Лабораторно-практическое занятие № 3

Тема: Реакционная способность углеводородов.

Цель: Сформировать умение прогнозировать способность основных групп углеводородов вступать в реакции гомолитического или гетеролитического взаимодействия во взаимосвязи с электронным строением атома углерода и электронными эффектами заместителей введенных в ядро.

Исходный уровень: Из школьного курса необходимо знать:

1. sp ³-, sp ²- и sp -гибридизация атома углерода.

2. Электронное строение s- и p-связей.

3. Сопряжение открытых и замкнутых систем. Ароматичность.

4. Электронные эффекты заместителей.

Содержание занятия:

1. Контроль выполнения домашнего задания.

2. Практическая часть «Зависимость химических свойств от электронного строения и типа химических связей атома углерода».

2.1. Радикальное замещение у насыщенного атома углерода (S_R). Галогенирование алканов и окисление кислородом.

2.2. Реакции электрофильного присоединения (А_Е). Галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация алкенов.

2.3. Реакции электрофильного замещения (S_E). Галогенирование, сульфирование, нитрование, алкилирование ароматических углеводородов. Влияние заместителей в бензольном ядре на реакционную способность и их ориентирующее действие.

3. Контроль усвоения темы.

4. Лабораторная работа.

4.1. Свойства алканов.

4.2. Получение и свойства этилена.

4.3. Бромирование анилина.

5. Контроль выполнения лабораторной работы.

Углеводороды имеют ограниченное использование в медицине (вазелиновое масло, парафин, циклопропан). Детальное изучение их в курсе биоорганической химии обусловлено тем, что углеводороды лежат в основе всех классов биологически активных веществ.

Химические свойства углеводородов находятся в зависимости от состояния гибридизации атома углерода и степени делокализации p-связи. Для углеводородов, содержащих sp ³-гибридизированный атом углерода (алканов), характерны реакции радикального замещения (S_R); для углерода в sp ²-гибри­дизации с локализованной p-связью (алкенов) и со слабо делокализованной p‑связью (диеновых) идут реакции электрофильного присоединения (А_Е); для аренов, все атомы цикла которых в sp ²-гибридизации и p-связь сильно делокализована, в мягких условиях наиболее характерно электрофильное замещение (S_E), реакции присоединения, ведущие к разрыву цикла, идут только в жестких условиях.

Вопросы для самостоятельной работы
«Реакционная способность углеводородов»

1. Классификация органических реакций по способу разрыва связей в субстрате и реагенте. Дать понятие радикала, электрофила, нуклеофила.

2. Покажите гомолиз и гетеролиз связи на примере молекул HBr, Br₂, H₂O, CH₃I. Назовите образующиеся частицы.

3. Классификация органических реакций по конечному продукту с учетом реагента. Приведите примеры.

4. Поясните, почему для углерода в sp ³-гибридизации (алканы и циклоалканы) характерны реакции замещения по радикальному механизму (S_R).

5. Покажите пути образования радикалов.

6. Галогенирование насыщенных углеводородов при облучении лежит в основе получения их галогенопроизводных, применяемых в органическом синтезе и медицинской практике. Напишите реакцию и опишите по стадиям механизм:
а) хлорирования пропана;

б) бромирования этана;

в) хлорирования изобутана;

г) бромирования циклогексана.

7. Взаимодействие органических соединений с молекулярным кислородом – один из важнейших радикальных процессов. Покажите

а) in vitro окисление вторичных С-Н-связей наркозного эфира, приводящее к его порче;

б) in vivo схему пероксидного окисления липидного слоя клеточных мембран.

8. Поясните, почему для углерода в sp ²-гибридизации (алкены и алкадиены) характерны реакции электрофильного присоединения (А_Е).

9. Напишите реакции галогенирования и опишите механизм А_Е

а) бромирования (хлорирования) этена;

б) бромирования пропена;

в) бромирования 2-метилпропена.

Сравните реакционную способность пропена и 2-метилпропена с этеном в реакциях электрофильного присоединения.

10. Напишите реакции гидрогалогенирования и опишите их механизм

а) этена с хлороводородом;

б) пропена с хлороводородом.

Сравните реакционную способность этена и пропена и дайте объяснение правилу Марковникова.

11. Напишите реакцию гидратации бутена-1 in vitro в условиях кислого катализа и опишите ее механизм. Сравните реакционную способность этена и бутена-1 и поясните правило Марковникова.

12. Гидратация непредельных соединений in vivo.

13. Объясните особенность присоединения галогеноводородов и воды к a,b-не­насыщенным кислотам.

14. На примере реакции бутадиена-1,3 с хлором покажите особенности реакций А_Е у диеновых углеводородов.

15. Поясните на примере бензола, почему для ароматических соединений, несмотря на их высокую ненасыщенность, характерны реакции замещения (S_E).

16. Покажите образование электрофилов в реакциях S_E: галогенирования, алкилирования, нитрования, сульфирования.

17. Из перечисленных ниже заместителей выберите ориентанты I и II рода, покажите их влияние на интенсивность реакций S_E и ориентацию входящей группы: -NH₂, -OH, -SO₃H, -NO₂, -OR, -COOH, -CH₃, -Br, -CHO.

18. Напишите уравнение реакции бромирования бензойной кислоты. Опишите механизм и покажите ориентирующее действие СООН-группы. Что легче бромируется – бензойная кислота или бензол и почему?

19. Напишите уравнение реакции сульфирования гидроксибензола (фенола). Покажите механизм и ориентирующее действие ОН-группы. Что легче сульфируется – фенол или бензол и почему?

20. Напишите уравнение реакции алкилирования метилбензола (толуола). Покажите механизм и ориентирующее действие СН₃-группы. Что легче алкилируется – толуол или бензол и почему?

21. Напишите уравнение реакции нитрования аминобензола (анилина). Покажите механизм и ориентирующее влияние NH₂-группы. Что легче нитруется – анилин или бензол и почему?

22. Йодирование тирозина in vivo и алкилирование ароматических субстратов в биосинтезе жирорастворимых витаминов.

Лабораторная работа по теме
«Реакционная способность углеводородов»

Опыт 1. Свойства алканов.

На предметное стекло нанести на расстоянии друг от друга по 1 капле разбавленного раствора KMnO₄ и бромной воды с каплей конц. H₂SO₄. Обе капли смешать с каплей вазелинового масла (смесь предельных углеводородов). Сделать вывод о реакционной способности алканов.

Опыт 2. Получение и свойства этилена.

В первую пробирку поместить 8 капель конц. серной кислоты, 4 капли этилового спирта и несколько крупинок оксида алюминия (Al₂O₃). Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой и конец трубки опустите во вторую пробирку с 4 каплями бромной воды. Нагрейте первую пробирку над спиртовкой. Как только бромная вода обесцветится, опустите конец газоотводной трубки в заранее приготовленную третью пробирку с 1 каплей 2% раствора перманганата калия и 5 каплями воды. После обесцвечивания подожгите выделяющийся газ у конца газоотводной трубки.

Запишите реакции получения этилена и взаимодействия этилена с Br₂ и KMnO₄.

Опыт 3. Бромирование анилина.

В пробирку поместите 1 каплю анилина и 5-6 капель воды, хорошо перемешайте и прибавьте несколько капель бромной воды до появления белого осадка триброманилина. Реакция применяется в фармацевтическом анализе для открытия анилина и его производных.

Объясните активирующее и ориентирующее влияние аминогруппы в анилине и запишите уравнение реакции бромирования анилина.

Дата добавления: 2014-11-06