Алканы (предельные углеводороды, парафины) – ациклические насыщенные углеводороды общей формулы С_nH_2n+2. В соответствии с общей формулой алканы образуют гомологический ряд.

Первые четыре представителя имеют полусистематические названия – метан (CH₄), этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀). Названия последующих членов ряда строятся из корня (греческие числительные) и суффикса -ан: пентан (С₅Н₁₂), гексан (С₆Н₁₄), гептан (С₇Н₁₆) и т. д.

Атомы углерода в алканах находятся в sp³-гибридном состоянии. Оси четырех sp³-орбиталей направлены к вершинам тетраэдра, валентные углы равны 109°28 .

Пространственное строение метана:

Энергия С—С связи Е_с—с = 351 кДж/моль, длина С—С связи 0,154 нм.

Связь С—С в алканах является ковалентной неполярной. Связь С—Н – ковалентная слабополярная.

Для алканов, начиная с бутана, существуют структурные изомеры (изомеры строения), различающиеся порядком связывания между атомами углерода, с одинаковым качественным и количественным составом и молекулярной массой, но различающихся по физическим свойствам.

1. С_nH_2n+2 >400–700 °C> С_pH_2p+2 + С_mH_2m,

n = m + p.

Крекинг нефти (промышленный способ). Алканы также выделяют из природных источников (природный и попутный газы, нефть, каменный уголь).

(гидрирование непредельных соединений)

3. nCO + (2n + 1)Н₂ > С_nH_2n+2 + nH₂O (получение из синтез-газа (CO + Н₂))

4. (реакция Вюрца)

5. (реакция Дюма) CH₃COONa + NaOH >t> CH₄ + Na₂CO₃

6. (реакция Кольбе)

Алканы не способны к реакциям присоединения, т. к. в их молекулах все связи насыщены, для них характерны реакции радикального замещения, термического разложения, окисления, изомеризации.

1. (реакционная способность убывает в ряду: F₂ > Cl₂ > Br₂ > (I₂ не идет), R₃C• > R₂CH• > RCH₂• > RCH₃•)

2. (реакция Коновалова)

3. C_nH_2n+2 + SO₂ + ?O₂ >h?> C_nH_2n+1SO₃H – алкилсульфокислота

(сульфоокисление, условия реакции: облучение УФ)

4. CH₄ >1000 °C> С + 2Н₂; 2CH₄ >t>1500 °C> С₂Н₂ + ЗН₂ (разложение метана – пиролиз)

5. CH₄ + 2Н₂O >Ni, 1300 °C> CO₂ + 4Н₂ (конверсия метана)

6. 2С_nH_2n+2 + (Зn+1)O₂ > 2nCO₂ + (2n+2)Н₂O (горение алканов)

7. 2н-С₄Н₁₀ + 5O₂ > 4CH₃COOH + 2Н₂O (окисление алканов в промышленности; получение уксусной кислоты)

8. н-С₄Н₁₀ > изо-С₄Н₁₀ (изомеризация, катализатор AlCl₃)

Циклоалканы (циклопарафины, нафтены, цикланы, полиметилены) – предельные углеводороды с замкнутой (циклической) углеродной цепью. Общая формула С_nH_2n.

Атомы углерода в циклоалканах, как и в алканах, находятся в sp³-гибридизованном состоянии. Гомологический ряд циклоалканов начинает простейший циклоалкан – циклопропан С₃Н₆, представляющий собой плоский трехчленный карбоцикл. По правилам международной номенклатуры в циклоалканах главной считается цепь углеродных атомов, образующих цикл. Название строится по названию этой замкнутой цепи с добавлением приставки «цикло» (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и т. д.).

Структурная изомерия циклоалканов связана с различной величиной цикла (структуры 1 и 2), строением и видом заместителей (структуры 5 и 6) и их взаимным расположением (структуры 3 и 4).

1. Получение из дигалогенопроизводных углеводородов

2. Получение из ароматичесих углеводородов

Химические свойства циклоалканов зависят от размера цикла, определяющего его устойчивость. Трех– и четырехчленные циклы (малые циклы), являясь насыщенными, резко отличаются от всех остальных предельных углеводородов. Циклопропан, циклобутан вступают в реакции присоединения. Для циклоалканов (С₅ и выше) вследствие их устойчивости характерны реакции, в которых сохраняется циклическая структура, т. е. реакции замещения.

1. Действие галогенов

2. Действие галогеноводородов

С циклоалканами, содержащими пять и более атомов углерода в цикле, галогеново-дороды не взаимодействуют.

3.

4. Дегидрирование

Алкены (непредельные углеводороды, этиленовые углеводороды, олефины) – непредельные алифатические углеводороды, молекулы которых содержат двойную связь. Общая формула ряда алкенов С_nН_2n.

По систематической номенклатуре названия алкенов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суффикса – ан на – ен: этан (CH₃—CH₃) – этен (CH₂=CH₂) и т. д. Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно включала в себя двойную связь. Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к двойной связи конца цепи.

В молекуле алкена ненасыщенные атомы углерода находятся в sp²-гибридизации, а двойная связь между ними образована ?– и ?-связью. sp²-Гибридные орбитали направлены друг к другу под углом 120°, и одна негибридизованная 2р-орбиталь, расположена под углом 90° к плоскости гибридных атомных орбиталей.

Пространственное строение этилена:

Длина связи С=С 0,134 нм, энергия связи С=С Е_с=с = 611 кДж/моль, энергия ?-связи Е? = 260 кДж/моль.

Виды изомерии: а) изомерия цепи; б) изомерия положения двойной связи; в) Z, Е (cis, trans) – изомерия, вид пространственной изомерии.

1. CH₃—CH₃ >Ni, t> CH₂=CH₂ + H₂ (дегидрирование алканов)

2. С₂Н₅OH >H,SO₄, 170 °C> CH₂=CH₂ + Н₂O (дегидратация спиртов)

3. (дегидрогалогенирование алкилгалогенидов по правилу Зайцева)

4. CH₂Cl—CH₂Cl + Zn > ZnCl₂ + CH₂=CH₂ (дегалогенирование дигалогенопроизводных)

5. HC?CH + Н₂ >Ni, t> CH₂=CH₂ (восстановление алкинов)

Для алкенов наиболее характерны реакции присоединения, они легко окисляются и полимеризуются.

1. CH₂=CH₂ + Br₂ > CH₂Br—CH₂Br

(присоединение галогенов, качественная реакция)

2. (присоединение галогеноводородов по правилу Марковникова)

3. CH₂=CH₂ + Н₂ >Ni, t> CH₃—CH₃ (гидрирование)

4. CH₂=CH₂ + Н₂O >H⁺> CH₃CH₂OH (гидратация)

5. ЗCH₂=CH₂ + 2КMnO₄ + 4Н₂O > ЗCH₂OH—CH₂OH + 2MnO₂v + 2KOH (мягкое окисление, качественная реакция)

6. CH₂=CH—CH₂—CH₃ + КMnO₄ >H⁺> CO₂ + С₂Н₅COOH (жесткое окисление)

7. CH₂=CH—CH₂—CH₃ + O₃ > Н₂С=O + CH₃CH₂CH=O формальдегид+пропаналь > (озонолиз)

8. С₂Н₄ + 3O₂ > 2CO₂ + 2Н₂O (реакция горения)

9. (полимеризация)

10. CH₃—CH=CH₂ + HBr >перекись> CH₃—CH₂—CH₂Br (присоединение бро-моводорода против правила Марковникова)

11. (реакция замещения в ?-положение)

Алкины (ацетиленовые углеводороды) – ненасыщенные углеводороды, имеющие в своем составе тройную С?С связь. Общая формула алкинов с одной тройной связью С_nН_2n-2. Простейший представитель ряда алкинов CH?CH имеет тривиальное название ацетилен. По систематической номенклатуре названия ацетиленовых углеводородов производят от названий соответствующих алканов (с тем же числом атомов углерода) путем замены суффикса –ан на -ин: этан (CH₃—CH₃) – этин (CH?CH) и т. д. Главная цепь выбирается таким образом, чтобы она обязательно включала в себя тройную связь. Нумерацию углеродных атомов начинают с ближнего к тройной связи конца цепи.

В образовании тройной связи участвуют атомы углерода в sp-гибридизованном состоянии. Каждый из них имеет по две sp-гибридных орбитали, направленных друг к другу под углом 180°, и две негибридных p-орбитали, расположенных под углом 90° по отношению друг к другу и к sp-гибридным орбиталям.

Пространственное строение ацетилена:

Виды изомерии: 1) изомерия положения тройной связи; 2) изомерия углеродного скелета; 3) межклассовая изомерия с алкадиенами и циклоалкенами.

1. СаО + ЗС >t> СаС₂ + CO;

СаС₂ + 2Н₂O > Са(OH)₂ + CH?CH (получение ацетилена)

2. 2CH₄ >t>1500 °C> HC = CH + ЗН₂ (крекинг углеводородов)

3. CH₃—CHCl₂ + 2KOH >в спирте > HC?CH + 2KCl + Н₂O (дегалогенирова-ние)

CH₂Cl—CH₂Cl + 2KOH >в спирте > HC?CH + 2KCl + Н₂O

Для алкинов характерны реакции присоединения, замещения. Алкины полиме-ризуются, изомеризуются, вступают в реакции конденсации.

1. (гидрирование)

2. HC?CH + Br₂ > CHBr=CHBr;

CHBr=CHBr + Br₂ > CHBr₂—CHBr₂ (присоединение галогенов, качественная реакция)

3. CH₃—С?CH + HBr > CH₃—CBr=CH₂;

CH₃—CBr=CH₂ + HBr > CH₃—CBr₂—CHg (присоединение галогеноводородов по правилу Марковникова)

4. (гидратация алинов, реация Кучерова)

5.(присоединение спиртов)

6.(присоединение карбоновых ислот)

7. CH?CH + 2Ag₂O >NH₃> AgC?CAgv + H₂O (образование ацетиленидов, качественная реакция на концевую тройную связь)

8. CH?CH + [О] >КMnO₄> HOOC—COOH > HCOOH + CO₂ (окисление)

9. CH?CH + CH?CH > CH₂=CH—С?CH (катализатор – CuCl и NH₄Cl, димеризация)

10. 3HC?CH >C, 600 °C> С₆Н₆ (бензол) (циклоолигомеризация, реакция Зелинского)

Алкадиены (диены) – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат две двойные связи. Общая формула алкадиенов С_nН_2n_₂. Свойства алкадиенов в значительной степени зависят от взаимного расположения двойных связей в их молекулах.

1. (метод СВ. Лебедева)

2. (дегидратация)

3. (дегидрирование)

Для сопряженных диенов характерны реакции присоединения. Сопряженные диены способны присоединять не только по двойным связям (к C₁ и С₂, С₃ и С₄), но и к концевым (С₁ и С₄) атомам углерода с образованием двойной связи между С₂ и С₃.

Арены, или ароматические углеводороды, – циклические соединения, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов с замкнутой системой сопряженных связей, объединяемые понятием ароматичности, которая обуславливает общие признаки в строении и химических свойствах.

Все связи С—С в бензоле равноценны, их длина равна 0,140 нм. Это означает, что в молекуле бензола между углеродными атомами нет чисто простых и двойных связей (как в формуле, предложенной в 1865 г. немецким химиком Ф. Кекуле), а все они выровнены (дел окал изованы).

Гомологи бензола – соединения, образованные заменой одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы (R): С₆Н₅—R, R—С₆Н₄—R. Общая формула гомологического ряда бензола С_nН_2n_₆ (n > 6). Для названия ароматических углеводородов широко используются тривиальные названия (толуол, ксилол, кумол и т. п.). Систематические названия строят из названия углеводородного радикала (приставка) и слова «бензол» (корень): С₆Н₅—CH₃ (метилбензол), С₆Н₅—С₂Н₅ (этилбензол). Если радикалов два или более, их положение указывается номерами атомов углерода в кольце, с которыми они связаны. Для дизамещен-ных бензолов R—С₆Н₄—R используется также и другой способ построения названий, при котором положение заместителей указывают перед тривиальным названием соединения приставками: орто– (o-) – заместители соседних атомов углерода кольца (1,2-); мета– (м-) – заместители через один атом углерода (1,3-); пара– (п-) – заместители на противоположных сторонах кольца (1,4-).

Виды изомерии (структурная): 1) положения заместителей для ди-, три– и тетра-замещенных бензолов (например, о-, м- и п-ксилолы); 2) углеродного скелета в боковой цепи, содержащей не менее 3 атомов углерода; 3) заместителей (R), начиная с R=С₂Н₅.

1. С₆Н₁₂ >Pt, 300 °C> С₆Н₆ + ЗН₂ (дегидрирование циклоалканов)

2. н-С₆Н₁₄ >Cr₂O₃, 300 °C> С₆Н₆ + 4Н₂ (дегидроциклизация алканов)

3. ЗС₂Н₂ >С, 600 °C> С₆Н₆ (циклотримеризация ацетилена, реакция Зелинского)

По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов. Для аренов наиболее характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а именно реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом. Другие реакции (присоединение, окисление), в которых участвуют делокали-зованные С-С связи бензольного кольца и нарушается его ароматичность, идут с трудом.

1. C₆H₆ + Cl₂ >AlCl₃> C₆H₅Cl + HCl (галогенирование)

2. C₆H₆ + HNO₃ >H₂SO₄> C₆H₅—NO₂ + H₂O (нитрование)

3. С₆Н₆ >H₂SO₄> С₆Н₅—SO₃H + H₂O (сульфирование)

4. С₆Н₆ + RCl >AlCl₃> С₆Н₅—R + HCl (алкилирование)

5. (ацилирование)

6. С₆Н₆ + ЗН₂ >t, Ni> С₆Н₁₂ циклогексан (присоединение водорода)

7. (1,2,3,4,5,6-гексахлороциклогексан, присоединение хлора)

8. С₆Н₅—CH₃ + [О] > С₆Н₅—COOH кипячение с раствором КMnO₄ (окисление алкилбензолов)

Галогеноуглеводородами называются производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода заменены на атомы галогена.

1. CH₂=CH₂ + HBr > CH₃—CH₂Br (гидрогалогенирование ненасыщенных углеводородов)

CH?CH + HCl > CH₂=CHCl

2. CH₃CH₂OH + РCl₅ > CH₃CH₂Cl + POCl₃ + HCl (получение из спиртов)

CH₃CH₂OH + HCl > CH₃CH₂Cl + Н₂O (в присутствии ZnCl₂, t°C)

3. а) CH₄+ Cl₂ >hv> CH₃Cl + HCl (галогенирование углеводородов)

б)

Наибольшее значение для соединений этого класса имеют реакции замещения и отщепления.

1. CH₃CH₂Br + NaOH (водн. р-р) > CH₃CH₂OH + NaBr (образование спиртов)

2. CH₃CH₂Br + NaCN > CH₃CH₂CN + NaBr (образование нитрилов)

3. CH₃CH₂Br + NH₃ > [CH₃CH₂NH₃]⁺Br -—HBr- CH₃CH₂NH₂ (образование аминов)

4. CH₃CH₂Br + NaNO₂ > CH₃CH₂ NO₂ + NaBr (образование нитросоединений)

5. CH₃Br + 2Na + CH₃Br > CH₃—CH₃ + 2NaBr (реакция Вюрца)

6. CH₃Br + Mg > CH₃MgBr (образование магнийорганических соединений, реактив Гриньяра)

7. (дегидрогалогенирование)

Спиртами называются производные углеводородов, в молекулах которых содержится одна или несколько гидроксильных групп (—OH), связанных с насыщенными атомами углерода. Группа —OH (гидроксильная, оксигруппа) является в молекуле спирта функциональной группой. Систематические названия даются по названию углеводорода с добавлением суффикса -ол и цифры, указывающей положение гидроксигруппы. Нумерация ведется от ближайшего к OH-группе конца цепи.

По числу гидроксильных групп спирты подразделяются на одноатомные (одна группа —OH), многоатомные (две и более групп —OH). Одноатомные спирты: метанол CH₃OH, этанол С₂Н₅OH; двухатомный спирт: этилен-гликоль (этандиол-1,2) HO—CH₂—CH₂—OH; трехатомный спирт: глицерин (пропантриол-1,2,3) HO—CH₂—CH(OH)—CH₂—OH. В зависимости от того, с каким атомом углерода (первичным, вторичным или третичным) связана гидроксигруппа, различают спирты первичные R—CH₂—OH, вторичные R₂CH—OH, третичные R₃C—OH.

По строению радикалов, связанных с атомом кислорода, спирты подразделяются на предельные, или алканолы (CH₃CH₂—OH), непредельные, или алкенолы (CH₂=CH—CH₂—OH), ароматические (С₆Н₅CH₂—OH).

Виды изомерии (структурная изомерия): 1) изомерия положения OH-группы (начиная с С₃); 2) углеродного скелета (начиная с С₄); 3) межклассовая изомерия с простыми эфирами (например, этиловый спирт CH₃CH₂OH и диметиловый эфир CH₃—О—CH₃). Следствием полярности связи О—Н и наличия неподеленных пар электронов на атоме кислорода является способность спиртов к образованию водородных связей.

1. CH₂=CH₂ + Н₂O/Н⁺ > CH₃—CH₂OH (гидратация алкенов)

2. CH₃—CHO + Н₂ >t, Ni> С₂Н₅OH (восстановление альдегидов и кетонов)

3. C₂H₅Br + NaOH (водн.) > С₂Н₅OH + NaBr (гидролиз галогенопроизводных)

ClCH₂—CH₂Cl + 2NaOH (водн.) > HOCH₂—CH₂OH + 2NaCl

4. CO + 2Н₂ >ZnO, CuO, 250 °C, 7 МПа> CH₃OH (получение метанола, промышленность)

5. С₆Н₁₂O₆ >дрожжи> 2С₂Н₅OH + 2CO₂ (брожение моноз)

6. 3CH₂=CH₂ + 2KMnO₄ + 4Н₂O > 3CH₂OH—CH₂OH - этиленгиликоль + 2KOH + 2MnO₂ (окисление в мягких условиях)

7. а) CH₂=CH—CH₃ + O₂ > CH₂=CH—CHO + Н₂O

б) CH₂=CH—CHO + Н₂ > CH₂=CH—CH₂OH

в) CH₂=CH—CH₂OH + Н₂O₂ > HOCH₂—CH(OH)—CH₂OH (получение глицерина)

Химические свойства спиртов связаны с наличием в их молекулу группы  —OH. Для спиртов характерны два типа реакций: разрыв связи С—О и связи О—Н.

1. 2С₂Н₅OH + 2Na > Н₂ + 2C₂H₅ONa (образование алкоголятов металлов Na, К, Mg, Al)

2. а) С₂Н₅OH + NaOH ? (в водном растворе не идет)

б) CH₂OH—CH₂OH + 2NaOH > NaOCH₂—CH₂ONa + 2Н₂O

в) (качественная реакция на многоатомные спирты – образование ярко-синего раствора с гидроксидом меди)

3. а) (образование сложных эфиров)

б) С₂Н₅OH + H₂SO₄ > С₂Н₅—О—SO₃H + Н₂O (на холоду)

в)

4. а) С₂Н₅OH + HBr > С₂Н₅Br + Н₂O

б) С₂Н₅OH + РCl₅ > С₂Н₅Cl + POCl₃ + HCl

в) С₂Н₅OH + SOCl₂ > С₂Н₅Cl + SO₂ + HCl (замещение гидроксильной группы на галоген)

5. С₂Н₅OH + HOC₂H₅ >H₂SO₄, <140 °C> C₂H₅—O—C₂H₅ + H₂O (межмолекулярная гидротация)

6. С₂Н₅OH >H₂SO₄, 170 °C> CH₂=CH₂ + H₂O (внутримолекулярная гидротация)

7. а) (дегидрирование, окисление первичных спиртов)

б) (дегидрирование, окисление вторичных спиртов)

Фенолами называются производные аренов, в которых один или несколько атомов водорода ароматического кольца замещены на гидроксильные группы. По числу гидроксильных групп в ароматическом кольце различают одно– и многоатомные (двух– и трехатомные) фенолы. Для большинства фенолов используются тривиальные названия. Структурная изомерия фенолов связана с различным положением гидроксильных групп.

1. С₆Н₅Cl + NaOH(p, 340°C) > С₆Н₅OH + NaCl (щелочной гидролиз галогеноуглеводородов)

2. (кумольный способ получения)

3. C₆H₅SO₃Na + NaOH (300–350°C) > С₆Н₅OH + Na₂SO₃ (щелочное плавление солей ароматических сульфоновых кислот)

Фенолы в большинстве реакций по связи О—Н активнее спиртов, поскольку эта связь более полярна за счет смещения электронной плотности от атома кислорода в сторону бензольного кольца (участие непо-деленной электронной пары атома кислорода в системе л-сопряжения). Кислотность фенолов значительно выше, чем спиртов.

Для фенолов реакции разрыва связи С—О не характерны. Взаимное влияние атомов в молекуле фенола проявляется не только в особенностях поведения гидроксигруппы, но и в большей реакционной способности бензольного ядра.

Гидроксильная группа повышает электронную плотность в бензольном кольце, особенно в орто– и пара-положениях (+М-эффект OH-группы). Для обнаружения фенолов используется качественная реакция с хлоридом железа(III). Одноатомные фенолы дают устойчивое сине-фиолетовое окрашивание, что связано с образованием комплексных соединений железа.

1. 2С₆Н₅OH + 2Na > 2C₆H₅ONa + Н₂ (так же, как и этанол)

2. С₆Н₅OH + NaOH > C₆H₅ONa + H₂O (в отличие от этанола)

C₆H₅ONa + Н₂O + CO₂ > С₆Н₅OH + NaHCO₃ (фенол более слабая кислота, чем угольная)

3.

Фенолы не образуют сложные эфиры в реакциях с кислотами. Для этого используются более реакционноспособные производные кислот (ангидриды, хлорангидриды).

4. С₆Н₅OH + CH₃CH₂OH >NaOH> С₆Н₅OCH₂CH₃ + NaBr (О-алкилирование)

5.

(взаимодействие с бромной водой, качественная реакция)

6.(нитрование разб. HNO₃, при нитрировании конц. HNO₃ образуется 2,4,6-тринитрофенол)

7. nC₆H₅OH + nCH₂O > nH₂O + (—C₆H₃OH—CH₂—)_n (поликонденсация, получение фенолформальдегидных смол)

Альдегидами называются соединения, в которых карбонильная группа

соединена с углеводородным радикалом и атомом водорода, а кетонами – карбонильные соединения с двумя углеводородными радикалами.

Систематические названия альдегидов строят по названию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса –аль. Нумерацию цепи начинают с карбонильного атома углерода. Тривиальные названия производят от тривиальных названий тех кислот, в которые альдегиды превращаются при окислении: Н₂С=O – метаналь (муравьиный альдегид, формальдегид); CH₃CH=O – этаналь (уксусный альдегид). Систематические названия кетонов несложного строения производят от названий радикалов с добавлением слова «кетон». В более общем случае название кетона строится по названию соответствующего углеводорода и суффикса –он; нумерацию цепи начинают от конца цепи, ближайшего к карбонильной группе. Примеры: CH₃—CO—CH₃ – диметилкетон (пропанон, ацетон). Для альдегидов и кетонов характерна структурная изомерия. Изомерия альдегидов: а) изомерия углеродного скелета, начиная с С₄; б) межклассовая изомерия. Изомерия кетонов: а) углеродного скелета (с С₅); б) положения карбонильной группы (с С₅); в) межклассовая изомерия.

Атомы углерода и кислорода в карбонильной группе находятся в состоянии sp²-гибридизации. Связь С=O сильно полярна. Электроны кратной связи С=O смещены к электроотрицательному атому кислорода, что приводит к появлению на нем частичного отрицательного заряда, а карбонильный атом углерода приобретает частичный положительный заряд.

1. а) (дегидрирование, окисление первичных спиртов)

б) (дегидрирование, окисление вторичных спиртов)

2. а) CH₃CH₂CHCl₂ + 2NaOH >в воде> CH₃CH₂CHO + 2NaCl + H₂O (гидролиз дигалогенопроизводных)

б) CH₃СCl₂CH₃ + 2NaOH >в воде> CH₃COCH₃ + 2NaCl + H₂O

3. (гидратация алкинов, реакция Кучерова)

4. (окисление этилена до этаналя)

(окисление метана до формальдегида)

CH₄ + O₂ >400–600 °C, NO> H₂C=O + H₂O

Для карбонильных соединений характерны реакции различных типов: а) присоединение по карбонильной группе; б) восстановление и окисление; в) конденсация; д) полимеризация.

1. (присоединение циановодородной кислоты, образование гидроксинитрилов)

2. (присоединение гидросулбфита натрия)

3. (восстановление)

4. (образование полуацеталец и ацеталей)

5. (взаимодействие с гидроксоламином, образование оксима ацетальдегида)

6. (образование дигалогенопроизводных)

7. (?-галогенирование в присутствии OH?)

8. (албдольная конденсация)

9. R—CH=O + Ag₂O >NH₃> R—COOH + 2Agv (окисление, реакция «серебряного зеркала»)

R—CH=O + 2Cu(OH)₂ > R—COOH + Cu₂Ov, + 2H₂O (красный осадок, окисление)

10. (окисление кетонов, жесткие условия)

11. nCH₂=O > (—CH2—O—)_n параформ n = 8—12 (полимеризация)

Карбоновыми кислотами называются органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп —COOH, связанных с углеводородным радикалом. По числу карбоксильных групп кислоты подразделяются на: одноосновные (монокарбоновые) CH₃COOH (уксусная), многоосновные (дикарбоновые, трикарбоновые и т. д.). По характеру углеводородного радикала различают кислоты: предельные (например, CH₃CH₂CH₂COOH); непредельные (CH₂=CH(—COOH); ароматические (С₆Н₅COOH).

Систематические названия кислот даются по названию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса –овая и слова «кислота»: HCOOH – метановая (муравьиная) кислота, CH₃COOH – этановая (уксусная) кислота. Для карбоновых кислот характерная структурная изомерия: а) изомерия скелета в углеводородном радикале (начиная с С₄); б) межклассовая изомерия, начиная с С₂. Возможна цис-транс-изомерия в случае непредельных карбоновых кислот. Электронная плотность ?-связи в карбонильной группе смещена в сторону атома кислорода. Вследствие этого у карбонильного углерода создается недостаток электронной плотности, и он притягивает к себе неподеленные пары атома кислорода гидроксильной группы, в результате чего электронная плотность связи О—Н смещается в сторону атома кислорода, водород становится подвижным и приобретает способность отщепляться в виде протона.

В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют на ионы:

R—COOH - R—COО? + Н⁺

Растворимость в воде и высокие температуры кипения кислот обусловлены образованием межмолекулярных водородных связей.

1. CH₃—СCl₃ + 3NaOH > CH₃—COOH + 3NaCl + Н₂O (гидролиз тригалогенопроизводных)

2. R—CHO + [О] > R—COOH (окисление альдегидов и кетонов)

3. CH₃—CH=CH₂ + CO + Н₂O/Н⁺ >Ni, р, t> CH₃—CH₂—CH₂—COOH (оксосинтез)

4. CH₃C?N + 2Н₂O/ Н⁺ > CH₃COOH + NH₄ (гидролиз нитрилов)

5. CO + NaOH > HCOONa; 2HCOONa + H₂SO₄ > 2HCOOH + Na₂SO₄ (получение HCOOH)

Карбоновые кислоты проявляют высокую реакционную способность и вступают в реакции с различными веществами, образуя разнообразные соединения, среди которых большое значение имеют функциональные производные: сложные эфиры, амиды, нитрилы, соли, ангидриды, гало-генангидриды.

1. а) 2CH₃COOH + Fe > (CH₃COO)₂Fe + Н₂ (образование солей)

б) 2CH₃COOH + MgO > (CH₃COO)₂Mg + Н₂O

в) CH₃COOH + KOH > CH₃COОК + Н₂O

г) CH₃COOH + NaHCO₃ > CH₃COONa + CO₂ + Н₂O

CH₃COONa + H₂O - CH₃COOH + NaOH (соли карбоновых кислот гидролизуются)

2. (образование вложных эфиров)

(омыление вложного эфира)

3. (получение хлорангидридов кислот)

4. (разложение водой)

5. CH₃—COOH + Cl₂ >hv> Cl—CH₂—COOH + HCl (галогенирование в ?-положение)

6. HO—CH=O + Ag₂O >NH₃> 2Ag + Н₂CO₃ (Н₂O + CO₂) (особенности HCOOH)

HCOOH >t> CO + Н₂O

Жиры – сложные эфиры глицерина и высших одноатомных карбоновых кислот. Общее название таких соединений – триглицериды. В состав природных триглицеридов входят остатки насыщенных кислот (пальмитиновой С₁₅Н₃₁COOH, стеариновой С₁₇Н₃₅COOH) и ненасыщенных (олеиновой С₁₇Н₃₃COOH, линолевой С₁₇Н₃₁COOH). Жиры состоят главным образом из триглицеридов предельных кислот. Растительные жиры – масла (подсолнечное, соевое) – жидкости. В состав триглицеридов масел входят остатки непредельных кислот.

Жирам как сложным эфирам свойственна обратимая реакция гидролиза, катализируемая минеральными кислотами. При участии щелочей гидролиз жиров происходит необратимо. Продуктами в этом случае являются мыла – соли высших карбоновых кислот и щелочных металлов. Натриевые соли – твердые мыла, калиевые – жидкие. Реакция щелочного гидролиза жиров называется также омылением.

Амины – органические производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы. В зависимости от числа углеводородных радикалов различают первичные RNH₂, вторичные R₂NH, третичные R₃N амины. По характеру углеводородного радикала амины подразделяются на алифатические (жирные), ароматические и смешанные (или жирноароматические). Названия аминов в большинстве случаев образуют из названий углеводородных радикалов и суффикса –амин. Например, CH₃NH ₂ – метиламин; CH₃—CH₂—NH₂ – этиламин. Если амин содержит различные радикалы, то их перечисляют в алфавитном порядке: CH₃—CH₂—NH—CH₃ – ме-тилэтиламин.

Изомерия аминов определяется количеством и строением радикалов, а также положением аминогруппы. Связь N—Н является полярной, поэтому первичные и вторичные амины образуют межмолекулярные водородные связи. Третичные амины не образуют ассоциирующих водородных связей. Амины способны к образованию водородных связей с водой. Поэтому низшие амины хорошо растворимы в воде. С увеличением числа и размеров углеводородных радикалов растворимость аминов в воде уменьшается.

1. R—NO₂ + 6[Н] > R—NH₂ + 2H₂O (восстановление нитросоединений)

2. NH₃ + CH₃I > [CH₃N⁺H₃]I? >NH₃> CH₃NH ₂ + NH ₄I (алкилирование аммиака)

3. а) С₆Н₅—NO₂ + 3(NH₄)₂S > С₆Н₅—NH₂ + 3S + 6NH₃ + 2H₂O (реакция Зинина)

б) С₆Н₅—NO₂ + 3Fe + 6HCl > С₆Н₅—NH₂ + 3FeCl₂ + 2Н₂O (восстановление нитросоединений)

в) С₆Н₅—NO₂ + ЗН₂ >катализатор, t> C₆H₅—NH ₂ + 2Н₂O

4. R—C?N + 4[H] > RCH₂NH₂ (восстановление нитрилов)

5. ROH + NH₃ >Al₂O₃,350 °C> RNH₂ + 2H₂O (получение низших алкиламинов С₂—С₄)

Амины имеют сходное с аммиаком строение и проявляют подобные ему свойства. Как в аммиаке, так и в аминах атом азота имеет неподеленную пару электронов. Для аминов характерны ярко выраженные основные свойства. Водные растворы алифатических аминов проявляют щелочную реакцию. Алифатические амины – более сильные основания, чем аммиак. Ароматические амины являются более слабыми основаниями, чем аммиак, поскольку не-поделенная электронная пара атома азота смещается в сторону бензольного кольца, вступая в сопряжение с его ?-электронами.

На основность аминов влияют различные факторы: электронные эффекты углеводородных радикалов, пространственное экранирование радикалами атома азота, а также способность образующихся ионов к стабилизации за счет сольватации в среде растворителя. В результате донорного эффекта алкильных групп основность алифатических аминов в газовой фазе (без растворителя) растет в ряду: первичные < вторичные < третичные. Основность ароматических аминов зависит также от характера заместителей в бензольном кольце. Электроноакцепторные заместители (—F, —Cl, —NO₂ и т. п.) уменьшают основные свойства ариламина по сравнению с анилином, а электронодонорные (алкил R—, —OCH₃, —N(CH₃)₂ и др.), напротив, увеличивают.

1. CH₃—NH ₂ + Н₂O > [CH₃—NH₃]OH (взаимодействие с водой)

2. (CH ₃)₂NH + HCl > [(CH₃)₂NH₂]Cl хлорид диметиламмония (взаимодействие с кислотами)

[(CH ₃)₂NH ₂]Cl + NaOH > (CH ₃)₂NH + NaCl + H₂O (взаимодействие солей аминов со щелочами)

3.

(ацителирование, с третичными аминами не идет)

4. R—NH₂ + CH₃I > [CH₃N⁺H₂R]I? >NH₃> CH₃NHR + NH₄I (алкилирование)

5. Взаимодействие с азотистой кислотой: строение продуктов реакции с азотистой кислотой зависит от характера амина. Поэтому данная реакция используется для различия первичных, вторичных и третичных аминов.

а) R—NH₂ + HNO₂ > R—OH + N₂ + H₂O (первичные жирные амины)

б) С₆Н₅—NH₂ + NaNO₂ + HCl > [С₆Н₅—N?N]⁺Cl? – соль диазония (первичные ароматические амины)

в) R₂NH + Н—О—N=O > R₂N—N=O (N-нитрозамин) + Н₂O (вторичные жирные и ароматические амины)

г) R₃N + Н—О—N=O > при низкой температуре нет реакции (третичные жирные амины)

д)

(третичные ароматические амины)

Свойства анилина. Для анилина характерны реакции как по аминогруппе, так и по бензольному кольцу. Бензольное кольцо ослабляет основные свойства аминогруппы по сравнению с алифатическими аминами и аммиаком, но под влиянием аминогруппы бензольное кольцо становится более активным в реакциях замещения по сравнению с бензолом.

C₆H₅—NH₂ + HCl > [C₆H₅—NH₃]Cl = C₆H₅NH₂  • HCl

C₆H₅NH₂ • HCl + NaOH > C₆H₅NH₂ + NaCl + H₂O

C₆H₅NH₂ + CH3I >t> [C₆H₅NH₂CH₃]⁺I?

Аминокислотами называются гетеро-функциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно аминогруппу и карбоксильную группу. В зависимости от взаимного расположения амино– и карбоксильной групп аминокислоты подразделяют на ?-, ?-, ?– и т. д. По ИЮПАК, для наименования аминокислот группу NH₂— называют приставкой амино-, указывая цифрой номер углеродного атома, с которым она связана, а затем следует название соответствующей кислоты.

По характеру углеводородного радикала различают алифатические (жирные) и ароматические аминокислоты. Изомерия аминокислот зависит от строения углеродного скелета, положения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе. Для аминокислот характерна еще оптическая изомерия.

1. (аммонолиз галогенокислот)

2. CH₂=CH—COOH + NH₃ > H₂N—CH₂—CH₂—COOH (присоединение аммиака к ?, ?-непредельным кислотам)

3.

(действие HCN и NH₃ на альдегиды или кетоны)

4. Гидролиз белков под влиянием ферментов, кислот или щелочей.

5. Микробиологический синтез.

Аминокислоты проявляют свойства оснований за счет аминогруппы и свойства кислот за счет карбоксильной группы, т. е. являются амфотерными соединениями. В кристаллическом состоянии и в среде, близкой к нейтральной, аминокислоты существуют в виде внутренней соли – дипо-лярного иона, называемого также цвиттер-ион H₃N⁺—CH₂—COO?.

1. H₂N—CH₂—COOH + HCl > [H₃N⁺—CH₂—COOH]Cl? (образование солей по аминогруппе)

2. H₂N—CH₂—COOH + NaOH > H₂N—CH₂—COO?Na⁺ + H₂O (образование солей)

3.

(образование сложного эфира)

4.

(ацилирование)

5. ⁺NH₃—CH₂—COO? + 3CH₃I >—HI> (CH₃)₃N⁺—CH₂—COO? – бетаин аминоуксусной кислоты

(алкилирование)

6.

(взаимодействие с азотистой кислотой)

7. nH₂N—(CH₂)₅—COOH > (—HN—(CH₂)₅—CO—)_n+ nH₂O (получение капрона)

Углеводы (сахара) – органические соединения, имеющие сходное строение и свойства, состав большинства которых отражает формула С_х(Н₂O)_y, где х, у ? 3.

Классификация:

Моносахариды не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Олиго-и полисахариды расщепляются при кислом гидролизе до моносахаридов. Общеизвестные представители: глюкоза (виноградный сахар) С₆Н₁₂O₆, сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁, крахмал и целлюлоза [С₆Н₁₀О₅]_n.

1. mCO₂ + nН₂O >hv, хлорофилл> C_m(H₂O)_n (углеводы)+ mO₂ (получение при фотосинтезе)

углеводы: С₆Н₁₂O₆ + 6O₂ > 6CO₂ + 6Н₂O + 2920 кДж

(метаболизм: глюкоза окисляется с выделением большого количества энергии в живом организме в процессе метаболизма)

2. 6nCO₂ + 5nН₂O >hv, хлорофилл> (С₆Н₁₀О₅)_n + 6nO₂ (получение крахмала или целлюлозы)

Моносахриды. Все монозы в кристаллическом состоянии имеют циклическое строение (?– или ?-). При растворении в воде циклический полуацеталь разрушается, превращаясь в линейную (оксо-) форму.

Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в молекуле функциональных групп трех видов (карбонила, спиртовых гидроксилов и гликозидного (полуацетального) гидроксила).

1. С₅Н₁₁O₅—CHO (глюкоза) + Ag₂O >NH₃> CH₂OH—(CHOH)₄—COOH (глюконовая кислота) + 2Ag (окисление)

2. С₅Н₁₁O₅—CHO (глюкоза) + [Н] > CH₂OH—(CHOH)₄—CH₂OH(сорбит)(восстановление)

3. а)

(моноалкилирование)

б)

(полиалкилирование)

4.

5. Важнейшим свойством моносахаридов является их ферментативное брожение, т. е. распад молекул на осколки под действием различных ферментов. Брожению подвергаются в основном гексозы в присутствии ферментов, выделяемых дрожжевыми грибками, бактериями или плесневыми грибками. В зависимости от природы действующего фермента различают реакции следующих видов:

а) С₆Н₁₂O₆ > 2С₂Н₅OH + 2CO₂ (спиртовое брожение);

б) С₆Н₁₂O₆ > 2CH₃—CH(OH)—COOH (молочнокислое брожение);

в) С₆Н₁₂O₆ > С₃Н₇COOH + 2CO₂ + 2Н₂O (маслянокислое брожение);

г) С₆Н₁₂O₆ + O₂ > HOOC—CH₂—С(OH)(COOH)—CH₂—COOH + 2Н₂O (лимоннокислое брожение);

д) 2С₆Н₁₂O₆ > С₄Н₉OH + CH₃—CO—CH₃ + 5CO₂ + 4Н₂ (ацетон-бутанольное брожение).

Дисахариды. Дисахариды – углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных друг с другом за счет взаимодействия гидроксильных групп (двух полуацетальных или одной полуацетальной и одной спиртовой). Отсутствие или наличие гликозидного (полуацетального) гидроксила отражается на свойствах дисахаридов. Биозы делятся на две группы: восстанавливающие и невосстанавливающие. Восстанавливающие биозы способны проявлять свойства восстановителей и при взаимодействии с аммиачным раствором серебра окисляться до соответствующих кислот, содержат в своей структуре гликозидный гидроксил, связь между монозами – гликозид-гликозная. Схема образования восстанавливающих биоз на примере мальтозы:

Для дисахаридов характерна реакция гидролиза, в результате которой образуются две молекулы моносахаридов:

Примером наиболее распространенных в природе дисахаридов является сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Молекула сахарозы состоит из остатков ?-D-глюкопиранозы и ?-D-фруктофуранозы, соединенных друг с другом за счет взаимодействия полуацетальных (гликозидных) гидроксилов. Биозы этого типа не проявляют восстанавливающих свойств, так как не содержат в своей структуре гликозидного гидроксила, связь между монозами – гликозид-гликозидная. Подобные дисахариды называют невосстанавливающими, т. е. не способными окисляться.

Схема образования сахарозы:

Инверсия сахарозы. При кислом гидролизе (+)сахарозы или при действии инвертазы образуются равные количества D(+)глюкозы и D(-)фруктозы. Гидролиз сопровождается изменением знака удельного угла вращения [?] с положительного на отрицательный, поэтому процесс называют инверсией, а смесь D(+)глюкозы и D(-)фруктозы – инвертным сахаром.

Полисахариды (полиозы). Полисахариды – природные высокомолекулярные углеводы, макромолекулы которых состоят из остатков моносахаридов. Основные представители: крахмал и целлюлоза, которые построены из остатков одного моносахарида – D-глюкозы. Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (С₆Н₁₀О₅)_n, но различные свойства. Это объясняется особенностями их пространственного строения. Крахмал состоит из остатков ?-D-глюкозы, а целлюлоза – из ?-D-глюкозы. Крахмал – резервный полисахарид растений, накапливается в виде зерен в клетках семян, луковиц, листьев, стеблей, представляет собой белое аморфное вещество, нерастворимое в холодной воде. Крахмал – смесь амилозы и амилопектина, которые построены из остатков ?-D-глюкопиранозы.

Амилоза – линейный полисахарид, связь между остатками D-глюкозы 1?-4. Форма цепи – спиралевидная, один виток спирали содержит 6 остатков D-глюкозы. Содержание амилозы в крахмале – 15–25 %.

Амилопектин – разветвленный полисахарид, связи между остатками D-глюкозы – 1?-4 и 1?-6. Содержание амилопектина в крахмале 75–85 %.

1. Образование простых и сложных эфиров (аналогично биозам).

2. Качественная реакция – окрашивание при добавлении иода: для амилозы – в синий цвет, для амилопектина – в красный цвет.

3. Кислый гидролиз крахмала: крахмал > декстрины > мальтоза > ?-D-глюкоза.

Целлюлоза. Структурный полисахарид растений, построен из остатков ?-D-глюкопиранозы, характер соединения 1?-4. Содержание целлюлозы, например, в хлопчатнике – 90–99 %, в лиственных породах – 40–50 %. Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенки растительных клеток.

1. Кислый гидролиз (осахаривание): целлюлоза > целлобиоза > ?-D-глюкоза.

2. Образование сложных эфиров

a)

Из растворов ацетата целлюлозы в ацетоне изготавливают ацетатное волокно.

б)

Нитроцеллюлоза взрывоопасна, составляет основу бездымного пороха. Пироксилин – смесь ди– и тринитратов целлюлозы – используют для изготовления целлулоида, коллодия, фотопленок, лаков.