Функционални групи — урок по химия

1. Какво е функционална група

О

Функционална група

Функционалната група е атом или група атоми в органичната молекула, които определят характерните ѝ химични свойства. Съединенията с еднаква функционална група образуват клас и реагират по сходен начин, независимо от дължината на въглеводородния остатък R.

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 $\mathrm{CH_3CH_2CH_2OH}$ и $\mathrm{CH_3CH_2CHO}$ .

И двете молекули имат по три въглеродни атома – основата на името е „пропан“.
В първата има група $-\mathrm{OH}$ в края на веригата: пропан-1-ол (цифрата показва при кой въглерод е групата).
Във втората има група $-\mathrm{CHO}$ : пропанал. При алдехидите не пишем цифра – групата винаги е в края.

Молекулна формула: C₂H₅Cl · Към кой клас е веществото?

верни:0 от 0

💡 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 $\mathrm{CH_3Cl}$ , дихлорометан $\mathrm{CH_2Cl_2}$ , трихлорометан (хлороформ) $\mathrm{CHCl_3}$ . 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

О

Алкохоли

Алкохолите съдържат хидроксилна група

-\mathrm{OH}

, свързана с наситен въглероден атом. Наситените едновалентни алкохоли имат обща формула

\mathrm{C_nH_{2n+1}OH}

. Според броя на въглеродните атоми, свързани с въглерода на OH групата, алкохолът е първичен (един), вторичен (два) или третичен (три).

първичен: пропан-1-ол

вторичен: пропан-2-ол

третичен: 2-метилпропан-2-ол

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	$M,\ \mathrm{g/mol}$	$t_{\text{кип}},\ ^\circ\mathrm{C}$
бутан	$\mathrm{C_{4}H_{10}}$	58	−1
пропанал	$\mathrm{C_{3}H_{6}O}$	58	48
пропанон	$\mathrm{C_{3}H_{6}O}$	58	56
пропан-1-ол	$\mathrm{C_{3}H_{8}O}$	60	97
метилов метаноат	$\mathrm{C_{2}H_{4}O_{2}}$	60	32
етанова киселина	$\mathrm{C_{2}H_{4}O_{2}}$	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.

Т

Химични свойства на алкохолите

Изгарят:

\mathrm{C_2H_5OH + 3O_2 \to 2CO_2 + 3H_2O}

. С натрий отделят водород:

\mathrm{2C_2H_5OH} + \mathrm{2Na} \to \mathrm{2C_2H_5ONa} + \mathrm{H_2\uparrow}

. При загряване с концентрирана сярна киселина губят вода (дехидратация) и дават алкен:

\mathrm{C_2H_5OH \to C_2H_4 + H_2O}

. С карбоксилни киселини образуват естери, а при окисление – алдехиди, кетони или киселини.

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 $\mathrm{Cu(OH)_2}$ 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 ( $\mathrm{p}K_a \approx 10$ срещу около 16 за етанола) и за разлика от тях реагира с основи:

$\mathrm{C_6H_5OH + NaOH \to C_6H_5ONa + H_2O}$

Фенолът е обаче по-слаба киселина от въглената и не отделя $\mathrm{CO_2}$ 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

О

Карбонилни съединения

Алдехидите и кетоните съдържат карбонилна група

{>}\mathrm{C{=}O}

. При алдехидите тя е в края на веригата и въглеродът ѝ носи водороден атом (

-\mathrm{CHO}

, окончание -ал); при кетоните е свързана с два въглеродни атома (окончание -он). Наситените алдехиди и кетони имат обща формула

\mathrm{C_nH_{2n}O}

.

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 $\mathrm{Cu_2O}$ . Опростено:

$\mathrm{RCHO + Ag_2O \to RCOOH + 2Ag\downarrow}$

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 $\mathrm{C_3H_6O}$ .

Добавяме амонячен разтвор на сребърен оксид и затопляме.
Пропаналът (алдехид) дава сребърно огледало; пропанонът (кетон) – не.

етанол
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

О

Карбоксилни киселини

Карбоксилните киселини съдържат карбоксилна група

-\mathrm{COOH}

. Наситените едноосновни киселини имат обща формула

\mathrm{C_nH_{2n+1}COOH}

(или

\mathrm{C_nH_{2n}O_2}

). Имената им завършват на -ова киселина: метанова (мравчена)

\mathrm{HCOOH}

, етанова (оцетна)

\mathrm{CH_3COOH}

, бутанова (маслена)

\mathrm{C_3H_7COOH}

.

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: $\mathrm{2CH_3COOH} + \mathrm{Mg} \to \mathrm{(CH_3COO)_2Mg} + \mathrm{H_2\uparrow}$
с основи: $\mathrm{CH_3COOH + NaOH \to CH_3COONa + H_2O}$
с карбонати: $\mathrm{2CH_3COOH} + \mathrm{Na_2CO_3} \to \mathrm{2CH_3COONa} + \mathrm{H_2O} + \mathrm{CO_2\uparrow}$ – „шуменето“ при гасене на сода бикарбонат с оцет

Метановата киселина е изключение – тя има и алдехидна група ( $\mathrm{H{-}CO{-}OH}$ ) 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

Т

Естерификация

Карбоксилна киселина и алкохол образуват естер и вода:

\mathrm{RCOOH + R'OH \rightleftharpoons RCOOR' + H_2O}

. Реакцията е бавна и обратима; катализира се от концентрирана сярна киселина, която свързва и водата. Обратната реакция – хидролизата на естера – в основна среда протича докрай:

\mathrm{RCOOR'} + \mathrm{NaOH} \to \mathrm{RCOONa} + \mathrm{R'OH}

.

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 $\mathrm{CH_3COOC_2H_5}$ . 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 $K = 4$ ?

Нека се образуват $x$ mol естер и $x$ mol вода; остават $1 - x$ mol киселина и $1 - x$ mol алкохол.
$\frac{x^2}{(1 - x)^2} = 4 \Rightarrow \frac{x}{1 - x} = 2 \Rightarrow x = \frac{2}{3}$
Получават се $\frac{2}{3}\ \mathrm{mol}$ , т.е. $\frac{2}{3} \cdot 88 \approx 58{,}7\ \mathrm{g}$ 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

мирис:на лак за нокти; разреден – плодовот:етанова киселина + етанол

алкохол, mol1

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 $\mathrm{R{-}O{-}R'}$ 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 $\mathrm{CH_3NH_2}$ , диметиламин $\mathrm{(CH_3)_2NH}$ . Като амоняка те са основи – азотът свързва със свободната си електронна двойка: $\mathrm{CH_3NH_2 + HCl \to CH_3NH_3Cl}$ . Нисшите амини миришат на риба или амоняк; неприятната миризма на развалена риба е главно от триметиламин.

Амидите съдържат група $-\mathrm{CONH_2}$ (или $-\mathrm{CO{-}NH{-}}$ ). 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
$\mathrm{NaHCO_3}$ или $\mathrm{Na_2CO_3}$	карбоксилни киселини	отделя се $\mathrm{CO_2}$ (феноли и алкохоли – не)
$\mathrm{FeCl_3}$	феноли	виолетово оцветяване
бромна вода	феноли (и ненаситени съединения)	обезцветяване; при фенола – бяла утайка
амонячен разтвор на $\mathrm{Ag_2O}$	алдехиди	сребърно огледало
$\mathrm{Cu(OH)_2}$ при загряване	алдехиди	тухлено-червена утайка от $\mathrm{Cu_2O}$
$\mathrm{K_2Cr_2O_7}$ / $\mathrm{H^+}$	първични и вторични алкохоли, алдехиди	оранжево → зелено

Т

Генетична връзка

Функционалните групи преминават една в друга: алкан → халогенопроизводно → алкохол → алдехид → карбоксилна киселина → естер. Окислението върви надясно (алкохол → алдехид → киселина), редукцията – наляво. Например

\mathrm{CH_3CH_2Cl} \to \mathrm{CH_3CH_2OH} \to \mathrm{CH_3CHO} \to \mathrm{CH_3COOH} \to \mathrm{CH_3COOC_2H_5}

.

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.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

m(\text{киселина}) = 92\ \mathrm{g},\ \eta = 50\%

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.

0 / 6

🥗 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 $\mathrm{C_7H_{14}O_2}$ . Колко грама естер се получават от 13,2 g 3-метилбутан-1-ол $\mathrm{C_5H_{11}OH}$ 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 $\mathrm{HCHO}$ . 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 $\displaystyle \mathrm{OH^-}$ ; водните им разтвори са неутрални.

Фенолът е алкохол

✗ Фенолът $\displaystyle \mathrm{C_6H_5OH}$ 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

✗ $\displaystyle \mathrm{CH_3COOC_2H_5}$ 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 $\displaystyle K \approx 4$ 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

1 / 9

✓ 0

Коя група е характерна за алдехидите?

Избери отговор (или натисни 1–4)

14. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

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 – $\mathrm{FeCl_3}$
✓ Алдехиди −CHO (-ал) дават сребърно огледало; кетони >C=O (-он) – не
✓ Карбоксилни киселини −COOH са слаби киселини, но изместват $\mathrm{CO_2}$ 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.