Химия углерода: органическая химия. Углеводороды: от простого к сложному
В этой главе…
Самой обширной и наиболее систематизированной областью химии является \^ органическая химия, т.е. химия углерода. В настоящее время известно около 1112 млн. химических соединений, и 90% из них являются органическими. Например, мы сжигаем разные органические соединения в качестве топлива. Продукты, которые мы принимаем в пищу, а также одежда, которую мы носим, — все это органические соединения. Люди и все живые организмы состоят из органических соединений.
В этой главе мы начнем знакомство с органической химией с изучения углеводородов (соединений, состоящих из углерода и водорода), а также рассмотрим некоторые другие классы органических соединений и их применение в повседневной жизни. Кроме того, вы узнаете, что из углерода можно получить огромное количество веществ.
Органический синтез: начало начал
Долгое время считалось, что органические соединения можно получить только из живых организмов. Образование органических веществ приписывалось влиянию особой, недоступной познанию «жизненной силы». Однако в 1828 году немецкий химик Фридрих Велер осуществил первый синтез вещества животного происхождения: нагреванием неорганического соединения цианата аммония (NH4CNO) получил мочевину — (NH2)2CO; ранее это вещество выделяли лишь из мочи. Таким образом было положено начало современному
Углеводороды: от простого к сложному
Очень часто студенты-химики задают естественный вопрос: «Почему количество соединений углерода так велико?». Дело в том, что атом углерода содержит четыре валентных электрона и может образовывать четыре ковалентные связи с другими атомами углерода или с атомами других элементов. (Распространенная ошибка студентов, изучающих органическую химию, состоит в том, что при написании органических структур они не следят, чтобы каждый атом углерода имел четыре связи.) Атомы углерода образуют прочные ковалентные связи друг с другом (см. главу 7, «Ковалентные связи: поделимся по-братски»), благодаря чему возможно создание углеродных цепей практически неограниченной длины. Атом углерода может образовывать двойные и тройные связи с другим атомом углерода или же с атомом другого элемента. Ни один элемент не имеет такой способности, за исключением кремния. (Однако связи, создаваемые атомом кремния, не такие прочные, как у атома углерода.) Благодаря этим свойствам углерод может образовывать огромное количество соединений, необходимых для создания, например, амебы, бабочки или ребенка.
Простейшие органические соединения называются углеводородами. Это соединения, состоящие из углерода и водорода. Углеводороды имеют важнейшее экономическое значение, поскольку входят в состав топлива. Например, бензин представляет собой смесь углеводородов. Метан (природный газ), пропан и бутан — все они являются представителями насыщенных углеводородов — мы используем благодаря их способности при горении высвобождать большое количество энергии. Ковалентные связи между атомами углерода, образованные одной парой обобщенных электронов, называют простыми (или ординарными) связями. По правилам систематической номенклатуры ИЮПАК предельные углеводороды называются алканами. Однако связь между атомами углерода может осуществляться не одной, а двумя или тремя общими парами электронов. Тогда получаются цепи с двойными связями (такие углеводороды называются алкенами) или тройными связями (такие углеводороды называются алкинами). Кроме того, углеводороды могут замыкаться в кольца (циклы), содержащие простые или двойные связи (циклоалканы (или циклопарафины), циклоалкены и ароматические углеводороды).
Как видите, существует огромное количество соединений, состоящих только из углерода и водорода. Теперь представьте, как увеличится перечень органических соединений, если кроме углерода и водорода в состав соединения входит еще несколько элементов!
От газовых плит к бензину: алканы
Простейшими представителями углеводородов являются алканы, которые еще называются насыщенными углеводородами. В молекулах этих соединений все связи между атомами углерода простые (ординарные), при этом атомы углерода до предела «насыщены» водородом. Каждый атом углерода может образовывать максимум четыре ковалентные связи. Двойных или тройных связей у алканов нет.
Общей формулой алканов является CnH2n+2, где n — число атомов углерода. При n = 1 получим формулу первого представителя класса предельных углеводородов — метана: CH4.
В табл. 14.1 перечислены названия первых 10 алканов с неразветвленной цепью. Структурные формулы этих алканов записываются в одну строку (без разветвлений). (В действительности все четыре ковалентные связи углерода симметрично направлены в пространстве. Атом углерода находится как бы в центре тетраэдра, а четыре соединенных с ним атома — в вершинах тетраэдра. Углы между направлениями любой пары связей (валентные углы углерода) одинаковы и составляют 109,5°. Более подробно о молекулярной геометрии речь идет в главе 7, «Ковалентные связи: поделимся по-братски».) В молекуле алкана с неразветвленной цепью (нормального строения) каждый атом углерода, за исключением двух крайних, образует связь с двумя другими атомами углерода. На рис. 14.1 показаны модели первых четырех алканов, приведенных в табл. 14.1.
Таблица 14.1. Первые 10 алканов нормального строения (CnH2n+2)
Порядковый номер
Формула
Название
1
CH4
Метан
2
C2H6
Этан
3
C3H8
Пропан
4
C4H10
Бутан
5
C5H12
Пентан
6
C6H14
Гексан
7
C7H16
Гептан
8
C8H18
Октан
9
C9H20
Нонан
10
C10H22
Декан
Рис. 14.1. Модели алканов
Молекулярные и структурные формулы
В табл. 14.1 приведены молекулярные формулы некоторых алканов. Молекулярная формула показывает, какие химические элементы входят в соединение, а также количество атомов каждого из них. Эти алканы имеют нормальное строение, однако схема их связей лучше видна в структурной формуле. С помощью такой формулы указывают химические элементы, входящие в состав молекулы, количество атомов каждого из них, а также схему связей этих атомов, т.е. с какими другими атомами связан каждый из них.
Структурную формулу можно написать по-разному. Это может быть так называемая расширенная структурная формула, где каждая ковалентная связь указывается прямой линией. Если в органических соединениях, например углеводородах, нужно показать лишь способы соединения атомов углерода, то в расширенной формуле атомы водорода можно не указывать, а просто изображать каждую ковалентную связь в виде линии. Кроме того, формулу можно записать в сокращенном виде, разбивая молекулу на группы и отображая лишь схему связей между атомами углерода. Это тоже можно сделать по-разному. На рис. 14.2 показаны две расширенные и три сокращенные структурные формулы бутана, C4H10.
н н н н
1 1 1 1
н-с-с-с-с-н
-с-с-с-с-
1 1 1 1
СН3-СН2-СН2-СН3
н н н н
Расширенная
Сокращенная
Расширенная
СН3СН2СН2СН3
СН3-(СН2)2-СН3
Сокращенная
Сокращенная
Рис. 14.2. Структурные формулы бутана
Проблемы с названиями
Существует множество соединений углерода, обладающих одинаковым качественным и количественным составом и одинаковой молекулярной массой, но совершенно разными физическими, а зачастую и химическими свойствами. Отличие этих соединений заключается лишь в том, каким образом атомы соединены друг с другом, т.е. с какими атомами соединен каждый атом. Это так называемые изомеры — соединения, обладающие одинаковой молекулярной, но разными структурными формулами. Иными словами, чтобы знать, чем отличаются изомеры, одной молекулярной формулы недостаточно.
Например, изомер бутана имеет такую же молекулярную формулу, что и соединение C4H10 нормального строения (см. рис. 14.2), но схема соединений у него другая. Этот изомер называется изобутаном и относится к разветвленным углеводородам. Посмотрите, какими разными способами он показан на рис. 14.3.
н
1
н
1
н
1
н-с
1
- с -
1
с-н
1
н
н-с-н
н
н
СНз-СН -СНз
I
СНз
СН3СНСН3 СНз
Рис. 14.3. Изобутан
Так как же понять, о каком именно бутане идет речь, исходя из формулы C4H10? У каждого соединения должно быть свое уникальное название, присущее только ему. Соединение с неразветвленной цепью можно назвать бутаном, нормальным бутаном или, что еще лучше, n-бутаном. Таким образом, благодаря приставке n- ваш собеседник химик будет точно знать, что вы говорите именно об изомере нормального строения.
А как же быть с названием изобутан? Оно достаточно распространено, но пока еще не является общепринятым. Чтобы ученые всего мира «говорили на одном языке», они должны ввести единые правила, согласно которым будут присваиваться названия органическим соединениям.
Существует международная группа химиков, которая создает правила для присвоения названий органическим соединениям. Эта группа называется IUPAC (the International Union of Pure and Applied Chemistry — Международный союз теоретической и прикладной химии, или ИЮПАК). Химиками, входящими в состав этой группы, был разработан довольно подробный набор правил, по которым следует давать названия соединениям и который регулярно дополняется названиями новых видов соединений, обнаруженных в природе или синтезированных в лабораториях.
Систематический свод правил для всех видов органических соединений должен, скорее всего, стать темой отдельной книги, например Номенклатура ИЮПАК для «чайников «. В настоящей книге рассмотрим лишь правила для присвоения названий простым алканам. (Впрочем, усложнить можно даже присвоение названий алканам, поэтому важно не забывать правило » Сделай проще».)
S Правило 1. Найдите в алкане самую длинную непрерывную цепь. (»Самую длинную» означает максимальное количество атомов углерода, а «непрерывную» — что каждый атом углерода должен быть связан с другими атомами углерода без пропусков и возвращения назад.) Углеводород с неразветвленной
цепью, имеющий максимальное количество атомов углерода, дает родительское, или базовое, название алкана. Родительское название имеет окончание -ан.
S Правило 2. Родительское название видоизменяют путем добавления названий групп-заместителей, присоединенньгх к родительскому соединению в качестве ветвей. Группа-заместитель — это группа, которой замещают атом водорода в молекуле алкана-родителя. Для предельных углеводородов эти группы-заместители являются ветвями-алканами, присоединенными к алкану-родите-лю. Названия их образуются заменой суффикса -ан в названии углеводорода окончанием -ил. Так, от метана производится метил СН3-, от этана — этил С2Н5- и т.д.
S Правило 3. Положение конкретной группы-заместителя в родительской углеродной цепи указывается номером. Эти номера задаются путем последовательного присвоения порядковых номеров атомам углерода в родительской углеродной цепи от одного ее конца до другого, причем выбирают такое направление нумерации, при котором сумма номеров групп-заместителей была бы минимальной. (Если для вас все это не имеет ни малейшего смысла — а я чувствую, как вы раздражены, — то обратитесь к некоторым примерам, рассматриваемым в разделе «Примеры присвоения названий».) Порядковый номер атома углерода, к которому присоединена группа, ставится перед названием этой группы через дефис.
S Правило 4. Названия групп-заместителей размещают перед названием родителя в алфавитном порядке, по первым буквам их латинских названий1. Если имеются одинаковые группы-заместители, то через запятую перечисляются номера всех атомов углерода, к которым присоединены эти группы, с использованием распространенных греческих приставок, таких, например, как ди-, три-, тетра-, пента-. При размещении названий в алфавитном порядке эти приставки не учитываются.
S Правило 5. Название последней по алфавиту группы-заместителя указывается перед названием родительского алкана в виде приставки.
Примеры присвоения названий
Собираетесь с отвращением выбросить эту книгу, не так ли? На первый взгляд, система присвоения названий алканам выглядит сложной и запутанной, однако вы же знаете, что не так страшен черт, как его малюют. На самом деле большинство моих студентов считают, что давать названия органическим соединениям — одна из самых забавных вещей, которые приходится делать в органической химии.
Чтобы показать, насколько это легко, давайте присвоим название соединению2, показанному на рис. 14.4.
В рассматриваемой структурной формуле самая длинная непрерывная углеродная цепь содержит шесть атомов этого элемента. На самом деле можно использовать три разные 6-углеродные цепи (и в результате получить одно и то же название), но начнем все-таки с горизонтальной. В этой цепи шесть атомов углерода, поэтому родительским именем нашего углеводорода будет гексан (правило 1). Углеводород имеет две группы-заместителя, одна из ко-
В русскоязычной литературе названия заместителей располагают в порядке, соответствующем русскому алфавиту. — Примеч. ред.
2 В рассматриваемых далее примерах автор дает названия углеводородам в соответствии с латинским алфавитом. При переводе на русский язык расположение заместителей в названиях оставлено без поправки на русский алфавит. — Пргимеч. ред.
торых состоит из двух атомов углерода (этил), а другая — из одного (метил) (правило 2). Пронумеруем родительскую цепь справа налево, согласно этому атомам углерода с алкило-выми группами будут присвоены номера 2 и 4 (в сумме 6). Вновь пронумеруем родительскую цепь, но на этот раз слева направо. В этом случае атомы углерода с алкиловыми группами будут иметь номера 3 и 5 (в сумме 8). Сравните обе полученные суммы и выберите из них минимальную. Таким образом, для нашего углеводорода будем использовать нумерацию справа налево, т.е. имеем 4-этил и 2-метил (правило 3). Теперь расположим их в алфавитном порядке и, используя название последней алкиловой группы в качестве приставки для названия родительского алкана, получим название нашего углеводорода: 4-этил-2-метилгексан (правила 4 и 5). Понятно?
сн3-сн2-сн -сн2-сн -сн3
I I
СНг СНз
I
СНз
£-5-4-3-2-
(сн3-сн2-СН -СНг-СН -сн3)
Гексан
Этиловая группа
СН2
-1
СНз
СН3>
Метиловая группа
4-этил-2-метилгексан
Рис. 14.4. Присвоение названия алкану
Теперь ваша очередь: постарайтесь самостоятельно дать название алкану, показанному на рис. 14.5.
В самой длинной углеродной цепи находится восемь атомов этого элемента, поэтому родительским названием рассматриваемого углеводорода будет октан. Имеются такие группы: две метиловые (диметил), а также этиловая и пропиловая. Теперь пронумеруйте родительскую цепь слева направо и справа налево и выберите минимальную сумму номеров групп-заместителей (в данном случае сумма номеров слева направо будет равна 4+4+6+6=20, а справа налево — 3+3+5+5=16). В результате вы должны получить следующие названия: 3,3-диметил (не забывайте: если есть одинаковые группы-заместители, то нужно перечислить через запятую номера всех атомов углерода, к которым присоединены эти группы), 5-этил и 5-пропил. Затем расположите эти названия в алфавитном порядке, помня, что приставка ди- в названии «диметил» не учитывается: 5-этил-3,3-диметил-5-пропилоктан.
Ну что, теперь это не так сложно, как казалось вначале?
Как вы, возможно, поняли, чем больше атомов углерода содержит углеводород, тем больше он может иметь изомеров. Количество возможных изомеров алкана C20H42 превышает 300 тыс., а у C40H82 их количество составляет примерно 62 млрд.
СНз
i
СН2
1
СН3
|
СНз-сн2~сн2~ С -сн2
1
-С -сн2 ~СНз
1
СН2
1
СНз
СН2
1
СНз
Этил
СНз
1
Метил
сн2
8 7 6 5′ 4
СНз
З1 ? 1
(сн3-сн2-сн2-с -сн2
-С -СН2 – СНз)
1
сн2
1
i
СНз
сн2
44X444 Метил
Пропив СНз
5-этил-3,3-диметил-5-пропилоктан
Рис. 14.5. Присвоение названия другому алкану
Кольцо в циклоалканах
Алканы могут также образовывать кольцевые системы, создавая таким образом соединения, которые называются циклоалканами. Названия этих соединений образуются так же, как для разветвленных алканов, за исключением того, что в родительском названии используется приставка цикло-. В сжатой структурной формуле кольцо часто изображается из отрезков прямых линий, где точка пересечения двух отрезков обозначает атом углерода, а атомы водорода не указываются вовсе. На рис. 14.6 показана как расширенная, так и сокращенная формула для 1,3-диметилциклогексана.
Прямые алканы и некоторые циклоалканы в основном используются в качестве топлива. Метан является основным компонентом природного газа, и, как большинство углеводородов, не имеет запаха. Чтобы вы могли почувствовать утечку газа, к природному газу добавляют органическое соединение меркаптан, содержащее серу и имеющее неприятный запах. Бутан используется в зажигалках, а пропан — в газовых плитах. Некоторые более тяжелые углеводороды содержатся в нефти. Основной реакцией в которую вступают алканы, является окисление.
Познакомьтесь — галогенпроизводные углеводороды
Существуют соединения, родственные предельным углеводородам, которые образуют класс галогенпроизводных углеводородов. Это такие углеводороды, в том числе алканы, в молекулах которых один (или несколько) атом водорода замещен атомом некоторых галогенов — обычно хлора или брома. При этом названия галогенпроизводных углеводородов об-
разуют, добавляя к названию предельного углеводорода название атома-заместителя, например хлор-, бром- и т.д. К этому классу соединений принадлежит хлороформ, в свое время использовавшийся как наркотическое средство при операциях, четыреххлористый углерод, применяющийся как растворитель при извлечении жиров и масел из растений и для удаления жировых пятен с тканей, а также фреоны (полифторхлоруглероды) — элементы, сыгравшие значительную роль в истощении озонового слоя. О фреонах и озоне речь идет в главе 18, «Кхе-кхе! Ап-чхи! Загрязнение воздуха».
Иг /О
ИгО»"
^си-сиз
H2CX
1
сиз
1
сиз
Рис. 14.6. 1,3-диметилциклогексан
Непредельные углеводороды: алкены
Алкены — это углеводороды, в молекулах которых между двумя атомами углерода содержится хотя бы одна двойная связь (C=C). Алкены с одной двойной связью имеют общую формулу CnH2n (где n — число атомов углерода). При каждой дополнительной двойной связи количество атомов водорода будет на два меньше.
Эти соединения называются непредельныгми (ненасыщенныгми) углеводородами, так как количество атомов водорода, входящих в их состав, не является максимально возможным. (Скорее всего, термины насыщенные и ненасыщенные, относящиеся к жирам и маслам, вы могли встретить, например, в статьях на тему питания. В данном случае эти термины означают то же самое: насыщенные жиры и масла не содержат двойных связей между двумя атомами углерода, а ненасыщенные, наоборот, содержат, ну а каждая молекула полиненасыщенных жиров и масел имеет больше одной связи C=C.)
Присвоение названий алкенам
Алкены называют подобно предельным углеводородам, но с добавлением суффикса -ен. Затем вы находите самую длинную углеродную цепочку с двойной связью и нумеруете ее таким образом, чтобы атомы углерода, участвующие в двойной связи, получили минимально возможные номера.
Первыми двумя членами гомологического ряда алкенов являются этен, формула которого H2C=CH2 или CH2=CH2, и пропен — CH3CH=CH2. Более распространенными названиями этих алкенов являются этилен и пропилен соответственно. Это два самых важных продукта химической промышленности США. Этилен используется в производстве полиэтилена (одной из самых полезных пластмасс), а также этиленгликоля (основного ингредиента большинства антифризов). Пропилен используется в производстве изопропилового спирта и некоторых пластмасс. На рис. 14.7 двумя способами показана структурная формула этена (этилена).
Рис. 14.7. Этилен
Реакции алкенов
Хотя алкены легко подвергаются окислению, основной для них является реакция присоединения. Ненасыщенные углеводороды с двойной связью обладают высокой реакционной активностью и легко вступают в разнообразные реакции. При этом кратные (двойные) связи довольно легко разрываются и превращаются в простые (одинарные). Одной из самых экономически важных реакций присоединения является гидрогенизация, или гидрирование — реакция взаимодействия алкенов с водородом. Уравнение реакции гидрогенизации пропилена приведено ниже.
CH3CH=CH2 + H2 —> CH3CH2CH3
Реакция гидрогенизации используется в пищевой промышленности для превращения ненасыщенных растительных масел в твердые жиры (например, в маргарин) и проводится в присутствии катализатора (например, металлического никеля).
Другой важной реакцией присоединения является гидратация — взаимодействие алкенов с молекулами воды с образованием спирта. Ниже приведено уравнение реакции гидратации этилена, в результате которой получается этиловый спирт (обратите внимание на то, что молекула воды показана здесь несколько необычно, для того чтобы наглядно представить, что происходит с группой -OH).
CH2=CH2 + H-OH — CH3-CH2OH
Произведенный таким образом этиловый спирт идентичен этиловому спирту, полученному путем брожения, но по федеральному закону в США запрещено продавать его для употребления в пищу в составе алкогольных напитков.
Важным свойством алкенов является способность их молекул соединяться друг с другом или с молекулами других непредельных углеводородов — реакция полимеризации. Этот процесс используется в производстве пластмасс (более подробно об этом речь идет в главе 16, » Полимеры: образование больших молекул из малых»).
Чтобы создать мир, нужны алкины
Алкины — это ненасыщенные углеводороды, имеющие хотя бы одну тройную связь между двумя атомами углерода. Согласно систематической номенклатуре ИЮПАК названия углеводородов данного класса рассматриваются как производные предельных углеводородов с добавлением суффикса -ин. Углеводороды с одной тройной связью имеют общую формулу CnH2n-2 (где n — число атомов углерода). Простейший непредельный углеводород с тройной связью — этин, обычно называемый ацетиленом. Структурная формула ацетилена показана на рис. 14.8.
н-с=с-н
Рис. 14.8. Ацетилен
Ацетилен получают разными способами. Наиболее распространенным из них является реакция взаимодействия угля с оксидом кальция, в результате которой образуется карбид кальция, CaC2. Затем карбид кальция вступает в реакцию с водой с образованием ацетилена. Когда-то с помощью этой реакции получали » топливо» для шахтерских ламп. Для этого на карбид кальция по каплям пускали воду, а полученный ацетилен поджигали. В настоящее время большую часть производимого ацетилена в смеси с кислородом широко используют для сварки и резки металлов (автогенная сварка). Ацетилен также используют для производства различных полимеров (пластмасс).
Ароматические соединения: бензол и другие соединения с неприятным запахом
Ароматическими3 называются углеводороды, содержащие особую циклическую группировку из шести атомов углерода — бензольное ароматическое ядро. Структурная формула бензольного ядра представляет собой чередующиеся три двойные и три простые связи между шестью атомами углерода. Простейшим представителем ароматического ряда является бензол (C6H6). Ароматические свойства бензола, определяемые особенностями его структуры, выражаются в относительной устойчивости бензольного ядра, несмотря на наличие трех двойных связей. Согласно современной модели бензола, электронное облако всей его молекулы содержит шесть электронов, по два с каждой из трех двойных связей. Эти электроны, вместо того чтобы просто располагаться между двумя атомами углерода, делокализуются по всему кольцу. Такое электронное облако располагается выше или ниже плоской кольцевой системы. На рис. 14.9 молекула бензола показана двумя традиционными способами (слева) и как делокализованная структура (справа).
К бензольному кольцу можно присоединить много групп, создавая таким образом много новых ароматических соединений. Например, какой-либо атом водорода можно заменить группой -OH. В результате появится соединение, которое называется фенолом. Фенол используется для дезинфекции (для подавления развития вредных микроорганизмов), в производстве пластмасс, лекарств и красителей, а также для очистки нефтяных смазочных масел. Если соединить друг с другом два бензольных кольца, то образуется многоядерный ароматический углеводород — нафталин, который обычно называется шариками для моли.
Бензол и другие ароматические соединения являются горючими, но горят сильно коптящим пламенем. Кроме того, уже известно, что бензол и некоторые родственные ему соединения являются канцерогенами.
Традиционные структуры Делокализованные структуры
Рис. 14.9. Бензол
3 В старину ароматические (пахучие) вещества получали из различных природных смол и бальзамов. Затем оказалось, что они являются производными бензола, поэтому бензол и все соединения, содержащие ядро бензола, также получили название ароматических, хотя многие из них пахнут неприятно или вообще не имеют запаха. — Примеч. ред.