Строение и реакционная способность оксо- и оксикислот

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования 

«Тульский государственный  педагогический университет им. Л.Н. Толстого»

(ФГБОУ ВПО «ТГПУ   им. Л.Н.Толстого»)

 

 

 

 

 

 

Кафедра органической и биологической  химии  

 

Курсовая  работа на тему:

 

«Строение и реакционная способность оксо- и оксикислот»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка 4 курса

факультета  естественных наук,

физической  культуры и туризма

специальности Химия

Минайчева Мария Владимировна

 

Научный руководитель:

            Шахкельдян И. В - д.х.н., профессор

 

Тула 2012

 

Содержание

 

Введение 3

Глава 1 Оксикислоты 5

1.1 Номенклатура  и изомерия оксикислот 5

1.Физические  свойства оксикислот 12

1.2 Получение  оксикислот 13

1.3 Химические  свойства оксикислот 14

Глава 2 Оксокислоты 17

2.1 Номенклатура  и изомерия оксокислот 17

2.2α-Оксокислоты 18

2.2.1 Получение: 18

2.2.2. Физические  и химические свойства: 18

2.3 β-Оксокислоты 19

2.3.1. Получение: 19

2.3.2. Физические  и химические свойства: 21

2.4 Сложные  эфиры β-оксокислот 21

2.4.1. Получение 21

2.4.2. Физические  и химические свойства 21

2.5 Синтез  с ацетоуксусным эфиром 24

2.6 γ- и  δ-Оксокислоты 26

2.6.1. Получение 26

2.6.2. Физические  и химические свойства 26

2.7 Высшие  альдегидокислоты и кетокислоты 26

2.7.1Общие  способы получения: 26

2.8 Применение 31

Глава 3 Практикум по теме «Оксо- и окси-кислоты» 32

    3.1 гидроксикарбоновые кислоты 32

3.2 Кетокислоты.  Ацетоуксусный эфир. 35

Заключение 41

ПРИЛОЖЕНИЯ...………………………………………..……………………………………42

Список использованной литературы 57

 

 

 

Введение

Органическая химия изучает  соединения, в состав которых обязательно  входит элемент углерод. Исключение составляет лишь небольшое число соединений, таких, как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), угольная кислота и ее соли, рассматриваемых в курсе неорганической химии. Кроме углерода, в состав органических соединений могут входить элементы: водород, хлор, кислород, азот, фосфор и др.

Таким образом, органическая химия – это химия соединений углерода. Она изучает строение, свойства и применение органических соединений.

Органические вещества были известны еще в древние времена: люди знали о брожении виноградного сока, в результате чего образуется спирт, получали уксусную кислоту при скисании вина, некоторые красители, например индиго, из растений. Уже в древности люди пользовались такими органическими веществами, как масла, жиры, сахар, крахмал, смолы и т.п.

Органическая химия имеет  исключительно важное научное и  практическое значение. Объектом её исследований в настоящее время являются более 20 млн. соединений синтетического и  природного происхождения. Поэтому  органическая химия стала крупнейшим и наиболее важным разделом современной  химии.

Природные органические вещества и их превращения лежат в основе явлений Жизни. Поэтому органическая химия является химическим фундаментом биологической химии и молекулярной биологии - наук, изучающих процессы, происходящие в клетках организмов на молекулярном уровне. Исследования в этой области позволяют глубже понять суть явлений живой природы.

Значение органической химии  возрастает. С ее помощью изучаются  процессы в клетках организма, разрешаются  энергетические проблемы, проблемы защиты растений, увеличения их урожайности, повышения продуктивности животноводства.

Промышленность органических соединений имеет большое значение для развития всей экономики страны, химизации народного хозяйства, улучшения быта людей.

Множество синтетических органических соединений производится промышленностью для использования в самых разных отраслях человеческой деятельности. Это - нефтепродукты, горючее для различных двигателей, полимерные материалы (каучуки, пластмассы, волокна, пленки, лаки, клеи и т.д.), поверхностно-активные вещества, красители, средства защиты растений, лекарственные препараты, вкусовые и парфюмерные вещества и т.п. Без знания основ органической химии современный человек не способен экологически грамотно использовать все эти продукты цивилизации.

Стремительное развитие методов  синтеза и исследований органических соединений открывает широкие возможности  для получения веществ и материалов с заданными свойствами.

Одним из наиболее востребованных в крупно- и мелкотонажном органическом синтезе классом органических соединений являются карбонильные соединения алифатического ряда.

Способность оксо- и окси-кислот участвовать в различных превращениях определила их основное применение в качестве исходных соединений для синтеза разнообразных органических веществ.

В этой связи проведение комплексных теоретических и практических исследований в области изучения строения и реакционной способности карбонильных соединений является актуальной задачей.

Целью курсовой работы является исследование структуры и свойств  оксо- и оскикислот.

Задачи:

- проанализировать и обобщить сведения из дополнительной литературы по теме «Оксо- и оксикислоты»;

- дать подробную характеристику оксо- и окси-кислотам;

- выявить связи между строением и реакционной способностью изучаемых классов соединений;

- выявить различия в физических свойствах оксо- и окси-кислот;

- изучить основные способы получения альдегидов и кетонов;

-выявить факторы влияющие на химическую активность карбонильных соединений;

- изучить окислительно-восстановительные  реакции с участием оксо- и окси-кислот;

- исходя из реакционной способности сделать вывод о сферах применения исследуемых классов соединений.

 

 

 

 

 

 

Глава 1 Оксикислоты

1.1 Номенклатура и изомерия оксикислот

В названиях оксикислот широко используются систематическая, рациональная, тривиальная номенклатуры.

 

                       

                          2 – оксипропановая кислота

                          α – оксипропионовая кислота

                                молочная кислота

Табл.1

Важнейшие представители  оксикислот

Название кислоты	Формула	Примечание
Оксоэтановая (гликолевая)		Содержится в незрелом винограде и других растениях.
2-оксипропановая (молочная)		Содержится в мышечных тканях, кисломолочных продуктах
2-оксибутадиовая (яблочная)		Встречается в кислых сортах яблок и других фруктах.
2,3 – диоксибутандиовая кислота (винная)		Содержится в винограде  и других фруктах.
2 – оксипропан – 1,2,3 – трикарбоновая (лимонная)		Содержится в цитрусовых и других фруктах.
2 – окси – 2 – фенилэтановая кислота (миндальная)		Содержится в гликозидах миндаля.
2 – оксибензойная (салициловая)		Соли применяются для  консервирования, применяется в  фармации.
3,4,5 – триоксибензойная  кислота (галловая)		Встречается в дубовой  коре, листьях чая.

 

В ряду гидроксикислот структурная изомерия связана с изомерией цепи и положением гидроксильных групп. Для гидроксикислот, содержащих асимметрические атомы углерода, характерна пространственная оптическая изомерия.

Среди органических соединений встречаются вещества, способные  вращать плоскость поляризации  света. Это явление называют оптической активностью, а соответствующие  вещества - оптически активными. Оптически активные вещества могут существовать в виде пары - изомеров, все физические и химические свойства которых в обычных условиях одинаковы, за исключением одного - знака вращения плоскости поляризации. Если один из изомеров имеет, например, удельное вращение +20°, то другой - удельное вращение -20°.

Оптическая изомерия появляется в тех случаях, когда в молекуле присутствует асимметрический атом. Чаще всего это sp³-гибридный атом углерода, связанный с четырьмя неодинаковыми заместителями, при этом возможны два способа расположения заместителей вокруг асимметрического тетраэдрического атома (т. наз. две абсолютные конфигурации). Эти пространственные формы нельзя совместить никаким вращением; одна из них является зеркальным отображением другой. Такое свойство называется хиральностью, а молекулы, обладающие этим свойством – хиральными. В системах такого типа асимметрический атом называют хиральным центром.

Нужно иметь в виду, что  хиральность – понятие геометрическое, т.е. присущее всему материальному миру, а не только химии. Например, любую спираль с левым вращением можно рассматривать как энантиомер такой же, но правой, спирали.

Асимметрическим может быть атом не только углерода, но и другого  элемента. Например, известны хиральные соли аммония:

В некоторых случаях хиральность возникает и при отсутствии хирального центра как такового, например в замещенных алленах:

Рассмотренный вид изомерии называют оптической (зеркальной) изомерией или энантиомерией. Обе изомерные формы составляют пару так называемых оптических (зеркальных) антиподов или энантиомеров.

Для условного изображения  оптически активных соединений на плоскости  пользуются проекционными формулами Э.Фишера. Их получают, проецируя на плоскость атомы, с которыми связан асимметрический атом углерода. При этом сам асимметрический атом, как правило, опускают, сохраняя лишь перекрещивающиеся линии связей и символы заместителей. Чтобы помнить о об их пространственном расположении, в проекционных формулах иногда сохраняют прерывистую вертикальную линию, которая означает, что верхний и нижний заместитель удалены за плоскость чертежа. Ниже приведены различные способы записи проекционной формулы, отвечающие левому из энантиомеров на рисунке:

Примеры:

Левовращающий антипод бутанола-2, что обозначается знаком (-), имеет  абсолютную пространственную конфигурацию, выражаемую именно приведенной выше формулой, а ее зеркальное отображение отвечает правовращающему бутанолу-2. Установление абсолютной конфигурации оптически активных соединений проводится экспериментально (обычно, методом рентгеноструктурного анализа), т.к. определенной закономерности между ней и знаком вращения плоскости поляризованного света не установлено. Поэтому для многих природных соединений абсолютная конфигурация хиральных центров до сих пор не известна, удается установить лишь относительную, т.е. конфигурацию по отношению к родственному оптически активному соединению.

Каждый энантиомер может быть изображен двенадцатью различными проекциями Фишера - в зависимости от того, с какой стороны мы смотрим на модель. Для стандартизации проекционных формул, введены определенные правила их написания. Так, старшую функцию, если она находится в конце цепи, принято ставить наверху, главную цепь изображать вертикально.

Для того, чтобы сопоставлять "нестандартно" написанные проекционные формулы, надо знать следующие правила их преобразования.

Формулы можно вращать в плоскости чертежа на 180°, не меняя их стереохимического смысла:

Две (или любое четное число) перестановок заместителей у  одного асимметрического атома тоже не меняют стереохимического смысла формулы:

Одна (или любое нечетное число) перестановок заместителей у  асимметрического центра приводит к  формуле оптического антипода:

Поворот в плоскости чертежа на 90° превращает проекцию в антиподную. Это правило нарушается, если при этом одновременно изменить условие расположения заместителей относительно плоскости чертежа, т.е. считать, что теперь боковые заместители находятся за плоскостью чертежа, а верхний и нижний - перед ней. Если пользоваться формулой с пунктиром, то изменившаяся ориентация пунктира прямо напомнит об этом:

Вместо перестановок проекционные формулы можно преобразовывать  в эквивалентные путем вращения любых трех заместителей по часовой  стрелке или против нее, не изменяя  положения четвертого заместителя (такая операция эквивалентна двум перестановкам):

Проекционные формулы  нельзя выводить из плоскости чертежа (т.е. нельзя, например, рассматривать  их "на просвет" с обратной стороны  бумаги - при этом стереохимический смысл формулы изменится на противоположный).