Функциональные группы

(2 ч) • 10 класс

Урок по этой теме проводится перед изучением кислород- и азотсодержащих органических соединений. Учащимся дается задание повторить виды химической связи, понятия «электроотрицательность», «кислота», «основание», «водородная связь», «сопряжение
-связей», строение атомов кислорода, азота, молекулы аммиака.

Цель. Сформировать представление о функциональной группе как группе атомов, определяющей физические и химические свойства вещества; научить учащихся определять по формуле вещества, содержащего функциональную группу, его класс; развить представления о генетической связи между различными классами органических веществ, а также умения применять международную номенклатуру при наименовании разных классов веществ.

Метод. Лекция с элементами беседы. По ходу изложения ученики записывают определения и примеры формул веществ с названиями; обобщение проводится с использованием опорного конспекта.

Оборудование. Кодоскоп, опорный конспект, периодическая система химических элементов.

ХОД УРОКА

Учитель. Известно много органических веществ, в состав которых кроме углерода и водорода входят также кислород и азот. Эти элементы в органических веществах образуют отдельные группы атомов, которые называются функциональными. Функциональная группа – это группа атомов, определяющая физические и химические свойства органического вещества.

В составе органических веществ чаще всего встречаются следующие функциональные группы:

гидроксильная (–ОН),
карбонильная ,
карбоксильная и аминогруппа (–NH₂).

Рассмотрим эти функциональные группы и их влияние на физические и химические свойства веществ.

Гидроксигруппа (или спиртовая) состоит из атома кислорода и атома водорода. Какой из этих двух элементов является более электроотрицательным?

Ученик. Кислород.

Учитель. Как будет распределяться электронная плотность между двумя этими атомами?

Ученик. Атом кислорода будет оттягивать общую электронную пару от атома водорода и приобретать частичный отрицательный заряд, а на атоме водорода будет возникать частичный положительный заряд:

При исследовании молекул спиртов, содержащих предельный углеводородный радикал (С_nH_2n+1), оказалось, что угол между химическими связями атома кислорода составляет 110°. Чтобы объяснить это, давайте вспомним строение атома кислорода, обратившись к периодической системе химических элементов.

Ученик. В атоме кислорода заряд ядра равен +8 и имеется два электронных слоя: на первом – два s-электрона, на втором – шесть электронов, причем два s-спаренных, два р-спаренных и два р-неспаренных электрона.

Учитель. Какую конфигурацию имеют и как располагаются в пространстве p-электронные облака валентных электронов атома кислорода?

Ученик. р-Электронные облака имеют форму объемной восьмерки и располагаются в пространстве под углом 90°.

Учитель. Очевидно, этот угол должен сохраняться и при образовании химических связей с атомом водорода и углеводородным радикалом. Однако угол увеличивается. Причиной тому является взаимное влияние атома водорода и углеводородного радикала в молекуле спирта. Если этот радикал предельный, то атом кислорода гидроксильной группы оттягивает на себя общие электронные пары от атомов углерода в радикале и водорода гидроксигруппы. В результате этого на углеводородном радикале и атоме водорода возникают частичные положительные заряды, которые отталкиваются друг от друга, увеличивая угол между связями атома кислорода:

Такое строение молекул спиртов объясняет их физические свойства. Как видим, молекулы спиртов полярны, и поэтому многие спирты – это жидкости, растворимые в полярных растворителях, например в воде. Это объясняется наличием между молекулами спиртов водородных связей, такие же связи возникают между молекулами спирта и воды. Что называется водородной связью?

Ученик. Водородной связью называется связь между атомом водорода, находящимся в одной молекуле, и атомом сильно электроотрицательного элемента в другой молекуле.

Учитель. Как вам уже известно, такие связи возникают между молекулами воды:

Далее учащиеся изображают схемы образования водородных связей между молекулами спирта и между молекулами спирта и воды, затем сверяют записи с появившимися на экране:

Учитель. Высокая полярность связи между атомами водорода и кислорода в гидроксильной группе объясняет способность спиртов вступать в реакции замещения атома водорода этой группы, например, на атомы щелочных металлов.

Запишем формулы некоторых спиртов:

Названия спиртов по международной номенклатуре образуются от названий соответствующих алканов с добавлением суффикса «-ол».

При окислении спиртов образуется карбонильная функциональная группа:

Эта группа может соединяться с двумя радикалами , c двумя атомами водорода , с атомом водорода и радикалом

Если карбонильная группа соединяется с радикалом и атомом водорода или двумя атомами водорода, то образуются вещества, относящиеся к классу альдегидов. Если функциональная группа соединяется с двумя углеводородными радикалами, то образуются вещества, относящиеся к классу кетонов. Альдегиды и кетоны называют карбонильными соединениями.

Как видим, между атомом углерода и атомом кислорода в карбонильной группе существует двойная связь. Определите тип гибридизации для атома углерода, величину валентного угла, типы связей между атомами углерода и кислорода в этой функциональной группе. (Обычно этот вопрос не вызывает затруднений у учеников, но при необходимости учитель поясняет сам.)

Ученик. Тип гибридизации для атома углерода – sp², т.к. он находится при двойной связи, валентный угол – 120°, между атомами углерода и кислорода существуют - и -связи.

Учитель. Какие реакции характерны для веществ, содержащих эту функциональную группу? По какому механизму они протекают?

Ученик. Благодаря наличию -связи эти вещества могут вступать в реакции присоединения, которые протекают по ионному механизму. Поскольку электроотрицательность у атома кислорода значительно выше, чем у атома углерода, то общие электронные пары смещены к атому кислорода и на нем образуется частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода – частичный положительный заряд.

Учитель. Действительно, карбонильные соединения могут вступать в реакции присоединения, например восстанавливаться водородом:

Обратите внимание на то, что в результате этих реакций образуются спирты.

Примерами альдегидов являются:

Как видим, при названии альдегида по международной номенклатуре к названию соответствующего алкана добавляется суффикс «-аль». Группа

Одним из важнейших представителей кетонов является ацетон:

При окислении альдегидной группы образуется еще одна функциональная группа – карбоксильная:

Название этой группы образуется от названий двух ее составляющих – карбонильной и гидроксильной функциональных групп, которые взаимно влияют друг на друга. Перераспределение электронной плотности происходит следующим образом:

Здесь неподеленная электронная пара атома кислорода гидроксильной группы вступает в сопряжение с электронами -связи карбонильной группы, т.е. образуется общая электронная система (рис.).

Электроны подвижной-связи смещаются к карбонильному атому кислорода, увлекая за собой сопряженную электронную пару атома кислорода гидроксильной группы. В результате атом кислорода карбонильной группы приобретает еще больший, чем в карбонильных соединениях, частичный отрицательный заряд, а атом водорода гидроксильной группы – еще больший, чем в спиртах, частичный положительный заряд. Поэтому вещества, содержащие карбоксильную группу, способны диссоциировать в растворе с образованием катионов водорода:

Из курса неорганической химии вы знаете, что кислотами называют вещества, которые в растворах диссоциируют с образованием катионов водорода. Органические вещества, в молекулах которых углеводородный радикал соединен с одной или несколькими карбоксильными группами, способными в растворах отщеплять катионы H⁺, называют карбоновыми кислотами. Примерами карбоновых кислот являются:

Нетрудно заметить, что и здесь названия кислот образованы от названий соответствующих алканов с добавлением окончания «-овая» и слова «кислота».

Как вы думаете, могут ли карбоновые кислоты вступать в реакции присоединения?

Ученик. Могут, т.к. в карбоксильной группе есть двойная связь.

Учитель. Действительно, карбоновые кислоты могут вступать в реакции присоединения, например восстанавливаться водородом:

Учащимся уже известно, что соединение, в котором атом углерода связан с двумя гидроксильными группами, неустойчиво и разлагается с образованием молекулы воды. С этим они знакомятся при изучении свойств алкинов, реакции Кучерова. На основании записанной схемы реакции ученики делают вывод о том, что при восстановлении карбоновых кислот получаются альдегиды.

Учитель. В состав органических веществ могут входить функциональные группы, содержащие атом азота, в частности группа –NH₂, которая называется аминогруппой и содержится в соединениях класса аминов. Для того чтобы разобраться в структуре этих соединений, давайте вспомним, какое строение имеет атом азота и его водородное соединение аммиак.

Ученики записывают схему распределения электронов по электронным слоям в атоме азота, электронную и графическую формулы аммиака, обращая особое внимание на наличие у атома азота в аммиаке неподеленной электронной пары, которая может участвовать в образовании донорно-акцепторной ковалентной связи. В результате на доске и в тетрадях остается запись:

Учитель. В отличие от кислот основаниями называют вещества, которые способны присоединять протоны.

Если в молекуле аммиака один атом водорода замещен на углеводородный радикал, то получается первичный амин R–NH₂, например метиламин СН₃–NH₂.

В случае замены в молекуле аммиака двух атомов водорода на углеводородные радикалы образуется вторичный амин R–NН–RR, например метилэтиламин СН₃–NН–СН₂–СН₃.

Замена же всех атомов водорода на углеводородные радикалы приводит к образованию третичного амина например триметиламина

Схема

Амины, содержащие предельные углеводородные радикалы, являются более сильными   основаниями, чем аммиак, т.е. легче присоединяют протоны. Это объясняется тем, что в молекулах алкильные радикалы «снабжают» атом азота большей электронной плотностью, чем атомы водорода, а значит, он сильнее, чем в аммиаке, притягивает катион водорода.

Спирты, карбонильные соединения, карбоновые кислоты, амины часто имеют исторически сложившиеся названия. Со многими из них мы познакомимся при изучении отдельных классов веществ.

Затем проводится обобщение по опорному конспекту (схеме), который обязателен для выучивания и используется в дальнейшем курсе органической химии при изучении представленных классов веществ и их производных.

Упражнение 1. Определить класс веществ и назвать соединение:

Упражнение 2. Написать реакции с водородом: а) этаналя; б) пропановой кислоты. Назвать продукты реакций.

Домашнее задание. Выучить конспект (4 блока, на запись 7–12 мин).

Упражнение. Определить класс веществ:

Литература

Жиряков В.Г. Органическая химия. М.: Просвещение, 1971; Нейланд О.Я. Органическая химия. М.: Высшая школа, 1990; Потапов В.М., Чертков И.Н. Строение и свойства органических веществ. М.: Просвещение, 1972; Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия-10. М.: Просвещение, 1993; Нифантьев Э.Е., Цветков Л.А. Химия-10, 11. М.: Просвещение,1996.

О.Г.Фролова,
учитель химии