Итоговое повторение: органическая химия

Цели урока

• Повторить классификацию, номенклатуру, гомологию и изомерию органических соединений.
• Обобщить химические свойства всех основных классов: алканов, алкенов, диенов, алкинов, аренов, спиртов, фенолов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, сложных эфиров, жиров, углеводов, аминов, аминокислот, белков и полимеров.
• Закрепить понимание механизмов реакций (радикальное замещение, электрофильное присоединение, нуклеофильное замещение, элиминирование).
• Отработать составление уравнений реакций по цепочкам превращений (задание 32).
• Систематизировать знания о качественных реакциях на функциональные группы (задание 24).
• Решать задания ЕГЭ №10–16 (органическая химия в части 1).

Зачем это нужно на ЕГЭ

Органическая химия – один из самых объёмных разделов на ЕГЭ. Задания, которые её проверяют:

• №10 – классификация и номенклатура органических веществ.
• №11 – теория строения, изомерия, гомология, типы связей, гибридизация.
• №12 – характерные химические свойства углеводородов (алканы, алкены, диены, алкины, арены).
• №13 – характерные химические свойства кислородсодержащих и азотсодержащих соединений (спирты, фенолы, альдегиды, кислоты, сложные эфиры, углеводы, амины, аминокислоты).
• №14 – механизмы реакций в органической химии.
• №15 – взаимосвязь органических соединений (цепочки из 2–3 реакций в тестовой форме).
• №16 – классификация, свойства и получение полимеров.
• №24 – качественные реакции на органические вещества (иногда комбинируют с неорганической).
• №32 – цепочки превращений (5–6 стадий, включая ОВР и внутримолекулярные процессы).

Без системного повторения органики вы не сможете уверенно выполнять эти задания.

Теория

1. Основы органической химии

1.1 Теория строения А.М. Бутлерова

• Атомы в молекулах соединены в определённом порядке согласно их валентности.
• Свойства веществ зависят не только от качественного и количественного состава, но и от химического строения.
• По строению можно предсказывать свойства, а по свойствам – строение.

1.2 Гибридизация атома углерода

1.3 Гомологи и изомеры

• Гомологи – вещества одного класса, отличающиеся на одну или несколько групп $CH_2$ (гомологическую разность).
• Изомеры – одинаковый состав, разное строение.
  • Структурная изомерия: углеродного скелета, положения кратной связи/функциональной группы, межклассовая.
  • Пространственная изомерия: геометрическая (цис-транс) и оптическая.

2. Углеводороды

2.1 Алканы ($C_nH_{2n+2}$)

• $sp^3$-гибридизация, только $\sigma$-связи.
• Реакции: радикальное замещение ($SR$): галогенирование (на свету), нитрование (Коновалова), сульфохлорирование.
• Дегидрирование ($t$, катализатор) → алкены.
• Крекинг (при $t$) – разрыв связей $C-C$.
• Изомеризация (на катализаторе).
• Горение (полное и неполное).

Пример: $CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$

2.2 Алкены ($C_nH_{2n}$)

• Одна двойная связь ($1\sigma + 1\pi$), $sp^2$-гибридизация.
• Реакции электрофильного присоединения ($AE$):
  • Гидрирование ($H_2$, $Pt/Ni$)
  • Галогенирование ($Br_2$ – обесцвечивание бромной воды)
  • Гидрогалогенирование (правило Марковникова: $H$ к более гидрогенизированному $C$)
  • Гидратация ($H_2O$, $H^+$, тоже по Марковникову)
• Окисление:
  • Мягкое ($KMnO_4$, холодный раствор) → двухатомные спирты (обесцвечивание раствора)
  • Жёсткое ($KMnO_4$, $t$, или $K_2Cr_2O_7/H^+$) → разрыв двойной связи
• Полимеризация → полиэтилен.

2.3 Алкадиены ($C_nH_{2n-2}$)

• Две двойные связи. Сопряжённые (чередуются) – важнее всего.
• Реакции $AE$: возможно 1,2- и 1,4-присоединение.
• Полимеризация → синтетические каучуки.

Пример: $CH_2=CH-CH=CH_2 + Br_2$ → $CH_2Br-CHBr-CH=CH_2$ (1,2) и $CH_2Br-CH=CH-CH_2Br$ (1,4)

2.4 Алкины ($C_nH_{2n-2}$)

• Одна тройная связь ($1\sigma + 2\pi$), $sp$-гибридизация.
• Реакции $AE$ (последовательно до алканов):
  • Гидрирование (до алкена, потом до алкана)
  • Галогенирование (обесцвечивание $Br_2$)
  • Гидрогалогенирование (по Марковникову, возможно удвоенное)
  • Гидратация (Кучеров): ацетилен → уксусный альдегид, гомологи → кетоны
• Кислотные свойства терминальных алкинов ($C \equiv C-H$) – реагируют с амидом натрия, с $Ag_2O$ (аммиач.) → ацетилениды серебра/меди (осадки).

2.5 Арены (ароматические углеводороды)

• Бензол $C_6H_6$, $sp^2$-гибридизация, ароматическая система (6 $\pi$-электронов).
• Реакции электрофильного замещения ($SE$) – главные:
  • Галогенирование ($FeCl_3$, $AlCl_3$)
  • Нитрование ($HNO_3/H_2SO_4$)
  • Сульфирование ($H_2SO_4$)
  • Алкилирование (Фриделя-Крафтса)
• Реакции присоединения – труднее: гидрирование ($Ni$, $t$), галогенирование на свету (радикальное к боковой цепи, но не к кольцу).
• Гомологи бензола (толуол, ксилолы):
  • Замещение в кольце происходит под действием ориентирующих групп (OH, алкилы – орто-пара-ориентанты; NO₂, COOH, SO₃H – мета-ориентанты).
  • Боковая цепь может окисляться ($KMnO_4$) до карбоксильной группы (толуол → бензойная кислота).
• Стирол ($C_6H_5-CH=CH_2$) – полимеризация в полистирол.

3. Кислородсодержащие соединения

3.1 Спирты ($R-OH$)

• Предельные одноатомные: $C_nH_{2n+1}OH$.
  • Кислотные свойства (очень слабые, реагируют с активными металлами: $Na$, $K$)
  • Замещение $OH$ на $Hal$ (с $HBr$, $PCl_5$)
  • Дегидратация: внутримолекулярная ($\geq 140^\circ C$, $H_2SO_4$) → алкены, межмолекулярная ($<140^\circ C$) → простые эфиры
  • Окисление: первичные → альдегиды, вторичные → кетоны, третичные – трудно.
• Многоатомные спирты (этиленгликоль, глицерин):
  • Качественная реакция – растворимый ярко-синий комплекс с $Cu(OH)_2$ (без нагревания).
  • Свойства, аналогичные одноатомным (но кислотность чуть выше).

3.2 Фенол ($C_6H_5OH$)

• Кислотные свойства (слабая кислота, реагирует с $NaOH$, но не с $NaHCO_3$).
• Реакции по ароматическому кольцу: благодаря $OH$-группе (орто-пара-ориентант) очень легко идёт замещение:
  • Бромная вода → 2,4,6-трибромфенол (белый осадок) – качественная реакция.
  • Нитрование → 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота).
• Получение: кумольный способ (из бензола и пропилена).

3.3 Альдегиды ($R-CHO$) и кетоны ($R-CO-R'$)

• Карбонильная группа $>C=O$.
• Свойства альдегидов:
  • Присоединение $H_2$ (гидрирование) → первичные спирты.
  • Окисление:
    • Реакция «серебряного зеркала» $[Ag(NH_3)_2]OH$ → $Ag$ (осадок) – качеств.
    • С $Cu(OH)_2$ (свежеосажд.) при нагревании → $Cu_2O$ (кирпично-красный осадок).
    • $KMnO_4$, $K_2Cr_2O_7$ → кислоты.
• Кетоны окисляются с трудом (при жёстком окислении разрыв цепи).
• Реакция полимеризации формальдегида → параформ.

3.4 Карбоновые кислоты ($R-COOH$)

• Диссоциация (слабые кислоты, кроме низших).
• Химические свойства (общие для кислот):
  • С металлами (до $H_2$)
  • С основными оксидами и основаниями
  • С солями более слабых кислот
  • Этерификация со спиртами ($H_2SO_4$, $t$) → сложные эфиры.
• Особенности:
  • Муравьиная кислота ($HCOOH$) – имеет альдегидную группу, даёт реакцию серебряного зеркала, окисляется до $CO_2$.
  • Непредельные кислоты ($CH_2=CH-COOH$) – присоединение по двойной связи.
• Получение: окисление альдегидов, спиртов, алкенов; гидролиз нитрилов.

3.5 Сложные эфиры ($R-COO-R'$)

• Обратная реакция этерификации – кислотный и щелочной гидролиз (омыление).
• Жиры – сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот (стеариновой, пальмитиновой – твёрдые, олеиновой – жидкие).
  • Гидрогенизация (гидрирование) жидких жиров → твёрдые (маргарин).
  • Щелочной гидролиз → мыла (натриевые/калиевые соли кислот) + глицерин.

3.6 Углеводы

• Моносахариды (глюкоза, фруктоза):
  • Глюкоза – альдегидоспирт: восстанавливает $[Ag(NH_3)_2]OH$ и $Cu(OH)_2$ (при нагревании), а также реагирует с $Cu(OH)_2$ на холоду как многоатомный спирт (синий раствор). Брожение: спиртовое, молочнокислое.
• Дисахариды:
  • Сахароза ($C_{12}H_{22}O_{11}$) – невосстанавливающий (нет свободной альдегидной группы), гидролизуется на глюкозу+фруктозу.
  • Мальтоза – восстанавливающий.
• Полисахариды:
  • Крахмал – качественная реакция с $I_2$ (синий цвет). Гидролиз → глюкоза.
  • Целлюлоза – гидролиз → глюкоза. Этерификация азотной кислотой → нитроцеллюлоза (взрывчатка), уксусной → ацетатное волокно.

4. Азотсодержащие соединения

4.1 Амины ($R-NH_2$, $R_2NH$, $R_3N$)

• Основные свойства (сильнее, чем аммиак для алифатических, слабее для анилина).
• Реагируют с кислотами → соли аммония.
• Анилин ($C_6H_5NH_2$):
  • Из-за влияния бензольного кольца основность снижена.
  • Реакции по ароматическому кольцу (бромная вода → 2,4,6-триброманилин, белый осадок).
  • Получение: восстановление нитробензола ($Fe + HCl$ или $H_2/Pt$).

4.2 Аминокислоты ($NH_2-CHR-COOH$)

• Амфотерны: $NH_2$ – основные свойства, $COOH$ – кислотные.
• Реагируют с кислотами ($-NH_2 + H^+$) и с щелочами ($-COOH + OH^-$).
• Образование пептидов (поликонденсация) – пептидная связь $-CO-NH-$.
• Белки – полипептиды. Свойства:
  • Гидролиз → аминокислоты.
  • Денатурация (при $t$, $pH$, солях тяжёлых металлов).
  • Качественные реакции: биуретовая (с $CuSO_4$ в щелочной среде – фиолетовое окрашивание на пептидную связь), ксантопротеиновая (с конц. $HNO_3$ – жёлтое окрашивание на ароматические аминокислоты).

5. Полимеры

• Реакция полимеризации (без выделения побочных продуктов):
  • $n CH_2=CHCl \rightarrow (-CH_2-CHCl-)_n$ (поливинилхлорид)
  • $n CH_2=CH(C_6H_5) \rightarrow (-CH_2-CH(C_6H_5)-)_n$ (полистирол)
• Реакция поликонденсации (с выделением $H_2O$, $NH_3$ и т.д.):
  • Фенолформальдегидные смолы
  • Полиамиды ($n H_2N-(CH_2)_6-NH_2 + n HOOC-(CH_2)_4-COOH \rightarrow$ найлон)
• Классификация волокон: искусственные (вискоза, ацетатный шёлк) из природных полимеров; синтетические (капрон, лавсан, полиэфиры).

6. Механизмы органических реакций

7. Генетическая связь органических соединений

Типичная цепочка:
алкан → галогеналкан → спирт → альдегид → кислота → сложный эфир
или:
алкин → альдегид → спирт → алкен → полимер
или:
арен → нитросоединение → амин → анилид …

В задании 32 вам нужно будет написать 5–6 уравнений реакций, часто с условиями (катализаторы, $t$, концентрации). Обязательно учитывайте окислительно-восстановительные процессы.

8. Качественные реакции в органике (задание 24)

Примеры решения заданий ЕГЭ

Пример задания №10 (номенклатура и классификация)

Условие: Установите соответствие между формулой вещества и классом:

1. $C_6H_5-CH_3$
2. $CH_3-CH_2-OH$
3. $CH_3-COO-CH_3$
4. $CH_3-NH_2$
   А) амины, Б) арены, В) спирты, Г) сложные эфиры.

Решение:

• $C_6H_5-CH_3$ – толуол, арен (Б)
• $CH_3-CH_2-OH$ – этанол, спирт (В)
• $CH_3-COO-CH_3$ – метилэтаноат, сложный эфир (Г)
• $CH_3-NH_2$ – метиламин, амин (А)

Ответ: 1-Б, 2-В, 3-Г, 4-А.

Пример задания №11 (теория строения)

Условие: Для молекулы этилена $C_2H_4$ верны утверждения:

1. все атомы находятся в одной плоскости
2. атомы углерода в состоянии $sp^2$-гибридизации
3. имеется 1 $\pi$-связь
4. валентный угол $H-C-H$ составляет 180°
5. молекула неполярна

Решение:
Этилен – плоский, $sp^2$, $120^\circ$, одна двойная связь (1$\sigma$+1$\pi$), молекула неполярна (симметрична).
Пункт 4 неверен (угол ~120°).
Ответ: 1, 2, 3, 5.

Пример задания №12 (свойства углеводородов)

Условие: И бензол, и гексен-1 реагируют с:

1. $H_2$ (кат.) 2) $Br_2$ (раствор) 3) $KMnO_4$ (раствор) 4) $HNO_3$ ($H_2SO_4$) 5) полимеризация

Решение:
Бензол гидрируется ($H_2$, $Ni$), гексен-1 тоже – (1).
Бензол с бромной водой не реагирует (только с $Br_2$ на катализаторе, но не в растворе). Гексен-1 обесцвечивает – (2) подходит? У бензола нет.
$KMnO_4$: бензол не окисляется, гексен-1 – окисляется (3) не подходит.
$HNO_3$: бензол нитруется, гексен-1 – нет (4) не подходит.
Полимеризация: бензол нет, гексен-1 – да.
Общее только (1).
Ответ: 1.

Пример задания №13 (кислородсодержащие и азотсодержащие)

Условие: Взаимодействием аммиака с хлорэтаном можно получить:

1. этиламин 2) диэтиламин 3) триэтиламин 4) хлорид аммония
   Решение:
   $C_2H_5Cl + NH_3 \rightarrow C_2H_5NH_2 + HCl$, затем возможно дальнейшее алкилирование до $(C_2H_5)_2NH$ и $(C_2H_5)_3N$. Также $HCl$ даёт $NH_4Cl$.
   Ответ: 1,2,3,4.

Пример задания №14 (механизмы)

Условие: Реакция пропена с бромоводородом протекает по механизму:

1. радикального замещения 2) электрофильного присоединения 3) нуклеофильного замещения 4) элиминирования

Решение:
Алкены + $HBr$ – электрофильное присоединение ($AE$).
Ответ: 2.

Пример задания №15 (взаимосвязь)

Условие: В схеме $CH_2=CH_2 \xrightarrow{A} C_2H_5OH \xrightarrow{B} C_2H_5OC_2H_5$ вещества A и B:

1. $A - H_2O (H^+)$, $B - H_2SO_4$ ($<140^\circ C$)
2. $A - H_2O$, $B - NaOH$
3. $A - KMnO_4$, $B - H_2SO_4$ ($>140^\circ C$)
4. $A - H_2 (Ni)$, $B - H_2SO_4$ ($<140^\circ C$)

Решение:
Этилен → этанол – гидратация ($H_2O, H^+$) – A.
Этанол → диэтиловый эфир – межмолекулярная дегидратация ($H_2SO_4$, $<140^\circ C$) – B.
Ответ: 1.

Пример задания №16 (полимеры)

Условие: Какие из перечисленных полимеров получают реакцией поликонденсации?

1. полиэтилен 2) поливинилхлорид 3) фенолформальдегидная смола 4) белок

Решение:
Полиэтилен и ПВХ – полимеризация. Фенолформальдегидная смола и белок (полипептиды) – поликонденсация.
Ответ: 3,4.

Пример задания №24 (качественные реакции в органике)

Условие: В трёх пробирках находятся глицерин, этанол и водный раствор фенола. Как их распознать?

Решение:

1. Добавить $Cu(OH)_2$ (свежеосаждённый). Глицерин даст ярко-синий раствор (комплекс). В двух других – осадок не растворяется.
2. Оставшиеся: фенол и этанол. Добавить $Br_2$ (вода). В пробирке с фенолом выпадает белый осадок трибромфенола. Этанол не реагирует.

Ответ: сначала $Cu(OH)_2$, затем $Br_2$ вода.

Пример задания №32 (цепочка превращений)

Условие: Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения:
$C_2H_6 \rightarrow C_2H_5Cl \rightarrow C_2H_5OH \rightarrow CH_3CHO \rightarrow CH_3COOH \rightarrow CH_3COOC_2H_5$

Решение:

1. $C_2H_6 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Cl + HCl$
2. $C_2H_5Cl + NaOH_{(\text{водн.})} \xrightarrow{t} C_2H_5OH + NaCl$
3. $C_2H_5OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3CHO + Cu + H_2O$ (или $[O]$)
4. $CH_3CHO + Ag_2O \xrightarrow{NH_3} CH_3COOH + 2Ag$ (реакция серебряного зеркала)
5. $CH_3COOH + C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, t} CH_3COOC_2H_5 + H_2O$ (этерификация)

Вопросы для самопроверки

1. Напишите структурные формулы всех изомеров $C_4H_8$ (углеводороды), назовите их.
2. Почему анилин слабее взаимодействует с кислотами, чем метиламин?
3. Как с помощью одного реагента различить гексен-1, гексан и гексин-1?
4. Напишите уравнение реакции пропена с $HBr$ в присутствии пероксида (эффект Хараша). В чём отличие от обычного присоединения?
5. Какие продукты образуются при жёстком окислении 2-метилпропена?
6. Составьте уравнение реакции поликонденсации адипиновой кислоты и гексаметилендиамина. Как называется полученный полимер?
7. Напишите качественную реакцию на крахмал и на глюкозу. Какие изменения наблюдаются?
8. В цепочке: $CH_4 \rightarrow A \rightarrow C_2H_2 \rightarrow B \rightarrow CH_3CHO \rightarrow C \rightarrow CH_3COOK$ определите вещества $A, B, C$.

Краткий конспект

• Углеводороды: алканы ($S_R$), алкены ($A_E$, правило Марковникова), диены (1,2- и 1,4-присоединение, каучуки), алкины (Кучеров, кислотные свойства), арены ($S_E$, ориентанты, окисление боковой цепи).
• Кислородсодержащие: спирты (окисление до альдегидов/кетонов, дегидратация), фенол (реакции с $Br_2$, $FeCl_3$), альдегиды (реакции «серебряного зеркала», $Cu(OH)_2$), карбоновые кислоты (этерификация, особые свойства муравьиной), сложные эфиры (омыление), жиры (гидрогенизация), углеводы (глюкоза – альдегидоспирт, сахароза – невосстанавливающая, крахмал + $I_2$).
• Азотсодержащие: амины (основность), анилин (бромирование), аминокислоты (амфотерность, пептиды), белки (биуретовая, ксантопротеиновая реакции).
• Полимеры: полимеризация и поликонденсация.
• Механизмы: $S_R$, $A_E$, $S_N$, $E$, $S_E$.
• Качественные реакции: обесцвечивание $Br_2$ и $KMnO_4$ (кратные связи), $Ag_2O$ (альдегиды), $Cu(OH)_2$ (многоатомные спирты и альдегиды при нагревании), $FeCl_3$ (фенолы), $I_2$ (крахмал), биуретовая и ксантопротеиновая (белки).

Что изучать дальше

После повторения органической химии переходите к следующим урокам:

• Урок 75 «Итоговое повторение: химия и жизнь, экология, производство» — задание 25.
• Урок 76 «Комбинированные расчётные задачи» — смеси, последовательные реакции — задание 34.
• Урок 77 «Практикум по решению расчётных задач разных типов».
• Урок 78 «Итоговый практикум: полные варианты ЕГЭ» — тренировка в формате экзамена.

Обратите особое внимание на отработку цепочек (задание 32) и качественных реакций (задание 24). При необходимости вернитесь к урокам 35–58.