Stickstoff ist wie Sauerstoff oft Bestandteil organischer Materie, und seine Verbindungen sind für lebende Organismen unerlässlich.
Stickstoffhaltige Verbindungen sind vielfältiger als sauerstoffhaltige Verbindungen. Dies liegt daran, dass Stickstoff eine höhere Wertigkeit hat und gleichzeitig wie ein Kohlenstoffatom drei Hybridzustände aufweist. Verbindungen mit einer einzigen C-N-Bindung werden Amine genannt, mit einer doppelten C=N-Bindung - Imine, mit einer dreifachen C=K-Bindung - Nitrile.
Der wesentliche Unterschied zwischen Stickstoff und Sauerstoff besteht darin, dass Stickstoff sowohl im reduzierten als auch im oxidierten Zustand in organische Verbindungen eingehen kann. Die Elektronegativität von Stickstoff (x = 3,0) ist höher als die von Kohlenstoff (x = 2,5) und niedriger als die von Sauerstoff (x = 3,5). Wenn Stickstoff an Kohlenstoff und Wasserstoff gebunden ist, dann ist seine Oxidationsstufe -3. In Verbindungen, die eine Nitrogruppe -G) 2 enthalten, ist Stickstoff mit Sauerstoff und Kohlenstoff assoziiert und befindet sich in der Oxidationsstufe +3. Organische Verbindungen mit oxidiertem Stickstoff enthalten einen internen Oxidationsmittelvorrat. Bei Vorhandensein mehrerer Nitrogruppen im Molekül wird die Verbindung explosiv. Substanzen dieser Art umfassen 2,4,6-Trinitrotoluol (TNT).
Reduzierter Stickstoff verleiht organischen Verbindungen die gleichen Eigenschaften wie Sauerstoff: Polarität, Basizität und Acidität, Fähigkeit
bilden Wasserstoffbrückenbindungen. Die Polarität von stickstoffhaltigen Verbindungen ist jedoch geringer und Wasserstoffbrückenbindungen sind schwächer als die von sauerstoffhaltigen Verbindungen. Daher liegen Amine nach einigen physikalischen Eigenschaften zwischen Kohlenwasserstoffen und Alkoholen. Während alle Alkohole unter normalen Bedingungen Flüssigkeiten sind, sind einige Amine gasförmige Substanzen:
stickstofffähig vr 3-Hybridisierung ist ein guter Elektronenpaardonor. Daher weisen Amine, wie wir bereits wissen, ziemlich stark basische Eigenschaften auf. In geringerem Ausmaß werden Donoreigenschaften für Stickstoff im $p 2 -Hybridisierungszustand exprimiert. Die sauren Eigenschaften von stickstoffhaltigen organischen Verbindungen sind viel schwächer als die von sauerstoffhaltigen. Aber mit der Beteiligung von Stickstoffelektronen in Konjugation mit den r-Elektronen und Kohlenstoff treten saure Eigenschaften auf.
Eine der Klassen stickstoffhaltiger Substanzen - Amine. Sogenannte stickstoffhaltige organische Substanzen, bei denen das Stickstoffatom mit Kohlenwasserstoffresten und der entsprechenden Anzahl an Wasserstoffatomen verbunden ist. Abhängig von der Anzahl der Radikale gibt es:
- - primäre Amine NMN 2 ;
- - sekundäre Amine KI/NH;
- - tertiäre Amine KK"K"Y.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Begriffe primäre, sekundäre und tertiäre Amine nicht mit den entsprechenden Begriffen für Alkohole übereinstimmen.
Es gibt homologe Reihen von gesättigten, ungesättigten und aromatischen Aminen. Auch hier gibt es einen Unterschied in der Terminologie beim Vergleich von Alkoholen und Aminen. Bei aromatischen Alkoholen muss die Hydroxogruppe an das Kohlenstoffatom im Rest gebunden sein, nicht an den aromatischen Ring. Bei stickstoffhaltigen Verbindungen gilt auch ein Stoff mit einer NH 2 -Gruppe, die mit einem aromatischen Ring assoziiert ist, als Amin.
Amine mit kleinem Molekulargewicht sind flüssige oder gasförmige Substanzen, die gut wasserlöslich sind. Sie haben einen unangenehmen Geruch, der an den Geruch von Ammoniak erinnert. Der spezifische Fischgeruch wird auch mit dem Vorhandensein von Aminen in Verbindung gebracht. Höhere Amine haben die gleichen Eigenschaften, die in Alkoholen und Säuren festgestellt wurden – die Löslichkeit in Wasser nimmt ab und es tritt Oberflächenaktivität auf.
Amine bekommen. Eines der Verfahren zur Gewinnung von Aminen ähnelt der Gewinnung von Alkoholen. Dies sind die Reaktionen von Halogenderivaten von Kohlenwasserstoffen mit Ammoniak, die nach dem Mechanismus der nukleophilen Substitution ablaufen:
Dabei kann das Amin kein direktes Reaktionsprodukt sein, da der entstehende Chlorwasserstoff mit ihm wie mit einer Base reagiert.
Geben des Aminsalzes. Zum Highlight frei Amin wird das resultierende Salz mit Alkali behandelt:
Das Halogenderivat eines Kohlenwasserstoffs reagiert nicht nur mit Ammoniak, sondern auch mit einem primären Amin. Dabei entsteht ein sekundäres Amin und im nächsten Schritt ein tertiäres Amin:
Amine werden auch durch Hydrierung von Nitrilen erhalten:
Aromatische Amine werden durch Reduktion von Nitroverbindungen erhalten. Als Reduktionsmittel dienen Metalle im sauren Milieu:
Dieses aromatische Amin wird Anilin genannt. Die Reduktionsreaktion von Nitroverbindungen wurde 1842 von N. N. Zinin entdeckt. In der Industrie wird Nitrobenzol durch Wasserstoff über einem Nickelkatalysator bei ~300 °C reduziert. Anilin ist zu einem sehr wichtigen Zwischenprodukt geworden, das für die Herstellung von Farbstoffen, Polymeren, Arzneimitteln usw. verwendet wird. Die Weltproduktion von Anilin beträgt über 1 Million Tonnen pro Jahr.
Chemische Eigenschaften von Aminen. Amine gehören zu den Stoffen, die unter Bildung von CO 2, H 2 0 und Stickstoff N 2 verbrennen können.
Als Basen ähneln Amine dem Ammoniak, aus dem sie durch Austausch von Wasserstoff gegen Kohlenwasserstoffradikale entstehen. Diese Radikale beeinflussen die Stärke der Basen. Die Wirkung von induktiven und mesomeren Effekten auf basische Eigenschaften ist im Allgemeinen entgegengesetzt zu ihrer Wirkung auf saure Eigenschaften. Limitierende Alkohole sind schwächer als Wasser in sauren Eigenschaften und limitierende Amine sind stärker als Ammoniak in basischen; Phenole haben viel stärkere saure Eigenschaften als Alkohole, und Anilin hat viel schwächere basische Eigenschaften als gesättigte Amine.
In gesättigten Aminen erhöht der +/- Effekt des Radikals die Elektronendichte auf Stickstoff, daher steigt die Fähigkeit von Stickstoff, ein Elektronenpaar zu spenden, um eine Donor-Akzeptor-Bindung zu bilden. In Anilin nimmt das Stickstoff-Elektronenpaar an der Konjugation mit aromatischen tt-Elektronen teil und steht weniger für die Bildung einer Donor-Akzeptor-Bindung zur Verfügung. Daher werden die Stoffe nach Abschwächung der Haupteigenschaften in der folgenden Reihe angeordnet:
gesättigte Amine > NH 3 > aromatische Amine.
Beispiel 22.15. In welche Richtung wird das Reaktionsgleichgewicht zwischen Ethylamin und Anilinhydrochlorid verschoben?
Lösung. Ethylamin ist eine stärkere Base als Anilin. Damit verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung Anilinbildung:
Amine als Basen reagieren mit Metallionen zu komplexen Verbindungen. Das Metallion wirkt wie bei Reaktionen mit Ammoniak als Elektronenpaarakzeptor für Stickstoff. Es gibt viele komplexe Verbindungen von Metallen (/-Block mit verschiedenen Aminen. Beim Mischen von Lösungen von Kupfersulfat und Methylamin entsteht eine intensiv gefärbte Lösung mit einem reineren blauen Farbton als bei der Reaktion mit Ammoniak (Absatz 210):
Diamine des Typs rSh 2 CH 2 CH 2 1H 2 ergeben stärkere Komplexe als Monoamine, da jedes Molekül zwei Donor-Stickstoffatome hat und durch zwei Donor-Akzeptor-Bindungen verbunden ist.
Primäre Amine unter Einwirkung von salpetriger Säure (oder Natriumnitrit in saurem Medium) desaminiert, Verwandlung in Alkohol:
Bei primären und sekundären Aminen wird bei Reaktionen mit Halogenderivaten der Wasserstoff der Aminogruppe durch Kohlenwasserstoffreste ersetzt (siehe Herstellung von Aminen). Ein Amin mit einem Säurehalogenid ergibt ein Säureamid, in dem ein an Stickstoff gebundener Rest vorhanden ist:
Tertiäre Amine addieren Halogenderivate von Kohlenwasserstoffen zu vierfach substituierten (quartären) Ammoniumsalzen:
Dies sind kristalline, in Wasser gut lösliche Substanzen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ammoniumsalzen werden sie nicht durch Alkalien hydrolysiert oder zersetzt.
In Anilin und anderen aromatischen Aminen zeigt die NH2-Gruppe einen positiven mesomeren Effekt, der die elektrophilen Substitutionsreaktionen im aromatischen Radikal beschleunigt. Anilin entfärbt Bromwasser und bildet einen weißen Niederschlag von Tribromanilin.
Heteroorganische Verbindungen (schwefel-, sauerstoff- und stickstoffhaltig) unterschiedlicher Struktur und Molekulargewicht sind in unterschiedlichen Anteilen in Destillat- und Rückstandsölfraktionen vorhanden. Besonders schwierig ist es, die Natur und Zusammensetzung hochmolekularer heteroorganischer Verbindungen zu untersuchen, deren Hauptbestandteil Teer-Asphalten-Substanzen sind. Aufgrund freier Elektronenpaare können Schwefel-, Sauerstoff- und Stickstoff-Heteroatome als koordinierendes Zentrum bei der Bildung von Assoziaten in Ölsystemen fungieren.
Schwefelverbindungen gehören zur repräsentativsten Gruppe heteroatomarer Komponenten von Gaskondensat- und Ölsystemen. Der Gesamtschwefelgehalt in Öl- und Gassystemen variiert stark: von Hundertstel Prozent bis zu 6-8 % (Gew.) und mehr. Ein hoher Gehalt an Gesamtschwefel ist charakteristisch für Gaskondensate aus Astrachan, Karatschaganak (0,9%) und anderen Feldern. Der Gehalt an schwefelhaltigen Verbindungen in einigen Ölen erreicht 40 % (Gew.) und darüber, in einigen Fällen besteht das Öl fast vollständig aus ihnen. Im Gegensatz zu anderen Heteroatomen, die überwiegend in CAB konzentriert sind, ist ein erheblicher Anteil an Schwefel in Destillatfraktionen enthalten. In der Regel steigt der Schwefelgehalt in Straightrun-Fraktionen mit steigendem Siedepunkt und Gesamtschwefelgehalt des Ausgangsöls.
Geringe Mengen anorganischer schwefelhaltiger Verbindungen (elementarer Schwefel und Schwefelwasserstoff) sind in Öl- und Gassystemen vorhanden, sie können auch als sekundäre Zersetzungsprodukte anderer schwefelhaltiger Verbindungen bei hohen Temperaturen in den Prozessen der Destillation und destruktiven Verarbeitung gebildet werden. Unter den im Öl gefundenen schwefelhaltigen Verbindungen wurden die folgenden identifiziert (nach Angaben des Institute of Petroleum Chemistry, TF SB RAS).
1. Aliphatische, alicyclische und aromatische Thiole (Mercaptane) R-SH:
C 6 H 5 C n H 2 n +1 SH C n H 2 n +1 C 6 H 5 SH C 10 H 7 SH
Arenoalkanothiole Thionaphthole
2. Thioether (Sulfide) der folgenden Haupttypen:
R-S-R" C 6 H 5 -S-C 6 H 5
Thiaalkane, Thiaalkene, Thiaalkindiarylsulfide
Thiacycloalkane Alkylarylsulfide Arylthiaalkane
(R, R" - gesättigte und ungesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffsubstituenten).
3. Dialkyddisulfide R-S-S-R", wobei R, R" Alkyl-, Cycloalkyl- oder Arylsubstituenten sind.
4. Thiophene und ihre Derivate, von denen die wichtigsten die folgenden Arenothiophene sind:
Alkylbenzothiophene Alkylbenzothiophene Alkyldibenzothiophene
Die Verteilung verschiedener Gruppen schwefelhaltiger Verbindungen in Ölen und in Ölfraktionen unterliegt den folgenden Gesetzmäßigkeiten.
Thiole sind in fast allen Rohölen enthalten, meist in geringen Konzentrationen und machen 2–10 % (Gew.) des Gesamtgehalts an schwefelhaltigen Verbindungen aus. In Gaskondensaten sind es hauptsächlich aliphatische Mercaptane C 1 -C z. Einige Öl- und Gaskondensate und ihre Fraktionen sind natürliche Konzentrate von Mercaptanen, Beispiele dafür sind Benzinfraktionen des übergroßen kaspischen Feldes; Fraktion 40-200°C des Gaskondensats des Orenburg-Feldes, enthaltend 1,24 % (Gew.) Gesamtschwefel, einschließlich 0,97 % Mercaptan; leichte Kerosinfraktion 120–280 °C aus Öl aus dem Tengiz-Feld, die 45–70 % Mercaptan-Schwefel des Gesamtgehalts an schwefelhaltigen Verbindungen enthält. Gleichzeitig entsprechen die Reserven an natürlichen Thiolen in den Kohlenwasserstoffrohstoffen der kaspischen Region dem Niveau ihrer globalen synthetischen Produktion. Natürliche Thiole sind vielversprechende Rohstoffe für die Synthese von Pestiziden (basierend auf symmetrischen Triazinen) und die Odorierung von Flüssiggasen. Der voraussichtliche Bedarf Russlands an Thiolen zur Odorierung liegt derzeit bei 6.000 Tonnen/Jahr.
Thioether machen bis zu 27 % der gesamten schwefelhaltigen Verbindungen in Rohölen und bis zu 50 % in mittleren Fraktionen aus, in schweren Vakuumgasölen ist der Gehalt an Sulfiden geringer. Verfahren zum Trennen von Petroleumsulfiden basieren auf ihrer Fähigkeit, Komplexverbindungen vom Donor-Akzeptor-Typ zu bilden, indem ein einsames Elektronenpaar von einem Schwefelatom auf ein freies Akzeptor-Orbital übertragen wird. Metallhalogenide, Halogenalkyle und Halogene können als Elektronenakzeptoren wirken. Komplexierungsreaktionen mit Erdölsulfiden sind leider nicht selektiv; an der Komplexbildung können auch andere heteroatomare Bestandteile des Öls beteiligt sein.
Dialkyldisulfide kommen nicht in Rohölen vor, sie werden normalerweise bei der Oxidation von Mercaptanen unter milden Bedingungen gebildet und sind daher in Benzinen (bis zu 15 %) vorhanden. Der Hauptanteil schwefelhaltiger Verbindungen in Ölen entfällt auf den sogenannten „Rest“-Schwefel, der nicht mit Standardmethoden bestimmt wird. Thiophene und ihre Derivate überwiegen in ihrer Zusammensetzung, daher wurde "Rest" -Schwefel früher "Thiophen" genannt, jedoch wurden unter Verwendung von Negativionen-Massenspektrometrie zuvor nicht nachweisbare Sulfoxide, Sulfone und Disulfane darin gefunden. In Benzinfraktionen ist der Gehalt an Thiophenderivaten gering, in mittel- und insbesondere hochsiedenden Fraktionen erreicht er 50-80 % der gesamten schwefelhaltigen Verbindungen. Der relative Gehalt an Thiophenderivaten stimmt in der Regel mit dem Aromatizitätsgrad des Ölsystems überein. Schwierigkeiten bei der Isolierung schwefelhaltiger Verbindungen (insbesondere aus hochsiedenden Fraktionen) ergeben sich aus der Nähe der chemischen Eigenschaften von Arenen und Thiophenen. Die Ähnlichkeit ihres chemischen Verhaltens beruht auf der Aromatizität von Thiophenen, die durch den Einbau eines Schwefelheteroatoms in das π-Elektronensystem bis hin zu einem aromatischen Sextett entsteht. Die Folge davon ist eine erhöhte Neigung von Erdölthiophenen zu intensiven intermolekularen Wechselwirkungen.
Sauerstoffverbindungen enthalten in Ölsystemen von 0,1–1,0 bis 3,6 % (Gew.). Mit zunehmendem Siedepunkt der Destillatfraktionen steigt deren Gehalt und der Hauptteil des Sauerstoffs wird in Teer-Asphalten-Substanzen konzentriert. Die Zusammensetzung von Ölen und Destillaten enthält bis zu 20 % oder mehr sauerstoffhaltige Verbindungen.
Unter ihnen werden traditionell Substanzen saurer und neutraler Natur unterschieden. Die Säurekomponenten schließen Carbonsäuren und Phenole ein. Neutrale sauerstoffhaltige Verbindungen werden durch Ketone, Anhydride und Säureamide, Ester, Furanderivate, Alkohole und Lactone repräsentiert.
Das Vorhandensein von Säuren in Ölen wurde vor sehr langer Zeit aufgrund der hohen chemischen Aktivität im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen entdeckt. Die Geschichte ihrer Entdeckung in Öl ist wie folgt. Bei der Gewinnung von hochwertigem Kerosin für Beleuchtungszwecke wurde dieses alkalisch behandelt (Säure-Base-Reinigung) und gleichzeitig die Bildung von Substanzen mit hoher Emulgierfähigkeit beobachtet. Anschließend stellte sich heraus, dass die Emulgatoren Natriumsalze von in Destillatfraktionen enthaltenen Säuren sind. Die Extraktion mit wässrigen und alkoholischen Laugenlösungen ist nach wie vor ein klassisches Verfahren zur Extraktion saurer Bestandteile aus Ölen. Gegenwärtig basieren Verfahren zur Isolierung von Säuren und Phenolen auch auf der Wechselwirkung ihrer funktionellen Gruppen (Carboxyl- und Hydroxylgruppen) mit beliebigen Reagenzien.
Carbonsäuren sind die am besten untersuchte Klasse von sauerstoffhaltigen Ölverbindungen. Der Gehalt an Erdölsäuren nach Fraktionen variiert in extremer Abhängigkeit, deren Maximum in der Regel auf leichte und mittlere Ölfraktionen fällt. Verschiedene Arten von Petroleumsäuren wurden durch Chromato-Massenspektrometrie identifiziert. Die meisten von ihnen sind monobasisch (RCOOH), wobei fast jedes Fragment von Kohlenwasserstoffen und heteroorganischen Ölverbindungen als R verwendet werden kann. Es ist seit langem bekannt, dass die Gruppenzusammensetzungen von Säuren und Ölen einander entsprechen: In Methanölen überwiegen aliphatische Säuren, in naphthenischen Ölen überwiegen naphthenische und naphthenoaromatische Säuren. Es wurden aliphatische Säuren von C 1 bis C 25 mit linearer Struktur und einige mit verzweigter Struktur gefunden. Dabei stimmt das Verhältnis von n-Alkansäuren und verzweigten Säuren in Petrolsäuren mit dem Verhältnis der entsprechenden Kohlenwasserstoffe in Ölen überein.
Aliphatische Säuren werden hauptsächlich durch n-Alkansäuren repräsentiert. Von den verzweigten Säuren sind diejenigen, die einen Methylsubstituenten in der Hauptkette enthalten, häufiger. Alle niederen Isomere dieses Typs finden sich in Ölen bis hinunter zu C 7 . Eine weitere wichtige Gruppe aliphatischer Säuren sind Isoprensäuren, unter denen Prestan- (C 19) und Phytan- (C 20) Säuren dominieren.
Alicyclische (Naphtensäuren) Ölsäuren sind Monocyclocarbonsäuren - Derivate von Cyclopentan und Cyclohexan; polyzyklisch kann bis zu 5 Ringe enthalten (Daten für kalifornisches Öl). Die COOH-Gruppen in den Molekülen monocyclischer Säuren sind direkt mit dem Ring verbunden oder befinden sich am Ende von aliphatischen Substituenten. Es können bis zu drei (meistens Methyl) Substituenten im Zyklus vorhanden sein, von denen die häufigsten Positionen 1, 2 sind; 13; 1, 2, 4; 1, 1, 3 und 1, 1, 2, 3.
Aus Ölen isolierte Moleküle tri-, tetra- und pentacyclischer Säuren sind hauptsächlich aus kondensierten Cyclohexanringen aufgebaut.
Das Vorhandensein von hexacyclischen Naphthensäuren mit Cyclohexanringen in Ölen wurde festgestellt. Aromatische Säuren in Ölen werden durch Benzoesäure und ihre Derivate repräsentiert. Viele homologe Reihen polycyclischer aromatischer Naphthenosäuren wurden auch in Ölen gefunden, und monoaromatische Steroidsäuren wurden in Samotloröl identifiziert.
Aus sauerstoffhaltigen Verbindungen, Erdöl Säuren zeichnen sich durch die höchste Oberflächenaktivität aus. Es wurde festgestellt, dass die Oberflächenaktivität sowohl von harzarmen als auch von harzreichen Ölen nach der Entfernung saurer Komponenten (Säuren und Phenole) aus ihnen deutlich abnimmt. Starke Säuren nehmen an der Bildung von Ölassoziaten teil, was sich in der Untersuchung ihrer rheologischen Eigenschaften zeigt.
Phenole sind viel schlechter untersucht als Säuren. Ihr Gehalt in Ölen aus westsibirischen Feldern liegt zwischen 40 und 900 mg/l. In westsibirischen Ölen steigen die Konzentrationen von Phenolen in der Größenordnung von C 6<С 7 << С 8 <С 9 . В нефтях обнаружены фенол, все крезолы, ксиленолы и отдельные изомеры С 9 . Установлено, что соотношение между фенолами и алкилфенолами колеблется в пределах от 1: (0,3-0,4) до 1: (350-560) и зависит от глубины залегания и возраста нефти. В некоторых нефтях идентифицирован β-нафтол. Высказано предположение о наличии соединений типа о-фенилфенолов, находящихся в нефтях в связанном состоянии из-за склонности к образованию внутримолекулярных водородных связей. При исследовании антиокислительной способности компонентов гетероор-ганических соединений нефти установлено, что концентраты фенольных соединений являются наиболее активными природными ингибиторами.
Alle einfachsten Alkylketone C3-C6, Acetophenon und seine Naphtheno- und Areno-Derivate, Fluorenon und seine nächsten Homologen wurden in neutralen sauerstoffhaltigen Verbindungen kalifornischer Öle gefunden. Die Ausbeute an Ketonkonzentrat aus Samotloröl, das hauptsächlich aus Dialkylketonen besteht, beträgt 0,36 %, während der Extraktionsgrad von Ketonen nur 20 % beträgt, was auf das Vorhandensein von Ketonen mit großen Molekulargewichten hinweist, die durch dieses Verfahren nicht zurückgewonnen werden können. Bei der Untersuchung von Ketonen in den Ölen von Westsibirien wurde festgestellt, dass sie C 19 -C 3 2 -Ketone enthalten und aliphatische Ketone in Methanölen vorherrschen und Cyclane und aromatische Substituenten in naphthenischen Ölen vorherrschen.
Es ist davon auszugehen, dass Öle im freien Zustand Alkohole enthalten, im gebundenen Zustand sind sie Bestandteil von Estern. Von den heteroorganischen Ölverbindungen wurde die Neigung sauerstoffhaltiger Verbindungen zu intensiven intermolekularen Wechselwirkungen am besten untersucht.
Die Untersuchung stickstoffhaltiger Verbindungen ist auf zwei Wegen möglich – direkt im Rohöl und nach deren Isolierung und Abtrennung. Der erste Weg ermöglicht es, stickstoffhaltige Verbindungen in einem naturnahen Zustand zu untersuchen, jedoch ist das Auftreten von merklichen Fehlern aufgrund der geringen Konzentration dieser Verbindungen nicht ausgeschlossen. Der zweite Weg ermöglicht es, solche Fehler zu reduzieren, aber im Prozess der chemischen Einwirkung auf Öl während der Trennung und Isolierung ist eine Änderung ihrer Struktur möglich. Es wurde festgestellt, dass stickstoffhaltige Verbindungen in Öl hauptsächlich durch zyklische Verbindungen repräsentiert werden. Aliphatische stickstoffhaltige Verbindungen finden sich nur in Produkten der destruktiven Ölraffination, in denen sie durch Zerstörung stickstoffhaltiger Heterocyclen entstehen.
Alle stickstoffhaltigen Ölverbindungen sind in der Regel funktionelle Derivate von Arenen und haben daher eine ihnen ähnliche Molekulargewichtsverteilung. Im Gegensatz zu Arenen werden stickstoffhaltige Verbindungen jedoch in hochsiedenden Ölfraktionen konzentriert und sind Bestandteil von CAB. Bis zu 95 % der im Öl vorhandenen Stickstoffatome sind in Harzen und Asphaltenen konzentriert. Es wurde vermutet, dass bei der Isolierung von Harzen und Asphaltenen auch relativ niedermolekulare stickstoffhaltige Verbindungen in Form von Donor-Akzeptor-Komplexen mit ausgefällt werden.
Gemäß der allgemein anerkannten Einteilung nach dem Säure-Basen-Verhalten stickstoffhaltige Verbindungen werden aufgeteiltin stickstoffhaltige Basen und neutrale Verbindungen.
Stickstoffhaltige Basen sind offenbar die einzigen Träger der Haupteigenschaften unter den Komponenten von Ölsystemen. Der Anteil an stickstoffhaltigen Basen in Öl, das mit Perchlorsäure in einem Essigsäuremedium titriert wird, reicht von 10 bis 50 %. Derzeit wurden mehr als 100 Alkyl- und Areno-kondensierte Analoga von Pyridin, Chinolin und anderen Basen in Ölen und Ölprodukten identifiziert.
Stark basische stickstoffhaltige Verbindungen werden durch Pyridine und ihre Derivate repräsentiert:
Schwach basische stickstoffhaltige Verbindungen umfassen Aniline, Amide, Imide und N-Cycloalkylderivate mit Alkyl-, Cycloalkyl- und Phenylgruppen als Substituenten im Pyrrolring:
Neutrale stickstoffhaltige Verbindungen, die außer dem Stickstoffatom keine anderen Heteroatome in ihren Molekülen enthalten und aus Öl isoliert sind, umfassen Indole, Carbazole und ihre naphthenischen und schwefelhaltigen Derivate:
Bei der Isolierung bilden neutrale stickstoffhaltige Verbindungen Assoziate mit sauerstoffhaltigen Verbindungen und werden zusammen mit stickstoffhaltigen Basen extrahiert.
Neben den genannten monofunktionellen Verbindungen wurden in Ölen folgende stickstoffhaltige Verbindungen identifiziert:
1. Polyaromat mit zwei Stickstoffatomen im Molekül:
2. Verbindungen mit zwei Heteroatomen (Stickstoff und Schwefel) in einem Zyklus - Thiazole und Benzthiazole und ihre Alkyl- und naphthenischen Homologen:
3. Verbindungen mit zwei Stickstoff- und Schwefel-Heteroatomen in unterschiedlichen Zyklen: Thiophen-haltige Alkyl-, Cycloalkylindole und Carbazole.
4. Verbindungen mit einer Carbonylgruppe in einem stickstoffhaltigen Heterocyclus, wie Piperidone und Chinolone:
5. Porphyrine. Die Struktur von Porphyrinen, die Komplexverbindungen mit Vanadyl-VO, Nickel und Eisen sind, wird unten diskutiert.
Die Bedeutung stickstoffhaltiger Verbindungen des Öls als natürliche Tenside ist sehr hoch, sie bestimmen zusammen mit CAB maßgeblich die Oberflächenaktivität an flüssigen Phasengrenzen und die Benetzungsfähigkeit von Öl an Gestein-Öl-, Metall-Öl-Grenzflächen. Stickstoffhaltige Verbindungen und ihre Derivate – Pyridine, Hydroxypyridine, Chinoline, Hydroxychinoline, Imidazoline, Oxazoline usw. – sind natürliche öllösliche Tenside, die hemmende Eigenschaften bei der Korrosion von Metallen während der Förderung, des Transports und der Raffination von Öl haben. Schwächere oberflächenaktive Eigenschaften sind charakteristisch für solche stickstoffhaltigen Ölverbindungen wie Homologe von Pyrrol, Indol, Carbazol, Thiazolen und Amiden.
Harz-Asphalt-Stoffe (TAXI). Eine der repräsentativsten Gruppen von heteroorganischen makromolekularen Ölverbindungen sind CAB. Die charakteristischen Merkmale von CAB - signifikante Molekulargewichte, das Vorhandensein verschiedener Heteroelemente in ihrer Zusammensetzung, Polarität, Paramagnetismus, eine hohe Neigung zu MMW und Assoziation, Polydispersität und die Manifestation ausgeprägter kolloidaler disperser Eigenschaften - trugen dazu bei, dass die üblicherweise verwendeten Methoden verwendet wurden in der Analyse erwiesen sich für ihre Untersuchung als ungeeignet niedrigsiedende Komponenten. Angesichts der Besonderheiten des untersuchten Objekts hat Sergienko S.R. Vor mehr als 30 Jahren hat er die Chemie der makromolekularen Ölverbindungen als eigenständigen Zweig der Erdölchemie herausgehoben und mit seinen grundlegenden Arbeiten wesentlich zu ihrer Entstehung beigetragen.
Bis in die 1960er und 1970er Jahre bestimmten Forscher die physikalisch-chemischen Eigenschaften von CAB (einige davon sind in Tabelle 2.4 aufgeführt) und versuchten, die Strukturformel des durchschnittlichen Moleküls von Asphaltenen und Harzen auf der Grundlage von Daten der instrumentellen Strukturanalyse darzustellen.
Ähnliche Versuche werden derzeit unternommen. Die Werte der elementaren Zusammensetzung, durchschnittlichen Molekulargewichte, Dichte, Löslichkeit usw., die für CAB-Proben verschiedener in- und ausländischer Öle in einem signifikanten Bereich variieren, spiegeln die Vielfalt natürlicher Öle wider. Die meisten der im Öl vorhandenen Heteroelemente und fast alle Metalle sind in Harzen und Asphaltenen konzentriert.
Stickstoff in CAB tritt hauptsächlich in heteroaromatische Fragmente vom Typ Pyridin (basisch), Pyrrol (neutral) und Porphyrin (Metallkomplex) ein. Schwefel ist Teil von Heterocyclen (Thiophen, Thiacyclan, Thiazol), Thiolgruppen und Sulfidbrücken, die Moleküle vernetzen. Sauerstoff in Harzen und Asphaltenen liegt in Form von Hydroxyl- (Phenol-, Alkohol-), Carboxyl-, Ether- (einfaches, komplexes Lacton), Carbonyl- (Keton-, Chinon-) Gruppen und Furan-Zyklen vor. Es besteht eine gewisse Übereinstimmung zwischen dem Molekulargewicht von Asphaltenen und dem Gehalt an Heteroelementen (Abb. 2.2).
Lassen Sie uns die moderne Vorstellungsebene von CAB charakterisieren. Yen weist auf die universelle Natur von Asphaltenen als Bestandteil natürlicher Kohlenstoffquellen hin, nicht nur Caustobiolithe (Öle und feste Brennstoffe), sondern auch Sedimentgesteine und Meteoriten.
Gemäß der von Abraham vorgeschlagenen Klassifikation natürlicher Ressourcen auf Kohlenwasserstoffbasis umfassen Öle solche, die bis zu 35–40 % (Gew.) CAB enthalten, und natürliche Asphalte und Bitumen enthalten entsprechend bis zu 60–75 % (Gew.) CAB zu anderen Quellen - bis zu 42-81%. Im Gegensatz zu den leichteren Bestandteilen des Öls, die ihren Gruppen aufgrund der Ähnlichkeit ihrer chemischen Struktur zugeordnet wurden, ist das Kriterium für die Zusammenfassung von Verbindungen zu einer Klasse namens CAB ihre Nähe in der Löslichkeit in einem bestimmten Lösungsmittel. Wenn Öl und Ölrückstände großen Mengen Petrolether ausgesetzt werden, werden niedrigsiedende Alkane, Ausfällungen von Stoffen genannt Asphaltene, die in unteren Arenen löslich sind, und die Solvatation anderer Komponenten - Maltene, bestehend aus einem Kohlenwasserstoffteil und Harzen.
Moderne Schemata zum Abtrennen des schweren Teils von Öl basieren auf den klassischen Methoden, die zuerst von Markusson vorgeschlagen wurden. Substanzen, die in Schwefelkohlenstoff und anderen Lösungsmitteln unlöslich sind, werden klassifiziert als Karboide. Substanzen, die nur in Schwefelkohlenstoff löslich sind und durch Tetrachlorkohlenstoff gefällt werden, werden genannt Carbene. Carboide und Carbene, finden sich in der Regel in der Zusammensetzung schwerer Produkte der zerstörenden Ölraffination in einer Menge von mehreren Prozent und werden im Folgenden gesondert betrachtet. Sie fehlen praktisch in der Zusammensetzung von Rohölen und in den Rückständen der Primärölraffination.
Die Eigenschaften isolierter Asphaltene hängen auch vom Lösungsmittel ab. Eine Folge von Unterschieden in der Natur und den Eigenschaften von Lösungsmitteln ist, dass das Molekulargewicht von Asphaltenen aus arabischen Ölen, wenn sie in Benzol gelöst sind, im Durchschnitt zweimal höher ist als in Tetrahydrofuran. (Tabelle 2.5).
Tabelle 2.5
Lösungsmittellösungsparameter Dielektrisches Dipolmoment, DDurchlässigkeit Durchlässigkeit
Tetrahydrofuran 9,1 7,58 1,75 Benzol 9,2 2,27 0
Bei der Entwicklung von Ideen über die Struktur und Natur von Erdöl-CABs können zwei Hauptphasen unterschieden werden, die durch die allgemeine Idee einer kolloidal dispergierten Struktur verbunden sind, sich jedoch im methodischen Ansatz zur Bewertung der Struktur eines einzelnen Elements unterscheiden von kolloidaler Struktur. In der ersten Phase – der Phase chemischer Vorstellungen über die Struktur von CAB-Molekülen – wurde ein chemischer Standardansatz verwendet, um die Struktur einer unbekannten Verbindung zu identifizieren. Nach Feststellung des Molekulargewichts, der elementaren Zusammensetzung und der Summenformeln von Harzen und Asphaltenen C n H 2 n - z N p S g O r . Dann wurde der z-Wert berechnet. Für Harze war es 40-50, für Asphaltene - 130-140. Ein typisches Beispiel für die Ergebnisse solcher Studien für CAB-Proben verschiedener in- und ausländischer Öle ist in der Tabelle dargestellt. 2.4. (siehe Tabelle 1.4). Wie zu sehen ist, unterscheiden sich Asphaltene von Harzen aus der gleichen Quelle durch den erhöhten Gehalt an Kohlenstoff und Metallen und den verringerten Anteil an Wasserstoff, die größere Größe polyaromatischer Kerne, die kürzere durchschnittliche Länge großer aliphatischer Substituenten und die geringere Anzahl an Acyclen Fragmente, die direkt mit aromatischen Kernen fusioniert sind.
Die zweite Stufe kann als Stufe der Entwicklung physikalischer Vorstellungen über die Struktur von Asphaltenen und der Analyse der Gründe für die Assoziationstendenz von Asphaltenen charakterisiert werden. Tatsächlich wurde die Erklärung der Abhängigkeit des Molekulargewichts von den Bestimmungsbedingungen (siehe Tab. 2.5) sowie seiner linearen Abhängigkeit von der Größe der Asphaltenpartikel (Abb. 1.5) im Rahmen qualitativ neuer Vorstellungen über die möglich Struktur von Asphaltenen.
1961 T. Yen schlug das sogenannte "Plate-to-Plate"-Stapelmodell der Struktur von Asphaltenen vor. Das Modell basierte nicht auf der Notwendigkeit seiner Einhaltung der berechneten Strukturparameter der Zusammensetzung von Asphaltenen, sondern auf der grundsätzlichen Möglichkeit einer planparallelen Orientierung polyaromatischer Fragmente verschiedener Moleküle. Ihre Assoziation als Ergebnis intermolekularer (π - π, Donor-Akzeptor usw.) Wechselwirkungen erfolgt mit der Bildung von geschichteten Stapelstrukturen (der Begriff "Stapeln" wird in der Molekularbiologie verwendet, um eine stapelartige Anordnung von Molekülen übereinander zu bezeichnen). das andere).
Reis. 2.5. Korrelation zwischen der Partikelgröße von Asphaltenen (D) und ihrem Molekulargewicht (M)
Gemäß dem auf Röntgenbeugungsdaten basierenden Yen-Modell haben Asphaltene eine kristalline Struktur und sind Stapelstrukturen mit einem Durchmesser von 0,9–1,7 nm aus 4–5 Schichten, die 0,36 nm beabstandet sind. Die Größe der Stapelstrukturen entlang der Normalen zur Ebene aromatischer Platten beträgt 1,6–2,0 nm (Abb. 2.6). Geradlinige Segmente zeigen flache polyaromatische Fragmente und gebrochene Segmente zeigen gesättigte Molekülfragmente. Polyaromatische Fragmente werden durch relativ kleine, meistens nicht mehr als tetracyclische Kerne dargestellt. Von den aliphatischen Fragmenten sind die häufigsten kurze Alkylgruppen C 1 -C 5 , hauptsächlich Methyl, aber es gibt auch lineare verzweigte Alkane mit 10 Kohlenstoffatomen oder mehr. Es gibt auch polycyclische gesättigte Strukturen in CAB-Molekülen mit 1–5 kondensierten Ringen, hauptsächlich Bicyclane.
Im Rahmen des Jenaer Modells lässt sich die oben erwähnte Abhängigkeit des Molekulargewichts von Asphaltenen von den Isolierungsbedingungen und der Art des Lösungsmittels leicht durch eine Assoziation erklären, die auf mehrere Ebenen der strukturellen Organisation von Asphaltenen hindeutet: einen molekular dispergierten Zustand (I), bei dem Asphaltene in Form getrennter Schichten vorliegen; kolloidaler Zustand (II), der das Ergebnis der Bildung von Stapelstrukturen mit charakteristischen Abmessungen ist; einen dispergierten kinetisch stabilen Zustand (III), der aus der Aggregation von Stapelstrukturen entsteht, und einen dispergierten kinetisch instabilen Zustand (IV), der von einer Ausfällung begleitet wird.
Reis. 2.6. Asphaltene-Strukturmodell nach Jen
Modelle der Packungsstruktur der Struktur von Asphaltenen werden von vielen modernen Forschern verfolgt. Unger F. G. brachte einen originellen Standpunkt zum Prozess des Auftretens und der Existenz von CAB in Öl zum Ausdruck. Öle und Ölsysteme, die CAB enthalten, sind seiner Meinung nach thermodynamisch labile paramagnetische assoziierte Lösungen. Die Kerne der Assoziate solcher Lösungen werden von Asphaltenen gebildet, in denen stabile freie Radikale lokalisiert sind, und die die Kerne umgebenden Solvatschichten bestehen aus diamagnetischen Harzmolekülen. Einige der diamagnetischen Harzmoleküle können in einen angeregten Triplettzustand übergehen und einer Hämolyse unterliegen. Daher sind Harze eine potenzielle Quelle für Asphaltene, was L.G. die Leichtigkeit der Umwandlung von Harzen in Asphaltene.
Somit ist die Neuartigkeit der vorgestellten Ideen mit der Behauptung der besonderen Rolle von Austauschwechselwirkungen für die Erklärung der Natur von CAB verbunden. Im Gegensatz zum Packungsmodell wird die Idee einer zentralsymmetrischen Struktur des CAB-Partikels entwickelt. Es wurde zuerst von D. Pfeiffer und R. Saal postuliert, die ein statisches Modell der Struktur der strukturellen Einheit von Asphaltenen vorschlugen. Danach wird der Kern der Struktureinheit von hochmolekularen polycyclischen Kohlenwasserstoffen gebildet und von Komponenten mit allmählich abnehmendem Aromatizitätsgrad umgeben. Neumann G. betonte, dass es energetisch vorteilhaft ist, polare Gruppen innerhalb der Struktureinheit und Kohlenwasserstoffradikale nach außen zu drehen, was mit der Regel des Polaritätsausgleichs nach Rebinder übereinstimmt.
Porphyrine sind typische Beispiele für native Erdölkomplexverbindungen. Porphyrine mit Vanadium als Brennpunkt (in Form von Vanadyl) oder Nickel (siehe 11). Ölvanadylporphyrine sind hauptsächlich Homologe zweier Reihen: alkylsubstituierte Porphyrine mit unterschiedlicher Gesamtzahl an Kohlenstoffatomen in den Seitensubstituenten des Porphyrinrings und Porphyrine mit einem zusätzlichen Cyclopentenring. Metallporphyrinkomplexe sind in natürlichem Bitumen bis zu 1 mg/100 g und in hochviskosen Ölen bis zu 20 mg/100 g Öl vorhanden. Bei der Untersuchung der Art der Verteilung von Metallporphyrinkomplexen zwischen den Bestandteilen des SDS wurde durch Extraktions- und Gelchromatographieverfahren festgestellt, dass 40 % der Vanadylporphyrine in dispergierten Partikeln konzentriert sind (ungefähr gleich in der Zusammensetzung des Kerns und der Solvatschicht). ), und der Rest davon sowie Nickelporphyrine sind in der Dispersionsumgebung enthalten.
Vanadylporphyrine in der Zusammensetzung von Asphaltenen tragen erheblich zur Oberflächenaktivität von Ölen bei, während die intrinsische Oberflächenaktivität von Asphaltenen gering ist. So zeigte eine Untersuchung von Ölen aus Baschkirien, dass die Oberflächenspannung von Ölen an der Grenze zu Wasser stark mit dem Gehalt an Vanadylporphyrinen in ihnen korreliert, während der Korrelationskoeffizient mit dem Gehalt an Asphaltenen in ihnen relativ niedrig ist (Abb. 2.7).
In geringerem Umfang wurde die Wirkung von Metallporphyrinen auf die disperse Struktur von Öl und die Bedingungen für das Auftreten von Phasenübergängen in Ölsystemen untersucht. Es gibt Hinweise auf ihre negative Wirkung zusammen mit anderen heteroatomaren Komponenten auf die katalytischen Prozesse der Ölraffination. Außerdem sollten sie die Kinetik und den Mechanismus von Phasenübergängen in SSS stark beeinflussen.
Reis. 2.7. Isothermen der Grenzflächenspannung a an der Grenze zu Wasser:
a - Benzollösungen von Asphaltenen: 1 - Asphaltene mit Porphyrinen; 2-5 - Asphaltene als Porphyrine werden nach einer, fünf, sieben bzw. dreizehn Extraktionen entfernt; b - Öl von Baschkirien
Test zum Thema: „Sauerstoff- und stickstoffhaltige organische Stoffe“ (Note 10)
Liebe Studenten, dieser Test ist das Ergebnis des Studiums des Themas " Sauerstoffhaltige und stickstoffhaltige organische Substanzen"und wirkt sich auf die Festlegung der Note für das Trimester aus. Sie haben 40 Minuten Zeit, um es abzuschließen. Während der Aufführung ist es verboten, das Lehrbuch, Referenzmaterialien und Inttrnet zu verwenden.
Ich wünsche Ihnen Erfolg!
1. Das Wasserstoffatom im Molekül hat die höchste Aktivität
2. Interagieren Sie miteinander
3. Interagiere nicht untereinander
4. Essigsäure kann mit jedem der beiden Stoffe reagieren
5. Sind die folgenden Urteile über die Eigenschaften von Essigsäure richtig?
1. Essigsäure reagiert nicht mit Natriumcarbonat.
2. Eine Essigsäurelösung leitet Strom.
6. Dehydratisierungsreaktion ist möglich z
7. Natriumhydroxid reagiert mit
9. Das Produkt der Propanoloxidation kann nicht sein
10. Beim Erhitzen von 57,5 g Ethanol mit konzentrierter Schwefelsäure entstehen zwei organische Verbindungen A und B. Substanz A ist ein Gas, das 100 g einer 40 %igen Lösung von Brom in Tetrachlorkohlenstoff entfärben kann. Stoff B ist eine niedrigsiedende Flüssigkeit. Bestimmen Sie die resultierenden Verbindungen A und B, berechnen Sie auch das Volumen von A (bei N.O.) und die Masse von B, unter der Annahme, dass Ethanol vollständig reagiert hat.
| Verifizierter Inhalt | Geprüfte Fähigkeiten |
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| Eigenschaften von Stoffen | ||
| Phenoleigenschaften | Möglichkeit, eine Antwort aus vier Optionen auszuwählen |
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| Eigenschaften von Alkoholen | Möglichkeit, eine Antwort aus vier Optionen auszuwählen |
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| Eigenschaften organischer Säure | Möglichkeit, eine Antwort aus vier Optionen auszuwählen |
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| Eigenschaften organischer Säure | Möglichkeit, eine Antwort aus vier Optionen auszuwählen |
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| Dehydratisierungsreaktionen organischer Substanzen | ||
| Eigenschaften von organischen Säuren und Phenol | Fähigkeit, mehrere Entscheidungen zu treffen |
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| Durchführung einer Reaktionskette | Fähigkeit, mehrere Entscheidungen zu treffen |
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| Eigenschaften von Alkoholen | Fähigkeit, mehrere Entscheidungen zu treffen |
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| Eigenschaften von Alkoholen | Fähigkeit zu schreiben und Probleme zu lösen |
Schlüssel zum Test
10. 5,6 l Ethen und 37 g Diethylether
Eines der häufigsten chemischen Elemente, das in der überwiegenden Mehrheit der Chemikalien enthalten ist, ist Sauerstoff. Im Rahmen der Anorganischen und Organischen Chemie werden Oxide, Säuren, Basen, Alkohole, Phenole und andere sauerstoffhaltige Verbindungen untersucht. In unserem Artikel werden wir die Eigenschaften untersuchen und Beispiele für ihre Anwendung in Industrie, Landwirtschaft und Medizin geben.
Oxide
Am einfachsten sind binäre Verbindungen von Metallen und Nichtmetallen mit Sauerstoff. Die Klassifizierung von Oxiden umfasst die folgenden Gruppen: sauer, basisch, amphoter und indifferent. Das Hauptkriterium für die Einteilung all dieser Stoffe ist, welches Element sich mit Sauerstoff verbindet. Wenn es Metall ist, dann sind sie basisch. Zum Beispiel: CuO, MgO, Na 2 O - Oxide von Kupfer, Magnesium, Natrium. Ihre hauptsächliche chemische Eigenschaft ist die Reaktion mit Säuren. Kupferoxid reagiert also mit Salzsäure:
CuO + 2HCl -> CuCl2 + H2O + 63,3 kJ.
Das Vorhandensein von Atomen nichtmetallischer Elemente in den Molekülen binärer Verbindungen weist auf ihre Zugehörigkeit zu saurem Wasserstoff H 2 O, Kohlendioxid CO 2, Phosphorpentoxid P 2 O 5 hin. Die Fähigkeit solcher Substanzen, mit Alkalien zu reagieren, ist ihre wichtigste chemische Eigenschaft.
Als Ergebnis der Reaktion können Spezies gebildet werden: sauer oder mittel. Dies hängt davon ab, wie viele Mol Alkali reagieren:
- CO2 + KOH => KHCO3;
- CO2+ 2KOH => K2CO3 + H2O.
Eine andere Gruppe sauerstoffhaltiger Verbindungen, zu denen solche chemischen Elemente wie Zink oder Aluminium gehören, wird als amphotere Oxide bezeichnet. In ihren Eigenschaften besteht eine Tendenz zur chemischen Wechselwirkung sowohl mit Säuren als auch mit Laugen. Die Produkte der Wechselwirkung von Säureoxiden mit Wasser sind Säuren. Beispielsweise entstehen bei der Reaktion von Schwefelsäureanhydrid und Wasser Säuren - dies ist eine der wichtigsten Klassen sauerstoffhaltiger Verbindungen.
Säuren und ihre Eigenschaften
Verbindungen, die aus Wasserstoffatomen bestehen, die mit komplexen Ionen von Säureresten assoziiert sind, sind Säuren. Herkömmlicherweise können sie in anorganische, zum Beispiel Kohlensäure, Sulfat, Nitrat und organische Verbindungen eingeteilt werden. Letztere umfassen Essigsäure, Ameisensäure, Ölsäure. Beide Stoffgruppen haben ähnliche Eigenschaften. Sie gehen also mit Basen eine Neutralisationsreaktion ein, reagieren mit Salzen und basischen Oxiden. Fast alle sauerstoffhaltigen Säuren dissoziieren in wässrigen Lösungen in Ionen, die Leiter zweiter Art sind. Es ist möglich, den sauren Charakter ihrer Umgebung aufgrund des übermäßigen Vorhandenseins von Wasserstoffionen anhand von Indikatoren zu bestimmen. Zum Beispiel wird violetter Lackmus rot, wenn er einer Säurelösung hinzugefügt wird. Ein typischer Vertreter organischer Verbindungen ist Essigsäure mit einer Carboxylgruppe. Es enthält ein Wasserstoffatom, das Säuren verursacht Es ist eine farblose Flüssigkeit mit einem spezifischen stechenden Geruch, die bei Temperaturen unter 17 ° C kristallisiert. CH 3 COOH ist wie andere sauerstoffhaltige Säuren in jedem Verhältnis perfekt in Wasser löslich. Seine 3 - 5 %ige Lösung ist im Alltag unter dem Namen Essig bekannt, der in der Küche als Gewürz verwendet wird. Die Substanz hat auch ihre Anwendung bei der Herstellung von Acetatseide, Farbstoffen, Kunststoffen und einigen Medikamenten gefunden.
Sauerstoffhaltige organische Verbindungen
In der Chemie kann man eine große Gruppe von Stoffen unterscheiden, die neben Kohlenstoff und Wasserstoff auch Sauerstoffteilchen enthalten. Dies sind Carbonsäuren, Ester, Aldehyde, Alkohole und Phenole. Alle ihre chemischen Eigenschaften werden durch das Vorhandensein spezieller Komplexe - funktioneller Gruppen - in den Molekülen bestimmt. Beispielsweise enthält Alkohol nur begrenzte Bindungen zwischen Atomen – ROH, wobei R ein Kohlenwasserstoffrest ist. Diese Verbindungen werden üblicherweise als Derivate von Alkanen angesehen, bei denen ein Wasserstoffatom durch eine Hydroxogruppe ersetzt ist.
Physikalische und chemische Eigenschaften von Alkoholen
Der Aggregatzustand von Alkoholen sind Flüssigkeiten oder feste Verbindungen. Unter Alkoholen gibt es keine gasförmigen Substanzen, was durch die Bildung von Assoziaten erklärt werden kann - Gruppen, die aus mehreren Molekülen bestehen, die durch schwache Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind. Diese Tatsache bestimmt auch die gute Wasserlöslichkeit niederer Alkohole. In wässrigen Lösungen dissoziieren jedoch sauerstoffhaltige organische Substanzen - Alkohole - nicht in Ionen, verändern die Farbe der Indikatoren nicht, dh sie reagieren neutral. Das Wasserstoffatom der funktionellen Gruppe ist schwach an andere Partikel gebunden und kann daher bei chemischen Wechselwirkungen das Molekül verlassen. An der gleichen Stelle der freien Valenz wird es durch andere Atome ersetzt, beispielsweise bei Reaktionen mit aktiven Metallen oder mit Alkalien - durch Metallatome. In Gegenwart von Katalysatoren wie Platingitter oder Kupfer werden Alkohole durch kräftige Oxidationsmittel, Kaliumbichromat oder Kaliumpermanganat, zu Aldehyden oxidiert.
Veresterungsreaktion
Eine der wichtigsten chemischen Eigenschaften sauerstoffhaltiger organischer Substanzen: Alkohole und Säuren ist eine Reaktion, die zur Bildung von Estern führt. Es ist von großer praktischer Bedeutung und wird in der Industrie zur Extraktion von Estern verwendet, die als Lösungsmittel in der Lebensmittelindustrie (in Form von Fruchtessenzen) verwendet werden. In der Medizin werden einige der Ester als Antispasmodika verwendet, zum Beispiel erweitert Ethylnitrit die peripheren Blutgefäße und Isoamylnitrit schützt vor Spasmen der Koronararterien. Die Gleichung der Veresterungsreaktion hat die folgende Form:
CH3COOH+C2H5OH<--(H2SO4)-->CH3COOC2H5+H2O
Darin ist CH 3 COOH Essigsäure und C 2 H 5 OH ist die chemische Formel von Ethanolalkohol.
Aldehyde
Wenn eine Verbindung die funktionelle Gruppe -COH enthält, wird sie als Aldehyd klassifiziert. Sie werden als Produkte der weiteren Oxidation von Alkoholen beispielsweise mit Oxidationsmitteln wie Kupferoxid präsentiert.
Das Vorhandensein eines Carbonylkomplexes in den Molekülen von Ameisensäure oder Acetaldehyd bestimmt ihre Fähigkeit, Atome anderer chemischer Elemente zu polymerisieren und zu binden. Qualitative Reaktionen, mit denen das Vorhandensein einer Carbonylgruppe und die Zugehörigkeit einer Substanz zu Aldehyden nachgewiesen werden können, sind die Reaktion eines Silberspiegels und die Wechselwirkung mit Kupferhydroxid beim Erhitzen:
Acetaldehyd, das in der Industrie zur Herstellung von Essigsäure verwendet wird, einem Produkt der organischen Synthese mit großen Mengen, hat die größte Verwendung gefunden.
Eigenschaften von sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen - Carbonsäuren
Das Vorhandensein einer Carboxylgruppe – einer oder mehrerer – ist ein Markenzeichen von Carbonsäuren. Aufgrund der Struktur der funktionellen Gruppe können sich in sauren Lösungen Dimere bilden. Sie sind durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden. Die Verbindungen dissoziieren in Wasserstoffkationen und Säurerestanionen und sind schwache Elektrolyte. Eine Ausnahme bildet der erste Vertreter einer Reihe einschränkender einbasiger Säuren - Ameisensäure oder Methan, das ein Leiter der zweiten Art mittlerer Stärke ist. Das Vorhandensein von nur einfachen Sigma-Bindungen in Molekülen zeigt die Grenze an, aber wenn Substanzen doppelte Pi-Bindungen in ihrer Zusammensetzung haben, sind dies ungesättigte Substanzen. Die erste Gruppe umfasst solche Säuren wie Methan, Essigsäure, Buttersäure. Die zweite wird durch Verbindungen dargestellt, die Teil flüssiger Fette sind - Öle, zum Beispiel Ölsäure. Die chemischen Eigenschaften sauerstoffhaltiger Verbindungen: Organische und anorganische Säuren sind weitgehend ähnlich. So können sie mit aktiven Metallen, ihren Oxiden, mit Alkalien und auch mit Alkoholen interagieren. Zum Beispiel reagiert Essigsäure mit Natriumoxid und bildet ein Salz - Natriumacetat:
NaOH + CH3COOH→NaCH3COO + H2O
Einen besonderen Platz nehmen Verbindungen höherer sauerstoffhaltiger Carbonsäuren ein: Stearinsäure und Palmitinsäure mit einem dreiwertigen gesättigten Alkohol - Glycerin. Sie gehören zu den Estern und werden Fette genannt. Die gleichen Säuren sind als Säurerest Bestandteil der Natrium- und Kaliumsalze und bilden Seifen.
Wichtige organische Verbindungen, die in Wildtieren weit verbreitet sind und als energieintensivste Substanz eine führende Rolle spielen, sind Fette. Sie sind keine einzelne Verbindung, sondern ein Gemisch heterogener Glyceride. Dies sind Verbindungen des limitierenden mehrwertigen Alkohols - Glycerin, das wie Methanol und Phenol funktionelle Hydroxylgruppen enthält. Fette können einer Hydrolyse unterzogen werden - Erhitzen mit Wasser in Gegenwart von Katalysatoren: Alkalien, Säuren, Zinkoxide, Magnesium. Die Produkte der Reaktion werden Glycerin und verschiedene Carbonsäuren sein, die weiter zur Herstellung von Seife verwendet werden. Um bei diesem Verfahren keine teuren natürlichen essentiellen Carbonsäuren zu verwenden, werden sie durch Oxidation von Paraffin gewonnen.
Phenole
Lassen Sie uns zum Abschluss der Betrachtung der Klassen sauerstoffhaltiger Verbindungen auf Phenole eingehen. Sie werden durch einen Phenylrest -C 6 H 5 dargestellt, der mit einer oder mehreren funktionellen Hydroxylgruppen verbunden ist. Der einfachste Vertreter dieser Klasse ist die Karbolsäure oder das Phenol. Als sehr schwache Säure kann es mit Alkalien und aktiven Metallen - Natrium, Kalium - interagieren. Eine Substanz mit ausgeprägten bakteriziden Eigenschaften - Phenol wird in der Medizin sowie bei der Herstellung von Farbstoffen und Phenol-Formaldehyd-Harzen verwendet.
In unserem Artikel haben wir die Hauptklassen sauerstoffhaltiger Verbindungen untersucht und auch ihre chemischen Eigenschaften berücksichtigt.
Lehrer:
Bildungseinrichtung: professionelles Lyzeum der U-Bahn von St. Petersburg
Akademische Disziplin: Chemie
Thema: "Sauerstoff- und stickstoffhaltige organische Verbindungen"
Zielgruppe: Kurs 1
Unterrichtsart: Verallgemeinerung des Materials, 1 acad. Stunde.
Unterrichtsziele:
Wissen: kennen die Formeln und Eigenschaften sauerstoff- und stickstoffhaltiger organischer Substanzen
Verständnis: die Abhängigkeit der Eigenschaften von Stoffen von der Struktur des Moleküls, von der funktionellen Gruppe verstehen
Anwendung: Informationen über die Eigenschaften von Stoffen verwenden, um Gleichungen chemischer Reaktionen aufzustellen.
Analyse: analysieren die gegenseitige Beeinflussung von Atomgruppen in den Molekülen organischer Substanzen.
Synthese: Informationen über die Eigenschaften organischer Substanzen in Form einer Umwandlungskette zusammenfassen
Klasse: eine Selbstbewertung zu den vorgeschlagenen Rubriken durchführen.
Ausrüstung: interaktive Tafel, Multimedia-Präsentation.
Unterrichtsplan:
1. Org. Moment
2. Wiederholung von zuvor Gelerntem.
3. Leistungen der Studenten.
4. Selbstbestimmung der Schüler nach Ebenen des Selbstwertgefühls.
5. Eigenständiges Arbeiten der Studierenden.
6. Zusammenfassung des kriterienorientierten Systems.
7. Hausaufgaben.
Während des Unterrichts
1. Zeit organisieren.
Bildung einer Gruppe, Bericht des Gruppenleiters über die Anzahl der anwesenden Schüler.
2. Wiederholung von zuvor Gelerntem
Informationen über funktionelle Gruppen, Klassen von sauerstoff- und stickstoffhaltigen Stoffen, über die einfachsten Vertreter dieser Klassen mittels interaktivem Whiteboard und Multimedia-Präsentation.
Welche Gruppe von Atomen, die notwendigerweise in den Molekülen von Substanzen dieser Klasse vorhanden ist, bestimmt die chemische Funktion der Substanz, d. h. ihre chemischen Eigenschaften?
Antwort: funktionelle Gruppe von Atomen
Geben Sie den Namen der funktionellen Gruppe an - OH
Antwort: Hydroxylgruppe von Atomen.
Welche Stoffklasse bestimmt die Hydroxylgruppe von Atomen?
Antwort: Alkohole, wenn Gruppe 1 OH ist, einwertige Alkohole, wenn mehr als eine Gruppe OH ist, mehrwertige Alkohole.
Geben Sie den Namen der Funktionsgruppe an - SLEEP. Welche Stoffklasse definiert sie?
Antwort: Aldehydgruppe, definiert die Klasse der Aldehyde.
Geben Sie der Gruppe den Namen der Funktionen - SLEEP. Welche Klasse definiert es?
Antwort: Carboxylgruppe, definiert die Klasse der Carbonsäuren.
Geben Sie der Gruppe den Funktionsnamen - NH2. Welche Klasse definiert es?
Antwort: Die Aminogruppe definiert die Klasse der Amine oder die Klasse der Aminosäuren.
Wir hören die Botschaften der Schüler mit der Präsentation von Multimedia-Präsentationen über die einfachsten Vertreter verschiedener Klassen von sauerstoff- und stickstoffhaltigen Substanzen.
3. Leistungen der Studenten.
Nachricht 1.
Ethanol C2H5OH, einwertige Alkoholklasse, funktionelle Gruppe - Hydroxylgruppe von Atomen - OH. Qualitative Reaktion - Wechselwirkung mit Kupferoxid (II) unter Bildung von Aldehyd. Chemische Eigenschaften (wir wählen 2 Reaktionen aus) - Verbrennung und Wechselwirkung mit Metallen (Na).
Nachricht 2.
Propantriol (Glycerin) C3H7 (OH) 3. Klasse - mehrwertige Alkohole, funktionelle Gruppen - mehrere Hydroxylgruppen - OH. Qualitative Reaktion - Wechselwirkung mit Kupfer (II) -hydroxid. Chemische Eigenschaften - Wechselwirkung mit Natrium und mit Halogenwasserstoffen.
Laborerfahrung:
Etwa 1 ml Kupfer(II)-sumorat-Lösung in ein Reagenzglas geben und mit wenig Natronlauge zugeben, bis sich ein blauer Kupfer(II)-hydroxid-Niederschlag bildet. Fügen Sie dem resultierenden Niederschlag tropfenweise eine Lösung von Glycerin hinzu. Schütteln Sie die Mischung. Wir bemerken die Umwandlung des blauen Niederschlags in eine blaue Lösung.
(Glycerin + Cu(OH)2 ----- blaue Lösung)
Nachricht 3.
Phenol C6H5OH ist der einfachste Vertreter der Klasse der Phenole.
Die funktionelle Gruppe ist die Hydroxylgruppe –OH. Eine qualitative Reaktion ist die Bildung einer violetten Lösung bei Wechselwirkung mit Eisen(III)-chlorid oder die Bildung eines weißen Niederschlags bei Wechselwirkung mit Brom. Chemische Eigenschaften: Phenol ist eine schwache Säure, interagiert mit Metallen (Na), mit Laugen (NaOH) und mit Brom.
Nachricht 4.
Ethanol oder Acetaldehyd CH3-COH Funktionelle Gruppe - COH-Aldehydgruppe. Klasse - Aldehyde. Die qualitative Reaktion ist die „Silberspiegel“-Reaktion. Chemische Eigenschaften: Reduktionsreaktion und Oxidationsreaktion.
Laborversuch: Demonstrationsexperiment.
Geben Sie in ein Reagenzglas mit 1 ml Aldehyd (wässrige Lösung) einige Tropfen einer Silberoxid-Ammoniaklösung. Wir erhitzen das Reagenzglas. Wir beobachten die Freisetzung von Silber an den Wänden des Reagenzglases, die Glasoberfläche wird zum Spiegel.
Nachricht 5.
Essigsäure CH3-COOH (Essigsäure). Klasse - Carbonsäuren. Die funktionelle Gruppe ist eine COOH-Carboxylgruppe. Qualitative Reaktion - der Lackmusindikator wird rot.
Chemische Eigenschaften: Wie jede Säure interagiert mit Metallen (Na), basischen Oxiden (Na2O), Laugen (NaOH).
Laborerfahrung:
Gießen Sie etwas Essigsäure in ein trockenes, sauberes Reagenzglas mit Universalindikator. Die Anzeige wird rot.
Nachricht 6.
Glukose C6H12O6. Klasse - Kohlenhydrate. Funktionelle Gruppen: 5-OH und 1-COH, also Aldehydalkohol. Qualitative Reaktionen: Wechselwirkung mit Kupferhydroxid zur Bildung einer blauen Lösung. Die Reaktion des "Silberspiegels" mit der Freisetzung von Silber an den Wänden des Reagenzglases. Chemische Eigenschaften: Reduktion zu sechswertigem Alkohol, Oxidation zu Gluconsäure, Fermentationsreaktion.
Nachricht 7.
Anilin C6H5-NH2.
Funktionelle Gruppe - NH2-Aminogruppe. Klasse - Amine. Qualitative Reaktion: Wechselwirkung mit Bromwasser unter Bildung eines weißen Niederschlags. Chemische Eigenschaften: Wechselwirkung mit Salzsäure und Brom.
Nachricht 8.
Aminoethansäure NH2-CH2-COOH oder Aminoessigsäure.
Klasse - Aminosäuren. Funktionelle Gruppen: - NH2-Aminogruppe und –COOH-Carboxylgruppe. Chemische Eigenschaften: AK - amphotere Verbindungen; - NH2 gibt basische Eigenschaften, - COOH - saure Eigenschaften. Daher können sich Aminosäuren miteinander verbinden und Proteinmoleküle bilden, und Protein ist die Grundlage des Lebens auf unserem Planeten.
4. Selbstbestimmung der Schüler nach Ebenen des Selbstwertgefühls.
Interaktive Tafel: Die Schüler machen sich mit der Entwicklungs-Selbsteinschätzungskarte im Unterricht vertraut und markieren ihr Niveau.
1. Ich kann mit Hilfe eines Lehrers und einer Zusammenfassung (6-7 Punkte) die Funktionsgruppe und den einfachsten Vertreter der Klasse der organischen Stoffe bestimmen.
2. Ich kann die Funktionsgruppe, den einfachsten Vertreter der Klasse der organischen Stoffe, ohne Hilfe eines Lehrers und ohne Hilfe einer Zusammenfassung bestimmen (8-10 Punkte).
3. Ich kann die qualitative Reaktion und die chemischen Eigenschaften eines Stoffes mit Hilfe eines Lehrers und Notizen bestimmen (11-14 Punkte).
4. Ich kann die qualitative Reaktion und die chemischen Eigenschaften eines Stoffes ohne Hilfe eines Lehrers und ohne Zusammenfassung bestimmen (15-18 Punkte).
Klasse | Funktionelle Gruppen | Der einfachste Vertreter | Qualitative Reaktionen | Chemische Eigenschaften |
einatomig Alkohole | ||||
Mehrwertige Alkohole | ||||
Phenole | ||||
Aldehyde | ||||
Carbonsäuren | ||||
Kohlenhydrate | ||||
Amine | ||||
Aminosäuren |
Die Studierenden werden in ein kriterienbasiertes Bewertungssystem eingeführt.
Kriterien:
18 - 15 Punkte - "sehr gut"
Punkte - "gut"
10 - 6 Punkte - "befriedigend"
5 oder weniger - "ungenügend"
5. Eigenständiges Arbeiten der Studierenden.
6. Zusammenfassung der Ergebnisse nach einem kriterienorientierten System (Bekanntgabe der Punktzahl an die Studierenden).
7. Hausaufgaben: die Tabelle ausfüllen.
