796

УДК 547

ББК 24.2 П 13

Пак В.Д., Яганова Н.Н., Гартман Г.А.

П 13 Органическая химия – Пермь: ПГСХА, 2006. – 267 с., ил. 12, библиогр. 25 названий.

Рецензенты:

А.Н. Масливец, д-р хим. наук, профессор Пермского государственного университета, В.В. Мисенжников, канд. хим. наук, профессор

Пермского государственного педагогического университета.

Учебное пособие представляет собой оригинальный курс, отличающийся от имеющихся пособий по органической химии. Впервые при описании химических свойств органических соединений использованы принцип жесткости и мягкости кислот и оснований (ЖМКО), классификация органических реакций по реакционным центрам, единая система номенклатуры органических реакций, концепция нуклеофильности и электрофильности, существенно облегчающие освоение курса для студентов агрономического, агрохимического и технологического факультетов очной и заочной форм обучения, Может быть использован студентами других биологических и сельскохозяйственных специальностей.

ISBN 5-94279-041-8

Пермская государственная сельскохозяйственная академия, 2006

В.Д. Пак, 2006

Н.Н. Яганова, 2006

Г.А. Гартман, 2006

2

1.1.Развитие теории строения органических соединений….…….. 22

1.2. Химическая связь в органических соединениях……………… 25

1.3.Электронные эффекты в органической химии……………….. 32

1.4.Типы изомерии органических соединений……………………. 38

1.5.Физические методы исследования органических соединений………………………………………………………. 45

1.5.1.УФ-спектроскопия……………………………………….. 47

1.5.2.ИК-спектроскопия………………………………………... 51

1.5.3.ЯМР-спектроскопия……………………………………… 53

Глава 2. Теоретические основы органической химии…..… 61

2.1.Энергетика химических процессов……………………………. 61

2.2. Кинетика химических процессов……………………………… 65

2.3.Механизмы органических реакций……………………………. 69

2.4.Кислотность и основность ……………………………..………. 74

2.5.Принцип жесткости и мягкости кислот и оснований

(ЖМКО)…………………………………………………………. 77

2.6.Классификация органических реакций по реакционным центрам субстрата (атакуемая молекула)……………………... 87

Глава 3. Важнейшие классы органических соединений…. 89

3.1.Алканы (предельные, насыщенные, парафиновые углеводороды)…………………………………………………... 89

3.2. Алкены (олефины, этиленовые углеводороды)……………… 95

3.3.Алкины (ацетиленовые углеводороды)……………………….. 100

3.4.Алкадиены (диеновые углеводороды, диолефины) и алкапо-

лиены (полиеновые углеводороды, полиены)………………… 105

3.5.Алициклические углеводороды……………………………….. 109

3.6.Арены (ароматические углеводороды)………………………... 113

3.7.Галогенуглеводороды…………………………………………... 119

3.8.Спирты и фенолы……………………………………………….. 127

3.9.Альдегиды и кетоны……………………………………………. 139

3.12. Амины……………………………………………………………. 165

3.13Серусодержащие органические соединения………………….. 174

3.14. Фосфорсодержащие органические соединения………………. 179

3.15Гетероциклические соединения………………………………... 188

Глава 4. Элементы биоорганической химии………………. 204

4.1.Липиды…………………………………………………………… 204

4.2.Углеводы (сахара)……………………………………………...... 215

4.3.Гидроксикислоты………………………………………………… 232

4.4.Оксокислоты……………………………………………………… 236

4.5.Аминоспирты…………………………………………………….. 240

4.6.Аминокислоты…………………………………………………… 243

4.7.Белки (протеиды)………………………………………………… 251

4.8.Нуклеиновые кислоты…………………………………………… 256

Библиографический список……..……………………………. 262 Предметный указатель………………………………………... 264

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные учебники по органической химии характеризуются наличием ряда методических недостатков: описательный стиль изложения учебного материала, отсутствие единого принципа классификации органических реакций, многообразие их номенклатуры, недостаточно полное использование концепции электрофильности и нуклеофильности. Эти методические недостатки способствуют механическому запоминанию материала, зубрежке и этим затрудняют изучение предмета органической химии. В основе настоящего учебного пособия лежит опыт преподавания органической химии сотрудниками Пермской сельскохозяйственной академии, который позволяет избежать вышеуказанных методических недостатков учебников. При описании химических свойств соединений были впервые привлечены принцип жесткости и мягкости кислот и оснований (ЖМКО), классификация органических реакций по реакционным центрам, единая система номенклатуры органических реакций и концепция электрофильности и нуклеофильности. Эти методические приемы дают возможность осуществлять системно-структурный метод изучения, что облегчает освоение курса органической химии.

Учебное пособие «Органическая химия» разработано профессором кафедры общей химии В.Д. Паком, доцентом кафедры общей химии Н. Н. Ягановой, старшим научным сотрудником Пермского госуниверситета Г. А. Гартманом в соответствии с программой подготовки студентов высших сельскохозяйственных учебных заведений по курсу «Органическая химия» (Федеральное государственное образовательное учреждение «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д. Н. Прянишникова» при министерстве сельского хозяйства РФ).

5

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Предмет органической химии

Органическая химия – это наука, изучающая состав, строение, получение, свойства и применение органических соединений.

Под органическими соединениями понимают углеводороды и их производные. Они получили название органических потому, что многие из них впервые были выделены из живых организмов, выполняют наиболее важные жизненные функции (дыхание, питание и другие) и являются носителями жизни. Таким образом, термин «органическая» происходит от слова организм.

Все органические соединения содержат химический элемент – угле-

род. С этой точки зрения органическая химия – это наука о соединениях углерода. Возникает вопрос, почему все химические элементы, вместе взятые, составляют основу неорганической химии, тогда как соединения одного химического элемента − углерода лежат в основе другой химической науки, которая называется органической химией.

Первой причиной выделения органической химии в самостоятельную науку являются особенности самого углеродного атома:

1. Углеродные атомы способны образовывать цепь (открытую или замкнутую) различной длины, что обусловливает явление гомологии. Гомология – это явление существования ряда подобных по своему строению соединений и, следовательно, сходных по свойствам веществ, но отличающихся друг от друга на гомологическую разность (−СН2−). Например,

гомологический ряд алканов с общей формулой CnH2n+2:

CH4 метан

CH3 CH3 этан

CH3 CH2 CH3 пропан

CH3 CH2 CH2 CH3 бутан и т.д.

2. Для атомов углерода характерно образование разветвленной углеводородной цепи − главная и боковая, что обусловливает явление изомерии. Изомерия − это явление существования двух и более веществ с одинаковым количественным и качественным составом, а, следовательно, одинаковой молекулярной массой, но отличающихся друг от друга своим строением, а, значит, и свойствами. Например, бутан и изобутан:

CH3 CH2 CH2 CH3 н−бутан C4H10 H3C

3. Углеродные атомы способны образовывать кратные связи (двойные, тройные) и обусловливают явление изологии. Изология – это явление существования ряда соединений с одинаковым количеством атомов углерода, но отличающихся друг от друга на изологическую разность (H2). Например:

CH3 CH3 этан;

CH2CH2 этен;

CHCH этин

Явления гомологии, изомерии и изологии обеспечивают многочисленность органических соединений. Число известных органических соединений в настоящее время (≈ 7 млн.) более чем в 10 раз превышает количество известных соединений всех остальных элементов периодической системы Менделеева.

Второй причиной выделения органической химии в самостоятельную науку являются некоторые особенности органических соединений.

1.Органические соединения отличаются от неорганических природой химической связи. Если для неорганических соединений типичен ионный тип химической связи, то для органических соединений характерна ковалентная связь.

2.Органические соединения менее устойчивы, легче окисляются и разлагаются, чем неорганические.

Деление химических соединений на органические и неорганические носит относительный характер. Между ними нет резкой границы. Известны соединения, которые нельзя отнести ни к органическим, ни к неорганическим. Например,

Pb(CH2CH3)4 тетраэтилсвинец

Подобные соединения составляют основу третьей химии – химии эле-

ментоорганических соединений.

В.2. Значение органической химии и ее взаимосвязь с биологическими дисциплинами

Органическая химия имеет мировоззренческое значение, так как она связана с высшей формой движения материи – жизнью. «Жизнь −пишет Ф. Энгельс – есть форма существования белковых тел. Изучая свойства белков, можно познать сущность жизни».

Органическая химия является теоретической основой биологических дисциплин.

Классическим примером служит питание зеленых растений (фото-

Не менее наглядным примером является физиологический процесс растений, животных и человека – дыхание:

принимают участие в передаче наследственных признаков. Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) являются носителями наследственной информации, а рибонуклеиновые кислоты (РНК) принимают участие в синтезе белков. Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) используются в селекционной работе, в клонировании животных, в получении трансгенных продуктов питания и в качестве лекарственных препаратов. Органические вещества широко применяются во всех отраслях народного хозяйства. Углеводороды (природный газ, попутные нефтяные газы, нефть) применяют в качестве источника энергии и сырья для химической промышленности. В легкой промышленности органические вещества используют для производства синтетических волокон, заменителей кожи, красителей, лаков и др. Кроме того, органические вещества являются сырьем для получения пороха тротила, нитроглицерина, ракетного топлива и т.д.

В технике органические соединения применяются как полупроводники и жидкие кристаллы, органические красители и т.д. В медицине и ветеринарии органические вещества являются лекарственными препаратами. В сельском хозяйстве их применяют в качестве пестицидов. Пестициды – вещества, применяемые в борьбе с вредителями сельского хозяйства. По назначению пестициды подразделяются на инсектициды, гербициды, фунгициды, зооциды и т.д.

Органические вещества, такие, как белки, жиры, углеводы являются основными продуктами питания.

В.3. Классификация органических соединений

В зависимости от строения углеродной цепи органические соединения разделяются на соединения с открытой цепью (алифатические) и циклические. Последние включают две группы: карбоциклические соединения (циклы состоят только из атомов углерода) и гетероциклические соединения (в циклы входят, наряду с углеродом, атомы других химических элементов).

Карбоциклические соединения, в свою очередь, классифицируются на алициклические и ароматические вещества.

Таким образом, все известные органические соединения состоят из следующих рядов:

а) алифатические (ациклические, жирные) соединения; б) алициклические соединения; в) ароматические соединения; г) гетероциклические соединения.

8

При этом каждый ряд подразделяется на классы. Любой класс органических соединений характеризуется наличием функциональной группы. Функциональная группа - это группа атомов, которая обусловливает свойства, характерные только для данного класса соединений (табл. 1).

9