Оттекті органикалық қосылыстар

Оқулықтық тірек

• М. Қ. Оспанова, Қ. С. Аухадиева, Т. Г. Белоусова «Химия. 9-сынып», 2-бөлім, 9-сынып, Мектеп, 2019, 147–155, 159, 164 б.
• М. Б. Усманова, Б. С. Тантыбаева, З. С. Даутова, М. В. Попова «Химия. 11-сынып» (ЖМ бағыт), 2-бөлім, 11-сынып, Атамұра, 2020, 28–29, 31–32, 35, 38, 42–44, 53–57 б.
• Оспанова М. Қ., Аухадиева Қ. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ҚГБ), 11-сынып, Мектеп, 2019 (орыс тіліндегі басылым), 128, 132–134, 140–141, 160-б.
• М. Б. Усманова, Б. С. Тантыбаева, З. С. Даутова, М. В. Попова «Химия. 11-сынып» (ЖМ бағыт), 2-бөлім, 11-сынып, Атамұра, 2020, 27, 59–60-б.

Негізгі ұғымдар

• Оттекті органикалық қосылыстарда $C$ мен $H$-тан басқа оттек бар; класты функционалдық топ анықтайды.
• Спирттер $ROH$ ($-OH$ гидроксил тобы); қаныққан біратомдылар $C_nH_{2n+1}OH$. Біратомды (метанол, этанол) және көпатомды (екі атомды этиленгликоль, үш атомды глицерин).
• Альдегидтер $R{-}CHO$, кетондар $R{-}CO{-}R'$ — карбонил тобы $>C{=}O$ бар.
• Карбон қышқылдары $R{-}COOH$ — карбоксил тобы $-COOH$ (карбонил + гидроксил).
• Күрделі эфирлер $R{-}COO{-}R'$; майлар — глицерин мен жоғары май қышқылдарының толық эфирлері (триглицеридтер).

Теория

1. Спирттер

• Метанол өнеркәсіпте синтез-газдан: $CO + 2H_2 \xrightarrow{Cu,\ ZnO;\ 220-300^\circ C;\ 5-20\ МПа} CH_3OH$.
• Этанол: қантты заттарды ашыту (ферменттер, ашытқы) $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$; қазіргі тәсіл — этиленді гидратациялау: $C_2H_4 + H_2O \xrightarrow{H_3PO_4} C_2H_5OH$.
• Метанол — өте улы мөлдір сұйықтық, $t_{қайн} = 64{,}5^\circ C$; этанол — иісті, сумен кез келген қатынаста араласады, $t_{қайн} = 78{,}3^\circ C$.
• Этанол жанады: $C_2H_5OH + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 3H_2O$; концентрлі $H_2SO_4$-пен $140^\circ C$-тан жоғары қыздырғанда этилен түзеді.
• Қолданылуы: метанол — полимерлер, еріткіш; этанол — тамақ өнеркәсібі, медицинада залалсыздандырғыш.
• Этиленгликоль $CH_2OH{-}CH_2OH$, глицерин $CH_2OH{-}CHOH{-}CH_2OH$ — көпатомды спирттер.

2. Карбонил тобы. Көміртек $sp^2$-гибридтенген, $\sigma$-байланыстар бір жазықтықта, бұрыш $\approx 120^\circ$. Топ қатты полярлы: $C^{\delta+}$, $O^{\delta-}$. Мысалдар: метаналь $HCHO$, этаналь $CH_3CHO$, ең қарапайым кетон — ацетон (пропанон) $CH_3COCH_3$ (кетонға екі радикал керек, сондықтан бір көміртекті кетон жоқ).

3. Альдегидтер мен кетондарды алу

• Біріншілік спирттің тотығуынан — альдегид, екіншіліктен — кетон (тотықтырғыштар $CuO$, $K_2Cr_2O_7$, $CrO_3$): $CH_3CH_2OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3CHO + Cu + H_2O$; бутанол-2 → бутанон.
• Кучеров реакциясы: $HC{\equiv}CH + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+},\ H^+} CH_3CHO$; ацетилен гомологтарынан кетондар (пропиннен — ацетон).
• Өнеркәсіпте: $2CH_3OH + O_2 \rightarrow 2HCHO + 2H_2O$ (темір-молибден катализаторы); этиленді $CuCl_2/PdCl_2$ қатысында тотықтырып сірке альдегиді (Вакер процесі).

4. Нуклеофильді қосылу. Нуклеофил $Nu^-$ карбонилдің $C^{\delta+}$ атомына шабуылдап, $\pi$-байланысты ашады, оттекке $H^+$ қосылады: $R_2C{=}O + Nu{-}H \rightarrow R_2C(OH)(Nu)$.

• $HCN$-мен — циангидрин: $CH_3CHO + HCN \rightarrow CH_3CH(OH)CN$, гидролизден сүт қышқылы $CH_3CH(OH)COOH$;
• $NaHSO_3$-пен — кристалды туынды (альдегидті қоспадан бөліп алу);
• сумен — гидраттар; спирттермен — жартылай ацеталь, одан ацеталь. Альдегидтер кетондардан белсенді: кетонда екі радикалдың электрон беру әсері мен кеңістіктік кедергі бар.

5. Карбон қышқылдары. Карбонилдің полярлығы $O{-}H$ байланысын күшейте полярлайды — сутек протон түрінде оңай бөлінеді, сондықтан қышқылдық спирттерден айқын.

• Диссоциация (қайтымды): $CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+$; индикатор түсі өзгереді. Құмырсқа қышқылы — орта күшті, қалғандары әлсіз электролиттер.
• Белсенді металдармен: $2CH_3COOH + Mg \rightarrow (CH_3COO)_2Mg + H_2\uparrow$;
• негіздермен: $CH_3COOH + NaOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O$;
• әлсіз қышқыл тұздарымен: $CH_3COOH + NaHCO_3 \rightarrow CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$;
• күшті минерал қышқыл карбон қышқылын ығыстырады: $CH_3COONa + HCl \rightarrow CH_3COOH + NaCl$.
• Құмырсқа қышқылы $HCOOH$ альдегид сияқты оңай тотығып, «күміс айна» реакциясын береді; концентрлі $H_2SO_4$-пен қыздырғанда $CO$ бөледі.

6. Этерификация. $R{-}COOH + R'{-}OH \rightleftharpoons R{-}COOR' + H_2O$; катализатор әрі су тартқыш — концентрлі $H_2SO_4$. Реакция қайтымды: тепе-теңдікті эфир жаққа ығыстыру үшін суды алып тастайды немесе бір реагентті артық алады. Механизм: карбонил оттегі протондалады → спирттің оттегі (нуклеофил) карбонил көміртегіне қосылады → тетраэдрлік аралық күй → су бөлінеді → протон кетіп, эфир түзіледі. Қорытынды: эфирге қышқылдан — ацил бөлігі, спирттен — алкил бөлігі кіреді; қышқылдың $-OH$ тобы су құрамында кетеді.

7. Майлар — триглицеридтер $C_3H_5(OCOR)_3$.

• қаныққан қышқылдар: пальмитин $C_{15}H_{31}COOH$, стеарин $C_{17}H_{35}COOH$ — қатты (жануар) майлар;
• қанықпаған: олеин $C_{17}H_{33}COOH$ (бір қос байланыс), линол $C_{17}H_{31}COOH$ (екі қос байланыс), линолен — сұйық (өсімдік) майлар. Майлар суда ерімейді, органикалық еріткіштерде ериді, судан жеңіл.

Фенол $C_6H_5OH$ — $OH$ бензол сақинасымен тікелей байланысқан. Сақина әсерінен $OH$ сутегі қозғалғыш, сондықтан фенол спирттерден айырмашылығы — әлсіз қышқыл, сілтілермен әрекеттеседі; натриймен: $2C_6H_5OH + 2Na \to 2C_6H_5ONa + H_2$. Ақ кристалл, улы, күйдіреді.

Спирттер (бір- және көпатомды) натриймен сутек бөліп әрекеттеседі. Альдегидтердің сапалық реакциялары: $Ag_2O$ аммиак ерітіндісімен «күміс айна» ($RCHO \to RCOOH$); $Cu(OH)_2$-мен қыздырғанда көк тұнба алдымен сары $CuOH$, сосын қызыл $Cu_2O$ береді. Кетондар бұл реакцияларды бермейді. Майларды сілтімен сабындау глицерин мен жоғары май қышқылдарының тұздарын (сабын) береді.

Көпатомды спирттердің сапалық реакциясы. Жаңа дайындалған $Cu(OH)_2$ тұнбасына ($CuSO_4 + 2NaOH$) глицерин қосып шайқаса, тұнба еріп, қою көк мыс (II) глицераты түзіледі.

Майлардың гидролизі. Қышқылдық гидролизде глицерин мен май қышқылдары, сілтілік гидролизде (сабындану) глицерин мен сабын түзіледі: $(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5 + 3NaOH \rightarrow C_3H_5(OH)_3 + 3C_{17}H_{35}COONa$ (натрий стеараты).

Формулалар / ережелер

Класс	Функционалдық топ	Жалпы формула	Мысал
Спирттер	$-OH$	$C_nH_{2n+1}OH$	$C_2H_5OH$ этанол
Альдегидтер	$-CHO$	$R{-}CHO$	$CH_3CHO$ этаналь
Кетондар	$>C{=}O$	$R{-}CO{-}R'$	$CH_3COCH_3$ пропанон
Карбон қышқылдары	$-COOH$	$R{-}COOH$	$CH_3COOH$ этан қышқылы
Күрделі эфирлер	$-COO-$	$R{-}COO{-}R'$	$CH_3COOC_2H_5$

Мысалдар

1. 6 моль метанол алу үшін қанша моль бастапқы газ керек? $CO + 2H_2 \rightarrow CH_3OH$: 6 моль $CO$ + 12 моль $H_2$ = 18 моль.
2. 80 г 96%-тік этанолдан қанша литр этилен (қ. ж.) алынады? $m(C_2H_5OH) = 76{,}8$ г; $n = 76{,}8/46 \approx 1{,}67$ моль; $V = 1{,}67\cdot 22{,}4 \approx 37{,}4$ л.
3. Сірке қышқылы мен этанолды қалай ажыратуға болады? $NaHCO_3$ қосқанда тек қышқылдан $CO_2$ көпіршігі бөлінеді; индикатор да тек қышқылда түсін өзгертеді.
4. Метан қышқылы мен метанолдан қандай эфир түзіледі? $HCOOH + CH_3OH \rightleftharpoons HCOOCH_3 + H_2O$ — метилформиат.

ҰБТ-дағы жиі қателер

• Спирттің $-OH$ тобын карбоксилмен $-COOH$ шатастыру; кетонды $R{-}CHO$ деп жазу.
• Нуклеофил карбонил оттегіне шабуылдайды деп айту — шабуыл көміртекке.
• Альдегидтер мен кетондардың белсенділігін бірдей деп санау (альдегид белсендірек).
• Карбон қышқылдары толық диссоциацияланады деп ойлау — олар әлсіз (құмырсқа қышқылы — орта күшті).
• Этерификацияны қайтымсыз деп санау; эфирге қышқылдың $-OH$ тобын қосып жазу.
• Майларды күрделі эфирлерге жатқызбау; глицеринді біратомды спирт деп санау; қатты майлар қанықпаған қышқылдардан тұрады деп шатастыру.

Өзіңді тексер

1. Біріншілік және екіншілік спирттердің тотығу өнімдері қандай? — Біріншілік — альдегид, екіншілік — кетон.
2. Этанолды алудың екі тәсілі? — Глюкозаны ашыту және этиленді $H_3PO_4$ қатысында гидратациялау.
3. Неге карбон қышқылдары спирттерден күшті қышқыл? — Карбонилдің полярлығы $O{-}H$ байланысындағы сутекті протон түрінде оңай бөлінуге мәжбүрлейді.
4. Этерификацияда түзілген су құрамындағы оттек қайдан келеді? — Қышқылдың гидроксил тобынан.
5. Өсімдік майлары неге сұйық? — Құрамында қанықпаған (олеин, линол) қышқылдардың қалдықтары басым.