Решение качественных задач
в курсе органической химии

Элективный курс • 11 класс

Продолжение. Начало см. в № 23/2006

Раздел 1.
Номенклатура и изомерия органических веществ.
Kислородсодержащие органические вещества

Занятие 3. Спирты, альдегиды, кетоны.
Номенклатура, изомерия, гомология

Ц е л и  и  з а д а ч и. Рассмотреть рациональную номенклатуру спиртов и альдегидов, научить называть вещества по химическим формулам и составлять формулы веществ по их названиям, используя разные номенклатуры. Решать задачи на изомерию и гомологию на данную тему.

Р а ц и о н а л ь н а я  н о м е н к л а т у р а  с п и р т о в. По рациональной номенклатуре названия спиртов производят от названий углеводородных радикалов при гидроксильной группе:

По рациональной номенклатуре различают первичные, вторичные и третичные спирты, в зависимости от того, при каком углеродном атоме находится гидроксильная группа:

В более сложных случаях по рациональной номенклатуре спирты рассматривают как производные метилового спирта, называемого карбинолом, в котором один или несколько атомов водорода при углеродном атоме замещены на различные радикалы. В этих случаях названия спиртов строятся аналогично названиям углеводородов:

• Задание 1. Напишите формулы веществ по их названиям: метилизопропилкарбинол, диэтилкарбинол, диизопропилкарбинол.

• Задание 2. Напишите формулу простейшего третичного спирта с четырьмя первичными атомами углерода.

• Задание 3. Напишите формулы изомеров для пропилового спирта и этанола.

Р а ц и о н а л ь н а я  н о м е н к л а т у р а  а л ь д е г и д о в  и  к е т о н о в. Слово «альдегид» означает дегидрированный (окисленный) спирт. Термин «альдегид» происходит от двух латинских слов alcohol dehydrogenatus (спирт дегидрированный). Названия альдегидов происходят от названий предельных кислот, в которые они превращаются при окислении. Это объясняется тем, что многие кислоты открыты и получили названия раньше, чем соответствующие им альдегиды.

Названия альдегидов:

НСНО – муравьиный (формальдегид),

СН₃СНО – уксусный (ацетальдегид),

СН₃СН₂СНО – пропионовый,

СН₃СН₂СН₂СНО – масляный,

СН₃(СН₂)₃СНО – валериановый.

Названия кетонов по рациональной номенклатуре производят от названий радикалов при карбонильной группе С=О с добавлением слова кетон:

• Задание 1. Напишите структурную формулу альдегидоспирта, являющегося производным бутана, и всех его изомеров, содержащих карбонильную группу.

• Задание 2. Приведите формулу альдегида, содержащего четверичный атом углерода, а также формулу изомера этого соединения, не являющегося альдегидом.

• Задание 3. Приведите формулу карбонильного соединения, содержащего только два атома углерода с sp²-гибридными орбиталями.

• Задание 4. K перечисленным веществам: триметилфенол, бутаналь, изопропилфенол, этанол, бутенол – добавьте еще одно, в результате должно получиться три пары изомеров. Напишите формулы веществ и укажите пары изомеров.

• Задание 5. Kакой из спиртов можно получить гидрированием альдегида: 2-метилпропанол-2 или 2,2-диметилпропанол? Приведите обоснованный ответ и уравнение реакции.

Занятие 4. Kарбоновые кислоты

Ц е л и  и  з а д а ч и. Рассмотреть рациональную номенклатуру кислот и их солей, научить называть эти вещества по разным номенклатурам. Решать задачи на изомерию и гомологию по данной теме.

Известны три номенклатуры кислот: историческая, наиболее часто встречающаяся (таблица), рациональная и номенклатура ИЮПАK.

Таблица

Историческая номенклатура

По рациональной номенклатуре названия кислот производят от названий углеводородов, соответствующих радикалам, с которыми связана карбоксильная группа, с прибавлением слов карбоновая и кислота:

СН₃СООН – метанкарбоновая кислота,

СН₃СН₂СООН – этанкарбоновая кислота,

СН₃(СН₂)₂СООН – пропанкарбоновая кислота,

СН₃(СН₂)₃СООН – бутанкарбоновая кислота,

СН₃(СН₂)₄СООН – пентанкарбоновая кислота.

Гомологический ряд карбоновых кислот, содержащих две карбоксильные группировки:

НООС–СООН – щавелевая кислота (ее соли и эфиры – оксалаты),

НООС–СН₂–СООН – малоновая кислота (малонаты),

НООС–СН₂–СН₂–СООН – янтарная кислота (сукцинаты).

Наиболее важные представители гидроксикислот (в молекулах есть гидроксигруппа):

Kетокислоты наряду с карбоксильной группой содержат карбонильную группу:

• Задание 1. Приведите формулы двух гомологов янтарной кислоты:

а) имеющего на 8е больше;

б) имеющего на 16е меньше.

• Задание 2. Напишите формулы всех изомерных дихлормасляных кислот, трихлормасляных кислот, бромхлормасляных кислот.

• Задание 3. Напишите формулы всех насыщенных нециклических монокарбоновых кислот, имеющих в формуле 14 атомов водорода и четвертичный атом углерода.

• Задание 4. Приведите формулу простейшего (т.е. с минимально возможным числом атомов углерода) соединения, имеющего три разные функциональные группы, каждая из которых содержит атом кислорода. Составьте структурную формулу изомера этого вещества.

• Задание 5. Напишите формулы двух энантиомеров простейшей непредельной гидроксикислоты. Укажите для каждого атома углерода тип гибридизации.

Решение

Энантиомерия – это вид пространственной изомерии, при которой у одного атома углерода все четыре заместителя разные. Проанализируем задание. В составе непредельной гидроксикислоты есть двойная связь С=С, а также спиртовая и карбоксильная группы. Эти три функциональные группы вместе с атомом Н присоединены к одному атому С. При атоме С-2 находятся четыре разных заместителя, поэтому можно написать формулы оптических изомеров:

Типы гибридизации: С-1 – sp², С-2 – sp³, С-3 – sp², С-4 – sp².

Раздел 2.
Установление структуры веществ на основе
данных физико-химических методов и химических свойств

Занятие 5. Установление формулы вещества по его свойствам

Ц е л ь. Познакомить учащихся с задачами, в которых даются определенные характеристики веществ и требуется составить их химические формулы.

• Задание 1. При хлорировании смеси двух изомерных пентанов было выделено четыре разных моногалогеналкана. Kакие изомеры пентана подвергли хлорированию?

Решение

У пентана возможно 3 изомера со следующими углеродными цепями:

Если хлорировать вещество а, то образуется три изомерных монохлоралкана. При хлорировании веществ б и в образуется 4 и 1 изомер соответственно.

По условию задачи образуется четыре галогеналкана, значит, хлорировали вещества а и в.

• Задание 2. Напишите уравнения двух реакций 2,2-диметилпропана с хлором при молярном соотношении реагентов 1:1 и 1:2. Укажите в каждом случае, является ли продукт реакции индивидуальным веществом или смесью изомеров.

Решение

Несмотря на кажущееся различие формул:

это одно и то же вещество – 2,2-диметил-1,3-дихлорпропан.

• Задание 3. В ходе реакции получилось три вещества – 3,3-диметилпентин-1, вода и хлорид калия. Kакие вещества вступили в реакцию? Напишите уравнение реакции.

Решение

Схема реакции:

Ответ. В реакцию вступили 1,2- дихлор-3,3-диметилпентан и KOH (спиртовой раствор).

• Задание 4. В молекуле циклоалкена число атомов углерода и водорода различается на 4. Приведите структурные формулы этого соединения и его изомера, не относящегося к циклическим углеводородам.

Решение

Формула циклоалкена C_nH_2n–2, причем:

2n – 2 – n = 4.

Отсюда n = 6.

Структурные формулы циклоалкена и его нециклического изомера:

• Задание 5. Приведите структурную формулу одного из углеводородов, который в реакции с избытком раствора брома (в тетрахлорметане) образует соединение состава С_nH_2n–6Br₄.

Решение

Анализируем общую формулу С_nH_2n–6Br₄ и заменяем все атомы брома на атомы водорода, получаем формулу С_nH_2n–2. Значит, исходное вещество содержит либо две двойные связи в молекуле, либо тройную связь, которые бромируются, а еще две двойные связи или одну тройную связь, которые в этих условиях сохраняются (не бромируются).

Вероятно, в составе исходного вещества есть цикл, в нем – двойная связь, а при цикле – «хвост» от ацетилена:

• Задание 6. Два углеводорода имеют одинаковое число атомов углерода в молекулах, но разное число атомов водорода (в обоих углеводородах атомов водорода меньше удвоенного числа атомов углерода). Один из углеводородов реагирует с хлороводородом и перманганатом калия в слабощелочной среде, другой – нет. Предложите возможные структуры углеводородов. С каким веществом будут реагировать оба углеводорода? Приведите уравнения всех реакций.

Решение

Анализируем условия задачи и приходим к выводу, что формулы углеводородов могут быть:

С_nH_2n–2, С_nH_2n–4 и С_nH_2n–6.

С хлороводородом и перманганатом калия в слабощелочной среде может реагировать диен, т.к. алкин труднее окисляется перманганатом калия (реакция идет в кислой среде). Значит, первое вещество – диен. Второе вещество содержит еще меньше атомов водорода и не вступает в реакции с HCl и KMnO₄ (щел. р-р), по всей видимости, это – бензол.

Итак, первое вещество – диен С₆Н₁₀, второе вещество – бензол С₆Н₆.

Уравнения реакций:

Необязательно рассматривать диен с сопряженными связями, можно и с изолированными. Диен может реагировать и по двум двойным связям.

Оба вещества – и бензол, и гексадиен – реагируют с хлором:

• Задание 7.Соединение А вступает в реакцию с 2 моль натрия или с 1 моль гидроксида натрия. Kроме того, оно гидрируется и реагирует с бромной водой. Установите возможную простейшую формулу, отвечающую веществу А, и напишите уравнения реакций.

Решение

Рассмотрим, к веществам каких классов может принадлежать соединение А:

А + 2Nа, А – спирты, фенолы, карбоновые кислоты;

А + NаОН, А – фенолы, карбоновые кислоты;

А + Н₂, А – вещества с двойной или тройной связью;

А + Br₂, А – вещества с двойной или тройной связью, фенолы.

Отсюда А – фенол.

Уравнения реакций:

М.А.АЛЕКСАНДРОВА,
учитель химии школы № 81
(Москва)