1. Что такое изомерия

Предмет органической химии. Роль
органических веществ в жизни
человека
1. Введение
К началу XXI века химики выделили в чистом виде миллионы веществ. При этом известно
более 18 миллионов соединений углерода и меньше миллиона соединений всех остальных
элементов.
Рост числа известных органических соединений
Соединения углерода в основном относят к органическим соединениям.
Вещества стали разделять на органические и неорганические с начала XIX века.
Органическими называли тогда вещества, выделенные из животных и растений, а
неорганическими – добытые из минералов. Именно через органический мир проходит
основная часть круговорота углерода в природе.
Круговорот углерода в природе
Из соединений, содержащих углерод, к неорганическим традиционно относят графит, алмаз,
оксиды углерода (CO и CO2), угольную кислоту (H2CO3), карбонаты (например, карбонат
натрия – сода Na2CO3), карбиды (карбид кальция CaC2), цианиды (цианистый калий KCN),
роданиды (роданистый натрий NaSCN).
Более точное современное определение: органические соединения – это углеводороды и
их производные.
Простейший углеводород – это метан. Атомы углерода способны соединяться друг с другом,
образуя цепи любой длины. Если в таких цепях углерод связан еще и с водородом –
соединения называются углеводородами. Известны десятки тысяч углеводородов.
Модели молекул метана СН4, этана С2Н6, пентана С5Н12
Производные углеводородов – это углеводороды, в которых один или несколько атомов
водорода замещены атомом или группой атомов других элементов. Например, один из
атомов водорода в метане можно заместить на хлор, или на группу ОН, или на группу NH2.
Метан CH4, хлорметан CH3Cl, метиловый спирт CH3OH, метиламин CH3NH2
В состав органических соединений, кроме атомов углерода и водорода, могут входить атомы
кислорода, азота, серы, фосфора, реже галогенов.
Чтобы оценить значение органических соединений, которые нас окружают, представим себе,
что они вдруг исчезли. Нет деревянных предметов, книг и тетрадей, нет сумок для книг и
шариковых ручек. Исчезли пластмассовые корпуса компьютеров, телевизоров и других
бытовых приборов, нет телефонов и калькуляторов. Без бензина и дизельного топлива встал
транспорт, нет большинства лекарств и просто нечего есть. Нет моющих средств, одежды, да
и нас с вами…
Органических веществ так много из-за особенностей образования химических связей атомами
углерода. Эти небольшие атомы способны образовывать прочные ковалентные связи друг с
другом и с неметаллами-органогенами.
В молекуле этана С2Н6 друг с другом связаны 2 атома углерода, в молекуле пентана С5Н12 – 5
атомов, а в молекуле всем известного полиэтилена сотни тысяч атомов углерода.
Строение, свойства и реакции органических веществ изучает органическая химия.
Качественный и количественный
состав органических веществ.
Простейшая и молекулярная формулы
1. Простейшая формула
Состав веществ отражают химические формулы.
Химические формулы показывают, какие атомы и в каких соотношениях входят в данное
вещество. Для большинства неорганических веществ формула обычно отражает не только
состав, но и ряд свойств, например, NaCl, HCl, MgCl2.
В отличие от неорганических, в совершенно разных органических соединениях могут
содержаться одни и те же элементы в одинаковых соотношениях.
Известно очень много соединений, которые соответствуют составу CH2. Это, например, газы
этилен С2Н4 и циклопропан С3Н6, жидкости циклогексан С6Н12 и гексен С6Н12, твердый
полиэтилен (-C2H4-)n и многие другие вещества.
Формулу CH2 для всех перечисленных веществ называют простейшей. Она показывает, что в
составе молекул этих веществ на один атом углерода приходится два атома водорода.
Формулу, отражающую соотношение атомов в молекуле вещества, называют
простейшей формулой.
Молекулы органических веществ с одинаковой простейшей формулой могут содержать
разное число атомов при их одинаковом соотношении.
Поэтому простейшей формулы недостаточно для описания органического соединения.
2. Молекулярная формула
Общее число атомов каждого элемента в молекуле описывается молекулярной формулой.
Одной простейшей формуле могут соответствовать много молекулярных формул.
3. Структурная формула, валентность
Формула, которая показывает порядок соединения атомов в молекуле, называется
структурной формулой.
Гексен и циклогексан имеют одинаковые молекулярные формулы С6Н12, но это два разных
вещества с разными физическими и химическими свойствами. См. табл. 1.
Вещество C6H12
Физическое
свойство
Химическое свойство
Гексен (гексен1)
Кипит при 63,40С
Реагирует с бромом в темноте при 200С
Циклогексан
Кипит при 88,70С
НЕ реагирует с бромом в темноте при
200С
Табл. 1. Различие свойств гексена и циклогексана
Для характеристики органического вещества необходимо знать не только состав молекулы,
но и порядок расположения атомов в молекуле – строение молекулы.
Строение веществ отражают структурные (графические) формулы, в которых ковалентные
связи между атомами обозначают черточками – валентными штрихами.
В органических соединениях углерод образует четыре связи, водород – одну, кислород – две,
а азот – три.
Валентность.Число ковалентных неполярных или полярных связей, которые может
образовывать элемент, называют валентностью
Связь, которая образована одной парой электронов, называется простой или
одинарной связью.
Связь, которая образована двумя парами электронов, называется двойной связью, ее
обозначают двумя черточками, как знак «равно». Три электронных пары
образуют тройную связь, которую обозначают тремя черточками. См. табл. 2.
Табл. 2. Примеры органических веществ с разными связями
На практике обычно применяют сокращенные структурные формулы, в которых не
обозначены связи углерода, кислорода и других атомов с водородом:
CH4
метан
CH3-CH3
этан
CH3-CH2-OH
этанол
Рис. 1. Объёмная модель молекулы этанола
Структурные формулы передают порядок, в котором атомы соединены друг с другом, но не
передают расположение атомов в пространстве. Структурные формулы – это двумерный
рисунок, а молекулы трехмерны, т.е. объемны, это показано на примере этанола на рис. 1.
Изомерия. Виды изомерии.
Структурная изомерия,
геометрическая, оптическая
1. Что такое изомерия
Рассмотренные нами ранее виды формул, описывающих органические вещества,
показывают, что одной молекулярной может соответствовать несколько разных структурных
формул.
Например, молекулярной формуле C2H6O соответствуют два вещества с разными
структурными формулами – этиловый спирт и диметиловый эфир. Рис. 1.
Этиловый спирт – жидкость, которая реагирует с металлическим натрием с выделением
водорода, кипит при +78,50С. При тех же условиях диметиловый эфир – газ, не реагирующий с
натрием, кипит при -230С.
Эти вещества отличаются своим строением – разным веществам соответствует одинаковая
молекулярная формула.
Рис. 1. Межклассовая изомерия
Явление существования веществ, имеющих одинаковый состав, но разное строение
и поэтому разные свойства называют изомерией (от греческих слов «изос» –
«равный» и «мерос» – «часть», «доля»).
Типы изомерии
Существуют разные типы изомерии.
2. Межклассовая изомерия
Структурная изомерия связана с разным порядком соединения атомов в молекуле.
Этанол и диметиловый эфир – структурные изомеры. Поскольку они относятся к разным
классам органических соединений, такой вид структурной изомерии называется еще и
межклассовой. Рис. 1.
3. Изомерия по углеродному скелету
Структурные изомеры могут быть и внутри одного класса соединений, например формуле
C5H12 соответствуют три разных углеводорода. Это изомерия углеродного скелета. Рис. 2.
Рис. 2 Примеры веществ – структурных изомеров
4. Изомерия положения
Существуют структурные изомеры с одинаковым углеродным скелетом, которые отличаются
положением кратных связей (двойных и тройных) или атомов, замещающих водород. Этот
вид структурной изомерии называется изомерией положения.
Рис. 3. Структурная изомерия положения
5. Пространственная изомерия
В молекулах, содержащих только одинарные связи, при комнатной температуре возможно
почти свободное вращение фрагментов молекулы вокруг связей, и, например, все
изображения формул 1,2-дихлорэтана равноценны.
Рис. 4
Рис. 4. Положение атомов хлора вокруг одинарной связи
Если же вращение затруднено, например, в циклической молекуле или при двойной связи, то
возникает геометрическая или цис-транс изомерия. В цис-изомерах заместители находятся
по одну сторону плоскости цикла или двойной связи, в транс-изомерах – по разные стороны.
Цис-транс изомеры существуют в том случае, когда с атомом углерода связаны два
разных заместителя. Рис. 5.
Рис. 5. Цис- и транс- изомеры
6. Оптическая изомерия
Еще один тип изомерии возникает в связи с тем, что атом углерода с четырьмя одинарными
связями образует со своими заместителями пространственную структуру – тетраэдр. Если в
молекуле есть хотя бы один углеродный атом, связанный с четырьмя разными
заместителями, возникает оптическая изомерия. Такие молекулы не совпадают со своим
зеркальным изображением. Это свойство называется хиральностью – от греческого сhier –
«рука». Рис. 6. Оптическая изомерия характерна для многих молекул, входящих в состав
живых организмов.
Рис. 6. Примеры оптических изомеров
Оптическая изомерия называется также энантиомерией (от греческого enantios –
«противоположный» и meros – «часть»), а оптические изомеры – энантиомерами.
Энантиомеры оптически активны, они вращают плоскость поляризации света на один и тот же
угол, но в противоположные стороны: d-, или (+)-изомер, – вправо, l-, или (–)-изомер, – влево.
Смесь равных количеств энантиомеров, называемая рацематом, оптически недеятельна и
обозначается символом d,l- или (±).
Электронное строение атома углерода
1. Квантовые числа, описывающие электронное состояние
атома
Рис. 1. Уравнение Шредингера
Особенности строения органических соединений связаны с особенностями строения атома
углерода. Особенности строения атома углерода объясняет наука квантовая механика.
Основные положения квантовой механики сводятся к необходимости решить уравнение
Шредингера, описывающее поведение электронов в атоме. Рис. 1. В результате решения
получается набор, описываемый 4-мя квантовыми числами, которые позволяют предсказать
очень многое в свойствах атома. Квантово-механические расчеты позволяют определить
наиболеее устойчивые конфигурации атомов и молекул.
Описание электронного состояния атома
Рис. 2. Атом водорода
Рассмотрим простейший атом – атом водорода. Он состоит из одного электрона и одного
протона. Рис. 2. Энергию электрона в атоме водорода можно представить как большую
лестницу в многоэтажном здании. Наибольшая энергия присутствует на так называемых
лестничных пролетах.
· В квантоой механике – это главное квантовое число.(n). Оно принимает значения 1, 2,
3, 4 и т. д.
· Орбитальное квантовое число можно представить как ступеньки между лестничными
пролётами. Оно принимает значения от нуля l = 0, 1, 2,.. до n-1.
Буквенные обозначения орбитального квантового числа : s, p, d, f и т. д.
· Поведение электрона описывает третье число: магнитное квантовое число ml
( ml )= -l,…-2, -1, 0, +1, +2,…+l
· Спиновое квантовое числоms.Оно принимает значения ms=+1/2, -1/2, независимо от
главного и орбитального квантовых чисел.
Спин электрона позволяет ему взаимодействовать с другим электроном, несмотря на
электрические силы отталкивания, которые имеют очень большие величины. Рис. 3.
Рис. 3. Электроны с разными ms
2. Принцип Паули
Рис. 4.
Для описания поведения электрона в атоме нужен принцип, устанавливающий взаимосвязь
всех квантовых чисел. Этот принцип вывел немецкий теоретик В. Паули. Рис. 4. Он гласит: В
одной квантовой системе не может быть двух квантовых объектов с полностью
одинаковым набором квантовых чисел. Т.е. в одном атоме не может быть двух
одинаковых электронов. Используя квантовые числа и принцип Паули, получаем электронное
строение атомов.
Рис. 5. Электронное строение атома углерода
3. Уникальность атома углерода
Рассмотрим строение атома углерода. Углерод оказался уникальным атомом. В чем его
уникальность? В нем присутствует некая симметрия. На 4-х орбиталях находится 4 электрона.
Он может образовывать целых 4 связи. Это максимальное число связей для элементов
второго периода. Рис. 5.
Углерод в своих соединениях проявляет валентность II и IV. Двухвалентный углерод
находится в своей основной электронной конфигурации, а IV-валентный находится в
возбужденной конфигурации. При переходе в возбужденное состояние, электрон с 2s
орбитали занимает вакантное место на 2р орбитали. Рис. 6. При образовании химической
связи происходит гибридизация электронных облаков. Углерод может проявлять степени
окисления от -4 до +4. К неорганическим соединениям углерода относятся его оксиды,
угольная кислота, её соли – карбонаты и гидрокарбонаты и карбиды. В неорганических
соединениях углерод проявляет степень окисления +4, +2, и несколько отрицательных
степеней окисления в карбидах.
Рис. 6. Два состояния атома углерода
Одной из особенностей атомов углерода есть его особенность образовывать цепочки
неограниченной длины. Из-за этого и существует огромное число органических
соединений.
4. Четыре первопринципа
Описание мира на основе четырех базовых первопринципов не было открытием тех ученых,
которые создавали квантовую механику. С V века до нашей эры известно, что картина мира,
как в европейской части земного шара, так и в Древнем Китае описывалась на базе 4-х
первопринципов. Это принципы огня, воздуха, земли и воды. В XX веке их заменили 4
квантовых числа.
Геометрия молекул. Понятие о теории
гибридизации
1. Основное и возбужденное состояние атома углерода
Внешний уровень атома углерода в основном (невозбужденном) состоянии описывается
формулой 2s22p2 или схемой:
¯
2s
2p
В этом строении заложены предпосылки для своеобразной симметрии – для четырех
электронов имеются как раз 4 орбитали. Еще в середине XIX века немецкий ученый Фридрих
Кекуле справедливо предположил, что в органических соединениях валентность углерода
равна четырем.
С точки зрения электронного строения атома это можно объяснить так:
Один электрон с 2s-орбитали «перескакивает» на 2p-орбиталь, атом углерода при этом
переходит в так называемое возбужденное состояние:
Возбужденное состояние атома углерода 2s12p3:
2s
2p
позволяет атому углерода образовать 4 ковалентные связи по обменному механизму.
2. Гибридизация
Три p-орбитали традиционно изображают в форме взаимно перпендикулярных друг другу
«гантелей», а s-орбиталь – в форме шара. Три связи, образованные p-электронами, должны
располагаться под углом 90o друг к другу, и они значительно длиннее, чем связь,
образованная s-электроном. Но метан СН4 – это симметричный тетраэдр.
Еще в 1874 г., за много лет до того, как стало возможным прямое определение строения
молекул, Якоб Генрик Вант-Гофф (1852–1911), будучи студентом Утрехтского университета,
предположил, что атом углерода в соединениях имеет тетраэдрическое строение. Строение
молекулы метана СН4 – правильный тетраэдр с атомом углерода в центре. Валентные углы
связей Н-С-Н равны 109о28’.
Упрощенное объяснение: все орбитали внешнего уровня углерода выравниваются по энергии
и форме, смешиваются, т.е. «гибридизуются», образуя одинаковые гибридные орбитали. См.
рис. 1.
Рис. 1. Гибридизация – это смешивание электронных облаков при образовании химических
связей
3. Пространственное строение молекул с разным видом
гибридизации
Смешение одной s-орбитали и трех p-орбиталей дает четыре sp3-гибридные орбитали,
вытянутые по углам тетраэдра с атомом С в центре. Углерод в метане находится в состоянии
sp3-гибридизации. Рис. 2.
Рис. 2. Строение метана
Строение аммиака
Таким же образом гибридизуются четыре орбитали атома азота в молекуле аммиака NH3: У
атома азота 5 электронов на внешнем уровне. Поэтому на одной sp3-орбитали расположена
неподеленная пара электронов, а на остальных трех – электронные пары связей N-H. Все
четыре электронные пары располагаются по углам искаженного тетраэдра (электронное
облако неподеленной пары больше, чем связывающей). Рис. 3
Рис. 3. Строение аммиака
Строение воды
У атома кислорода 6 электронов на внешнем уровне. Поэтому на двух sp3-орбиталях
расположены неподеленные пары электронов, а на остальных двух – электронные пары
связей О-H. Молекула имеет угловое строение. Рис. 4.
Рис. 4. Строение воды
При таком анализе строения молекул важно не путать геометрию расположения в
пространстве электронных пар и геометрию химических связей. Мы видим, что в аммиаке и
воде не все электронные пары участвуют в образовании химических связей.
Геометрия молекул или химических связей рассматривает именно расположение атомов в
пространстве, не описывая расположение неподеленных электронных пар. Электронные
облака гибридных орбиталей стараются как можно дальше оттолкнуться друг от друга. Если
облака четыре– то они разойдутся по углам тетраэдра, три – разместятся в плоскости под
углом 120°.
Строение молекулы BF3
На внешнем уровне атома бора 3 электрона. При образовании связей бор, как и углерод,
переходит в возбужденное состояние. Одна s- и две p-орбитали, на которых есть электроны,
гибридизуются, образуя три одинаковых sp2-гибридных орбитали, располагающиеся по углам
равностороннего треугольника с атомом бора в центре. Рис. 5
Рис. 5. Строение три фторида бора
Вывод: Геометрия молекул рассматривает расположение атомов в пространстве, не
описывая расположение неподеленных электронных пар. Так, строение молекулы воды,
состоящей из трех атомов, – не тетраэдрическое, а угловое.
Ковалентная связь в органических
соединениях
1. Образование ковалентной связи
Химическая связь имеет в основном электростатический характер. Например, молекула
водорода образуется из двух атомов, потому что двум электронам энергетически выгодно
находиться в поле притяжения двух ядер (протонов). Это состояние в виде молекулы
Н2обладает меньшей энергией по сравнению с двумя отдельными атомами водорода.
Большинство органических веществ содержат ковалентные связи.
Для образования ковалентной связи между двумя атомами каждый атом обычно
предоставляет в общее пользование по одному электрону.
В упрощенной модели используется двухэлектронное приближение, т.е. все молекулы
строятся на основании суммирования двух электронных связей, характерных для молекулы
водорода.
С точки зрения закона взаимодействия электрических зарядов (закон Кулона) электроны не
могут сблизиться из-за огромных сил электростатического отталкивания. Но, согласно
законам квантовой механики, электроны с противоположно направленными спинами
взаимодействуют друг с другом и образуют электронную пару.
Если ковалентную связь обозначать как пару электронов, получим еще один вид записи
формулы вещества – электронную формулу или формулу Льюиса
(амер. Дж. Льюис, 1916 г.). Рис. 1.
Рис. 1. Формулы Льюиса
В органических молекулах имеются не только одинарные связи, но еще двойные и тройные. В
формулах Льюиса их обозначают, соответственно, двумя или тремя парами электронов. Рис.
2
Рис. 2. Обозначение двойной и тройной связей
2. Полярность химической связи
Рис. 3. Ковалентная неполярная связь
Важной характеристикой ковалентной связи является ее полярность. Связь между
одинаковыми атомами, например в молекуле водорода или между атомами углерода в
молекуле этана неполярная – в ней электроны в равной степени принадлежат обоим
атомам. См. Рис. 3.
Рис. 4. Ковалентная полярная связь
Если же ковалентная связь образована различными атомами, то электроны в ней смещены к
более электроотрицательному атому. Например, в молекуле хлороводорода электроны
смещены к атому хлора. На атомах возникают небольшие частичные заряды, которые
обозначают d+ и d-. Рис. 4.
Чем больше разница между электроотрицательности атомов, тем более полярная связь.
3. Взаимное влияние атомов в молекуле
Взаимное влияние атомов в молекуле приводит к тому, что может происходить смещение
электронов связи, даже если они находятся между одинаковыми атомами.
Например, в 1,1,1-трифторэтане CH3CF3 электроотрицательные атомы фтора «стягивают» на
себя электронную плотность с атома углерода. Часто это обозначают стрелочкой вместо
валентной черточки.
В результате у атома углерода, связанного с атомами фтора, возникает недостаток
электронной плотности, и он перетягивает валентные электроны к себе. Такое смещение
электронной плотности по цепи связей называетсяиндуктивным эффектом
заместителей. Рис. 5.
Рис. 5. Смещение электронной плотности в 1,1,1-трифторэтане
Длина и прочность связи
Важными характеристиками ковалентной связи являются ее длина и прочность. Длина
большинства ковалентных связей составляет от 1*10-10 м до 2*10-10м или от 1 до 2 в
ангстремах (1 А = 1*10-10 м).
Прочность связи – это энергия, которую нужно затратить, чтобы разорвать эту
связь. Обычно приводят величины разрыва 1 моль или 6,023*1023 связей. См. табл. 1.
4. Взаимное расположение химических связей
Одно время считалось, что молекулы можно изображать структурными формулами,
лежащими в плоскости бумаги, и эти формулы отражают, почти отражают, истинное строение
молекулы. Но примерно в середине 19 века выяснилось, что это не так. Впервые к такому
выводу пришел, как я уже говорил на предыдущих уроках, тогда еще студент Вант-Гофф. А
сделал он это на основании экспериментов выдающегося французского биолога и химика
Пастера.
Дело в том, что Пастер занимался изучением солей винной кислоты. И ему, можно сказать,
повезло. Кристаллизуя смешанную соль винной кислоты, он под микроскопом обнаружил, что
у него получается, в общем-то, набор совершенно одинаковых, весьма симпатичных
кристаллов. Но эти кристаллы легко разделить на две группы, которые никак не совместимы
друг с другом, а именно: все кристаллы делятся на две части, одна из которых является
зеркальным отражением другой.
Так была впервые открыта оптическая, или зеркальная, изомерия. Пастер смог вручную
пинцетом под микроскопом разделить эти кристаллы и обнаружил, что все химические
свойства практически совпадают. Не совпадает только одно, скорее, физическое свойство, а
именно: растворы одного типа кристаллов и ему зеркального другого типа кристаллов поразному вращали плоскость поляризации света, проходящего через них.
Рис. 6. Модели молекулы метана
Для того чтобы объяснить результаты экспериментов Пастера, Вант-Гофф предположил, что
атом углерода находится всегда в неплоском окружении, причем это не плоское окружение не
имеет ни центра, ни плоскости симметрии. Тогда атом углерода, соединенный с 4 другими
различными фрагментами молекулы, не одинаковыми между собой, должен обладать
зеркальной симметрией. Именно тогда Вант-Гофф предположил тетраэдрическое строение
атома углерода. Оптическая изомерия следовала из этого предположения. В результате
удалось объяснить пространственное строение органических соединений. Рис. 6.
Но ученые столкнулись с еще одной загадкой, которую не удалось разрешить до сих пор.
Дело в том, что в природе органические соединения, которые образуются действительно в
органической живой материи, как правило, содержат левовращающие, имеется в виду
плоскость поляризации проходящего света, аминокислоты и правовращающие сахара. В то
время как при любом органическом синтезе обязательно получается смесь таких изомеров.
Причина такой избирательности живой природы не ясна до сих пор. Но это не мешает ученым
продолжать синтезировать все новые органические соединения и изучать их свойства.
В нарисованных на плоскости формулах не отражается пространственное расположение
атомов относительно друг друга. Однако тетраэдрическое строение атома углерода в
молекулах с одинарными связями приводит к существованию оптической изомерии
Геометрия молекул с кратными
связями
1. Образование σ-связи
Электронам при образовании химической связи выгодно располагаться так, чтобы максимум
электронной плотности был между центрами связанных атомов.
Для более детального описания в органической химии используется модель гибридизации в
двух электронном приближении – все связи описываются как образованные независимыми
электронными парами.
Если максимум электронной плотности лежит на линии, соединяющей
центрысвязанных атомов, то говорят, что образуется σ-связь.
Образование σ-связи происходит при перекрывании, например, двух s-электронных облаков,
s- и p-электронных облаков, двух p-электронных облаков. Рис. 1.
Рис. 1. Перекрывание электронных облаков
2. Образование π-связи
Гибридные орбитали образуют σ-связи. Если связь образована в сумме двумя или тремя
парами электронов, то σ-связь образует только одна пара.
Вторая и третья электронные пары не могут находиться в той же области пространства.
Их максимум электронной плотности располагается вне центров связанных
атомов. Такой тип перекрывания называют p-связью. Рис. 2.
Рис. 2. Образование пи связи (Источник)
Образование p-связи у атомов элементов второго периода происходит только при
перекрывании двух p-электронных облаков.
σ-связь более прочна, чем p-связь.
Если атомы в молекуле связаны только простыми (одинарными) связями, то это – σ-связи.
Если же между атомами существует двойная связь, то одна пара электронов образует σ-,
а вторая – p-связь. Три пары электронов тройной связи образуют одну σ- и две pсвязи.
Рис. 3. Образование связей в молекуле этилена
3. Геометрия молекулы этилена
В молекуле этилена каждый атом углерода образует по три σ-связи с двумя атомами
водорода и другим атомом углерода. А p-электрон углерода образует p-связь с p-электроном
другого такого же атома углерода. Максимум электронной плотности p-связи в молекуле
этилена расположен вне оси, связывающей два атома. Рис. 3.
В органической химии принято использовать для описания связей модель гибридизации. В
молекуле этилена C2H4 одна p-орбиталь остается негибридизованной для образования pсвязи. На гибридизацию идут одна s- и две p-орбитали, при этом образуются три sp2гибридных орбитали, которые, располагаясь как можно дальше друг от друга, находятся в
плоскости под углом 120о. Все атомы в молекуле этилена расположены в одной плоскости.
Молекула плоская. Рис. 4. Атомы углерода в этилене находятся в состоянии sp2гибридизации.
Рис. 4. Шаростержневая модель этилена
4. Геометрия молекулы ацетилена
В молекуле ацетилена C2H2 каждый атом углерода образует по две σ- и по две p-связи. Рис. 5.
Рис. 5. Образование связей в молекуле ацетилена
На образование p-связей идут две негибридизованные p-орбитали, а на гибридизацию
остаются тоже две орбитали: одна s- и одна p-орбиталь.
В этом случае атомы углерода имеют sp-гибридизацию. Две гибридизованные орбитали
располагаются, максимально не мешая друг другу, на одной прямой. Атомы в молекуле
ацетилена расположены на одной прямой. Молекула линейная. Рис. 6. Атомы углерода
находятся в состоянии sp-гибридизации.
Рис. 6. Шаростержневая модель молекулы ацетилена
5. Алгоритм образования типа гибридизации
1. Определить число σ-связей, которые образует данный атом и число неподеленных
электронных пар на его внешнем уровне. Число σ-связей равно числу атомов,
присоединенных к данному.
2. Сложить эти два числа.
3. Если сумма равна 4 – гибридизация sp3, если 3 – sp2, если 2 – sp.
6. Тип гибридизации в молекуле оксидов углерода
На уроке вы получили представление о теме «Геометрия молекул с кратными связями». Были
рассмотрены вопросы образования химических связей с участием двух или трех пар
электронов; особенности расположения этих электронов в пространстве, расположения
атомов в молекуле, образованной такими связями. Вы узнали, что такое s-связь и π-связь.
Были систематизированы знания о зависимости пространственной конфигурации молекул от
типа гибридизации атомных орбиталей. Было показано, как определять геометрию различных
частиц.
Классификация органических
соединений
1. Критерии классификации органических веществ
Классификация по составу
Органические соединения подразделяют по составу на:
ü углеводороды – вещества, состоящие только из углерода и водорода;
ü кислородсодержащие органические соединения, в состав которых входят атомы углерода,
водорода и кислорода;
ü азотсодержащие органические соединения – содержат, кроме атомов углерода, водорода
(и иногда кислорода) еще и атом азота.
Однако при этом в одну группу кислородсодержащих соединений попадают вещества с очень
разными свойствами, такие, например, как уксусная кислота, сахар и целлюлоза.
Классификация по строению
Рис. 1. Классификация по строению
Наиболее полезна для химиков классификация органических веществ по их строению. Рис.
1. Внутри этой классификации существуют признаки, позволяющие наиболее полно
охарактеризовать вещества.
2. Классификация по типу скелета
Первый признак классификации органического соединения по строению – тип скелета
молекулы.
Скелет – это последовательность связанных атомов углерода в молекуле, основа
структуры органического соединения.
Рис. 2. Разновидности углеродного скелета
Кроме атомов углерода, в состав скелета могут входить и другие атомы, например, O, S, N,
если они связаны, по меньшей мере, с двумя атомами углерода.
Например, в диметиловом эфире СН3-О-СН3 атом кислорода включен в скелет молекулы, а в
этаноле CH3-CH2-OH – нет. Молекулы, в скелет которых, кроме атомов углерода, входят
атомы других элементов, называются гетероатомными(«гетеро-» – лат. «разный»).
Скелет молекулы может быть неразветвленным – все атомы углерода соединены
последовательно – и разветвленным. Цепь из атомов углерода может быть замкнутой. Такую
замкнутую группу атомов называют циклом. Поэтому скелет молекулы бывает
илиациклическим, (т.е. не циклическим) или циклическим. В скелете различают первичный,
вторичный, третичный, четвертичный атомы углерода.
Первичным называют атом углерода, связанный только с одним другим атомом
углерода, вторичным – с двумя, третичным – с тремя, а четвертичным – с четырьмя
другими атомами углерода.
Рис. 3. Наличие кратных связей и бензольных колец
3. Классификация по наличию кратных связей и бензольных
колец
Второй признак классификации – наличие (или отсутствие) в молекуле кратных связей и
бензольных колец. Органические вещества, содержащие только простые (одинарные) связи,
называют предельными или насыщенными. Вещества, которые содержат не только
простые, но и кратные (двойные или тройные) связи между атомами углерода,
называют непредельными или ненасыщенными. На один атом углерода в их молекулах
приходится меньшее число атомов водорода, чем у предельных соединений. Если вещество
содержит бензольное кольцо, то его принято называть ароматическим соединением.
Вещества, в состав которых не входят ароматические группировки,
называют алифатическими. Иногда можно встретить устаревшее название алифатических
соединений – соединения жирного ряда.
Рис. 4. Классификация по наличию функциональных групп
4. Классификация по наличию функциональных групп
Третий признак классификации – наличие (или отсутствие) функциональных групп.
Производные углеводородов образуются при замещении атома водорода на какойлибо другой атом (Cl, Br) или группировку атомов (OH – гидроксогруппа, NH2 –
аминогруппа и т.п.).Такие атом или группировка атомов во многом определяют свойства
вещества, и поэтому многие из них называют функциональными группами. По числу
функциональных групп в молекуле вещества делят на монофункциональные,
полифункциональные (несколько одинаковых групп) и гетерофункциональные (разные
функциональные группы).
Вещества, обладающие одинаковыми функциональными группами и (или) одинаковым
набором кратных связей, имеют сходные свойства, поэтому их относят к одному классу
органических соединений. Например, вещества, содержащие ОН-группу, относятся к
классуспиртов. СН3ОН – метиловый спирт, С2Н5ОН – этиловый спирт и т.д.
Вещества, содержащие кратные связи, тоже образуют классы близких по свойствам
соединений. Соединения с двойной связью, называются алкенами, с тройной связью –
алкинами. Предельные углеводороды, или алканы – это соединения, не содержащие ни
кратных связей, ни функциональных групп. Они также составляют отдельный класс
органических веществ. Ароматические углеводороды называют аренами.
5. Гомологические ряды
Ряды веществ с похожими свойствами, состав которых отличается на одну или
несколько групп CH2-, называют гомологическими рядами. Члены гомологических рядов
по отношению друг к другу – гомологи. По сути, гомологические ряды составляют классы
органических соединений. Рис. 5.
Рис. 5. Примеры гомологических рядов
Гомологи обладают одинаковыми химическими свойствами.
6. Примеры классификации разных органических веществ
Данный урок познакомил вас с темой «Классификация органических соединений». Были
систематизированы знания учащихся об органических веществах, определены критерии
классификации органических соединений. Вы узнали о составлении схемы классификации
органических веществ, что такое скелет молекул, как классифицируют вещества по классам и
функциональным группам.
Основные принципы номенклатуры
органических соединений
1. Номенклатура ИЮПАК
Некоторые названия органических веществ, например, спирт и эфир, пришли к нам еще от
алхимиков, очень многие вещества получили свои имена в девятнадцатом веке. Одни
названия прямо указывают, из чего было впервые выделено данное вещество: винный спирт,
гераниол, яблочная, щавелевая, муравьиная кислоты и т.д. Другие – отражают способ
получения вещества: серный эфир, имя открывшего их ученого и т.п.
В настоящее время общепринятой считается номенклатура, разработанная союзом ИЮПАК,
хотя до сих пор широко применяются как тривиальные названия (уксусная кислота, мочевина),
так и названия, составленные по принципам устаревших номенклатур (изооктан,
тетраметилэтилен и т.п.)
· Номенклатура ИЮПАК составлена по заместительному принципу. Считается, что
структурная формула состоит из основной цепи – атомов углерода, соединенных между собой
в неразветвленную цепочку – и присоединенных к ним заместителей. Заместитель – это
любой атом или группа атомов, которые замещают атом водорода в неразветвленной
структуре основой цепи.
· Функциональные группы, которые непосредственно связаны с основной цепью или входят в
ее состав, в номенклатуре ИЮПАК называют характеристическими группами.
· Название в номенклатуре ИЮПАК состоит из корня, который обозначает длину основной
цепи, а также приставок и суффиксов, отражающих наличие и расположение заместителей,
кратных связей и функциональных групп.
· Название может содержать все блоки, а может – только два: корень и суффикс кратности
связей.
· Корень названия вещества происходит из названий неразветвленных алканов с аналогичной
длиной цепи.
Рис. 1. Принципы названий по номенклатуре ИЮПАК
2. Названия неразветвленных алканов
Чтобы составить название вещества, необходимо знать названия неразветвленных алканов.
Табл. 1.
Первые четыре названия: метан, этан, пропан и бутан возникли исторически, а остальные
происходят от греческих корней, обозначающих число атомов углерода в молекуле.
Все названия неразветвленных алканов состоят из корня и суффикса кратности связи -ан.
Этот суффикс обозначает то, что вещество предельно – не содержит двойных и тройных
связей.
Двойную связь обозначает суффикс -ен, тройную – -ин.
Неразветвленную цепь можно выбрать разными способами. Для того, чтобы название было
однозначным, в номенклатуре существует алгоритм выбора основной цепи.
3. Алгоритм выбора основной цепи
1. В основную цепь входит «старшая» характеристическая группа.
2. В основную цепь максимально включены характеристические группы и кратные связи.
3. Основная цепь максимально длинная из всех возможных.
4. Основная цепь – самая разветвленная.
4. Названия характеристических групп
Например, в основную цепь необходимо включить кратные связи (правила 2), даже, если она
при этом не будет самой длинной (правило 3).
В таблице 2 приведены примеры названий характеристических групп. Стрелочка справа
показывает увеличение старшинства: в данной таблице, чем выше группа, тем она «старше».
Название старшей характеристической группы определяет суффикс названия вещества.
Остальные характеристические группы при этом обозначаются приставками, наравне с
прочими заместителями.
Таб. 2. Названия характеристических групп
5. Порядок составления названий веществ
1. В структурной формуле выбирают основную цепь, используя алгоритм выбора основной
цепи.
2. Основную цепь нумеруют так, чтобы старшая характеристическая группа получила
наименьший номер. Если такая группа отсутствует, наименьший номер получает кратная
связь, причем, принято, что двойная связь старше тройной. В случае отсутствия кратных
связей нумерацию проводят так, чтобы заместители получили наименьшие номера.
3. Перечисляют заместители с их номерами в алфавитном порядке, затем записывают корень
названия, отвечающий числу атомов углерода в основной цепи, добавляют суффикс кратных
связей и суффикс старшей характеристической группы.
4. Если в молекуле присутствует несколько одинаковых заместителей или кратных связей, то
употребляют приставку, обозначающую их число (ди-, три-, тетра-, пента-, гекса- и т.д.). Числа
в названиях отделяют дефисами, между числами ставят запятые.
6. История возникновения названий веществ
В ходе урока вы смогли изучить тему «Основные принципы номенклатуры органических
соединений». Вы узнали названия веществ по номенклатуре IUPAC, которой придерживаются
во всем мире. Рассмотрели алгоритм выбора основной цепи, порядок составления названия
органических соединений. Научились составлять названия органических соединений по
структурной формуле.