IV. Изучение нового материала. Практическое занятие №1

ФМ

Практическое занятие №1.

Тема: «Алканы. Алкены. Алкины».

Тип занятия: комбинированный (изучение нового материала, повторение и систематизация пройденного).

Вид занятия: практическое занятие.

Время проведения: 270 минут.

Место проведения: кабинет практических работ по химии (№222).

Цели занятия:

Учебная – формировать умения:

1. использовать знания квантово-механической теории для характеристики строения атома углерода и его валентных состояний;

2. определять вид химической связи в молекулах органических соединений и давать характеристику каждому виду;

3. писать структурные формулы органических соединений; составлять уравнения реакций с использованием структурных формул;

4. определять типы химических реакций органических соединений.

Воспитательная– воспитывать у студентов умение логически мыслить, видеть причинно-следственные связи, качества, необходимые в работе фармацевта.

После занятия студент должен уметь:

1. писать электронные конфигурации основных видов связей органических соединений;

2. давать сравнительную характеристику алканов, алкенов, алкинов по строению их молекул и химическим свойствам.

План-структура занятия

III. Контроль исходного уровня знаний.

1. Какие классы органических соединений вы знаете? Приведите примеры.

2. Что такое валентность? Чем она отличается от степени окисления? Определите валентность и степень окисления атомов в веществах, формулы которых Cl₂, CO₂, C₂H₆, C₂H₄.

3. Какие виды химических связей вам известны? Охарактеризовать особенности каждой связи, способ образования. Привести конкретные примеры.

4. Вычислить объем воздуха (н.у.), который потребуется для сжигания 480 кг метана СН₄, если объемная доля кислорода в воздухе составляет 21%.

IV. Изучение нового материала.

1. Природа химической связи.

2. Ковалентная связь. Гибридизация орбиталей.

3. Теория строения органических соединений А.М.Бутлерова.

4. Классификация и номенклатура органических соединений.

5. Типы изомерии:

- структурная изомерия (изомерия углеродного скелета и изомерия положения заместителей, функциональных групп или кратных связей);

- пространственная изомерия (геометрическая изомерия: цис-, транс-изомерия у соединений с двойной связью; оптическая изомерия у веществ, молекулы которых несимметричны, так как один из атомов С связан с четырьмя различными заместителями D и L-ряды);

- таутомерия (несколько изомеров существуют в динамическом равновесии, например, углеводы, α-аминокислоты).

6. Особенности классификации реакций в органической химии.

По природе реагента:

- галогенирование;

- гидрогалогенирование;

- нирование;

- гидратация;

- гидрирование;

- алкилирования.

По конечному результату реакции:

- замещения;

- присоединения;

- отщепления;

- перегруппировки.

7. Взаимное влияние атомов в молекулах:

- электронодонорные заместители;

- электроноакцепторные заместители;

- эффект сопряжения;

- индуктивный эффект;

- мезомерный эффект.

8. Углеводороды – алканы, алкены, алкины, алкодиены, циклопарафины, арены: строение, гомологический ряд, химические свойства, получение.

4. Классификация и номенклатура органических соединений.

Главный признак, по которому классифицируют органические соединения – это наличие и природу функциональных групп. Кроме того, в каждом классе различают нециклические (алифатические) и циклические, а также низкомолекулярные и высокомолекулярные соединения. В особый класс выделяют гетероциклические соединения, в которых функциональная группа непосредственно включена в цикл с атомами углерода. Некоторые классы органических соединений показаны на схеме:

Известны также обширные классы соединений, содержащие неметаллы (серу, фосфор, кремний, бор и т.д.), а также металлы. В таблице охарактеризованы функциональные группы и другие структурные признаки, по которым классифицируют органические соединения.

8. Углеводороды

Классификация УВ (С_хН_у):

- ациклические (алифатические):

а) предельные (алканы) – C_nH_2n+2;

б) непредельные (алкены) – C_nH_2n, (алкадиены) – C_nH_2n-2, (алкины) – C_nH_2n-2.

- циклические:

а) ациклические – предельные и непредельные;

б) ароматические (арены).

Алканы – все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp³-гибридизации, связаны друг с другом только σ-связями. Угол между связями составляет 109о28’, поэтому молекулы нормальных алканов с большим числом атомов углерода имеют зигзагообразное строение. Длина связи С–С равна 0,154 нм (1 нм = 10^-9 м).

Международная номенклатура (ИЮПАК):

а) Найти самую длинную неразветвленную цепь углеродных атомов.

б) Пронумеровать атомы углерода главной цепи. Номер атома углерода, у которого находится заместитель, должен быть наименьшим.

в) Указать положение заместителя (для каждого, одинаковые заместители обозначаются в названии греческими числительными). Разные заместители называют в алфавитном порядке.

г) Назвать алкильный радикал, добавив название главной цепи.

Химические свойства.

Алканы (парафины) химически малоактивны, что обусловлено малой полярностью связей С–С и С–Н вследствие почти одинаковой ЭО атомов углерода и водорода.

Для алканов наиболее характерны реакции замещения за счет гомолитического разрыва ковалентных связей (свободнорадикальный механизм).

I. Реакции замещения (разрыв связей C–H):

- Галогенирование, с образованием галогеналканов. Реакция протекает под действием кванта света (механизм реакции замещения).

- Нитрование – замещение атома водорода нитрогруппой –NO₂.

а) нитрование азотной кислотой в газовой фазе при температуре 400^о-500^о:

CH₄ + HO–NO₂ → CH₃NO₂ + H₂O (нитрометан)

При этих условиях алканы с большим числом углеродных атомов образуют смесь изомерных нитроалканов, а также нитроалканы с меньшим числом атомов углерода в результате разрыва связей С–С:

C₂H₆ + HO–NO₂ → C₂H₅NO₂ (нитроэтан) + CH₃NO₂ (нитрометан)

CH₃CH₂CH₃ + HO–NO₂ → CH₃NO₂ (9%) + C₂H₅NO₂ (26%) + C₃H₇NO₂ (1-нитропропан 32%) + C₃H₇NO₂ (2-нитропропан 33%)

б) нитрование разбавленной HNO₃ при температуре 140^о и при повышенном или нормальном давлении (реакция М.И.Коновалова) – образуется смесь изомерных нитросоединений. Наиболее легко замещаются атомы водорода у третичного, труднее у вторичного, наиболее трудно – у первичного атома углерода.

- Сульфирование– замещение атома водорода сульфогруппой –SO₃H с образованием алкансульфокислот. Сульфирование происходит при действии очень концентрированной кислоты при небольшом нагревании. Наиболее легко замещается атом водорода у третичного атома углерода.

II. Реакции окисления. При обычных условиях алканы устойчивы к действию окислителей (KMnO₄, K₂Cr₂O₇).

- Окисление кислородом воздуха при высоких температурах (горение):

а) полное окисление до диоксида углерода и воды;

б) неполное окисление (недостаток кислорода) – с образованием СО или С и воды.

- Окисление кислородом воздуха при невысоких температурах в присутствии катализаторов (неполное каталитическое окисление). В результате могут образовываться альдегиды, кетоны, спирты, карбоновые кислоты. Например, при окислении метана, в зависимости от природы катализатора и условии проведения реакции, могут образовываться:

2CH₄ + O₂ → 2CH₃OH (метанол)

CH₄ + O₂ → H₂C=O (метаналь) + H₂O

2CH₄ + 3O₂ → 2HCOOH (метановая кислота) + 2H₂О

III. Термические превращения алканов:

- Крекинг – это разрыв связей С–С в молекулах алканов в длинными углеродными цепями, в результате которого образуются алканы и алкены с меньшим числом атомов углерода. Осуществляется при температуре 450^о-700^о.

- Дегидрирование – отщепление водорода; происходит в результате разрыва связей С–Н; осуществляется в присутствии катализаторов при повышенных температурах. При дегидрировании метана образуется этин (температура ниже 1000^о, а при нагревании до 1200^о он разлагается на простые вещества – углерод и водород). При дегидрировании других алканов образуются алкены (смесь алкенов).

- Дегидроциклизация– ароматизация, дегидрирование с образованием ароматических соединений, например, из гептана – метилбензол.

- Изомеризация– превращение химического соединения в его изомер, например, бутан → изобутан (при температуре 100^о, AlCl₃).

Алкены – это нециклические УВ, в молекулах которых два атома углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации и связаны друг с другом двойной связью. Валентный угол 120о, молекулы имеют плоскостное строение. Длина связи С=С 0,134 нм. Одновалентный радикал этилена СН₂=СН₂ – называется винилом.

Изомерия и номенклатура.

Для алкенов возможны три типа изомерии: изомерия углеродной цепи, изомерия положения двойной связи, цис-транс-изомерия. Алкены изомерны другому классу соединений – циклоалканам. Они имеют общую формулу C_nH_2n.

Химические свойства.

Алкены обладают большей реакционной способностью, чем алканы. Это обусловлено наличием в их молекулах двойной связи. π-связь менее прочная, чем σ-связь. Она легко разрушается под воздействием различных реагентов. Освободившиеся в результате разрыва π-связи валентности углеродных атомов используются для присоединения атомов или групп атомов молекулы реагента. Для алкенов характерны реакции присоединения.

I. Реакции присоединения:

- Присоединение водорода – гидрирование, образуются алканы; реакция идет в присутствии катализатора – Ni или Pt, при температуре 150^о.

- Присоединение галогенов – галогенирование, образуются дигалогены (обесцвечивание бромной воды – качественная реакция на алкены).

- Присоединение галогеноводородов, которое происходит по правилу Морковникова – при присоединении галогеноводородов к несимметричным алкенам атом водорода присоединяется к атому углерода у кратной связи, связанному с большим числом атомов водорода (влияние индуктивного эффекта).

- Присоединение воды – гидратация, образуются предельные одноатомные спирты; присоединение происходит по правилу Морковникова (метильная группа отталкивает электроны связи CH₃–C, что приводит к поляризации π-связи и далее по цепи).

II. Реакции окисления:

- Горение – полное и неполное.

- Взаимодействие с кислородом в присутствии катализатора (образуются эпоксиды):

- Неполное окисление под действием окислителей типа KMnO₄, K₂Cr₂O₇.

При действии разбавленного водного раствора KMnO₄ в щелочной среде происходит гидроксилирование алкенов (введение гидроксогруппы) с образованием диолов (реакция Е.Е.Вагнера). Раствор KMnO₄ при этом обесцвечивается:

(этандиол – 1,2 (этиленгликоль))

Полное уравнение:

3CH₂=CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3CH₂–CH₂ + 2MnO₂↓ + 2KOH (в присутствии NaOH или Na₂CO₃)

ОН ОН

Аналогично происходит реакция алкена с разбавленным раствором KMnO₄ в кислой среде.

Реакция с KMnO₄ является качественной реакцией на непредельные УВ, в т.ч. на алкены.

III. Реакции полимеризации:

Процесс полимеризации алкенов открыт А.М.Бутлеровым.

- Полимеризацией называется процесс соединения одинаковых молекул (мономеров), протекающий за счет разрыва кратных связей, с образованием высокомолекулярного соединения (полимера). Реакция протекает под действием высоких температур, давления, катализатора.