Напомним, что все органические соединения подразделяются на две большие группы:

• соединения с открытой цепью атомов (алифатические ) и
• циклические соединения .

Циклические соединения характерны наличием в их молекулах, так называемых, циклов.

Цикл – это замкнутая цепь, т. е. такая цепь, которая, начавшись в некоторой вершине, завершается в ней же.

Циклические соединения, в свою очередь, подразделяются на:

• Карбоциклические соединения
- алициклические соединения,
- ароматические соединения.

Карбоциклические соединения – это соединения, в молекулах которых присутствуют циклы, состоящие только из атомов углерода.

Помимо связи друг с другом, атомы углерода также связаны и с другими атомами (водородом, кислородом и т.д), но сам цикл составлен именно из атомов углерода. Это обстоятельство отражено в их названии (Carboneum по латински – углерод).

Это циклические соединения, в циклах которых помимо атомов углерода, присутствуют атомы других элементов (кислорода, азота, серы и др.). И это тоже отражено в их названии (от греч. ετερος - «иной», «различный»).

На рисунке выше (справа) в качестве примера гетероциклического соединения приведен Пиридин.

Карбоциклические соединения

Карбоциклические соединения разделяют на алициклические и ароматические.

Алициклические соединения являются одним из двух подвидов карбоциклических соединений.

Называют так потому, что по химическим свойствам они наиболее близки к алифатическим соединениям, хотя по структуре они и являются кольцеобразными.

Они различаются по числу атомов углерода в цикле и, в зависимости от характера связи между этими атомами, могут быть предельными и непредельными.

В молекулах предельных циклические углеводородов атомы угерода соединены простыми связями, как и в молекулах предельных углеводородов с открытой цепью, что делает их сходными по свойствам с последними.

Примерами таких соединений могут служить циклопарафины:

Названия циклических соединений строятся подобно наименованиям соединений жирного (алифатического) ряда с добавлением приставки «цикло».

Второй подвид карбоциклических соединений – ароматические соединения.

Ароматический ряд охватывает все карбоциклические соединения, в молекулах которых присутствует специфическая группировка атомов – бензольное кольцо . Эта группировка атомов обуславливает определённые физические и химические свойства ароматических соединений.

Простейшими из них являются бензол С 6 Н 6 и его гомологи, например, толуол (метилбензол) С 6 Н 5 -СН 3 , этилбензол С 6 Н 5 -СН 2 СН 3 . Общая формула этих соединений С n H 2n-2 .

Характерная особенность структуры бензольного кольца – чередующиеся друг с другом три простые и три двойные связи . Для простоты написания бензольное ядро изображается упрощённо в виде шестиугольника, в котором символы С и Н , относящиеся к кольцу, не пишут:

Одновалентный радикал бензола С 6 Н 5 - , образующийся при отнятии одного атома водорода от любого углеродного атома бензольного ядра, называют фенилом .

Известны ароматические углеводороды с кратными связями в боковых цепях, например стирол, а также многоядерные, содержащие несколько бензольных ядер, например нафталин и антрацен :

Или упрощённо:

Получение ароматических соединений и их использование.

Ароматические углеводороды содержатся в каменноугольной смоле, получаемой при коксовании каменного угля. Другим важным источником их получения служит нефть некоторых месторождений.

Ароматические углеводороды также получают путём каталитической ароматизации ациклических углеводородов нефти.

Некоторые ароматические соединения могут быть выделены из эфирных масел растений. Их применяют для получения душистых веществ.

Ароматические углеводороды и их производные широко применяются для получения пластмасс, синтетических красителей, лекарственных и взрывчатых веществ, синтетических каучуков, моющих средств.

Происхождение названия.

Бензол и все соединения, содержащие ядро бензола, названы ароматическими (в начале XIX века), поскольку первыми изученными представителями этого ряда были душистые вещества, или соединения, выделенные из природных ароматических веществ. Теперь к этому ряду относятся многочисленные соединения, не имеющие приятного запаха, но обладающие комплексом химических свойств, называемых ароматическими свойствами.

Особенности свойств и строения ароматических углеводородов.

Ароматические свойства бензола и его гомологов, определяемые особенностью его структуры, выражаются в относительной устойчивости бензольного ядра, несмотря на непредельность бензола по составу.

Так, в отличие от непредельных соединений с этиленовыми двойными связями, бензол устойчив к действию окислителей. Например, подобно предельным углеводородам, он не обесцвечивает перманганат калия. Реакции присоединения для бензола не характерны. Наоборот, для него, как и для других ароматических соединений, характерны реакции замещения атомов водорода в бензольном ядре.

Из сказанного следует, что формула бензола с чередующимися простыми и двойными связями неточно выражает природу связей между атомами углерода в бензольном ядре.

В соответствии с этой формулой в бензоле должны быть три локализованных пи-связи, т.е. три пары пи-электронов, каждая из которых фиксирована между двумя атомами углерода. Если обозначить эти пи-электроны точками, то строение можно представить схемой:

Однако опыт показывает, что в кольце бензола нет обычных двойных связей, чередующихся с простыми, и что все связи между С -атомами равноценны.

Эта равноценность объясняется следующим образом.

Каждый из атомов углерода в кольце бензола находится в состоянии sp 2 -гибридизации и затрачивает по три валентных электрона на образование сигма-связей с двумя соседними атомами углерода и одним атомом водорода.

При этом все шесть атомов углерода и все сигма-связи С-С и С-Н лежат в одной плоскости:

Облако четвёртого валентного электрона каждого из атомов углерода (т.е. облако р -электрона, не участвующего в гибридизации) имеет форму объёмной восьмёрки («гантели») и ориентировано перпендикулярно плоскости бензольного кольца.

Каждое из таких р -электронных облаков перекрывается над и под плоскостью кольца с р -электронными облаками двух соседних атомов углерода.

Плотность облаков пи -электронов в бензоле равномерно распределена между всеми связями С-С . Иначе говоря, шесть пи -электронов обобщены всеми углеродными атомами кольца и образуют единое кольцевое облако (ароматический электронный секстет ).

По этой причине в структурных формулах вместо общепринятого символа бензольного ядра с чередующимися двойными и простыми связями используют шестиугольник с кружочком внутри:

Гетероциклическими называют соединения с замкнутой цепью, включающие не только атомы углерода, но и атомы других элементов.

Представленный на рисунке Пиридин можно рассматривать как бензол, в котором группа -СН заменена атомом азота.

– наиболее многочисленный класс соединений. К ним относятся многие витамины, пигменты, антибиотики, большинство алкалоидов, некоторые аминокислоты и пр.

Элементы, которые учавствуют вместе с атомами углерода в образовании цикла, называют гетероатомами . Наиболее распространены и изучены гетероциклические соединения кислорода, серы и азота.

В составе гетеромолеклу может быть как один гетероатом, так большее количество:

Гетероциклы могут содержать три, четыре, пять, шесть и больше число атомов. Аналогично карбоциклическим соединениям пяти- и шестичленные гетероциклы наиболее стойки.

Присутствие гетероатома приводит к нарушению равномерности распределения электронной плотности в цикле. Это обусловливает способность гетероциклических соединений реагировать как с электрофильными, так и с нуклеофильными реагентами (т.е. быть как донором, так и акцептором электронной пары), а также сравнительно легко претерпевать разрывание цикла.

Во всех соединениях, которые рассматривались в предыдущих главах, атомы углерода были связаны друг с другом в цепи эти соединения называются ациклическими. Однако во многих соединениях атомы углерода соединены таким образом, что образуются кольца; такие соединения называются циклическими.

В этой главе будут рассмотрены циклоалканы и циклоалкены. Значительная часть химии этих циклических алифатических углеводородов нам уже известна, поскольку она в основном тождественна химии ациклических алканов и алкенов. Однако имеются некоторые различия в свойствах, связанные с наличием циклической структуры, и именно эти своеобразные свойства и будут главным образом рассмотрены.

9.2. Номенклатура

Названия циклических алифатических углеводородов образуются путем прибавления приставки цикло- к названию соответствующего ациклического углеводорода с тем же числом атомов углерода, например:

Заместители, имеющиеся в кольце, называют, как обычно, а их положение в кольце обозначают цифрами так, чтобы получилась минимальная комбинация цифр. В простых циклоалкенах и циклоалкинах атомы углеродов, соединенные двойными и тройными связями, обозначают номерами 1 и 2, например:

Для удобства алифатические кольца часто изображают в виде простых геометрических фигур: циклопропан - треугольником, циклобутан - квадратом, циклопентан - пятиугольником, циклогексан - шестиугольником и т. д. При этом подразумевается, что у каждого из углов фигуры находится по два атома водорода, если только не указано наличие других групп.

9.3. Физические свойства

Физические свойства циклических алифатических углеводородов (табл. 9.1) сходны со свойствами соответствующих ациклических углеводородов (табл. 4.3, стр. 108, и табл. 5.2, стр. 151), хотя температуры кипения и плотности циклических соединений немного выше.

Таблица 9.1 (см. скан) Циклические алифатические углеводороды

Поскольку циклические углеводороды - неполярные или малополярные соединения, они растворимы в неполярных или малополярных растворителях, таких, как четыреххлористый углеводород, лигроин или эфир, и нерастворимы в таком сильнополярном растворителе, как вода.

9.4. Промышленные источники

Как уже упоминалось в разд. 4.15, нефть некоторых месторождений (в частности, калифорнийская) содержит большое количество циклоалканов, называемых в промышленности нафгпенама. К ним относятся циклогексан, метилциклогексан, метилциклопентан и 1,2-диметшщиклопентан.

Указанные циклоалканы при каталитических превращениях дают ароматические углеводороды. Такой процесс служит одним из основных источников получения этих важных соединений (разд. 12.4), например:

Если отщепление атома водорода от циклических алифатических соединений может привести к ароматическим соединениям, то при помощи обратного процесса, присоединения водорода, из ароматических соединений получают циклические алифатические соединения, особенно производные циклогексана. Важным примером такой реакции служит получение чистого диклогексана путем гидрирования бензола

Как и следовало ожидать, гидрирование замещенных бензолов дает замещенные производные циклогексанов, например:

Из циклогексанола можно получить самые разнообразные циклические соединения, содержащие шестичленное кольцо.

9.5. Методы синтеза

Процесс получения циклических алифатических углеводородов из других алифатических соединений в общем виде состоит из двух стадий: а) превращение какого-либо соединения, содержащего открытую цепь, в циклическое соединение по реакции, называемой циклизацией (или замыканием кольца); б) превращение полученного циклического соединения в требуемый продукт, например циклического спирта в циклоалкан или циклоалкена в циклоалкан.

Большинство методов циклизации не дает непосредственно углеводородов, а приводит к образованию других типов соединений, которые будут рассмотрены в разд. 35.14. Используемые для циклизации реакции основаны на стандартных препаративных методах, специально приспособленных для решения задачи замыкания кольца. Принцип такого подхода можно проиллюстрировать на примере получения циклопропана - одного из немногих циклических алифатических углеводородов, которые можно получить прямой циклизацией с хорошим выходом.

Действие металла (обычно натрия) на алкилгалогенид по реакции Вюрца (разд. 4.19) приводит к образованию связи между атомами углерода двух алкильных групп

Точно так же действие металла на дигалогенпроизводное приводит к образованию связи между двумя атомами углерода, входящими в состав одной и той же молекулы

В последнем случае с цинком получены лучшие результаты, чем с натрием. Хотя эта реакция приводит к хорошим выходам только в случае циклопропанов и поэтому не используется для получения большинства циклоалканов, указанный синтез очень хорошо иллюстрирует применение стандартного синтетического приема к специальной задаче получения циклического соединения.

Циклические алифатические углеводороды получают из других типов циклических соединений (например, галоген производных или спиртов) точно такими же методами, которые применялись для синтеза ациклических углеводородов из других ациклических производных.

(см. скан)

Прямой синтез циклопропанового кольца с использованием метиленов будет рассмотрен в разд. 9.19 и 9.20 после ознакомления со стереохимией циклических соединений.

9.6. Реакции

За исключением небольшого числа очень важных и интересных реакций циклические алифатические углеводороды претерпевают те же превращения, что и их ациклические аналоги.

Для циклоалкенов характерны в основном реакции присоединения - как электрофильные, так и свободнорадикальные (ср. разд. 6.2); подобно другим алкенам, они могут подвергаться также реакциям расщепления и аллильного замещения, например:

Два циклоалкана с циклами наименьших размеров - циклопропан и циклобутан - обладают рядом химических свойств, резко отличающих их от других членов ряда. Хотя эти исключительные свойства могут показаться на первый взгляд удивительными, их довольно просто объяснить.

Предисловие

«Практическое пособие по химии. 10 класс» предназначено для изучения химии в 10-м классе средней школы по одному из современных учебников, например, по книге Э.Е.Нифантьева и Л.А.Цветкова «Химия 10–11». Настоящее пособие представляет собой третью книгу практических разработок по четырехгодичному курсу химии.
При несомненной связи с неорганической химией, изучаемой в 8-м и 9-м классах, органическая химия (10-й класс) по существу самостоятельный предмет. У нее свой язык, специфическая терминология, повторяющийся циклический характер подачи материала о соединениях разных классов. Например, порядок изучения алканов следующий: состав соединений, их строение, изомерия, названия, реакции получения и химических превращений, применение и расчетные задачи. Такой же порядок используется при рассмотрении последующих классов органических соединений – алкенов, спиртов и т. д.
По своей сути «Практическое пособие» является лаконичным и доступным изложением курса органической химии за 10-й класс по двум темам: «Углеводороды» (14 уроков) и «Кислородсодержащие соединения» (22 урока). После каждой темы следует тестовая контрольная работа. Итоговая проверка знаний по курсу органической химии базового уровня образования также предложена в форме тестов (31 вопрос).
Каждый урок этого пособия начинается кратким изложением теоретических основ конкретного вопроса. Рассмотрены типичные примеры, иллюстрирующие материал, подходы к решению задач. Урок заканчивается упражнениями (6–8 вопросов), контролирующими умения и навыки учащихся. Ответы на многие задания, в том числе решения расчетных и сложных задач, также приведены в пособии. Первые уроки (№ 1–3, 7–12) включают понятия органической химии, вводимые в 9-м классе. Эти уроки составлены в форме химического диктанта. В диктанте названия ключевых терминов обозначены только первыми буквами и далее точками. Такие термины учащиеся вписывают самостоятельно.
Пособие рассчитано на школьников с разным уровнем подготовки. Одни сумеют воспроизвести рассмотренные примеры, другие справятся с предложенными заданиями и аналогичными вопросами из других источников. В результате такой формы работы учащиеся получают необходимые теоретические и практические сведения, которые позволяют им ориентироваться в главных закономерностях органической химии.
Это «Практическое пособие» поможет учащимся в изучении химии. Оно будет полезно учителям при организации учебного процесса и абитуриентам при подготовке к экзаменам в вуз.

Тема 1. Углеводороды.
Урок 1. Строение органических соединений.
Урок 2. Структурные формулы и названия предельных углеводородов.
Урок 3. Изомерия предельных углеводородов.
Урок 4. Ковалентные связи органических соединений.
Урок 5. Гибридизация атомных орбиталей углерода.
Урок 6. Классификация реакций в органической химии.
Урок 7. Химические свойства алканов.
Урок 8. Непредельные углеводороды.
Урок 9. Химические свойства алкенов.
Урок 10. Получение и применение алкенов.
Урок 11. Диены. Природный каучук.
Урок 12. Ацетилен и его гомологи.
Урок 13. Ароматические углеводороды (арены).
Урок 14. Получение, химические свойства и применение бензола.
Урок 15. Контрольная работа № 1 (тесты) по теме 1 «Углеводороды».

Тема 2. Кислородсодержащие соединения.
Урок 16. Одноатомные предельные спирты.
Урок 17. Получение спиртов.
Урок 18. Химические свойства спиртов.
Урок 19. Применение спиртов. Цепочки химических превращений с участием спиртов.
Урок 20. Многоатомные спирты.
Урок 21. Фенолы.
Урок 22. Задачи по теме «Спирты и фенолы».
Урок 23. Альдегиды.
Урок 24. Химические свойства и применение альдегидов.
Урок 25. Кетоны.
Урок 26. Карбоновые кислоты.
Урок 27. Химические свойства карбоновых кислот.
Урок 28. Распознавание кислородсодержащих веществ.
Урок 29. Сложные эфиры и другие производные карбоновых кислот.
Урок 30. Происхождение и применение карбоновых кислот и сложных эфиров.
Урок 31. Генетическая связь углеводородов, их галогенопроизводных и кислородсодержащих соединений.
Урок 32. Жиры.
Урок 33. Углеводы.
Урок 34. Циклические формы моносахаридов.
Урок 35. Дисахариды и олигосахариды.
Урок 36. Полисахариды.
Урок 37. Химические свойства углеводов.
Урок 38. Контрольная работа № 2 (тесты) по теме «Кислородсодержащие соединения».
Урок 39. Итоговая работа «Вся органическая химия».
Словарь терминов

Нам не дано предугадать,
как слово наше в сердце отзовется.

Р.Казакова

Тема 1. Углеводороды

Урок 1. Строение органических соединений

Органическая химия – это наука о соединениях углерода. Мистер Углерод будет проводником по этому пособию.
Углеводороды – органические соединения, состоящие из атомов двух элементов – у……. и в……. .
Многообразие органических соединений обусловлено способностью атомов С образовывать ц… , т.е. соединяться друг с другом. Углеродные цепи бывают л……. , р………… и ц………. .

Линейные цепи – такие, в которых все атомы С располагаются на одной линии (прямой, ломаной или закрученной). Если атомы С обозначать точками, а химические связи между атомами черточками, то линейные цепи выглядят так:

Разветвленные цепи – такие, в которых некоторые атомы С не попадают на непрерывную линию, соединяющую наибольшее число углеродных атомов молекулы. Самую длинную цепь из атомов С называют г…… у……… ц….. . Чтобы выделить главную углеродную цепь, ее атомы С нумеруют. Атомы и группы атомов, не входящие в главную цепь (в том числе гетероатомы* для производных углеводородов), связанные с главной цепью атомов С, называют з………… .

В условной сокращенной записи разветвленных цепей атомы углерода – заместители – будем показывать точками в кружочке, а гетероатомы – химическими символами.
Примеры разветвленных углеродных цепей:

Циклические цепи (циклы) содержат 3, 4, 5, 6 и большее число атомов С, замкнутых в кольцо. Главной цепью в циклических соединениях служат атомы углерода цикла, причем их счет начинают от более сложного заместителя, входящего в цепь.
Примеры циклических цепей:

Группы звезд на небе тоже можно представить как цепи разных видов:

Задание 1. Запишите по одному примеру углеродных цепей трех видов: линейной, разветвленной, циклической, – каждая из которых включала бы семь атомов С.

Задание 2 . В ряду химических символов подчеркните гетероатомы: Н, Li, С, N, O, F, Cl.

Углеводороды линейного и разветвленного строения, все связи между атомами углерода в которых одинарные (насыщенные или предельные):

имеют название «а…..».

Общая формула алканов – С n H 2n +2 , где n = 1, 2, 3, 4 и т. д. (любое целое число). Например, если в молекуле предельного углеводорода три атома углерода (n = 3), то число атомов водорода будет восемь (2n + 2 = 2 3 + 2 = 8), молекулярная формула этого вещества – С 3 Н 8 . Для алканов с пятью и пятьюдесятью атомами С молекулярные формулы – С 5 Н … и С 50 Н … .

Алканы, имеющие циклическое строение (содержащие в составе молекулы цикл), называют ц………… . Общая формула циклоалканов – С n H 2n . Так, для циклических углеводородов, содержащих пять атомов С, молекулярная формула будет С 5 Н 10 . Для циклических цепей состава С 5 Н 10 , у которых при атомах углерода (валентность С – IV) указано необходимое число атомов H, формулы имеют вид:

Известны непредельные углеводороды. В них имеются углерод-углеродные связи двойные (С=С) или тройные (СС) обычно наряду с одинарными (С–С) связями:

Интересно, что при единичном углероде может быть четыре гетероатомных заместителя (структура А), при краевых атомах С углеродной цепи – до трех гетероатомных заместителей (структуры Б 1 –Б 3), а при внутренних атомах цепи – один или два заместителя (структуры В 1 , В 2):

* Гетероатомами в органической химии называют все атомы, отличные от С и Н, например, гетероатомы – F, Cl, Вr, N, О и т. д.

Урок 2. Структурные формулы и названия
предельных углеводородов

Валентность углерода равна … (цифра). Поэтому при записи структурных формул от углерода должно отходить четыре черточки, изображающие химические связи.
Форму записи состава органической молекулы, в которой каждый атом C показан отдельно со связями, называют с………. ф…….. . Химически связанные атомы углерода представляют углеродный скелет молекулы вещества.

Три разновидности структурных формул

1. Самая полная форма записи формулы углеводорода – это когда каждый атом молекулы показан отдельно:

Такая запись громоздкая, занимает много места и используется редко.

2. Форма записи, в которой указывают общее число атомов водорода при каждом атоме С, а между соседними углеродами ставят черточки,
означающие х……… с…. :

СН 3 –СН 2 –СН 3 , Сl–СН 2 –СН 2 –Br.

3. Структурная формула, в которой черточки между атомами, расположенными в записи на одной строке, не указывают, тогда как атомы, выходящие на другие строки, соединяют черточками с прямой цепью:

Иногда углеродные цепи изображают ломаными линиями, геометрическими фигурами (треугольник, квадрат, куб). При этом в каждом изломе цепи, а также в начале и в конце цепи подразумевают атом С. Например, изображениям

соответствуют структурные формулы

Ниже приведены некоторые свойства отдельных предельных углеводородов и формы их записи (табл. 1).

Таблица 1

Названия предельных углеводородов (алканов) линейного строения

Название алкана	Молекулярная формула	Структурная формула	Агрегатное состояние	Температура кипения, °С
Метан	СН 4	СН 4	Газ	–161,6
Этан	С 2 Н 6	СН 3 СН 3	Газ	–88,6
Пропан	С 3 Н 8	СН 3 СН 2 СН 3	Газ	–42,1
Бутан	С 4 Н 10	СН 3 СН 2 СН 2 СН 3	Газ	–0,5
Пентан	С 5 Н 12	СН 3 (СН 2) 3 СН 3	Жидкость	36,1
Гексан	С 6 Н 14	СН 3(СН 2) 4 СН 3	Жидкость	68,7
Гептан	С 7 Н 16	СН 3 (СН 2) 5 СН 3	Жидкость	98,5
Октан	С 8 Н 18	СН 3 (СН 2) 6 СН 3	Жидкость	125,6
Нонан	С 9 Н 20	СН 3 (СН 2) 7 СН 3	Жидкость	150,7
Декан	С 10 Н 22	СН 3 (СН 2) 8 СН 3	Жидкость	174,0

Составление названий разветвленных и замещенных алканов

1. Выбирают главную углеродную цепь и нумеруют ее таким образом (слева или справа), чтобы входящие заместители получили наименьшие номера.

2. Название начинают с цифрового локанта – номера углерода, при котором находится заместитель. После цифры через черточку пишут название заместителя. Разные заместители указывают последовательно. Если одинаковые заместители повторяются два раза, то в названии после цифровых локантов, указывающих положение этих заместителей, пишут приставку «ди». Соответственно при трех одинаковых заместителях приставка «три», при четырех – «тетра», при пяти заместителях – «пента» и т. д.

Названия заместителей

3. Слитно с приставкой и заместителем пишут название углеводорода, пронумерованного в качестве главной углеродной цепи:

а) 2-метилбутан; б) 2,3-диметилпентан; в) 2-хлор-4-метилпентан.

Названия циклоалканов составляют аналогично, только к названию углеводорода – по числу атомов углерода в цикле – добавляют приставку «цикло»:

Вещества, сходные по строению, но различающиеся на одну или несколько групп –СН 2 –, известны как г……. .
Примеры гомологов:

СН 3 –СН 3 , СН 3 –СН 2 –СН 3 , СН 3 –СН 2 –СН 2 –СН 3 .

Элемент сходства – алканы с линейной цепью:

Cходство трех формул веществ последнего примера – в каждом случае при втором атоме С главной углеродной цепи находится одинаковый заместитель – группа СН 3 .

Упражнения.

1. Укажите, к каким классам могут принадлежать следующие соединения (алканы подчеркните одной чертой, циклоалканы – двумя):

С 5 Н 8 , С 4 Н 8 , С 4 Н 10 , С 5 Н 12 , С 3 Н 4 , С 3 Н 8 , С 4 Н 6 , С 6 Н 12 , С 7 Н 16 , С 6 Н 6 .

2. Составьте структурные формулы углеводородов, содержащих семь атомов С в молекуле:
а) линейного строения; б) с разветвленной цепью; в) с цепью, включающей цикл.

3. Выберите гомологи из следующих веществ (выделите одинаковым образом). Поясните, в чем их сходство и различие:

СН 3 Сl, СН 3 СН 2 СН 3 , СН 3 СН 2 СН 2 СН 3 ,

4. Составьте структурные формулы: а) более высшего гомолога (+СН 2); б) более низшего гомолога – для следующих веществ :

5. Выберите главные цепи атомов углерода, пронумеруйте их и соотнесите названия (приведены ниже) со структурой следующих соединений :

а) 1-Бром-2-метилциклопропан; б) 1-бром-3-метилбутан; в) н -октан; г) 2-бромбутан.

6. Назовите соединения по их структурным формулам : сходство - оба вещества содержат

трехуглеродное кольцо, а различаются на две группы СН 2 .

Среди органических соединений многие являются циклическими. Впервые об их существовании узнали, когда в 1865 г. Ф. Кекуле определил строение молекулы бензола (рис. 140, А, Б).

В то время было известно, что бензол является углеводородом с эмпирической формулой С 6 И 6 . Попробуйте построить структурную формулу этого вещества, выстраивая в ряд атомы водорода или разветвляя образованную ими цепочку. Вы убедитесь, что это возможно только в том случае, если предположить, что молекула содержит в некоторых участках тройные связи между атомами углерода. Но химические эксперименты такую возможность отвергали. Кекуле долго раздумывал над этой проблемой и пришёл к выводу, что молекула бензола имеет циклическое строение с чередованием двойных и одинарных связей.

По поводу этого открытия ходит много легенд. Говорят, что учёный представил себе змею с нанизанными на неё атомами углерода, а потом увидел во сне, как эта змея схватила себя за хвост. Другие рассказывают, что идея о циклическом строении бензола пришла Кекуле в зоопарке, где он увидел сцепившихся обезьян.

Впоследствии выяснилось, что одинарные и двойные связи в молекуле бензола нельзя считать строго чередующимися, так как невозможно установить, в каком именно месте находится одинарная, а в каком – двойная связь. Поэтому сейчас молекулу бензола обычно изображают в виде шестиугольника с кольцом внутри.

Рис. 140. Циклические органические соединения – бензол и анилин:

А, Б – структурные формулы бензола; В – масштабная модель молекулы бензола; Г – структурная формула молекулы анилина

Рис. 141. Применение бензола: 1 – добавка к бензину; 2 – производство растворителей; 3–7 – производство органических соединений (ацетона (3), анилина (4), пестицидов (5), лекарственных средств (6), фенолформальдегидных пластмасс (7))

Широкое применение бензола представлено на рисунке 141.

Утратив один атом водорода, бензол становится обладателем свободной валентной связи и превращается в радикал фенил. Вводя в его молекулу боковые группы различного строения, можно создать множество соединений, большинство из которых находит широкое практическое применение. Приведём в качестве примеров несколько таких производных. Фенол (устаревшее название – карболовая кислота) представляет собой вещество, образованное заменой одного атома водорода в молекуле бензола на гидроксильную группу. Это соединение служит сырьём для производства эпоксидных и формальдегидных смол, искусственных волокон – нейлона и капрона, антисептиков и аспирина. Фенол обладает слабыми бактерицидными свойствами, поэтому до открытия более эффективных препаратов его использовали в медицинских учреждениях в качестве антисептического средства. Присутствием фенола в дыме объясняется консервирующий эффект копчения продуктов. В то же время фенол опасен для человека из-за своей высокой токсичности. Попадая в организм, иногда даже через неповреждённую кожу, фенол быстро всасывается и действует на клетки головного мозга. Это может привести к потере сознания и даже остановке дыхания.

Анилин можно получить, заменив один из атомов водорода бензола аминогруппой (рис. 140, Г). Сам по себе анилин бесцветен, однако вводя в него различные химические группы, можно получить устойчивые красители самых разнообразных цветов. Помимо этого, его используют в химической промышленности для получения различных полимеров.

Заменив атом водорода на группу СООН - , можно получить бензойную кислоту, обладающую выраженными антисептическими свойствами. Её применяют в медицине для лечения кожных и грибковых заболеваний, а также используют для консервирования продуктов. Производные бензойной кислоты используют в парфюмерной промышленности и при изготовлении красителей. Большое значение принадлежит производному этой кислоты – парааминобензойной кислоте . Она является витамином, причем, что особенно важно, не только у человека, но и у большинства болезнетворных бактерий. Синтезировав вещества, блокирующие действие этой кислоты, такие как стрептоцид, сульфадимезин, сульфадиметоксин и другие, фармакологи получили средства борьбы с многими опасными инфекционными заболеваниями.

Существуют соединения, в молекулах которых бензольные кольца расположены так, что имеют общую «стенку». Такие соединения называют конденсированными . Соединение, состоящее из двух конденсированных бензольных колец, – нафталин (рис. 142). Нафталин обладает резким запахом, и в прошлом его использовали для защиты одежды от моли.

Три кольца бензола, выстроенные в ряд, образуют антрацен. Его производное ализарин используют для изготовления красителей. Если же три кольца не лежат на одной прямой, а среднее приподнято над крайними, получится фенантрен, производные которого входят в состав многих гормонов.

Если циклическая молекула химического соединения состоит только из атомов углерода, то такое соединение называют гомоциклическим (от греч. homo – одинаковый). Если же в составе цикла находятся атомы других элементов, то такие вещества называют гетероциклическими (от греч. hetero – разный), а неуглеродные атомы цикла называют гетероатомами. В роли гетероатомов чаще всего выступают кислород, азот и сера. Гетероциклические кольца, так же как и гомоциклические, могут быть шести– или пятичленными, одиночными или конденсированными.

Рис. 142. Масштабная модель молекулы нафталина

Гетероциклические соединения – очень важный класс органических веществ, так как они входят в состав нуклеиновых кислот, алкалоидов (например, никотина, морфина, кофеина), многих лекарственных и других веществ.

<<< Назад

Вперед >>>

Циклические соединения делятся на карбоциклические и гетероциклические соединения.

Карбоциклические соединения содержат в своих циклах только атомы углерода, в то время как в циклах гетероциклических соединений имеются атомы других элементов (кислорода, азота, серы и т.д.).

Карбоциклические соединения подразделяются на алициклические и ароматические соединения.

Алициклические соединения

Алициклические соединения – это соединения, молекулы которых содержат один или несколько циклов неароматического характера.

Термин «алициклические» означает алифатические циклические соединения, так как по своим свойствам они похожи на соответствующие соединения алифатического ряда.

Однако, несмотря на большое сходство между алифатическими и алициклическими соединениями, имеются некоторые особенности в поведении последних, что обусловлено наличием в них циклической структуры.

Классификация алициклических соединений

Алициклические соединения подразделяются в зависимости от величины цикла, числа циклов и способа соединения циклов.

Простейший алициклический цикл – трехчленный. Но известны алициклы с числом атомов углерода до 30 и более.

Алициклические соединения, содержащие в молекуле два, три, четыре и более циклов, соединенных между собой различным способами, называются полиалициклическими соединениями.

В зависимости от способа соединения циклов они могут иметь один, два, три или более общих углеродных атомов.

В соответствии с этим бициклические соединения классифицируют:

спираны имеют один общий для двух циклов атом углерода;

в соединениях с конденсированными циклами общими для двух циклов являются два соседних атома углерода;

если общих атомов углерода больше двух, то алициклы называются мостиковыми .

По характеру связей в циклах различают:

насыщенные алициклические соединения (циклоалканы);

ненасыщенные алициклические соединения с одной двойной связью (циклоалкены), с двумя – циклоалкадиены, с тремя – циклоалкатриены, с одной тройной связью – циклоалкины.

Циклоалканы (циклопарафины)

Циклоалканами называют предельные алициклические углеводороды, в молекулах которых все углеродные атомы цикла соединены между собой простыми одинарными ϭ – связями.

По своим свойствам они напоминают обычные предельные углеводороды – алканы (парафины), откуда и происходит их название – циклоалканы (циклопарафины).

Циклоалканы иногда называют полиметиленовыми углеводородами (т.е. состоящими из связанных между собой в кольцо метиленовых групп СН 2), или нафтенами, так как некоторые циклоалканы (циклопентаны, циклогексаны и их производные) содержатся в некоторых сортах нефти (например, кавказская или калифорнийская).

Состав циклоалканов выражают общей формулой С n H 2 n , т.е. они изомерны этиленовым углеводородам (алкенам).