Карбоксил c Карбоновые кислоты

OH

Нитрогруппа NO₂ Нитросоединения

Аминогруппа NH₂ Амины

Диазогруппа N₂X Диазосоединения

Меркаптогруппа SH Тиолы (меркаптаны, теоспирты)

Сульфогруппа SO₃H Сульфокислоты

Металлы Li, Mg, Al Металлоорганические соединения

Выделение и анализ органических веществ

Перекристаллизация. Простейшим доказательством чистоты кристаллического вещества может служить постоянство его температуры плавления при повторных кристаллизациях – «перекристаллизация до постоянной температуры плавления». Для доказательства идентичности синтезированного вещества с другим имеющимся в наличии образцом проводят определение температуры плавления смеси обоих веществ: отсутствие депрессии температуры плавления, т.е. понижение, указывает на идентичность смешанных веществ.

Перегонка. Метод часто используется для очистки органических веществ, включает простую перегонку, и перегонку в вакууме, позволяющую снизить температуру кипения по сравнению с перегонкой при атмосферном давлении примерно на 1000 ⁰С (обычный вакуум – остаточное давление 130…1300 Па) или 2000 ⁰С (высокий вакуум – остаточное давление 13…1,3 Па). Хороший способ очистки – перегонка с водяным паром.

Возгонка. Относительно редко применяемый процесс очистки, при котором используется способность ряда веществ переходить из твёрдого состояния в парообразное, минуя жидкое. Весьма эффективный способ очистки.

Экстракция основана на разделении веществ путём распределения их между несмешивающимися растворителями. Водный раствор органического вещества трясут с такими растворителями, как эфир, бензол и т.д. При этом органическое вещество переходит из водного слоя в слой органического растворителя. Таким образом, отделяют органическое вещество от неорганических солей, а также разные органические вещества друг от друга.

Хроматография основана на различиях в адсорбционных свойствах веществ. Разделяемую смесь пропускают через адсорбент – вещество, способное с разной силой взаимодействовать с компонентами разделяемой смеси. При этом сильноадсорбирующиеся вещества отстают в своем движении от слабоадсорбирующихся; так происходит их разделение. Особенно эффективна газожидкостная хроматография, при которой через адсорбент пропускают пары органических веществ. Многие вещества, описанные ранее как индивидуальные, при исследовании методом газожидкостной хроматографии оказались смесями нескольких компонентов.

Все эти методы используют и в лаборатории, и в промышленности.

Углеводороды

Благодаря способности атомов углерода образовывать цепи и циклы различного размера и формы, а также различные типы связей, возможно существование большого числа углеводородов. Углеводороды разных типов отличаются друг от друга также степенью насыщения водородом. Число атомов водорода в молекуле любого углеводорода чётное.

Алканы

Алканы являются углеводородами, наиболее богатыми водородом, они насыщены им до предела. Отсюда названия – насыщенные, или предельные, углеводороды. Их называют также парафинами, или углеводородами, ряда метана (по первому члену ряда).

Гомологический ряд. Каждый последующий член ряда отличается от предыдущего по составу на одну группу CH₂. Общая формула ряда С_nН_2n+2. Простейший представитель CH₄ – метан. Химические свойства всех парафинов сходны. Отсюда ряд соединений, обладающих сходным химическим строением, сходными свойствами и отличающихся друг от друга по составу на группу CH₂, называется гомологическим рядом. Члены этого ряда носят название гомологов, разница в составе двух соседних членов ряда называется гомологической разницей.

Строение. Общая черта в строении насыщенных соединений простая, или одинарная, связь между атомами углерода. На образование этой связи затрачивается одна пара электронов.

Изомерия. Вид изомерии, когда вещества отличаются порядком связи атомов в молекуле, называют структурной изомерией. Изомерия предельных углеводородов обусловлена простейшим видом структурной изомерии – изомерией углеродного скелета (рис. 2). Соединения, имеющие неразветвлённую углеродную цепь, называют нормальными.

Метан, этан, пропан существуют только в одной форме, не имеют изомерии.

C₄ H₁₀ бутан:

CH₃CH₂CH₂CH₃ н-бутан; CH₃CHCH₃ изобутан

CH₃

C₅H₁₂ пентан:

CH₃CH₂CH₂CH₂–CH₃ н-пентан; CH₃CHCH₂CH₃ изопентан;

CH₃

CH₃

CH₃CCH₃ неопентан

CH₃

Рис. 2. Изомерия алканов

С увеличением числа атомов углерода в молекуле возрастает и число теоретически возможных изомеров. Для углеводородов с C₁…C₃ они получены, для высших членов ряда известны лишь некоторые.

Если атом углерода затрачивает на углерод-углеродную связь одну единицу валентности, то его называют первичным, две – вторичным, три – третичным, все четыре – четвертичным. У нормальных алканов бывают только первичные (на концах) и вторичные (в середине) атомы углерода.

Одновалентные остатки, получающиеся при отнятии атома водорода от алканов, называют алкилами, например, CH₃ – метил, C₂H₅ – этил и т.д. Общая формула алкилов C_n H_2n+1, их часто заменяют сокращенно Alk или R. Алкилы могут быть первичными, вторичными или третичными (рис. 3).

Физические свойства. Первые четыре члена гомогологического ряда – газообразные вещества, от C₅ до C₁₅ – жидкости, от C₁₆ и выше – твёрдые вещества. В гомогологическом ряду постепенно увеличиваются температура кипения, плавления и плотность, например: метан CH₄ T_пл = –182,5 ⁰С; Т_кип = –161,5 ⁰С; относительная плотность = 0,424. Гептан C₇ H₁₆ Т_пл = – 90,6 ⁰С; Т_кип .= + 98,4 ⁰С; относительная плотность = 0,684.

CH₃CH₂CH₂CH₂ CH₃CH₂CHCH₃

Бутил CH₂-

вторичный бутил

(втор-бутил)

CH₃ CH₃

CH₃CHCH₂ CH₃CCH₃

изобутил третичный бутил

(трет-бутил)

Рис. 3. Примеры алкилов

Алканы с разветвлённой цепью кипят при более низкой температуре, чем изомеры с нормальной цепью. Температура плавления, наоборот, повышается с ростом разветвлённости углеродной цепи. Плотности всех алканов меньше 1, они все нерастворимы в воде, однако растворимы в эфирах и других органических растворителях. Углеводороды C₃…C₁₅ имеют запах бензина или керосина, первые два члена почти не пахнут, высшие не пахнут из-за плохой летучести.

Химические свойства. В химическом отношении алканы малоактивны, из-за этого и названы парафинами. При обычных температурах на них не действуют концентрированные кислоты (азотная, серная и т.д.), расплавленные и концентрированные щёлочи, обычные окислители (перманганат калия, хромовая смесь). Металлы не вытесняют водород из их соединений.

Всё это определяет круг реакций насыщенных углеводородов:

• радикальные реакции замещения, идущие в жёстких условиях (свет, высокая температура и т.д.);

• к реакции присоединения алканы неспособны, чем и отличаются от непредельных углеводородов:

• при крекинге (t = 400…600 ⁰C) происходит расщепление высококипящих углеводородов на молекулы простых низкокипящих. Предельные углеводороды образуют простые насыщенные и ненасыщенные (рис. 4);

• при пиролизе (t = 650…700 ⁰С) идёт более глубокий распад и образуется много водорода, кокса и простейших предельных и непредельных углеводородов;

CH₃-CH₂-CH₂–CH₃ CH₃-CH₃ + CH₂=CH₂

бутан этан этилен

Рис. 4. Расщепления предельного углеводорода при крекинге

• дегидрирование – отнятие водорода с превращением предельных углеводородов в непредельные;

• ароматизация – превращение в ароматические углеводороды;

• изомеризация – перестройка углеродного скелета.