Органические соединения. Изомерия. Функциональные группы и классы органических соединений
Органические соединения. Изомерия. Функциональные группы и классы органических соединений. Мономеры, полимеры и олигомеры. Классификация ВМС. Способы получения ВМС: полимеризация и поликонденсация. Свойства ВМС и их применение.
Соединения углерода, за исключением самых простых (таких, например, как оксид и диоксид углерода, карбиды, и пр.), называются органическими соединениями, так как в природе они встречаются почти исключительно в организмах животных и растений, принимают участие в процессах жизнедеятельности или распада организмов. Деление веществ на органические и неорганические условно, так как рад соединений углерода можно обнаружить как в живой, так и неживой природе.
В 1824 г. Немецкий химик Ф.Вёлер получил из неорганического вещества дициана NC-NC органическую щавелевую кислоту HOOC-COOH, которую до тех пор добывали только из растений. В 1928 г. Вёлер осуществил первый синтез органического вещества животного происхождения: нагреванием цианата аммония NH4CNO получил мочевину, или карбамид (NH2)2CO. В настоящее время путем органического синтеза получают множество органических соединений.
Современная теория органических соединений основывается на следующих положениях:
1. Все особенности органических соединений прежде всего определяются свойствами элемента углерод. Электронная формула углерода (1s2)2s22p2; в возбужденном состоянии углерод имеет электронную конфигурацию 2s12p3 и может образовывать четыре ковалентные связи. Из одной s и трех р-орбиталей в результате гибридизации образуются четыре симметричные sp3-орбитали., которые в результате перекрывания с электронными облаками других атомов (например, с 1s-шаровыми облаками атомов водорода) образуют так называемые ковалентные сигма-связи.
2. Исключительным свойством углерода является способность его атомов соединяться друг с другом прочными ковалентными связями. При этом образуются углеродные цепи практически неограниченной длины. Свободные валентности используются для присоединения других атомов или групп. Таким образом, можно выделить ряды однотипных органических соединений (гомологические ряды), в которых каждый последующий член отличается от предыдущего на один атом углерода. Так, например, если насыщать свободные валентности углеродных цепей атомами водорода, получится гомологический ряд насыщенных, или предельных углеводородов (метан, этан, пропан, бутан и т.д.)
3. Связи между атомами углерода в цепи могут быть кратными – двойными или тройными. Такие связи образуются двумя или тремя общими парами электронов двух соседних атомов углерода. Такие углеводороды называются непредельными. Кратные связи при реакциях легко превращаются в простые, поэтому непредельные углеводороды очень реакционноспособны.
4. Цепи из углеродных атомов могут быть разветвленными. Так, состав С5Н12 имеют три предельных углеводорода – пентан и два изопентана (третичный и четвертичный). Такие соединения называются изомерами. Известно несколько видов пространственной изомерии (или стереоизомерии) : зеркальная изомерия асимметрического атома углерода; цис-транс-изомерия, изомерия положения кратной связи и пр. Многообразие органических молекул за счет пространственной симметрии определяется также свойством углеродных цепей замыкаться в кольцо. Самым известным соединением такого рода является бензол; бензольное кольцо - энергетически очень устойчивая структура. Существуют также молекулы, замкнутые в цикл из пяти углеродных и других атомов.
Рекомендуемые материалы
5. Непосредственно связанные друг с другом атомы органического соединения взаимно влияют друг на друга. Атомы или группы атомов, замещающие водород в углеводородной основе, образуют функциональные группы. Органические вещества, имеющие одинаковые функциональные группы, принадлежат к одному и тому же классу. Ниже приведены формулы и названия некоторых функциональных групп и названия соответствующих классов органических соединений.
Гидроксильная группа -OH входит в состав спиртов (метанол, этанол, пропанол и т.д.)
Карбонильная группа - COH входит в состав альдегидов и кетонов (ацетон, формалин)
Карбоксильная группа - COOH образует класс карбоновых кислот (муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная и т.д.)
Аминогруппа - NH2 входит в состав аминов (метиламин, гексаметилендиамин) и аминокислот
Нитрильная группа - - С = N входит в состав нитрилов
Разнообразные сочетания углеродных цепей различной пространственной конфигурации с разнообразными функциональными группами обеспечивает многообразие органических соединений, которое лежит в основе многообразия форм живой материи на ее молекулярном уровне.
У органических молекул есть еще одно очень важное свойство: в соответствующих условиях простые молекулы – мономеры, способны соединяться вместе, образуя одну громадную макромолекулу, состоящую из большого числа звеньев. Такие молекулы называют полимерами от греческих слов polus – много и meris – часть. Молекулы полимеров имеют молекулярную массу порядка сотен, тысяч и даже миллионов а.е.м. Полимеры выделяют в особую группу органических соединений под названием «высокомолекулярные соединения» (ВМС). Отдельную группу составляют олигомеры – низкомолекулярные соединения, состоящие из 2 – 10 мономерных звеньев. В качестве примера можно привести олигосахариды (мальтоза, сахароза).
Высокомолекулярные соединения делятся на природные ВМС и синтетические ВМС.
К природным ВМС относятся крахмал и целлюлоза с общей формулой (С6Н10О5)n ; натуральный каучук, который представляет собой полимер изопрена СН2 = С (СН3) – СН = СН2 где число мономерных звеньев состава (- СН2 – С (СН3) = СН – СН2- ) составляет от 1000 до 3000; белки, мономерами для которых служат 20 канонических аминокислот; нуклеиновые кислоты ДНК и РНК и др.
Синтетические ВМС делятся на следующие группы:
1. Пластические массы (пластмассы) – высокомолекулярные вещества, подвергающиеся пластической обработке. Пластмассы, которые подвергаются пластической обработке только при нагревании, называются термопластичными пластмассами, или термопластами. К ним относятся поливинилхлорид, который получается при полимеризации винилхлорида СН2 = СHCl; полиэтилен, полистирол, образующийся при полимеризации стирола СН2 = СН (С6Н5) , и др.
Пластичные на стадии обработки пластмассы, которые в результате последующего воздействия на них (термического или химического) становятся твердыми и неплавкими, называются термореактивными пластмассами. Это так называемые фенопласты и аминопласты.
2. Эластомеры (синтетические каучуки и резины) – синтетические ВМС, обладающие резиноподобными свойствами. Сырой каучук липок, непрочен и при понижении температуры становится хрупким. Для придания каучукам прочности и эластичности их подвергают вулканизации (вводят серу и нагревают). Вулканизированный каучук называется резиной. Химическая промышленность производит много различных видов синтетических каучуков: полибутадиеновый (СКБ) из бутадиена (дивинила) СН2 =СН – СН = СН2; бутадиен-стирольный (СКС); бутадиен-нитрильный (СКН), где звенья буталиена чередуются соответственно со звеньями стирола СН2 = СН (С6Н5) и акрилонитрила СН2 = СН – С =N (нитрила акриловой кислоты). Получают и синтетический полиизопреновый каучук (СКИ), близкий по свойствам к натуральному природному каучуку.
3. Химические волокна – синтетические ВМС, сформованные в виде нитей (волокон) и используемые для изготовления текстильных изделий. Различаю две формы химических волокон – непрерывное волокно (искусственный шелк или корд) и штапельное волокно (коротко разрезанные волокна-штапельки для изготовления тканей типа ХБ и шерстяных). Различают полиакрилонитрильные волокна (орлон, нитрон, дралон, вольприла); полиамидные волокна (дедерон, найлон, перлон, капрон); полиэфирные волокна (терилен, лавсан, элана).
Синтетические ВСМ получают двумя способами:
1. Реакция полимеризации – образование высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных без выделения побочных низкомолекулярных продуктов. Мономерами для реакции полимеризации служат соединения с кратными связями (двойными или тройными). В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей и возникновение химических связей между мономерами с образованием макромолекулы:
n СН2 = CH2 ® (- CH2 – CH2 - )n - получение полиэтилена
Если макромолекула состоит из одинаковых молекул мономера, имеет место гомополимеризация.
nCH2 = CH (C6H5) ® ( - CH2 – CH(C6H5) -)n - получение полистирола
Если мономеров два или более, имеет место сополимеризация:
nCH2 =CH – CH = CH2 + nCH2 = CH – C =N ® (- CH2 – CH = CH – CH2 – CH2 – CH (C=N) - )n – получение бутадиен-нитрильного каучука.
Многократно повторяющиеся в макромолекуле группы атомов – структурные звенья – имеют тот же состав, что и мономер, но отличаются от него по строению. Число n называется степенью полимеризации. Степень полимеризации для данного ВМС не является постоянной величиной, так как в макромолекулах может содержаться разное число молекул мономера. Обычно говорят о средней величине степени полимеризации и среднем значении молекулярной массы ВМС.
Реакция полимеризации протекает как самопроизвольный экзотермический процесс, но скорость ее без внешнего воздействия невелика. Полимеризация является цепной реакцией и инициируется так называемыми свободными радикалами – атомами или ионами, обладающими повышенной реакционной способностью за счет наличия неспаренного электрона. Чаще всего инициаторами полимеризации служат пероксиды (водорода и бензоила). Активная частица (радикал) образует с молекулой мономера простую связь за счет одного электрона двойной связи. Другой электрон остается свободным, поэтому образовавшаяся частица также является радикалом, присоединяющим следующую молекулу мономера, и т.д. Процесс продолжается достаточно долго, пока велика концентрация мономера, а затем растущие радикалы могут встретиться пи прореагировать друг с другом. Активные центры исчезнут, произойдет обрыв цепи.
При ионной полимеризации роль активных центров играют катионы или анионы. Инициаторами катионной полимеризации служат кислоты (H2SO4, HCl,) и другие акцепторы электронов (SnCl4, TiCl4, AlCl3), металлоорганические соединения типа Al(C2H5)3 и др. В качестве инициаторов анионной полимеризации служат электродонорные вещества, в том числе щелочные металлы и их алкоголяты. Часто одновременно используют несколько инициаторов полимеризации для получения полимеров регулярной структуры. Такие полимеры называются стереорегулярными.
Методом полимеризации производят более ¾ всего объема выпускаемых полимеров. Полимеризацию проводят в растворе, эмульсии, суспензии или газовой фазе.
Поликонденсацией называется реакция получения из мономеров, содержащих две или более функциональные группы, высокомолекулярных соединений с выделением побочных низкомолекулярных продуктов (воды, аммиака, хлористого водорода и пр.). Это реакция замещения, при которой ступенчато образуются все более и более высокомолекулярные вещества.
nC6H5OH + nHCHO ® [C6H4(OH) – CH2 - ]n + H2O – получение фенолформальдегидной смолы (фенопласта) из фенола и формальдегида.
nHOOC – (CH2)4 – COOH + nH2N – (CH2)6 –NH2 ® [- CO – (CH2)4 –CO – NH – (CH2)6 –NH -]n + nH2O - получение найлона-6,8 из адипиновой кислоты и гексаметилендиамина
Линейной называется поликонденсация соединений, содержащих две функциональные группы, например, аминокислот. Ниже приведена поликонденсация аминокапроновой кислоты с получением капрона (поли- e - капроамида). Поликонденсацию можно остановить на любой стадии.
2 NH2- (CH2)5 – COOH ® NH2 – (CH2)5 – CO – NH – (CH2)5 – COOH + H2O
NH2 – (CH2)5 – CO – NH – (CH2)5 – COOH + NH2- (CH2)5 – COOH ® NH2 – (CH2)5 – CO – NH – (CH2)5 – CO – NH – (CH2)5 – COOH + H2O и т.д.
Для ВМС, полученных путем поликонденсации, молекулы мономера и структурное звено отличаются по составу. Низкомолекулярные продукты реакции необходимо удалять из сферы реакции, так как их накопление приводит к росту скорости обратной реакции. Поликонденсацию ведут в расплаве или в растворе. Методом поликонденсации получают около ¼ выпускаемых полимеров.
Свойства полимеров зависят от строения их молекул. Макромолекулы могут иметь различную форму:
1. Линейную, когда все структурные звенья последовательно соединены в одну линию (полиэтилен, полипропилен);
2. Разветвленную, когда у длинных цепей полимерных молекул имеются боковые ответвления (крахмал);
3. Пространственную, когда линейные макромолекулы «сшиты» меж собой химическими связями (вулканизированный каучук – резина).
При нагревании линейные полимеры размягчаются, плавятся, переходя в вязко-текучее состояние, а при дальнейшем нагревании разлагаются. Пространственные полимеры разлагаются при нагревании, не расплавляясь. Термореактивные полимеры устойчивы к нагреванию. Все полимеры обладают высокой механической прочностью вследствие сильного взаимодействия между отдельными макромолекулами, которое особенно сильно у пространственных полимеров, где макромолекулы связаны меж собой химическими связями. Механическую прочность ВМС можно увеличить путем добавления наполнителей, например, сажи и мела, армированием стекловолокном и т.п. Полимерные материалы, как правило, являются диэлектриками, то есть не проводят электрический ток. Некоторые полимеры, имеющие сопряженные двойные связи (полиацетилен, поливинилены, полинитрилы) являются полупроводниками. Полимеры могут подвергаться деструкции под воздействием кислорода, света, теплоты и радиации. При этом уменьшается молекулярная масса полимеров, изменяются их физические и химические свойства. Старение полимеров со временем замедляют введением стабилизаторов (фенолов, аминов и пр.)
Высокомолекулярные соединения применяются для получения композиционных материалов, или композитов, когда полимерная основа укрепляется, или армируется прочными волокнами или кристаллами; пластмасс для замены металла или дерева; текстильных волокон; полимерных пленок для магнитных носителей, изоляционных и упаковочных материалов; лаков, красок и клеев.
Вопросы и задачи:
1. Чему равна степень полимеризации изобутилена при получении изобутилена с Мч = 56000?
Информация в лекции "Вывод формул для определения напряжений и перемещений при растяжении (сжатии) прямого стержня" поможет Вам.
Решение: При полимеризации изобутилена получается полиизобутилен. Реакция идет по схеме:
nCH2 = C(CH3)2 ® (-CH2 – C(CH3)2 -)n. Степень полимеризации показывает, какое число молекул мономера вступает в реакцию полимеризации. Молекулярная масса изобутилена равна 56, следовательно, степень полимеризации равна 1000.
2. Чему равна степень полимеризации бутадиен-нитрильного каучука, если средняя молекулярная масса его равна 395000? Составьте уравнение соответствующей реакции сополимеризации.
3. Составьте уравнение полимеризации ацетилена СН=СН. Какими специфическими свойствами обладает полиацетилен?
4. Составьте уравнение получения найлона-6,8 при поликонденсации гексаметилендиамина и адипиновой кислоты. Какое количество мономеров следует взять, чтобы получить ВМС со степенью полимеризации 1000?
5. Волокно энант получают поликонденсацией аминоэнантовой кислоты H2N – (CH2)6 –COOH. Напишите уравнение поликонденсации и определите массу аминоэнантовой кислоты, которая потребуется для получения 150 г смолы. (Ответ: 171,2 г)
