен за характерный запах многих рыб, хинин является важным противомалярийным препаратом, выделенным из коры хинного дерева Южной Америки, а кодеин является анальгетиком (болеутоляющим), присутствие которого обнаружено в опийном маке.

жиры

Жиры называются смесями сложных эфиров, образованных из глицерина и высших жирных кислот. Глицериновый остаток входит в состав всех жиров. Остатки жирных кислот в различных жирах могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными. Наиболее важными жирными кислотами являются: насыщенные - пальмитиновые C15H31COOH и стеариновые C17H35COOH, ненасыщенные олеиновые. Высшие жирные кислоты, которые являются частью жира, обычно содержат четное число атомов углерода на молекулу.

Недвижимость. Жиры, в состав которых входят насыщенные жирные кислоты, обычно представляют собой твердые вещества, а жиры, содержащие ненасыщенные жирные кислоты, - жидкости. Жиры не растворяются в воде, они хорошо растворяются в эфирах и нефти, а также в бензине. Очень важной особенностью жиров является их омыление (гидролиз) под воздействием щелочи, в результате чего образуются соли жирных кислот (мыла) и глицерин.

Применение. Самым важным значением жиров является их использование в качестве пищевых продуктов. Среди основных продуктов питания: белки, жиры и углеводы - жиры характеризуются наибольшим энергетическим ресурсом.

Наиболее ценными пищевыми жирами (бекон, коровье масло) являются твердые вещества. Наиболее ценные виды мыла получают из твердых жиров. Поэтому химики задали себе вопрос: нельзя ли превратить жидкие жиры в более ценные твердые жиры? Эта задача в конечном итоге сводилась к превращению ненасыщенных кислот, обнаруженных в жидких жирах, в насыщенные кислоты, входящие в состав твердых жиров. Эта проблема была быстро решена путем гидрирования (присоединения водорода) жидких жиров. Гидрирование обычно проводят при 175-190 ° С и при небольшом положительном давлении в присутствии никеля в качестве катализатора. Твердые жиры, полученные в этом процессе, можно использовать в качестве пищевых жиров (например, маргарин представляет собой смесь гидрогенизированных жиров с добавлением молока и других веществ), а также для производства мыла.

Помимо использования мыла для изготовления жиров, его используют для производства лаков, масляных красок, линолеума, клеенки и других.

БЕЛКА

Белки представляют собой сложные природные макромолекулярные соединения, построенные из аминокислот. Согласно современным взглядам аминокислоты в белках они связаны пептидными (амидными) связями с пептидными цепями. Образование пептидных связей происходит путем взаимодействия карбоксильной группы одной кислоты с карбоксильной группой другой кислоты. С двумя молекулами аминокислот в результате расщепления молекулы воды возникают пептиды ,

Если в образовании пептида участвуют две молекулы аминокислот, я подкислю его.

В дипептиде, образованном на концах молекулы, возникают те же функциональные группы, что и в каждой аминокислоте - карбоксильная группа и кислотная группа. Следовательно, дипептид может реагировать одним из своих концов с аминокислотой с образованием трипептида сходным образом, трипептид может быть превращен в тетрапептид, затем в пентапептид и т. Д. Теоретически длина полипептидной цепи может быть любой большой. Структура такой цепи может быть представлена ​​общей формулой: где R ', R ", R'", R "" являются боковыми радикалами аминокислоты.

Данилевский (российский биохимик) на основе своих экспериментов впервые представил гипотезу о связывании пептидов между аминокислотными остатками в молекуле белка. Позже, в начале 20-го века, немецкий ученый экспериментально подтвердил существование пептидной связи. Ему удалось получить полипептид, состоящий из 19 аминокислотных остатков.

Количество аминокислотных остатков, включенных в макромолекулы отдельных белков, очень различно. В инсулине 51: в миоглобине - около 140 остатков, в белках высших млекопитающих - более тысячи. Следовательно, молекулярная масса белков варьируется в очень широких пределах от 10000 до нескольких миллионов. Экспериментальная структура молекулы белка - гемоглобина крови - была определена на основе молекулярного анализа и элементного анализа.

Информация о составе и структуре белков была получена путем изучения процесса гидролиза. Гидролиз происходит, когда белки нагреваются с растворами кислот или оснований или в результате действия ферментов. Конечными продуктами гидролиза являются аминокислоты. Например, полный гидролиз одного пептида приводит к образованию трех аминокислот: в настоящее время установлено, что большинство белков состоит из 22 качественно разных аминокислот. Отсюда следует, что в макромолекулах белка отдельные аминокислотные остатки должны повторяться много раз в самых разных комбинациях. Этот факт объясняет существование огромного количества разных белков.

Белковый гидролиз на самом деле представляет собой гидролизованные полипептидные связи. Кипение белков одинаково. Во время приготовления молекулы белка гидролизуются до аминокислот, которые хорошо растворимы в водной среде, проникают в кровь и проходят через все ткани и клетки организма. Большая часть аминокислот используется для синтеза белков различных органов и тканей, часть для синтеза гормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальная часть потребляется в виде энергии. Разработка новых экспериментальных методов в органической химии способствовала многочисленным успехам в понимании структуры белка. В настоящее время структура белков первого, второго и третьего порядка различается.

Под структурой первого порядка понимается химическая структура белка, то есть последовательность появления белковых остатков. Под структурой второго порядка подразумевается форма полипептидной цепи в пространстве. Рентгеноструктурный анализ и другие различные методы испытаний установили, что полипептидные цепи природных белков находятся в скрученном состоянии - в форме спирали. Спиральная конструкция поддерживает водородные связи, образованные между группами СО и аминокислотными остатками соседних спиральных катушек. Этот тип вторичной структуры получил название α- спирали . Водородные связи направлены в этой спирали параллельно длинной оси спирали ( α спирали расположены попеременно с аморфными частями). Такие взгляды теперь получили всеобщее признание. занятия

полипептидные цепи содержат небольшое количество белков, например, белок натурального шелка - фиброин.

Наконец, структура третьего порядка понимается как фактическая трехмерная форма белка, которая захватывается в пространстве спирально-связанной полипептидной цепью. В более простых случаях троичная структура может быть представлена ​​в виде спирали, которая, в свою очередь, свернута в большую спираль. Эта структура имеет выпуклости и углубления в пространстве с функциональными группами, направленными наружу. Третичная структура объясняется специфичностью молекулы белка и его биологической активностью.

Факторами, определяющими образование и поддержание структур третьего порядка в белках, являются связи между радикалами в боковых цепях и аминокислотными остатками (дисульфидные мостики из атомов серы -SS-, водородные мостики и т. Д.).

Структура белков объясняет их чрезвычайно разнообразные свойства. Они имеют различную растворимость: некоторые растворяются в воде, другие в разбавленных растворах инертных солей, некоторые нерастворимы (например, белки обволакивающих тканей). При растворении белков в воде возникает некая дисперсионная система (раствор макромолекулярного вещества). Некоторые белки могут быть получены в виде кристаллов (белок яичного белка, гемоглобин крови). Белки подвергаются гидролизу.

По химической структуре белки делятся на две группы:

а. простые белки - белки который при гидролизе распадается только на аминокислоты,

б) белки состоят либо proteidy , образуя аминокислоты и небелковые вещества при гидролизе.

углеводы Нуклеиновые кислоты и другие представляют собой комбинации белковых и небелковых веществ. Поскольку белки содержат как карбоновую, так и аминогруппу, они обладают амфотерными свойствами, такими как аминокислоты. Во время действия оснований белок реагирует в форме аниона - он соединяется с катионом основания с образованием соли - альбумина.

Если в молекуле белка преобладает карбоновая кислота, она обладает свойствами кислот, а если преобладают аминогруппы, то свойствами оснований. Некоторые факторы разрушают структуру второго и третьего порядка в белках, так называемые денатурация белка. Суть денатурации белка заключается в разрыве удерживающих связей, структуры второго и третьего порядка (водородные мостики, солевые мостики и др.). Это приводит к нарушению конфигурации молекулы белка. Реагенты и условия, которые вызывают денатурацию, очень разнообразны. Это действия сильных кислот и оснований, этилового спирта, солей тяжелых металлов, облучения, нагревания, сильного встряхивания и некоторых других.

Характерные реакции белков, с помощью которых они обнаруживаются, известны. К ним относятся:

1. Биуретовая реакция - образование фиолетового цвета под воздействием щелочи и нескольких капель медного купороса. Биуретовый ответ также дает мочевина

2. Реакция ксантопротеина - появление желтого цвета в результате действия концентрированной азотной кислоты на белки, содержащие бензольное кольцо. Когда база добавлена, желтый цвет меняется на оранжевый.

3) Реакция цистеина - образование черного сульфида свинца

при варке белков, содержащих серу и добавление ацетата свинца.

4) Реакция миллионного образования красного цвета во время

смешивание белка с реагентом Миллион (раствор нитрата ртути, содержащий азотистую кислоту).

Белки не могут быть четко отнесены к какому-либо классу комплексных соединений из-за наличия множества функциональных групп. Это высшая форма развития органических соединений и наиболее важный компонент организмов.

1. ОРГАНИЧЕСКИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ:

• ацетильная группа (Me-CO-)
• ацильная группа (R-CO-)
• альдегидная группа (-СНО)
• алкильная группа (-R)
• винильная группа (-HC = CH2)
• алкиновая группа (-C≡C-)
• арильная группа (-Ar)
• галогеновая группа (-X)
• фенильная группа (-Ph)
• гидроксильная группа (-ОН)
• алкоксигруппа (-OR)
• тиольная группа (-SH)
• сульфидная группа (-SR)
• карбонильная группа (кетогруппа) (= СО)
• карбоксильная группа (-COOH)
• иминная группа (-C = NR)
• сложноэфирная группа (- COO -)
• цианатная группа (-O-C≡N)
• изоцианатная группа (-N = C = O)

1. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ

• • устранение электрофильного (мономолекулярного) - то есть в реакции от исходной молекулы что-то убывает, только одна электрофильная молекула участвует в ключевой стадии
  • Двухмолекулярное нуклеофильное замещение - то есть реакция, приводящая к обмену атомами, имеет на ключевой стадии две нуклеофильные молекулы («атакующая» молекула).
  • одновременное, нейтральное, добавление четырех молекул - другими словами, молекулы объединяются скоординированным образом, без образования побочных продуктов, и все 4 молекулы участвуют на критической стадии одновременно.

1. СТЕРЕОХИМИЯ - изучает влияние трехмерной структуры молекулы на свойства соединения (также исследует явление оптической изомерии).
2. ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ

Органическая химия на рубеже веков:

XVIII век:

• Различие между муравьиной кислотой и уксусной кислотой
• Отделение мочевины от мочи

XIX век:

• Введение терминов «органические соединения» и «полимеры»
• Повторная изоляция бензола
• Получение патента на производство стеариновой кислоты
• Получение мочевины из цианата аммония
• Совершенствование аппаратуры для определения углерода и водорода
• Открытие реакции хлорирования, нитрования и сульфонирования бензола
• Развитие вулканизации каучука с использованием серы
• Открытие анилина и хинолина в каменноугольной смоле
• Введение термина «гомологичный ряд»
• Синтез уксусной кислоты из простых неорганических соединений
• Создание первых аминных синтезов
• Выполнение синтеза жира
• Получение первых синтетических красителей
• Открытие принципа четырехвалентности углерода и цепной структуры органических соединений
• Открытие солей диазония
• Основание структурной теории
• Предложение кольцевой структуры для бензола и других ароматических соединений
• Изобретение динамита
• Получение целлулоида
• Синтез природного алкалоида впервые
• Превращение глюкозы в фруктозу

1900 Открытие магнийорганических соединений

1909 Разработка метода промышленной полимеризации бутадиена.

1913-1927 г.г. Получен синтетический бензин

1921-1923 гг. Разработка промышленного метода синтеза метанола с использованием СО и Н2.

1927-1933 Начало промышленного производства оргстекла, ПВХ, полистирола в Германии, США и Великобритании.

1928 Разработка методов синтеза диенов

1934 Синтез витамин С

1938 Открытие тефлона

1939 Открытие инсектицидных свойств ДДТ и его синтез

1944-1971 гг. Синтез хинина, хлорофилла, кортизона, резерпина, колхицина, цефалоспоринов, витамина В12

1951 Открытие первого сэндвич-комплекса.

1954 Разработка метода получения алкенов из карбонильных соединений.

1963 Определение роли карбокатионов в углеводородных реакциях

1965 Разработка правил сохранения симметрии орбиталей в органических реакциях.

1967-1987 гг. Сборник краун-эфиров и других соединений.

Похожие