§ ХI.3. ПРОИЗВОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДОВ

При замещении одного или нескольких атомов водорода в углеводородах на другие атомы или группы атомов, называемых функциональными группами, получают производные углеводородов: галогенопроизводные, спирты, альдегиды, кетоны, кислоты и т. д. Введение той или иной функциональной группы в состав соединения, как правило, коренным образом изменяет его свойства. Например, введение карбокси-группы — приводит к появлению кислотных свойств у органических соединений. Сокращенную формулу производных углеводородов можно записать в виде где — остаток углеводородов (радикал), Ф — функциональная

группа. Например, карбоновую кислоту в общем виде можно представить формулой

Галогенопроизводные углеводородов.

Формулу галогенопроизводного углеводорода можно представить в виде где — галоген; — число атомов галогена. Вследствие полярности связи галоген — углерод галоген относительно легко замещается на другие атомы или функциональные группы, поэтому галогенопроизводные углеводородов широко используются в органическом синтезе. Прочность связи углерод — галоген растет от иода к фтору поэтому фтороуглеводороды имеют высокую химическую устойчивость. Галогенопроизводные углеводородов широко применяются в технике. Так, многие из них (дихлорметан тетрахлорметан дихлорэтан и др.) используются как растворители.

Вследствие высокой теплоты испарения, негорючести, нетоксичности и химической инертности фтороуглероды и смешанные галогенопроизводные нашли применение в качестве рабочих тел в холодильных устройствах — хладонов (фреонов), например: (хладон 12), (хладон (хладон 22), (хладон 114). Хладоны также используются при тушении пожаров. В связи с массовым применением хладонов (фреонов) возникла проблема предотвращения их вредного влияния на окружающую среду, поскольку при испарении хладонов происходит их разложение и взаимодействие галогенов, особенно фтора, с озонным слоем.

Галогенопроизводные предельных углеводородов, например служат исходными мономерами для получения ценных полимеров (поливинилхлорида, фторопласта).

Спирты и фенолы.

Спирты — это производные углеводородов, у которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксидные группы. В зависимости от углеводородов, спирты подразделяются на предельные и непредельные, по числу гидроксидных групп в соединении различают одноатомные (например, и многоатомные (например, глицерин спирты. В зависимости от числа углеродных атомов, соединенных с атомом углерода, у которого расположена гидроксидная группа, различают первичные

вторичные и третичные спирты.

Название спиртов получают добавлением суффикса к названию углеводорода (или -диол, триол и т. д. в случае многоатомных спиртов), а также указанием номера атома углерода, у которого расположена гидроксидная группа, например:

Из-за полярности связи кислород — водород молекулы спиртов полярны. Низшие спирты хорошо растворимы в воде, однако по мере увеличения числа атомов углерода в углеводородном радикале влияние гидроксидной группы на свойства уменьшается и растворимость спиртов в воде понижается. Молекулы спиртов ассоциированы из-за образования водородных связей между ними, поэтому температуры их кипения выше температур кипения соответствующих углеводородов.

Спирты являются амфотериыми соединениями, при воздействии щелочных металлов образуются легко гидролизуемые алкоголяты:

При взаимодействии с галогеноводородными кислотами происходит образование галогенопроизводных углеводородов и воды:

Однако спирты — очень слабые электролиты.

Простейшим из предельных спиртов является метанол который получают из оксида углерода и водорода под давлением, при повышенной температуре в присутствии катализатора:

Учитывая относительную простоту синтеза метанола, возможность получения исходных реагентов из угля, некоторые ученые предполагают, что метанол в будущем найдет более широкое применение в технику, в том числе в транспортной энергетике. Смесь метанола и бензина может быть эффективно использована в двигателях внутреннего сгорания. Недостатком метаиола является его высокая токсичность.

Этанол получают брожением углеводов (сахара или крахмала):

Исходным сырьем в этом случае служат либо пищевые продукты, либо целлюлоза, которую гидролизом превращают в глюкозу. В последние годы все более широкое применение получает метод каталитической гидратации этилена:

Использование метода гидролиза целлюлозы и гидратации этилена позволяет экономить пищевое сырье. Хотя этанол один из наименее токсичных спиртов, однако из-за него гибнет значительно

больше людей, чем из-за любого другого химического вещества.

При замещении водорода ароматического кольца на гидроксидную группу образуется фенол. Под влиянием бензольного кольца полярность связи кислород — водород возрастает, поэтому фенолы диссоциируют в большей степени, чем спирты, проявляют кислотные свойства. Атом водорода в гидроксидной группе фенола может быть замещен на катион металла под воздействием основания:

Фенол широко используется в промышленности, в частности служит сырьем для получения фенолформальдегидных полимеров.

Альдегиды и кетоны.

При окислении и каталитическом дегидрировании спиртов можно получить альдегиды и кетоны — соединения, содержащие карбонильную группу

Как видно, при окислении или дегидрировании первичного спирта получается альдегид, вторичного спирта — кетон. Атом углерода карбонильной группы альдегидов связан с одним атомом водорода и с одним атомом углерода (радикалом). Атом углерода карбонильной группы кетонов связан с двумя атомами углерода (с двумя радикалами).

Названия альдегидов и кетонов производят от названий углеводородов, прибавляя суффиксы -аль в случае альдегида и -он в случае кетона, например:

Связь кислород — углерод карбонильной группы альдегидов сильно поляризована, поэтому альдегиды характеризуются высокой реакционной способностью, они являются хорошими восстановителями, легко вступают в реакции замещения, присоединения, конденсации и полимеризации. Простейший альдегид — метаналь (формальдегид или муравьиный альдегид) склонен к

самопроизвольной полимеризации. Его применяют для получения фенолформальдегидных и мочевиноформальдегидных смол и полиформальдегида.

Кетоны обладают меньшей реакционной способностью, чем альдегиды, так как карбонильная группа менее полярна. Поэтому они труднее окисляются, восстанавливаются и полимеризуются. Многие кетоны, в частности ацетон, являются хорошими растворителями.

Карбоновые кислоты.

У карбоновых кислот функциональной является карбоксильная группа -СООН. В зависимости от числа карбоксильных групп в молекуле кислоты их подразделяют на одно-, двух- и многоосновные, а в зависимости от радикала, связанного с карбоксильной группой, — на алифатические (предельные и непредельные), ароматические, алициклические и гетероциклические. По систематической номенклатуре названия кислот производят от названия углеводорода, добавляя окончание -овая и слово кислота, например — бутановая кислота.

Однако часто применяют тривиальные названия, сложившиеся исторически, например:

Кислоты обычно получают окислением альдегидов. Например, при гидратации ацетилена с последующим окислением образующегося ацетальдегида получают уксусную кислоту:

Недавно был предложен способ получения уксусной кислоты, основанный на реакции метанола с монооксидом углерода в присутствии родиевого катализатора

Кислотные свойства карбоксильной группы обусловлены отщеплением протона при электролитической диссоциации кислот. Отщепление протона связано со значительной поляризованностью связи О-Н, вызванной смещением электронной плотности от атома углерода к атому кислорода карбоксильной группы

Все карбоновые кислоты — слабые электролиты и в химическом отношении ведут себя подобно неорганическим слабым кислотам. Они взаимодействуют с оксидами и гидроксидами металлов, образуя соли.

К одной из особенностей карбоновых кислот можно отнести их взаимодействие с галогеном, приводящее к образованию галогенозамещенных карбоновых кислот. Из-за присутствия галогенов в молекуле кислоты происходит поляризация связи О-Н, поэтому галогенозамещенные кислоты являются более сильными, чем исходные карбоновые кислоты. Со спиртами кислоты образуют сложные эфиры

При замещении гидроксидной группы кислот на аминогруппу образуются амиды кислот, например

Карбоновые кислоты широко применяются в технике. Некоторые из них являются исходными соединениями для получения волокон, пленок и лаков. Например, терефталевая кислота используется для получения лавсана и терилена, адипиновая кислота — найлона, акриловая кислота — органического стекла.

Амины.

При замещении в аммиаке водорода на органические радикалы получают амины. По числу замещаемых радикалов различают первичные вторичные и третичные амины. Амин также можно считать производными углеводородов, у которых водород замещен на аминогруппу

или Амины, как и аммиак, проявляют основные свойства.

При взаимодействии с кислотами они образуют соли

Амины являются исходным сырьем для получения красителей, высокомолекулярных и других соединений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

(см. скан)