Генетическая связь органических веществ
Генетическая связь органических веществ — это закономерные превращения соединений разных классов, при которых сохраняется углеродный скелет или изменяется его функциональная группа. Умение строить такие цепочки помогает решать задания на свойства веществ, уравнения реакций и установление неизвестных соединений.
Что называют генетической связью
В органической химии вещества объединяются в генетические ряды: одно соединение можно получить из другого с помощью характерной реакции. Например, первичный спирт окисляется до альдегида, альдегид — до карбоновой кислоты, а кислота реагирует со спиртом с образованием сложного эфира.
Генетическая связь органических веществ — закономерная последовательность превращений между веществами разных классов, основанная на изменении функциональных групп и химических свойств.
| Исходное вещество | Превращение | Продукт |
|---|---|---|
| Первичный спирт | окисление | альдегид |
| Альдегид | окисление | карбоновая кислота |
| Карбоновая кислота + спирт | этерификация | сложный эфир + вода |
| Сложный эфир | гидролиз | кислота + спирт |
| Углевод | гидролиз или брожение | более простые вещества |
Для решения цепочки сначала определяют класс каждого вещества по функциональной группе, затем выбирают реакцию, которая переводит один класс в другой. Названия и свойства спиртов, альдегидов и карбоновых кислот удобно повторить перед изучением цепочек.
Основная цепочка: спирт — альдегид — кислота — эфир
Первичный одноатомный спирт при мягком окислении превращается в альдегид. Например, из этанола образуется этаналь. При дальнейшем окислении этаналь превращается в этановую кислоту.
Первичный спирт окисляется ступенчато: \(R-CH_2OH \rightarrow R-CHO \rightarrow R-COOH\). Вторичный спирт обычно окисляется до кетона, а третичные спирты в обычных условиях не окисляются без разрушения углеродного скелета.
Карбоновая кислота взаимодействует со спиртом в реакции этерификации. Образуются сложный эфир и вода. Реакция обратима, поэтому обычно используют концентрированную серную кислоту как катализатор и водоотнимающее средство.
Обратное превращение сложного эфира в исходные кислоту и спирт называют гидролизом. В щелочной среде гидролиз жиров и других сложных эфиров называют омылением: образуется соль карбоновой кислоты и спирт.
Углеводы в генетических цепочках
Углеводы также связаны взаимными превращениями. Моносахарид глюкоза содержит альдегидную группу и несколько гидроксильных групп, поэтому проявляет свойства многоатомного спирта и альдегида. Глюкоза даёт реакцию «серебряного зеркала» и при нагревании восстанавливает гидроксид меди(II) до оксида меди(I).
Дисахарид сахароза гидролизуется с образованием глюкозы и фруктозы. Крахмал и целлюлоза — полисахариды; при гидролизе они в конечном счёте дают глюкозу.
Какое вещество непосредственно образуется при окислении этаналя?
Как решать цепочки превращений
- Определите формулу или класс исходного вещества по названию и функциональной группе.
- Сравните исходное вещество и продукт: какая группа появилась, исчезла или изменилась?
- Подберите тип реакции: окисление, восстановление, дегидратация, гидратация, этерификация или гидролиз.
- Запишите уравнение, расставьте коэффициенты и укажите условия над стрелкой в пояснении.
- Проверьте число атомов углерода, водорода и кислорода, а также обратимость реакции.
Постройте цепочку: этанол → этаналь → этановая кислота → этилацетат. Для каждой стрелки назовите реакцию и запишите уравнение.
В последнем уравнении остаток \(CH_3CO-\) — ацетильная часть кислоты, а \(C_2H_5-\) — этильная часть спирта. Название продукта складывается из названия углеводородного радикала и названия кислотного остатка: этилацетат, или этилэтаноат.
1. Нельзя превращать любой спирт непосредственно в альдегид: это характерно для первичных спиртов. 2. В реакции этерификации не забывайте воду. 3. Не путайте гидролиз эфира с его горением: при гидролизе сохраняется углеродный скелет и образуются кислота со спиртом или их соли. 4. Условия реакции записывают над стрелкой или в подписи, а не добавляют как вещества в левую часть уравнения. 5. При брожении глюкозы обязательно указывайте углекислый газ.
Если в цепочке есть \(-CH_2OH\), ищите альдегид и затем кислоту. Если есть \(-CHO\), вероятный следующий продукт — кислота. Если одновременно указаны кислота и спирт, почти всегда проверяйте возможность этерификации.
Дополнительные связи и проверка уравнений
Спирт можно получить восстановлением альдегида или гидратацией алкена. Например, этаналь восстанавливается до этанола, а этен при присоединении воды также даёт этанол. Эти переходы показывают связь органической химии с реакциями уравнений органических веществ и помогают выбирать реагент по изменению функциональной группы.
Полезно отличать качественные реакции. Альдегиды обнаруживают реакцией серебряного зеркала, а многоатомные спирты и глюкозу — взаимодействием со свежеполученным гидроксидом меди(II) при комнатной температуре, когда появляется ярко-синий раствор. При нагревании глюкоза даёт кирпично-красный оксид меди(I). Подробное распознавание соединений рассматривается на странице распознавание органических веществ.
Быстрая проверка
Главное
- Первичный спирт окисляется до альдегида, затем до карбоновой кислоты.
- Кислота и спирт вступают в обратимую этерификацию с образованием сложного эфира и воды.
- Сложные эфиры гидролизуются; в щелочной среде образуются соль кислоты и спирт.
- Глюкоза бродит с образованием этанола и углекислого газа, а сахароза, крахмал и целлюлоза гидролизуются до моносахаридов.
- В каждой цепочке проверяйте класс вещества, функциональную группу, условия реакции и баланс атомов.