Органическая химия: Методические указания и лабораторные работы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Методические указания и лабораторные работы Учебно-методическое пособие для вузов

Составители: С.М. Медведева, Л.Ф. Пономарева

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2008

Утверждено научно-методическим советом биолого-почвенного факультета ВГУ 5 мая 2008 г., протокол № 9.

Рецензент А.С. Шестаков

Методические указания подготовлены на кафедре органической химии химического факультета Воронежского государственного университета. Рекомендуется для студентов 2 курса дневного отделения биологопочвенного факультета.

Для специальностей: 020701– Почвоведение, 020801 – Экология

СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММА ЛЕКЦИОННОГО КУРСА...................................................... 4 ПРОГРАММА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ............................................... 8 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ В ЛАБОРАТОРИИ ОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ..................................... 9 ПЛАН-ГРАФИК ВЫПОЛНЕНИЯ МАЛОГО ПРАКТИКУМА ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ......................................... 11 КАЧЕСТВЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ........................................................................ 12 ОФОРМЛЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ ................................................. 14 ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ КЛАССОВ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ................................................................ 15 ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................... 26

3

ПРОГРАММА ЛЕКЦИОННОГО КУРСА Предмет органической химии. Краткие исторические сведения о ее развитии. Основные определения и понятия. Теория химического строения органических соединений А.М. Бутлерова, ее дальнейшее развитие. Понятие об изомерии, типы изомерии. Электронная теория химической связи. Типы связей в органических соединениях, типы гибридизации атома углерода. Взаимное влияние атомов в молекулах; индуктивный и мезомерный эффекты. Классификация органических соединений. Основы номенклатуры (тривиальная, рациональная, международная). Типы химических реакций в органической химии. Представления о механизмах органических реакций. Алканы. Гомологический ряд, изомерия, номенклатура, физические свойства. Лабораторные и промышленные методы получения. Химические свойства: галогенирование, сульфохлорирование, нитрование, окисление, дегидрирование, крекинг, изомеризация. Механизм реакции радикального замещения. Алкены. Строение двойной связи. Гомологический ряд, изомерия, номенклатура, физические свойства. Методы получения: дегидрирование и гидрирование, дегидрогалогенирование (правило Зайцева), дегалогенирование. Электрофильное присоединение (водород, галогены, галогенводороды, вода, гипогалоидные кислоты), его механизм. Правило Марковникова, перекисный эффект. Окисление алкенов (реакции Вагнера, Прилежаева, озонирование). Полимеризация алкенов, механизм ионной и радикальной полимеризации. Реакции по аллильному положению. Алкадиены. Типы диеновых углеводородов, изомерия, номенклатура. Сопряженные диены, особенности строения и химические свойства (1,2- и 1,4-присоединение, полимеризация, диеновый синтез). Отдельные представители: дивинил, изопрен; методы их получения и пути использования. Алкины. Строение тройной связи. Гомологический ряд, изомерия, номенклатура, физические свойства. Получение ацетилена и его гомологов. Химические свойства. Реакции присоединения водорода, галогенов, галогенводородов, воды, спиртов, синильной и карбоновых кислот. Димеризация, тримеризация, тетрамеризация ацетилена. Кислотные свойства алкинов: получение ацетиленидов, конденсация с карбонильными соединениями. Арены. Понятие об ароматичности. Правило Хюккеля. Многообразие ароматических соединений: одно- и многоядерные, линейносвязанные и конденсированные, бензоидные и небензоидные ароматические структуры. Строение бензола. Номенклатура и изомерия, физические свойства. Промышленные и лабораторные методы получения бензола и его гомоло4

гов. Химические свойства. Реакции электрофильного замещения (сульфирование, нитрование, галогенирование, алкилирование, ацилирование). Механизм электрофильного замещения. Правила ориентации: заместители I и II рода, согласованная и несогласованная ориентации. Реакции присоединения к ароматическому ядру (гидрирование, галогенирование, озонолиз). Реакции по бензильному положению (окисление боковых цепей, галогенирование). Гидроксилпроизводные. Одноатомные спирты. Гомологический ряд, номенклатура, изомерия, физические свойства, роль водородной связи. Методы получения: метанола на основе СО, гидролиз галогенпроизводных, окислительные методы, ферментация, гидрирование альдегидов и кетонов. Химические свойства: кислотность (получение алкоголятов, ацилирование), реакции замещения гидроксильной группы на галоген, дегидратация (внутри- и межмолекулярная), окисление. Отдельные представители: метанол, этанол. Многоатомные спирты – двухатомные (этиленгликоль), трехатомные (глицерин). Специфические методы получения и свойства, использование. Ароматические и непредельные спирты. Фенолы. Основные представители одно-, двухатомных фенолов. Промышленные способы получения фенолов. Методы введения гидроксильной группы в ароматическое кольцо. Взаимное влияние гидроксильной группы и ароматического кольца. Химические свойства. Получение фенолятов, ацилирование, алкилирование по гидроксильной группе. Реакции по ароматическому кольцу: нитрование, бромированне, оксиметилирование. Получение фенолформальдегидных смол. Применение фенола и его производных. Оксосоединения. Строение карбонильной группы. Номенклатура оксосоединений (альдегидов и кетонов). Физические свойства. Методы получения: окисление простых С-Н-связей и спиртов, озонолиз двойных связей, реакция Кучерова, пиролиз солей карбоновых кислот, гидроформилирование. Химические свойства: реакции присоединения водорода, спиртов, синильной кислоты, аммиака, бисульфита натрия, реактива Гриньяра. Реакции замещения: образование оксимов, гидразонов. Реакции с участием αводородного атома: галогенирование, альдольно-кротоновая конденсация. Окисление. Отдельные представители: формальдегид, ацетальдегид, ацетон. Ароматические альдегиды и кетоны. Получение бензальдегида из толуола. Его реакция с аминами. Реакция Канниццаро, бензоиновая конденсация. Получение жирно-ароматических кетонов по реакции Фриделя–Крафтса. Ацетофенон и бензофенон, сравнение с алифатическими кетонами. Карбоксильные соединения. Строение карбоксильной группы и карбоксилат-аниона. Гомологический ряд одноосновных карбоновых кислот; их номенклатура и изомерия. Физические свойства. Методы получе5

ния: окисление органических соединений, гидролиз нитрилов и других производных карбоновых кислот, взаимодействие реактива Гриньяра с диоксидом углерода. Химические свойства: получение функциональных производных (солей, ангидридов, амидов, хлорангидридов, нитрилов, сложных эфиров). Свойства функциональных производных, их взаимные превращения. Реакция этерификации и гидролиз сложных эфиров, механизм этих реакций. Отдельные представители: муравьиная, уксусная, пальмитиновая, стеариновая кислоты. Дикарбоновые кислоты. Щавелевая, малоновая, янтарная, глутаровая кислоты. Методы их получения; химические свойства. Непредельные кислоты. Акриловая, кротоновая кислоты, их получение и свойства. Олеиновая кислота. Фумаровая и малеиновая кислоты как цис-, трансизомеры. Ароматические кислоты. Бензойная и фталевая кислоты. Производные карбоновых кислот. Жиры. Аналитические характеристики и химические свойства. Мыла, детергенты. Воск. Нитросоединения. Алифатические нитросоединения. Промышленные и лабораторные методы получения. Строение нитрогруппы. Химические свойства: взаимодействие со щелочами, восстановление, галогенирование, конденсация с карбонильными соединениями. Ароматические нитросоединения. Промышленные и лабораторные методы получения. Восстановление ароматических нитросоединений. Реакции по ароматическому кольцу: нитрование, сульфирование. Полинитросоединения. Амины. Алифатические амины: классификация, номенклатура и изомерия, физические свойства. Методы получения: реакция Гофмана, синтез Габриэля, восстановление азотистых соединений, получение из галогенопроизводных и спиртов. Химические свойства: роль свободной электронной пары в проявлении основных свойств и в комплексообразовании, ацилирование и алкилирование, действие азотистой кислоты, окисление. Ароматические амины. Анилин и толуидин, их получение из нитропроизводных (Зинин). Взаимное влияние аминогруппы и бензольного ядра. Реакции по аминогруппе: образование солей, ацилирование, алкилирование, получение Шиффовых оснований, реакция с азотистой кислотой. Соли диазония, реакции без выделения и с выделением азота. Электрофильное замещение в ядре ароматических аминов, защита аминогруппы. Сравнение свойств алифатических и ароматических аминов. Углеводы. Нахождение в природе, фотосинтез, роль в живой природе. Классификация. Отдельные представители альдопентоз (рибоза, дезоксирибоза, ксилоза) и альдогексоз (глюкоза, манноза, галактоза), их строение. 6

Установление строения глюкозы. Открытые и циклические формы. Глюкозидный гидроксил. Кольчато-цепная таутомерия и мутаротация сахаров. Окисление, восстановление и ацилирование альдоз. Фруктоза как пример кетозы: строение, свойства. Связь конфигурации природных сахаров с глицериновым альдегидом. Дисахариды: сахароза, мальтоза, целлобиоза, восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды. Полисахариды: крахмал, клетчатка. Пути химической переработки углеводного сырья. Аминокислоты. Природные аминокислоты, их стереохимия. Методы получения аминокислот, их физические свойства. Химические свойства: амфотерность, образование производных по амино- и карбоксильной группам. Сравнение свойств альфа-, бета- и гамма-аминокислот. Ароматические аминокислоты: синтез, свойства. Отдельные представители аминокислот: глицин, аланин, фенилаланин, валин, лейцин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, серин, треонин, лизин, цистин. Белки. Классификация. Методы доказательства строения. Экологические аспекты. Гетероциклические соединения. Общие представления и классификация. Ароматичность гетероциклов. Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом. Пиррол, фуран, тиофен: общие методы синтеза и взаимопревращения, особенности взаимодействия с электрофилами. Кислотные свойства пиррола и их использование в синтезе. Реакции гидрирования и окисления. Индол и его производные. Основные химические свойства. Пятичленные гетероциклы с несколькими гетероатомами. Шестичленные гетероциклы. Пиридин и его гомологи, изомерия и номенклатура. Ароматичность и основность пиридинового цикла. Отношение пиридина и его гомологов к окислителям. Реакции электрофильного и нуклеофильного замещения. Хинолин и его простейшие производные. Методы синтеза. Сходство и различие химических свойств хинолина и пиридина. Шестичленные азотистые гетероциклы с двумя гетероатомами. Пиримидин. Сходство и различие химических свойств пиридина и пиримидина. Урацил, тимин, цитозин, пурин, аденин, гуанин.

7

ПРОГРАММА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ 1. Теория строения и электронные представления в органической химии Теория химического строения органических соединений А. М. Бутлерова, ее дальнейшее развитие. Понятие об изомерии, виды изомерии. Классификация органических соединений. Основы номенклатуры (тривиальная, систематическая, международная). Классификация органических соединений и основы номенклатуры (тривиальная, систематическая, международная номенклатуры). Типы химических реакций в органической химии. Представления о механизме органических реакций, нуклеофильных и электрофильных реагентах, гетеролитическом и гомолитическом типах разрыва связей. 2. Предельные, непредельные и ароматические углеводороды Алканы, алкены, алкины: гомологические ряды, номенклатура, изомерия. Лабораторные и промышленные методы получения. Химические свойства: реакции замещения, присоединение к двойным и тройным связям. Строение молекулы бензола, реакции электрофильного замещения. Правила ориентации: заместители I и II рода, согласованная и несогласованная ориентации. 3. Кислородсодержащие производные углеводородов Классификация гидроксил-, карбонилсодержащих соединений и карбоновых кислот. Строение гидроксильной, карбонильной и карбоксильной групп. Основные способы получения и химические свойства спиртов, фенолов, альдегидов и кетонов. Получение и свойства функциональных производных карбоновых кислот, их взаимные превращения. 4. Углеводы Нахождение в природе, фотосинтез, роль в живой природе. Классификация. Установление строения глюкозы и фруктозы. Открытая и циклические формы. Глюкозидный гидроксил. Связь конфигураций природных сахаров с глицериновым альдегидом. Дисахариды: восстанавливающие и невосстанавливающие. Полисахариды: крахмал, клетчатка. 5. Азотсодержащие соединения Строение нитросоединений, методы получения и химические свойства. Классификация, номенклатура и изомерия аминов, получение и свойства. Природные аминокислоты, их стереохимия. Пептидная связь. Понятие о полипептидах и белках. 8

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ В ЛАБОРАТОРИИ ОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА 1. Во время работы в лаборатории соблюдайте чистоту, тишину и порядок. Беспорядочность, поспешность и неряшливость часто приводят к повторению работы и даже к несчастным случаям с тяжелыми последствиями. Поэтому посторонним лицам запрещается посещать студентов, работающих в лаборатории, и отвлекать их. 2. Не разрешается работать в лаборатории в отсутствии лаборанта или преподавателя. Категорически запрещается работать одному. 3. Приступайте к каждой работе только с разрешения преподавателя и после полного усвоения всех ее операций. Запрещается производить какие бы то ни было работы, не связанные непосредственно с выполнением задания. 4. В лаборатории следует работать в халатах из хлопчатобумажной ткани, застегивающихся спереди; такой халат в случае воспламенения можно легко с себя сбросить. 5. Запрещается хранить в лаборатории верхнюю одежду. 6. Рабочее место содержите в чистоте и порядке, не загромождайте его посудой, бумагой. Запрещается держать на лабораторных столах портфели, сумки и другие посторонние предметы. 7. Запрещается бросать в раковину бумагу, песок и другие предметы. 8. По окончании работы необходимо выключить газ, закрыть водопроводный кран, помыть посуду, убрать рабочее место. Качество уборки рабочих мест проверяет дежурный по группе, который уходит из лаборатории последним с разрешения лаборанта. 9. В лаборатории запрещается принимать пищу, пить воду, курить. 10. Во время работы не следует касаться руками лица: многие органические вещества сильно раздражают кожу и глаза. 11. Во время нагревания жидкостей или твердых тел в пробирках не направляйте отверстие на себя или на соседей, не заглядывайте в пробирки сверху, так как возможен выброс нагретого вещества. 12. Перед использованием стеклянной посуды ее осматривают на наличие трещин. 13. Нагревание пробирок следует производить очень осторожно и постепенно; перед нагреванием пробирка должна быть сухой. 14. При смешивании жидкостей жидкость с большей плотностью (концентрированные кислоты) приливают при перемешивании к жидкости с меньшей плотностью (вода). 15. Разлитые кислоты и щелочи засыпают песком, нейтрализуют, после чего проводят уборку. 9

16. Запрещается вносить пористые вещества (в том числе кипелки) в нагретые жидкости. 17. Опыты с токсичными веществами проводят в вытяжном шкафу. 18. Категорически запрещается пробовать какие-либо вещества на вкус. Определять запах соединения можно, осторожно направляя к себе его пары легким движением руки. 19. При работе с металлическим натрием соблюдайте особую осторожность. Ни в коем случае не допускайте соприкосновения его с водой. Нельзя брать натрий руками, а только пинцетом или щипцами. 20. Запрещается оставлять без присмотра зажженные горелки. 21. При возникновении пожара немедленно выключите газ и электроприборы, уберите все горючие вещества подальше от огня, засыпьте песком или накройте асбестовым одеялом очаг пожара. Большое пламя тушат с помощью углекислотных огнетушителей. 22. Если загорится одежда, пострадавшего следует облить водой или немедленно повалить на пол и накрыть одеялом, которое не снимают до тех пор, пока не погаснет пламя. Можно потушить пламя, перекатываясь по полу. 23. О сильном пожаре следует тот час же сообщить дежурному (пожарной охране). 24. При термических ожогах немедленно делайте длительную примочку обожженного места 0,5 %-ным раствором перманганата калия или этиловым спиртом, затем нанесите на пораженный участок мазь от ожогов. 25. При ожогах кислотами пораженное место промойте проточной водой, а затем 3 %-ным раствором гидрокарбоната натрия (NaHCO3). При ожогах едкими щелочами хорошо промойте обожженное место проточной водой, затем 1 %-ным раствором уксусной кислоты. При попадании растворов щелочей в глаза их сразу же обильно промывают водой, а затем 0,5 %-ным раствором борной кислоты; далее необходимо немедленно обратиться к врачу. 26. Если на кожу попадает разъедающее органическое вещество, то промывание водой в большинстве случаев бесполезно. Нужно промывать подходящим растворителем (спиртом, эфиром). 27. При раздражении дыхательных путей парами брома следует вдыхать пары этилового спирта, затем выйти на свежий воздух. 28. При порезах стеклом удалите из раны видимые осколки стекла, обработайте рану 3 %-ным спиртовым раствором йода и наложите повязку. При сильном непрекращающемся кровотечении, особенно в случае повреждения артерии, рекомендуется наложить жгут выше раны, после чего пострадавшего следует направить к врачу.

10

ПЛАН-ГРАФИК ВЫПОЛНЕНИЯ МАЛОГО ПРАКТИКУМА ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ №

Вид занятий

Час

Тема

Форма контроля Задачи практикума «Техника безо- инструкпасности». таж, Качественный и количественный отчет анализ органических соединений. в тетради

1. Вводное занятие, практическая работа.

2

2. Практическое занятие.

2

Теория строения Бутлерова. Основ- коллокные понятия. Изомерия. Электрон- виум ные представления в органической химии. Номенклатура органических веществ.

3. Лабораторная работа.

2

Предельные, непредельные и ароматические углеводороды.

отчет в тетради

4. Практическое занятие.

2

Алканы, алкены, алкины и арены.

коллоквиум

5. Практическое занятие.

2

Кислородсодержащие производные: коллокгидроксил-, карбонил- и карбоксил- виум производные.

6. Лабораторная работа.

2

Кислородсодержащие производные: отчет спирты, фенолы, альдегиды и кето- в тетради ны, карбоновые кислоты, углеводы.

7. Практическое занятие.

1

Углеводы.

8. Лабораторная работа.

2

Азотсодержащие соединения: ами- отчет ны, аминокислоты, белки. в тетради

9. Практическое занятие.

2

Азотсодержащие соединения: нитро- коллоксоединения, амины, аминокислоты. виум

11

коллоквиум

КАЧЕСТВЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Качественный элементный анализ является одним из способов идентификации органических веществ. Задачей его служит определение элементов, образующих данное соединение. Это: углерод, водород, кислород, азот, сера, галогены. Так как элементы в органической молекуле связаны ковалентными связями, необходимо разрушить молекулу и преобразовать элементы в ионизирующиеся в воде неорганические соединения, либо в простые вещества, которые легко обнаружить известными аналитическими реакциями. Для этого органическое вещество окисляют или сплавляют его с металлическим натрием. 1. Открытие углерода и водорода Смешивают на часовом стекле равные объемы исследуемого органического вещества и порошка оксида меди (II). Смесь пересыпают в сухую пробирку, которую закрывают пробкой с газоотводной трубкой. Пробирку закрепляют в лапке штатива почти горизонтально, и конец газоотводной трубки вводят в другую пробирку, содержащую несколько миллилитров прозрачной известковой или баритовой воды так, чтобы трубка была слегка погружена в жидкость. Смесь нагревают сначала осторожно, затем сильнее. Наблюдают образование воды по появлению капель на холодных стенках пробирки и образование углекислого газа по появлению осадка углекислого кальция (или бария).

Орган. вещество (C,Н) + 2CuO CO2 + Ca(OH)2

t°

2Cu + CO2 + Н2О CaCO3 + H2O

2. Открытие азота, серы и галогенов Небольшое количество исследуемого вещества помещают в сухую пробирку и кладут туда же кусочек металлического натрия. Пробирку нагревают до расплавления натрия (после чего наблюдается вспышка), а затем – до красного каления. Горячую пробирку быстро опускают в ступку с дистиллированной водой так, чтобы пробирка растрескалась (осторожно, дальше от лица!). Черные кусочки сплава затем размельчают пестиком, переносят содержимое ступки в пробирку и нагревают до кипения. Затем отфильтровывают, полученную щелочную жидкость используют для проб на серу, азот и галогены. Жидкость должна быть бесцветной; ее желтая или коричневая окраска указывает на неполное разрушение исходного вещества. В этом случае опыт повторяют с новой порцией вещества. 12

2.1. Открытие серы а) К 1 мл раствора нитрата свинца приливают раствор едкого натра по каплям до растворения первоначально образующегося осадка и затем добавляют несколько капель щелочной жидкости, полученной, как указано выше. Появление темно-коричневой окраски или образование черного осадка сульфида свинца указывает, что исследуемое вещество содержало серу.

Pb(NO3)2 + 4NaOH → 2NaNO3 + Na2PbO2 + 2H2O Na2S + Na2PbO2 + 2H2O → PbS ↓ + 4NaOH б) К 1 мл щелочной жидкости добавляют 1-2 капли раствора нитропруссида натрия. В присутствии серы смесь приобретает ярко-фиолетовую окраску. Na2[ Fe(CN)5NO ] + Na2S

Na4[ Fe(CN)5ONS ]

2.2. Открытие азота К нескольким миллилитрам щелочной жидкости добавляют кристаллик железного купороса, кипятят смесь 1-2 мин., охлаждают, дают постоять 3-5 мин. и подкисляют разбавленной соляной кислотой. Образование синего осадка берлинской лазури указывает, что исходное вещество содержало азот. Если азота мало, то раствор после подкисления окрашивается в зеленый цвет. FeSO4 + 2NaCN

Fe(CN)2 + Na2SO4

Fe(CN)2 + 4NaCN

Na4[ Fe(CN)6 ]

3Na4[ Fe(CN)6 ] + 4FeCl3

Fe4[ Fe(CN)6 ]3 + 12NaCl

2.3. Открытие галогенов а) Несколько миллилитров щелочной жидкости подкисляют концентрированной азотной кислотой и кипятят (в вытяжном шкафу!) несколько минут для удаления сероводорода и синильной кислоты, которые мешают последующей реакции. К остывшей жидкости добавляют несколько капель раствора нитрата серебра. Образование хлопьевидного осадка галогенида серебра указывает на присутствие галогена. AgHal + NaNO3 NaHal + AgNO3 13

б) Проба Бельштейна на галогены. Медную проволочку прокаливают в бесцветном пламени горелки до прекращения окрашивания пламени. Дав почерневшей проволочке остыть, погружают ее в органическое вещество и снова вводят проволочку в пламя. В присутствии галогенов пламя окрашивается в зеленый цвет. Окраска пламени объясняется образованием летучих при высокой температуре галогенидов меди. Следует помнить, что некоторые цветные вещества (производные пиридина, мочевины и другие), не содержащие галогена, дают положительную пробу Бельштейна, по-видимому, в результате образования цианистой меди. Поэтому необходимо подтвердить наличие галогена вышеописанной реакцией с нитратом серебра.

ОФОРМЛЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ Дата Название работы Цель: № 1. 2. 3.

Исходные вещества

Ход работы

Уравнения реакций

Наблюдения

Выводы

Заполняется Заполняется Заполняется Заполняется Заполняется до выполне- до выполне- до выполне- после выпол- после выполния работы ния работы ния работы нения работы нения работы ……..

Заключение по работе:

14

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ КЛАССОВ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ I. УГЛЕВОДОРОДЫ 1. Предельные углеводороды (алканы) Образование и свойства метана В сухую пробирку помещают несколько граммов тщательно растертой в ступе смеси ацетата натрия и натронной извести. Укрепляют пробирку горизонтально и, присоединив газоотводную трубку, нагревают смесь в пробирке пламенем горелки сначала осторожно, а затем сильно. Опуская газоотводную трубку в отдельные пробирки с бромной водой и перманганатом калия, устанавливают, изменяется ли окраска этих реактивов при пропускании пузырьков метана, то есть происходит ли бромирование метана и его окисление. Получение метана: O CH3 - C

+ NaOH

ONa

CH4 + Na2CO3

2. Этиленовые углеводороды (алкены) Образование и свойства этилена Помещают в пробирку 1 мл спирта и осторожно, при взбалтывании, приливают 4 мл концентрированной серной кислоты. В разогревшуюся смесь бросают кипятильный камешек, присоединяют газоотводную трубку и осторожно нагревают пробирку до начала равномерного выделения газа. Реакционная смесь при этом чернеет. Опуская газоотводную трубку в пробирки с бромной водой и перманганатом калия устанавливают, происходит ли бромирование и окисление этилена. Получение этилена: CH3CH2OH + HOSO2OH

- H2O H2O

CH3CH2OSO2OH

CH2 = CH2 + HOSO2OH

Свойства этилена: 1) присоединение брома: CH2 = CH2 + Br2

BrCH2 - CH2Br 1,2-дибромэтан

2) окисление – реакция Вагнера: 3CH2 - CH2 + 2MnO2 + 2KOH

3CH2 = CH2 + 2KMnO4 + 4H2O

OH

OH

этиленгликоль

15

3. Ацетиленовые углеводороды (алкины) Образование и свойства ацетилена На дно сухой пробирки помещают маленький кусочек карбида кальция. Осторожно приливают воду, закрывают газоотводной трубкой и пропускают газ через пробирки: 1) с бромной водой, 2) с раствором перманганата калия, 3) с аммиачным раствором гидроокиси серебра, 4) с аммиачным раствором окиси меди. Отмечают происходящие изменения. Для испытания взрывчатых свойств ацетиленидов серебра и меди их отфильтровывают, сушат и осторожно нагревают на асбестовой сетке. Получение ацетилена: Ca

CH

HOH

C

+ Ca(OH)2

+ HOH

C

CH

Свойства ацетилена: 1) присоединение брома: CH

BrCH = CHBr

CH + Br2

+Br2

1,2-дибромэтен

Br2CH - CHBr2 1,1,2,2-тетрабромэтан

2) окисление: CH

CH

KMnO4 p-p

HCOOH + CO2 ; HCOOH

KMnO4 p-p

H2O + CO2

3) замещение водорода: CH

AgC

CH + 2[ Ag(NH3)2 ]OH

CAg + 4NH3 + 2H2O

ацетиленид серебра

4. Ароматические углеводороды (арены) Свойства бензола и его гомологов 1) Взаимодействие с бромом: В две пробирки помещают по 2 мл бензола, в две другие – по 2 мл толуола, в каждую добавляют по 1 мл раствора брома и помещают на край каждой пробирки лакмусовую бумагу. Затем в одну пробирку с бензолом и в одну с толуолом вносят железные опилки. Отмечают отсутствие признаков реакции при комнатной температуре. При осторожном нагревании (водяная баня) наблюдают выделение бромистого водорода (покраснение лакмусовой бумажки) во всех пробирках, кроме пробирки, содержащей бензол без катализатора. Также отмечают разный запах веществ, образовавшихся при бромировании толуола в различных условиях. 16

усиление окрашивания вследствие комплексообразования Br

+ Br2 Fe

+

t° CH 3 CH 3

HBr CH 3

Br

Br n-бромтолуол

о-бромтолуол

+ Br 2

+ HBr

+

Fe

CH 2 Br hν t°

+ HBr бензилбромид

2) Нитрование толуола: В пробирке готовят нитрующую смесь из 2 мл концентрированной азотной кислоты и 2,5 мл концентрированной серной кислоты, вносят 1 мл толуола. После нагревания ( ∼ 20 мин) на водяной бане, а затем охлаждения вливают в пробирку 5 мл воды. Образующаяся смесь о- и n-нитротолуола оседает на дно. Если реакция прошла не до конца, то продукт находится в верхнем слое. Отметьте характерный миндальный запах. CH3

CH3

NO2

HNO3 + H2SO4

CH3

+

- H2O

NO2 о-нитротолуол

n-нитротолуол

3) Окисляемость ароматических углеводородов: Помещают в две пробирки по 1 мл раствора перманганата калия и по 1 мл разбавленной серной кислоты и затем добавляют в одну пробирку несколько капель бензола, а в другую – несколько капель толуола. Сильно встряхивают обе пробирки в течение нескольких минут. Одна из смесей в этих условиях быстро меняет окраску, что особенно заметно на поверхности раздела между углеводородом и водным слоем. 17

COOH

CH 3 KMnO 4

KM nO 4

+ H 2O ;

H+

H+

бензойная кислота

II. КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ ПРОИЗВОДНЫЕ 1. Гидроксилпроизводные А. Свойства предельных одноатомных спиртов 1) Образование и гидролиз алкоголята: В пробирку с безводным спиртом осторожно погружают кусочек чистого металлического натрия размером с горошину. Жидкость постепенно густеет, натрий покрывается слоем твердого алкоголята. Полученный концентрированный раствор алкоголята при охлаждении закристаллизовывается. Добавляют в пробирку 5 мл воды и испытывают фенолфталеином реакцию полученного раствора. 2C2H5OH + 2Na C2H5ONa +

2C2H5ONa + H2

этилат натрия

C2H5OH +

H2O

NaOH

2) Образование сложных эфиров: В сухую пробирку наливают 2 мл ледяной уксусной кислоты, 2 мл изоамилового спирта и 1 каплю концентрированной серной кислоты, встряхивают ее и нагревают. Затем пробирку охлаждают и добавляют в нее 2-3 мл холодной воды, образовавшийся изоамилацетат всплывает на поверхность, при этом ощущается запах грушевой эссенции. O

O CH3 C

+ CH3 CH CH2 CH2OH OH

H2SO4

CH3

CH3 C O

CH3

+ H2O

CH2 CH2 CH CH3 изоамиловый эфир уксусной кислоты (изоамилацетат)

3) Окисление изоамилового спирта: В смесь из 6 капель концентрированной серной кислоты и 3 капель изоамилового спирта вносят 0,5 г бихромата калия. Смесь встряхивают и добавляют 0,5 мл воды. При этом изменяется окраска смеси и одновременно ощущается сладковатый запах изовалерианового альдегида; при нагревании появляется неприятный запах изовалериановой кислоты. 18

H3C CH CH2 CH2 OH CH3

H3C CH CH2 C H3C CH CH2 C H2SO4 OH H CH3 CH3

H2SO4

изоамиловый спирт

O

O K Cr O 2 2 7

K2Cr2O7

изовалериановая кислота

изовалериановый альдегид

Б. Свойства многоатомных спиртов Комплексообразование: В трех пробирках получают гидроокись меди, для чего в разбавленный раствор сульфата меди вводят раствор щелочи. Затем в пробирки добавляют по 3-5 капель спирта: глицерина, этиленгликоля и этилового спирта. Пробирки встряхивают и отмечают появление в некоторых из них характерной окраски жидкости. Затем добавляют к этим растворам избыток разбавленной соляной кислоты и снова наблюдают изменение окраски. H CH2OH CH2OH

+ Cu(OH)2 +

HO - CH2

CH2 - O CH2 - O

HO - CH2

этиленгликоль

Cu

O - CH2 O - CH2

CH2 OH

OH

HO

CH2

H гликоля т меди CH2 OH

CH OH +

Cu +

HO

CH

CH

CH2 OH

OH

HO

- 2H2O

O

H O

CH2

O

CH

Cu CH2 O

CH2

H глицерат меди

+ 2 H2O

HO

CH2

В. Свойства фенолов 1) Образование и разложение фенолятов: К 0,5 г исследуемого фенола (фенола или нафтола) добавляют разбавленный раствор щелочи до полного растворения. Из полученных прозрачных растворов при подкислении разбавленной серной кислотой выделяется в осадок исходное вещество. OH

OH

ONa H2SO4 + NaOH

- H2O

-NaHSO4 феноля т натрия

19

2) Бромирование фенола: В пробирку наливают 2 мл 2 %-ного водного раствора фенола и приливают избыток бромной воды (∼ 5 мл). Выделяется хлопьевидный осадок 2,4,6-трибромфенола. OH Br

Br

OH + 3Br2

+ 3HBr Br

2. Карбонильные производные 1) Окисление альдегидов – реакция «серебряного зеркала» (качественная реакция на альдегиды): В пробирку наливают 1 мл раствора формальдегида или ацетальдегида и добавляют 1 мл аммиачного раствора окиси серебра. Нагревают пробирку несколько минут на водяной бане при температуре 50-60 ºС, при этом серебро выделяется в виде тонкого слоя на стенках пробирки. O R

O +

C

Ag2O

H

NH4OH

R

+

C

2Ag

OH

R = H, CH3 2) Образование иодоформа: В пробирку наливают 1 мл раствора йода в йодистом калии и 5 мл раствора щелочи до исчезновения окраски. При добавлении 1 мл водного раствора ацетона, выпадает желтовато-белый осадок с характерным запахом йодоформа. Аналогичный опыт проводится и с водным раствором ацетальдегида. NaOI + NaI + H2O

I2 + NaOH 3 NaIO + H3C

C

CH3 + NaO H

CHI3 + CH3COONa + 3NaOH йодоформ

O

3 NaIO + CH3-CHO

CHI3 + HCOONa + 2NaOH

20

3. Карбоксильные производные А. Предельные одноосновные карбоновые кислоты 1) Образование солей: а ) В з а и м о д е й с т в и е к а р б о н о в ы х к и с л о т с м е т а л л а м и. В две пробирки наливают по ∼2-3 мл ∼50 %-ной уксусной кислоты. В одну добавляют стружку магния, в другую – кусочек цинка. Если реакция с цинком протекает медленно, то реакционную смесь нагревают.

2CH3COOH + Mg → (CH3COO)2 Mg + H2 ↑ 2CH3COOH + Zn → (CH3COO)2 Zn + H2 ↑ б ) В з а и м о д е й с т в и е к а р б о н о в ы х к и с л о т с с о д о й. В пробирку наливают 2-3 мл раствора соды и понемногу добавляют уксусной кислоты. Наблюдается выделение углекислого газа (качественная реакция на кислоты). 2CH3COOH + Na2CO3 → 2CH3COONa + CO2 ↑ + H2O ацетат натрия Б. Двухосновные карбоновые кислоты Окисление щавелевой кислоты: В пробирку, снабженную газоотводной трубкой, помещают 1-2 лопаточки щавелевой кислоты, добавляют несколько капель H2SO4 и ∼0,5 мл 2 %-ного раствора KМnO4. В другую пробирку наливают ∼0,5 мл известковой или баритовой воды. Осторожно нагревают пробирку с кислотой, при этом кончик газоотводной трубки помещают сначала в пламя горелки, а потом во вторую пробирку. Происходит обесцвечивание раствора в первой пробирке и помутнение – во второй. HOOC

COOH

Ba(OH)2 + CO2

KMnO4 H2SO4

CO2 BaCO3

+ HCOOH

to

CO2 + CO + H2O

+ H2O

В. Ароматические кислоты 1) Качественная реакция на бензойную кислоту и ее соли В пробирку вносят лопаточку бензойной кислоты, добавляют ∼0,5 мл 10 %-ного раствора NaOH и встряхивают пробирку. При этом происходит образование бензоата натрия. Затем приливают несколько капель 1 %-ного раствора FeCl3. Образуется осадок основного бензоата железа (III).

C6H5COOH + NaOH → C6H5COONa + H2O C6H5COONa + FeCl3 → (C6H5COO)2 FeOH + 3NaCl 21

2) Образование фталевого ангидрида Небольшое количество (0,1-0,2 г) сухой фталевой кислоты нагревают в сухой пробирке пламенем горелки, держа пробирку горизонтально. Кислота, начав плавиться, возгоняется. Наблюдают появление продукта возгонки на холодных стенках пробирки. O

O C C фталевая кислота

C

t

OH OH

O C

-H2O

фталевый ангидрид O

O

4. Углеводы А. Свойства моносахаридов 1) Реакция «серебряного зеркала»: К аммиачному раствору оксида серебра, налитому в тщательно вымытую пробирку, добавляют равный объем 2 %-ного раствора глюкозы. Смесь нагревают в течение нескольких минут на горячей водяной бане, на стенках пробирки осаждается металлическое серебро в виде зеркального слоя. O

H

C

C OH

H

Ag2O

H HO

H

HO H

CH2OH

OH H

H H

OH OH

H

O

HO

+ 2 Ag

OH OH CH2OH

глюконовая кислота

2) Проба Селиванова на кетозы: В пробирку помещают 2-3 мл фруктозы (или меда), 1 мл концентрированной соляной кислоты, прибавляют несколько кристаллов резорцина и нагревают. Появляется вишнево-красное окрашивание. OH

HO HO HOH2C

O

HCl, t o

O

CH2OH

- 3H2O

HOCH2

O

C

оксиметилфурфурол

22

H

резорцин

окраска

Б. Свойства ди- и полисахаридов 1) Качественная реакция на сахарозу: В пробирку берут 2-3 мл раствора сахара, приливают несколько капель водного раствора сульфата кобальта (CoSO4) и избыток щелочи. Появляется фиолетовое окрашивание. 2) Качественная реакция на крахмал: В пробирку наливают 1мл крахмального клейстера и добавляют несколько капель раствора иода. Появляется синее окрашивание. При подогревании синее окрашивание исчезает, что указывает на физический процесс – адсорбцию иода коллоидными частицами крахмала, кроме того, образуется комплексное соединение полисахарида с иодом.

III. АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ А. Свойства аминов 1) Взаимодействие анилина с минеральными кислотами: В две пробирки наливают по 1 мл раствора анилина. В одну добавляют несколько капель конц. HCl, в другую - 10 %-ного раствора H2SO4. В первой раствор становится прозрачным вследствие растворения образующегося гидрохлорида анилина, во второй выпадает белый осадок труднорастворимой соли – гидросульфата анилина. C6H5NH2 + HCl → [C6H5NH3]Cl – гидрохлорид анилина 2C6H5NH2 + H2SO4 → [C6H5NH3]2SO4 – гидросульфат анилина 2) Бромирование анилина: В пробирку помещают 1 мл раствора анилина и добавляют 1 мл бромной воды. При этом происходит обесцвечивание бромной воды и появляется осадок. NH2

NH2 Br + 3Br2

Br + 3HBr2 Br 2,4,6-триброманилин

Б. Свойства амидов Доказательство строения мочевины: К 1 мл раствора мочевины добавляют 2 мл прозрачной баритовой воды и смесь нагревают. Наблюдается образование двух продуктов реакции: газа, обнаруживаемого по запаху и посинению лакмусовой бумажки, и нерастворимого осадка.

23

2

NH2 C

NH2 + 2H2O

HO -2NH3

O CO2 + Ba(OH)2

152

C

OH

O

BaCO3

-2H2O

CO2

+ H2O

В. Свойства аминокислот 1) Действие аминокислот на индикаторы: В две пробирки наливают по 0,5 мл метилового оранжевого, метилового красного. Добавляют в каждую из пробирок по несколько капель водного раствора аминоуксусной кислоты (глицина). Отмечают реакцию среды.

NH2CH2COOH ↔ H3N+CH2COO – 2) Действие азотистой кислоты на аминокислоты: В пробирку наливают 0,5-1 мл раствора аминоуксусной кислоты и добавляют 3-5 капель нитрита натрия и столько же соляной кислоты. При встряхивании выделяются пузырьки газа.

NaNO2 + HCl → NaCl + HNO2 NH2 – CH2 – COOH + HNO2 → HOCH2 – COOH + N2 ↑ + H2O оксиуксусная кислота

3) Получение комплексной медной соли аминоуксусной кислоты: К 1-2 мл раствора аминоуксусной кислоты добавляют 0,5 г оксида меди (II). Смесь кипятят. Появляется характерное окрашивание. NH2 CH2 COOH + CuO

to

CH2 NH2 CO O

Cu

O CO NH2 CH2

Г. Белки 1) Обратимые реакции осаждения Отношение белков к кислотам и щелочам: К 2-3 мл раствора белка добавляют по каплям при встряхивании конц. уксусную кислоту. Наблюдается выпадение белка в осадок в виде мути или хлопьев. При дальнейшем добавлении кислоты осадок белка снова растворяется. Полученный кислый раствор делят на две части. Одну нагревают до кипения, при введении 1-2 капель раствора сульфата аммония белок свертывается. К другой части осторожно добавляют по каплям при встряхивании разбавленный раствор щелочи. При постепенной нейтрализации кислоты образуется осадок белка, снова растворяющийся в избытке щелочи. 24

2) Необратимые реакции осаждения Осаждение белков концентрированными м и н е р а л ь н ы м и к и с л о т а м и: Наливают в одну пробирку 1 мл конц. азотной кислоты, а в другую – 1-2 мл конц. соляной кислоты. Наклоняя каждую пробирку, осторожно вливают в нее по стенке 1-1,5 мл раствора белка так, чтобы он не смешивался с более тяжелым слоем кислоты. На границе раздела двух жидкостей появляется белое кольцо осадка белка. При встряхивании количество осадка, выпавшего при действии азотной кислоты, заметно увеличивается, а осадок, выпавший при действии соляной кислоты, растворяется в ее избытке. 3. Качественные реакции на белки а) Биуретовая реакция белков: К 1-2 мл раствора белка добавляют равный объем конц. раствора щелочи и затем каплю (не больше) раствора сульфата меди. Жидкость окрашивается в ярко-фиолетовый цвет. б) Ксантопротеиновая реакция белков: К 1 мл раствора белка добавляют 2-3 капли концентрированной азотной кислоты; появляется белый осадок или раствор мутнеет. Затем осторожно кипятят смесь на горелке в течение 1-2 минут; при этом раствор и осадок окрашиваются в ярко-желтый цвет. При кипячении осадок может частично или полностью раствориться в результате гидролиза, но характерная желтая окраска раствора сохраняется. Охладив смесь, осторожно, по каплям добавляют к кислой жидкости избыток (1-2 мл) концентрированного раствора щелочи. Выпадает осадок кислотного альбумината, образующий с избытком щелочи ярко-оранжевый раствор.

25

ЛИТЕРАТУРА Основная литература 1. Артеменко А.И. Органическая химия / А.И. Артеменко. – М. : Высш. шк., 2002. – 559 с. 2. Гранберг И.И. Органическая химия / И.И. Гранберг. – М. : Высш. шк., 1987. – 479 с. 3. Петров А.А. Органическая химия / А.А. Петров, Х.В. Бальян, А.Т. Трощенко ; под ред. М.Д. Стадничука. – 5-е изд. – СПб. : Иван Федоров, 2002. – 624 с. 4. Некрасов В.В. Руководство к малому практикуму по органической химии / В.В. Некрасов. – М. : Химия, 1975. – 328 с. Дополнительная литература 1. Потапов В.М. Органическая химия / В.М. Потапов, С.Н. Татаринчик. – М. : Химия, 1980. – 463 с. 2. Щербань А.И. Органическая химия / А.И. Щербань. – Воронеж : Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 1998. – 360 с. 3. Иванов В.Г. Практикум по органической химии / В.Г. Иванов, О.Н. Гева, Ю.Г. Гаверова. – М. : Академия, 2000. – 288 с.

26

Учебное издание

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Методические указания и лабораторные работы Учебно-методическое пособие для вузов Составители: Медведева Светлана Михайловна, Пономарева Людмила Федоровна Редактор Л.М. Носилова

Подписано в печать 22.07.08. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,62. Тираж 50 экз. Заказ 1327. Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета. 394000, г. Воронеж, пл. им. Ленина, 10. Тел. 208-298, 598-026 (факс) http://www.ppc.vsu.ru; e-mail: [email protected] Отпечатано в типографии Издательско-полиграфического центра Воронежского государственного университета. 394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3. Тел. 204-133. 27