Знали ли вы, что краситель индиго — это первый краситель на Земле, рецепт которого дошёл до наших времен? А теперь посмотрите на свои джинсы — да-да, именно в таких в средневековье вас бы считали знатью и богачом. Или вот из чего состоял первый мяч, которым играли индейцы майя и ацтеки? Что такое «трупный» яд и так ли он опасен на самом деле? Цвет, вкус и запах — это всё про органическую химию. Одни и те же атомы могут обладать разными свойствами в зависимости от того, как они собраны в молекулы. И благодаря развитию этой науки мы можем воссоздать практически любое вещество или материал. Именно этим и занимаются самые креативные ученые — химики-органики. В этом курсе мы познакомим тебя с действительно «непопсовыми» темами в органической химии. Ты сможешь лучше узнать, как протекают разные реакции: мы познакомимся с механизмами свободнорадикального замещения в алканах, электрофильного присоединения в алкенах, электрофильного замещения в ароматических соединениях, нуклеофильного замещения SN1 и SN2 в спиртах и галогеналканах, вместе мы изучим вопросы оптической изомерии, а также разберёмся в методах синтеза различных классов веществ. Неважно, насколько ты крут в химии, даже если ты только начал изучать её, тебе всё равно будет интересно с нами, ведь такого тебе точно не расскажут в школе! Присоединяйся к онлайн-курсу «Органическая химия» и мы научим тебя разбираться в химической сущности вещей. Программа курса: 5 недель обучения 1 неделя. Введение в органическую химию (7 видеолекций) 2 неделя. Углеводороды (9 видеолекций) 3 неделя. Молекулы с простыми функциями (10 видеолекций) 4 неделя. Молекулы со сложными функциями (9 видеолекций) 5 неделя. Молекулы со смешанными функциями и гетероциклы (9 видеолекций)
2. 1. Алканы: органические «лентяи»
Loading...
Из курса от партнера Novosibirsk State University
Органическая химия
23 оценки
Из урока
Углеводороды
В этом модуле мы рассмотрим классы органических веществ, которые содержат только атомы углерода и водорода. Здесь мы познакомимся с понятием механизма органической реакции, а также с закономерностями нескольких превращений углеводородов.
Познакомьтесь с преподавателями
Денис МорозовСтарший преподаватель, кандидат химических наук
Факультет естественных наук НГУ
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] Здравствуйте.
Итак, мы начинаем второй модуль
в нашем курсе органической химии, и он будет посвящен органическим молекулам,
которые содержат в своем составе только углерод и водород, то есть углеводороды.
Рассмотрим их основные химические свойства.
Начнем с простейшего класса этого типа соединений углеводородов, с алканов.
Напомню, алканы — это молекулы с общей формулой CnH2n + 2,
где n — это целое число, начинающееся с 1 и так далее, 2, 3,
4, в принципе, до бесконечности.
Но прежде чем мы перейдем к рассмотрению химических свойств этого класса
соединений, давайте вспомним о том,
что в органических молекулах в основном встречаются три типа химических связей.
Это ковалентные полярные и неполярные, и, что реже, ионные связи.
В химических реакциях, когда у нас химическая связь разрывается,
если мы говорим о ковалентной неполярной или полярной, возможно два исхода.
Возможен гомолитический разрыв либо гетеролитический разрыв химической связи.
В первом случае каждая из образующихся частиц утаскивает с собой по одному
электрону, во втором случае более электроотрицательная часть забирает к себе
оба элекрона из бывшей химической связи, соответственно, образуется анион,
а вторая частица уходит в виде катиона.
В молекулах углеводорода, в алканах, поскольку электроотрицательность углерода
и водорода близки, химические связи являются малополярными.
Связи CH практически малополярны, связи CC практически неполярны.
Давайте рассмотрим, что происходит при разрушении молекулы метана,
при разрыве связи CH в молекуле метана.
Для образования метильного радикала и атома водорода нам требуется примерно
104 ккал /моль энергии.
Дальше, чтобы метильный радикал перешел в метильный катион для
потери одного электрона, нам потребуется еще 226 ккал/моль.
Для образования гидрита неона, то есть присоединение электрона к атому водорода,
в этом случае мы получим 16 ккал/моль.
Воспользуясь законом Гесса,
который в подробностях был рассмотрен в курсе физической химии, получается,
что образование радикалов, то есть гомолитический разрыв,
примерно в три раза более выгодный по энергии процесс,
чем гетеролитический разрыв, 104 и 314 ккал/моль.
Соответственно, реакции с участием свободных
радикалов являются типичными для молекул углеводородов, для алканов.
То есть типичными реакциями являются реакции с участием свободных радикалов.
Ну а поскольку молекула полностью насыщена,
то возможны только реакции замещения.
Одной из наиболее изученных реакций свободнорадикального
замещения является реакция галогенирования.
Давайте рассмотрим, как происходит реакция хлорирования метана.
При стехиометрическом соотношении,
то есть при равном соотношении метана и хлора, при нагревании либо при облучении
ультрафиолетом должны вроде как получаться хлорметан и хлороводород.
Но на самом деле образуется всегда смесь продуктов.
Давайте разберем почему.
Рассмотрим механизм этого превращения, разберемся в нюансах.
На первом этапе у нас происходит гомолитический разрыв в связи галоген
в связи хлор-хлор.
Этот процесс более выгоден, он требует меньше энергии,
чем в случае молекулы метана.
Далее, образовавшийся атом хлора атакует нашу молекулу метана по атому
водорода как наиболее доступной части исходного углеводорода.
Образовавшийся метильный радикал и хлороводород, этот процесс требует
притока энергии порядка 1 ккал/моль, и он является скорость определяющим.
Далее, метильный радикал взаимодействует с новой молекулой галогена не
диссоциированной, с образованием хлорметана, одного из продуктов нашей
реакции, и атома хлора, который возвращается в предыдущую стадию.
И это колесо крутится до тех пор, пока что-то не произойдет.
А произойти может многое.
Если два радикала, не важно, каких, встретятся друг с другом,
мы переходит к обрыву цепи, соответственно, реакция прекращается.
Но не только молекула метана может встретиться с атомом хлора,
в этом процессе может поучаствовать и уже образовавшийся продукт, хлорметан.
Соответственно, следующий атом водорода, второй атом водорода,
приведет нас к дихлорметану, ну и дальше к три- и тетрахлор-замещенному продукту.
И это есть причиной того,
что реакция неселективная и всегда образуется смесь продуктов.
«А что же с фтором, бромом и йодом?» — спросите вы.
Реакционная способность уменьшается в ряду фтор, хлор, бром и йод.
С фтором реакция идет очень интенсивно, потому что образующиеся
атомы фтора накапливаются гораздо быстрее, чем они расходуются,
все стадии, все этапы этого превращения сильно экзотермичны,
но это неизбежно приводит к взрыву.
То есть фторирование всегда приводит к деструкции нашей молекулы с образованием
низкомолекулярных продуктов.
Если нам требуется фторировать алкан, то используется фторид кобальта III.
В этом случае замещение проходит достаточно мягко.
Реакция бромирования по сравнению с хлорированием — более спокойный процесс.
В этом случае мы получаем более селективные продукты,
реакция проходит более однозначно.
А вот с йодом реакция практически не идет.
Все дело в том, что даже при значительном нагревании до нескольких сотен
градусов значительного накопления атомов йода не происходит, и более того,
при повышенных температурах возможна обратная реакция.
Известен процесс восстановления йода алканов с помощью йодоводорода,
соответственно, в алканы и йод.
То есть напрямую алканы не йодируются.
Давайте теперь рассмотрим, что происходит при галогенировании не молекул метана,
а более сложных углеводородов, например, пропана и 2-метилпропана.
Статистически при хлорировании пропана возможно образование двух продуктов,
2 и 1-хлорпропана.
Причем их соотношение должно быть 3 к 1, поскольку у нас есть два
сорта атомов водорода в исходном соединении опять же в соотношении 3 к 1.
В случает 2-метилпропана соотношение продуктов должно быть 9 к 1,
чисто математически.
Но реальности ситуация иная.
У нас образуется примерно равное количество возможных галогенпроизводных.
А всё дело в том, что на образование промежуточной стадии,
на образование промежуточной частицы промежуточного радикала требуется
различная энергия для отрыва атома водорода от первичного,
вторичного либо третичного углеродного атома.
И когда у нас происходит образование чего-то нештатного, нештатного количества
электронов, то есть катионы либо анионы, либо свободные радикалы,
то устойчивость нашей молекулы сильно зависит от ее структуры.
И тут есть одно очень простое правило.
Чем более вот этот вот возмущение катион,
анион либо радикал делокализован по молекуле за счет различных эффектов,
в первую очередь за счет индуктивного эффекта, за счет эффектов сопряжения,
тем такая молекула более устойчивая.
И в реальности мы получаем, что третичные радикалы являются более устойчивыми
промежуточными частицами, чем вторичные и первичные.
И тем самым, преимущественно происходит образование третичного галогеналкана.
Реакционная способность атома водорода в алкане сильно зависит от температуры.
Чем выше температура, тем реакция получается менее селективная.
Опять же,
в физической химии есть так называемые принцип активности селективности.
Селективность выше — активность ниже.
И наоборот, селективность ниже — активность выше.
И на практике галогенирование,
хлорирование можно проводить однозначно только в случае симметричных молекул,
когда продукт может образоваться только один и его образование однозначно.
Например, молекула диметилпропана.
Реакция бромирования является более удобной и более селективной.
Константы бромирования по первичному и третичному атому, например,
разнятся примерно в 2000 раз, что дает возможность проведения реакции
бромирования селективно по третичному атому углерода.
Ну а в целом, как я уже говорил в начале этой лекции,
для алканов характерны реакции с участием свободных радикалов, и для любого
химического превращения алканов, которых, кстати, не так уж и много,
алканы достаточно инертные молекулы, нам просто требуется где-то взять активный
радикал с достаточной энергией для отрыва атома водорода от исходной молекулы.
Например, реакции сульфохлорирования, нитрования,
какие-нибудь свободнорадикальные окисления и что-нибудь подобное.
А в следующей лекции мы обратимся к химическим свойствам цикла алканов.
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Coursera делает лучшее в мире образование доступным каждому, предлагая онлайн-курсы от ведущих университетов и организаций.
© Coursera Inc., 2019 Все права защищены.
