Home » ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧНЕ ЗАНЯТТЯ № 5

ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧНЕ ЗАНЯТТЯ № 5

29 Червня, 2024

Методична вказівка

З біоорганічної хімії

Теми. Алкани та циклоалкани: номенклатура, ізомерія, способи одержання, хімічні властивості та їх застосування у фармації. Алкени, алкадієни і алкіни: номенклатура, ізомерія, способи одержання, хімічні властивості.

Мета заняття:

а) сформувати знання про будову, класифікацію, номенклатуру, ізомерію, методи добування та хімічні властивості алканів та циклоалканів; б) засвоїти основні методики встановлення фізико-хімічних констант органічних речовин та визначення їх чистоти методом тонкошарової хроматографії.

сформувати знання: а) про будову, класифікацію, номенклатуру, ізомерію, методи добування та хімічні властивості ненасичених вуглеводнів; б) про основні принципи класифікації органічних реагентів і реакцій.

Професійна орієнтація:

Насичені вуглеводні є родоначальниками для всіх органічних сполук. Джерелом алканів є природні копалини: природний газ, нафта, супутні гази. Всі представники гомологічного ряду алканів використовується як вихідні речовини для синтезу фармацевтичних препаратів. Етиленові, дієнові і ацетиленові вуглеводні є проміжними продуктами в синтезі фармпрепаратів. Такі сполуки утворюють полімерні матеріали, з яких виготовляють упаковки для лікарських форм.

Програма самопідготовки студентів.

1. Перший валентний стан атома карбону – стан sp³-гібридизації. Будова, номенклатура і ізомерія алканів. Гомологічний ряд і гомологічна різниця.

2. Номенклатура і ізомерія радикалів ряду алканів.

3. Конформації алканів і їх похідних.

4. Промислові і лабораторні методи одержання алканів.

5. Характеристика хімічних зв’язків в алканах: С–С та С–Н-зв’язки. Хімічні властивості алканів: реакції радикального заміщення (S_R) в ряді алканів. Механізм галогенування, нітрування. Поняття про ланцюгові процеси.

6. Окиснення алканів. Крекінг алканів.

7. Ідентифікація алканів. Окремі представники алканів (метан, етан, пропан, бутан, вазелінове масло, вазелін, парафін, озокерит) та їх практичне та медичне значення.

Алкени:

1. Будова і номенклатура алкенів. Характеристика кратного зв’язку.

2. Структурна і цис-, транс-ізомерія.

3. Методи добування алкенів.

4. Реакції електрофільного приєднання А_Е, s– і p-комплекси, їх стабільність.

5. Правило Марковникова і його сучасна (електронна) інтерпретація.

6. Реакції окиснення і полімеризації.

Алкадієни:

1. Типи дієнів. Будова і номенклатура.

2. Способи одержання спряжених дієнів.

3. Хімічні властивості спряжених дієнів: а) особливості реакцій електрофільного приєднання (А_Е) в ряду 1,3-дієнів; б) діє новий синтез (реакція Дільса-Альдера); в) полімеризація 1,3-дієнів.

4. Натуральний і синтетичний каучуки.

Алкіни:

1. Будова, номенклатура і способи одержання алкінів.

2. Реакції електрофільного приєднання (А_Е): галогенування, гідрогалогенування, гідратації (реакція Кучерова).

3. Реакції заміщення в ряді алкінів. Окиснення та відновлення алкінів.

4. Димеризація (вінілацетилен) та тримеризація (бензол) ацетилену.

5. Промислове, біологічне та практичне значення окремих представників.

6. Ідентифікація ненасичених вуглеводнів.

Ситуаційні задачі.

1. Написати структурні формули ізомерних октанів, що містять в основному ланцюгу 6 атомів карбону і назвати їх за міжнародною номенклатурою. Вкажіть, скільки первинних, вторинних, третинних, і четвертинних атомів карбону знаходиться в кожному з ізомерів.

2. Написати структурні формули: а) 5-етил-2,2-диметилгептан; б) 2,2,4-триметилпентан; г) 2,2-диметил-бутан;

3. 3 яких сполук за методом Кольбе можна добути 2,3-диметилбутан? Записати відповідні рівняння реакцій.

4. 3 яких галогеноалканів можна добути за реакцією В’юрца 3,4-диметилгексан; 2,7-диметилоктан?

5. Записати формули продуктів хлорування бутану, ізобутану, якщо вихідні речовини даються в еквівалентних кількостях?

6. Які продукти добувають при крекінгу бутану і гексану? Записати механізм радикального розщеплення.

7. Написати структурну формулу найбільш багатого на метильні групи октану.

8. Чи правильно названі вуглеводні: а) 3-пропілпентан; б) 3,3-діізопропіл-2-метилпентан; в) 2-етил-4-ізобутилгексан; Напишіть структурні формули вуглеводнів. Визначте головний вуглецевий ланцюг, пронумеруйте його і перевірте правильність назви алкану. Неправильно названі вуглеводні назвіть правильно згідно з номенклатурними правилами ІЮПАК.

9. Який об’єм 2,4%-го розчину гідроксиду натрію (густина1,12 г/см³) необхідний для нейтралізації оксиду карбону (IV), що виділяється при згорянні 6,4 г 2,2,3-триметилгексану з утворенням кислої солі?

10. При спалюванні органічної речовини, що складається лише з карбону і гідрогену, одержано 3,08 мг СО₂ та 1,44 мг Н₂О. Знайти найпростішу формулу органічної сполуки.

11. При згорянні 2,24 л (н.у.) вуглеводню виділилося 8,96 л СО₂ та 11,2 л Н₂О (пара). Визначити об’ємні частки елементів і формули вуглеводню.

12. На повне згоряння 0,1 моль насиченого вуглеводню невідомої будови витрачено 56 л повітря (н.у.). Яка структурна формула вуглеводню? Вважати, що в повітрі міститься 20% кисню.

13. Назвіть за міжнародною, номенклатурою наступні вуглеводні:

Практична частина.

Дослід 1. Добування метану і вивчення його властивостей.

Реактиви: суміш для добування метану – калій ацетат або натрій ацетат (безводний, плавлений), натронне вапно свіжо прожарене (1:2); калій перманганат (1%-ний розчин), бромна вода (насичений розчин).

Обладнання і матеріали: пробірки з пробками і газовідвідними трубками, штатив, фарфорова чашка, кристалізатор, спиртівка або газовий пальник.

Методика виконання. У суху пробірку вносять суміш натрій (калій) ацетату і натронного вапна (суміш натрій гідроксиду з кальцій гідроксидом, який добавляють, щоб не роз’їдалося скло). Пробірку заповнюють на 1/5 її вмісту і закривають пробкою з газовідвідною трубкою, з’єднаною ґумовою трубкою зі скляним наконечником, звуженим з одного кінця, і закріплюють на штативі з невеликим нахилом у бік пробки (рис. 42).

Це роблять для того, щоб пробірка не тріснула під час потрапляння на неї води, що може виділитися з недостатньо прожарених натрій ацетату і натронного вапна.

Суміш у пробірці нагрівають полум’ям пальника або спиртівки. Спочатку прогрівають усю пробірку, а потім сильно нагрівають ту її частину, де міститься суміш для добування метану. Нагрівання починають від дна пробірки. Потім полум’я поступово переміщують для того, щоб прореагували нові порції суміші. Спочатку з пробірки витискується повітря, а потім починає виділятися метан, утворення якого відбувається згідно рівняння:

СH₃–COONa + NaOH ® CH₄ + Na₂CO₃

Звужений кінець газовідвідної трубки, з якої виділяється метан, уводять у пробірку, в яку попередньо наливають 1-2 мл бромної води. Метан пропускають через бромну воду протягом 10-15 с. (Що спостерігаєте?) Потім аналогічно метан пропускають через 1-2 мл 1%-го розчину калій перманганату.

Після цього звужений кінець газовідвідної трубки, з якої виділяється метан, розміщують вертикально. Метан, який виділяється з трубки, підпалюють. Він згоряє. Який колір має полум’я? У полум’я запаленого метану вносять фарфоровий шпатель. Переконуються, що на його поверхні не утворюється кіптяви. Отже, метан окиснюється повністю:

CH₄+2O₂=CO₂+2H₂О

Якщо метан із реакційної суміші виділяється не дужо інтенсивно і запалити його на виході з газовідвідної трубки не вдається, то його збирають у пробірці, витісняючи з неї воду. Для цього наповнену водою пробірку розміщують дном догори в кристалізаторі з водою і закріплюють її у штативі. Потім кінець газовідвідної трубки, з якої виділяється метан, підводять до отвору пробірки. Метан, витискуючи воду, збирається у пробірці (рис. 43).

Наповнивши пробірку метаном, закривають її під водою корком, виймають із кристалізатора і вставляють у штатив. Щоб вивчити горіння метану, який зібрано в пробірці, її відкривають. До отвору пробірки підносять запалений сірник і одночасно наливають до неї води з промивалки або іншої пробірки (рис. 44).

Спостерігають, як метан горить над водою блакитним полум’ям.

Зробіть висновок про хімічні властивості метану; запишіть спостереження і рівняння відповідних реакцій.

Дослід 2. Властивості рідких насичених вуглеводнів.

Реактиви: н- гексан або інші рідкі насичені вуглеводні, бром, бромна вода (насичений розчин), 1%-ний розчин калій перманганату, концентрована сульфатна кислота, 25%-ний розчин амоніаку.

Обладнання і матеріали: електрична лампочка (200-300 Вт) або фотолампа з матовим склом (500 Вт); скляна паличка; мікропіпетка; синій лакмусовий папірець.

Методика виконання.

а) Відношення рідких алканів до бромної води та водного розчину перманганату калію. У дві пробірки наливають по 1 мл н- гексану або іншого рідкого насиченого вуглеводню, після цього до одної з них додають 0,5 мл бромної води, а до іншої – 0,5 мл 1%-го розчину калій перманганату. Реакційні суміші в пробірках інтенсивно перемішують. Що спостерігаєте? Бром і водний розчин калій перманганату не знебарвлюються. У пробірці з бромною водою гексан екстрагує бром із водного розчину. Тому верхній шар суміші, в якій міститься гексан, забарвлюється бромом.

б) Відношення рідких насичених вуглеводнів до концентрованих нітратної та сульфатної кислот. У дві сухі пробірки наливають по 1 мл н- гексану або іншого рідкого насиченого вуглеводню. Потім до одної з них додають 1 мл концентрованої нітратної кислоти, а до іншої – 1 мл концентрованої сульфатної кислоти. Суміш речовин у пробірках інтенсивно перемішують протягом 15-20 с, охолоджують пробірки у воді. Що спостерігаєте?

Як пояснити, виходячи з електронної будови насичених вуглеводнів, їх інертність відносно бромної води, розчину калій перманганату, концентрованих кислот (за кімнатних умов). Чи можна нітрувати та сульфувати насичені вуглеводні?

Дослід 3. Добування бутану за реакцією В’юрца-Шоригіна.

Реактиви: йодистий етил, ацетонітрил, натрій металічний.

Обладнання і матеріали: пробірки з корками і газовідвідними трубками, спиртівка або газовий пальник.

Методика виконання. У пробірку вносять 2 мл йодистого етилу, одну краплю каталізатора ацетонітрилу і кілька невеликих кусочків металічного натрію. Швидко закривають пробірку корком з газовідвідною трубкою, обережно нагрівають до початку реакції, після чого вона проходить самовільно. Коли в пробірці не залишиться повітря, газ, що виділяється, підпалюють. Що при цьому спостерігається? Який характер полум’я? Дати пояснення і записати рівняння відповідних реакцій.

Дослід 5. Горіння гексану.

Реактиви: гексан.

Обладнання і матеріали: фарфорова чашка.

Методика виконання. У фарфорову чашку наливають 1 мл гексану і підпалюють його. Порівняйте колір полум’я гексану і метану. Чим пояснити відмінність? Напишіть рівняння реакції.

Дослід 6. Добування етилену і вивчення його властивостей.

Реактиви: 96%-ний етиловий спирт, концентрована сульфатна кислота, бромна вода, 1%-ний розчин калій перманганату, натронне вапно, пісок.

Обладнання: прилад для добування етилену, фарфоровий шпатель.

Методика виконання. У суху пробірку наливають 5-6 мл приготовленої суміші, що складається з однієї частини етилового спирту і трьох частин концентрованої сульфатної кислоти, і кидають маленький кусочок пемзи або біля 1 г піску для рівномірного кипіння суміші. Пробірку закривають корком з газовідвідною трубкою і закріплюють у лапці штативу приладу для добування етилену похило так, щоб її дно було нижчим за отвір. Пробірку із сумішшю обережно нагрівають на слабому полум’ї. Спочатку прогрівають усю пробірку, а потім нагрівають лише ту її частину, де міститься реакційна суміш. Стежать за тим, щоб реакційну суміш, яка піниться, не перекинуло в газовідвідну трубку. Спостерігають за виділенням газу етилену і почорнінням реакційної суміші. Реакція утворення етилену відбувається в дві стадії. На першій стадії утворюється етилсульфатна кислота:

СH₃–CH₂OH + HOSO₂OH ® CH₃–CH₂OSO₂OH + H₂O

На другій стадії при нагріванні до 170⁰С етилсульфатна кислота розкладається з виділенням етилену:

CH₃–CH₂OSO₂OH ® СН₂=СН₂ + H₂SO₄

Одержаний етилен зразу ж використовують для дослідів. Спочатку його пропускають його у пробірку з 1 мл бромної води. Спостерігають, як бромна вода досить швидко знебарвлюється етиленом внаслідок приєднання брому за місцем розриву подвійного зв’язку з утворенням 1,2-диброметану (якісна реакція на подвійний зв’язок):

При пропусканні етилену крізь розчин калій перманганату (реакція Е. Е. Вагнера) спостерігають, як фіолетове забарвлення перманганату калію зникає, утворюється осад манган(ІV) оксиду бурого кольору, що вказує на окиснення етилену (якісна реакція на подвійний зв’язок):

Потім етилен збирають в пробірку під водою. Зібраний газ підпалюють. Етилен горить світлим полум’ям з утворенням вуглекислого газу і води:

СН₂=СН₂ + 3О₂ ® 2СО₂ + 2Н₂О

Етилен можна також підпалити поблизу кінця газовідвідної трубки. У полум’я вносять фарфоровий шпатель, на якому досить швидко утворюється чорний наліт сажі (аморфного вуглецю), що свідчить про неповне окиснення етилену.

Дослід 7. Добування ацетилену і вивчення його властивостей

Реактиви: кальцій карбід (у кусочках), насичений розчин бромної води, 1%-ний розчин калій перманганату, мило.

Обладнання: прилад для добування ацетилену.

(Дослід проводять під витяжною шафою.)

Методика виконання. а) Одержання ацетилену. Ацетилен добувають у такому самому приладі, що й етилен. У пробірку поміщають 2-3 кусочки кальцій карбіду і закріплюють її в штативі вертикально. Наливають розчин сульфатної кислоти (1:3) об’ємом до 3 мл. Ацетилен, що при цьому виділяється, використовують для вивчення його хімічних властивостей.

б) Взаємодія ацетилену з бромною водою. У пробірку вносять 1 мл бромної води і через неї пропускають ацетилен. Спостерігають за знебарвленням бромної води, оскільки бром приєднується за місцем потрійного зв’язку ацетилену з утворенням тетраброметану. Реакція приєднання брому відбувається у дві стадії. Спочатку утворюється диброметилен:

СНºСН + Br₂ ® CHBr=CHBr,

який потім, реагуючи з другою молекулою брому, утворює тетраброметан:

CHBr=CHBr + Br₂ ® CHBr₂–CHBr₂

в) Взаємодія ацетилену з водним розчинам калій перманганату. У пробірку вносять 1 мл 1%-ного розчину калій перманганату і через нього пропускають ацетилен. Спостерігають, як фіолетове забарвлення калій перманганату зникає і утворюється осад манган(IV) оксиду бурого кольору. Під час окиснення ацетилену також розривається потрійний зв’язок.

3CHºCH + 8KMnO₄ + 4H₂O ® 3КOOC–COOК + 2KOH + 8MnO₂ + 2Н₂О

г) Горіння ацетилену. Кінець газовідвідної трубки, з якої виділяється ацетилен, опускають у фарфорову чашку, наповнену мильною водою (1 г мила, 30-40 мл води). До мильних бульбашок, які при цьому утворюються, підносять запалену скалку. Спостерігають, як ацетилен горить кіптявим полум’ям. Утворення кіптяви свідчить про високий процентний вміст карбону в ацетилені і неповне його окиснення в процесі горіння на повітрі.

Напишіть рівняння реакції горіння ацетилену і розставте коефіцієнти. Обчислити масові частки карбону (у процентах) у метані, етилені і ацетилені та порівняйте їх. Скільки літрів повітря потрібно для повного згоряння 1 л кожного із цих вуглеводнів?

Контрольні запитання до роботи.

1. Порівняти колір полум’я метану і гексану. Яку різницю ви спостерігаєте? Чим це можна пояснити?

2. Чим можна пояснити, що при добуванні метану дно пробірки повинно знаходитися вище, ніж отвір?

3. Якою реакцією можна показати, що алкани стійкі до дії окисників? В яких умовах можливе окиснення алканів? Наведіть приклади реакцій.

4. За яким механізмом відбувається реакція бромування алканів? Наведіть механізм бромування гексану.

5. Які ізомери можуть утворюватися в результаті бромування гексану? Відповідь обгрунтуйте і напишіть рівняння реакцій.

6. Порівняти реакційну здатність алканів, алкенів і алкінів. Порівняти швидкість взаємодії етилену і ацетилену з бромною водою та калій перманганатом. Дати пояснення.

Студент повинен знати:

– будову, класифікацію, номенклатуру, ізомерію, методи добування та хімічні властивості.

Студент повинен вміти:

– одержувати в лабораторних умовах метан, бутан, етилен та ацетилен;

– проводити реакції, що характеризують хімічні властивості алканів.

Список рекомендованої літератури:

Основна:

1. В.П. Черних, Б.С. Зименковський, І.С. Грищенко. Органічна хімія. В 3-х ч. Харків “Основа”, 1986. Ч.

2. С. 11-26. 2. Ю.О. Ластухін, С.А. Воронов. Органічна хімія. Львів “Центр Європи”, 2000. С. 203-229. 3. Б.Н. Степаненко. Курс органической химии. В 2-х. ч. М.: Высш. Шк., 1981. Ч. 1. С.217-254, 260-270.

4. А.А. Петров, Х.В. Бальян, А.Т. Трощенко. Органическая химия. М.: Высш. шк., 1981, С. 176-188, 192-201.

5. Тексти лекцій.

Методичну вказівку склав: к. х. н., доц. Г.Я. Загричук