(1).? Control de grupos funcionales
La química orgánica es química de grupos funcionales. Si dominas las propiedades básicas de los grupos funcionales y las reacciones que pueden ocurrir en los libros de texto de la escuela secundaria, podrás aprobar los conocimientos básicos de química orgánica. Primero repasemos brevemente el conocimiento básico de grupos funcionales importantes en la química orgánica de la escuela secundaria.
1.? Doble enlace carbono-carbono
(1) Simplificación estructural:
(2) Características estructurales: se forma un doble enlace entre dos átomos de carbono, dos átomos de carbono y cuatro Los átomos están en el mismo plano, y el ángulo de enlace formado por el sustituyente y los dos átomos de carbono es aproximadamente igual a 120.
(3) Propiedades principales: grado de insaturación: el doble enlace carbono-carbono es el enlace insaturado más importante y la reacción más importante es la reacción de adición. La esencia de la adición es que el enlace más débil en el doble enlace carbono-carbono se rompe por el ataque de un determinado reactivo y el enlace insaturado se convierte en un enlace saturado. Los reactivos más comunes que pueden agregar dobles enlaces carbono-carbono incluyen H2, elementos halógenos (Cl2, Br2), haluro de hidrógeno, H2O, ácido hipohaloso, etc. Cabe señalar que se debe utilizar bromo líquido para la adición de Br2 que contiene dobles enlaces carbono-carbono. El bromo se puede disolver en CCl4 para preparar una solución de Br2 CCl4.
Cuando la insaturación de dobles enlaces carbono-carbono se aplica a compuestos poliméricos, se trata de una reacción de adición de dobles enlaces carbono-carbono. La reacción de adición de olefinas es en realidad una reacción de adición, y el producto obtenido es. cadena de carbono saturada.
Otra característica del doble enlace carbono-carbono es la activación de los átomos de α-hidrógeno. Por ejemplo, bajo la luz, el átomo de hidrógeno α del propileno será reemplazado por un átomo de Cl, y la ecuación de reacción
(4) Aplicación en la síntesis orgánica de la escuela secundaria: ①Según las características del doble carbono-carbono adición de enlaces y halógenos, utilice el método de adición-sustitución para obtener dos grupos hidroxilo adyacentes (-OH);
(2) Utilizando las características de los dobles enlaces carbono-carbono y la adición de halógeno, utilice el método de adición-eliminación método para eliminar dos moléculas de HX para obtener triples enlaces carbono-carbono;
(3) Utilizar las características de polimerización por adición de dobles enlaces carbono-carbono para preparar compuestos poliméricos.
2. Triple enlace carbono-carbono
(1) Simplificación estructural:
(2) Características estructurales: lineal, dos átomos de carbono y dos átomos conectados la misma línea recta, el ángulo de enlace es 180.
(3) Propiedades principales: insaturación: no hay mucha diferencia en las propiedades básicas de los triples enlaces C-C y los dobles enlaces C-C en las escuelas secundarias. Sin embargo, cuando se agrega H2O a los triples enlaces C-C, se genera. El enol es inestable y se reorganizará en aldehídos.
Cabe destacar también que el vinil acetileno (CH2 = CH-C ≡ CH) se obtiene mediante la adición de dos moléculas de acetileno, y el benceno se obtiene mediante la adición de tres moléculas de acetileno.
(4) Aplicación en síntesis orgánica de secundaria: utilización de las propiedades de los dobles enlaces obtenidos mediante la adición parcial de tres enlaces para preparar productos especiales con dobles enlaces en la cadena de carbono. Por ejemplo, el vinilnitrilo se puede obtener directamente mediante la adición de acetileno y HCN, mientras que la fibra acrílica se puede obtener mediante polimerización por adición.
3.? Átomo de halógeno
(1) Fórmula estructural: -x (x = f, Cl, Br, I)
(2) Propiedades principales: ①Reacción de sustitución. Los átomos de halógeno se pueden sustituir por -OH, -NH2, -CN, carbaniones, etc. Los reactivos como el OH- se vuelven nucleófilos y la sustitución de átomos de halógeno se denomina reacción de sustitución nucleófila. Los libros de texto de la escuela secundaria se centran principalmente en la reacción de los átomos de halógeno que sustituyen OH y se calientan en una solución acuosa de NaOH para generar alcoholes. Sin embargo, cabe señalar que si más de un átomo de halógeno está unido a un átomo de carbono, las moléculas de H2O se eliminarán simultáneamente durante el proceso de sustitución.
② Reacción de eliminación.
Cuando un hidrocarburo halogenado se calienta en una solución alcohólica de NaOH, se eliminará una molécula de HX, formando un hidrocarburo insaturado. La reacción de eliminación de hidrocarburos halogenados también es una reacción de eliminación β y requiere la presencia de átomos de β-H.
(3) Aplicación en la síntesis orgánica de la escuela secundaria: los átomos de halógeno son intermediarios muy importantes en la síntesis orgánica y muchos pasos de la síntesis se pueden completar mediante la reacción de sustitución de los átomos de halógeno. Las aplicaciones comunes de los átomos de halógeno en las escuelas secundarias incluyen
① Los alcoholes se obtienen mediante reacciones de sustitución. Este es el uso más básico de los átomos de halógeno. A partir de alcoholes se pueden preparar además aldehídos, ácidos y ésteres.
(2) Se llevaron a cabo algunos pasos especiales, como la preparación de orto-dioles mediante pasos de eliminación-adición-sustitución, y el triple enlace carbono-carbono obtenido mediante pasos de eliminación-adición-eliminación.
(3) Se introduce el grupo carboxilo y se añade un átomo de carbono mediante pasos de sustitución e hidrólisis de HCN, que normalmente se dan en forma de información.
4.? Grupo hidroxilo alcohólico
(1) Estructura: R-OH
(2) Características estructurales: angular y el átomo conectado al átomo de oxígeno no está en línea recta con el hidrógeno. átomo en el grupo hidroxilo. El átomo de oxígeno en el grupo hidroxilo tiene dos pares de electrones libres, que pueden formar fácilmente enlaces de hidrógeno con los átomos de H en la molécula de H2O, por lo que los alcoholes inferiores pueden ser miscibles con agua en cualquier proporción.
(3) Propiedades principales: ① El enlace O-H en el grupo hidroxilo del alcohol no es fácil de romper, por lo que la acidez del alcohol es generalmente más débil que la del agua, y solo los metales activos como Na y K puede usarse para preparar el alcóxido correspondiente. Por el contrario, los alcóxidos de sodio preparados (como el C2H5ONa) son bases bastante fuertes (más básicas que el NaOH).
(2) El grupo hidroxilo del alcohol puede oxidarse mediante oxidantes como O2(CuO), KMnO4, K2CrO7. La esencia de la oxidación es que el alcohol elimina el grupo hidroxilo y dos átomos de hidrógeno del átomo de carbono α para generar una molécula de H2O. Cuando hay más de dos H en el átomo de carbono al que está conectado el grupo hidroxilo, el grupo hidroxilo se oxida a un grupo aldehído cuando solo hay 1 H en el átomo de carbono al que está conectado el grupo hidroxilo, el grupo hidroxilo; se oxida a un grupo carbonilo (grupo cetona) cuando el grupo hidroxilo está conectado a un grupo carbonilo (grupo cetona) Cuando no hay H en el átomo de carbono, el grupo hidroxilo no se puede oxidar.
pCabe señalar que, dado que el átomo de oxígeno del grupo hidroxilo tiene fuertes propiedades aceptoras de electrones, generalmente es imposible conectar dos grupos hidroxilo a un átomo de carbono al mismo tiempo, de lo contrario se deshidratará para generar los correspondientes aldehídos, cetonas y ácidos y, en general, el grupo hidroxilo no puede unirse al átomo de carbono del doble enlace carbono-carbono porque esta estructura enólica es generalmente inestable.
(3) Otra característica importante de los grupos hidroxilo alcohólicos es la reacción de eliminación. Normalmente, el ácido sulfúrico concentrado se utiliza como catalizador para deshidroxilar alcoholes y producir compuestos orgánicos que contienen dobles enlaces. Cuando el alcohol sufre una reacción de eliminación, debemos prestar atención al control de la temperatura. Cuando la temperatura es baja, se generará el subproducto éter y la reacción de eliminación solo ocurrirá cuando la temperatura alcance un cierto rango. La esencia de la reacción de eliminación es que el grupo hidroxilo y un átomo de H en la posición β se separan para generar H2O, por lo que el alcohol que puede sufrir la reacción de eliminación debe tener un átomo de β-H.
El alcohol se puede esterificar con ácidos, que se describirán detalladamente más adelante.
(4) Aplicación en la síntesis orgánica de la escuela secundaria: ① El alcohol en sí es uno de los productos objetivo más comunes en la síntesis orgánica. Existen muchos métodos para preparar alcoholes (es decir, introducir grupos hidroxilo). Los principales métodos que conocemos son el método de conversión de aldehídos, el método de hidrólisis de ésteres y el método de hidratación de olefinas.
(2) Los hidrocarburos halogenados (halogenados) se producen a partir de alcoholes mediante la conversión mutua de alcoholes e hidrocarburos halogenados. Los agentes halogenantes de uso común incluyen HCl (HBr), PCl3 (PBr3), SOCl2, etc. (Los dos últimos tienen mayores rendimientos).
(3) El aldehído se produce mediante la oxidación del alcohol, y luego se produce el ácido carboxílico, y luego el alcohol y el ácido carboxílico reaccionan para formar un éster. Esta es una "mala" rutina en química orgánica en el examen de ingreso a la escuela secundaria.
④La reacción entre el etanol y el sodio metálico produce alcóxido de sodio. El alcóxido de sodio es una base fuerte ampliamente utilizada en síntesis orgánica.
5.? Grupo hidroxilo fenólico
(1) Estructura simplificada:
(2) Propiedades principales: el grupo hidroxilo fenólico es muy débilmente ácido y puede reaccionar con una solución de NaOH, pero no puede reaccionar con una solución de NaHCO3. Cuando se introduce gas CO2 en la solución de fenolato de sodio, los cristales de fenol precipitan y el CO2 se convierte en iones HCO3-.
Los grupos hidroxilo fenólicos son relativamente activos y los fenoles generalmente se oxidan fácilmente.
Cuando se coloca fenol en el aire, su superficie se vuelve rosada debido a la oxidación del O2. Otros oxidantes, como la solución ácida de KMnO4, el ácido nítrico y el ácido sulfúrico, pueden oxidar los grupos hidroxilo fenólicos.
El grupo hidroxilo fenólico puede activar las posiciones orto y para del anillo de benceno, por lo que el fenol reacciona con agua de bromo concentrada para formar bromuro. Por ejemplo, el tribromofenol precipita cuando se añade fenol a agua con bromo concentrado, pero cuando se añade fenol a bromo líquido (Br2 en solución de CCl4), el precipitado se disolverá en Br2 y no se observará ningún fenómeno. Otros sustituyentes, como los grupos nitro y sulfonato, también reemplazarán las posiciones orto y para del grupo hidroxilo fenólico.
El grupo hidroxilo fenólico puede reaccionar con una solución de cloruro férrico para formar un compuesto de coordinación de color púrpura.
(3) Aplicación en síntesis orgánica en escuelas secundarias: el grupo hidroxilo fenólico es un grupo que activa el anillo de benceno y se pueden introducir otros grupos en sus posiciones orto y para. En la pregunta de inferencia, se puede utilizar como punto de prueba el principio de la reacción entre el fenol y el formaldehído utilizado en la preparación de la resina fenólica.
6.? Grupos aldehídos y cetonas
(1) Abreviatura estructural: - CHO?
(2) Características estructurales: se forma un doble enlace carbono-oxígeno entre los átomos de C y los átomos de O. Los dos átomos conectados por el doble enlace carbono-oxígeno están en el mismo plano que los átomos de C y O. átomos en ambos extremos del doble enlace. Los átomos de oxígeno en el doble enlace carbono-oxígeno tienen dos pares libres y también pueden formar enlaces de hidrógeno.
(3) Propiedades principales: “Estado de valencia intermedio”. En química inorgánica, los grupos aldehído tienen "sustancias de valencia intermedia" similares al SO2 y Fe2, que pueden sufrir reacciones tanto de oxidación como de reducción. El grupo -CH2OH se puede obtener mediante hidrogenación catalítica del grupo aldehído y el grupo carboxilo se puede obtener mediante oxidación del grupo aldehído. La escuela secundaria mencionó tres métodos para oxidar grupos aldehídos: el método de oxidación catalítica de O2, el método de oxidación de Cu (OH) 2 fresco y el método de oxidación de solución de amoníaco de plata. Los dos últimos métodos deben dominarse especialmente.
Los grupos aldehído también pueden sufrir reacciones de adición, pero los grupos aldehído no pueden agregarse a reactivos como X2, H2O, HX como los dobles enlaces carbono-carbono (esta adición se llama adición electrofílica). (El reactivo ataca primero al átomo de carbono en el grupo aldehído en lugar del doble enlace carbono-oxígeno, por lo que se llama adición nucleofílica). La reacción de adición de grupos aldehídos no es necesaria en los libros de texto de la escuela secundaria. Generalmente, la adición de aldehídos y HCN sólo interviene cuando aparece como información. Esta reacción de adición también puede introducir átomos de C para hacer crecer cadenas de carbono. Otra reacción de información común es la conocida reacción de condensación aldólica, que se analizará más adelante.
Cuando el grupo carbonilo está unido a dos átomos de carbono, se llama grupo cetona. La mayor diferencia entre el grupo cetona y el aldehído es que el grupo cetona no puede oxidarse con oxidantes débiles como el nuevo Cu (OH) 2 y una solución de plata y amoníaco. Las propiedades químicas de las cetonas en la escuela secundaria no son altas y no se discutirán aquí.
(4) Aplicación en síntesis orgánica en escuelas secundarias: Los aldehídos y las cetonas se utilizan ampliamente en síntesis orgánica. Utilizando las propiedades de adición nucleofílica del grupo carbonilo y la actividad de los átomos de α-H en aldehídos y cetonas, combinados con reactivos complejos y reacciones orgánicas, se pueden sintetizar muchas sustancias estructuralmente complejas. Pero la comprensión de los aldehídos en la escuela secundaria es muy simple. El libro de texto solo presenta la oxidación de grupos aldehídos. En términos generales, la función del grupo aldehído es únicamente convertirse en un grupo carboxilo o reducirse a un grupo hidroxilo. Sin embargo, en cuestiones de información, hay muchos cambios en la aplicación de los aldehídos, que no se discutirán aquí.
7.? Carboxilo
(1) Abreviatura estructural: - COOH
(2) Características estructurales: El carboxilo contiene un grupo carbonilo y un grupo hidroxilo, y los átomos conectados al grupo carboxilo son átomos de carbono. y dos oxígenos en el grupo funcional. En el plano de los átomos, los átomos de hidrógeno están fuera del plano. Ambos átomos de oxígeno en el grupo carboxilo tienen pares de electrones solitarios que pueden atraer átomos de hidrógeno para formar enlaces de hidrógeno. En los ácidos carboxílicos puros, los grupos carboxilo de dos moléculas de ácido carboxílico también pueden estar unidos por enlaces de hidrógeno.
(3) Propiedades principales: ① Ácido. Debido a que los átomos de hidrógeno del grupo carboxilo se ionizan fácilmente, los ácidos carboxílicos son los ácidos orgánicos más típicos. El ácido carboxílico es generalmente más ácido que el ácido carbónico, por lo que solo el ácido carboxílico puede reaccionar con una solución de Na2CO3 o NaHCO3 para liberar CO2 gaseoso o disolver CaCO3 sólido. Sin embargo, la introducción de gas CO2 en una solución de la sal sódica de un ácido carboxílico no produce este ácido carboxílico.
②Reacción de esterificación. En la inferencia de química orgánica de la escuela secundaria, el dicho "nueve ésteres de diez preguntas" es absolutamente correcto. Se puede decir que la reacción de esterificación de ácidos y la reacción de hidrólisis de ésteres es el contenido más "malo" de la química orgánica.
El mecanismo real de la reacción de esterificación es relativamente complejo, a juzgar por los resultados de la reacción, el ácido carboxílico proporciona un grupo hidroxilo, el alcohol proporciona hidrógeno y el resto se elimina para formar una molécula de H2O. Por lo tanto, la reacción de esterificación es una reacción de sustitución, es decir, el grupo hidroxilo del grupo carboxilo se reemplaza por el grupo alcohol después de eliminar el átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo.
(4) Aplicación en síntesis orgánica de secundaria y preparatoria: ① Utilice la acidez del ácido carboxílico para preparar la sal correspondiente para aumentar la solubilidad y estabilidad de la materia orgánica en agua.
②Ésteres sintéticos. Los ésteres se pueden sintetizar calentando ácidos carboxílicos con alcoholes o compuestos orgánicos con grupos carboxilo e hidroxilo (hidroxiácidos) en ácido sulfúrico concentrado. Se pueden obtener tres tipos de ésteres mediante esterificación alta y media: a. Ésteres ordinarios formados combinando grupos carboxilo e hidroxilo, en los que el ácido y el alcohol pueden ser más de una molécula, como el acetato de etilo, los triglicéridos, el adipato de dietilo, etc.
B. Hay tres formas de formar ésteres cíclicos. La primera forma es que el grupo carboxilo y el grupo hidroxilo del hidroxiácido se combinan para formar un éster cíclico, también llamado lactona, a partir de una molécula de materia orgánica. La segunda forma es que dos moléculas de hidroxiácido se polimerizan en un cíclico; éster a través de una reacción de esterificación, y el mismo grupo en el producto. El equipo está en posición. El ejemplo más típico es el ácido láctico dimerizado formado a partir de ácido láctico (CH3CH(OH)COOH) (en la foto de abajo a la izquierda). El tercer tipo es la polimerización de ácido dibásico y alcohol dihídrico en éster cíclico mediante una reacción de esterificación, y la superficie del producto es simétrica, como el polímero de ácido oxálico y etilenglicol (como se muestra en la figura derecha a continuación).
C. Forma alta de poliéster. Los ácidos dibásicos y los dioles de molécula pequeña pueden formar cadenas largas mediante reacciones de esterificación y polimerizarse en compuestos poliméricos. Esta reacción es una reacción de policondensación. Cuando se polimerizan muchas moléculas de ácido carboxílico y alcohol, se producen muchas moléculas de H2O.
③Síntesis de otros derivados de ácidos carboxílicos. Los ésteres, amidas, haluros de ácido y anhídridos de ácido son todos derivados de ácidos carboxílicos. El polipéptido formado por la deshidratación y condensación de aminoácidos que hemos aprendido es la poliamida. Este contenido no se menciona en el libro de texto y no se discutirá aquí.
④Introducir otros grupos funcionales mediante descarboxilación de ácidos carboxílicos. Esta es una idea muy común en la síntesis orgánica. La descarboxilación no se menciona específicamente en los libros de texto de la escuela secundaria, pero esta reacción puede darse a título informativo. Cuando comenzamos a aprender química orgánica, estuvimos expuestos a la reacción de generación de metano en el laboratorio, es decir, CH _ 3coona NaOH = = CH _ 4 ↑ Na2CO3. Esta es en realidad una reacción de descarboxilación.
8.? Grupo éster
(1) Abreviatura de estructura: -COO-?
(2) Propiedades principales: La característica más significativa de los ésteres (incluidos los aceites y grasas) es la hidrólisis. Hay dos métodos de hidrólisis de ésteres. Los productos después de la acidificación son ácido y alcohol. La hidrólisis ácida del éster en realidad aprovecha la reversibilidad de la reacción de esterificación. El efecto catalítico del H es equivalente a la reacción directa y a la reacción inversa. Sin embargo, no se debe utilizar ácido sulfúrico concentrado para la hidrólisis del éster, de lo contrario, se utilizará H2O. El reactivo será absorbido por el ácido sulfúrico, afectando la conducta de la reacción. La hidrólisis alcalina de ésteres también utiliza principios de equilibrio químico. En condiciones alcalinas, el ácido producido por la reacción es neutralizado por la base y la sal formada se separa de los reactivos líquidos y ingresa al agua para promover la reacción. Esta reacción es la saponificación.
Entre los ésteres hay una sustancia muy especial: el formiato. Sus grupos funcionales se pueden escribir en forma de -o-CHO, por lo que este tipo de éster tiene las características tanto de éster como de aldehído. No solo puede hidrolizar, sino también llevar a cabo las reacciones características del grupo aldehído, como el espejo de plata. reacción.
(3) Aplicación en síntesis orgánica de secundaria: ①Reacción de hidrólisis para obtener ácido carboxílico y alcohol. Los ésteres se pueden encontrar en todas partes de la naturaleza y también hay aceites y grasas en animales y plantas. El glicerol y los ácidos grasos correspondientes se pueden obtener mediante hidrólisis.
② Protege los grupos activos como los grupos hidroxilo y amino. Los ésteres generalmente tienen propiedades químicas estables y no se oxidan fácilmente, por lo que a menudo se usan para proteger los grupos hidroxilo y amino.
9.? Nitro y amino
(1) Estructura: - NO2 -NH2
(2) Propiedades principales: Estos dos grupos funcionales que contienen nitrógeno aparecen en los libros de texto de la escuela secundaria, pero el libro de texto en sí. Las necesidades de compuestos orgánicos que contienen nitrógeno no son elevadas. Aquí, presentamos brevemente sus propiedades básicas.
Los grupos nitro y amino están conectados a los grupos funcionales de nitrógeno más altos y más bajos respectivamente. En realidad, el grupo nitro se obtiene eliminando el grupo hidroxilo de la molécula de ácido nítrico (HNO3), que se utiliza más comúnmente en la nitración del benceno. El hierro y el ácido clorhídrico pueden reducir el grupo nitro al grupo amino.
El par solitario de átomos de nitrógeno en el grupo amino atrae fácilmente a los protones, haciendo del grupo amino el grupo básico más básico. La sustancia obtenida después de que el H de la molécula NH3 de amoníaco se reemplaza por un grupo hidrocarbonado se convierte en una amina, que generalmente es más básica que el NH3, pero la basicidad se debilitará mucho después de que el grupo amino se conecte al anillo de benceno.
Los grupos amino e hidroxilo son similares hasta cierto punto. Los grupos amino también se pueden combinar con grupos carboxilo (también en forma de deshidroxilación de carboxilo y deshidrogenación de amino) para dar amidas. La sustancia que se obtiene al combinar dos moléculas de aminoácidos es un péptido. Ya sea proteína natural o fibra de nailon sintética, su esencia química es en realidad poliamida.
(3) Aplicación en la síntesis orgánica de la escuela secundaria: el grupo nitro a menudo ocupa una posición en la síntesis relacionada con el anillo de benceno. Primero introduzca un grupo nitro en el anillo de benceno, luego introduzca el grupo deseado en la posición para del grupo nitro, luego reduzca el grupo nitro y luego elimine el grupo amino mediante la reacción de diazotización.
Los derivados del amoniaco son alcalinos y pueden formar sales con el ácido clorhídrico. La producción de aminas como sales de clorhidrato también puede aumentar la solubilidad y estabilidad de los compuestos orgánicos en agua.