Знали ли вы, что краситель индиго — это первый краситель на Земле, рецепт которого дошёл до наших времен? А теперь посмотрите на свои джинсы — да-да, именно в таких в средневековье вас бы считали знатью и богачом. Или вот из чего состоял первый мяч, которым играли индейцы майя и ацтеки? Что такое «трупный» яд и так ли он опасен на самом деле? Цвет, вкус и запах — это всё про органическую химию. Одни и те же атомы могут обладать разными свойствами в зависимости от того, как они собраны в молекулы. И благодаря развитию этой науки мы можем воссоздать практически любое вещество или материал. Именно этим и занимаются самые креативные ученые — химики-органики. В этом курсе мы познакомим тебя с действительно «непопсовыми» темами в органической химии. Ты сможешь лучше узнать, как протекают разные реакции: мы познакомимся с механизмами свободнорадикального замещения в алканах, электрофильного присоединения в алкенах, электрофильного замещения в ароматических соединениях, нуклеофильного замещения SN1 и SN2 в спиртах и галогеналканах, вместе мы изучим вопросы оптической изомерии, а также разберёмся в методах синтеза различных классов веществ. Неважно, насколько ты крут в химии, даже если ты только начал изучать её, тебе всё равно будет интересно с нами, ведь такого тебе точно не расскажут в школе! Присоединяйся к онлайн-курсу «Органическая химия» и мы научим тебя разбираться в химической сущности вещей. Программа курса: 5 недель обучения 1 неделя. Введение в органическую химию (7 видеолекций) 2 неделя. Углеводороды (9 видеолекций) 3 неделя. Молекулы с простыми функциями (10 видеолекций) 4 неделя. Молекулы со сложными функциями (9 видеолекций) 5 неделя. Молекулы со смешанными функциями и гетероциклы (9 видеолекций)
4. 9. Нитросоединения
Loading...
From the course by Novosibirsk State University
Органическая химия
21 ratings
From the lesson
Молекулы со сложными заместителями
В этом модуле вы научитесь правильно составлять названия молекул, которые содержат сложную функциональную группу (карбонильные соединения, карбоновые кислоты, производные карбоновых кислот, нитросоединения), узнаете их химические свойства и методы получения.
Meet the Instructors
Денис МорозовСтарший преподаватель, кандидат химических наук
Факультет естественных наук НГУ
[БЕЗ_ЗВУКА] На
прошлой лекции
мы рассматривали химические свойства различных производных карбоновых кислот.
Давайте продолжим.
В сегодняшней лекции мы обратим внимание на нитросоединения.
Итак, что такое нитросоединения?
Это соединения, в первую очередь углеводороды, содержащие нитрогруппы.
Причем нитрогрупп может быть несколько.
Нитрогруппы могут быть присоединены как к алифатическому остову,
так и к ароматическому.
Поскольку в настоящий момент мы уже много рассмотрели различных классов органических
соединений, то принципы построения названия для нитросоединений для вас не
будут в новинку.
Названия строятся абсолютно аналогичным образом, как и в предыдущих классах.
То есть нам нужно выбрать углеводородную цепь, самую длинную,
содержащую нашу нитрогруппу.
Далее пронумеровать ее таким образом,
чтобы нитрогруппа получила наименьший номер.
В качестве основы взять название углеводорода с
соответствующим числом углеродных атомов,
в префиксе появится приставка нитро- с указанием ее расположения.
По своей структуре нитрогруппа очень похожа на строение
нитрогруппы в азотной кислоте.
Вы помните, что в азотной кислоте у нас атом азота несет на себе положительный
заряд, он имеет формальную валентность 4,
а отрицательный заряд делокализован между двумя углеродными атомами.
В нитросоединениях абсолютно аналогичная ситуация.
Однако наличие хотя бы одного водородного атома при α-атоме углерода,
то есть в ближайшем окружении нитрогруппы, дает возможность таутомерии
нитросоединения и нитроновой кислоты, или, как ее еще иногда называют, аци-формой.
Но к этому мы вернемся немножечко позднее.
Сейчас давайте рассмотрим основные методы синтеза нитросоединений.
Для алифатических нитросоединений неплохой является
реакция Мейера, заключающаяся во взаимодействии галогеналканов с
нитритами различных металлов: серебра либо щелочных металлов.
Следует отметить, что в эту реакцию хорошо вступают первичные галогеналканы,
поскольку это нуклеофильное замещение по SN2-типу, третичные галогеналканы в эту
реакцию не вступают вообще, то есть метод имеет ряд ограничений.
Также известно парофазное нитрование концентрированной азотной кислотой,
прямое нитрование алканов.
Однако в этом случае, при температурах порядка 500 градусов мало органических
соединений чувствует себя комфортно, алканы разрушаются,
реакция происходит с разрывом связи углерод-углерод,
и получается достаточно богатая смесь различных нитросоединений.
То есть в промышленности эту реакцию используют для получения
низших нитроалканов,
поскольку в больших количествах их можно достаточно успешно делить.
В конце XIX века русским химиком Коноваловым был предложен
метод нитрования алканов, содержащих третичный атом углерода,
то есть с одним водородным атомом при третичном атоме углерода,
при 140 градусах разбавленной азотной кислотой.
Преимущественным продуктом в этом случае является третичный нитроалкан.
Для ароматических нитросоединений пригодны методы прямого нитрования,
которые мы уже рассматривали в лекциях, посвященных ароматическим соединениям.
Так, например, бензол нитруется смесью азотной и серной кислот в
концентрированном виде с образованием нитробензола.
Причем реакция останавливается именно на монозамещении,
и дальше нитрование не происходит совсем.
Поскольку нитрогруппа является сильным акцептором,
она дезактивирует наше ароматическое кольцо.
Наличие же в ароматическом кольце донорных заместителей, например,
гидрокси-группы, как в молекуле фенола,
позволяет провести нитрование сразу тремя эквивалентами азотной кислоты.
В результате мы получим тринитрофенол, пикриновую кислоту, которая находит
применение, как мы уже обсуждали ранее, в качестве лекарственных препаратов,
препаратов для аналитической химии, ну и, конечно же, взрывчатых веществ.
Далее.
Нитросоединения можно получать из аминов.
Так, прямое окисление первичных аминов
перманганатом калия приводит нас к нитросоединению.
В случае ароматических аминов окисление можно проводить различными способами,
набор более широк.
Так, годятся надкислоты, которые приводят нас к нитросоединению,
либо можно воспользоваться рассмотренным ранее способом через соли диазония.
Взаимодействие с азотистой кислотой дает нам соль диазония,
которая далее может взаимодействовать с нитрит-анионом с
образованием соответствующего нитросоединения.
Далее, малоновый эфир, сильная CH-кислота,
также может послужить основой для нитросоединений.
При взаимодействии азотной кислоты с малоновым эфиром мы получаем
нитромалоновый эфир, еще более сильную CH-кислоту,
которую можно проалкилировать каким-нибудь галогеналканом.
Ну а далее гидролиз и декарбоксилирование приведет нас к соответствующему
нитроалкану.
По своим свойствам нитросоединения — достаточно интересные вещества.
Как уже я вам говорил чуть-чуть ранее, несколько ранее,
наличие атома водорода при нитрогруппе позволяет
существовать нитросоединению в аци-форме, в виде нитроновой кислоты.
Это открывает целый ряд особенных свойств.
Например, третичные нитросоединения, которые не способны
существовать в виде нитроновой кислоты, в щелочах не растворяются совсем.
А первичные и вторичные нитросоединения в щелочах неплохо растворяются с
образованием солей нитроновых кислот,
что используется для разделения третичных нитросоединений и первичных и вторичных.
В случае ароматических нитросоединений такое равновесие,
то есть образование аци-формы, может сопровождаться изменением окраски.
Так, орто-нитротолуол, желтое соединение по своей сути,
на свету превращается в темно-синее окрашенное производное нитроновой кислоты,
которое опять при помещении в темноту перегруппировывается
обратно в нитросоединение.
Это и подобные превращения могут быть использованы, например,
для изготовления фоточувствительных пленок, солнцезащитных очков,
которые при ярком освещении приобретают темную окраску,
ну и также в производстве светочувствительных красителей.
Далее.
Нитросоединения могут вступать в реакцию бромирования, причем в зависимости от
того, в каких соотношениях используются реагенты, возможны разные продукты.
Так, избыток брома приводит нас к дибром-нитросоединению, эквимолярное
соотношение дает нам монобромпроизводное, а при недостатке
брома происходит окислительная сшивка с образованием динитроалкана, что открывает
дополнительные двери к синтетическим трансформациям в различных молекулах.
Далее. Нитросоединения достаточно необычно ведут
себя в кислой среде.
Так, при помещении нитросоединения, содержащего α-водородные атомы в кислоту,
происходит опять же образование аци-формы,
которая может дальше перегруппировываться в гидроксамовую кислоту.
Если реакцию проводить без нагревания, далее гидроксамовая кислота
разлагается на гидроксиламин и карбоновую кислоту, что часто используется в
промышленности для получения достаточно сложных карбоновых кислот.
А вот если гидролиз аци-формы проводить в горячей кислоте, осуществляется реакция
Нефа, которая приводит нас к альдегидам, недоступным иными способами синтеза.
Также стоит заметить, что гидроксиламин,
чрезвычайно ценное для промышленности соединение,
легко получается из соответствующего динитроэтана обработкой в кислой среде.
Гидроксиламин является единственным твердым продуктом в этой реакции.
Далее. Ароматические нитросоединения, например,
нитробензол, не вступают в реакции Фриделя-Крафтса,
алкилирование или ацилирование, ни при каких условиях.
Более того,
нитробензол часто используется как растворитель для такого рода превращений.
При взаимодействии с более активным электрофилами,
реакция идет исключительно в мета-положении,
то есть нитрогруппа у нас является дезактивирующим мета-ориентантом.
Об этом мы говорили во втором модуле,
когда рассматривали химию ароматических соединений.
Далее.
Нитросоединения могут быть восстановлены,
причем степень восстановления, глубина восстановления может быть различной,
в зависимости от используемых реагентов, от используемых восстановителей.
Так, использование цинка с хлористым аммонием в водной среде приводит нас к
арилгидроксиламинам, которые далее могут быть окислены в нитрозосоединения,
недоступные иными способами синтеза.
При использовании щелочного раствора цинка в водно-спиртовой среде
происходит образование гидразо ароматического соединения.
Если реакцию проводить исключительно в спирте,
то вместо гидраза соединения основным продуктом будет азо.
Также нитросоединения можно восстановить с помощью оксида мышьяка,
в этом случае будет получаться азоксисоединение.
Ну и азокси-, азо- и гидразо-превращениями друг в друга можно также управлять с
использованием различных мягких окислителей и восстановителей.
Нитросоединения находят достаточно широкое применение.
Так, эти вещества являются весьма ценными соединениями в органическом синтезе.
Также нитросоединения используются в качестве взрывчатых веществ.
Тут можно вспомнить и нитроглицерин, и нитроцеллюлозу,
основу бездымного пороха, и, конечно же, тринитротолуол, основу динамита.
Но при звучании тринитротолуола
у химика в первую очередь, конечно же, возникает фамилия Нобель
и Нобелевская премия как высшая степень признания научных достижений.
Далее. Нитрометан является чудесным растворителем
для проведения органических реакций, а также это вещество используется в качестве
топлива для двигателей внутреннего сгорания, поскольку мощность сгорания,
удельная теплота сгорания нитрометана превышает таковую для обычного бензина.
Этим пользуются, например, при заездах драгстеров,
то есть высокомощных автомобилей.
Также нитросоединения являются востребованными в медицине,
например, тринитроглицерин является регулятором кровяного давления,
а также сердечного ритма.
На этом мы заканчиваем наш модуль 4, а в следующем модуле, модуле 5,
мы обратимся к органическим веществам, содержащим несколько функциональных групп.
Всем пока!
Explore our Catalog
Join for free and get personalized recommendations, updates and offers.
Coursera provides universal access to the world’s best education,
partnering with top universities and organizations to offer courses online.
© 2019 Coursera Inc. All rights reserved.
