Функционални групи
🍷 Две вещества имат една и съща формула – : по два въглеродни, шест водородни и един кислороден атом. Първото е етанолът – течността във виното, която кипи при 78 °C и се смесва с вода в каквото и да е отношение. Второто е диметиловият етер – газ, който кипи при −24 °C и се използва като пропелант в спрейовете. Цялата разлика е къде е кислородът: в етанола той е в групата −OH, а в етера е „затворен“ между два въглеродни атома. Малката група атоми, която определя характера на цялата молекула, се нарича функционална група.
1. Какво е функционална група
Функционална група
Въглеводородният скелет (вериги и пръстени от урока за въглеводородите) е сравнително инертен. Реакциите почти винаги протичат при функционалната група – затова, ако знаем как реагира етанолът, знаем и как реагира пропанолът. Името на съединението също се строи от скелета (мет-, ет-, проп-, бут-…) и окончание или представка за групата.
халогенопроизводни
група −F, −Cl, −Br, −I · представка хлоро-, бромо-…
пример: хлороетан
алкохоли
група −OH · -ол
пример: етанол
феноли
група −OH при бензеновия пръстен · -ол
пример: фенол
етери
група −O− · … етер
пример: диетилов етер
алдехиди
група −CHO · -ал
пример: етанал
кетони
група >C=O · -он
пример: пропанон
карбоксилни киселини
група −COOH · -ова киселина
пример: етанова киселина
естери
група −COO− · -илов …-оат
пример: метилов етаноат
амини
група −NH₂ · -амин
пример: метиламин
амиди
група −CONH₂ · -амид
пример: етанамид
Пример
Именувайте и .
- И двете молекули имат по три въглеродни атома – основата на името е „пропан“.
- В първата има група в края на веригата: пропан-1-ол (цифрата показва при кой въглерод е групата).
- Във втората има група : пропанал. При алдехидите не пишем цифра – групата винаги е в края.
Молекулна формула: C₂H₅Cl · Към кой клас е веществото?
💡 Гледай не само кои атоми има, а и с какво са свързани. Групата −OH е алкохолна при наситен въглерод и фенолна при ароматния пръстен; групата C=O е алдехидна в края на веригата и кетонна в средата ѝ; кислородът в −COO− е естерен, ако след него има въглерод, и киселинен, ако има водород.
2. Халогенопроизводни
Ако във заменим водороден атом с , получаваме халогенопроизводно: хлорометан , дихлорометан , трихлорометан (хлороформ) . Халогенът се означава с представка и номер: 2-бромопропан. Връзката C−Hal е полярна, а халогенът лесно се заменя с други групи – затова халогенопроизводните са важни междинни вещества в синтеза. Как точно става заместването, ще видим в Механизми на органичните реакции.
Някои халогенопроизводни имат лоша слава: (хлорофлуоровъглеводороди) са били идеални хладилни агенти – неотровни и негорливи, но в стратосферата се разпадат от ултравиолетовата светлина и хлорът им разрушава . от 1987 г. постепенно ги забранява.
3. Алкохоли
Алкохоли
Групата −OH прави алкохолите много по-различни от въглеводородите. Между молекулите им се образуват (виж Форма на молекулите и междумолекулни сили), затова алкохолите кипят много по-високо от въглеводородите с близка маса, а първите от тях се смесват с вода без ограничение.
| Вещество | Формула | ||
|---|---|---|---|
| бутан | 58 | −1 | |
| пропанал | 58 | 48 | |
| пропанон | 58 | 56 | |
| пропан-1-ол | 60 | 97 | |
| метилов метаноат | 60 | 32 | |
| етанова киселина | 60 | 118 |
Таблицата показва вещества с почти еднаква . Без водородни връзки (бутанът, естерът) кипенето е ниско; полярната група C=O го повишава (алдехид, кетон); група OH – още повече; а карбоксилните киселини образуват двойки молекули (димери), свързани с две водородни връзки, и кипят най-високо.
Химични свойства на алкохолите
Метанолът е много отровен – няколко грама могат да причинят слепота, а около 30 mL (според различни източници – и по-малко) могат да убият. Етанолът също е отрова, но много по-слаба. Многовалентни алкохоли са етан-1,2-диолът (етиленгликол – в антифриза) и пропан-1,2,3-триолът (глицерол – в кремовете и мазнините). Многовалентните алкохоли с OH групи при съседни въглеродни атоми разтварят прясно утаения до тъмносин – така ги различаваме от едновалентните.
4. Феноли
Ако групата −OH е свързана направо с бензеновия пръстен, веществото е фенол. Пръстенът „дърпа“ електронна плътност от кислорода и връзката O−H се къса по-лесно. Затова фенолът е по-силна от алкохолите ( срещу около 16 за етанола) и за разлика от тях реагира с основи:
Фенолът е обаче по-слаба киселина от въглената и не отделя от карбонатите. С железен(III) хлорид дава виолетово оцветяване, а с бромна вода – бяла от 2,4,6-трибромофенол. Под името „карболова киселина“ Джоузеф Листър го използва през 1867 г. за първите антисептични операции.
5. Алдехиди и кетони
Карбонилни съединения
Алдехидите се окисляват лесно до карбоксилни киселини – това ги различава от кетоните. На него се основават двете класически проби: с амонячен разтвор на сребърен по стените на епруветката се отлага сребро („сребърно огледало“), а с меден(II) при загряване се образува тухлено-червена утайка от . Опростено:
Метаналът (формалдехидът) е газ с остра миризма; разтворът му във вода (формалин) консервира биологични препарати. Пропанонът (ацетонът) е – в лаковете за нокти и в лабораторията. Алдехиди и кетони има и в природата: ароматът на канелата се дължи главно на канелалдехида, а на ванилията – на ванилина.
Пример
Как с химична реакция да различим пропанал от пропанон? И двете вещества имат формула .
- Добавяме амонячен разтвор на сребърен оксид и затопляме.
- Пропаналът (алдехид) дава сребърно огледало; пропанонът (кетон) – не.
алкохол
Първичен алкохол. Добави окислителя.
Проба за алдехид (реакция на сребърното огледало): отрицателна
💡 Окислителят откъсва водородния атом от OH групата и водороден атом от въглерода, който носи OH. Затова решаващо е колко H атома има при този въглерод: два (първичен) – окисление до алдехид и после до киселина; един (вторичен) – до кетон; нула (третичен) – не се окислява. Оранжевите дихроматни йони Cr₂O₇²⁻ се редуцират до зелени Cr³⁺ – на тази промяна на цвета се основаваха старите дрегери.
6. Карбоксилни киселини
Карбоксилни киселини
Карбоксилните киселини са : в 0,1 mol/L разтвор на оцетна киселина се дисоциира само около 1,3% от молекулите (за константите на дисоциация и виж Киселини, основи и pH). Все пак те са по-силни от въглената киселина и от фенола и имат всички общи свойства на киселините:
- с активни метали:
- с основи:
- с карбонати: – „шуменето“ при гасене на сода бикарбонат с оцет
Метановата киселина е изключение – тя има и алдехидна група () и дава сребърно огледало. Тя е в отровата на мравките и в космите на копривата. Висшите киселини с 16–18 въглеродни атома (палмитинова, стеаринова, олеинова) влизат в състава на мазнините – за тях е урокът Химия на живота.
7. Естери
Естерификация
Името на естера има две думи: първата идва от алкохола (метилов, етилов…), втората – от киселината (метаноат, етаноат…). Естерът от етанова киселина и етанол е етилов етаноат . Понеже реакцията е обратима, в равновесие остават и изходни вещества. За нея е около 4 (виж Химично равновесие).
Пример
Смесват 1 mol етанова киселина и 1 mol етанол. Колко естер има в равновесие, ако ?
- Нека се образуват mol естер и mol вода; остават mol киселина и mol алкохол.
- Получават се , т.е. естер – добивът е около 67%.
Нисшите естери са летливи течности с приятен плодов мирис – от тях са голяма част от ароматите на плодовете и цветята и изкуствените ароматизатори. Мазнините и восъците също са естери, а – (виж Полимери).
киселина
алкохол
етилов етаноат · C₄H₈O₂ · M = 88 g/mol
На 1 mol киселина и 1,0 mol алкохол в равновесие се превръщат 66,7% от киселината – получават се 58,7 g естер.
💡 Оцветената група −COO− е естерната. Името на естера е от алкохола (с окончание -илов) и киселината (с окончание -оат). Реакцията е обратима; тук е пресметната с константа на равновесие K ≈ 4 (стойност, измерена за етилов етаноат и използвана приблизително за всички). При равни количества се получават само около 2/3 от възможния естер; излишъкът от алкохол или отстраняването на водата изместват равновесието надясно.
8. Етери, амини и амиди
Етерите нямат водород при кислорода и не образуват водородни връзки помежду си – затова кипят ниско. Диетиловият етер е бил една от първите упойки (1846 г.), но е силно запалим.
Амините са производни на амоняка, в които водородните атоми са заменени с въглеводородни остатъци: метиламин , диметиламин . Като амоняка те са основи – азотът свързва със свободната си електронна двойка: . Нисшите амини миришат на риба или амоняк; неприятната миризма на развалена риба е главно от триметиламин.
Амидите съдържат група (или ). За разлика от амините те почти нямат основни свойства. Амидната връзка свързва в (там я наричат пептидна) и в найлона.
9. Как да разпознаем функционалната група
| Реактив | Реагират | Признак |
|---|---|---|
| натрий | алкохоли, феноли, киселини | отделя се водород |
| или | карбоксилни киселини | отделя се (феноли и алкохоли – не) |
| феноли | виолетово оцветяване | |
| бромна вода | феноли (и ненаситени съединения) | обезцветяване; при фенола – бяла утайка |
| амонячен разтвор на | алдехиди | сребърно огледало |
| при загряване | алдехиди | тухлено-червена утайка от |
| / | първични и вторични алкохоли, алдехиди | оранжево → зелено |
Генетична връзка
Разпознаването на неизвестни вещества с проби е обичайна задача в олимпиадите – подобна на шишетата без етикети в урока Йонни реакции и качествен анализ. Днес в лабораториите строежът се определя главно със спектроскопия.
10. Тренажор
Моларни маси, изгаряне на алкохоли, водород от реакция с натрий, сребърно огледало и маса на естер. Десетичните отговори въвеждай като 5,6.
Колко грама етилов метаноат се получават от метанова киселина с излишък алкохол?
11. Функционалните групи около нас
Оцет, вино, ароматизатори, огледала и дрегери – органичните класове са навсякъде.
🥗 Оцет за салатата
Трапезният оцет е 9% разтвор на етанова киселина. Колко грама киселина и колко мола има в 500 g оцет?
🍷 Колко спирт има в бутилка вино
Бутилка вино е 750 mL с алкохолно съдържание 12% об. Колко милилитра и колко грама етанол има в нея? (Плътността на етанола е 0,789 g/mL.)
🍌 Аромат на банан
Ароматът на банан се дължи главно на 3-метилбутилов етаноат . Колко грама естер се получават от 13,2 g 3-метилбутан-1-ол и излишък етанова киселина, ако добивът е 65%?
🪞 Сребърно огледало
Някога огледалата са посребрявали с реакцията на алдехиди с амонячен разтвор на сребърен оксид. Колко грама сребро се отлагат от 2,2 g етанал?
🧪 Формалин
Формалинът е воден разтвор с около 37% метанал . Колко грама и колко мола метанал има в 250 g формалин?
🚔 Старият дрегер
В старите дрегери етанолът от издишания въздух се окислява от оранжевия калиев дихромат до етанова киселина, а дихроматът става зелен: 3C₂H₅OH + 2K₂Cr₂O₇ + 8H₂SO₄ → 3CH₃COOH + 2Cr₂(SO₄)₃ + 2K₂SO₄ + 11H₂O. Колко милиграма K₂Cr₂O₇ реагират с 0,46 mg етанол?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
12. ⚠️ Чести грешки
Алкохолите като основи
✗ Групата OH в етанола го прави основа, като NaOH.
✓ Алкохолите не се дисоциират на ; водните им разтвори са неутрални.
Фенолът е алкохол
✗ Фенолът е ароматен алкохол.
✓ OH при ароматния пръстен прави отделен клас – фенолите са по-кисели и реагират с NaOH.
Окисление на всеки алкохол
✗ Всеки алкохол се окислява до киселина.
✓ Първичните – до алдехид и киселина, вторичните – до кетон, третичните не се окисляват.
Името на естера
✗ е метилов етаноат.
✓ Алкохолът е етанол, киселината – етанова: етилов етаноат.
Естерификацията докрай
✗ 1 mol киселина и 1 mol алкохол дават 1 mol естер.
✓ Реакцията е обратима: при се получават около 2/3 mol.
Алдехид и кетон
✗ Пропанонът дава сребърно огледало.
✓ Пробата е за алдехиди; кетоните не се окисляват лесно.
13. 🎯 Бърз тест
Коя група е характерна за алдехидите?
14. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
15. Обобщение
- ✓ Функционалната група определя свойствата и класа на органичното съединение
- ✓ Алкохоли −OH (-ол): първични → алдехиди → киселини, вторични → кетони, третичните не се окисляват
- ✓ Водородните връзки обясняват високите температури на кипене на алкохолите и киселините
- ✓ Фенолите са по-кисели от алкохолите и реагират с NaOH; проба –
- ✓ Алдехиди −CHO (-ал) дават сребърно огледало; кетони >C=O (-он) – не
- ✓ Карбоксилни киселини −COOH са слаби киселини, но изместват от карбонатите
- ✓ Киселина + алкохол ⇌ естер + вода; естерите се именуват „-илов …-оат“
- ✓ Амините са основи; амидната връзка −CO−NH− е в белтъците и найлона
💡 Интересен факт
3-метилбутиловият етаноат – естерът, който мирише на банан, – е и сигнал за тревога при пчелите. Когато пчела ужили, тя отделя смес от вещества, сред които основно е този естер, и привлича други пчели към мястото. Затова пчеларите съветват да не се яде банан точно преди работа с кошерите – макар че доколко това наистина ядосва пчелите, не е съвсем ясно.