Home » Цель и задачи дисциплины

Цель и задачи дисциплины

June 15, 2024

Методические указания c органической химии для студентов II курса специальности „Фармация”

Теория химического строения А.М. Бутлерова. Классификация, номенклатура и структурная изомерыя органических соединений.

Вступление в практикум. Ознакомление с лабораторным оборудованием и химической посудой

Цель занятия:

Усвоить: а) основные положения теории химического строения А. М. Бутлерова; б) принципы классификации, номенклатуры и структурной изомерыи органических соединений; в) правила работы и техники безопасности в химической лаборатории и ознакомиться с организацией проведения практикума на кафедре.

Ознакомить студентов: а) с основными видами лабораторной химической посуды, которая используется при выполнении лабораторных работ и при проведении синтезов; б) приспособлением для закрепления лабораторных приборов; в) усвоить основные правила сбора лабораторных приборов.

Практические навыки:

Уметь: а) определять принадлежность соединений к классам органических веществ и составлять формулы по названию соединения и называть их за структурной формулой; б) пользоваться лабораторным оборудованием и химической посудой.

Иллюстративный материал: пробирки, штативы для пробирок, лабораторный штатив с зажимами и кольцами, пробиркотримачи, колбы, мерные колбы, цилиндры, мензурки, пипетки, газовидвидни трубки, воронки, холодильники, колбы Бунзена, В’юрца, Кельдаля, склянки Тищенко, аллонж, зажим и др.

Профессиональная ориентация.

Для успешного усвоения материала курса органической химии студенту необходимо усвоить основные положения теории химического строения Бутлерова; основные принципы классификации, номенклатуры и виды изомерыи органических соединений; основные типы химических связей, электронные эффекты в молекулах органических соединений; кислотное и основное свойства органических кислот; типы органических кислот и основ. Электролитическая, протонная, электронная теории кислот и основ; принцип ЖМКО; классификацию органических реакций и реагентов; типы органических реакций и их механизмы.

Курс органической химии предусматривает выполнение как лабораторного практикума, так и синтезов органических веществ, а потому усвоения основных правил техники безопасности при работе в химической лаборатории и ознакомление с химической посудой, приборами и их назначение есть необходимым для безопасного и успешного усвоения учебного материала из данного курса.

Интегративные связи:

С предыдущими и сопредельными дисциплинами:

– общая химия – периодическая система элементов Д.И.Менделєєва; общая характеристика атома Углерода и елементив-органогенив.

Со следующими дисциплинами:

– фармацевтическая химия – номенклатура лекарственных препаратов и их классификация за природой функциональной группы;

– фармакогнозия – классификация лекарственного растительного сырья за химической природой биологически активных соединений;

– биохимия – метаболизм биополимерив и биорегуляторив.

Ход занятия:

1. Знакомство с предметом органической химии.

2. Знакомство с организацией проведения практических занятий на кафедре.

3. Знакомство с правилами работы и техникой безопасности в химической лаборатории.

4. Выполнение практических опытов.

5. Контроль входного уровня знаний.

6. Рассмотрение принципов классификации органических соединений.

7. Знакомство с номенклатурными системами в органические и химии.

8. Изучение основных типов химических связей, электронных эффектов и их влияние на проявление химических свойств органических соединений.

9. Решение учебных упражнений.

10. Определение исходного уровня знаний.

Программа самоподготовки студентов.

1. Теория химического строения органических соединений А.М. Бутлерова.

2. Типы классификаций органических соединений за природой функциональных групп и за строением углеродного скелету Основные функциональные группы и соответствующие им классы органических соединений.

3. Номенклатурные системы: (тривиальная, рациональная, международная (IUPAC)). Основные принципы построения названий органических соединений за номенклатурой IUPAC (заместительная и радикально-функциональная номенклатуры IUPAC).

4. Понятие об изомерыи органических соединений, пространственное строение молекул. Виды структурной изомерыи: изомерыя углеродного скелета, изомерыя положения и изомерыя функциональной группы, метамерия, таутомерия).

5. Основные типы лабораторного стекла. Химическая посуда и аппаратура, которая используется в органическом синтезе.

6. Типы колб и их функциональное назначение.

7. Аппаратура для разных видов перегонки и ее составление.

8. Посуда и аппаратура на шлифах.

9. Фарфоровая посуда и ее использование.

10. Мерная и другая стеклянная посуда и ее назначение.

Домашнее задание – выполнить задачи 3, 5, 8, 25, 26.

Ситуационные задачи

1. Сформулируйте основные положения теории химического строения органических соединений О.М. Бутлерова.

2. Дайте определение понятием: радикал, функциональная группа, изомерыя, гомология. Привести примеры радикалов, функциональных групп, изомеров, гомологов, поли- и гетерофункциональных соединений.

3. Назвать функциональные группы, которые входят в состав приведенных ниже лекарственных препаратов. К какому классу и ряду органических соединений принадлежит каждое соединение?

4. Назовите углеводные радикалы:

5. Назовите по систематической номенклатуре следующие соединения:

6. Приведите все структурные изомеры ацикличних соединений состава С₄Н₁₀О и назовите их за заместительной и радикально – функциональной номенклатурой. К каким классам относятся эти соединения? Отметьте в них первичные, вторичные и третичные атомы углерода.

7. Приведите все структурные изомеры циклических соединений состава С₆Н₁₂ и назовите их за заместительной номенклатурой. Отметьте в них первичные, вторичные и третичные атомы углерода.

8. Приведите все структурные изомеры ацикличних соединений состава С₄Н₈О и назовите их за заместительной и радикально – функциональной номенклатурой. К каким классам относятся эти соединения? Отметьте в них первичные, вторичные и третичные атомы углерода.

9. Приведите структурные изомеры соединений состава С₇Н₉N, которые содержат бензольное кольцо, и назовите их за заместительной номенклатурой. К каким классам относят эти соединения?

10. Приведите структурные изомеры соединений состава С₈Н₁₀О, исключив изомеры положения заместителей в бензольном кольце. Назовите их за заместительной номенклатуре.

11. Троповая кислота в алкалоиде атропине содержится в виде сложного эфира.

Выделите в ее молекуле начальную структуру и назовите троповую кислоту за заместительной номенклатурой. Какие функциональные группы содержатся в ее молекуле?

12. В молекуле алкалоида эфедрина выделите начальную структуру, функциональные группы и назовите это соединение за заместительной номенклатурой.

13. Хинная кислота входит в состав коры хинного дерева. Выделите в ее молекуле начальную структуру, функциональные группы и назовите это соединение за заместительной номенклатурой.

14. В молекуле стимулятора ЦНС фенамина выделите начальную структуру и назовите это соединение за заместительной номенклатурой. Приведите структуры 3-4 соединений этого же состава С₈Н₁₃N.

15. Тирозин – одна из α-аминокислот, которая входит в состав белков. Выделите в молекуле тирозина начальную структуру, функциональные группы и назовите эту аминокислоту за заместительной номенклатурой.

16. В молекуле ванилина выделите функциональные группы и назовите это соединение за заместительной номенклатурой. Приведите структуры 3-4 ароматических альдегидов, изомерных ванилину.

17. Назовите цитраль (СН₃)₂С=СНСН₂СН₂С(СН₃)=СН-СН=О за заместительной номенклатурой. К какому классу относят это соединение?

18. Ацэтилацетон представляет собой равновесную смесь двух таутомерних форм:

СН СО-_{СН 2-СО}– СН₃ Û СН 3-_С(ВОН) = СН-СО-СН₃

Выделите в них функциональные группы и назовите каждый таутомер за заместительной номенклатурой.

19. Противоопухлевое средство сарколизин имеет систематическое название 2-амино-3-{4-[бис(2-хлорэтил)аминоилфенил}ропановая кислота. Приведите его структуру. Отметьте в молекуле сарколизину функциональные группы.

20. Систематическое название лекарственного средства терпина – 4-(1-гидрокси-1-мэтилэтил)-1-мэтилциклогексанол. Приведите его структуру и отметьте первичный, вторичный и третичный атомы углерода. К какому классу относят терпин?

21. Основу биологически активных простагландинив составляет простановая кислота, систематическое название которой 7-(2-октилциклопентил)гептановая кислота. Приведите ее структуру.

22. Лекарственное вещество димедрол имеет систематическое название – N,N-димэтил-2-(дифенилметокси)этанамин. Приведите его структуру. Какие функциональные группы содержатся в молекуле димедрола.

23. Сульфаниловая кислота составляет основу сульфаниламидных препаратов. Назовите ее за заместительной номенклатурой. Приведите структуры еще трех ароматических соединений этого же состава С₆Н₇NО₃S.

24. Лекарственное вещество унитиол представляет собой натриевую соль соединения, которое имеет строение СН₂SН─СНSН─СН₂ֶSО₃Н. Выделите в этом соединении функциональные группы и назовите за заместительной номенклатурой.

25. Напишите структурные формулы соединений: 1) циклогексан; 2) 2,3-дигидроксобутановая кислота; 3) этанол; 4) мэтилизопропилвторбутилмэтан; 5) 2-бромфенол; 6) фенилацетат; 7) этантиол; 8) 3,3-димэтилпентин-1; 9) 2-хлормасляная кислота; 10) бутаналь; 11) пропантриол; 12) N,N-димэтиланилин; 13) бутанон; 14) п-аминобензойная кислота; 15) тетрамэтилендиамин.

26. Правильно ли названные углеводороды: 1) 4-этилпентан; 2) 4-изопропилгексан; 3) мэтил-4,4-бес(2, 3-димэтилпропил)гептан; 4) 3, 2-этилпентан; 5) этил-2,2-димэтилпентан; 6) изобутил-2,5-димэтилгексан; 7) 1-мэтилпентан; 8) 4-мэтилпентан; 9) 3-неопентилоктан; 10) 3-мэтилгептан?

Напишить структурные формулы углеводородов. Определите главную углеродную цепь, пронумеруйте атомы Углерода и, если название неправильное, назовите углеводород правильно за систематической номенклатурой ИЮПАК.

27. Найдите среди приведенных формул структурные изомеры и назовите их за рациональной и международной номенклатурами:

28. Приведите структурные формулы всех изомерных гексанов и назовите их за рациональной и международной номенклатурами.

Тестовые задания.

1. Какое из приведенных названий отвечает группе =NH:

1. нитрогрупа 2. аминогрупа 3. иминогрупа

4. гидроксигрупа 5. нитрозогрупа

2. К какому классу относится соединение :

1. спирты 2. альдегиды 3. кетони

4. Углеродовые кислоты 5. простые эфиры

3. Укажите соединения, которые относятся к аминам:

4. Назовите резорцин по заместительной номенклатуре ИЮПАК :

1.гидроксибензол 2.1, 3-дигидроксибензол

3.1,3, 5-тригидроксибензол 4.1, 2-дигидроксибензол

5.гидроксифенол

5. Какое название отвечает соединению, структурная формула которого :

1.2-изопропилпентан 2.2,4 5-тримэтилгексаналь

3.2-мэтилпентаналь 4.4-мэтилпентаналь

5.4-формилпентан

6. Какое название отвечает радикалу, структурная формула которого

(С₆Н₅-СН₂-):

1.этил 2.мэтил 3.бензил 4.фенил 5.пропил

7. Какие из нижеприведенных органических соединений относятся к ароматическим:

Связь между атомами углерода в молекулах органических соединений, которые имеют лишь одинарные связи, называется:

1. σ- связь. 2. π- связь. 3. σ- или π- связь. 4. β- связь.

Свойства органических веществ зависят не только от качественного и количественного состава молекул, но и от:

1. Химического строения молекул.

2. Агрегатного состояния простых веществ.

3. Агрегатного состояния и физических свойств углерода.

4. Химического, электронного и пространственного строения молекул.

Выберите молекулярную формулу вещества этана:

1. C₂H_4.2. C₂H_{6 .}3. H – CH₂ – CH₂ – H. 4. CH₃ – CH₂ – H.

11. Яке утверждение об изомерах неверное?

1. Имеют одинаковый качественный состав.

2. Имеют одинаковый количественный состав.

3. Имеют одинаковое химическое строение.

4. Имеют одинаковую молекулярную массу.

Ответы. 1) 3; 2) 2; 3) 2, 5; 4) 2; 5) 2; 6) 3; 7) 1,3,4; 8) 1; 9) 4; 10) 2; 11) 3.

Практическая часть.

Ознакомление с лабораторным оборудованием и химической посудой

Для выполнения лабораторных опытов и синтезов в химической лаборатории используют разные виды химической посуды, для изготовления которых чаще всего используется стекло. Физические и химические свойства стекла определяют его тип и сорт. Для изготовления химической посуды применяют преимущественно сорта стекла, которые имеют относительно малый коэффициент линейного расширения, хорошую стойкость к щелочам, кислотам и изменениям температуры, являются прозрачными, легко моются. К таким сортам принадлежит иенское, боросиликатное и “молибденовое” стекло.

Приборы, которые используются при высоких температурах, изготовляют из термостойких сортов стекла типа “Пирекс”, которое выдерживает температурный перепад около 250°С. Недостатком этого стекла есть малая стойкость против действия щелочей.

Для изготовления приборов с максимальной термостойкостью (температура размягчения 1400°С применяют кварцевое стекло, которое очень стойкое против изменений температуры и прозрачное для ультрафиолетовых лучей.

Все виды стекла хорошо растворяются в плавиковой (HF) кислоте. Чтобы предотвратить “разъедание” стеклянных частей приборов во время работы с этой кислотой, их надо покрыть изнутри пластом парафина. Набор посуды, как и сорт стекла, из которого его изготовляют, зависит от конкретной работы. К основной лабораторной химической посуде относят: стаканы, колбы, пробирки, чашки, воронки, холодильники, дефлегматоры и другие емкости из стекла разных марок.

Стаканы разных объемов (рис. 1,а) применяют для приготавливания водных растворов, растворение химических веществ, для фильтрования, выпарывание, для проведения в водных средах реакций, которые происходят при комнатной температуре и при нагревании (не выше 100°С). Нельзя использовать стаканы для работы по низко кипящими или огнеопасными растворителями.

Бюксы, или стаканы для взвешивания (рис. 1,б), применяют для взвешивания и хранение улетучивающихся, гигроскопических веществ и соединений, которые легко окисляются на воздухе.

Чашки (рис. 1, в, г) используются для испарения, кристаллизации, возгонки, сушение и других операций.

а б в г

Рис. 1. Стаканы, бюксы, чашки.

Колбы (рис. 2) в зависимости от назначения изготовляют разной вместительности и формы: плоскодонные, конические, круглодонные, мерные.

а б в г д е э ж

з и ы й к л

Рис. 2. Колбы: а – плоскодонная; б – круглодонная; в – круглодонная на 100 мл; г – мерная; д – колба Кельдаля; е – колба с тубусом (колба Бунзена); э – коническая (колба Ерленмейєра); ж – коническая на 100 мл с метками; з – круглодонная трьохгорла; и – круглодонная двохгорла; ы – грушевидная, й – круглодонная для перегонки (колба В’юрца), к – гостродонная для перегонки (колба Кляйзена), л – колба Фаворского.

Плоскодонные колбы (рис. 2, а) применяют преимущественно для работы при атмосферном давлении, для приготавливания и хранение растворов, которые приготавливают часто в мерных колбах (рис. 2, г). Конические колбы широко используют для кристаллизации, поскольку их форма обеспечивает минимальную поверхность выпарывания (рис. 2, э, ж). Для работы при высокой температуре (выше 100°С) применяют круглодонные колбы из термостойкого стекла (рис. 2, б, в), которые могут быть оборудованы холодильниками, насадками для перегонки, дефлегматорами, ректификационными колонками, термометрами.

Для отсасывания в вакууме используют специальные толстостенные колбы Бунзена (рис. 2, е) или аналогичные пробирки. Для перегонки при нормальных условиях применяют колбы В’юрца (рис. 2, й) или смонтированные установки. Колбы Кляйзена (рис. 2, к) предназначенны для перегонки в вакууме. Они могут быть простые и с дефлегматором, особенно удобные грушевидные колбы Кляйзена. Для перегонки с водной парой используют колбы Кельдаля (рис. 2, д).

Так, для выполнения экстракции используют круглодонные колбы с обратным холодильником (рис. 3). А для выполнения более сложных операций (проведение синтезов), в которых одновременно с нагреванием добавляют вещество, а также проводят перемешивание, применяют специальные колбы, которые имеют два, три или четыре горла (рис. 4). Если таких колб нет, можно применять обычные одногорле круглодонни колбы из использование специальных насадок (форштосов, рис. 4 б).

Рис. 4. Прибор для проведения синтезов: а – трьохгорлая колба с обратным холодильником (1); мешалкой (2) и крапальной воронкой (3); б – трьохгорлая колба с мешалкой, термометром (1) и двогорлой насадкой (форштосом) (2), к которой присоединенные обратной холодильник и крапальная воронка.

Холодильники (рис. 5). При перегонке висококиплящих жидкостей (t_кип > 160°С) используют воздушные холодильники (рис. 5, а), а низькокиплящих – холодильники Либиха (рис. 5, б) и нисходящие холодильники (рис. 5, в).

а б в г д е к

Рис. 5. Типы холодильников и дефлегматор: а – воздушный; б – с прямой трубкой (Либиха); в – спиральный; г – шариковый; д – Димрота; е – двойной; к – дефлегматор.

В этих холодильниках используют водное охлаждение для сгущения паров и перегонки веществ с t_кип < 160°С, причем в интервале 120-160°С охлаждающим агентом является непроточная вода, а ниже 120°С – проточная вода. При нагревании улетучивающихся жидкостей применяют разные обратные холодильники (рис. 5, а-е). Менее продуктивные в этом случае воздушные холодильники (рис. 5, а) и холодильники Либиха (рис. 5, б), а более продуктивные – шариковые холодильники (рис. 5, г), холодильники с внутренней охлаждающей спиралью (рис. 5, д) и двойные холодильники (рис. 5, е) с рубашкой и внутренней охлаждающей спиралью. Для соединения холодильников с перегонной колбой и приемником применяют разные соединительные элементы: переходы, аллонжи с боковым отростком или без него. Для более тщательного разделения фракций смеси при дробний (фракционной) перегонке используют дефлегматоры (рис. 5, к).

( а ) ( б ) ( в )

Рис. 6. Важные соединительные элементы на шлифах: а – насадки; б – переходы; в – аллонжы.

Соединительные элементы (рис. 6) предназначенные для сбора на шлифах разных установок для выполнения синтезов, перегонок и т.п..

Для выполнения опытов используют пробирки разного объема (рис. 7). Пробирки с конусным шлифом и отводной трубкой применяют для фильтрования небольших объемов под вакуумом.

Воронки в химической лаборатории используют для наливания, фильтрования и разделение жидкостей (рис. 8). Воронки лабораторные (рис. 8, а) используют при наливании жидкостей в узкогордлую посуду и для фильтрования растворов через бумажный складчатый фильтр.

( а ) б в ( г ) д е

Рис. 8. Воронки: а – лабораторные; б – фильтрующая с впаяным стеклянным фильтром и отростком; в – колба Бунзена с воронкой Бюхнера; г – делительные; д – крапельная; е – крапельная с боковой трубкой для выравнивания давления.

Воронки со стеклянными фильтрами (рис. 8, б) применяют для фильтрования агрессивных жидкостей, которые разрушают бумажные фильтры (при атмосферном давлении или в вакууме). Для фильтрования и промывания осадков под вакуумом используют нутч-фильтры – воронку Бюхнера с колбой Бунзена (рис. 8, в,). Воронки делительные (рис. 8, г) применяют для разделения жидкостей, которые не смешиваются между собой, при экстрагировании и очистке.Воронки крапельные (рис. 8, д, е) предназначенные для регулированного приливання (добавления) жидких реагентов в ходе выполнения синтеза.

Эксикаторы (рис. 9) используют для высушивания веществ под вакуумом и для хранения гигроскопических веществ.

í а ý б

Рис. 9. Эксикаторы (а – вакуум-эксикатор; б – обычный)

Чашки или стаканы с веществами, которые подлежат сушению, устанавливают в лунках фарфоровых вкладышей, а на дно ексикатора помещают вещество – поглотитель влаги.

Чтобы предотвратить доступ воздуха к содержимому приборов, применяют трубки, заполненные чаще всего хлоридом кальция или другим веществом, которое вбирает влагу – хлоркальциевые трубки.

Для измерения разных объемов жидкостей используют мерные цилиндры (рис. 10, а), пипетки (рис. 10, б), а для проведения титрования – бюретки (рис. 10, в).

В лабораторной практике для работ, связанных с нагреванием, используют также посуду из фарфора: стаканы, випарительные чашки, ступки, пестики, тигли, лодочки для сжигания и другое (рис. 11).

В частности, для измельчения и смешивание твердых и вяжущих веществ, используют ступки с пестиком (рис. 11, г).

а б в г д

е к ж

Рис. 11. Фарфоровая посуда: а – чашка випарительная; б – воронка Бюхнера; в – тигель; г – ступка и пестик; д – стакан; е – лодочка для сжигания; к – ложка; ж – шпатель.

Приспособление для закрепления лабораторных приборов и нагревания.

Для сбора и закрепление разных приборов из стекла в химической лаборатории пользуются штативами с наборами колец, держателей (кавычек), зажимов (рис. 12).

а б в

Рис. 12. Лабораторный штатив с набором комплектующих частей: а – штатив; б – кольца и держатель; в – зажимы.

Для пробирок используют штативы (рис. 13, а) из нержавеющий стали, алюминия или пластмассы, а также ручные пробиркодержатели (рис. 13, б).

а бы

Рис. 13. Штатив для пробирок (а) и пробиркодержатели (б).

Герметичность соединения составных частей лабораторных приборов достигается с помощью шлифов на деталях приборов (рис. 14), а также резиновых или пластиковых пробок. Пробки подбирают по номерам, которые уровни внутреннему диаметру горловины посуды или отверстия пробирки. Наиболее универсальным и надежным способом герметизации лабораторного прибора есть соединения его отдельных частей с помощью конусных шлифов путем стыковки внешней поверхности керну с внутренней поверхностью муфты.

Основные правила сбора лабораторных приборов.

Выполнение лабораторной работы начинают из подбора посуды и со сбора соответствующего прибора. При сборе прибора необходимо правильно соединять его отдельные части и обеспечить герметичность. Для этого нужно придерживаться следующих правил:

– подбор составных частей прибора определяется условиями проведения реакции, свойствами исходных веществ и конечных продуктов: для работы в вакууме, а также с агрессивными веществами используют посуду только на шлифе;

– чтобы шлифы не заклинивало, перед сбором прибора их необходимо смазывать; смазку наносят на среднюю часть шлифа и равномерно ее распределяют обращением керна в муфте (правильно смазанный шлиф должен быть прозрачным);

– при работе под вакуумом шлифы смазывают специальной вакуумной смазкой, а в отдельных случаях – вазелином;

– подгонку пробок и других соединительных элементов необходимо проводить к закреплению прибора в штативе;

– при использовании резиновых пробок перед вставкам приборов, например крапельной воронки, холодильника, в отверстие пробке его необходимо смочить глицерином;

– надевать и снимать пробку нужно осторожно, медленно прокручивая;

– перед надеванием резиновой трубки на стеклянные части прибора трубку необходимо слегка смочить водой или глицерином для уменьшения трения;

– резиновую трубку при надевание на стеклянную нужно брать возле самого края и осторожно надвигать ее на стеклянную не прямо, а сбоку;

– зажимы на штативе необходимо закреплять открытой частью к верху;

– на зажимах кавычек всегда должны быть резиновые или пластиковые прокладки;

– соединять отдельные части прибора нужно осторожно, во избежание их поломки;

– колбу нужно закреплять в зажиме возле пробки или за утолщением на верхней части шлифа;

– при креплении колбы со шлифами зажимы и лапки нужно закреплять настолько, чтобы не повредить (не раздавить) шлиф; мешалку и дефлегматор необходимо закреплять в строго вертикальном положении;

Обратите внимание! Прибор всегда должен иметь соединения с атмосферой! В случае отсутствия контакта с атмосферой при нагревании или выделении газов в процессе реакции в приборе повысится давление и может состояться взрыв.

К работе можно приступать только в том случае, если после сбора прибора Вы тщательно его осмотрели и убедились в правильности сбора. Только после этого в прибор вносят исходные вещества.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите основные виды колб, которые применяются для проведения химических реакций и фильтрование жидкостей.

2. Назовите важнейшие соединительные элементы, которые применяются при сборке лабораторных установок.

3. Перечислите основные виды холодильников, которые применяются для охлаждения и перегонки высоко кипящих жидкостей.

4. Перечислите основные правила сбора лабораторных приборов.

Студент должен знать:

– основные положения теории химического строения органических соединений;

– типы классификаций органических соединений и их основные классы;

– принципы построения названий органических соединений за номенклатурой IUPAC;

– виды структурной изомерии органических соединений;

– основные типы лабораторного стекла, химической посуды и аппаратуры, которые используется в органическом синтезе, их назначение.

Студент должен уметь:

– на основе функциональных групп относить вещества к определенному классу органических соединений;

– давать названия органических соединениям с помощью рациональной и международной (IUPAC) номенклатурных систем;

– определять, какие виды структурной изомерыи присущий данным соединениям;

– составлять установки для проведения лабораторных опытов и синтезов органических соединений;

– решать задачи на вывод формул.

Список рекомендованной литературы:

Основная:

1. В. П. Черных, Б. С. Зименковський, И. С. Грищенко. Органическая химия. В 3-х ч. Харьков “Основа”, 1986. Ч. 1. С. 7-27, 61-63.

2. Ю. О. Ластухин, С. А. Воронов. Органическая химия. Львов “Центр Европы”, 2000. С. 15-27, 87-26, 190-200.

3. Б. Н. Степаненко. Курс органической химии. В 2-х. ч. М.: Высш. шк., 1981. Ч. 1. С. 7-13; 29-36.

4. А. А. Петров, Х. В. Бальян, А. Т. Трощенко. Органическая химия. Г.: Высш. шк., 1981, С. 5-14; 19-20; 48-49.

5. Текстыы лекций.

Дополнительная: 1. Робертс Дж., Касерио М. Основы органической химии: В 2 кн. /Пер. с англ. /Под ред. А. Н. Несмеянова. – Г.: Мир. 1968,

2. Марч Дж. Органическая химия: В 4 т. – Г.: Мир, 1987,

3. Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х. Органическая химия. – Г.: Химия, 1979. – 832 с,

4. Шабаров Ю. С. Органическая химия: В 2 кн. – М.: Химия, 1996. – 847 с,

5. Физер Л., Физер М. Органическая химия: В 2 кн. – М.: Химия, 1969,

6. Найдан В. М. Органическая химия (Малый лабораторный практикум). – Киев, 1994. – 336

7. Некрасов В. В. Руководство к малому практикуму по органической химии. – Г.: Химия, 1964,

8. Голодников Г. В., Мандельштам Т. В. Практикум по органическому синтеза. – Издательство ЛГУ имени А.А. Жданова, 1976.

Методическое указание составил: к.х. н., доц. Г.Я. Загричук

Ассист. Демид А.Е.

Затверджено на заседании кафедры

“___” ___________ 2007 г. Протокол № _____

Пересмотрено на заседании кафедры

“___” ___________ 200__ г. Протокол № _____

Методические указания c органической химии для студентов II курса специальности „Фармация”

Электронное строение химических связей, сопряженные системы, электронные эффекты.

Методы выделения и очистки органических веществ: экстракция, фильтрование, перекристаллизация, возгонка.

Цель занятия:

сформулировать знание об основных типах химических связей, электронные эффекты в молекулах органических соединений; усвоить основные методы выделения и очистки химических веществ.

Практические навыки:

а) На основе знаний электронного строения химических связей уметь моделировать молекулы органических соединений, объяснять образование связей; б) уметь составлять оборудование и выполнять операции, которые используют при выделении и очистке веществ.

Иллюстративный материал.

Колбы В’юрца, Бунзена, Кляйзена, дефлегматоры, пауки, делительная воронки, термометры, стаканы, холодильники, пикнометры, воронки Бюхнера, пробирки.

Профессиональная ориентация.

90 % лекарственных препаратов, с которыми провизор встречается в повседневной работе, являются химическими соединениями органического происхождения, а большинство методов, которая используется в фармацевтической практике для выделения, очищение и установление строения лекарственных препаратов, являются химическими и физико-химическими, а потому будущему провизору необходимо усвоить основные исследовательский приемы строения органических соединений.

Программа самоподготовки студентов.

1. Типы химических связей в органических молекулах (ковалентная, координационная, семиполярная, ионная). Обменный и донорно-акцепторный механизмы образования ковалентной связи. Понятие о водородной связи.

2. Квантово-механические основы теории химической связи. Виды гибридизации атомных орбиталей атомов углерода, азота, кислорода. Ковалентные (σ- и π-связи, их характеристика с позиций метода молекулярных орбиталей (МО). Связующие, розпорошенные и несвязанные МО.

3. Электронное строение двойных и тройных углерод-углеродовых связей и их характеристика (длина, энергия, полярность, способность к поляризации).

4. Индукционный эффект. Электроннодонорные и электронноакцепторные заместители.

5. Спряженные системы с открытой (бутадиен, изопрен) и закрытой (бензен, нафтален, антрацен, фенантрен) цепью. Виды спряжения. Влияние делокализации на повышение стабильности спряженных систем. Понятие о теории резонанса как качественный способ описания делокализации электронов. Мезомерний эффект. Совместное влияние индукционного и мезомерного эффектов заместителей.

6. Виды разрыва связей (гомолитический, гетеролитический); промежуточные частички (карбкатион, карбанион, свободные радикалы), их электронное строение.

7. Типы реагентов (электрофилы, нуклеофилы, свободные радикалы).

8. Важнейшие операции, которые применяются при выделении и очистке жидкостей (нагревание, охлаждение, фильтрование, взвешивание, отмеривание жидкостей, обезвоживание).

9. Химическая посуда, которая применяется для выделения и очистки жидкостей.

10. Суть процесса экстракции. Экстрагирование из жидкостей; требования к растворителю, екстрагентив.

11. Перекристаллизация, ход ее выполнения.

12. Фильтрование. Ход выполнения фильтрования под вакуумом.

13. Возгонка.

Домашнее задание – выполнить задачи 2, 7, 12, 14, 34, 39.

Ситуационные задачи

1. Сформулируйте основные положения теории химического строения органических соединений О. М. Бутлерова.

2. Укажите типы химических связей в приведенных структурных формулах соединений:

2. Водородная связь, ее природа и условное обозначение. Влияние водородной связи на температуру кипения, растворимость веществ в воде, вязкость, плотность. Укажите, какие из приведенных ниже соединений могут образовывать водородные связи: а) со своими молекулами и с молекулами воды; б) лишь с молекулами воды.

3. Объясните, почему уксусный альдегид СН 3-С(О)Н (t_кип 20°С) и диэтиловий етер С₂Н-О-С₂Н₅ (t_кип 36°С) кипят при температуре ниже, чем ацетатная кислота СН₃-С(О)-ОН (t_кип 118°С). Какие из этих веществ полностью растворимы в воде (полностью растворимые в воде вещества, когда в них на одну водородную связь с водой приходится 1…3 атомы углерода)?

4. Донорно-акцепторная связь. Ее разновидности: координационная и семиполярная связь. В каком случае донорно-акцепторное взаимодействие приводит к образованию семиполярной связи? В чем его отличие от координационной связи? Какие из приведенных соединений имеют координационную, а какие – семиполярную связь?

5. Донорно-акцепторная связь: координационная и семиполярная связь. Влияние семиполярной связи на физические свойства молекулы. Объясните, почему приведенные две пары изомеров так сильно отличаются за температурами кипения:

1) СH₃-NO₂ (t_кип 101°С) и СH₃-O-NO (t_кип –12°С);

2) С₂H₅-NO₂ (t_кип 114°С) и С₂H₅-O-NO (t_кип +17°С);

Какое строение нитрогруппы – NO₂?

6. Какие виды гибридизации атомных орбиталей возможны для атомов углерода, азота, оксигену и сульфура в органических соединениях?

Объясните в каждом случае форму и пространственную направленисть атомных орбиталей. Почему углерод в органических соединениях чотирьохвалентный.

7. Квантово-механические представления о молекулярных орбиталях (МО).

8. Дайте определение s– и p-связям. Рассмотрите образование связей на примере молекул: СН₃–СН₃; CH₃–C(O)–OH; H–CºN; CH₂=CH–CH₂–NH₂. Укажите тип гибридизации атомов углерода, азота, кислорода.

9. Изобразите атомно-орбитальные модели этана, этилена и ацэтилена. Какое пространственное строение этих молекул? Дайте характеристику углерод-углеродным связям в этих молекулах (длина, энергия, валентный угол, полярность).

10. Электронные представления о взаимном влиянии непосредственно не соединенных атомов в молекуле.

Индукционный эффект. Природа его возникновения и распространение в молекуле. Символы обозначения. На основе знаний об индукционном эффекте объясните, почему так сильно отличатся между собой константы кислотности масляной кислоты и хлорозамещенних масляной кислоты:

1) СН₃-СН₂-СН₂-СООН – 1,5·10-5;

2) СН₃-СН₂-СН(Cl)-СООН – 140·10-5;

3) СН₃-СН₂-СCl₂-СООН – 3200·10-5;

4) СН₃-СН(Cl)-СН₂-СООН – 9·10-5;

5) СН₂(Cl)-СН₂-СН₂-СООН – 3·10-5.

11. Покажите графически проявление индукционного эффекта заместителей в молекулах следующих лекарственных препаратов, указав електронодонорные и електроноакцепторные заместители:

12. Понятие о спряжении и электронных смещениях (передача взаимного влияния) в спряженних системах, которые называют эффектом спряжения. Виды спряжения: p,p-, p,р-, s,p-спряжение. Символы обозначения спряжения. Укажите, какие виды спряжений есть в нижеследующих соединениях? Назовите эти спряжения и обозначьте их соответствующими стрелками и перекрыванием электронных туч:

1) H₂N-CH=O; 2) C₂H₅-O-CH=CH₂; 3) CH₂=CH-NH₂;

4) CH₂=CH-CºN; 5) ^·CH₂-CH₃; 6) ⁺CH₂-CH=CH₂;

7) CH₂=CH-CH=O; 8) CH₃-CH=O; 9) CH₃-CH=CH₂.

13. Покажите распределение электронной плотности, вид и знак электронных эффектов в молекулах следующих лекарственных препаратов и биологически активных соединений:

14. Что называют резонансными структурами? На примере фенола покажите делокализацию электронной плотности с помощью резонансных структур. Перечислите факторы, которые определяют относительную стойкость резонансных структур.

15. Дайте определение понятию “энергия резонанса”. Что определяет это определение?

16. Определите виды гибридизации атомов в молекуле пентен- 3 и разместите эти атомы в ряд за уменьшением електроотрицательности.

17. Учитывая форму и пространственную направленность орбиталей атомов углерода, графически изобразите схему электронного строения σ – и – π связей в молекуле пропена.

18. Определите вид спряженния в молекуле простейшего ненасыщенного альдегида – пропеналя (акролеина) – и схематически изобразите перекрывание р – орбиталей в спряжений системе.

19. Много естественных соединений, которые используют в фармации, являются производными фенантрена. Определите, является ли он ароматическим соединением?

20. Органические ионы, как правило неустойчивые. Тем не менее катион тропилия (цикогептатриенил-катион) есть исключением. Объясните причину относительно высокой стабильности этого катиона.

21. Бицикличный углеводород азулен содержится в эфирных маслах некоторых растений. Напишите формулу азулену и объясните причину его повышенной термодинамической стойкости.

22. Почему циклопентадиенил – более стойкий, чем карбанион пентадиену – 1,4 СН₂═СН-СН-СН═ СН₂?

23. Изобразите графически, как распределена электронная плотность в молекуле кротоновой [(Е)-бутен-2-овой] кислоты. Укажите виды спряженния и сравните электроотрицательность атомов в спряженом фрагменте.

24. Графически обозначьте электронные эффекты функциональных групп в молекуле 4 – гидроксибутановой кислоты. Укажите тип и знак этих эффектов.

25. Коричная (3-фенилпропеновая) кислота у высших растений принимает участие в биосинтезе фенолокислот. Графически покажите распределение электронной плотности в молекуле коричной кислоты и изобразите перекрывание р-орбиталей в спряженной системе.

26. Обозначьте графически электронные эффекты заместителей в молекуле сульфаниловой (п-аминобензолсульфоновой) кислоты, которая лежит в основе группы сульфаниламидных лекарственных средств. Назовите эти электронные эффекты.

27. Бензальдегид содержится в эфирных маслах многих растений. Графически покажите, равномерно ли распределенная электронная плотность в молекуле бензальдегида С₆Н₅СН═ О.

28. Сравните электронные эффекты димэтиламиногруппы – Ν(СН₃)₂ в молекулах третичных аминов – димэтилэтиламина и винилдимэтиламина.

29. Как отличаются за электронной плотностью бензольные кольца в молекулах тирозина [2-амино-3-(п-гидроксифенил)пропановой кислоты] и фенилаланина (2-амино-3- фенилпропановой кислоты)?

30. Проявляют ли одинаковые функциональные группы одни и те же электронные эффекты в молекулах 2-аминоэтансульфоновой кислоты (таурина) и п- аминобензолсульфоновой (сульфаниловой) кислоты?

31. В каком из двух карбанионов – СН₃-СН₂–СН^––СН=СН₂ или СН₃–СН^––СН₂-СН=СН₂ – более эффективно делокализується отрицательный заряд под влиянием заместителей, связанных с анионным центром? (Доставьте правильно заряд).

32. Разместите в ряд за увеличением электронной плотности в бензольном кольце следующие соединения: фенол, 4-гидрокси-3-нитробензолсульфоновая кислота, бензол.

33. Покажите графически изображение электронной плотности в диеновых фрагментах в молекулах сорбиновой кислоты СН₃-СН=СН–СН=СН–СООН и пентадиена-1,3. Какой из этих фрагментов имеет большую электронную плотность?

34. Какое влияние – электродонорное или электроноакцепторное – осуществляет на электронную плотность бензольного кольца каждая из функциональных групп в молекуле ванилина?

35. Проявляют ли одинаковые функциональные группы одни и те же электронные эффекты в молекулах п–аминосалициловой и 2-амино-4-гидроксибутановой кислот?

36. Сравните стойкость катионов СН₂=СН-СН⁺-СН₃ и СН₂=СН-_СН2-СН₂⁺ и изобразите перекрывание р – орбиталей в спряженом фрагменте.

37. Какое влияние – електродонорний и електроноакцепторний – осуществляют функциональные группы в молекуле норадреналина?

38. Какие электронные эффекты проявляют одинаковые функциональные группы в соединениях (1) и (2)?

40. Одинаковые ли электронные эффекты проявляют гидроксильные группы в молекуле адреналина?

Тестовые задачи.

1. Укажите, какие из приведенных высказываний характеризуют мезомерний эффект:

1. проявляется в молекулах, которые содержат изолированные кратные связи

2. проявляется в том случае, когда заместитель включен в спряженную систему

3. вызывает менее сильную поляризацию молекулы в сравнении с индуктивным эффектом

4. вызывает более сильную поляризацию молекулы в сравнении с индуктивным эффектом

5. проявляется в том случае, когда заместитель не включен в спряженную систему

2. Молекулы каких из приведенных соединений содержат связь, образованную по донорно-акцепторному механизму:

3. Укажите соединения, молекулы которых имеют открытую цепь спряження:

4. Определите, молекулы которых из приведенных соединений содержат атомы углерода в sp²–гибридизованном состоянии:

5. Среди приведенных соединений выберите те, в молекулах которых имеет место ρ,π-спряжение:

6. Укажите соединения, в молекулах которых имеет место эффект гиперконъюгации (надспряжения):

7. Отметьте типы спряжения, которые имеют место в молекуле амида п‑толуиловой кислоты:

1. σ,π-спряження 2. ρ,π-спряження 3. π,π-спряження

8. Выберите правильный вариант распределения электронной плотности в молекуле 4-нитробензойной кислоты:

9. Из предложенных вариантов ответов, выберите тот, которыый характеризует влияние метоксигруппы в молекуле винилмэтилового эфира:

1. отрицательный индуктивный, положительный мезомерний эффекты

2. отрицательный индуктивный, отрицательный мезомерний эффекты

3. положительный индуктивный, положительный мезомерний эффекты

4. положительный индуктивный, отрицательный мезомерний эффекты

5. отрицательный индуктивный эффект

10. Выберите молекулы, в которых индуктивный и мезомерний эффекты имеют противоположное направление:

11. Среди приведенных соединений выберите те, в которых заместитель включен в спряженную систему:

Ответы. 1) 2,4 2) 2,3,5 3) 4,5 4) 1,2,3,4 5) 3,4,5 6) 2,3,5 7) 1,2,3 8) 3 9) 1 10) 1,2,6 11) 2,5 .

Практическая часть.

Опыт 1. Кристаллизация.

Реактивы: бензойная или оксалатная кислоты.

Оборудование и материалы: стакан на 75-100 мл, пробирка, воронка, фильтровальная бумага, спиртовка или газовая горелка.

Кристаллизация является важным методом очистки твердых веществ. Для этого загрязненное вещество при нагревании растворяют в одном из растворителей, фильтруют горячий раствор от нерастворимых примесей или грязи, а потом фильтрат охлаждают.

Успех кристаллизации зависит от выбора растворителя. Вещество должно плохо растворяться на холоде и хорошо растворяться при нагревании. Растворитель не должен вступать в химическое взаимодействие с веществом, которое растворяется. При подборе растворителя следует руководствоваться таким принципом: “подобное растворяется в подобному”.

Для подбора растворителя можно пользоваться данными, приведенными в таблице:

Класс соединения

Растворители

Гидрофобные свойства

Углеводороды

Галогенпроизводныые углеводородов, простые эфиры

Углеводороды, простые эфиры, галогенпроизводные углеводородов

Амины, сложные эфиры, нитросоединения

Сложные эфиры

Нитрилы, кетоны, альдегиды

Спирты, диоксан, ацетатная кислота

Фенолы, амины, спирты, карбоновые кислоты, сульфокислоты

Спирт, вода

Гидрофильные свойства

Соли

Вода

В отдельных случаях для перекристаллизации используют смесь растворителей: например, вода + диоксан, вода + спирт, хлороформ + петролейный этер и т.д., которые подбирают индивидуально.

Методика выполнения. В пробирку вносят 0,5 г загрязненной бензойной кислоты и прибавляют 5-6 мл воды. Смесь нагревают до кипения; при этом бензойная кислота полностью растворяется. Горячий концентрированный раствор быстро фильтруют через маленький складчатый фильтр (рис. 1) и разделяют на две части. Одну часть быстро охлаждают погружением сосуда в холодную воду, бензойная кислота выпадает при этом в виде мелких кристалликов. Другую часть горячего раствора оставляют медленно охлаждаться на воздухе (20-25 мин); бензойная кислота, которая выделяется, образует красивые большие пластинчатые кристаллы.

При работе с оксалатной кислотой растворяют в пробирке при нагревании 2 г кислоты в 5 мл воды, потом фильтруют, разделяют раствор на две части и охлаждают обе части с разной скоростью, как было указано выше. Оксалатная кислота кристаллизуется в виде голочок; и в этом случае размер кристаллов зависит от скорости охлаждения.

Полученные кристаллы бензойной (или оксалатной) кислоты фильтруют на воронке Бюхнера с отсасыванием (рис. 1, в). Потом, прекратив отсасывание, промывают осадок несколькими каплями холодной воды, снова отсасывают, переносят осад на листок фильтровальной бумаги и отжимают в нем насухо.

Перекристаллизованную и высушенную бензойную (оксалатную) кислоту сдают лаборанту.

Опыт 2. Фильтрование.

Фильтрование. Для отделения осадка от растворителя или растворенного вещества от примесей используют процесс фильтрования. Для этого используют прибор для фильтрования, которое состоит из воронки Бюхнера и колбы Бунзена (рис. 1, в) или обычную лабораторную воронку со складчатым фильтром (рис. 1, б).

Перед фильтрованием дно воронки покрывают предварительно подогнанной и смоченной фильтровальной бумагой. Потом колбу писоединяют к водоструйному насосу и заполняют воронку фильтровальной смесью.

Опыт 3. Экстракция.

Реактивы: анилин, тетрахлорид углерода, вода.

Оборудование и материалы: лабораторный штатив, делительная воронка, коническая колба.

Экстракция – это переход вещества с одной фазы, в которой она растворена или суспензованая, в другую жидкую фазу. Метод основывается на разной растворимости веществ в разных растворителях (растворитель и экстрагент). При проведении экстрагирования жидких веществ нужно, чтобы экстрагент и растворитель не смешивались. Экстракцию ведут непосредственно в делительной воронке. Как экстрагенты используют диэтиловий етер, бензол, хлороформ, амиловий спирт и другие органические растворители.

Процесс экстракции подчиняется закону Нернста: , где С – концентрации веществ в фазах А и В; К – коэффициент распределения.

Методика выполнения. В делительную воронку объемом 100 (250) мл вносят приблизительно 15 мл анилина (C₆H₅NH₂) и в два раза больше воды (рис. 16, г). К этой смеси доливают 10 мл тетрахлорида углерода (CCl₄). Плотность CCl₄ больше единицы (r=1,59), соответственно, раствор опустится на дно воронки. Закрыть воронку пробкой и несколько раз энергично взболтать, стараясь, чтобы жидкость перемешалась (рис. 16).

Перевернуть воронку краном кверху и осторожно открыть его, при этом происходит выравнивание давления. Взбалтывание проводить несколько раз. В процессе экстракции анилин переходит в тетрахлорид Углерода.

Закрепить воронку в штативе и дать смеси полностью отстояться. После четкого раздела нижний пласт (раствор анилина в CCl₄) слить через кран в сухую колбу, а верхний пласт (водный) еще дважды проекстрагувати небольшим количеством екстрагента.

Екстрагенти объединить, высушить от воды безводным сульфатом магния MgSO₄ и отдать лаборанту.

Опыт 4. Возгонка.

Реактивы: нафтален.

Оборудование и материалы: фарфоровая чашка, воронка, электрический плитка или песчаный купол, фильтровальная бумага, ватта.

Возгонка (возгонка) – переход вещества из твердого состояния непосредственно (без плавления) в газообразный. При охлаждении снова образовывается твердая фаза. Не все вещества способны сублимироваться. Примером органических веществ, которые способные к возгонки, есть нафталин, бензойная кислота, салициловая кислота, хиноны и др.

Методика выполнения. В фарфоровую чашку помещают несколько кристаллов нафталина. Чашку накрывают фильтровальной бумагой с отверстиями. Сверху ставят воронку, закрытую ватой. Стенки воронки охлаждают мокрой фильтровальной бумагой. Чашку осторожно нагревают на электроплитке, газовой горелке или песчаномой бану. Спустя некоторое время на стенках воронки появляются иглистые кристаллы нафталина (рис. 17).

Студент должен знать:

– основные положения теории химического строения органических соединений;

– типы химических связей и механизмы их образования;

– виды гибридизации атомных орбиталей атомов углерода, азота, кислорода;

– основные характеристики химической связи;

– виды разрывов химической связи, типы реагентов;

– виды электронных эффектов, основные виды спряжения;

– важнейшие операции, которые применяются при выделении и очистке жидкостей (нагревание, охлаждение, фильтрование, взвешивание, отмеривание жидкостей, обезвоживание, экстракция, перекристаллизация, возгонка).

Студент должен уметь:

– определять типы химических связей в молекуле;

– предусматривать виды разрывов химических связей, учитывая основные характеристики химической связи;

– предусматривать реакционную способность соединений на основе электронных эффектов в молекуле;

– составлять установки и выполнять важнейшие операции, которые применяются при выделении и очистке жидкостей (нагревание, охлаждение, фильтрование, взвешивание, отмеривание жидкостей, обезвоживание, экстракция, перекристаллизация, возгонка).

Список рекомендованной литературы:

Основная: 1. В. П. Черных, Б. С. Зименковський, И. С. Грищенко. Органическая химия. В 3-х ч. Харьков “Основа”, 1986. Ч. 1. С. 27-61.

2. Ю. О. Ластухин, С. А. Воронов. Органическая химия. Львов “Центр Европы”, 2000. С. 27-87.

3. Б. Н. Степаненко. Курс органической химии. В 2-х. ч. М.: Высш. Шк., 1981. Ч. 1. С. 36-58. 4. А. А. Петров, Х. В. Бальян, А. Т. Трощенко. Органическая химия. Г.: Высш. шк., 1981, С.21-38; 43-48.