Лекция 10 - Преподавание органической химии на основе системно-структурного подхода

План лекции:

1. 
   Система курса органической химии
   
2. 
   Особенности изучения теории строения А.М. Бутлерова
   
3. 
   Особенности изучения понятий «изомерии» и «гомологии»
   
4. 
   Обобщение в курсе органической химии
   

Все понятия органической химии сгруппированы в пять групп на основе современной теории строения: понятия химического строения, электронной теории и стереохимические, связанные между собой в единую современную теорию строения органических веществ, понятия высокомолекулярной химии, а также понятия о закономерностях химических реакций.

Бутлеров указывал, что для определения химического строения вещества могут быть использованы все виды реакций: соединения (синтеза), разложения (анализа), двойного обмена (замещения). Бутлеров справедливо считал, что определение строения возможно только в том случае, если строение остатков молекул, непосредственно не затрагиваемых реакцией, будет неизменно.

Из положения теории строения о зависимости химических свойств соединения от его строения вытекают взгляды А.М. Бутлерова на значение структурных формул. Он считал, что для каждого соединения возможна лишь одна структурная формула, причем в будущем, когда будет полностью выяснена зависимость свойств от строения, формула соединения должна выражать все его свойства.

Поставленная Бутлеровым проблема взаимного влияния атомов была развита его учеником В.В. Марковниковым, который посвятил ей свою диссертацию «Материалы по вопросу о взаимном влиянии атомов в химических соединениях» (1869).

Марковников высказал ряд положений, чрезвычайно важных для дальнейшего развития органической химии как в теоретическом, так и в практическом отношении. Таково «правило Марковникова» о порядке присоединения галогеноводородов и хлорноватистой кислоты к несимметричным алкенам, положения о большей легкости замещения атома водорода при третичном углеродном атоме по сравнению с атомами водорода у вторичного и первичного углеродных атомов и замещения атома водорода при вторичном углеродном атоме по сравнению с водородным атомом у первичного углеродного атома. Эти закономерности были подтверждены Марковниковым экспериментальным путем.

Основные положения и следствия теории строения Бутлерова могут быть кратко сформулированы следующим образом.

1. 
   В молекулах соединений существует определенный порядок связи атомов, который и носит название строения.
   
2. 
   Химические свойства соединения определяются составом и строением его молекул.
   
3. 
   Различное строение при одном и том же составе и молекулярной массе вещества обусловливает явление изомерии.
   
4. 
   Так как при отдельных реакциях изменяются не все, а только некоторые части молекул, то, изучая продукты химических превращений соединения, можно установить его строение.
   
5. 
   Химический характер (т. е. реакционная способность) атомов, входящих в молекулу, меняется в зависимости от того, с какими атомами они связаны в данной молекуле.
   

Несмотря на принципиальные различия этих двух понятий, студенты нередко их путают. Поэтому их изучение должно осуществляться индуктивным путем, на конкретных примерах. Сначала рассматривается структурная изомерия, а затем на конкретных примерах — гомология.

С позиций дидактики по характеру использования понятий можно различить понятия опорные, развивающиеся, ознакомительные. Основные понятия — развивающиеся, а опорные способствуют их формированию. Для развивающегося понятия изомерии опорными понятиями служат понятия о качественном и количественном составе веществ, аллотропии и химическом строении. Поэтому это понятие может быть изучено в самом начале курса. Гомология рассматривается позже, в процессе ознакомления с предельными углеводородами.

Отмечаются три этапа формирования понятий гомологии и изомерии:

1. Выделение существенных признаков каждого понятия и его определение.

2. 
   Выявление различия между гомологами и изомерами.
   
3. 
   Изучение разных форм изомерии и изомерии между веществами разных классов.
   

После того как студенты поняли, что гомологи отличаются друг от друга лишь длиной углеродной цепи, им помогают установить связь между этими понятиями — показывают, что углеводороды с четырехчленной и более углеродной цепью могут иметь разные варианты строения, т. е. изомеры. Далее сопоставляют существенные признаки понятий «изомер» и «гомолог» и делают вывод о сходстве и различии между ними.

3. В процессе обучения органической химии по разделам систематически проводятся обобщения: по понятию изомерии, по взаимному влиянию атомов в молекуле, по разновидностям ковалентной химической связи, так как от класса к классу органических соединений этот материал обогащается фактами, расширяется и углубляется. Установление генетической связи между классами органических веществ имеет очень важное мировоззренческое значение.

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции: система курса органической химии, особенности изучения теории строения А.М. Бутлерова, особенности изучения понятий «изомерии» и «гомологии», обобщение в курсе органической химии

1. 
   Обоснуйте отбор содержания и построение курса органической хими
   
2. 
   Какие опорные знания нужны для полноценного усвоения курса органической химии?
   
3. 
   Раскройте значение понятий «гомология» и «изомерия» при изучении органической химии
   

1. В.Ф. Травень. Органическая химия. – М.: Академкнига, 2008. Т.1. 727с.

2. В.Ф. Травень. Органическая химия. – М.: Академкнига, 2008. Т.2. 582с.

3. В.Л. Белобородов, С.Э. Зурабян, А.П. Лузин, Н.А. Тюкавкина. Органическая химия. – М.: Дрофа, 2009. –Кн.2: 592 с.

4. Робертс Дж., Кассерио. Основы органической химии. В 2 т. – М.: Мир, 1978.

5. Терней А. современная органическая химия. В 2 т. –М.: Мир, 1981.

План лекции:

1. 
   Методические особенности преподавания темы «Спирты. Фенолы»
   
2. 
   Методические особенности преподавания темы «Альдегиды. Кетоны»
   
3. 
   Методические особенности преподавания темы «Карбоновые кислоты»
   

Отметить, что для предельных одноатомных спиртов характерны следующие виды изомерии:

• 
  изомерия углеродного скелета;
  
• 
  изомерия положения гидроксильной группы.
  

Рассмотреть строение метанола. Показать распределение электронной плотности внутри молекулы. Оценить полярность связи О–Н в молекуле спирта и, для сравнения, в молекуле воды. Сравнить подвижность протона в данных соединениях. Отметить снижение поляризации связи О–Н в молекуле спирта за счет донорных свойств алкильной группы (+I), и, как следствие, уменьшение подвижности протона. Обратить внимание на роль углеводородных радикалов в проявлении спиртами кислотных свойств (кислотные свойства убывают в ряду спиртов: первичные, вторичные, третичные).

что приводит к некоторым особенностям в физических свойствах (повышенную температуру кипения, хорошую растворимость первых представителей ряда спиртов в воде, уменьшение объема при разбавлении водой).

При рассмотрении химических свойств отметить, что для предельных одноатомных спиртов характерны реакции:

• 
  по месту О–Н связи;
  
• 
  по месту С–О связи;
  
• 
  по С–Н связям в алкильной группе.
  

Рассмотреть реакции, идущие по месту С–О связи. Привести реакции замещения гидроксильной группы на галоген при взаимодействии с галогенводородами и с галогенидами фосфора. При этом следует отметить, что по реакционной способности галогеноводороды располагаются в ряд: HF < HCl < HBr < HI, а реакционная способность спиртов увеличивается от первичных к третичным.

Показать отличия межмолекулярной дегидратации от внутримолекулярной. Процесс идет с участием тех же катализаторов, но при меньшей температуре и приводит к образованию простых эфиров.

По С–Н связям в алкильной группе идут реакции галогенирования, окисления. В случае галогенирования активны С–Н связи окисленного атома углерода.

При окислении в результате каталитического дегидрирования или под действием окислителей из первичных спиртов образуются альдегиды и карбоновые кислоты, из вторичных спиртов – кетоны. Третичные спирты окисляются в жестких условиях с расщеплением углеродного скелета.

Рассмотреть способы получения предельных одноатомных спиртов. Отметить области практического применения наиболее важных представителей.

При рассмотрении строения многоатомных спиртов необходимо отметить, что среди соединений, содержащих несколько гидроксильных групп, устойчивы те, которые у каждого атома С содержат только по одной группе –ОН.

Показать влияние водородной связи на температуру кипения многоатомных спиртов, а также на растворимость в воде.

Сравнить реакционную способность многоатомных и одноатомных спиртов. Отметить, что многоатомные спирты могут вступать в соответствующие реакции одной или несколькими гидроксильными группами и проявляют более выраженные кислотные свойства, чем одноатомные спирты. В отличие от одноатомных спиртов многоатомные легко вступают в реакции не только со щелочными металлами, но и с оксидами и гидроксидами некоторых других металлов. При взаимодействии со спиртами, кислотами, как органическими, так и минеральными, многоатомные спирты образуют простые и сложные эфиры (полные и неполные).

Для многоатомных спиртов, также как и для одноатомных, характерны реакции замещения –ОН группы на галоген, при этом могут замещаться как одна, так и все гидроксогруппы, причем последняя замещается значительно труднее.

Рассмотреть реакции дегидратации внутри- и межмолекулярной. Так, внутримолекулярная дегидратация этиленгликоля приводит к образованию уксусного альдегида, а в случае межмолекулярной дегидратации образуются простые эфиры линейного (полиэтиленгликоль) и циклического строения (диоксан).

На примере этиленгликоля показать многообразие продуктов окисления этиленгликоля.

Рассмотреть области практического применения основных представителей многоатомных спиртов.

При рассмотрении ароматических спиртов привести примеры одно-, двух- и многоатомных фенолов. На их примере разобрать особенности изомерии и номенклатуры.

На примере фенола показать особенности строения ароматических спиртов, уделив особое внимание электронным эффектам, возникающим между бензольным кольцом и гидроксильной группой. Следует отметить, что –ОН группа оказывает отрицательный индуктивный эффект (–I) на ароматическое кольцо, и в то же время положительный мезомерный (+М) за счет неподеленной пары электронов атома О (π–р сопряжение). При этом неподеленная электронная пара смещается в сторону бензольного кольца, что приводит к уменьшению электронной плотности на атоме кислорода и, как следствие, к увеличению полярности связи О–Н и значительной подвижности протона. Поэтому кислотные свойства у фенолов выражены сильнее, чем у предельных спиртов. Следует обратить внимание, что еще большему усилению кислотных свойств будет способствовать введение в бензольное кольцо электроноакцепторных заместителей, например, галогенов или нитрогруппы. Привести примеры таких соединений.

Необходимо отметить, что ярко выраженные кислотные свойства фенолов проявляются в их способности образовывать феноляты даже при действии растворов щелочей, тогда как для предельного спирта необходимо использовать щелочной металл. Данная реакция обратима, поскольку образующиеся феноляты легко подвергаются гидролизу.

В отличие от предельных одноатомных спиртов фенолы труднее образуют простые и сложные эфиры. Так, например простые эфиры нельзя получить межмолекулярной дегидратацией, для их получения используют алкилирование фенолятов. Фенолы не взаимодействуют с карбоновыми кислотами, а сложные эфиры могут быть получены действием ангидридов или галогенангидридов кислот на феноляты.

Привести примеры соответствующих реакций.

В отличие от предельных одноатомных спиртов –ОН группа в фенолах замещается на галоген с большим трудом. Для проведения этой реакции недостаточно действия галогеноводородов, поэтому используют галогениды фосфора.

Необходимо отметить, что наличие в молекуле фенолов бензольного кольца обуславливает возможность реакции электрофильного замещения. При этом с фенолами реакции идут легче, чем с бензолом.

Привести уравнения соответствующих реакций. Обратить внимание на то, что взаимодействие с бромной водой является качественной реакцией на фенолы.

Характерной реакцией для фенола является его способность вступать в реакцию поликонденсации с формальдегидом с образованием фенолформальдегидных смол.

Привести реакции окисления фенола в различных условиях.

Охарактеризовать способы получения ароматических спиртов.

Рассмотреть области практического применения основных представителей многоатомных спиртов.