תחליפים CH 3, CH 2 R, CHR 2, CR 3, OH, OR, NH 2, NHR, NR 2, F, Cl, Br, I ואחריםנקראים תחליפים סוג ראשון.הם מסוגלים לתרום אלקטרונים הם תחליפים תורמי אלקטרונים.

תחליפים מהסוג השנימסוגל למשוך ולקבל אלקטרונים . אלו הם תחליפים מושכים אלקטרונים. אלה כוללים SO 3 H, NO 2, COOH, COOR, CHO, COR, CN, NH 3 + ואחרים.

בתורו, תוקפים (תחליף) קבוצותיכול להיות אלקטרופיליאוֹ נוקלאופילי. ריאגנטים אלקטרופיליים משמשים כמקבלי אלקטרונים בתגובה.במקרה מסוים, זהו קטיונים. ריאגנטים נוקלאופיליים בתגובה הם תורמי אלקטרונים. במקרה מסוים, זהו אניונים.

אם מגיב פועל על גרעין עם תחליף אחד, ניתן להבחין במספר אפשרויות לאינטראקציה שלהם:

– סגן מהסוג הראשון; מגיב אלקטרופילי.

כדוגמה, שקול את התגובה של ניטרציה של טולואן עם תערובת חנקה (תערובת של חומצות חנקתיות וגופרית).

קבוצת המתיל בטולואן היא גורם מכוון מהסוג הראשון. זהו חלקיק תורם אלקטרונים. בגלל זה הליבה בכללותהעקב השינוי בצפיפות האלקטרונים מקבוצת המתיל, הוא מקבל מטען שלילי חלקי. גם אטומי הפחמן של הטבעת הקרובה לתחליף טעונים שלילי. הפחמנים הבאים במחזור מקבלים מטענים מתחלפים(אפקט מתחלף). התגובה בין חומצות חנקתיות וגופריתיות של התערובת החונקת מייצרת מספר חלקיקים, ביניהם יש חלקיק אלקטרופילי NO 2 +(מוצג מעל החץ בסוגריים בתרשים), התוקף את האטומים הטעונים שלילי של המחזור. אטומי מימן מוחלפים בקבוצת ניטרו ב יָשָׁר- וגם זוג-מיקומים ביחס לקבוצת המתיל. מכיוון שלגרעין יש מטען שלילי והחלקיק התוקף הוא אלקטרופילי(טעון חיובי), התגובה קלה ויכולה להתקדם בתנאים מתונים יותר בהשוואה לניטרציה של בנזן.

– סגן מהסוג השני; מגיב אלקטרופילי.

הקבוצה הסולפונית (אוריינטנט מהסוג השני, מושך אלקטרונים), עקב הסטת צפיפות האלקטרונים כלפי עצמה, טוענת את הגרעין בכללותו ואת הפחמנים הקרובים ביותר של הגרעין באופן חיובי. החלקיק התוקף הוא אלקטרופילי. התמצאות ב מטא-עמדה. התחליף מעכב את פעולת המגיב. יש לבצע סולפון עם חומצה גופרתית מרוכזת בטמפרטורה גבוהה.

– סגן מהסוג השני; המגיב הוא נוקלאופילי.

בהתאם למטענים, החלקיק הנוקלאופילי בסדר – תוקף יָשָׁר- וגם זוג-פוזיציות והתחליף מקלים על פעולת המגיב. על כל פנים, תגובות החלפה נוקלאופיליות צריכות להתבצע בתנאים קשים למדי.זה מוסבר על ידי חוסר הטוב האנרגטי של מצב המעבר בתגובה והעובדה ש π -ענן האלקטרונים של המולקולה דוחה את החלקיק הנוקלאופילי התוקף.

– סגן מהסוג הראשון; המגיב הוא נוקלאופילי.

התחליף מעכב את פעולת המגיב. התמצאות ב מטא-עמדה. תגובות כאלה כמעט לא מתממשות.

אם לגרעין יש כמה תחליפים שונים,אז האפקט המנחה השולט מופעל על ידי זה שיש לו את האפקט המכוון הגדול ביותר. למשל, בתגובות החלפה אלקטרופיליות בהתבסס על עוצמת פעולת הכיוון, ניתן לסדר את התחליפים בשורה הבאה:

OH > NH 2 > OR > Cl > I > Br > CH 3; יכולת ההתמצאות של אורינטנטים מהסוג השני יורדת ברצף הבא: NO 2 > COOH > SO 3 H. תגובת הכלור ניתנת כדוגמה יָשָׁר-קרסול (1-הידרוקסי-2-מתיל-בנזן):

שני התחליפים הם אורינטנטים מהסוג הראשון, תורם אלקטרונים. אם לשפוט לפי המטענים על אטומי הפחמן (בסוגריים - מקבוצת –OH), הכיוון אינו תואם. מכיוון שהידרוקסיל פנולי הוא סוכן מכוון חזק יותר, בדרך כלל מתקבלים מוצרים התואמים את האוריינטציה של קבוצה זו. שני התחליפים מקלים על התגובה. התגובה היא אלקטרופילית עקב האינטראקציה של הזרז עם כלור מולקולרי.

בפועל, לרוב לא מקפידים על כללי ההחלפה. החלפה מייצרת את כל המוצרים האפשריים. אבל תמיד יש עוד מוצרים שחייבים להיות מיוצרים לפי הכללים. לדוגמה, הניטרציה של טולואן מייצרת 62% יָשָׁר-, 33,5 % זוג- ו-4.5% מטא-ניטרוטולואנים.

שינוי סביבה חיצונית(טמפרטורה, לחץ, זרז, ממס וכו') בדרך כלל משפיעה מעט על הכיוון.

מספר תגובות החלפה מוצגות בהסבר כללי ההתמצאות. בואו נסתכל על עוד כמה תגובות.

- כאשר בנזן נחשף לכלור או ברום בנוכחות זרזים המובילים הלוגנים, למשל FeCl 3, AlCl 3, SnCl 4 ואחרים, אטומי המימן בפחמנים מחזוריים מוחלפים בהלוגן.

בתגובה האלקטרופילית האחרונה כלור כגורם מכוון מהסוג הראשון מכוון את אטום הכלור השני אליו יָשָׁר- וגם זוג- הוראות(בעיקר ב זוג-). עם זאת, שלא כמו אורינטנטים אחרים מהסוג הראשון, זה מקשה על התגובהבשל תכונות קולטני האלקטרונים המובעות חזקות שלו, טוענת את הגרעין בצורה חיובית. ברגע ההתקפהחלקיק אלקטרופילי, ההלוגן של התרכובת המקורית מחזיר חלק מצפיפות האלקטרונים לגרעין, ויוצר מטענים על הפחמנים שלו התואמים לפעולה של מכוון מהסוג הראשון (אפקט אוריינטציה דינמית).

– הלוגנציה של בנזנונים מוחלפים באלקיל באורזורם דרך מנגנון רדיקליוההחלפה מתרחשת ב
אטום שרשרת צד של α-פחמן:

– במהלך הניטרציה לפי קונובלוב(תמיסה מימית מדוללת של חומצה חנקתית, ~140 מעלות צלזיוס), המתבצעת באמצעות מנגנון רדיקלי, מובילה גם להחלפה ב שרשרת צד:

– חמצון של בנזן וההומולוגיות שלו

טבעת בנזן מתחמצן קשה מאוד. עם זאת, בנוכחות זרז V 2 O 5 בטמפרטורה של 400 מעלות צלזיוס...500 מעלות צלזיוס, בנזן יוצר חומצה מאלאית:

הומולוגיות של בנזן עם חמצון נותנות חומצות ארומטיות. יתרה מכך, השרשרת הצדדית נותנת קבוצת קרבוקסיל בטבעת הארומטית, ללא קשר לאורכה.

על ידי בחירת חומרי חמצון, ניתן להשיג חמצון רציף של שרשראות צד.

בנוכחות זרזים נוצרים הידרופרוקסידים מאלקילבנזנים, אשר פירוקו מייצר פנול ואת הקטונים המתאימים.

פירוקאטצ'ין	resorcinol		הידרוקינון
פלורוגלוצינול		פירוגלול

כדי לתת שם באופן שיטתי לפנולים, משתמשים במינוח התחליף IUPAC, לפיו פנולים נחשבים לנגזרות הידרוקסיל של בנזן. לפיכך, לפנול עצמו, האב הקדמון של הסדרה, צריך להיות השם המחמיר הידרוקסי-בנזן. עם זאת, במקרים רבים, נגזרות בנזן המכילות קבוצת הידרוקסו בטבעת נחשבות לנגזרות של פנול, כפי שהן משתקפות בשם. לדוגמה:

			C2 H5
3-אתילפנול				3-ברומו-2,4-דיניטרופנול
(1-הידרוקסי-3-אתיל-בנזן)				(1-הידרוקסי-3-ברומו-2,4-דיניטרובנזן)

עבור אלכוהולים ארומטיים, שמות לפי המינוח החלופי בנויים באותו אופן כמו עבור אלה אליפטיים. במקרה זה, מבנה האב הוא השרשרת הצדדית האליפטית, מכיוון שהקבוצה התפקודית ממוקמת שם. לדוגמה:

			CH2-OH				CH2-CH-OH
פנילמתנול				1-פנילפרופן-2-אול

בנוסף, ניתן להשתמש במינוח פונקציונלי ורציונלי רדיקלי לשמות אלכוהולים ארומטיים, כמו גם אליפטים. לפיכך, פנילמתנול, הנציג הפשוט ביותר של אלכוהול ארומטי, ייקרא בן-

אלכוהול זיל.

פנולים וכוהלים ארומטיים הם איזומרים מבניים (לדוגמה, קרסולים הם איזומרים עם אלכוהול בנזיל). בנוסף, ניתן להבחין בסוגים אחרים של איזומריזם, כפי שקורה בנגזרות פחמימנים רבות.

10.5.2. מבנה של פנול ובנזיל אלכוהול

במולקולת הפנול, אופי וכיוון החשמל
השפעות הטרון זהות לאלו של הלובנזנים. זֶה
כן, אטום החמצן של קבוצת הידרוקסו מקיים אינטראקציה
טבעת בנזן באמצעות אפקטים –I-ו+M.
עם זאת (!) במולקולת הפנול + M ההשפעה גדולה יותר – I -

אפקט (מודולו). ההשפעה המזומרית החיובית המשמעותית מוסברת על ידי התאמת התצורה הגיאומטרית של ה-p-אורביטלים החיצוניים (באינטראקציה) של פחמן וחמצן, שני האטומים הללו הם אטומים מהתקופה השנייה של הטבלה המחזורית יסודות כימיים. כתוצאה מכך, ההשפעה האלקטרונית הכוללת שיש לקבוצת ההידרוקסו על טבעת הבנזן היא האפקט התורם.

עקב צימוד p, מידת החיבור הדו-קישוריות בין פחמן וחמצן עולה: לקשר זה יש 23.7% - אופי. מבנה הפנול צריך להיות דומה גם למבנה של אלכוהול ויניל שאינו קיים (פרק 5.1.2, 5.3.1). אבל בניגוד לאלכוהול ויניל, הפנול אינו מתאזמר בשל המערכת הארומטית היציבה שלו.

אורך הקשר C–O בפנול קצר יותר מאשר באלכוהול (0.136 ננומטר בפנול, 0.143 ננומטר במתנול), וחוזק הקשר הזה גדול יותר מאשר באלכוהול. בנוסף, עקב צימוד p, מופיע מחסור בצפיפות אלקטרונים (מטען חיובי חלקי) על אטום החמצן, עקב כך הקוטביות של הקשר O–H עולה עד כדי כך שפנולים מציגים תכונות של חומצות חלשות.

ההשפעה המזומרית החיובית של קבוצת ההידרוקסו מביאה לעלייה משמעותית בצפיפות האלקטרונים על טבעת הבנזן ובעיקר בעמדות o ו-p (פרק 10.1.1). מצב זה תואם את המזופורמולה

במולקולת האלכוהול הבנזיל, אטום החמצן של קבוצת ההידרוקסו אינו קשור ישירות לטבעת הארומטית, כך שהצימוד בין

בלתי אפשרי עבורם. קבוצת הידרוקסו משפיעה על בנזן-
צלצל רק באמצעות אפקט אינדוקטיבי
(–I-אפקט), ובכך מפחית את ערך האלקטרון-
אין עליו צפיפות. אבל -מערכת אלקטרונית בן-

טבעת האפר יכולה לקיים אינטראקציה עם קשרי ה-C-H של אטום הפחמן (צימוד-על דומה לזה שנצפה בטולואן). לכן, צפיפות האלקטרונים בטבעת הארומטית בכללותה מופחתת מעט בהשוואה לבנזן, אך עמדות האורתו ובעיקר פארא חוות ירידה זו במידה פחותה. האורך והחוזק של קשרי C–O ו-O–H שונים מעט מאלה של אלכוהולים אליפטים, מכיוון שהשפעת טבעת הבנזן על שבר C–O–H קטנה.

10.5.3. מאפיינים פיזיים וכימיים של פנולים

לפי מצב הצבירה שלהם, פנולים הם מוצקים חסרי צבע או, פחות נפוץ, נוזלים עם ריח חזק ומשונה. כאשר הם מאוחסנים באוויר, הם מתחמצנים בהדרגה, וכתוצאה מכך מקבלים צבע מורוד לצהוב-חום.

פנולים מסיסים מעט במים, ונקודות הרתיחה הגבוהות שלהם נובעות מנוכחות של קשרי מימן בין מולקולריים (בדומה לאלכוהול).

התכונות הכימיות של פנולים נקבעות על ידי ההשפעה ההדדית של קבוצת ההידרוקסו וטבעת הבנזן; לכן, הם מאופיינים הן בתגובות בטבעת הבנזן והן בתגובות המערבות את קבוצת ההידרוקסיל.

10.5.3.1. תכונות חומצה-בסיס

התכונות החומציות של פנולים בולטות יותר מאלו של אלכוהול (אליפטי וארומטי). זה נובע מקיטוב חזק יותר באופן משמעותי של הקשר O-H עקב מעבר בצפיפות האלקטרונים מאטום החמצן לטבעת הבנזן:

ניתן להסביר את התכונות החומציות של הפנולים גם על ידי היציבות הגדולה יותר של יון הפנולט, הנוצר במהלך ניתוק הפנול. באניון הפנולט, המערכת האלקטרונית של הטבעת הארומטית לוקחת חלק בדה-לוקליזציה של המטען השלילי:

עם זאת, התכונות החומציות של פנולים בולטות פחות מאלו של חומצות קרבוקסיליות; מתרחשת התנתקות של פנולים בתמיסות מימיות, אך שיווי המשקל של תגובה זו מוסט שמאלה. ערך pK a לפנול וההומולוגיות שלו נע בין 9.9 ל-10.4, בעוד שלחומצה אצטית pK a = 4.76, ולחומצה פחמנית pK a = 6.35 (לפי השלב הראשון של הדיסוציאציה). כלומר, פנול אינו יוצר אינטראקציה עם ביקרבונטים מתכתיים, אך יכול לקיים אינטראקציה עם מלחים בינוניים של חומצה פחמנית, ולהפוך אותם למלחי חומצה, שכן חומצה פחמית חלשה יותר מפנול בשלב השני של הדיסוציאציה.

OH + NaHCO3

OH + Na2 CO3 ONa + NaHCO3

מלחים של פנול, פנולטים, כאשר הם מקיימים אינטראקציה עם חומצה פחמנית, מומרים לפנול:

ONa + H2 CO3 OH + NaHCO3

הכנסת תחליפים התורמים או מקבלים אלקטרונים לטבעת הארומטית של הפנול (במיוחד בעמדות o ו-p) בהתאמה מפחיתה או מגבירה את התכונות החומציות שלו. השפעה זו דומה להשפעה של תחליפים על הטבעת הארומטית של חומצות סולפוניות (פרק 10.3.3.4). בדיוק כמו בחומצות ארנסולפוניות, תחליפים מושכי אלקטרונים מגבירים את התכונות החומציות עקב דה-לוקאליזציה מלאה יותר של המטען השלילי באניון; תחליפים תורמי אלקטרונים, להיפך,

להפחית את התכונות החומציות, מכיוון שבמקרה זה ההשפעה האלקטרונית שלהם מונעת את ביטול המיקום של מטען האניון:

מאותן סיבות (עקב צימוד p-, שבו משתתף זוג האלקטרונים הבודד של אלקטרוני חמצן), הבסיסיות של הפנולים מופחתת משמעותית בהשוואה לאלכוהול.

10.5.3.2. תכונות נוקלאופיליות

בשל השפעת +M של קבוצת ההידרוקסיל במולקולת הפנול, התכונות הבסיסיות והנוקלאופיליות מופחתות כאחד. לכן, תגובות שבהן הפנול ממלא תפקיד של נוקלאופיל מתמשכות בקושי. סביבה בסיסית תורמת לעלייה בתגובתיות של פנול, ומולקולת הפנול הופכת ליון פנולט. תגובות כאלה הן אלקילציה ואצילציה.

אלקילציה (יצירת אתרים) . במקרה הכללי,

הסביבה המקומית מקדמת את התגובה להתקדם באמצעות מנגנון S N 2; לכן, מצעים שיש להם מרכז תגובה אלקטרופילי נגיש עם מטען חיובי יעיל גבוה צריך להיות קל יותר לאלקילציה. מצעים כאלה יכולים להיות הלידים אלקיל ראשוניים ומעל לכל,

נגזרות מתאן.

			O-CH2-R
		R-CH2 Br

במקרים מסוימים, דימתיל סולפט משמש כחומר מתילציה, בפרט, בסינתזה של אסטרות מתיל של הידרוקינון, m-cresol, 4-methyl-2-nitrophenol וכו '. לדוגמה:

								OCH3
				(CH3)2SO4/OH-
4-מתיל-2-ניטרופנול				4-מתיל-1-מתוקסי-2-ניטרובנזן

ניתן להשתמש באותה שיטה כדי להשיג o- ו-p-nitroanisoles מ-o- ו-p-nitrophenols.

אצילציה (יצירת אסטרים) . עקב הירידה

בשל הגרעיניות של קבוצת ההידרוקסיל, ניתן לתקוף פנולים רק על ידי חומרים אצילים בעלי תגובתיות גבוהה, כגון אנהידרידים וחומצות הלידים של חומצות קרבוקסיליות. התגובה מתבצעת במדיום מעט בסיסי (בדרך כלל בנוכחות קרבונטים):

Na2CO3

NaCl

NaHCO3

אצילציה חומצה סליציליתאנהידריד אצטי משמש בייצור התרופה אספירין:

		+ (CH3CO)2O
			CH3 COOH
						O-C-CH3
	חומצה סליצילית

(חומצה O-אצטילסליצילית)

אסטריפיקציה בהשפעת חומצות קרבוקסיליות עבור פנולים בדרך כלל אינה מתרחשת ומתאפשרת רק בנוכחות חומרים חזקים מסירי מים (PCl 3, POCl 3, P 2 O 5). תגובה זו משמשת בייצור מוצר תרופתיסאלול:

10.5.3.3. החלפה אלקטרופילית

פנולים, כמו תרכובות ארומטיות רבות, מסוגלים לעבור תגובות החלפה אלקטרופיליות (SE). יתר על כן, התגובות של פנולים עם ריאגנטים אלקטרופיליים מתרחשות הרבה יותר בקלות מאשר בנזן וארנים. זה נובע מהשפעת +M הגדולה שמפעילה קבוצת ההידרוקסיל על טבעת הבנזן (פרק 10.1.1). כתוצאה מכך, צפיפות האלקטרונים על הטבעת גדלה, ועלייה זו נצפית בעיקר במצבי o-ו-n.

לכן, מנגנון האינטראקציה של פנול עם חלקיק אלקטרופילי יכול להיות מיוצג באופן הבא:

				הו ה

ניתן להסביר את כניסת האלקטרופיל למצבי o-ו-p של טבעת הבנזן גם על ידי השוואת היציבות של הקומפלקסים המתקבלים.

בואו נסתכל על כמה דוגמאות ותכונות של תגובות S E עבור פנולים.

הלוגנציהזורם בקלות. אין צורך בזרז. rirovaniye

המוצר הסופי עשוי להיות פנטכלורופנול. ברומציה מתבצעת בדרך כלל בתמיסות מימיות מדוללות.

	3 Br2
	3 HBr

2,4,4,6-טטרברומוציקלוהקס-2,5-דיאן-1-און

ניתן לבצע ניטרציה עם חומצה חנקתית מרוכזת או מדוללת. חומצה חנקתית מרוכזת חונקת פנול ישירות לנגזרות די-וטריניטרו, למשל:

	NO2+

במקרה זה, resinization חזק של פנול מתרחשת.

במולקולות של פנולים והאסטרים שלהם, לא רק החלפת אטום המימן, אלא גם קבוצות האלקיל הנגישות במרחב יכולה להתרחש:

H3 CCH

H3 CCH

H3CO

NO2+

H3CO

NO2+

H3 CCH

CH CH3

H3CO

H3CO

CH(CH3)2+

H3 CCH

H3CO

H3CO

ההשפעה של חומצה חנקתית מדוללת על פנולים ב טמפרטורת חדרמוביל למונוניטרופנולים מוחלפים אורתו ופרא:

HNO3 +H2O

בהתחשב בכך שקטיון ניטרוניום אינו נוצר בחומצה מדוללת ולכן ניטרציה במנגנון האלקטרופילי בלתי אפשרי, התגובה במקרה זה היא חנקה חמצונית (עקב חנקן דו חמצני הכלול בחומצה חנקתית):

2 לא 2

HNO3

HNO2

HNO3

HNO2

לכן, כדי לבצע mononitration, במקום חומצה חנקתית מדוללת, ניתן להשתמש בתערובת של חומצות חנקתיות וחנקניות.

בנוסף, ניטרוזציה משמשת גם לקביעת פנולים ( תגובתו של ליברמן). פנול מטופל בחומצה גופרתית מרוכזת ומוסיפים כמה טיפות של תמיסה מימית של נתרן ניטריט. בדילול, התמיסה מקבלת צבע אדום; כאשר מוסיפים אלקלי, הצבע הופך לכחול. תגובת צבע זו מוסברת על ידי היווצרות אינדופנול, שהאניון שלו בצבע כחול:

N-OH2

אינדופנול (צבע אדום)

O N O-

צבע כחול

סולפון של פנולים מוביל לחומצות פנולסולפוניות. היחס בין אורתו- ופארא-איזומרים נקבע על ידי טמפרטורת התגובה. האיזומר האורתו נוצר כבר ב-15 C, אך בטמפרטורות של 100 C ומעלה הוא מתארגן מחדש לאיזומר p-יציב יותר.

	288 K	SO3H
	H2SO4
		373K
	373K

SO3H

אלקילציה. בנוסף לאלקילציה באטום החמצן, המתרחשת בתווך אלקליני ומובילה ליצירת אתרים פשוטים (אלקילריל), התגובה יכולה להתרחש בטבעת הבנזן. אלקילציה במקרה זה דורשת שימוש בזרזים חומציים. אלכוהולים ואלקנים משמשים בדרך כלל כחומרי אלקילציה בנוכחות חומצות פרוטיות (H 2 SO 4, H 3 PO 4) או חומצות לואיס (BF 3):

								R+[BF3OH]
R-OH + BF3

5. איזומריזם, מאפיין תרכובות אורגניות שהמולקולות שלהן מכילות טבעת בנזן.

סוג זה של איזומריזם אפשרי אם יש שני תחליפים על טבעת הבנזן. בהתאם למיקום התחליפים בטבעת הבנזן, מבחינים אורתו-, מטא- ופארא-איזומריזם. אז, למשל, אם לטבעת הבנזן יש שני תחליפים - רדיקל מתיל וקבוצת הידרוקסיל, אז חומר כזה נקרא קרסול. ובהתאם למיקומן של קבוצות אלו בטבעת הבנזן, ישנם שלושה חומרים שונים:

יש לציין כי תרכובות רבות עם אותה נוסחה מולקולרית עשויות להיות שונות זו מזו סוגים שוניםאיזומריזם, למשל:

חומרים איזומרים אלה נבדלים הן באיזומטריית שרשרת הפחמן והן באיזומטריית המיקום קבוצה פונקציונלית– NH2.

III. לדוגמה, נתרן מחליף רק אטום מימן אחד ממולקולת אתנול. לכן, אטום מימן זה נייד יותר.

מכאן נוכל להסיק נוסחה מבניתאתנול:

ח – ג – ג – ח

להיפך, בהכרת נוסחת המבנה של אתנול, אפשר לחזות שהנתרן יעקור רק אטום מימן אחד, שקשור לאטום חמצן.

בחקר התכונות של גלוקוז, היינו משוכנעים שיש חמש קבוצות במולקולה שלו - זה וקבוצת אלדהיד אחת. להיפך, בהכרת הנוסחה המבנית של גלוקוז, אפשר לחזות שגלוקוז יציג את התכונות של אלדהידים ואלכוהול.

IV. התכונות הכימיות של הפנול נקבעות על ידי נוכחות במולקולה שלו של קבוצת הידרוקסיל וטבעת בנזל, המשפיעים הדדית זה על זה. הנוכחות של קבוצת הידרוקסיל קובעת את הדמיון של פנול לאלכוהול:

1. קווי דמיון דומים לתכונות של אלכוהול:

2C 6 H 5 OH + 2 Na → 2C 6 H 5 ONa + H 2

2. תכונה שונה מתכונות האלכוהול:

C 6 H 5 OH + NaOH → C 6 H 5 ONa + H 2 O

תגובת ברומינציה

4. תגובת ניטרציה

השפעת טבעת הבנזן על קבוצת ההידרוקסיל גורמת לניידות רבה יותר של אטום המימן שלה. לכן, פנול, בניגוד לאלכוהול, מגיב עם אלקליות, כלומר. בעל תכונות של חומצות חלשות. זה נקרא לפעמים חומצה קרבולית. זה מוסבר על ידי העובדה שטבעת הבנזן מושכת אלקטרונים מאטום החמצן של קבוצת ההידרוקסיל. כדי לפצות על כך, אטום החמצן מושך יותר צפיפות אלקטרונים מאטום המימן. כתוצאה מכך, הקשר הקוואלנטי בין אטומי החמצן למימן הופך קוטבי יותר, ואטום המימן הופך לנייד יותר. קבוצת ההידרוקסיל, בתורה, מעניקה לאטומי המימן ניידות רבה יותר בעמדות 2, 4, 6. זוהי אחת מיני דוגמאות רבות המאששות את התזה של התיאוריה של A.M. באטלרוב על ההשפעה ההדדית של אטומים במולקולות.

התכונות הכימיות של אנילין נובעות מהימצאות במולקולה שלו של קבוצת אמינו - NH 2 וטבעת בנזן. אנילין הוא בסיס חלש יותר. כדי לענות על שאלה זו, עלינו לזכור את ההשפעה ההדדית של אטומים וקבוצות אטומיות במולקולות. כמו במולקולות פנול (זה נדון קודם לכן), טבעת הבנזן מושכת במידת מה זוג אלקטרונים חופשי הרחק מאטום החנקן של קבוצת האמינו. כתוצאה מכך יורדת צפיפות האלקטרונים על אטום החנקן במולקולת האנילין והיא מושכת פרוטונים אל עצמה פחות חזק, כלומר. התכונות הבסיסיות של אנילין נחלשות. התכונות החשובות ביותר של אנילין:

1. מגיב עם חומצות ליצירת מלחים:

C 6 H 5 – NH 2 + HCl → C 6 H 5 NH 3 Cl

2. המלחים שנוצרו מגיבים עם אלקליות ואנילין משתחרר שוב:

C 6 H 5 – NH 3 Cl + NaOH → C 6 H 5 NH 2 + Na Cl + H 2 O

3. משתתף במרץ בתגובות החלפה, למשל, הוא מגיב עם מי ברום ליצירת 2, 4, 6 - טריברומואנילין:

השפעה הדדית של אטומים במולקולות של פחמימנים הלוגנים.

התכונה הכימית האופיינית ביותר של פחמימנים רוויים היא תגובות החלפה. דוגמה לתגובה כזו היא האינטראקציה של פחמימנים רוויים עם הלוגנים. פחמימנים רוויים אחרים מגיבים באופן דומה עם הלוגנים:

CH 3 -CH 3 +Cl 2 → CH 3 -CH 2 -Cl+HCl

לפחמימנים הלוגנים יש כמה תכונות מיוחדות. לפי התיאוריה של א.מ. Butlerov, זה מוסבר על ידי ההשפעה ההדדית של אטומים וקבוצות אטומיות בתרכובות כימיות. מנקודת המבט של רעיונות מודרניים על ענני אלקטרונים וחפיפה הדדית שלהם, תוך התחשבות באלקטרושליליות של יסודות כימיים, ההשפעה ההדדית של אטומים וקבוצות אטומיות, למשל במתיל כלוריד, מוסברת כדלקמן. לאטומי כלור יש אלקטרושליליות גדולה יותר מאטומי פחמן. לכן, צפיפות קשר האלקטרונים מוסטת מאטום הפחמן לכיוון אטום הכלור. כתוצאה מכך, אטום הכלור מקבל מטען שלילי חלקי, ואטום הפחמן מקבל מטען חיובי חלקי. המטענים החלקיים הנרכשים מסומנים δ+ ו-δ-:

השפעתו של אטום הכלור משתרעת לא רק על אטום הפחמן, אלא גם על אטומי המימן. בגלל זה, צפיפות האלקטרונים של אטומי המימן עוברת לכיוון אטום הפחמן והקשרים הכימיים בין אטומי המימן לפחמן הופכים לקוטביים יותר. כתוצאה מכך, אטומי המימן במולקולת המתיל כלוריד קשורים פחות חזק לאטום הפחמן ומוחלפים בקלות רבה יותר בכלור מאשר אטום המימן הראשון במולקולת המתאן. בשל המעבר של צפיפות האלקטרונים מאטום המימן לאטום הפחמן, ערך המטען החיובי של האחרון יורד. לכן, הקשר הקוולנטי בין אטומי הפחמן והכלור הופך פחות קוטבי וחזק יותר.

מנקודת המבט של המנגנון היוני, מהות שלטון V.V. מרקובניקוב באינטראקציה של פרופילן עם מימן ברומיד מוסבר באופן הבא: במולקולת הפרופילן, כתוצאה משינוי בצפיפות האלקטרונים, אטום הפחמן השני, הקשור לרדיקל המתיל, טעון חיובי יותר מהראשון.

ערך האלקטרושליליות של אטומי פחמן גדול מזה של אטומי מימן. לכן, אטום הפחמן השלישי של קבוצת המתיל, כתוצאה מהשינוי בצפיפות האלקטרונים משלושת אטומי המימן, מקבל מטען שלילי גדול יחסית משאר אטומי הפחמן. המטען השלילי העודף הזה, בתורו, מחליף את ענני האלקטרון ה-P הניידים מאטום הפחמן השני לאטום הפחמן הראשון. כתוצאה משינוי זה, אטום הפחמן הראשון מקבל מטען שלילי יותר, והשני הופך חיובי יותר. כתוצאה מכך, אטום מימן (+) מחובר לאטום פחמן (-), ונוסף הלוגן (-) לאטום פחמן (+).

בנזן עמיד מאוד בפני חמצון. לעומת זאת, פחמימנים ארומטיים בעלי שרשראות צד מתחמצנים בקלות יחסית.

1. תחת פעולתם של חומרי חמצון אנרגטיים (K Mn O 4) על הומלון בנזן, רק שרשראות הצדדיות עוברות חמצון. אם, למשל, יוצקים 2-3 מ"ל של טולואן לתוך מבחנה, אז מוסיפים לו תמיסה של פרמנגנט אשלגן ומחממים אותה, תבחין שהצבע הסגול של התמיסה מתהפך בהדרגה. זה קורה כי תחת פעולת אשלגן פרמנגנט, קבוצת המתיל של טולואן מתחמצנת והופכת לקבוצה

O

//

- ג

\

הו

O

//

C 6 H 5 -CH 3 +3O → C 6 H 5 -C + H 2 O

\

הו

ידוע שמתאן ופחמימנים רוויים אחרים עמידים מאוד בפני פעולתם של חומרי חמצון. עם זאת, קבוצת המתיל במולקולת הטולואן מתחמצנת בקלות יחסית. זה נובע מהשפעת טבעת הבנזן. מהדוגמאות שניתנו לתגובות החלפה וחמצון עולה שלא רק קבוצת המתיל משפיעה על טבעת הבנזן, אלא טבעת הבנזן משפיעה גם על קבוצת המתיל, כלומר. ההשפעה שלהם תלויה.

מאפיינים כימיים אופייניים של אלכוהול חד-הידרי ורב-הידרי רוויים, פנול

אלכוהולים רוויים חד-הידריים ורב-הידריים

אלכוהול (או אלקנולים) הם חומרים אורגניים שהמולקולות שלהם מכילות קבוצת הידרוקסיל אחת או יותר (קבוצות $—OH$) המחוברות לרדיקל פחמימני.

בהתבסס על מספר קבוצות הידרוקסיל (אטומיות), אלכוהול מחולקים ל:

- מונואטומי, למשל:

$(CH_3-OH)↙(מתנול(מתיל אלכוהול))$ $(CH_3-CH_2-OH)↙(אתנול(אלכוהול אתילי))$

— דו-הידרי (גליקולים), לדוגמה:

$(OH-CH_2-CH_2-OH)↙(אתנדיול-1,2(אתילן גליקול))$

$(HO-CH_2-CH_2-CH_2-OH)↙(פרופאנדיול-1,3)$

— טריאטומי, לדוגמה:

בהתבסס על אופי הרדיקל הפחמימני, נבדלים האלכוהולים הבאים:

— לְהַגבִּילהמכילים רק רדיקלים פחמימנים רוויים במולקולה, למשל:

— ללא הגבלההמכילים קשרים מרובים (כפולים ומשולשים) בין אטומי פחמן במולקולה, למשל:

$(CH_2=CH-CH_2-OH)↙(פרופן-2-אול-1 (אלכוהול אלילי))$

— אֲרוֹמָתִי, כלומר אלכוהולים המכילים טבעת בנזן וקבוצת הידרוקסיל במולקולה, המחוברים זה לזה לא ישירות, אלא דרך אטומי פחמן, למשל:

חומרים אורגניים המכילים קבוצות הידרוקסיל במולקולה, המחוברים ישירות לאטום הפחמן של טבעת הבנזן, שונים באופן משמעותי בתכונות הכימיות מאלכוהולים ולכן מסווגים כמחלקה עצמאית של תרכובות אורגניות - פנולים. לדוגמה:

ישנם גם אלכוהולים רב-הידריים (פוליהדריים) המכילים יותר משלוש קבוצות הידרוקסיל במולקולה. לדוגמה, הקסאול אלכוהול משושה הפשוט ביותר (סורביטול):

נומנקלטורה ואיזומריה

בעת יצירת שמות של אלכוהול, מתווספת סיומת גנרית לשם הפחמימן המקביל לאלכוהול -ol.המספרים שאחרי הסיומת מציינים את מיקום קבוצת ההידרוקסיל בשרשרת הראשית, ואת הקידומות די-, תלת-, טטרה-וכו' - מספרם:

במספור אטומי הפחמן בשרשרת הראשית, המיקום של קבוצת ההידרוקסיל מקבל עדיפות על פני המיקום של קשרים מרובים:

החל מהחבר השלישי בסדרה ההומולוגית, אלכוהולים מציגים איזומריזם של מיקום הקבוצה הפונקציונלית (פרופנול-1 ופרופנול-2), ומהרביעי, איזומריזם של שלד הפחמן (בוטנול-1, 2-מתיל-פרופנול-1 ). הם מאופיינים גם באיזומריזם בין-מעמדי - אלכוהולים הם איזומרים לאתרים:

$(CH_3-CH_2-OH)↙(אתנול)$ $(CH_3-O-CH_3)↙(דימתיל אתר)$

אלכוהול

תכונות גשמיות.

אלכוהול יכול ליצור קשרי מימן גם בין מולקולות אלכוהול וגם בין מולקולות אלכוהול ומים.

קשרי מימן מתרחשים כאשר אטום מימן בעל מטען חיובי חלקי של מולקולת אלכוהול אחת מקיים אינטראקציה עם אטום חמצן בעל מטען שלילי חלקית של מולקולה אחרת. הודות לקשרי מימן בין מולקולות יש לאלכוהול נקודות רתיחה גבוהות באופן חריג למשקל המולקולרי שלהם. לפיכך, פרופאן עם משקל מולקולרי יחסי של $44$ הוא גז בתנאים רגילים, והפשוט מבין האלכוהולים, מתנול, עם משקל מולקולרי יחסי של $32$, הוא נוזל בתנאים רגילים.

החברים הנמוכים והאמצעיים בסדרת המגבילים אלכוהול חד-הידריהמכילים בין $1$ ל$11$ אטומי פחמן הם נוזלים. אלכוהולים גבוהים יותר (החל מ-$C_(12)H_(25)OH$) הם מוצקים בטמפרטורת החדר. לאלכוהול תחתון יש ריח אלכוהולי אופייני וטעם חריף; הם מסיסים מאוד במים. ככל שהרדיקל הפחמימני גדל, מסיסות האלכוהול במים פוחתת, ואוקטנול אינו מתערבב עוד עם מים.

תכונות כימיות.

נכסים חומר אורגנינקבע על פי הרכבם ומבנהם. אלכוהול מאשר את הכלל הכללי. המולקולות שלהם כוללות רדיקלים פחמימנים והידרוקסיל, ולכן התכונות הכימיות של אלכוהול נקבעות על ידי האינטראקציה וההשפעה של קבוצות אלו זו על זו. התכונות האופייניות לסוג זה של תרכובות נובעות מנוכחות של קבוצת הידרוקסיל.

1. אינטראקציה של אלכוהול עם מתכות אלקליות ואדמה אלקליין.כדי לזהות את השפעתו של רדיקל פחמימני על קבוצת הידרוקסיל, יש צורך להשוות בין תכונותיו של חומר המכיל קבוצת הידרוקסיל ורדיקל פחמימני מחד, לבין חומר המכיל קבוצת הידרוקסיל ואינו מכיל רדיקל פחמימני. , מנגד. חומרים כאלה יכולים להיות, למשל, אתנול (או אלכוהול אחר) ומים. המימן של קבוצת ההידרוקסיל של מולקולות אלכוהול ומולקולות מים מסוגל להיות מופחת על ידי מתכות אלקליות ואדמה אלקליות (מוחלפות בהן):

$2Na+2H_2O=2NaOH+H_2$,

$2Na+2C_2H_5OH=2C_2H_5ONa+H_2$,

$2Na+2ROH=2RONa+H_2$.

2. אינטראקציה של אלכוהול עם הלידים מימן.החלפה של קבוצת הידרוקסיל בהלוגן מובילה להיווצרות הלואלקנים. לדוגמה:

$C_2H_5OH+HBr⇄C_2H_5Br+H_2O$.

תגובה זו היא הפיכה.

3. התייבשות בין מולקולרית של אלכוהול- פיצול מולקולת מים משתי מולקולות אלכוהול בעת חימום בנוכחות חומרים מסירי מים:

כתוצאה מהתייבשות בין-מולקולרית של אלכוהול, אתרים.לפיכך, כאשר אלכוהול אתילי מחומם עם חומצה גופרתית לטמפרטורה של $100$ עד $140°C$, נוצר אתר דיאתיל (גופרית):

4. אינטראקציה של אלכוהולעם חומצות אורגניות ואי-אורגניות ליצירת אסטרים ( תגובת אסטריפיקציה):

תגובת האסטריפיקציה מזורזת על ידי חומצות אנאורגניות חזקות.

לדוגמה, כאשר אתיל אלכוהול וחומצה אצטית מגיבים, נוצר אתיל אצטט - אתיל אצטט:

5. התייבשות תוך-מולקולרית של אלכוהולמתרחש כאשר אלכוהול מחומם בנוכחות חומרים מסירי מים לטמפרטורה גבוהה יותר מהטמפרטורה של התייבשות בין מולקולרית. כתוצאה מכך נוצרים אלקנים. תגובה זו נובעת מנוכחות של אטום מימן וקבוצת הידרוקסיל באטומי פחמן סמוכים. דוגמה לכך היא התגובה של ייצור אתן (אתילן) על ידי חימום אתנול מעל $140 מעלות צלזיוס בנוכחות חומצה גופרתית מרוכזת:

6. חמצון של אלכוהולמבוצע בדרך כלל עם חומרי חמצון חזקים, למשל, אשלגן דיכרומט או אשלגן פרמנגנט בסביבה חומצית. במקרה זה, פעולת חומר החמצון מכוונת לאטום הפחמן שכבר קשור לקבוצת ההידרוקסיל. בהתאם לאופי האלכוהול ותנאי התגובה, מוצרים שונים. לפיכך, אלכוהולים ראשוניים מתחמצנים תחילה ל אלדהידים, ואז פנימה חומצות קרבוקסיליות:

חמצון של אלכוהולים משניים מייצר קטונים:

אלכוהול שלישוני די עמיד בפני חמצון. עם זאת, בתנאים קשים (חומר מחמצן חזק, חוֹם) אפשרי חמצון של אלכוהולים שלישוניים, המתרחש עם קרע של קשרי פחמן-פחמן הקרובים ביותר לקבוצת ההידרוקסיל.

7. פירוק אלכוהול.כאשר אדי אלכוהול מועברים ב-200-300 מעלות צלזיוס על פני זרז מתכת, כגון נחושת, כסף או פלטינה, אלכוהולים ראשוניים הופכים לאלדהידים ואלכוהולים משניים לקטונים:

נוכחותן של מספר קבוצות הידרוקסיל במולקולת האלכוהול בו זמנית קובעת את המאפיינים הספציפיים אלכוהולים רב-הידריים, אשר מסוגלים ליצור תרכובות קומפלקס כחול בהיר מסיס במים בעת אינטראקציה עם משקע טרי שהוכן של הידרוקסיד נחושת (II). עבור אתילן גליקול נוכל לכתוב:

אלכוהולים חד-הידריים אינם מסוגלים להיכנס לתגובה זו. לכן היא כן תגובה איכותיתעבור אלכוהולים רב-הידריים.

פנול

מבנה של פנולים

קבוצת ההידרוקסיל במולקולות של תרכובות אורגניות יכולה להיות קשורה ישירות לטבעת הארומטית, או יכולה להיות מופרדת ממנה על ידי אטום פחמן אחד או יותר. ניתן לצפות שבהתאם לתכונה זו, חומרים יהיו שונים זה מזה באופן משמעותי עקב השפעה הדדית של קבוצות אטומים. ואכן, תרכובות אורגניות המכילות את הרדיקל הארומטי פניל ​​$C_6H_5$—, הקשורות ישירות לקבוצת ההידרוקסיל, מפגינות תכונות מיוחדות השונות מתכונות האלכוהול. תרכובות כאלה נקראות פנולים.

פנולים הם חומרים אורגניים שהמולקולות שלהם מכילות רדיקל פניל ​​הקשור לקבוצת הידרוקסו אחת או יותר.

בדיוק כמו אלכוהול, פנולים מסווגים לפי האטומיות שלהם, כלומר. לפי מספר קבוצות הידרוקסיל.

פנולים חד-הידרייםמכילים קבוצת הידרוקסיל אחת במולקולה:

פנולים רב-הידרייםמכילים יותר מקבוצת הידרוקסיל אחת במולקולות:

ישנם פנולים רב-הידריים אחרים המכילים שלוש או יותר קבוצות הידרוקסיל על טבעת הבנזן.

בואו נסתכל מקרוב על המבנה והמאפיינים של הנציג הפשוט ביותר של מחלקה זו - פנול $C_6H_5OH$. שמו של החומר הזה היווה את הבסיס לשם של כל הכיתה - פנולים.

תכונות פיזיקליות וכימיות.

תכונות גשמיות.

פנול הוא חומר מוצק, חסר צבע, גבישי, $t°_(pl.)=43°C, t°_(רותח)=181°C$, בעל ריח אופייני חד. רעיל. פנול מסיס מעט במים בטמפרטורת החדר. תמיסה מימית של פנול נקראת חומצה קרבולית. אם הוא בא במגע עם העור הוא גורם לכוויות ולכן יש לטפל בפנול בזהירות!

תכונות כימיות.

תכונות חומציות.כפי שכבר הוזכר, אטום המימן של קבוצת ההידרוקסיל הוא חומצי באופיו. התכונות החומציות של הפנול בולטות יותר מאלו של מים ואלכוהול. שלא כמו אלכוהול ומים, פנול מגיב לא רק עם מתכות אלקליות, אלא גם עם אלקליות כדי ליצור פנולטים:

עם זאת, התכונות החומציות של פנולים פחות בולטות מאלו של חומצות אנאורגניות וקרבוקסיליות. לדוגמה, התכונות החומציות של פנול חלשות בערך פי 3000$ מאלו של חומצה פחמנית. לכן, על ידי העברת פחמן דו חמצני דרך תמיסה מימית של נתרן פנולט, ניתן לבודד פנול חופשי:

הוספת חומצה הידרוכלורית או גופרתית לתמיסה מימית של נתרן פנולט מובילה גם להיווצרות פנול:

תגובה איכותית לפנול.

פנול מגיב עם ברזל (III) כלוריד ליצירת צבע עז סָגוֹלחיבור מורכב.

תגובה זו מאפשרת לזהות אותו גם בכמויות מוגבלות מאוד. פנולים אחרים המכילים קבוצת הידרוקסיל אחת או יותר על טבעת הבנזן מייצרים גם צבעים כחולים-סגולים בהירים כאשר הם מגיבים עם ברזל(III) כלוריד.

תגובות של טבעת בנזן.

הנוכחות של תחליף הידרוקסיל מקלה מאוד על התרחשותן של תגובות החלפה אלקטרופיליות בטבעת הבנזן.

1. ברומין של פנול.בניגוד לבנזן, ברומינציה של פנול אינה מצריכה תוספת של זרז (ברזל (III) ברומיד).

בנוסף, האינטראקציה עם פנול מתרחשת באופן סלקטיבי: אטומי ברום מכוונים יָשָׁרועמדות פארה, מחליפות את אטומי המימן הממוקמים שם. הסלקטיביות של ההחלפה מוסברת על ידי התכונות שנדונו לעיל מבנה אלקטרונימולקולות פנול.

כך, כאשר פנול מגיב עם מי ברום, נוצר משקע לבן 2,4,6-טריברומופנול:

תגובה זו, כמו התגובה עם ברזל (III) כלוריד, משמשת לזיהוי איכותי של פנול.

2. ניטרציה של פנולמתרחשת גם ביתר קלות מחנקת בנזן. התגובה עם חומצה חנקתית מדוללת מתרחשת בטמפרטורת החדר. כתוצאה מכך נוצרת תערובת יָשָׁרו זוג-איזומרים של ניטרופנול:

כאשר משתמשים בחומצה חנקתית מרוכזת, נוצר חומר נפץ - 2,4,6-טריניטרופנול(חומצה פיקרית):

3. הידרוגנציה של הליבה הארומטית של הפנולבנוכחות זרז מתרחש בקלות:

4.פולי עיבוי של פנול עם אלדהידים, במיוחד עם פורמלדהיד, מתרחשת עם היווצרות של תוצרי תגובה - שרפי פנול-פורמלדהיד ופולימרים מוצקים.

ניתן לתאר את האינטראקציה של פנול עם פורמלדהיד על ידי התוכנית הבאה:

בטח שמתם לב שאטומי מימן "ניידים" נשמרים במולקולת הדימר, מה שאומר שהמשך התגובה אפשרי עם מספר מספיק של ריאגנטים:

תְגוּבָה polycondensation,הָהֵן. תגובת ייצור הפולימר, המתרחשת עם שחרור של תוצר לוואי בעל משקל מולקולרי נמוך (מים), יכולה להמשיך עוד יותר (עד שאחד מהריאגנטים נצרך לחלוטין) עם היווצרות מקרומולקולות ענקיות. ניתן לתאר את התהליך באמצעות משוואת הסיכום:

היווצרות מולקולות ליניאריות מתרחשת בטמפרטורות רגילות. ביצוע תגובה זו כאשר הוא מחומם מוביל לעובדה שלמוצר המתקבל יש מבנה מסועף, הוא מוצק ואינו מסיס במים. כתוצאה מחימום שרף פנול-פורמלדהיד ליניארי עם עודף אלדהיד, מתקבלות מסות פלסטיות קשות בעלות תכונות ייחודיות. פולימרים המבוססים על שרפי פנול-פורמלדהיד משמשים לייצור לכות וצבעים, מוצרי פלסטיק עמידים לחימום, קירור, מים, אלקליות וחומצות, ובעלי תכונות דיאלקטריות גבוהות. החלקים הקריטיים והחשובים ביותר של מכשירי חשמל, בתי יחידות כוח וחלקי מכונות, בסיסי פולימר עשויים מפולימרים המבוססים על שרפי פנול-פורמלדהיד מעגלים מודפסיםעבור מכשירי רדיו. דבקים המבוססים על שרפי פנול-פורמלדהיד מסוגלים לחבר בצורה מהימנה חלקים ממגוון רחב של אופי, לשמור על חוזק המפרק הגבוה ביותר בטווח טמפרטורות רחב מאוד. דבק זה משמש לחיבור בסיס המתכת של מנורות תאורה לנורת זכוכית. עכשיו אתה מבין מדוע פנול ומוצרים המבוססים עליו נמצאים בשימוש נרחב.

תכונות כימיות אופייניות של אלדהידים, חומצות קרבוקסיליות רוויות, אסטרים

אלדהידים וקטונים

אלדהידים הם חומרים אורגניים שהמולקולות שלהם מכילות קבוצת קרבוניל , מחובר לאטום מימן ולרדיקל פחמימני.

הנוסחה הכללית של אלדהידים היא:

באלדהיד הפשוט ביותר, פורמלדהיד, תפקידו של רדיקל פחמימני ממלא אטום המימן השני:

קבוצת קרבוניל הקשורה לאטום מימן נקראת אלדהידי:

חומרים אורגניים שבמולקולות שלהם קבוצת קרבוניל מקושרת לשני רדיקלים פחמימנים נקראים קטונים.

ברור שהנוסחה הכללית של קטונים היא:

קבוצת הקרבוניל של הקטונים נקראת קבוצת קטו.

בקטון הפשוט ביותר, אצטון, קבוצת הקרבוניל מקושרת לשני רדיקלים מתיל:

נומנקלטורה ואיזומריה

בהתאם למבנה הרדיקל הפחמימני הקשור לקבוצת האלדהיד, נבדלים אלדהידים רוויים, בלתי רוויים, ארומטיים, הטרוציקליים ואלדהידים אחרים:

בהתאם למינוח IUPAC, השמות של אלדהידים רוויים נוצרים משמו של אלקן עם אותו מספר של אטומי פחמן במולקולה באמצעות הסיומת -אל.לדוגמה:

מספור אטומי הפחמן של השרשרת הראשית מתחיל באטום הפחמן של קבוצת האלדהיד. לכן, קבוצת האלדהיד ממוקמת תמיד באטום הפחמן הראשון, ואין צורך לציין את מיקומה.

יחד עם המינוח השיטתי, נעשה שימוש גם בשמות טריוויאליים של אלדהידים בשימוש נרחב. שמות אלו נגזרים בדרך כלל משמות של חומצות קרבוקסיליות המקבילות לאלדהידים.

כדי לתת שם לקטונים לפי מינוח שיטתי, קבוצת הקטו מסומנת בסיומת -הואומספר המציין את מספר אטום הפחמן של קבוצת הקרבוניל (המספור צריך להתחיל מקצה השרשרת הקרוב ביותר לקבוצת הקטו). לדוגמה:

אלדהידים מתאפיינים רק בסוג אחד של איזומריזם מבני - איזומריזם של שלד הפחמן, שמתאפשר עם בוטנאל, ועבור קטונים - גם איזומריזם של מיקום קבוצת הקרבוניל. בנוסף, הם מתאפיינים באיזומריות בין-מעמדית (פרופאנל ופרופאנון).

שמות טריוויאליים ונקודות רתיחה של כמה אלדהידים.

תכונות פיזיקליות וכימיות

תכונות גשמיות.

במולקולת אלדהיד או קטון, בשל האלקטרושליליות הגדולה יותר של אטום החמצן בהשוואה לאטום הפחמן, הקשר $C=O$ מקוטב מאוד עקב שינוי בצפיפות האלקטרונים של הקשר $π$ לכיוון חמצן:

אלדהידים וקטונים הם חומרים קוטביים עם עודף צפיפות אלקטרונים על אטום החמצן. האיברים התחתונים בסדרת האלדהידים והקטונים (פורמלדהיד, אצטלדהיד, אצטון) מסיסים במים ללא הגבלה. נקודות הרתיחה שלהם נמוכות מאלו של האלכוהולים המקבילים. זאת בשל העובדה שבמולקולות של אלדהידים וקטונים, בניגוד לאלכוהול, אין אטומי מימן ניידים והם אינם יוצרים שותפים עקב קשרי מימן. לאלדהידים תחתונים יש ריח חריף; לאלדהידים המכילים ארבעה עד שישה אטומי פחמן בשרשרת יש ריח לא נעים; לאלדהידים וקטונים גבוהים יותר יש ריחות פרחוניים והם משמשים בבשמים.

תכונות כימיות

הנוכחות של קבוצת אלדהידים במולקולה קובעת את התכונות האופייניות של אלדהידים.

תגובות החלמה.

תוספת מימןלמולקולות אלדהיד מתרחשת באמצעות קשר כפול בקבוצת הקרבוניל:

התוצר של הידרוגנציה של אלדהידים הוא אלכוהול ראשוני, וקטונים הם אלכוהולים משניים.

לפיכך, כאשר הידרוג אצטלדהיד על זרז ניקל, נוצר אלכוהול אתילי, וכאשר הידרוג אצטון נוצר פרופנול-2:

הידרוגנציה של אלדהידים - תגובת התאוששותשבו יורד מצב החמצון של אטום הפחמן הכלול בקבוצת הקרבוניל.

תגובות חמצון.

אלדהידים ניתן לא רק להפחית, אלא גם לְחַמְצֵן.כאשר מתחמצנים, אלדהידים יוצרים חומצות קרבוקסיליות. תהליך זה יכול להיות מיוצג באופן סכמטי באופן הבא:

מאלדהיד פרופיוני (פרופאנל), למשל, נוצרת חומצה פרופיונית:

אלדהידים מתחמצנים אפילו על ידי חמצן אטמוספרי וחומרי חמצון חלשים כמו תמיסת אמוניה של תחמוצת כסף. בצורה פשוטה, תהליך זה יכול לבוא לידי ביטוי באמצעות משוואת התגובה:

לדוגמה:

תהליך זה משתקף בצורה מדויקת יותר על ידי המשוואות:

אם פני השטח של הכלי שבו מתבצעת התגובה הוסרו בעבר, אז הכסף שנוצר במהלך התגובה מכסה אותו בסרט דק אפילו. לכן תגובה זו נקראת תגובה "מראה כסף". הוא נמצא בשימוש נרחב לייצור מראות, קישוטי כסף וקישוטי עץ חג המולד.

הידרוקסיד של נחושת(II) שזרע טרי יכול לשמש גם כחומר מחמצן לאלדהידים. חמצון האלדהיד, $Cu^(2+)$ מופחת ל-$Cu^+$. הידרוקסיד הנחושת (I) $CuOH$ שנוצר במהלך התגובה מתפרק מיד לתחמוצת נחושת אדומה (I) ומים:

תגובה זו, כמו תגובת "מראה הכסף", משמשת לזיהוי אלדהידים.

קטונים אינם מתחמצנים לא על ידי חמצן אטמוספרי או על ידי חומר חמצון חלש כמו תמיסת אמוניה של תחמוצת כסף.

נציגים בודדים של אלדהידים ומשמעותם

פורמלדהיד(מתנאל, פורמיקאלדהיד$HCHO$ ) - גז חסר צבע בעל ריח חריף ונקודת רתיחה של $-21C°$, מסיס מאוד במים. פורמלדהיד הוא רעיל! תמיסה של פורמלדהיד במים ($40%$) נקראת פורמלדהיד ומשמשת לחיטוי. IN חַקלָאוּתהפורמלין משמש לטיפול בזרעים, ובתעשיית העור לטיפול בעור. פורמלדהיד משמש לייצור מתנמין, חומר רפואי. לפעמים מתנמין דחוס בצורת לבניות משמש כדלק (אלכוהול יבש). כמות גדולה של פורמלדהיד נצרכת בייצור שרפי פנול-פורמלדהיד וכמה חומרים אחרים.

אצטלדהיד(אתנל, אצטלדהיד$CH_3CHO$ ) - נוזל בעל ריח חריף לא נעים ונקודת רתיחה של $21°C$, מסיס מאוד במים. חומצה אצטית ועוד מספר חומרים מיוצרים מאצטאלדהיד בקנה מידה תעשייתי, הוא משמש לייצור פלסטיק וסיבי אצטט שונים. אצטלדהיד הוא רעיל!

חומצות קרבוקסיליות

חומרים המכילים קבוצת קרבוקסיל אחת או יותר במולקולה נקראים חומצות קרבוקסיליות.

קבוצת אטומים שקוראים לו קבוצת קרבוקסיל, או קרבוקסיל.

חומצות אורגניות המכילות קבוצת קרבוקסיל אחת במולקולה הן מונו-בסיסי.

הנוסחה הכללית של חומצות אלו היא $RCOOH$, למשל:

חומצות קרבוקסיליות המכילות שתי קבוצות קרבוקסיל נקראות די-בסיסי.אלה כוללים, למשל, חומצות אוקסליות וסוקסיניות:

יש גם polybasicחומצות קרבוקסיליות המכילות יותר משתי קבוצות קרבוקסיל. אלה כוללים, למשל, חומצת לימון טרי-בסיסית:

בהתאם לאופי הרדיקל הפחמימני, חומצות קרבוקסיליות מחולקות לתוך רווי, בלתי רווי, ארומטי.

חומצות קרבוקסיליות רוויות או רוויות הן, למשל, חומצה פרופנואית (פרופיונית):

או החומצה הסוצינית המוכרת כבר.

ברור שחומצות קרבוקסיליות רוויות אינן מכילות קשרים של $π$ ברדיקל הפחמימני. במולקולות של חומצות קרבוקסיליות בלתי רוויות, קבוצת הקרבוקסיל קשורה לרדיקל פחמימני בלתי רווי ובלתי רווי, למשל במולקולות של אקרילית (פרופן) $CH_2=CH—COOH$ או אולאית $CH_3—(CH_2)_7—CH=CH —(CH_2)_7—COOH $ וחומצות אחרות.

כפי שניתן לראות מהנוסחה של חומצה בנזואית, היא ארומטית, מכיוון שהיא מכילה טבעת ארומטית (בנזן) במולקולה:

נומנקלטורה ואיזומריה

העקרונות הכלליים של היווצרות השמות של חומצות קרבוקסיליות, כמו גם תרכובות אורגניות אחרות, כבר נדונו. הבה נתעכב ביתר פירוט על המינוח של חומצות קרבוקסיליות חד-ודי-בסיסיות. שמה של חומצה קרבוקסילית נגזר משמו של האלקן המקביל (אלקן עם אותו מספר של אטומי פחמן במולקולה) בתוספת הסיומת -ov-, סיומים -ואניוהמילים חומצה. המספור של אטומי הפחמן מתחיל בקבוצת הקרבוקסיל. לדוגמה:

מספר קבוצות הקרבוקסיל מצוין בשם בקידומות די-, תלת-, טטרה-:

לחומצות רבות יש גם שמות מבוססים היסטוריים, או טריוויאליים.

שמות של חומצות קרבוקסיליות.

נוסחה כימית	שם שיטתי של חומצה	שם טריוויאלי לחומצה
$H—COOH$	מתאן	נְמָלָה
$CH_3—COOH$	אתנובה	חומץ
$CH_3—CH_2—COOH$	פרופאן	פרופיוני
$CH_3—CH_2—CH_2—COOH$	גָז בּוטָאן	שַמנוּנִי
$CH_3—CH_2—CH_2—CH_2—COOH$	פנטניק	ולריאן
$CH_3—(CH_2)_4—COOH$	הקסאן	ניילון
$CH_3—(CH_2)_5—COOH$	הפטן	אננתי
$NOOC—COOH$	אתנדיום	חוּמעָה
$NOOC—CH_2—COOH$	פרופאנדיום	מאלונוביה
$NOOC—CH_2—CH_2—COOH$	Butanediovye	עַנבָּר

לאחר היכרות עם מגוון ו עולם מענייןחומצות אורגניות, בואו ניקח בחשבון חומצות קרבוקסיליות מונו-בסיסיות רוויות ביתר פירוט.

ברור שהרכב החומצות הללו בא לידי ביטוי נוסחה כללית$C_nH_(2n)O_2$, או $C_nH_(2n+1)COOH$, או $RCOOH$.

תכונות פיזיקליות וכימיות

תכונות גשמיות.

חומצות נמוכות יותר, כלומר. חומצות בעלות משקל מולקולרי קטן יחסית, המכילות עד ארבעה אטומי פחמן לכל מולקולה, הן נוזלים בעלי ריח חריף אופייני (זכור את הריח של חומצה אצטית). חומצות המכילות בין $4$ ל$9$ אטומי פחמן הם נוזלים שמנים צמיגים עם ריח לא נעים; מכיל יותר מ-$9$ אטומי פחמן למולקולה - מוצקים שאינם מתמוססים במים. נקודות הרתיחה של חומצות קרבוקסיליות חד-בסיסיות רוויות עולות עם מספר הולך וגדל של אטומי פחמן במולקולה, וכתוצאה מכך, עם הגדלת המשקל המולקולרי היחסי. לדוגמה, נקודת הרתיחה של חומצה פורמית היא $100.8°C$, חומצה אצטית היא $118°C$, וחומצה פרופיונית היא $141°C$.

החומצה הקרבוקסילית הפשוטה ביותר היא $HCOOH$ הפורמית, בעלת משקל מולקולרי יחסי קטן $(M_r(HCOOH)=46)$, בתנאים רגילים מדובר בנוזל עם נקודת רתיחה של $100.8°C$. יחד עם זאת, בוטאן $(M_r(C_4H_(10))=58)$ באותם תנאים הוא גזי ובעל נקודת רתיחה של $-0.5°C$. אי התאמה זו בין נקודות רתיחה למשקלים מולקולריים יחסיים מוסברת על ידי יצירת דימרים של חומצה קרבוקסילית, שבה שתי מולקולות חומצה מקושרות בשני קשרי מימן:

התרחשותם של קשרי מימן מתבררת כאשר בוחנים את המבנה של מולקולות חומצה קרבוקסילית.

מולקולות של חומצות קרבוקסיליות חד-בסיסיות רוויות מכילות קבוצה קוטבית של אטומים - קרבוקסיל ורדיקל פחמימני כמעט לא קוטבי. קבוצת הקרבוקסיל נמשכת למולקולות מים, ויוצרת איתן קשרי מימן:

חומצות פורמיות וחומצות אצטית מסיסות ללא הגבלה במים. ברור שעם עלייה במספר האטומים ברדיקל פחמימני, מסיסות החומצות הקרבוקסיליות פוחתת.

תכונות כימיות.

התכונות הכלליות האופייניות למחלקת החומצות (הן אורגניות והן אנאורגניות) נובעות מהימצאות במולקולות של קבוצת הידרוקסיל המכילה קשר קוטבי חזק בין אטומי מימן וחמצן. הבה נבחן את התכונות הללו באמצעות הדוגמה של חומצות אורגניות מסיסות במים.

1. דיסוציאציהעם היווצרות של קטיוני מימן ואניונים של שאריות החומצה:

$CH_3-COOH⇄CH_3-COO^(-)+H^+$

ליתר דיוק, תהליך זה מתואר על ידי משוואה שלוקחת בחשבון את השתתפותן של מולקולות מים בו:

$CH_3-COOH+H_2O⇄CH_3COO^(-)+H_3O^+$

שיווי המשקל הדיסוציאציה של חומצות קרבוקסיליות מוסט שמאלה; רובם המכריע הם אלקטרוליטים חלשים. עם זאת, הטעם החמוץ של, למשל, חומצות אצטית וחומצות פורמיות נובע מהתפרקות לקטיוני מימן ולאניונים של שאריות חומציות.

ברור שנוכחות מימן "חומצי" במולקולות של חומצות קרבוקסיליות, כלומר. מימן של קבוצת הקרבוקסיל, בשל תכונות אופייניות אחרות.

2. אינטראקציה עם מתכות, עומד בסדרת המתח האלקטרוכימי עד למימן: $nR-COOH+M→(RCOO)_(n)M+(n)/(2)H_2$

לפיכך, ברזל מפחית מימן מחומצה אצטית:

$2CH_3-COOH+Fe→(CH_3COO)_(2)Fe+H_2$

3. אינטראקציה עם תחמוצות בסיסיותעם היווצרות מלח ומים:

$2R-COOH+CaO→(R-COO)_(2)Ca+H_2O$

4. אינטראקציה עם הידרוקסידי מתכתעם היווצרות מלח ומים (תגובת ניטרול):

$R—COOH+NaOH→R—COONa+H_2O$,

$2R—COOH+Ca(OH)_2→(R—COO)_(2)Ca+2H_2O$.

5. אינטראקציה עם מלחים של חומצות חלשות יותרעם היווצרותו של האחרון. לפיכך, חומצה אצטית מחליפה חומצה סטארית מנתרן סטאראט וחומצה פחמנית מאשלגן קרבונט:

$CH_3COOH+C_(17)H_(35)COONa→CH_3COONa+C_(17)H_(35)COOH↓$,

$2CH_3COOH+K_2CO_3→2CH_3COOK+H_2O+CO_2$.

6. אינטראקציה של חומצות קרבוקסיליות עם אלכוהולעם היווצרות של אסטרים - תגובת אסטריפיקציה (אחת התגובות החשובות ביותר האופייניות לחומצות קרבוקסיליות):

האינטראקציה של חומצות קרבוקסיליות עם אלכוהול מזורזת על ידי קטיוני מימן.

תגובת האסטריפיקציה הפיכה. שיווי המשקל עובר לכיוון היווצרות אסטר בנוכחות חומרי הסרת מים וכאשר האסטר מוסר מתערובת התגובה.

בתגובה ההפוכה של אסטריפיקציה, הנקראת הידרוליזה אסטר (תגובה של אסטר עם מים), נוצרות חומצה ואלכוהול:

ברור כי תגובה עם חומצות קרבוקסיליות, כלומר. אלכוהולים רב-הידריים, למשל גליצרול, יכולים גם להיכנס לתגובת אסטריפיקציה:

כל החומצות הקרבוקסיליות (למעט חומצה פורמית), יחד עם קבוצת הקרבוקסיל, מכילות שארית פחמימנים במולקולות שלהן. כמובן, זה לא יכול אלא להשפיע על המאפיינים של חומצות, אשר נקבעות על ידי אופי של שאריות הפחמימנים.

7. ריבוי תגובות הוספה- הם מכילים חומצות קרבוקסיליות בלתי רוויות. לדוגמה, תגובת הוספת המימן היא הידרוגנציה. עבור חומצה המכילה קשר $π$ אחד ברדיקל, ניתן לכתוב את המשוואה בצורה כללית:

$C_(n)H_(2n-1)COOH+H_2(→)↖(זרז)C_(n)H_(2n+1)COOH.$

לפיכך, כאשר חומצה אולאית עוברת הידרוגן, נוצרת חומצה סטארית רוויה:

$(C_(17)H_(33)COOH+H_2)↙(\text"חומצה אולאית"))(→)↖(זרז)(C_(17)H_(35)COOH)↙(\text"חומצה סטארית" ) $

חומצות קרבוקסיליות בלתי רוויות, כמו תרכובות בלתי רוויות אחרות, מוסיפות הלוגנים באמצעות קשר כפול. לדוגמה, חומצה אקרילית מפיגת צבע של מי ברום:

$(CH_2=CH—COOH+Br_2)↙(\text"חומצה אקרילית (פרופנואית)")→(CH_2Br—CHBr—COOH)↙(\text"2,3-dibromopropanoic acid").$

8. תגובות החלפה (עם הלוגנים)- חומצות קרבוקסיליות רוויות מסוגלות להיכנס לתוכם. לדוגמה, על ידי תגובה של חומצה אצטית עם כלור, ניתן לקבל חומצות כלור שונות:

$CH_3COOH+Cl_2(→)↖(P(אדום))(CH_2Cl-COOH+HCl)↙(\text"חומצה כלורואצטית")$,

$CH_2Cl-COOH+Cl_2(→)↖(P(red))(CHCl_2-COOH+HCl)↙(\text"dichloroacetic acid")$,

$CHCl_2-COOH+Cl_2(→)↖(P(red))(CCl_3-COOH+HCl)↙(\text"trichloroacetic acid")$

נציגים בודדים של חומצות קרבוקסיליות ומשמעותן

נְמָלָה(מתאן) חוּמצָה HTSOKH- נוזל בעל ריח חריף ונקודת רתיחה של $100.8 מעלות צלזיוס, מסיס מאוד במים. חומצה פורמית היא רעילה גורם לכוויות במגע עם העור!הנוזל הצורב המופרש על ידי הנמלים מכיל חומצה זו. לחומצה פורמית יש תכונות חיטוי ולכן מוצאת את השימוש שלה בתעשיות המזון, העור והתרופות והרפואה. הוא משמש לצביעת בדים ונייר.

חומץ (אתן)חוּמצָה $CH_3COOH$ הוא נוזל חסר צבע עם ריח חריף אופייני, מתערבב עם מים בכל יחס. תמיסות מימיותחומצה אצטית נמכרת תחת השם חומץ (תמיסה של 3-5%) ותמצית חומץ (תמיסה של 70-80$) ונמצאת בשימוש נרחב בתעשיית המזון. חומצה אצטית היא ממס טוב לחומרים אורגניים רבים ולכן משמשת לצביעה, שיזוף ותעשיית הצבע והלכה. בנוסף, חומצה אצטית היא חומר גלם לייצור תרכובות אורגניות רבות וחשובות מבחינה טכנית: למשל מתקבלים ממנה חומרים המשמשים להדברת עשבים שוטים - קוטלי עשבים.

חומצה אצטית היא המרכיב העיקרי חומץ בן יין,הריח האופייני לו נובע בדיוק ממנו. הוא תוצר של חמצון אתנול ונוצר ממנו כאשר יין מאוחסן באוויר.

הנציגים החשובים ביותר של חומצות מונו-בסיסיות רוויות גבוהות יותר הם פלמיטית$C_(15)H_(31)COOH$ ו סטאריתחומצה $C_(17)H_(35)COOH$. בניגוד לחומצות נמוכות יותר, חומרים אלו מוצקים ומסיסים בצורה גרועה במים.

עם זאת, המלחים שלהם - סטראטים ופלמיטטים - מסיסים מאוד ובעלי אפקט דטרגנט, ולכן הם נקראים גם סבונים. ברור שהחומרים הללו מיוצרים בקנה מידה גדול. מבין החומצות הקרבוקסיליות הגבוהות הבלתי רוויות, החשובה ביותר היא חומצה אולאית$C_(17)H_(33)COOH$, או $CH_3 - (CH_2)_7 - CH=CH -(CH_2)_7COOH$. זהו נוזל דמוי שמן ללא טעם או ריח. המלחים שלו נמצאים בשימוש נרחב בטכנולוגיה.

הנציג הפשוט ביותר של חומצות קרבוקסיליות די-בסיסיות הוא חומצה אוקסלית (אתנית).$HOOC—COOH$, שמלחיו מצויים בצמחים רבים, כמו חומצה וחומצה. חומצה אוקסלית היא חומר גבישי חסר צבע המסיס מאוד במים. הוא משמש לליטוש מתכות, בתעשיות העץ והעור.

אסטרים

כאשר חומצות קרבוקסיליות מגיבות עם אלכוהול (תגובת אסטריפיקציה), הן נוצרות אסטרים:

תגובה זו היא הפיכה. תוצרי התגובה יכולים ליצור אינטראקציה זה עם זה כדי ליצור את חומרי המוצא - אלכוהול וחומצה. לפיכך, התגובה של אסטרים עם מים - הידרוליזה של אסטר - היא הפוכה מתגובת האסטריפיקציה. שיווי המשקל הכימי שנוצר כאשר שיעורי התגובות קדימה (אסטריפיקציה) ותגובות לאחור (הידרוליזה) שווים ניתן להזיז לעבר היווצרות אסטר על ידי נוכחות של חומרים מסירי מים.

שומנים- נגזרות של תרכובות שהן אסטרים של גליצרול וחומצות קרבוקסיליות גבוהות יותר.

כל השומנים, כמו אסטרים אחרים, עוברים הידרוליזה:

כאשר הידרוליזה של שומן מתבצעת בסביבה בסיסית $(NaOH)$ ובנוכחות אפר סודה $Na_2CO_3$, היא מתקדמת באופן בלתי הפיך ומובילה להיווצרות לא של חומצות קרבוקסיליות, אלא של מלחים שלהן, הנקראים סבונים.לכן, הידרוליזה של שומנים בסביבה בסיסית נקראת סִבּוּן.