Какие свойства характерны для органических веществ

История развития органической химии

В истории развития органической химии выделяют два периода: эмпирический (с середины XVII до конца XVIII века), в который познание органических веществ, способов их выделения и переработки происходило опытным путем и аналитический (конец XVIII – середина XIX века), связанный с появлением методов установления состава органических веществ. В аналитический период было установлено, что все органические вещества содержат углерод. Среди, других элементов, входящих в состав органических соединений были обнаружены водород, азот, сера, кислород и фосфор.

Важное значение в истории органической химии имеет структурный период (вторая половина XIX – начало XX века), ознаменовавшийся рождением научной теории строения органических соединений, основоположником которой был А.М. Бутлеров.

Основные положения теории строения органических соединений:

• атомы в молекулах соединены между собой в определенном порядке химическими связями в соответствии с их валентностью. Углерод во всех органических соединениях четырехваленнтен;
• свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от порядка соединения атомов;
• атомы в молекуле взаимно влияют друг на друга.

Порядок соединения атомов в молекуле описывается структурной формулой, в которой химические связи изображаются черточками.

Характерные свойства органических веществ

Существует несколько важных свойств, которые выделяют органические соединения в отдельный, ни на что не похожий класс химических соединений:

1. Органические соединения обычно представляют собой газы, жидкости или легкоплавкие твердые вещества, в отличие неорганических соединений, которые в большинстве своём представляют собой твердые вещества с высокой температурой плавления.
2. Органические соединения большей частью построены ковалентно , а неорганические соединения — ионно.
3. Различная топология образования связей между атомами, образующими органические соединения (прежде всего, атомами углерода), приводит к появлению изомеров — соединений, имеющих один и тот же состав и молекулярную массу, но обладающих различными физико-химическими свойствами. Данное явление носит название изомерии.
4. Явление гомологии — существование рядов органических соединений, в которых формула любых двух соседей ряда (гомологов) отличается на одну и ту же группу — гомологическую разницу CH2. Органические вещества горят.

Классификация органических веществ

В классификации принимают за основу два важных признака – строение углеродного скелета и наличие в молекуле функциональных групп.

В молекулах органических веществ атомы углерода соединяются друг с другом, образуя т.н. углеродный скелет или цепь. Цепи бывают открытыми и замкнутыми
(циклическими), открытые цепи могут быть неразветвленными (нормальными) и разветвленными:

По строению углеродного скелета различают:

— алициклические органические вещества, имеющие открытую углеродную цепь как разветвленную, так и неразветвленную. Например,

СН3-СН2-СН2-СН3 (бутан)

СН3-СН(СН3)-СН3 (изобутан)

— карбоциклические органические вещества, в которых углеродная цепь замкнута в цикл (кольцо). Например,

— гетероциклические органические соединения, содержащие в цикле не только атомы углерода, но и атомы других элементов, чаще всего азота, кислорода или серы:

Функциональная группа – атом или группа атомов неуглеводородного характера, которые определяют принадлежность соединения к определенному классу. Признаком, по которому органическое вещество относят к тому или иному классу, является природа функциональной группы (табл. 1).

Таблица 1. Функциональные группы и классы.

Соединения могут содержать не одну, а несколько функциональных групп. Если эти группы одинаковые, то соединения называют полифункциональными, например хлороформ, глицерин. Соединения, содержащие различные функциональные группы, называют гетерофункциональными, их можно одновременно отнести к нескольким классам соединений, например молочную кислоту можно рассматривать, как карбоновую кислоту и как спирт, а коламин – как амин и спирт.

Примеры решения задач

Название класса

Общая формула

Способы получения

Химические свойства

Алканы

СпН2n+2

Из оксида углерода(II), карбида алюминия, солей карбоновых кислот, гидрирование алкенов и алкинов, реакция Вюрца, крекинг

Горение, замещение, крекинг, изомеризация, дегидрирование

Циклоалканы

СпН2п

Гидрирование аренов, из дигалогенопроизводных

Горение, замещение (для высших), присоединение (для низших)

Алкены

СпН2п

Крекинг, дегидрирование алканов, гидрирование алкинов, дегидратация спиртов, дегидрогалогенирование моногалогеналканов, дегалогениро- вание дигалогеналканов

Горение, присоединение (водорода, галогенов, галогеноводородов, воды), полимеризация, окисление

Алкадиены

СпН2п-2

Дегидрирование и дегидратация этанола (реакция Лебедева), дегидрирование алканов и алкенов

Горение, присоединение (водорода, галогенов, галогеноводородов), полимеризация

Алкины

СпН2п-2

Дегидрогалогенирование дигалогеналканов. Гидролиз карбида кальция и термическое разложение метана (ацетилен)

Горение, замещение, присоединение (водорода, галогенов, галогеноводородов, воды), окисление, полимеризация

Арены

(бензол,

толуол)

СпН2п-6

Дегидрирование циклоалканов, дегидроциклизация алканов, алкилирование по Фриделю-Крафтсу, реакция Вюрца-Фитинга, из солей бензойной кислоты

Горение, замещение (взаимодействие с галогенами, азотной кислотой), присоединение (водорода, галогенов)

Предельные

одноатомные

спирты

СпН2п+1ОН

    или

СпН2п+2О

Гидратация алкенов, гидрирование альдегидов и кетонов, гидролиз галогеналканов, гидролиз (и омыление) сложных эфиров. Из оксида углерода(П) и водорода (метанол). Брожение глюкозы (этанол)

Горение, взаимодействие со щелочными металлами,

галогеноводородами, окисление, межмолекулярная и

внутримолекулярная дегидратация, этерификация

Многоатомные спирты

R(OH)n

Гидролиз жиров, из пропилена

Горение, этерификация, взаимодействие со щелочными металлами, галогеноводородами, азотной кислотой, гидроксидом меди(П)

Фенолы

С6Н5(ОН)n

Из фенолята натрия,сплавление солей сульфокислот, из галогенопро- изводных аренов, кумольный способ (из бензола и пропилена)

Горение, замещение, поликонденсация, взаимодействие с галогенами, азотной кислотой, щелочными металлами, щелочами

Альдегиды

СпН2пО

Окисление первичных спиртов, гидролиз дигалогеналканов, гидратация ацетилена, окисление алкенов и метана

Горение, окисление (гидроксидом меди(Н), аммиачным раствором оксида серебра), присоединение (воды, водорода), замещение (взаимодействие с галогенами), поликонденсация, полимеризация

Кетоны

СпН2пО

Из солей карбоновых кислот, окисление вторичных спиртов

Горение, присоединение водорода

Одноосновные предельные карбоновые кислоты

СпН2пО2

Окисление первичных спиртов, альдегидов, алканов, гидролиз сложных эфиров. Из щавелевой кислоты и оксида углерода(Н) (муравьиная кислота)

Диссоциация, взаимодействие с металлами, основными оксидами, гидроксидами, солями более слабых и летучих кислот, спиртами (этерификация), замещение в радикале (взаимодействие с галогенами), присоединение водорода. Для муравьиной кислоты взаимодействие с гидроксидом меди(Н), аммиачным раствором оксида серебра

Простые эфиры

r,—0—r2

СпН2п+2О

Из предельных одноатомных спиртов

Горение

Сложные эфиры

СпН2пО2

Из спиртов и кислот

Горение, гидролиз (в том числе омыление)

Углеводы (глюкоза)

С6Н12О6

Гидролиз полисахаридов, фотосинтез

Взаимодействие с гидроксидом меди(П), аммиачным раствором оксида серебра, азотной кислотой, ангидридами кислот, галогеналканами, спиртами, горение, восстановление, этерификация, брожение

Углеводы (полисахариды)

(С6н10О5)п

Из моносахаридов

Горение, гидролиз, этерификация, взаимодействие с азотной и органическими кислотами

Амины

R2-N- R3

Из галогеналканов, нитросоединений

Горение, основные свойства (взаимодействие с водой и кислотами)

Анилин

R-NH2

или

C6H5NH2

Из галогеналканов, нитробензола

Основные свойства (взаимодействие с кислотами), взаимодействие с галогенами, водородом, азотной кислотой

Аминокислоты

NH2СпН2п-1О2

Гидролиз белков, из галогенопроизводных кислот

Горение, амфотерные свойства (взаимодействие с кислотами и щелочами), взаимодействие с металлами, основными оксидами, солями, спиртами,поликонденсация, образование биполярного иона

Изучив содержание главы 22, студенты должны:

знать

• • общие представления об органических веществах как особом типе соединений углерода;
• • изомерию и гомологические ряды соединений углерода;
• • классификацию органических соединений по элементному составу, наличию кратных связей и функциональным группам;
• • особенности химических реакций органических соединений;
• • биологическое значение органических соединений;

уметь

• • записывать структурные формулы органических соединений, включая формулы изомеров;
• • давать общую характеристику органических соединений;
• • составлять уравнения реакций присоединения, замещения, элиминирования, полимеризации органических соединений;

владеть

• • навыками прогнозирования протекания реакций органических соединений;
• • навыками написания цепочек последовательных превращений органических соединений.

Общая характеристика органических веществ

Углерод образует огромное число химических соединений, не сравнимое с числом соединений других элементов. Конечно, находясь в составе соединений углерода, такие элементы, как водород или кислород, тоже образуют не меньшее число соединений, но без углерода этих соединений просто не было бы.

На раннем этапе развития химии в XVIII — начале XIX в. большинство соединений углерода извлекались химиками из растений, отдельных тканей животных и органических остатков (уголь, торф, нефть). Поэтому они были названы органическими веществами.

В настоящее время к органическим соединениям относят все соединения углерода, в которых имеются связи между атомами самого углерода. Если же в молекуле вещества находится всего один атом углерода, то оно считается органическим, если с углеродом связан по крайней мере один атом водорода или азота.

В разделах общей и неорганической химии уже встречались примеры органических соединений и были рассмотрены их свойства: способность гореть, реагировать с кислотами, основаниями, солями. Наиболее характерные структурные особенности и свойства органических соединений связаны с наличием в них связей С-С и С-Н.

По сложившийся традиции под органическими веществами подразумевают главным образом соединения, содержащие углерод и, в любых сочетаниях, водород, кислород, азот, серу, галогены. Если же кроме этих элементов в соединении содержатся другие неметаллы и металлы, то их называют элементоргапическими и металлоорганическими соединениями. Например, органические соединения кремния относятся к элементорга- ническим, а органические соединения свинца — к металлоорганическим. Соли органических кислот не считаются металлоорганическими соединениями, так как в них нет связей металла с углеродом.

При обычных условиях многие органические вещества находятся в жидком и газообразном состоянии. Жидкости в индивидуальном виде и в смесях применяются в качестве топлива, растворителей, ароматизаторов, являются пищевыми продуктами (масла). Не менее широко используются и твердые органические вещества: углеводы, соли органических кислот, полимерные материалы. Очень большое число органических веществ применяется в качестве лекарств в виде таблеток. Их формулы, показывающие сложность молекул органических соединений, приводятся в аннотациях лекарств.

Твердые органические вещества плавятся, как правило, при невысоких температурах и проявляют заметную летучесть, которая обнаруживается по запаху (нафталин, фенол, йодоформ и многие другие). Относительно низкие температуры перехода из твердого агрегатного состояния в жидкое и газообразное свидетельствуют о молекулярной структуре органических веществ. В этом одно из важнейших отличий органических соединений от неорганических, целые классы которых (оксиды и гидроксиды металлов, соли) имеют каркасные и ионные структуры. Органические вещества могут также образовывать ионы. Чаще всего это происходит при наличии в молекуле водорода, способного в виде Н+ переходить к другой молекуле. Пример можно найти в гл. 14. При смешивании органической кислоты и амина образуются ионы, входящие в состав соли:

Следует, конечно, учитывать, что ионы органических соединений имеют сложный состав и представляют собой особое состояние молекул.

Свойства органических соединений зависят как от элементного состава, так и от величины молекул, т.е. от числа составляющих их атомов. Для характеристики размера молекулы достаточно указывать число атомов углерода (Сп). Известно, что есть газообразные углеводороды (метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10). В молекулах жидких углеводородов от пяти до 16 атомов углерода (структуры С5 – С16). В молекулах твердых углеводородов (парафин) 17 и более атомов углерода. С увеличением числа атомов углерода в молекулах возрастает и вязкость органических жидкостей. Например, вязкость масел связана с тем, что они имеют разветвленные молекулы с молекулярной массой до 900 а.е.м. В некоторых классах органических соединений вещества с небольшими молекулами хорошо растворимы в воде (спирты, кислоты, амины и др.), но при удлинении цепочек углеродных атомов растворимость их уменьшается и падает практически до нуля.

Увеличение размеров органических молекул практически не имеет предела. В связи с этим в органической химии особое значение приобретает классификация веществ на низкомолекулярные и высокомолекулярные.

Соединения, состоящие из больших молекул, называют высокомолекулярными. К ним относят вещества, имеющие молекулярные массы Mr > 10 000. Эти вещества называют также полимерами.

Хорошо известные полимеры — каучук, крахмал, целлюлоза, природные и синтетические волокна. Смесями, содержащими полимеры, являются разнообразные пластмассы. К наиболее замечательным высокомолекулярным веществам относятся белки. Именно у белков могут быть огромные молекулы с идеально воспроизводимыми структурами (рис. 22.1). Тысячи атомов в таких молекулах занимают строго определенное положение, что редко бывает даже в кристаллах из-за неизбежно имеющихся дефектов в кристаллической структуре.

Рис. 22.1. Молекула миоглобина

Плотность органических соединений в общем нс сильно отличается от плотности воды. Могут быть соединения как легче воды (жиры, р « 0,85 г/см3), так и тяжелее воды (сахароза, р = 1,588 г/см3). Только у соединений, содержащих бром и иод, плотность оказывается больше 2 г/см3.

Органические вещества характеризуются сравнительно невысокой термической устойчивостью, отличаясь этим от многих неорганических

веществ. Поваренную соль NaCl можно подвергать сильному нагреванию, переводя в жидкое (?пл = 801 °С) и газообразное (?кип = 1465°С) состояние без разложения. В противоположность этому сахар (сахароза), внешне похожий на соль, плавится при довольно низкой температуре и одновременно начинает разлагаться:

Для разложения углеводородов требуется более сильное нагревание:

Большинство органических соединений при нагревании на воздухе или в чистом кислороде сгорают с образованием углекислого газа, воды и других продуктов в зависимости от состава:

Сжигание органических соединений и смесей служит одним из важнейших источников энергии, потребляемой транспортом, для освещения, отопления, производства разнообразных промышленных продуктов. Сжигание применяется также для анализа с целью установления состава соединений.

Пример 22.1. При сжигании 0,0671 г вещества образовалось 0,0968 г оксида углсрода(1У), 0,0693 г воды и 12,32 мл (нормальные условия) азота. Определите простейшую формулу вещества.

Решение. Результаты анализа показывают, что в составе вещества были углерод, водород и азот и мог также содержаться кислород. Рассчитаем количество вещества каждого элемента и соотношение между ними (следует представить себе, что последняя колонка таблицы сначала не заполнена):

Найдем массу первых трех элементов в данной пробе вещества:

• ?//2 = 0,0264 + 0,0077 + 0,0154 = 0,0495 г.
• 3

Недостающая масса приходится на кислород:

ш(О) = 0,0671 – 0,0495 = 0,0176 г. –

Согласно последней строчке в таблице вещество имеет формулу С2Н7МО.

Для органических соединений характерна небольшая скорость химических реакций. Со следствиями замедленности реакций мы постоянно сталкиваемся в жизни. Сахар может окисляться кислородом, но при хранении его не требуется никакой защиты, так как реакция имеет практически нулевую скорость. Бумага и древесина горят, но без поджигания реакция возникнуть не может. Стерилизованные пищевые продукты могут долго сохраняться в герметичной упаковке. Благодаря относительной инертности органических соединений существуют такие вещества, которые без участия других реагентов могли бы перейти в более устойчивые (с точки зрения запаса энергии) продукты. Например, уксусная кислота менее устойчива, чем смесь метана и углекислого газа. Поэтому должна была бы идти реакция

Тем не менее реакция отсутствует по той же причине нулевой скорости. Поведение уксусной кислоты можно сравнить с поведением неорганического вещества озона. Он непрерывно и довольно быстро превращается в обычный кислород 02, молекулы которого устойчивее. Так выясняется, что будь органические вещества столь же активны в химических превращениях, как и неорганические, то число веществ, способных длительно существовать, сильно уменьшилось бы. Благодаря замедленности химических реакций возможна жизнь — замечательное и неоценимое для нас явление, в основе которого — относительная устойчивость и контролируемые превращения органических веществ. При более высокой химической активности вещества живых организмов были бы превращены окружающим кислородом в воду, водяной пар, углекислый газ и другие продукты сгорания. Кроме возможности сгорания, для живых организмов мог бы представлять опасность гидролиз белков, полисахаридов и полинуклеотидов. Но, несмотря на обилие воды, и эти процессы не идут вследствие нулевой скорости.

В исследовательской работе с органическими соединениями и в химической промышленности постоянно применяются известные нам факторы ускорения химических превращений — нагревание, повышение давления и катализ. Применение разнообразных катализаторов является характерной особенностью органической химии. В живых организмах из перечисленных факторов важнейшим становится катализ ферментами, эффективность которых на порядки величины превосходит эффективность промышленных катализаторов. Существенное значение для точного согласования скоростей биохимических реакций имеет и поддержание постоянной температуры тела у теплокровных живых существ.