Изучение сероорганических соединений
Органические соединения серы играют важную роль в биологии, быту, технике. Например, сероорганические аминокислоты цистеин и метионин входят в состав белков. Соли серосодержащих кислот используют в качестве моющих средств. Сульфокислоты — промежуточные продукты при синтезе ряда органических соединений (фенолов, аминов, карбоновых кислот, красителей). Однако они очень кратко рассматриваются в школьном курсе химии. Авторы некоторых линий учебников не предусматривают изучение данной темы. В УМК В. В. Лунина и соавторов на изучение сероорганических соединений отведён 1 урок. В учебнике «Химия. 10 класс» В. В. Еремина и соавт. описаны свойства тиоспиртов, тиоэфиров и кислородсодержащих органических соединений серы.Изучение сероорганических соединений должно строиться по традиционной схеме и включать этапы формирования представлений о номенклатуре, электронном строении и свойствах, получении и областях применения веществ. В ходе урока обучающиеся учатся называть сероорганические соединения по тривиальной и международной номенклатуре. Тиоспитры получили тривиальное название «меркаптаны» благодаря способности связывать ионы ртути и превращать их в нерастворимые тиоляты. На примере простейших соединений рассмотрим номенклатуру тиоспиртов и тиоэфиров (табл. 1).
| Номенклатура тиоспиртов и тиоэфиров | ||
| Формула вещества | Рациональная номенклатура | Систематическая номенклатура |
| CH3—CH2—SH | Этилмеркаптан | Этантиол |
| CH3—CH2—S—CH3 | Метилэтилсульфид | Метилтиоэтан |
| CH3—CH2—S—CH2—CH3 | Диэтилсульфид | Этилтиоэтан |
| CH3—CH2—SК | Этилмеркаптид калия | Этантиолят калия |
Изучение реакционной способности веществ базируется на представлениях о взаимосвязи электронного строения молекул и их свойств. Чтобы помочь лучше понять строение и свойства тиолов и тиоэфиров, учитель обращает внимание учащихся на сходство электронного строения атомов кислорода и серы. Анализируя кислотные свойства тиоспиртов, учащиеся вспоминают закономерности изменения кислотных свойств водородных соединений неметаллов в подгруппах периодической системы. Кислотные свойства увеличиваются с ростом атомного радиуса неметаллов: от HF к HI, от H2O к H2S, а, следовательно, от спиртов к тиоспиртам.
Существенное отличие тиоспиртов от спиртов — их отношение к окислению. Так, при окислении спиртов происходит изменение степени окисления углерода, а при окислении тиолов — степени окисления серы. Это можно объяснить, с одной стороны, меньшей прочностью связи S—H по сравнению со связью О—Н, а с другой — высокой восстановительной способностью атома серы в низшей степени окисления. Вспоминая лёгкость окисления сероводорода и сульфидов, учащиеся могут прийти к выводу о способности к окислению тиоспиртов и тиоэфиров. При рассмотрении данного материала можно предложить обучающимся выполнить следующее задание.
Аминокислота цистеин
CH2—CH—COOH
Выполнение задания позволит лучше понять суть превращений тиолов, а также послужит базой для дальнейшего изучения свойств аминокислот и структуры белков.
На следующем этапе урока происходит формирование представлений о кислородосодержащих соединениях серы: сульфокислотах, алкилсерных кислотах и их солях. Учащиеся впервые знакомятся с сульфокислотами при изучении свойств углеводородов. При изучении органической химии на углублённом уровне целесообразно изучение реакций сульфохлорирования алканов с рассмотрением радикального механизма процесса.
Сульфирование аренов приводит к получению ароматических сульфокислот, имеющих, как сказано выше, важное синтетическое значение. На примере сульфирования толуола можно рассмотреть явление кинетического и термодинамического контроля реакции. Эти вопросы часто
встречаются в заданиях школьных химических олимпиад. Сульфирование аренов имеет ряд особенностей, главная из которых — обратимость. В связи с возможностью протекания реакций сульфирования и десульфирования и, как следствие, взаимопревращения изомерных сульфокислот выход продуктов сульфирования толуола, фенола, анилина, нафталина и др. зависит от температуры. Как известно, при низких температурах образуются кинетически контролируемые продукты — те, энергия активации образования которых ниже, а скорость выше: о-толуолсульфокислота, о-фенолсульфокислота, 1-нафталинсульфокислота и др. В случае сульфирования толуола это можно объяснить тем, что электронодонорное влияние заместителя наиболее выражено в орто- положении. Если сульфирование происходит при высоких температурах, то образуются преимущественно более устойчивые пара-замещённые изомеры, в которых взаимодействие сульфогруппы с другим заместителем минимально:
Алкилсерные кислоты, или кислые эфиры серной кислоты, — это продукты замещения одного атома водорода в молекуле серной кислоты на углеводородный радикал. Алкилсерные кислоты образуются при присоединении серной кислоты к алкенам на промежуточной стадии их гидратации. Другой способ получения — взаимодействие спиртов с серной кислотой. Можно предложить учащимся вспомнить, как называется реакция между спиртом и кислотой, приводящая к образованию сложного эфира, и отметить сходства и различия реакций спиртов с органическими и неорганическими кислотами. Целесообразно привести тривиальные и систематические названия солей важнейших сероорганических кислот (табл. 2).
| Названия важнейших органических кислот | ||
| Формула вещества | Тривиальная номенклатура | Систематическая номенклатура |
| C12H25—SО3Na | Лаурилсульфонат натрия | Додецилсульфонат натрия |
| C12H25—O—SО3Na | Лаурилсульфат натрия | Додецилсульфат натрия |
Сульфокислоты и алкилсерные кислоты широко применяют в органическом синтезе, однако важнейшее направление их использования на сегодняшний день — получение алкилсульфатов, алкилсульфонатов и алкиларилсульфонатов, применяемых в качестве синтетических моющих средств. Получение солей алкилсерных кислот и сульфокислот стало революцией в применении поверхностно-активных веществ (ПАВ). Оно решило сразу несколько проблем, главной из которых был дефицит жиров как сырья для производства мыла. Чтобы оценивать способность алкилсульфатов и алкилсульфонатов к гидролизу, учащиеся должны знать, что сульфокислоты по силе лишь немного уступают серной кислоте. Учитель может продемонстрировать окраску индикатора — фенолфталеина или лакмуса — в водном растворе мыла или синтетического моющего средства (СМС) на основе сульфатов, например шампуня. Раствор синтетического ПАВ имеет нейтральную среду, он «не щиплет глазки», поэтому эти соединения широко применяют в гигиенических и косметических средствах. Для закрепления материала можно предложить учащимся следующее задание.
Лаурилсульфат натрия может быть получен взаимодействием додеканола-1 с серной кислотой с последующей нейтрализацией полученного вещества карбонатом натрия. Запишите уравнения протекающих реакций.
В отличие от сульфатов бария и кальция алкилсульфаты и алкилсульфонаты растворимы в воде, поэтому они не образуют осадков и не теряют моющей способности в жёсткой и даже в солёной воде. Учитель может предложить учащимся проанализировать состав шампуня или геля для душа, представленный на этикетке. С большой долей вероятности там встретятся названия «Лаурилсульфат натрия» или «Лаурилсульфонат натрия». Необходимо объяснить учащимся, что применение больших количеств ПАВ представляет угрозу экологической безопасности. Вследствие хорошей растворимости солей сульфокислот и алкилсерных кислот их крайне тяжело извлекать из сточных вод. Кроме того, благодаря высокой поверхностной активности молекулы ПАВ способны проникать через кожу. В настоящее время активно осуществляется поиск ПАВ, менее агрессивно воздействующих на кожу, набирают популярность так называемые бессульфатные моющие средства. Полученные знания учащиеся используют при изучении темы «Бытовая химия» в 11-м классе. Далее на уроке рассматривают получение сульфаниловой кислоты, обсуждают её применение в синтезе сульфаниламидных лекарственных препаратов и азокрасителей. В конце урока можно предложить учащимся выполнить упражнения после § 55. Урок завершается этапом рефлексии. Можно предложить учащимся продолжить предложения:
«Сегодня я узнал, что ...», «Было полезно узнать, что...», «Мне захотелось...» и др. Рассмотренное нами учебное пособие раскрывает содержание выбранной темы на углублённом уровне. На данном уроке развивается мышление обучающихся; умение устанавливать взаимосвязь между составом, свойствами веществ и областью применения, что способствует развитию исследовательских навыков. Изучаемый материал помогает осознанию связи органической химии с биологией, медициной, бытовой химией.
