Практикум: язык органики
От названия к структуре и обратно
Первое упражнение практикума состоит в том, чтобы восстановить по названию структурную и молекулярную формулы. Его выполняют письменно в следующем порядке: углеродный скелет, функциональные группы, атомы водорода по валентности, молекулярная формула для проверки. Если молекулярная формула не совпадает с общей формулой класса, в структуре допущена ошибка.
boltМолекулярная формула по названию
- Атомы углерода: главная цепь, углеводородные радикалы и атомы углерода групп, входящих в суффикс (карбоновая кислота, карбонитрил, карбальдегид).
- Атомы водорода: начните с формулы алкана \(\ce{C_nH_{2n+2}}\) и вычитайте по два атома водорода за каждую двойную связь и каждый цикл, по четыре — за тройную связь.
- Атомы кислорода добавляют без изменения числа атомов водорода, аминогруппу — с одним дополнительным атомом водорода, галоген — вместо атома водорода.
edit_noteРазбор задачи: формула 4-метилпент-2-ина
Цепь из пяти атомов, тройная связь между вторым и третьим атомами, метильная группа у четвёртого: \(\ce{CH3-C#C-CH(CH3)-CH3}\). Атомов углерода \(5 + 1 = 6\); алкан \(\ce{C6H14}\); тройная связь уменьшает число атомов водорода на четыре: \(\ce{C6H10}\). Проверка по формуле алкинов \(\ce{C_nH_{2n-2}}\): \(2\cdot6 - 2 = 10\).
edit_noteРазбор задачи: формула аланина, 2-аминопропановой кислоты
Три атома углерода, группа \(\ce{COOH}\) занимает положение 1, аминогруппа находится у атома C2: \(\ce{CH3-CH(NH2)-COOH}\). По алгоритму: пропан \(\ce{C3H8}\); группа \(\ce{C=O}\) кислоты уменьшает число атомов водорода на два: \(\ce{C3H6}\); два атома кислорода число атомов водорода не изменяют; аминогруппа добавляет один атом: \(\ce{C3H7NO2}\). Проверка: \(\Omega = (6 + 2 + 1 - 7)/2 = 1\), что соответствует одной связи \(\ce{C=O}\).
errorАтом углерода в суффиксе
В циклогексанкарбоновой кислоте семь атомов углерода, а не шесть: суффикс «карбоновая» добавляет атом углерода группы \(\ce{COOH}\). То же относится к суффиксам «карбальдегид» и «карбонитрил».
history_eduТеория строения Бутлерова
Александр Бутлеров в 1861 году сформулировал теорию химического строения: свойства вещества определяются порядком соединения атомов в молекуле. С тех пор структурная формула — главный язык органической химии, а название — способ её однозначно записать словами.
Изомеры по брутто-формуле
Второе упражнение — перечисление изомеров. Порядок действий следующий: сначала перебирают углеродные скелеты по убыванию длины цепи, затем положения функциональной группы на каждом скелете, затем другие классы соединений с той же формулой. Каждую структуру следует записывать: при устном переборе изомеры теряются.
edit_note\(\ce{C4H9Cl}\): четыре изомера
Скелет бутана: атом хлора в положении 1 или 2 (положения 3 и 4 эквивалентны положениям 2 и 1), то есть 1-хлорбутан и 2-хлорбутан. Скелет 2-метилпропана: атом хлора у крайнего атома или у центрального, то есть 1-хлор-2-метилпропан и 2-хлор-2-метилпропан. Всего четыре изомера. У 2-хлорбутана существуют ещё два оптических изомера, однако число структурных изомеров они не увеличивают.
edit_noteРазбор задачи: изомеры \(\ce{C3H8O}\)
\(\Omega = 0\), все связи одинарные. Спирты: на скелете пропана два неэквивалентных положения — пропан-1-ол и пропан-2-ол. Простой эфир: атом кислорода внутри цепи — метоксиэтан \(\ce{CH3-O-C2H5}\). Всего три структурных изомера.
boltПроверка перебора
Назовите каждый найденный изомер по правилам IUPAC. Если два названия совпали — это одна и та же молекула, нарисованная по-разному. Если название не удаётся составить — ошибка в структуре.
errorКакие изомеры учитываются
Если в задаче спрашивают о структурных изомерах, цис-, транс- и оптические изомеры не учитывают. Если спрашивают, сколько всего изомеров, пространственные изомеры необходимо добавить; на это обычно указывают слова «всего» или «включая пространственные».
history_eduИзомеры и теория графов
В 1875 году математик Артур Кэли применил к подсчёту изомеров алканов теорию деревьев — графов без циклов. Так химическая задача стала одним из истоков теории графов.
Степень ненасыщенности как ключ
Третье упражнение — применение степени ненасыщенности для сужения круга возможных структур. Порядок действий всегда один и тот же: по данным о сгорании или из условия находят молекулярную формулу, вычисляют \(\Omega\), определяют классы, совместимые с найденным значением, и затем привлекают качественные реакции.
boltЧто означает значение \(\Omega\)
Значение \(\Omega \geq 4\) у соединения с шестью и более атомами углерода почти всегда указывает на бензольное кольцо; остаток \(\Omega - 4\) приходится на кратные связи или циклы в боковой цепи. Значение \(\Omega = 1\) у кислородсодержащего вещества означает карбонильную группу, двойную связь или цикл. Значение \(\Omega = 0\) означает только одинарные связи: алкан, спирт, простой эфир, амин, галогеналкан.
edit_noteРазбор задачи: вещество \(\ce{C5H8O}\)
\(\Omega = (10 + 2 - 8)/2 = 2\): два цикла или кратные связи. Вещество не реагирует с натрием (нет группы OH), не даёт серебряного зеркала (не альдегид) и не обесцвечивает бромную воду (нет связи C=C). Остаются кетон и цикл: \(\Omega = 2\) как раз даёт одна связь C=O и одно кольцо. Ответ — циклопентанон.
edit_note\(\ce{C3H4}\): три изомера
\(\Omega = (6 + 2 - 4)/2 = 2\): одна тройная связь, две двойные связи или цикл с двойной связью. Это пропин \(\ce{HC#C-CH3}\), пропадиен (аллен) \(\ce{CH2=C=CH2}\) и циклопропен. Пропин легко отличить от остальных изомеров: только концевая тройная связь даёт осадок с аммиачным раствором оксида серебра.
errorСтепень ненасыщенности задаёт перечень, а не ответ
Значение \(\Omega = 4\) почти всегда соответствует бензольному кольцу, но не обязательно: у бутадиина \(\ce{C4H2}\) также \(\Omega = 4\), хотя кольца в молекуле нет. Число атомов углерода и качественные реакции подтверждают предположение; этот шаг нельзя пропускать.
auto_awesomeАнализатор вместо калиаппарата
Сегодня состав органического вещества определяют автоматические CHN-анализаторы: навеску в несколько миллиграммов сжигают в токе кислорода, а газы разделяют и измеряют за несколько минут. Но расчёт формулы по полученным долям остаётся тем же, что и в задачах.
push_pinГлавное
Язык органической химии — рабочий инструмент, а не предмет заучивания. По молекулярной формуле вычисляют степень ненасыщенности, по ней сужают круг возможных классов, по названию восстанавливают структуру и проверяют её составом. Эта последовательность действий повторяется в каждой олимпиадной задаче.
Закрепите теорию: 14 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.