Методичні рекомендації по виконанню самостійної роботи з навчальної дисципліни „органічна хімія для студентів спеціальності 09010103 «Виробництво І переробка продукції рослинництва»



Сторінка3/4
Дата конвертації05.11.2016
Розмір0.68 Mb.
1   2   3   4
Просторова будова та ізомерія органічних сполук.

( 3 год)
План:


  1. Суть явища ізомерії.

  2. Явища конфігурації та конформації.

  3. Просторове зображення молекул і молекулярні моделі.


Студент повинен знати: суть явища ізомерії, конфігурації і конформації.
Студент повинен уміти: зображувати на письмі і будувати просторові моделі молекул.
Рекомендована література:

  1. Ластухін Ю.О., Воронов С.А. Органічна хімія. Підручник для вищих навчальних закладів. – Львів: Центр Європи, 2000. – с.87

  2. Пацак .Й. Органическая химия. Курс для средней школы и техникумов: Пер.с чешск. – М.: Мир, 1986. – с.74

  3. Потапов В.М., Татаринчик С.Н. Органическая химия Изд. 2–е, пер. М., Химия, 1976. – с.20

Для уявлення реальної будови молекул органічних сполук важливе значення має інформація про взаємне розташування атомів один відносно одного. Це дає змогу прогнозувати фізичні властивості сполук і особливо їх реакційну здатність. Для визначення будови молекули необхідно знати кількість і природу атомів ,які входять до складу кожної сполуки – так звану брутто – формулу. При цьому часто сполуки з однаковою брутто – формулою проявляють зовсім різні фізичні та хімічні властивості. Наприклад етиловий спирт і дим етиловий ефір мають однакову брутто – формулу. Так, етиловий спирт має температуру кипіння +78,3 0С, а диметиловий етер -24 0С. Із структурних формул названих речовин зрозуміло, що це пов’язано з неоднаковим розташуванням (послідовністю) атомів у молекулі один відносно одного. Різне розташування атомів у молекулі викликає появу надзвичайно важливого для органічних сполук явища – ізомерії.

Ізомерія – це явище існування речовин з однаковою брутто – формулою, але з різними фізичними і хімічними властивостями.

З існуванням ізомерів вперше зустрівся Ю. Лібіх (1823 р.), який отримав «гримучу ртуть» - срібну сіль гримучої кислоти, яка за складом відповідала срібній солі ціанової кислоти, але проявляла інші властивості. З того часу кількість сполук з однаковою брутто – формулою, але різними хімічними властивостями неухильно зростала. Наприклад, Ж. Дюма і Е. Пеліго з’ясували, що метилацетат є аналогом етилформіату.

Я. Берцеліус 1830 р. запропонував для таких сполук термін ізомери (від грецького – однакова частка), а явище їх існування отримало назву ізомерії. На той час відомі приклади ізомерії були пов’язані із структурою сполуки, і її назвали структурною. Ґрунтовне пояснення структурна ізомерія отримала після створення основ теорії хімічної будови. У процесі розвитку теоретичних поглядів органічної хімії Я. Вант – Гоффом і Ж. А. Белем (1874 р.) був обґрунтований інший тип ізомерії – стереоізомерія, яка пояснювала просторове розташування атомів у молекулі та існування стереоізомерів. З часом були відкриті інші типи просторової ізомерії, які належать до конфігураційних і конфірмаційних особливостей будови молекул.

Конфігурація – певне просторове розташування атомів у молекулі, що не може бути перетворено одне в інше при обертанні довкола простих зв’язків.

Конфігурація молекул по суті є якісним критерієм особливості її будови. Так, етан проявляє площинну конфігурацію з кутами між Карбон – Гідроген – зв’язками 1200С і перпендикулярним розташуванням до них π – зв’язку. Метан та його похідні характеризуються тетраедричною конфігурацією з кутом між Карбон – Гідроген – зв’язками 109028 .

Конформація – певні просторові форми молекул ,які виникають при внутрішньому обертанні груп атомів довкола простих зв’язків без їх розщеплення.

Явище конформації належить до тонкішої деталізації особливостей будови молекул і пов’язане з обертанням замісників довкола σ- зв’язків, унаслідок чого виникає безліч станів існування молекул – конформерів. Наприклад, в етані безперервно відбувається обертання шістьох Карбон – Гідроген – зв’язків довкола центрального σ С – С зв’язку і молекула весь час знаходиться в певних конформаціях.

При застосуванні поняття конфігурації або конформації молекул виникає проблема їх просторового зображення. Для цього використовують молекулярні моделі, відповідної формули та проекції. Останні застосування для графічного позначення структури на площині.

Молекулярні моделі – це механічні конструкції молекули в певному співвідношенні з фізичною реальністю. Найпоширеніші моделі трьох типів: кулестержньові, Стюарта – Бріглеба і Дрейдінга.

Кулестержньові моделі були одними з перших, за допомогою яких пояснювали просторову будову. Атоми виглядають у них різнокольоровими кульками, які з’єднані між собою стержнями. Подвійному зв’язку відповідають два стержні, потрійному – три. Для кулестержньових моделей можна дотримуватися певного геометричного співвідношення з реальними розмірами молекули (ковалентним радіусом, валентним кутом, довжиною зв’язку). Тому вони зручні при розгляді обертання атомів довкола простого зв’язку і порівнянні оптичних ізомерів між собою.

Моделі Стюарта – Бріглеба дають інформацію про розташування атомів у молекулах з реальними відстанями між атомами і відображають об’єми електронних хмар навколо атомів. Вони певною мірою відтворюють електронне упакування молекул. Але півсферичні моделі Стюарта – Бріглеба непридатні для пояснення величини валентних кутів і обертання замісників довкола зв’язків.

Моделі Дрейдінга демонструють лише зв’язки в молекулі, які розташовані під певними валентними кутами. Ці молекулі показують лише скелет (ланцюг) молекули і корисні при розгляді особливо складних органічних сполук на зразок алкалоїдів, ферментів, біополімерів тощо.

Крім того використовують інші набори моделей, зокрема Фізера – для аналізу геометрії і конформації молекул, Кохрейна – для загального розгляду будови органічних сполук тощо.

З короткої характеристики молекулярних моделей зрозуміло, що кожен їх різновид має свої переваги та недоліки. Вони зручні при безпосередній побудові механічних конструкцій молекул. Головним недоліком при цьому вважають значну витрату часу. Для скорочення процесу побудови молекулярних моделей доцільно застосовувати сучасні ЕОМ. Це дозволяє за допомогою комп’ютерної графіки змінювати та обертати як завгодно тривимірне зображення молекули з кінцевим графічним друком малюнка молекули.

Для показу будови відносно простих молекул на площині застосовують такі проекції або формули:

1. Клиноподібні формули використовують як для насичених, так і для ненасичених сполук.

Кожну молекулу показують як тетраедричні або тригональні конфігурації на площині креслення, і зв’язки, розташовані на цій площині, позначають звичайними рисками. Зв’язки розташовані над (перед) площиною (направлені до спостерігача), позначають зафарбованими клинами, а зв’язки , під (за) площиною (направлені від спостерігача) – не зафарбованими клинами протилежного напрямку.

2. Перспективні формули зображення молекулярних конфігурацій насичених і ненасичених сполук. Вони зручні при розгляді обертання замісників довкола зв’язків для сполук відносно простої будови. Практично для цього частіше користуються проекціями перспективних формул – проекціями М. Ньюмена.

3. Проекційні формули Ньюмена отримують, розглядаючи перспективну формулу уздовж напрямку зв’язку Карбон – Карбон (з боку найближчих до спостерігача груп атомів) так, щоб вісь зв’язку перетворилась у точку. Атом першого до спостерігача вуглецю позначають також точкою, а віддаленого – колом. Проекція Ньюмена використовують при розгляді конфірмаційних ізомерів.

4. Проекційні формули Е. Фішера застосовують з метою позбутися незручності клиноподібних формул і перейти до простіших при розгляді хімічних властивостей оптичних ізомерів.

Таким чином, крім структурної ізомерії існує ще ізомерія, пов’язана з просторовим розташуванням атомів у молекулі. Її називають узагальнюючим терміном – просторовою ізомерією, або стереоізомерією (від. грецької просторовий).

Стереоізомери – молекули, побудовані з однакових атомів і з однаковою послідовністю зв’язків, які відрізняються конфігурацією або розташуванням атомів у просторі.

Взагалі явище ізомерії можна класифікувати таким чином: ізомерія поділяється на структурну і стереоізомерію, структура ізомерія поділяється на статичну і динамічну (таутомерія), стереоізомерія поділяється на енантіометрія, діастереоізомерія, конфірмаційна (поворотна).

Діастереоізомерія включає σ – і π – діастереоізомерію. Остання відоміша як геометрична (цис - , транс – ізомерія). Особливості σ – діастереоізомерії будуть розглянуті нижче.


Питання для самоконтролю:


  1. Що таке явище «ізомерія»?

  2. Поясніть явище «конфігурації»?

  3. Поясніть явище «конформації»?

  4. Які способи зображення просторових моделей молекул органічних сполук існують?

  5. Які проекції та формули використовують для показу відносно простих молекул?

Тема 8 Структурна ізомерія.

( 2 год)
План:


  1. Характеристика структурної ізомерії.

  2. Статична структурна ізомерія.

  3. Динамічна структурна ізомерія.


Студент повинен знати: особливості структурної ізомерії, суть статичної структурної ізомерії і динамічної структурної ізомерії.
Студент повинен уміти: розрізняти ізомери, складати структурні формули ізомерів за брутто – формулою.
Рекомендована література:

  1. Ластухін Ю.О., Воронов С.А. Органічна хімія. Підручник для вищих навчальних закладів. – Львів: Центр Європи, 2000. – с.92

Структурна ізомерія була першою, яку досліджували хіміки. Тепер розрізняють статичну і динамічну ізомерію. Перша, у свою чергу, може поділитися на ізомерію вуглецевого ланцюга, ізомерію положення функціональної групи та ізомерію саме функціональних груп.

Статична структурна ізомерія – ізомерія речовин, яка пов’язана з певною послідовністю сполучення атомів між собою в молекулах і при якій ізомери не перетворюються один в одного.

Ізомерія вуглецевого ланцюга зумовлена різною послідовністю сполучення атомів в молекулі. Наприклад, для двох згаданих ізомерів гексану С6Н14 спостерігається різний порядок сполучення атомів вуглецю:


СН3-СН2-СН2-СН2–СН2-СН3 гексан
СН3-СН-СН2-СН2-СН3 2-метилпентан

СН3


Таку ізомерію можна навести і для аліциклічних вуглеводнів, наприклад для ізомерії із брутто – формулою С 4Н8 : циклобутан і метил циклопропан.

Ізомерія положення функціональної групи, або замісника , пов’язана з можливістю різного положення цієї групи в ланцюгу молекули: С3 Н8 О – пропіловий спирт і ізопропіловий спирт.

До функціональних груп можна віднести також подвійні і потрійні зв’язки: 2 – пентин і 1 – пентин.

Ізомерія функціональних груп зумовлена присутністю в ізомерах різних за природою функціональних груп : 1 – пропанол і етилметиловий етер ; метилацетат гідроксиацетон.

Динамічна структурна ізомерія – ізомерія, яка пов’язана зі взаємним перетворенням двох ізомерів у стані рівноваги.

Інший тип структурної ізомерії – динамічна, як правило, називається таутомерією (від грецького той самий). Для таутомерії характерне швидке оборотне перенесення атомів у вигляді катіонів або аніонів від однієї молекули до іншої. Таутомерія називається катіонотропною, якщо переноситься катіон, і аніонотропною при перенесенні аніона. З катіонів частіше зустрічається міграція протона Гідрогену, і таку таутомерію називають протопропною. До неї належить таутомерія, пов’язана з підвищеною рухливістю атома водню в α – положенні до електроноакцепторних груп. Існує декілька різновидів такої таутомерії: кето – енольна таутомерія (співвідношення кетонної та енольної форм коливається в широких межах), лактимно – лактамна (амідно – імідольна) таутомерія, нітрозо – оксимна таутомерія, нітро – ізонітротаутомерія (нітро – аци – нітротаутомерія), імін – енамінна таутомерія.

Фенаміни стійкі лише для повністю заміщеної аміногрупи, а при неповністю заміщеної аміногрупи рівновага зміщується вліво до імінного стану.

Крім розглянутих прототропних випадків ізомерії існує аніонотропна таутомерія, для якої міграційною частинкою виступають аніони галогенів, алкоксидні аніони.

Чітку межу між статичною і динамічною ізомерією провести важко, оскільки статичні ізомери у збудженому стані здатні перетворюватись один в одного. Наприклад ,1 - бромопропан при нагріванні до 250 0С перетворюється у свій ізомер 2 – бромопропан до рівноважного стану.

З другого боку, деякі кетонні або особливо енольні форми карбонільних сполук при низьких температурах (приблизно – 1000С) існують в ізольованому стані у вигляді не таутомерів, а статичних структурних ізомерів.


Питання для самоконтролю:

  1. Суть структурної ізомерії?

  2. Що таке статична структурна ізомерія?

  3. Характеристика ізомерії вуглецевого ланцюга.

  4. Характеристика ізомерії положення функціональної групи, або замісника.

  5. Ізомерія функціональних груп.

  6. Яка ізомерія називається ще «таутомерією»?

  7. Чим відрізняється структурна ізомерія від динамічної?

  8. Яка різниця між катіонотропною і аніонотропною ізомерією?

  9. Міграція якого протона зумовлює прототропну ізомерію?

Тема 9 Енантіомерія.

( 2 год)
План:


  1. Суть явища енантіомерії.

  2. Рацемічні суміші.

  3. Хіральність.


Студент повинен знати: як було відкрито стереоізомери, будову поляриметра, поняття «рацемат» і «хіральність».
Студент повинен уміти: користуватися поляриметром.
Рекомендована література:

  1. Ластухін Ю.О., Воронов С.А. Органічна хімія. Підручник для вищих навчальних закладів. – Львів: Центр Європи, 2000. – с.96

Існування оптичної активності було відкрито Ж. Біо 1815 р. і активно досліджувалося Л. Пастером, який, спостерігаючи форми кристалів подвійних натрійамонійних солей винних кислот, зробив припущення ,що їх різна кристалічна форма пов’язана з неоднаковою просторовою будовою молекул ( 1848 р.). Пізніше Я. Вант – Гофф і Ж. А. Ле Бель (1874 р.) обґрунтували і пояснили це явище стереоізомерії як здатність сполук існувати в різних просторових формах. До просторових ізомерів різної будови, що проявляють оптичні властивості, належать енантіомери (оптичні антиподи), діастереоізомери, аномери, епімери тощо.

Під оптичною активністю стереоізомерів розуміють здатність сполуки обертати площину поляризованого світла. Для спостерігання оптичної активності використовують поляриметр. Поляриметр має такі складові частини:


  1. джерело світла

  2. поляризатор (призма Ніколя)

  3. трубка з енантіомером

  4. аналізатор

Поляризатор і аналізатор розташовуються таким чином, щоб коливання світла відбувалося в одній площині. При цьому площини поляризації світла повинні збігатися. Тільки при такому розташуванні крізь них проходить максимум світла. Після поляризатора світло стає площиннополяризованим, тобто всі коливання проходять в одній площині. При проходженні світла через трубку з енантіомером площина поляризації починає безперервно відхилятися від початкового стану і під кінець нагадує перекручену смугу. При цьому вона може відхилятися вліво або вправо на певний кут α , тобто спостерігачу для отримання максимуму світла необхідно аналізатор повертати на кут α . У разі повороту аналізатора вправо (за годинниковою стрілкою) енантіомер називають правообертаючим і позначають (+), а вліво (проти годинникової стрілки) – лівообертаючим і позначають (-).

Для порівняння оптичної активності різних енантіомерів користуються значеннями питомого обертання. Питоме обертання характеризує оптичну активність енантіомеру при його концентрації 1 г/мл і довжині трубки 1 дм.

Енантіомерія – явище існування двох дзеркальних енантіомерів, які не суміщаються у просторі.

Енантіомерія була теоретично обґрунтована на прикладі сполук з чотирма різними замісниками біля одного атома вуглецю. Такі сполуки існують у вигляді енантіомерів, чи оптичних антиподів ,і відносяться один до одного як дзеркальні відбиття, які не збігаються при суміщенні чи накладанні. Дзеркальні відбиття, що не суміщаються між собою, називаються енантіомерами, а явище їх існування – енантіомерією (від грецького – протилежний).

Хімічні властивості енантіомерів однакові, і вони відрізняються між собою лише знаком обертання поляризованого світла. Крім ,того, вони ще можуть по різному реагувати з енантіомерними реагентами певного знака обертання і проявляють різну біологічну активність. Як правило, при синтезі енантіомерних сполук утворюються різні кількості ліво- і право обертаючих енантіомерів – так звані рацемічні суміші, властивості яких у розчинах подібні до властивостей складових енантіомерів. Для кристалічного стану енантіомерів здебільшого характерне утворення їх молекулярного стану – так званого рацемату, фізичні властивості якого відрізняються від властивостей кожного з цих енантіомерів. Рацемат – еквімолекулярна суміш пари енантіомерів з індивідуальними фізичними властивостями. Наприклад, енантіомери винної кислоти мають температуру топлення 1700С, а їх рацемат (виноградна кислота) 205+- 20С. Рацемати позначають через r .

Існування енантіомерів можливе тоді, коли атом вуглецю сполучений з чотирма різними замісниками. Такий атом вуглецю називають хоральними (від грецького рука) і може позначатися зірочкою С*. Молекула молочної кислоти хіральна, атом вуглецю, сполучений з чотирма різними замісниками, - хіральний.

Спочатку для позначення такого атома вуглецю С* і відповідних йому молекул використовували термін «асиметричний» (антисиметричний). Але в деяких випадках спостерігаються суперечності при його застосуванні щодо молекул, які проявляють енантіомерію, але одночасно характеризуються деякими елементами симетрії, про що буде сказано далі. Термін «асиметричний» одночасно вказує на відсутність будь – яких елементів симетрії. Тому його доцільно замінити універсальним і точнішим терміном «хіральний». Хіральність – здатність будь – якого предмета мати своє дзеркальне відбиття ,не тотожне оригіналу. Пропонують застосовувати термін «асиметричний» лише для позначення атома, який сполучений з чотирма різними замісниками.

Що таке – хіральність? Яскравий приклад хіральності – наші руки, кожна з них є дзеркальним відображенням іншої, і при накладанні вони не збігаються. Тому під виразом «хіральний атом» або «хіральна молекула» слід розуміти існування атома або молекули у вигляді пари після дзеркально відбиття.

Загалом оптично активна молекула хіральна, якщо існує у вигляді пари енантіомерів. Навпаки, атом або молекула, які існують у вигляді пари дзеркальних відображень (не проявляють оптичної активності), належать до ахіральних (антихіральних) об’єктів.
Питання для самоконтролю:


  1. Суть явища енантіомерії?

  2. Який прилад використовують для вивчення оптичної ізомерії і яка його будова?

  3. Що таке «рацемічні суміші»?

  4. Поясніть явище «хіральності»?

Тема 10 Геометрична ізомерія.

( 2 год)
План:


  1. Характеристика геометричної ізомерії.

  2. Геометрична ізомерія циклічних сполук.


Студент повинен знати: суть явища геометричної ізомерії, різницю між цис – і транс – ізомерами, особливості геометричної ізомерії циклічних сполук.
Студент повинен уміти: розрізняти цис – і транс – ізомери.
Рекомендована література:

  1. Ластухін Ю.О., Воронов С.А. Органічна хімія. Підручник для вищих навчальних закладів. – Львів: Центр Європи, 2000. – с.120

Геометрична ізомерія, чи цис-, транс-ізомерія (π – діастереоізомерія), характерна для сполук з ізольованими подвійними зв’язками і виникає внаслідок неможливості вільного обертання замісників довкола С=С – зв’язку. Так, малеїнова і фумарола кислоти відрізняються розташуванням карбоксильних груп відносно площини, яка проходить через середину π – зв’язку.

цис – Конфігурація відповідає розташуванню двох однакових замісників з одного боку π – електронної площини, а транс – конфігурація – протилежному випадку.

Оскільки обертання замісників довкола подвійного зв’язку неможливе, перетворення цис – ізомеру в транс – ізомер потребує відповідної енергії (нагрівання або опромінення) для розщеплення старого π – зв’язку й утворення нового.

При нагріванні, як правило, менш стійкий цис – ізомер перетворюється в стійкіший транс – ізомер внаслідок вільного обертання однієї групи довкола осі С – С – зв’язку. Більша стабільність транс – конфігурації порівняно з цис – зумовлена в першу чергу об’ємом замісників та їхнім електростатичним відштовхуванням один від одного. При близькому розташуванні об’ємних замісників починається взаємодія їх зовнішніх електронних оболонок. Це приводить до їх відштовхування, викривлення валентних кутів, зменшує стабільність цис – ізомеру.

Геометрична ізомерія відноситься до загальної π – діастереоізомерії. Так, малеїнова кислота і фумарола кислоти – π – діастереоізомери, вони не суміщаються між собою і не проявляють оптичної активності, тобто ахіральні.

цис - , транс – Ізомерія властива також циклічним сполукам, незважаючи на те, що вони відносяться до σ – діастереоізомерів. Але неможливість вільного обертання замісників за σ – зв’язками внаслідок їх жорсткого розташування відносно площини циклу веде до появи геометричної стереоізомерії, подібної до цис - , транс – ізомерії циклічних сполук можлива наявність одночасно оптичної ізомерії завдяки існуванню хіральних атомів вуглецю. Розглянемо це на прикладі циклічної сполуки, для якої два однакових замісники розташовані біля різних вуглецевих атомів кільця. Так, транс – ізомер 1,2 – диметилциклопропану існує у вигляді двох енантіомерів ,які не суміщаються між собою. цис – Ізомер має площину симетрії, що розділяє його на дві рівні половини, суміщається зі своїм дзеркальним відображенням і тому є діастереозіомером по відношенню до обох енантіомерів транс – ізомеру або навпаки. Тому цис – ізомер є ахіральних ,існує у вигляді оптично неактивної мезо – форми аналогічно винній кислоті, а загальна кількість ізомерів менша за очікувану і дорівнює трьом.

Для двозаміщеного циклопропану з різними замісниками кількість стереоізомерів дорівнює чотирьом.

Кожний транс – ізомер є діастореоізомером до обох цис – ізомерів і навпаки.

Аналогічно можна розглядати чотири -, пятичленні тощо цикли з двома замісниками ,застосовуючи позначення цис- або транс -. При трьох і більше замісниках в одній сполуці відносити ізомери до цис – або транс – конфігурації за певними правилами складніше.


Питання для самоконтролю:


  1. Для яких сполук характерна геометрична ізомерія?

  2. Особливості цис – і транс – ізомерів.

  3. Чи характерна геометрична ізомерія для циклічних сполук?

  4. Які атоми вуглецю сприяють одночасному існуванню цис – і транс – ізомерів?

Тема 11 Конформаційна ізомерія.

( 1 год)
План:


  1. Суть конфірмаційної ізомерії.

  2. Особливості конформерів.


Студент повинен знати: чим зумовлена конформаційна ізомерія, різницю між затіненими і загальмованими конформерами, особливості енергії конформерів.
Студент повинен уміти: відрізняти конфірмаційні ізомери від інших видів ізомерів, розрізняти загальмовану форму і затінену форму ізомеру.
Рекомендована література:

  1. Ластухін Ю.О., Воронов С.А. Органічна хімія. Підручник для вищих навчальних закладів. – Львів: Центр Європи, 2000. – с.124

  2. Пацак .Й. Органическая химия. Курс для средней школы и техникумов: Пер.с чешск. – М.: Мир, 1986. – с.74

Конформаційна ізомерія зумовлена обертанням (ротацією) атомів або окремих груп атомів навколо простого σ – зв’язку. Таких структур існує безліч, і вони знаходяться у динамічній рівновазі, відрізняючись між собою енергетичною стабільністю. Стабільніші конфігурації, в яких молекула знаходиться переважну частину часу, називаються конформерами, і з їх великої кількості найважливішими є крайні форми, наприклад для етану затінена (заслонена) і загальмована, які позначаються за допомогою проекцій Ньюмена. Нагадаємо, щоб побудувати таку проекцію, необхідно розглядати перспективну формулу етану з торця уздовж зв’язку С – С , і перший до спостерігача атом вуглецю позначати точкою, а другий – колом. Між електронними хмарами суміжних зв’язків σс – н етану, що розташовані біля різних атомів вуглецю, виникає взаємне відштовхування, максимальне при їх орієнтації один біля одного. Тоді вільне обертання, або ротація, замісників навколо простого σс – с зв’язку певною мірою гальмується.

Конформери, для яких відштовхування між замісниками та їх зв’язками з атомом вуглецю мінімальні, стабільніші і називаються загальмованою формою. Для затіненої форми відштовхування між зв’язками та атомними угрупуваннями максимальні. Тому загальмована форма приблизно на 12 кДж/ моль вигідніша ніж затінена (С. Пітцер, 1936 р.). Оскільки енергія різних конформерів не однакова, то неоднакова і ймовірність їх існування. Важливим чинником є залежність потенційної енергії молекули щодо торсійного кута (кута повороту, або кута кручення).

Торсійний кут – кут повороту суміжних зв’язків один відносно одного.

Наприклад, для етану при «виході» молекули із затіненої конформації в процесі обертання на 600 енергія стає мінімальною, що відповідає вже новій конформації - загальмованій. При обертанні навколо С – С – зв’язку далі на 600 потенційна енергія зростає і молекула етану «проскакує» затінену конформацію, тобто долає («проходить») енергетичний бар’єр обертання, під час якого відштовхування протилежних зв’язків, розташованих один проти одного, максимальне. Різниця енергії двох крайніх конформацій складає приблизно по 12 кДж/ моль і величиною енергетичного бар’єра.

Таким чином, конформерами слід вважати такі конформації, які відповідають мінімальним значенням на енергетичних діаграмах. Звичайно при температурі, яка відповідає кімнатній або перевищує її, потенційної енергії для молекул етану достатньо для подолання енергетичного бар’єра. При зменшенні температури виникає протилежна картина. Зі збільшенням об’єму замісників висота енергетичного бар’єру зростає.


Питання для самоконтролю:


  1. Чим зумовлена конформаційна ізомерія?

  2. Що таке «конформери»?

  3. Що таке загальмована форма конформера?

  4. Особливості затіненої форми конформера?

  5. Дайте визначення «торсійного кута».

  6. Охарактеризуйте величину енергетичного бар’єра.

Тема 12 Деякі класи органічних сполук.



( 2 год)
План:

  1. Етери.

  2. Естери.

  3. Жири.

  4. Оксикислоти.

  5. Оксокислоти.

  6. Вуглеводи.

  7. Аміни.

  8. Діазо- і азосполуки.

  9. Аміди кислот.

  10. Амінокислоти, пептиди і білки.

  11. Гетероциклічні сполуки.

  12. Алкалоїди.


Студент повинен знати: основні класи органічних сполук, їх фізичні і хімічні особливості, поширення в природі і використання.
Студент повинен уміти: складати рівняння основних хімічних реакцій для найбільш поширених класів органічних сполук, розрізняти хімічні речовини за хімічними реакціями.
Рекомендована література:

  1. Ластухін Ю.О., Воронов С.А. Органічна хімія. Підручник для вищих навчальних закладів. – Львів: Центр Європи, 2000. – с.201

  2. Пацак .Й. Органическая химия. Курс для средней школы и техникумов: Пер.с чешск. – М.: Мир, 1986. – с.170

  3. Потапов В.М., Татаринчик С.Н. Органическая химия Изд. 2–е, пер. М., Химия, 1976. – с.42

  4. Перекалин В.В., Зонин С.А. Органическая химия. Учеб.пособие для студентов пед. ин-тов по хим., хим.-биол. и биол.-хим. Специальностям. Изд. 3–е, перераб. М., Просвещение, 1977. – с.16

  5. Писаренко А.Н., Хавин З.Я. Курс органической химии: Учебник для нехим.спец.вузов. – 4–е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1985 – с.33


Етери (прості ефіри) – продукти заміщення атома гідрогену гідроксильної групи спирту на радикал. У молекулі простого ефіру обидва радикали можуть бути однаковими і різними. Етери іноді називають ангідридами спиртів і фенолів. Причиною такого твердження є те, що їхня молекула утворюється з двох молекул спирту або фенолу, якщо від їх гідроксилів відняти молекулу води. Для етерів крім ізомерії радикалів характерний ще один вид ізомерії – метамерія. Це такий вид ізомерії, коли два і більше етери мають однакову молекулярну формулу, але різні фізичні і хімічні властивості, зумовлені різними радикалами по обидва боки від кисневого містка. Етери добувають синтетичними способами (в природі у вільному стані вони майже не трапляються). Найчастіше використовують метод міжмолекулярної дегідратації за наявності каталізаторів, приєднання молекул спирту до молекул алкенів або алкінів ,взаємодію спиртів або фенолів з діазо метаном. Етери – відносно стійкі органічні сполуки. На них майже не діють луги і більшість міцних мінеральних кислот. Під дією деяких гідрогенових кислот вони можуть утворювати оксонієві солі, при взаємодії з кислотами Льюїса – комплекси. У разі тривалого зберігання і контакту з повітрям етери поступово окиснюються, що призводить до утворення гідро пероксидів і пероксидів. Це негативно позначається на якісній характеристиці етерів, а окремі з них за наявності таких домішок не можуть бути використані для певних цілей.

Естери (складні ефіри) – продукти заміщення атома гідрогену гідроксогруп в органічних і мінеральних кислотах на радикал. Для двох- і багато основних кислот існують повні і кислі етери. Етери іноді називають змішаними ангідридами. Для естерів характерні ті самі види ізомерії, що й для етерів – ізомерія радикалів і метамерія. Естери найчастіше добувають синтетично – реакцією етерифікації, рідше – різними методами виділення з природної сировини. Естери практично не розчиняються у воді і добре розчиняються в органічних розчинниках. Це здебільшого рідкі леткі речовини. Багато з них зумовлюють запах та смак фруктів. Деякі з них мають запах різних квітів. На відміну від етерів естери хімічно активні. Вони легко вступають в реакції гідролізу, алкоголізу, амонолізу, можуть вступати в реакції конденсації Кляйзена і Дімана, відновлюються в ацилоїни, спирти, можуть взаємодіяти з реактивом Гріньяра та іншими металоорганічними сполуками, вступають у реакції піролізу з утворенням кетонів. Естери – основна складова частина жирів, олії, восків, спермацету, входять до складу ефірних олій. Естери фосфорної кислоти (ДНК, РНК) відіграють важливу роль у життєдіяльності організмів людини, тварини, рослини, мікробів і вірусів. Багато медикаментів – естери (валідол, три нітрогліцерин), вибухові речовини (тринітротолуол) тощо.

Жири, або тригліцериди – це естери, молекули яких утворені залишками трьохатомного спирту гліцерину і вищими жирними кислотами (ВЖК). ВЖК можуть бути представлені насиченими (стеаринова, пальмітинова) і ненасиченими (олеїнова, лінолева, ліноленова) кислотами, рідше циклічними та гідроксикислотами. Розрізняють прості і складні жири. В складі простого жиру містяться залишки однієї ВЖК (тристеарин) в складі складного – двох або трьох ВЖК (стеаропальмітоолеїн). Відомо понад 600 індивідуальних жирів : 420 – рослинних, 90 тваринних, 100 – мешканців водойм. У складі жирів тваринного походження переважають залишки насичених ВЖК , що й визначає їх тверду консистенцію. Жири рослинного походження містять переважно ненасичені ВЖК і є рідинами, крім пальмітинового, їх, як правило, називають оліями. Жири тваринного походження називають салами (крім вершкового масла). Жири найчастіше добувають з природної сировини ,рідше – синтетично. Для цього використовують витоплювання (переважно для жирів тваринного походження), екстрагування і віджимання (рослинні жири). Якість і чистота кожного жиру визначаються фізичними і хімічними константами (густина, щільність, температура топлення, температура тверднення, коефіцієнт заломлення, число омилення, йодне число, кислотне число та деякі інші). Фізичні і хімічні властивості жирів залежать від природи та кількісного співвідношення залишків насичених і ненасичених ВЖК, що входять до складу їхніх молекул. Жири не розчиняються у воді, розчиняються в органічних розчинниках. При сильному збовтуванні з водою утворюються емульсії. Молекули жирів можуть розщеплюватися водою на гліцерин і ВЖК під впливом (перегрітої пари, концентрованої сульфатної кислоти, лугів). Жири – цінні продукти харчування людини і тварин. Вони є високо енергетичним джерелом хімічної енергії. Жири – важливе джерело утворення ендогенної води в організмі тварин. Вони беруть участь в терморегуляції, захищають органи і тканини від механічних пошкоджень, зумовлюють еластичність шкіри. Технічні жири використовують для виготовлення мил, інших миючих засобів, мастил, свічок, косметичних кремів. Рослинні жири – сировина для добування оліф, алкідних смол (з рибних відходів). Гідрогенізацією рослинних жирів отримують маргарин.

Гідроксикислоти або оксикислоти – похідні карбонових кислот, у радикалі яких один або кілька атомів гідрогену заміщені на гідроксильні (спиртові) групи. Іноді їх називають спиртокислоти. Кількість карбоксильних груп, що міститься в молекулі кислоти, визначає її основність. За кількістю гідроксилів, включаючи гідроксили карбоксильних груп, визначають атомність гідроксикислот. Залежно від кількості карбоксильних груп, що містяться в молекулах таких сполук, розрізняють одно-, двох- і трьохосновні гідроксикислоти. За кількістю гідроксильних груп, що містяться в молекулах цих сполук, розрізняють двох-, трьох- і багатоатомні гідроксикислоти. Для гідроксикислот характерна оптична ізомерія. В основу пояснення цього явища покладено уявлення про просторове розміщення атомів і атомних груп у молекулах гідроксикислоти. В молекулі оптичного ізомера є асиметричний атом ( або декілька) карбону. Це такий атом карбону, кожна валентність якого сполучена з одним із різних атомів або груп атомів. Гідроксикислоти дуже поширені в природі (кисле молоко, квашена капуста, силос, вина). Їм належить важлива роль в обміні речовин. Гідроксикислоти – хімічно активні речовини, які легко вступають в різні хімічні реакції характерні для карбонових кислот, спиртів і типові для самих оксикислот.

Оксокислоти (альдегідо- і кетокислоти) – похідні карбонових кислот, у молекулах яких крім карбоксильною групи міститься альдегідна або кетонна група. Найпростіший представник піровиноградна кислота. Оксокислотам належить важлива роль у перетворенні вуглеводів, білків та ліпідів в живих організмах. Оксокислоти – гетеро функціональні сполуки. Вони одночасно мають властивості карбонових кислот і оксосполуки. Як карбонові кислоти, вони здатні утворювати солі, галогенангідриди, естери, ангідриди кислот. Маючи в складі своїх молекул карбонільну групу, вони здатні утворювати оксими, гідра зони, ціангідриди тощо.

Вуглеводи – органічні сполуки, молекула яких найчастіше складається з трьох хімічних елементів – карбону, гідрогену, оксигену в такому кількісному співвідношенні, що на один атом карбону припадає одна молекула води (але є і виключення з даного співвідношення - дезоксирибоза). Звідси і їх назва. Пізніше було встановлено, що до складу вуглеводів можуть входити і інші хімічні елементи – фосфор, сульфур, нітроген. За хімічними властивостями вуглеводи є багатоатомними альдегідо- і кето спиртами. Вони дуже поширені в природі, їх молекули первинно утворюються в клітинах рослин у результаті реакції фотосинтезу і становлять 80 – 90 % сухої маси рослини. В організм людини і тварин вони надходять з їжею і зазнають механічної та хімічної переробки. В тваринному організмі міститься 1 – 2 % вуглеводів в перерахунку на суху масу. У живих організмах вуглеводи – основне джерело хімічної енергії. Окремі органи задовольняють свої енергетичні потреби переважно за рахунок розщеплення глюкози : мозок – на 80%, серце – на 75%. Вуглеводи відкладаються в організмі тварини у вигляді глікогену. Деякі з них виконують опорні функції, беруть участь у формуванні структури клітини і міжклітинної речовини, захищають організм від мікробів і токсинів, є структурними компонентами ДНК і РНК тощо. За будовою молекули вуглеводів поділяють на дві групи – прості і складні. Прості вуглеводи називають Моноцукридами. Складні вуглеводи поділяють на Дицукриди і Поліцукриди.

Аміни – похідні аміаку, або гідрату амонію, в молекулі яких один або кілька атомів гідрогену заміщені залишками вуглеводнів, радикалами. Залежно від кількості заміщених атомів гідрогену розрізняють первинні, вторинні, третинні аміни. Залежно від радикалу існують аміни жирного і ароматичного рядів. Аліфатичні аміни за своїми властивостями є основами, подібними до аміаку. Ароматичні аміни мають менш виражені основні властивості. Аміни жирного ряду містяться в продуктах рослинного і тваринного походження, що зазнають впливу гнильної мікрофлори. Значна їх кількість утворюється при гнитті білків. Синтетичні аміни добувають з аміаку, спиртів та реакцією Зініна. Аміни ароматичного ряду є вихідними речовинами для добування барвників, медикаментів, вибухових речовин, нейлону тощо. Амінами є гормональні речовини, адреналін і норадреналін, гестамін і серотонін, які використовуються як ліки.

Діазосполуки органічні речовини, в молекулах яких містяться два атоми нітрогену. Дазосполуки існують у вигляді двох таутомерних форм: у кислому середовищі – у вигляді солей діазонію, в лужному – істинні діазосполуки. Азосполуки – органічні речовини, що містять діазогупу, сполучену з двома радикалами. Найпростіші азосполуки, що можуть бути представлені азометаном і азобензолом. У радикалах азосполук один або кілька атомів гідрогену можуть бути заміщені на інші функціональні групи. Діазо- і азосполуки добувають різними способами. Зокрема солі діазонію добувають із первинних ароматичних амінів дією на них нітратною кислотою в кислому середовищі за зниженої температури. Такі солі зберігають за низьких температур, оскільки вони легко розкладаються. Реакцію добування солей діазонію називають реакцією діазонування. Усі реакції слід виконувати у водних розчинах. Солі діазонію – надзвичайно реакційно здатні сполуки. Реакції солей діазонію поділяють на дві групи: а) реакції, які відбуваються з виділенням азоту. До них відносяться реакції добування фенолів, галогенпохідних, нітрилів, ароматичних кислот, металоорганічних сполук, вуглеводнів та інших. б) реакції, що відбуваються без виділення азоту. До них належать реакції утворення азосполук, серед них є багато барвників і індикаторів.

Аміди – похідні кислот, які утворюються при заміщенні їхнього гідроксилу у карбоксильній групі на аміногрупу. Аміди кислот – здебільшого нейтральні сполуки, оскільки лужний характер аміногрупи значною мірою нейтралізує кислотні властивості кислотного залишку. Існує кілька синтетичних способів добування амідів кислот. Найбільше значення мають такі: дегідратація амонійних солей відповідних кислот, взаємодія аміаку або аміну з галогенангідридами, неповний гідроліз нітрилів та інші. Аміди кислот – хімічно активні сполуки. Алкіли і діалкіламіди мають слабкі основні властивості. З сильними мінеральними кислотами аміди утворюють солі, що легко гідролізуються. При дегідратації амідів утворюються нітрили, при відновленні – аміни. Під час кип’ятіння з міцними мінеральними кислотами або лугами з амідів кислот утворюються відповідні кислоти. Атоми гідрогену в молекулах амінів можуть заміщуватися на алкіли або ацили в результаті взаємодії з алкілгалогенідами або ангідридами, галогенангідридами чи ангідридами. Аміди кислот мають велике значення. Окремі аміди у вигляді залишків амінокислот входять до складу молекул білків (аспарагін), є проміжними продуктами обміну речовин у живих організмах (глютамін), кінцевими продуктами обміну речовин, сировиною для добування лікарських препаратів тощо.

Амінокислоти – похідні карбонових кислот у радикалі яких один або кілька атомів гідрогену заміщені на аміногрупи. Відомо понад 150 амінокислот, добутих із органічних джерел і методами органічного синтезу. Для біосинтезу білків організмів людей і тварини потрібно 20 амінокислот, два аміди (аспарагін і глютамін) і дві імінокислоти (пролін і оксипролін). Амінокислоти поділяють на дві групи: ациклічні і циклічні. В групі ациклічних амінокислот виділяють чотири підгрупи: моноаміномонокарбонові, диаміномонокарбонові, моноамінодикарбонові, диамінодикарбонові. Циклічні амінокислоти поділяють на дві підгрупи: ізоциклічні і гетероциклічні. Амінокислоти – основа структури білків кожного живого організму. Білки кормів поділяють на повноцінні і неповноцінні. Повноцінні білки містять у складі своїх молекул залишки незамінних амінокислот, які не можуть бути синтезовані організмом тварини: валін, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан і фенілаланін, до умовно незамінних амінокислот відносяться гістидин, оскільки його незначна нестача в кормах поповнюється синтезом мікрофлорою в травному тракті. Решта амінокислот замінні і можуть синтезуватися в організмі тварини: аланін, аспарагінова і глютамінова кислоти, серин. П’ять амінокислот частково замінні: аргінін, гліцин, тирозин, цистин і цистеїн. Імінокислоти пролін і оксипролін можуть синтезуватися в організмі з деяких продуктів проміжного обміну вуглеводнів, ліпідів, білків, нуклеїнових кислот. Амінокислоти – безбарвні кристалічні речовини, солодкі на смак, більшість з них розчиняється у воді, оптично активні, мають високу температуру плавлення. Амінокислоти досить хімічно активні. Вони вступають у низку хімічних реакцій, як за аміно так і за карбоксильними групами. Взаємодіючи з лугами або кислотами - вони утворюють солі, етери, естери, вступають в реакцію між собою утворюючи пептиди. Пептиди – природні або синтетичні речовини, молекули яких побудовані із залишків α – амінокислот, сполучених між собою пептидними зв’язками. Олігопептиди – це пептиди до складу яких входять 2 – 9 залишків амінокислот. Поліпептиди, які мають високу молекулярну масу і можуть утворювати однозначну просторову структуру, відносять до білків. Здебільшого пептиди добре розчиняють у воді, при гідролізі розщеплюються до амінокислот. Для пептидів характерні ті самі хімічні і фізичні властивості, що і для амінокислот. До пептидів належать гормони, коферменти, пептиди м’язової тканини, ендорфіни та енкефаліни, багато антибіотиків. Білки – високомолекулярні органічні сполуки, побудовані із залишків амінокислот. Вони є структурною і функціональною основою будь – якого живого організму, оскільки з ними пов’язане саме існування живої матерії. Білки в організмі тварин виконують такі життєво важливі функції: структурну, каталітичну, захисну, транспортну, енергетичну, беруть участь у реалізації спадковості. З наявністю і діяльністю білків пов’язані всі головні прояви життя: подразливість, скоротливість, здатність до росту, розмноження, регуляція власного хімічного складу і функцій, пристосування до умов навколишнього середовища, травлення та виділення кінцевих продуктів обміну, імунітет. Білки становлять до 50% сухої маси живого організму. Білки легко руйнуються лугами ,мінеральними кислотами, високими температурами. Вони мають значну молекулярну масу, складну будову, амфотерні хімічні властивості. Нині відомо близько 2000 індивідуальних білків, їх поділяють на дві групи – протеїни і протеїди. Протеїни (прості білки) – поділяють на такі групи: альбуміни, глобуліни, пістони, протаміни, проламіни, глутеліни, протеноїди. В групі протеїдів виділяють такі підгрупи: нуклеопротеїди, хромопротеїди, фосфопротеїди, ліпопротеїди, глюкопротеїди, металопротеїди.

Гетероциклічні сполуки – органічні речовини, молекули яких побудовані з циклів, утворених крім атомів карбону атомами інших хімічних елементів, найчастіше – нітрогену, сульфуру, оксигену. Останні іноді називають гетероатомами, а циклічні системи – гетеро циклами. Гетероциклічні сполуки класифікують за розміром циклів молекул, за кількістю кілець, за природою гетероатома, за взаємо розташуванням циклів, за кількістю гетероатомів в циклі. Більшість гетероциклічних сполук мають тривіальні назви. Для позначення місця замісника атоми гетероциклічного атома нумерують літерами грецького алфавіту або цифрами.



Гетероциклічні сполуки досить поширені в природі (хлорофіл рослин, гемін крові, складові нуклеїнових кислот, амінокислоти – триптофан і гістидин – імінокислоти – пролін і оксипролін – вітаміни, особливо групи В, коферменти, гормони, алкалоїди, антибіотики, барвники, органічні розчинники). Гетероциклічні сполуки добувають з природної сировини і синтетично. Більшість з них нагадують бензол і мають ароматичні властивості.

Алкалоїди (від грецького вид лугу) – нітрогеновмісні органічні сполуки основного характеру ,переважно рослинного походження, здебільшого непростого хімічного складу, побудовані з гетероциклічних ядер. Відомо понад 1000 алкалоїдів ( з них тваринного походження лише 50). Значний внесок у вивчення алкалоїдів зробили Орєхов та його учні (виявили понад 100 рослин, які містять алкалоїди і виділили в чистому вигляді 65 нових речовин). Більшість алкалоїдів виявляють сильну фізіологічні дію на організм людини і тварини. У великих дозах – це отрути, в малих – цінні ліки. Деякі алкалоїди використовують для боротьби з шкідниками сільського господарства ( інсектициди – нікотин і анабазин). Алкалоїдів багато в рослинах родини макових, пасльонових, жовтецевих, бобових та ін. Вони містять в усіх органах рослин у вигляді солей і органічних кислот. Їх поділяють на кисневмісні (тверді) і безкисневі (рідини). У сільськогосподарській практиці дуже часто виникає необхідність дослідження речовин на вміст алкалоїдів, особливо кормів. Для цього використовують алкалоїдні реактиви, які утворюють з алкалоїдами нерозчинні прості солі та комплексні сполуки.
Питання для самоконтролю:

  1. Що є продуктом заміщення атома гідрогену гідроксильної групи спирту на радикал?

  2. Чим етери відрізняються від естерів?

  3. Яка біологічна рол жирів?

  4. Що визначає основність оксикислоти?

  5. Як називаються похідні карбонових кислот у молекулах яких крім карбоксильної групи міститься ще і альдегідна або кетоногрупа?

  6. Які хімічні елементи входять до складу вуглеводів?

  7. Який клас органічних речовин є похідним аміаку?

  8. Чим відрізняються діазосполуки від азосполук?

  9. Які сполуки утворюються при заміщенні гідроксилу в карбоксильній групі на аміногрупу?

  10. Охарактеризуйте амінокислоти, пептиди, білки.

  11. До якого класу сполук відносять хлорофіл рослин?

  12. Яке значення алкалоїдів?

1   2   3   4


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка