Функциональные группы: этo отдельная тема
В предыдущем разделе речь шла об углеводородах, или соединениях, в состав которых входят только два элемента — углерод и водород. Теперь попытайтесь представить, сколько получится новых органических соединений, если молекулы углеводородов будут содержать, например, атом азота, один из галогенов, серу или какой-нибудь другой элемент?
Рассмотрим некоторые спирты. Этиловый (пищевой), метиловый (древесный), а также изопропиловый спирты имеют разные формулы, но обладают схожими химическими свойствами. Дело в том, что все спирты — это производные предельных или непредельных углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода заменены гидроксиль-ными группами -OH.
Функциональные группы: этo отдельная тема
Именно наличие гидроксильной группы обуславливает те или иные свойства спиртов так же, как наличие двойной связи фактически образует гомологический ряд алкенов. Поэтому во многих случаях не имеет значения, какой должна быть остальная часть молекулы. В реакциях один спирт во многом ведет себя так же, как и другой.
Атомы или группы атомов, замещающие водород в углеводородной основе, образуют функциональные, или характеристические, группы с общими химическими свойствами принадлежащих к одному и тому же классу производных углеводородов. Для спиртов такой группой является -OH, а для алкенов — C=C и т.д. Благодаря функциональным группам намного проще изучать и классифицировать свойства соединений. Например, можно изучать свойства всех спиртов, а не каждого в отдельности. Использование функциональных групп значительно облегчает изучение органической химии.
В этом разделе основное внимание уделяется нескольким функциональным группам. Следует отметить, что наличие в молекуле двух, трех или более функциональных групп может серьезно усложнить дело, так как при этом молекула может участвовать в большом количестве реакций. Но вместе с тем изучение органической химии становится не только трудным, но и довольно забавным.
Спирты (от изопропилового до пищевого): R-OH
Спирты — это группа органических соединений, содержащих функциональную группу -OH. На самом деле спирты часто обозначаются в виде общей формулы R-OH, где R — » остальная часть» молекулы4. В названиях спиртов используется суффикс -ол, заменяющий собой суффикс -ан из названия соответствующего алкана.
Метанол (метиловый спирт) иногда называют древесным, потому что много лет назад его основной синтез заключался в сухой перегонке древесины без доступа воздуха. Сегодня метиловый спирт получают в больших количествах синтезом из оксида углерода (II) и водорода при высоком давлении и высокой температуре в присутствии катализатора.
Ш(г) + 2H2(r) — CH3OHfc)
Примерно половина метанола, производимого в Соединенных Штатах Америки, используется для получения формальдегида, который, в свою очередь, применяется в качестве бальзамирующего средства и в производстве пластмасс. Кроме того, чтобы этанол нельзя было употреблять в пищу, к нему иногда добавляют метанол. Этот процесс называется денатурацией. Еще метанол предполагается использовать в качестве замены бензина, но для этого необходимо решить ряд серьезных проблем. Однако процесс производства бензина с использованием метанола уже существует. В настоящее время в Новой Зеландии есть такой завод, производящий примерно треть бензина, используемого в этой стране.
От англ. «rest», что в переводе означает «остальная часть». — Пргимеч. пер.
Этанол (этиловый, или винный, спирт) — одно из важнейших исходных веществ в современной промышленности органического синтеза. Для его получения издавна пользуются различными сахаристыми веществами, например виноградным сахаром, или глюкозой, которая путем брожения, вызываемого действием ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками, превращается в этиловый спирт (в основном таким способом спирт получают для приготовления алкогольных напитков). Реакция протекает согласно схеме, приведенной ниже.
C6Hl2O6(р-р) — 2CH3CH2OHW + 2CO2M
Как пиво- и медовар, могу подтвердить, что » дрожжевые твари» точно знают, как делать хороший спирт!
Этиловый спирт также может быть получен синтетическим путем из этилена в присутствии катализаторов, например для использования в качестве растворителя в духах и лекарствах или же в виде добавки к бензину (как известно, спирт повышает октановое число и эколо-гичность топлива).
H2C=CH2 + H2O — CH3-CH2-OH
Карбоновые кислоты (вещества с резким запахом): R-COOH
На рис. 14.10 показана структурная формула функциональной группы карбоновых кислот.
O
O
II
II
R — C — OH
CH3-C -OH
Уксусная кислота
Рис. 14.10. Функциональная группа карбоно-выгх кислот и уксусная кислота
Карбоновые кислоты характеризуются наличием в молекулах карбоксильной группы (карбоксила), которая является функциональной группой этого класса соединений и обозначается как -COOH или -CO2H. Названия этих соединений часто заканчиваются как -овая кислота. Уксусная кислота, показанная на рис. 14.10, также называется этановой кислотой.
Карбоксильные кислоты получают путем окисления того или иного спирта. Например, если вино, хранящееся в бутылке, будет контактировать с кислородом воздуха или каким-либо другим окислителем, то этанол превратится в уксусную кислоту.
CH3CH2OHW + O2(r) — CH3COOHfc) + H2OW
Именно эта реакция меня по-настоящему поражает, особенно когда за бутылку вина я выкладываю кругленькую сумму.
Муравьиная, или метановая кислота может быть получена из муравьев. Да, именно из тех существ, которые создают огромные кучи песка в трещинах пешеходной дорожки перед вашим домом. Жжение от укуса муравья возникает именно из-за наличия этой кислоты. Поэтому нейтрализовать муравьиную кислоту и таким образом обезболить укушенное место можно с помощью основания, например пищевой соды. (О кислотах и основаниях, а также о реакциях нейтрализации речь идет в главе 12, «Кислое и горькое: кислоты и основания».)
Многие из этих органических кислот имеют характерный запах. Несомненно, вам знаком запах уксуса, т.е. уксусной кислоты, но запах имеют и другие кислоты, например перечисленные в табл. 14.2.
Таблица 14.2. Карбоновые кислоты и их характерные запахи
СНз(СН2)2СООН Масляная кислота Запах прогорклого масла
СНз(СН2)зСООН Пентановая кислота Запах навоза
СН3(СН2)4СООН Гексановая кислота Запах, присущий мелкому рогатому скоту
Сложные эфиры (с приятным или резким запахом): R-COOR
Сложные эфиры по своему составу очень похожи на карбоксильные кислоты, за исключением того, что в сложных эфирах вместо атома водорода находится вторая группа -R. Сложные эфиры представляют собой продукты взаимодействия карбоновых кислот со спиртами, а реакция образования сложного эфира из кислоты и спирта называется реакцией этерифика-ции. Синтез сложного эфира показан на рис. 14.11.
Несмотря на то что многие карбоновые кислоты, из которых получают сложные эфиры, обладают довольно неприятным запахом, сложные эфиры, как правило, имеют приятный запах и часто встречаются в растениях, придавая аромат цветам, запах плодам и ягодам. Некоторые сложные эфиры готовятся искусственно и под названием «фруктовых эссенций» широко используются в кондитерском деле, в производстве прохладительных напитков, а также в парфюмерии.
O
II
r – с -[cOHl+JTT
— O — R1 -
11
R — C — O — R1 + H2O
Кислота
Спирт
Сложный эфир
Рис. 14.11. Синтез сложного эфира
Фу-у-у, откуда этот мерзкий запах?
Будучи студентом колледжа, я любил органическую химию и мне очень нравились лабораторные опыты, особенно проводимые в лабораториях синтеза, где я впервые пытался получить сложные молекулы из относительно простых. Впрочем, от ароматов многих органических соединений я был отнюдь не в восторге. Ведь особенностью органической химии является то, что практически все органические вещества имеют характерный (и не всегда приятный) запах.
Альдегиды и кетоны: родственники спиртов
Альдегиды и кетоны можно получить окислением соответствующих спиртов. В молекулах этих соединений содержится двухвалентная карбонильная группа. В альдегидах она связана с одним атомом Н и углеводородным радикалом, а в кетонах — с двумя углеводородными радикалами (рис. 14.12).
Среди альдегидов важную роль в экономике играет формальдегид, или муравьиный альдегид (CH2=O). Он обладает антисептическими, а также дубильными свойствами. Кроме того, он используется в синтезе некоторых полимеров, например фенолоформальдегидных смол, из которых готовят ценные пластические массы — фенопласты. Что касается других альдегидов, особенно имеющих в своей структуре бензольное кольцо, то они обладают приятными ароматами и, подобно сложным эфирам, используются в парфюмерии и в производстве ароматизаторов.
Простейшим кетоном является ацетон (CH3-CO-CH3). Очень хороший растворитель многих органических веществ. Широко применяется в лакокрасочной промышленности, а также как исходное вещество для синтеза ряда органических соединений. Например, средство для удаления лака с ногтей производится на основе ацетона.
I
O
O
II
II
R —C — H
R — C — R1
Альдегиды
Кетоны
Рис. 14.12. Функциональным группыг альдегидов и кетонов
Простые эфиры (время сна): R-O-R
Простыми эфирами называются органические соединения, молекулы которых содержат атом кислорода, связанный с двумя углеводородными группами (R-O-R). Говоря об эфирах, всегда вспоминаю избитую шутку, которую придумали химики: » Ты слышал об эфире, обнаруженном в поместье Хефнера, издателя журнала «Плейбой»? Так это эфир, где гуляет кролик!»
Диэтиловый эфир когда-то использовался в медицине для наркоза, но из-за сильной воспламеняемости в настоящее время он редко встречается в операционных. Эфиры довольно инертны в химическом отношении; они обычно используются в качестве растворителей в органических реакциях. Впрочем, они медленно вступают в реакцию с атмосферным кислородом, образуя взрывоопасные соединения, которые называются пироксидами.
Синтезировать эфиры можно с помощью реакции дегидратации спиртов. В частности, ди-этиловый эфир получают путем дегидратации этилового спирта в присутствии серной кислоты.
2CH3CH2OHfc) — CH3CH2-O-CH2CH3fc) + H2OW
При использовании двух разных спиртов получается так называемый смешанный эфир, который будет иметь две разные группы R.
Амины и амиды: органические основания
Амины и амиды являются производными аммиака и в своих функциональных группах содержат азот. Функциональные группы аминов и амидов показаны на рис. 14.13.
O
II
R —NH2 R-C—NH2
Амины Амиды
Рис. 14.13. Функциональные группы аминов и амидов
Посмотрите на рисунок еще раз. Как видите, амины и амиды можно рассматривать в качестве продуктов замещения атомов водорода в аммиаке некоторыми другими группами R.
Как и аммиак, амины и амиды представляют собой слабые основания (см. главу 12, » Кислое и горькое: кислоты и основания»). Амины используются для производства многочисленных синтетических красителей, лекарственных веществ, фотореактивов, пластмасс и взрывчатых веществ. Алкалоиды — это естественные амины, найденные в растениях. Большинство амфетаминов являются аминами.