BarkanLab — Органическая химия

01 Теория строения органических соединений

Основные положения теории Бутлерова

Атомы в молекулах органических соединений связаны друг с другом в определённой последовательности, согласно их валентности. Углерод во всех органических соединениях четырёхвалентен.
Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от порядка соединения атомов в молекуле (химического строения).
Атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга, что определяет реакционную способность молекулы.
По свойствам данного вещества можно определить его строение, а по строению — предсказать свойства.

Структурная формула

Графическое изображение порядка соединения атомов в молекуле, где каждая чёрточка обозначает общую электронную пару (ковалентную связь).

Типы гибридизации углерода

Углерод способен образовывать гибридные орбитали трёх типов, определяющих геометрию молекулы:

Гибридизация	Угол между связями	Геометрия	Пример
sp³	109°28′	Тетраэдр	CH₄ (метан)
sp²	120°	Плоский треугольник	C₂H₄ (этилен)
sp	180°	Линейная	C₂H₂ (ацетилен)

Типы связей в органической химии

В органических молекулах встречаются два основных типа ковалентных связей:

σ-связь (сигма)

Образуется при осевом перекрывании орбиталей. Это прочная связь, расположенная вдоль линии, соединяющей ядра атомов. Вокруг σ-связи возможно свободное вращение.

π-связь (пи)

Образуется при боковом перекрывании негибридных p-орбиталей. Менее прочная, чем σ-связь. Препятствует свободному вращению вокруг связи C=C. Двойная связь = 1σ + 1π, тройная связь = 1σ + 2π.

Энергия связей E(C–C) = 348 кДж/моль | E(C=C) = 614 кДж/моль | E(C≡C) = 839 кДж/моль

Изомерия

Изомеры — вещества, имеющие одинаковый молекулярный состав, но различное строение и, следовательно, различные свойства.

Структурная изомерия:

Изомерия углеродного скелета — различный порядок соединения углеродных атомов (бутан и изобутан).
Изомерия положения — различное положение кратной связи, функциональной группы или заместителя (бутен-1 и бутен-2).
Изомерия функциональной группы (межклассовая) — вещества принадлежат разным классам (этанол C₂H₅OH и диметиловый эфир CH₃OCH₃).

Пространственная (стереоизомерия):

Геометрическая (цис-транс) — различное расположение заместителей относительно плоскости двойной связи. Цис — заместители по одну сторону, транс — по разные.
Оптическая — наличие асимметрического атома углерода (хирального центра), связанного с четырьмя различными заместителями. Оптические изомеры являются зеркальными отражениями друг друга.

02 Алканы (CₙH₂ₙ₊₂)

Гомологический ряд алканов

Алканы — предельные (насыщенные) углеводороды, содержащие только σ-связи C–C и C–H. Общая формула: CₙH₂ₙ₊₂.

Формула	Название	T кип., °C
CH₄	Метан	−161,5
C₂H₆	Этан	−88,6
C₃H₈	Пропан	−42,1
C₄H₁₀	Бутан	−0,5
C₅H₁₂	Пентан	36,1
C₆H₁₄	Гексан	68,7
C₇H₁₆	Гептан	98,4
C₈H₁₈	Октан	125,7
C₉H₂₀	Нонан	150,8
C₁₀H₂₂	Декан	174,1

Номенклатура IUPAC

Найти главную цепь — самую длинную непрерывную цепь углеродных атомов.
Пронумеровать атомы главной цепи так, чтобы заместители получили наименьшие номера.
Назвать заместители (метил-, этил-, пропил- и т.д.), указав их положение цифрой.
Перечислить заместители в алфавитном порядке, затем назвать главную цепь с суффиксом «-ан».
Одинаковые заместители объединить приставками ди-, три-, тетра-.

Пример CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ → 2-метилбутан

Химические свойства алканов

Алканы — малоактивные соединения. Характерны реакции замещения (S_R — свободнорадикальное) и расщепления связей.

1. Галогенирование (замещение по цепному радикальному механизму):

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl hν (ультрафиолет), цепная реакция

Механизм: инициирование Cl₂ → 2Cl• (hν), рост цепи Cl• + CH₄ → CH₃• + HCl, затем CH₃• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•, обрыв цепи — рекомбинация радикалов.

Далее возможно последовательное замещение: CH₃Cl → CH₂Cl₂ → CHCl₃ → CCl₄.

2. Горение:

CₙH₂ₙ₊₂ + (3n+1)/2 · O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O экзотермическая реакция

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O ΔH = −890 кДж/моль

3. Крекинг (термическое расщепление):

C₁₀H₂₂ → C₅H₁₂ + C₅H₁₀ t = 400–700 °C

4. Изомеризация:

CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ → CH₃–CH(CH₃)–CH₃ AlCl₃, t°

5. Дегидрирование:

C₂H₆ → C₂H₄ + H₂ Cr₂O₃, t = 400–600 °C

Получение алканов

Промышленные методы:

Переработка нефти (перегонка, крекинг)
Из природного и попутного газа

Лабораторные методы:

CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃ сплавление (реакция Дюма)

2CH₃Cl + 2Na → C₂H₆ + 2NaCl реакция Вюрца

Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄ + 4Al(OH)₃ гидролиз карбида алюминия

03 Алкены (CₙH₂ₙ)

Строение двойной связи

Двойная связь C=C состоит из одной σ-связи (осевое перекрывание sp²-гибридных орбиталей) и одной π-связи (боковое перекрывание негибридных p-орбиталей).

Углероды при двойной связи находятся в состоянии sp²-гибридизации. Молекула плоская в области двойной связи, угол между связями ≈ 120°. Длина связи C=C составляет 0,134 нм (короче одинарной C–C = 0,154 нм).

Общая формула алкенов CₙH₂ₙ (n ≥ 2), простейший — этилен C₂H₄ (этен)

Химические свойства алкенов

Характерны реакции электрофильного присоединения (Aₑ) по двойной связи.

1. Гидрогалогенирование (правило Марковникова):

CH₂=CH–CH₃ + HBr → CH₃–CHBr–CH₃ правило Марковникова: H присоединяется к более гидрированному углероду

Правило Марковникова

При присоединении полярных молекул типа HX к несимметричным алкенам водород присоединяется к более гидрированному атому углерода при двойной связи, а X — к менее гидрированному.

2. Гидратация:

CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃–CH₂OH H₃PO₄, t, p (по правилу Марковникова для несимметричных)

3. Гидрирование:

CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃ Ni, Pt или Pd, t°

4. Галогенирование:

CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br обесцвечивание бромной воды — качественная реакция!

5. Полимеризация:

nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ кат., t, p → полиэтилен

6. Окисление раствором KMnO₄ (реакция Вагнера):

3CH₂=CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3CH₂(OH)–CH₂(OH) + 2MnO₂↓ + 2KOH обесцвечивание раствора KMnO₄ — качественная реакция!

7. Горение:

C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O светящееся пламя

Получение алкенов

1. Дегидратация спиртов:

C₂H₅OH → CH₂=CH₂ + H₂O H₂SO₄ (конц.), t > 170 °C

2. Дегидрогалогенирование:

CH₃–CH₂Cl + KOH → CH₂=CH₂ + KCl + H₂O спиртовой раствор KOH, нагревание

3. Крекинг алканов:

C₈H₁₈ → C₄H₁₀ + C₄H₈ t = 400–700 °C

04 Алкины (CₙH₂ₙ₋₂)

Строение тройной связи

Тройная связь C≡C состоит из одной σ-связи и двух π-связей. Атомы углерода при тройной связи находятся в состоянии sp-гибридизации. Молекула линейна в области тройной связи, угол 180°.

Характеристики Длина C≡C = 0,120 нм | E(C≡C) = 839 кДж/моль | Общая формула: CₙH₂ₙ₋₂ (n ≥ 2)

Простейший алкин — ацетилен (этин) HC≡CH. Структура: H–C≡C–H, все четыре атома расположены на одной прямой.

Химические свойства алкинов

1. Присоединение (в две стадии):

HC≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr (1,2-дибромэтилен) 1-я стадия

CHBr=CHBr + Br₂ → CHBr₂–CHBr₂ (1,1,2,2-тетрабромэтан) 2-я стадия (избыток Br₂)

2. Гидрирование:

HC≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ Pd/BaSO₄ (катализатор Линдлара), частичное

HC≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₃ Ni, t°, полное гидрирование

3. Кислотные свойства терминальных алкинов:

Атом водорода при sp-углероде обладает слабокислотным характером (s-характер орбитали 50%):

HC≡CH + 2Na → NaC≡CNa + H₂↑ образование ацетиленида натрия

HC≡CH + [Ag(NH₃)₂]OH → AgC≡CAg↓ + 2NH₃ + H₂O белый осадок ацетиленида серебра — качественная реакция на терминальные алкины!

4. Реакция Кучерова (гидратация):

HC≡CH + H₂O → CH₃CHO (ацетальдегид) HgSO₄, H₂SO₄, t°

Реакция Кучерова

Гидратация ацетилена в присутствии солей ртути(II) даёт ацетальдегид. Гидратация гомологов ацетилена даёт кетоны (по правилу Марковникова).

5. Тримеризация ацетилена:

3HC≡CH → C₆H₆ (бензол) C (активированный уголь), 600 °C (реакция Зелинского)

Получение алкинов

1. Из карбида кальция:

CaC₂ + 2H₂O → HC≡CH + Ca(OH)₂ карбидный метод

2. Дегидрогалогенирование (двойное):

CH₃–CHCl₂ + 2KOH → HC≡CH + 2KCl + 2H₂O спиртовой раствор KOH, нагревание

3. Пиролиз метана:

2CH₄ → HC≡CH + 3H₂ t = 1500 °C, быстрое охлаждение

05 Диены

Классификация диенов

Диены — углеводороды с двумя двойными связями. Общая формула: CₙH₂ₙ₋₂.

Тип	Расположение связей	Пример
Кумулированные	C=C=C (рядом)	Пропадиен CH₂=C=CH₂
Сопряжённые	C=C–C=C (через одну)	Бутадиен-1,3 CH₂=CH–CH=CH₂
Изолированные	C=C–…–C=C (далеко)	Пентадиен-1,4 CH₂=CH–CH₂–CH=CH₂

Наибольшее значение имеют сопряжённые диены, в которых происходит перекрывание p-орбиталей по всей цепи, образуя единую π-электронную систему.

1,2- и 1,4-присоединение к сопряжённым диенам

Сопряжённые диены могут присоединять реагенты двумя путями:

1,2-присоединение (к одной двойной связи):

CH₂=CH–CH=CH₂ + HBr → CH₃–CHBr–CH=CH₂ при низкой температуре (кинетический контроль)

1,4-присоединение (по концам сопряжённой системы):

CH₂=CH–CH=CH₂ + HBr → CH₃–CH=CH–CH₂Br при повышенной температуре (термодинамический контроль)

При 1,4-присоединении двойная связь смещается в центр молекулы.

Реакция Дильса–Альдера

Реакция Дильса–Альдера ([4+2]-циклоприсоединение)

Сопряжённый диен (4 π-электрона) реагирует с диенофилом — алкеном или алкином с электроноакцепторными группами (2 π-электрона), образуя шестичленный цикл. Реакция идёт согласованно, без промежуточных частиц. Имеет огромное значение в органическом синтезе.

CH₂=CH–CH=CH₂ + CH₂=CH₂ → циклогексен [4+2]-циклоприсоединение

Каучук

Натуральный каучук — полимер изопрена (2-метилбутадиена-1,3), цис-1,4-полиизопрен:

nCH₂=C(CH₃)–CH=CH₂ → (–CH₂–C(CH₃)=CH–CH₂–)ₙ цис-конфигурация, 1,4-полимеризация

Синтетический каучук — полибутадиен, получен С. В. Лебедевым (1932):

nCH₂=CH–CH=CH₂ → (–CH₂–CH=CH–CH₂–)ₙ Na (катализатор), 1,4-полимеризация

Вулканизация — нагревание каучука с серой. Атомы серы образуют сшивки между цепями полимера, превращая каучук в резину (более прочный и эластичный материал).

06 Арены (ароматические углеводороды)

Строение бензола

Молекулярная формула бензола — C₆H₆. Все атомы углерода в состоянии sp²-гибридизации, лежат в одной плоскости и образуют правильный шестиугольник. Длина всех связей C–C одинакова (0,140 нм — среднее между одинарной 0,154 и двойной 0,134 нм).

Шесть негибридных p-орбиталей перекрываются, образуя единую делокализованную π-электронную систему (ароматический секстет). Это обеспечивает особую устойчивость — ароматичность.

Правило Хюккеля

Циклическая плоская сопряжённая система ароматична, если содержит (4n + 2) π-электронов, где n — целое неотрицательное число. Для бензола: 6 = 4·1 + 2, n = 1.

Структуры Кекуле (чередующиеся одинарные и двойные связи) — лишь формальное изображение. В реальности все связи в бензоле равноценны.

Реакции электрофильного замещения (SE)

Бензол вступает преимущественно в реакции замещения, сохраняя ароматическую систему.

1. Нитрование:

C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O H₂SO₄ (конц.), t° (нитробензол)

2. Галогенирование:

C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr FeBr₃ (катализатор Льюиса) — бромбензол

3. Сульфирование:

C₆H₆ + H₂SO₄ → C₆H₅SO₃H + H₂O олеум или конц. H₂SO₄, t° — бензолсульфокислота

4. Алкилирование (реакция Фриделя–Крафтса):

C₆H₆ + CH₃Cl → C₆H₅CH₃ + HCl AlCl₃ — толуол

Ориентанты I и II рода

Заместители, уже имеющиеся в бензольном кольце, направляют новый входящий электрофил в определённые положения:

Ориентанты I рода (орто/пара)	Эффект	Ориентанты II рода (мета)	Эффект
–OH, –NH₂, –OR	Сильные активирующие (+M)	–NO₂	Сильный деактивирующий (−M)
–CH₃, –C₂H₅ (алкилы)	Слабые активирующие (+I)	–COOH, –CHO, –COR	Деактивирующие (−M)
–F, –Cl, –Br	Слабые деактивирующие (−I, +M)	–SO₃H, –CF₃, –CN	Деактивирующие (−I, −M)

Ориентанты I рода облегчают замещение (кроме галогенов), ориентанты II рода затрудняют замещение.

Гомологи бензола (толуол)

Толуол (метилбензол) C₆H₅CH₃ — простейший гомолог бензола. Метильная группа — ориентант I рода, облегчает SE-реакции и направляет в орто- и пара-положения.

Реакции бензольного кольца:

C₆H₅CH₃ + 3Br₂ → C₆H₂Br₃CH₃ + 3HBr FeBr₃, замещение в кольце (орто/пара)

Реакции боковой цепи:

C₆H₅CH₃ + Br₂ → C₆H₅CH₂Br + HBr hν (свет), замещение в боковой цепи

Окисление боковой цепи:

C₆H₅CH₃ + 2KMnO₄ → C₆H₅COOK + 2MnO₂ + KOH + H₂O KMnO₄, нагревание — бензоат калия (обесцвечивание KMnO₄!)

07 Спирты и фенолы

Классификация спиртов

Спирты — производные углеводородов, содержащие одну или несколько гидроксильных групп –OH, связанных с насыщенным атомом углерода.

По числу ОН-групп:

Одноатомные — одна ОН-группа (метанол CH₃OH, этанол C₂H₅OH)
Двухатомные (диолы) — две ОН-группы (этиленгликоль HOCH₂CH₂OH)
Трёхатомные (триолы) — три ОН-группы (глицерин HOCH₂CH(OH)CH₂OH)

По типу атома углерода с ОН-группой:

Первичные — R–CH₂OH (этанол)
Вторичные — R₂CHOH (пропанол-2)
Третичные — R₃COH (2-метилпропанол-2)

Химические свойства спиртов

1. Реакция с активными металлами:

2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑ этилат натрия

2. Дегидратация:

C₂H₅OH → CH₂=CH₂ + H₂O H₂SO₄ (конц.), t > 170 °C — внутримолекулярная

2C₂H₅OH → C₂H₅–O–C₂H₅ + H₂O H₂SO₄ (конц.), t = 140 °C — межмолекулярная (диэтиловый эфир)

3. Этерификация (со спиртами и кислотами):

C₂H₅OH + CH₃COOH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O H₂SO₄ (конц.), t° — этилацетат (сложный эфир)

4. Окисление:

C₂H₅OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O нагревание — ацетальдегид (первичный спирт → альдегид)

Вторичные спирты окисляются до кетонов, третичные — не окисляются в мягких условиях.

Многоатомные спирты

Этиленгликоль (этандиол-1,2) HOCH₂–CH₂OH — бесцветная вязкая жидкость, смешивается с водой. Используется как антифриз.

Глицерин (пропантриол-1,2,3) HOCH₂–CH(OH)–CH₂OH — вязкая сладковатая жидкость. Применяется в фармацевтике, косметике, производстве нитроглицерина.

Качественная реакция на многоатомные спирты:

2C₃H₅(OH)₃ + Cu(OH)₂ → [Cu(C₃H₇O₃)₂] + 2H₂O ярко-синий раствор глицерата меди(II) — качественная реакция!

Свежеосаждённый Cu(OH)₂ (голубой осадок) растворяется, образуя ярко-синий раствор хелатного комплекса.

Фенол

Фенол C₆H₅OH — простейший представитель класса. ОН-группа связана непосредственно с бензольным кольцом. Взаимное влияние: +M-эффект ОН-группы активирует кольцо в орто/пара-положениях, а кольцо усиливает кислотность ОН.

Кислотные свойства:

C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O фенолят натрия (в отличие от спиртов, фенол реагирует с NaOH)

Бромирование (без катализатора!):

C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH↓ + 3HBr белый осадок 2,4,6-трибромфенола — качественная реакция!

Нитрование:

C₆H₅OH + 3HNO₃ → C₆H₂(NO₂)₃OH + 3H₂O H₂SO₄ (конц.) — 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота)

Качественная реакция с FeCl₃:

C₆H₅OH + FeCl₃ → фиолетовое окрашивание образование комплексного соединения Fe³⁺ с фенолом

08 Альдегиды и кетоны

Строение карбонильной группы

Альдегиды и кетоны содержат карбонильную группу C=O. Атом углерода C=O находится в состоянии sp²-гибридизации. Связь C=O сильно полярна (δ⁺ на C, δ⁻ на O), что определяет склонность к реакциям нуклеофильного присоединения (Aₙ).

Общие формулы Альдегиды: R–CHO (R–C(=O)H) | Кетоны: R–CO–R′ (R–C(=O)–R′)

У альдегидов карбонильная группа связана хотя бы с одним атомом водорода, у кетонов — с двумя углеводородными радикалами.

Химические свойства альдегидов

1. Присоединение водорода (восстановление):

CH₃CHO + H₂ → C₂H₅OH Ni, t° — этанол

2. Присоединение HCN:

CH₃CHO + HCN → CH₃CH(OH)CN циангидрин (оксинитрил)

3. Реакция серебряного зеркала:

CH₃CHO + 2[Ag(NH₃)₂]OH → CH₃COONH₄ + 2Ag↓ + 3NH₃ + H₂O аммиачный раствор AgNO₃, нагревание — качественная реакция на альдегиды!

На стенках сосуда образуется зеркальный налёт серебра.

4. Окисление Cu(OH)₂:

CH₃CHO + 2Cu(OH)₂ → CH₃COOH + Cu₂O↓ + 2H₂O нагревание — красный осадок оксида меди(I) — качественная реакция!

5. Альдольная конденсация:

2CH₃CHO → CH₃CH(OH)CH₂CHO NaOH (разб.), t° — альдоль (3-гидроксибутаналь)

При нагревании альдоль теряет воду, давая кротоновый альдегид CH₃CH=CHCHO (кротоновая конденсация).

6. Окисление:

2CH₃CHO + O₂ → 2CH₃COOH кат. Mn²⁺, t° — уксусная кислота (промышленный метод)

Сравнение альдегидов и кетонов

Свойство	Альдегиды	Кетоны
Функциональная группа	–CHO	–CO– (>C=O)
Реакция серебряного зеркала	Да	Нет
Окисление Cu(OH)₂	Да (красный осадок)	Нет
Восстановление до спирта	→ первичный спирт	→ вторичный спирт
Окисляемость	Легко окисляются до карбоновых кислот	Окисляются трудно (расщепление C–C)
Присоединение HCN, NaHSO₃	Легко	Труднее (стерические факторы)

09 Карбоновые кислоты

Классификация карбоновых кислот

Карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу –COOH.

По числу карбоксильных групп:

Одноосновные — одна –COOH (уксусная CH₃COOH)
Двухосновные — две –COOH (щавелевая HOOC–COOH)
Многоосновные — три и более (лимонная кислота)

По строению радикала:

Предельные — насыщенный радикал (уксусная, пальмитиновая, стеариновая)
Непредельные — содержат двойную связь (олеиновая, линолевая)
Ароматические — содержат бензольное кольцо (бензойная C₆H₅COOH)

Химические свойства карбоновых кислот

1. Диссоциация (слабые кислоты):

CH₃COOH ⇌ CH₃COO⁻ + H⁺ Ka = 1,8 · 10⁻⁵

2. С металлами (до H в ряду активности):

2CH₃COOH + Zn → (CH₃COO)₂Zn + H₂↑ ацетат цинка

3. С оксидами металлов:

2CH₃COOH + CuO → (CH₃COO)₂Cu + H₂O ацетат меди(II)

4. С основаниями (нейтрализация):

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O ацетат натрия

5. С солями более слабых кислот:

2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + H₂O + CO₂↑ вытеснение слабой угольной кислоты

6. Этерификация (со спиртами):

CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O H₂SO₄ (конц.), t° — этилацетат

Важнейшие карбоновые кислоты

Формула	Название	Тривиальное	Применение
HCOOH	Метановая	Муравьиная	Консервант, восстановитель, в текстильной промышленности
CH₃COOH	Этановая	Уксусная	Пищевая промышленность, растворитель, синтез
C₁₇H₃₃COOH	Октадеценовая	Олеиновая	Входит в состав жиров, мыловарение
C₁₇H₃₅COOH	Октадекановая	Стеариновая	Производство свечей, мыла, косметики
C₁₅H₃₁COOH	Гексадекановая	Пальмитиновая	Входит в состав жиров, мыло

10 Сложные эфиры и жиры

Реакция этерификации и гидролиз

Сложные эфиры — продукты замещения ОН-группы в карбоновой кислоте на группу –OR (остаток спирта).

Этерификация (обратимая реакция):

R–COOH + R′–OH ⇌ R–COOR′ + H₂O H₂SO₄ (конц.), t°

Кислотный гидролиз (обратная реакция):

CH₃COOC₂H₅ + H₂O ⇌ CH₃COOH + C₂H₅OH H⁺, t° (обратимый процесс)

Щелочной гидролиз (омыление) — необратимый процесс:

CH₃COOC₂H₅ + NaOH → CH₃COONa + C₂H₅OH необратимая реакция

Многие сложные эфиры обладают приятным фруктовым запахом и используются как ароматизаторы.

Жиры

Жиры — сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот (пальмитиновой, стеариновой, олеиновой и др.).

Общая формула жира CH₂(OOCR₁)–CH(OOCR₂)–CH₂(OOCR₃) — триглицерид (триацилглицерол)

Твёрдые жиры (животные) — содержат преимущественно остатки насыщенных кислот (стеариновой, пальмитиновой).

Жидкие жиры (масла, растительные) — содержат остатки ненасыщенных кислот (олеиновой, линолевой).

Гидрирование жиров (получение маргарина):

жидкий жир + H₂ → твёрдый жир Ni, t°, p — гидрогенизация

Омыление (щелочной гидролиз):

жир + 3NaOH → глицерин + 3R–COONa (мыло) нагревание

Мыла и синтетические моющие средства

Мыла — натриевые (твёрдое мыло) или калиевые (жидкое мыло) соли высших жирных кислот.

Состав мыла C₁₇H₃₅COONa — стеарат натрия (твёрдое мыло) | C₁₇H₃₅COOK — стеарат калия (жидкое мыло)

Молекула мыла имеет гидрофильную часть (–COO⁻Na⁺) и гидрофобную часть (длинный углеводородный радикал). Это обеспечивает моющее действие — образование мицелл вокруг частиц загрязнений.

Недостаток мыла: в жёсткой воде образуются нерастворимые кальциевые и магниевые соли (хлопья), теряется моющая способность.

Синтетические моющие средства (СМС) — соли алкилсульфатов или алкилбензолсульфонатов. Они сохраняют моющее действие в жёсткой воде, так как их кальциевые и магниевые соли растворимы.

11 Амины и аминокислоты

Классификация аминов

Амины — производные аммиака NH₃, в котором один или несколько атомов водорода замещены углеводородными радикалами.

Тип	Общая формула	Пример
Первичный	R–NH₂	CH₃NH₂ (метиламин)
Вторичный	R₂NH	(CH₃)₂NH (диметиламин)
Третичный	R₃N	(CH₃)₃N (триметиламин)

По строению радикала: алифатические (метиламин) и ароматические (анилин C₆H₅NH₂).

Основные свойства аминов

Амины — органические основания. Неподелённая электронная пара азота может принять протон (основание Брёнстеда) или образовать связь с акцептором (основание Льюиса).

Сравнение основности:

Ряд основности (CH₃)₂NH > CH₃NH₂ > NH₃ > C₆H₅NH₂ (анилин)

Алкильные группы (+I-эффект) увеличивают электронную плотность на азоте → усиливают основность. Фенильная группа (−M-эффект) оттягивает электронную пару → анилин значительно слабее аммиака.

Реакция с кислотами:

CH₃NH₂ + HCl → [CH₃NH₃]⁺Cl⁻ хлорид метиламмония

Реакция анилина с кислотами:

C₆H₅NH₂ + HCl → [C₆H₅NH₃]⁺Cl⁻ хлорид фениламмония (анилиния)

Взаимодействие с водой:

CH₃NH₂ + H₂O ⇌ [CH₃NH₃]⁺ + OH⁻ щелочная среда

Аминокислоты

Аминокислоты — органические соединения, содержащие одновременно аминогруппу –NH₂ и карбоксильную группу –COOH. Это бифункциональные соединения с амфотерными свойствами.

Цвиттер-ион (биполярный ион)

В растворе α-аминокислоты существуют преимущественно в виде внутренних солей: ⁺NH₃–CHR–COO⁻. Протон карбоксильной группы переходит на аминогруппу.

Кислотные свойства (по –COOH):

H₂N–CH₂–COOH + NaOH → H₂N–CH₂–COONa + H₂O натриевая соль глицина

Основные свойства (по –NH₂):

H₂N–CH₂–COOH + HCl → [ClH₃N–CH₂–COOH] гидрохлорид глицина

Образование пептидной связи:

H₂N–CH₂–COOH + H₂N–CH(CH₃)–COOH → H₂N–CH₂–CO–NH–CH(CH₃)–COOH + H₂O пептидная связь –CO–NH– (глицилаланин)

Белки

Белки — биополимеры, состоящие из α-аминокислот, соединённых пептидными связями.

Уровни структуры белков:

Уровень	Описание	Тип связей
Первичная	Последовательность аминокислот в полипептидной цепи	Пептидные (ковалентные)
Вторичная	α-спираль или β-складчатый лист	Водородные связи
Третичная	Пространственная укладка полипептидной цепи (глобула)	Дисульфидные мостики, гидрофобные, ионные, водородные
Четвертичная	Объединение нескольких полипептидных цепей в комплекс	Нековалентные взаимодействия

Денатурация

Разрушение вторичной, третичной и четвертичной структуры белка (без разрыва пептидных связей) под действием нагревания, кислот, щелочей, тяжёлых металлов, спирта, УФ-излучения. Белок теряет биологическую активность. Может быть обратимой и необратимой.

Цветные реакции на белки:

Биуретовая реакция — белок + NaOH + CuSO₄ (разб.) → фиолетовое окрашивание (обнаружение пептидных связей, не менее двух).
Ксантопротеиновая реакция — белок + HNO₃ (конц.) → жёлтое окрашивание при нагревании (обнаружение ароматических аминокислот: фенилаланин, тирозин, триптофан).

12 Углеводы

Классификация углеводов

Углеводы (сахара) — органические соединения общей формулы Cₙ(H₂O)ₘ (есть исключения). Содержат альдегидные или кетонные группы и несколько гидроксильных групп.

Группа	Примеры	Формула	Гидролиз
Моносахариды	Глюкоза, фруктоза, рибоза	C₆H₁₂O₆, C₅H₁₀O₅	Не гидролизуются
Дисахариды	Сахароза, мальтоза, лактоза	C₁₂H₂₂O₁₁	→ 2 моносахарида
Полисахариды	Крахмал, целлюлоза, гликоген	(C₆H₁₀O₅)ₙ	→ много моносахаридов

Глюкоза

Глюкоза C₆H₁₂O₆ — важнейший моносахарид, альдогексоза.

Открытая (линейная) форма:

Формула Фишера CH₂OH–(CHOH)₄–CHO — пять ОН-групп и одна альдегидная группа

В растворе глюкоза существует в циклических формах (α- и β-глюкопираноза), находящихся в равновесии с открытой формой (цикло-оксо-таутомерия). Циклическая форма — шестичленный гетероцикл с кислородным мостиком.

Реакции по альдегидной группе:

CH₂OH(CHOH)₄CHO + 2[Ag(NH₃)₂]OH → CH₂OH(CHOH)₄COONH₄ + 2Ag↓ + 3NH₃ + H₂O реакция серебряного зеркала — доказательство наличия –CHO

CH₂OH(CHOH)₄CHO + H₂ → CH₂OH(CHOH)₄CH₂OH (сорбит) Ni, t° — восстановление до шестиатомного спирта

Реакции по ОН-группам:

C₆H₁₂O₆ + Cu(OH)₂ → ярко-синий раствор без нагревания — качественная реакция многоатомного спирта

Брожение глюкозы:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂↑ дрожжи — спиртовое брожение

C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CH(OH)COOH молочнокислые бактерии — молочнокислое брожение

Сахароза

Сахароза C₁₂H₂₂O₁₁ — дисахарид, состоящий из остатков α-глюкозы и β-фруктозы, соединённых гликозидной связью. Не содержит свободной альдегидной группы → не даёт реакцию серебряного зеркала (невосстанавливающий сахар).

Гидролиз:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ (глюкоза) + C₆H₁₂O₆ (фруктоза) H⁺ или фермент инвертаза, t°

Продукт гидролиза (инвертный сахар) даёт реакцию серебряного зеркала, так как глюкоза содержит –CHO.

Крахмал и целлюлоза

Свойство	Крахмал	Целлюлоза
Формула	(C₆H₁₀O₅)ₙ, n = 200–1000	(C₆H₁₀O₅)ₙ, n = 5000–40000
Мономер	α-глюкоза	β-глюкоза
Структура	Амилоза (линейная) + амилопектин (разветвлённая)	Линейная (прочные волокна)
Растворимость	Набухает в воде, растворяется в горячей	Не растворяется в воде
Реакция с I₂	Синее окрашивание (качественная реакция!)	Не окрашивается
Гидролиз	(C₆H₁₀O₅)ₙ → nC₆H₁₂O₆	(C₆H₁₀O₅)ₙ → nC₆H₁₂O₆
Продукт гидролиза	Глюкоза	Глюкоза
Применение	Пищевая промышленность, клейстер	Бумага, ткани, нитроцеллюлоза, ацетатное волокно

(C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆ H₂SO₄ (разб.), t° — полный гидролиз крахмала или целлюлозы

13 Полимеры

Основные понятия

Полимер

Высокомолекулярное соединение, состоящее из множества повторяющихся структурных звеньев (мономеров), соединённых ковалентными связями.

Мономер

Низкомолекулярное вещество, из молекул которого образуется полимер.

Структурное (элементарное) звено

Повторяющийся фрагмент макромолекулы полимера. Например, для полиэтилена: –CH₂–CH₂–.

Степень полимеризации (n)

Число структурных звеньев в макромолекуле. Определяет молекулярную массу полимера: M(полимера) = n · M(звена).

Полимеризация и поликонденсация

Признак	Полимеризация	Поликонденсация
Мономеры	Непредельные соединения (с C=C, C≡C)	Мономеры с ≥ 2 функциональными группами
Побочные продукты	Нет	Есть (H₂O, HCl и др.)
Состав звена	Совпадает с составом мономера	Отличается от состава мономера
Обратимость	Деполимеризация возможна	Обратная реакция — гидролиз
Примеры	Полиэтилен, полипропилен, ПВХ, полистирол	Найлон, полиэстер (ПЭТ), фенолформальдегидная смола

Реакция полимеризации (пример):

nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ кат., t, p — полиэтилен

Реакция поликонденсации (пример):

nHOOC–(CH₂)₄–COOH + nH₂N–(CH₂)₆–NH₂ → (–OC–(CH₂)₄–CO–NH–(CH₂)₆–NH–)ₙ + 2nH₂O найлон-6,6 (полиамид)

Важнейшие полимеры

Полимер	Мономер	Тип реакции	Применение
Полиэтилен (ПЭ)	CH₂=CH₂	Полимеризация	Упаковка, плёнки, трубы, изоляция
Полипропилен (ПП)	CH₂=CH–CH₃	Полимеризация	Упаковка, волокна, автомобильные детали
Поливинилхлорид (ПВХ)	CH₂=CHCl	Полимеризация	Трубы, оконные профили, линолеум, изоляция
Полистирол (ПС)	CH₂=CH–C₆H₅	Полимеризация	Пенопласт, одноразовая посуда, упаковка
Найлон-6,6	Адипиновая кислота + гексаметилендиамин	Поликонденсация	Волокна, ткани, шестерни, подшипники
Полиэтилентерефталат (ПЭТ)	Терефталевая кислота + этиленгликоль	Поликонденсация	Бутылки, плёнки, волокно (лавсан)
Тефлон (ПТФЭ)	CF₂=CF₂	Полимеризация	Антипригарные покрытия, уплотнители, химстойкие детали

14 Справочник веществ

Алканы

Алкан

Метан

CH₄

Простейший алкан. Основной компонент природного газа. T кип. = −161,5 °C.

Алкан

Этан

C₂H₆

Второй член гомологического ряда алканов. T кип. = −88,6 °C.

Алкан

Пропан

C₃H₈

Бытовой газ в баллонах. T кип. = −42,1 °C.

Алкены

Алкен

Этилен (этен)

C₂H₄

Простейший алкен. Двойная связь C=C (sp²). Фитогормон, мономер полиэтилена. T кип. = −103,7 °C.

Алкен

Пропилен (пропен)

C₃H₆

Мономер полипропилена. T кип. = −47,6 °C.

Алкины

Алкин

Ацетилен (этин)

C₂H₂

Тройная связь C≡C (sp-гибридизация). Линейная молекула. Используется в автогенной сварке. T кип. = −84 °C.

Арены

Арен

Бензол

C₆H₆

Ароматический углеводород. Плоская молекула с делокализованной π-системой (6 электронов). T кип. = 80,1 °C.

Арен

Толуол (метилбензол)

C₆H₅CH₃

Простейший гомолог бензола. Метильная группа — ориентант I рода (орто/пара). T кип. = 110,6 °C.

Спирты

Одноатомный спирт

Метанол

CH₃OH

Древесный спирт. Ядовит! Смертельная доза ~30 мл. T кип. = 64,7 °C.

Одноатомный спирт

Этанол

C₂H₅OH

Питьевой спирт. Продукт спиртового брожения глюкозы. T кип. = 78,4 °C.

Трёхатомный спирт

Глицерин

C₃H₅(OH)₃

Вязкая жидкость сладкого вкуса. Качественная реакция — ярко-синий раствор с Cu(OH)₂. T кип. = 290 °C.

Альдегиды и кетоны

Альдегид

Формальдегид (метаналь)

HCHO

Газ с резким запахом. Водный раствор (формалин, 37%) — консервант. T кип. = −19 °C.

Альдегид

Ацетальдегид (этаналь)

CH₃CHO

Жидкость с фруктовым запахом. Реакция серебряного зеркала — качественная реакция. T кип. = 20,2 °C.

Кетон

Ацетон (пропанон)

CH₃COCH₃

Простейший кетон. Растворитель. Не даёт реакцию серебряного зеркала. T кип. = 56,1 °C.

Карбоновые кислоты

Карбоновая кислота

Муравьиная кислота (метановая)

HCOOH

Единственная кислота, дающая реакцию серебряного зеркала (содержит –CHO). Жалящий компонент муравьёв. T кип. = 100,8 °C.

Карбоновая кислота

Уксусная кислота (этановая)

CH₃COOH

Основной компонент пищевого уксуса (3–9%). Ледяная уксусная к-та — безводная (T пл. = 16,6 °C). T кип. = 117,9 °C.

Сложные эфиры

Сложный эфир

Этилацетат

CH₃COOC₂H₅

Растворитель с фруктовым запахом. Продукт этерификации уксусной кислоты и этанола. T кип. = 77,1 °C.

Амины

Первичный амин

Метиламин

CH₃NH₂

Газ с запахом рыбы. Более сильное основание, чем NH₃. T кип. = −6,3 °C.

Ароматический амин

Анилин

C₆H₅NH₂

Маслянистая ядовитая жидкость. Слабое основание (−M-эффект кольца). Бромная вода → белый осадок 2,4,6-триброманилина. T кип. = 184 °C.

Аминокислоты

Аминокислота

Глицин (аминоуксусная кислота)

NH₂CH₂COOH

Простейшая аминокислота. Амфотерное соединение. В растворе существует как цвиттер-ион ⁺NH₃CH₂COO⁻. T пл. = 233 °C (с разл.).

Углеводы

Моносахарид (альдогексоза)

Глюкоза (линейная форма)

C₆H₁₂O₆

Главный источник энергии в организме. Реакция серебряного зеркала (по –CHO). Брожение → этанол + CO₂. T пл. = 146 °C.

Моносахарид (альдогексоза)

Глюкоза (циклическая форма)

α-D-глюкопираноза

В растворе глюкоза существует преимущественно в циклической форме — шестичленный гетероцикл с атомом кислорода.

15 Химические элементы

Неметаллы

Неметалл

Водород

H (Z=1)

Неметалл

Углерод

C (Z=6)

Неметалл

Азот

N (Z=7)

Неметалл

Кислород

O (Z=8)

Неметалл

Фосфор

P (Z=15)

Неметалл

Сера

S (Z=16)

Неметалл

Селен

Se (Z=34)

Щелочные металлы

Щелочной металл

Литий

Li (Z=3)

Щелочной металл

Натрий

Na (Z=11)

Щелочной металл

Калий

K (Z=19)

Щелочной металл

Рубидий

Rb (Z=37)

Щелочной металл

Цезий

Cs (Z=55)

Щелочной металл

Франций

Fr (Z=87)

Щелочноземельные металлы

Щелочноземельный металл

Бериллий

Be (Z=4)

Щелочноземельный металл

Магний

Mg (Z=12)

Щелочноземельный металл

Кальций

Ca (Z=20)

Щелочноземельный металл

Стронций

Sr (Z=38)

Щелочноземельный металл

Барий

Ba (Z=56)

Щелочноземельный металл

Радий

Ra (Z=88)

Переходные металлы

Переходный металл

Скандий

Sc (Z=21)

Переходный металл

Титан

Ti (Z=22)

Переходный металл

Ванадий

V (Z=23)

Переходный металл

Хром

Cr (Z=24)

Переходный металл

Марганец

Mn (Z=25)

Переходный металл

Железо

Fe (Z=26)

Переходный металл

Кобальт

Co (Z=27)

Переходный металл

Никель

Ni (Z=28)

Переходный металл

Медь

Cu (Z=29)

Переходный металл

Цинк

Zn (Z=30)

Переходный металл

Иттрий

Y (Z=39)

Переходный металл

Цирконий

Zr (Z=40)

Переходный металл

Ниобий

Nb (Z=41)

Переходный металл

Молибден

Mo (Z=42)

Переходный металл

Технеций

Tc (Z=43)

Переходный металл

Рутений

Ru (Z=44)

Переходный металл

Родий

Rh (Z=45)

Переходный металл

Палладий

Pd (Z=46)

Переходный металл

Серебро

Ag (Z=47)

Переходный металл

Кадмий

Cd (Z=48)

Переходный металл

Гафний

Hf (Z=72)

Переходный металл

Тантал

Ta (Z=73)

Переходный металл

Вольфрам

W (Z=74)

Переходный металл

Рений

Re (Z=75)

Переходный металл

Осмий

Os (Z=76)

Переходный металл

Иридий

Ir (Z=77)

Переходный металл

Платина

Pt (Z=78)

Переходный металл

Золото

Au (Z=79)

Переходный металл

Ртуть

Hg (Z=80)

Переходный металл

Резерфордий

Rf (Z=104)

Переходный металл

Дубний

Db (Z=105)

Переходный металл

Сиборгий

Sg (Z=106)

Переходный металл

Борий

Bh (Z=107)

Переходный металл

Хассий

Hs (Z=108)

Переходный металл

Мейтнерий

Mt (Z=109)

Переходный металл

Дармштадтий

Ds (Z=110)

Переходный металл

Рентгений

Rg (Z=111)

Переходный металл

Коперниций

Cn (Z=112)

Постпереходные металлы

Постпереходный металл

Алюминий

Al (Z=13)

Постпереходный металл

Галлий

Ga (Z=31)

Постпереходный металл

Индий

In (Z=49)

Постпереходный металл

Олово

Sn (Z=50)

Постпереходный металл

Таллий

Tl (Z=81)

Постпереходный металл

Свинец

Pb (Z=82)

Постпереходный металл

Висмут

Bi (Z=83)

Постпереходный металл

Нихоний

Nh (Z=113)

Постпереходный металл

Флеровий

Fl (Z=114)

Постпереходный металл

Московий

Mc (Z=115)

Постпереходный металл

Ливерморий

Lv (Z=116)

Металлоиды

Металлоид

Бор

B (Z=5)

Металлоид

Кремний

Si (Z=14)

Металлоид

Германий

Ge (Z=32)

Металлоид

Мышьяк

As (Z=33)

Металлоид

Сурьма

Sb (Z=51)

Металлоид

Теллур

Te (Z=52)

Металлоид

Полоний

Po (Z=84)

Галогены

Галоген

Фтор

F (Z=9)

Галоген

Хлор

Cl (Z=17)

Галоген

Бром

Br (Z=35)

Галоген

Иод

I (Z=53)

Галоген

Астат

At (Z=85)

Галоген

Теннессин

Ts (Z=117)

Благородные газы

Благородный газ

Гелий

He (Z=2)

Благородный газ

Неон

Ne (Z=10)

Благородный газ

Аргон

Ar (Z=18)

Благородный газ

Криптон

Kr (Z=36)

Благородный газ

Ксенон

Xe (Z=54)

Благородный газ

Радон

Rn (Z=86)

Благородный газ

Оганесон

Og (Z=118)

Лантаноиды

Лантаноид

Лантан

La (Z=57)

Лантаноид

Церий

Ce (Z=58)

Лантаноид

Празеодим

Pr (Z=59)

Лантаноид

Неодим

Nd (Z=60)

Лантаноид

Прометий

Pm (Z=61)

Лантаноид

Самарий

Sm (Z=62)

Лантаноид

Европий

Eu (Z=63)

Лантаноид

Гадолиний

Gd (Z=64)

Лантаноид

Тербий

Tb (Z=65)

Лантаноид

Диспрозий

Dy (Z=66)

Лантаноид

Гольмий

Ho (Z=67)

Лантаноид

Эрбий

Er (Z=68)

Лантаноид

Тулий

Tm (Z=69)

Лантаноид

Иттербий

Yb (Z=70)

Лантаноид

Лютеций

Lu (Z=71)

Актиноиды

Актиноид

Актиний

Ac (Z=89)

Актиноид

Торий

Th (Z=90)

Актиноид

Протактиний

Pa (Z=91)

Актиноид

Уран

U (Z=92)

Актиноид

Нептуний

Np (Z=93)

Актиноид

Плутоний

Pu (Z=94)

Актиноид

Америций

Am (Z=95)

Актиноид

Кюрий

Cm (Z=96)

Актиноид

Берклий

Bk (Z=97)

Актиноид

Калифорний

Cf (Z=98)

Актиноид

Эйнштейний

Es (Z=99)

Актиноид

Фермий

Fm (Z=100)

Актиноид

Менделевий

Md (Z=101)

Актиноид

Нобелий

No (Z=102)

Актиноид

Лоуренсий

Lr (Z=103)