Лекции по органической химии 1 курс. Введение органическая химия

• Название: Введение органическая химия
• Дата: 24.03.2023
• Размер: 1.47 Mb.
• Имя файла: Лекции по органической химии 1 курс.doc
• Тип: Документы; #1011423
• страница: 1 из 28

ВВЕДЕНИЕ

• 
  Органическая химия - это раздел химической науки, в котором изучаются соединения углeрода - их строение, свойства, способы получения и практического использования.
  
• 
  Соединения, в состав которых входит углерод, называются органическими.
  

Кроме углерода, они почти всегда содержат водород, довольно часто - кислород, азот и галогены, реже - фосфор, серу и другие элементы. Однако сам углерод и некоторые простейшие его соединения, такие как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), угольная кислота, карбонаты, карбиды и т.п., по характеру свойств относятся к неорганическим соединениям. Поэтому часто используется и другое определение:

• 
  Органические соединения - это углеводороды (соединения углерода с водородом) и их производные.
  

Благодаря особым свойствам элемента углерода, органические соединения очень многочисленны. Сейчас известно свыше 10 миллионов синтетических и природных органических веществ, и их число постоянно возрастает.

Основные понятия органической химии

Углерод выделяется среди всех элементов тем, что его атомы могут связываться друг с другом в длинные цепи или циклы. Именно это свойство позволяет углероду образовывать миллионы соединений, изучению которых посвящена целая область — органическая химия.

Несколько причин обусловили проявление углеродом выше отмеченных свойств. Доказано, что энергия связи (прочность связи) С—С сопоставима с прочностью связей С—О. Углерод обладает возможностью проявлять не одну, а целых три разновидности гибридизации орбиталей: в случае sр³-гибридизации образуются четыре гибридных орбитали, имеющие тетраэдрическую ориентацию; с их помощью образуются простые ковалентные связи; в случае sp²-гибридизации образуются три гибридные орбитали, ориентированные в одной плоскости, и с их помощью образуются двойные кратныесвязи; наконец, с помощью двух sp-гибридизованных орбиталей, имеющих линейную ориентацию, между атомами углерода возникают тройные кратные связи. Сейчас хорошо известно, что атомы углерода способны образовывать простые, двойные и тройные связи не только друг с другом, но также и с другими элементами.

Теория химического строения А. М. Бутлерова. Современная теория строения молекул объясняет и огромное число органических соединений, и зависимость свойств этих соединений от их химического строения. Она же полностью подтверждает основные принципы теории химического строения, разработанные выдающимся русским ученым А. М. Бутлеровым.

Основные положения этой теории (иногда ее называют структурной):

1) атомы в молекулах соединены между собой в определенном порядке химическими связями согласно их валентности;

2) свойства вещества определяются не только качественным составом, но и его строением, взаимным влиянием атомов, как связанных между собой химическими связями, так и непосредственно не связанных;

3) строение молекул может быть установлено на основе изучения их химических свойств.

Важным следствием теории строения был вывод о том, что каждое органическое соединение должно иметь одну химическую формулу, отражающую ее строение. Такой вывод теоретически обосновывал хорошо известное уже тогда явление изомерии,— существование веществ с одинаковым молекулярным составом, но обладающих различными свойствами.

Структурные формулы. Существование изомеров потребовало использования не только простых молекулярных формул, но и структурных формул, отражающих порядок связи атомов в молекуле каждого изомера. В структурных формулах ковалентная связь обозначается черточкой. Как и в структурных формулах неорганических веществ, каждая черточка означает общую электронную пару, связывающую атомы в молекуле.

Структурная формула — изображение химических связей между атомами в молекуле с учетом их валентности.

Классификация органических соединений. Для классификации органических соединений по типам и построения их названий в молекуле органического соединения принято выделять углеродный скелет и функциональные группы.

Углеродный скелет представляет собой последовательность химически связанных между собой атомов углерода. Функциональные группы образуют все атомы, кроме водорода, или группы атомов, связанные с атомом углерода.

Типы углеродных скелетов. Углеродные скелеты разделяют на ациклические (не содержащие циклов), циклические и гетероциклические.



В гетероциклическом скелете в углеродный цикл включается одни или несколько атомов, отличных от углерода. Исторически сложилась традиция не рассматривать такие гетероатомы как функциональные группы, а считать их частью углеродного скелета.

В самих углеродных скелетах нужно классифицировать отдельные атомы углерода по числу химически связанных с ними атомов углерода. Если данный атом углерода связан с одним атомом углерода, то его называют первичным, с двумя — вторичным, тремя — третичным и четырьмя — четвертичным.

Поскольку атомы углерода могут образовывать между собой не только одинарные, но и кратные (двойные и тройные) связи, то соединения, содержащие только одинарные связи углерод—углерод, называют насыщенными, соединения с кратными углерод углеродными связями называют ненасыщенными. Соединения, в которых атомы углерода связаны только с атомами водорода, называют углеводородами.

Углеводороды признаны в органической химии родоначальными. Разнообразные соединения рассматриваются как производные углеводородов, полученные введением в них функциональных групп.

Функциональные группы. В большинстве органических соединений, кроме атомов углерода и водорода, содержатся атомы других элементов (не входящие в скелет). Эти атомы или их группировки, во многом определяющие химические и физические свойства органических соединений, называют функциональными группами.

Функциональная группа оказывается окончательным признаком, по которому соединения относятся к тому или иному классу.

Важнейшие функциональные группы

Функциональные группы		Класс соединения
обозначение	название
- F, - Cl, - Br, - I	галоген	Галогенопроизводные углеводородов
- OH	гидроксил	спирты, фенолы
	карбонил	альдегиды, кетоны
	карбоксил	карбоновые кислоты
- NH2	аминогруппа	амины
- NO2	нитрогруппа	нитросоединения

Соединения, которые содержат несколько функциональных групп, называют полифункциональными.

Гомологический ряд. Для описания органических соединений полезным является понятие гомологического ряда. Гомологический ряд образуют соединения, отличающиеся друг от друга на группу —СН₂— и обладающие сходными химическими свойствами. Группы СН₂ называются гомологической разностью.

Примером гомологического ряда может служить ряд предельных углеводородов (алканов). Простейший его представитель — метан СН₄. Гомологами метана являются: этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, пентан С₅Н₁₂, гексан С₆Н₁₄, гептан С₇Н₁₆ и т. д. Формула любого последующего гомолога может быть получена прибавлением к формуле предыдущего углеводорода гомологической разности.

Состав молекул всех членов гомологического ряда может быть выражен одной общей формулой. Для рассмотренного гомологического ряда предельных углеводородов такой формулой будет С_nН_2n+2, где п — число атомов углерода.

Гомологические ряды могут быть построены для всех классов органических соединений. Зная свойства одного из членов гомологического ряда, можно сделать выводы о свойствах других представителей того же ряда.

Номенклатура органических соединений. В настоящее время признана систематическая номенклатура ИЮПАК (IUРАС — Международный союз теоретической и прикладной химии).

Среди вариантов систематических номенклатур, рекомендуемых ИЮПАК, наиболее распространенной является заместительная номенклатура. В соединении выделяется некая основа, в которой произведено замещение атомов водорода на иные атомы или группы. Для понимания общих принципов построения названий органических соединений по заместительной номенклатуре необходимо в первую очередь усвоить номенклатуру углеводородов. Вместе с тем правила ИЮПАК позволяют употреблять названия органических соединений, построенные на основе устаревших тривиальной и рациональной номенклатур.

По правилам ИЮПАК название органического соединения строится из названия главной цепи, образующего корень слова, и названий функций, используемых в качестве приставок или суффиксов.

Для правильного построения названия необходимо провести выбор главной цепи и нумерацию атомов углерода в ней.

В заместительной номенклатуре название соединения представляет собой составное слово, корень которого включает название родоначальной структуры. Названия заместителей обозначаются префиксами (приставками) и суффиксами.

Заместитель — это любой атом или группа атомов, замещающих атом водорода в родоначальной структуре.

Функциональная группа — это атом или группа атомов неуглеводородного характера, которые определяют принадлежность соединения к определенному классу.

Характеристическая группа — это функциональная группа, связанная с родоначальной структурой. Для построения названия в первую очередь определяют тип характеристической группы (если она присутствует). Когда характеристических групп в соединении несколько, то выделяют старшую характеристическую группу. Для характеристических групп условно установлен порядок старшинства. В таблице эти группы приведены в порядке убывания старшинства. Затем определяют родоначальную структуру, в которую обязательно должна входить старшая характеристическая группа.

Префиксы и суффиксы для обозначения некоторых характеристических групп

Характеристическая группа	Префикс	Суффикс
- (С)OOH* - СООН - SO3H - (С)H -O СH- O - OH - SH - NH2	 карбокси сульфо- оксо- формил- оксо- гидрокси- мерканто- амино-	-овая кислота -карбоновая кислота -сульфокислота -аль -карбальдегид -он -ол -тиол -амин
- NO2 - OR - F, - Cl, - Br, -I (- Hal)	нитро- алкокси- фтор-, хлор-, бром-, иод- (галоген-)	  

* Атом углерода, заключенный в скобки, входит в состав главной углеродной цепи.

Как видно из таблицы, некоторые характеристические группы, а именно галогены, нитро- и алкоксигруппы, отражаются в общем названии только в виде префиксов, например бромметан, этоксиэтан, нитробензол.

Нумерацию атомов углерода в главной цепи начинают с того конца цепи, ближе к которому расположена старшая группа. Если таких возможностей оказывается несколько, то нумерацию проводят таким образом, чтобы либо кратная связь, либо другой заместитель, имеющийся в молекуле, получили наименьший номер.

В карбоциклических соединениях нумерацию начинают от того атома углерода, при котором находится старшая характеристическая группа. Если при этом невозможно выбрать однозначную нумерацию, то цикл нумеруют так, чтобы заместители имели наименьшие номера.

В группе циклических углеводородов особо выделяются ароматические углеводороды, для которых характерно наличие в молекуле бензольного кольца. Некоторые широко известные представители ароматических углеводородов и их производных имеют тривиальные названия, использование которых разрешено правилами ИЮПАК: бензол, толуол, фенол, бензойная кислота.



Радикал С₆Н₅-, образованный из бензола, называется фенил, а не бензил. Бензилом называют радикал С₆Н₅СН₂-, образованный из толуола.


Составление названия органического соединения. Основу названия соединения составляет корень слова, обозначающий предельный углеводород с тем же числом атомов, что и главная цепь (мет-, эт-, проп-, бут-, пент: гекс- и т. д.). Затем следует суффикс, характеризующий степень насыщенности, -ан, если в молекуле нет кратных связей, -ен при наличии двойных связей и -ин для тройных связей, (например пентан, пентен, пентин). Если кратных связей в молекуле несколько, то в суффиксе указывается число таких связей: -диен, -триен, а после суффикса обязательно арабскими цифрами указывается положение кратной связи (например, бутен-1, бутен-2, бутадиен-1,3):



Далее в суффикс выносится название самой старшей характеристической группы в молекуле с указанием ее положения цифрой. Прочие заместители обозначаются с помощью приставок. При этом они перечисляются не в порядке старшинства, а по алфавиту. Положение заместителя указывается цифрой перед приставкой, например: 3-метил; 2-хлор и т. п. Если в молекуле имеется несколько одинаковых заместителей, то перед названием соответствующей группы словом указывается их количество (например, диметил-, трихлор- и т. д.). Все цифры в названиях молекул отделяются от слов дефисом, а друг от друга запятыми. Углеводородные радикалы имеют свои названия.

Предельные углеводородные радикалы:





Непредельные углеводородные радикалы:



Ароматические углеводородные радикалы:



В качестве примера назовем следующее соединение:



1) Выбор цепи однозначен, следовательно, корень слова — пент; далее следует суффикс -ен, указывающий на наличие кратной связи;

2) порядок нумерации обеспечивает старшей группе (—ОН) наименьший номер;

3) полное название соединения заканчивается суффиксом, обозначающим старшую группу (в данном случае суффикс -ол указывает на наличие гидроксильной группы); положение двойной связи и гидроксильной группы указывается цифрами.

Следовательно, приведенное соединение называется пентен-4-ол-2.

Тривиальная номенклатура представляет собой совокупность несистематических исторически сложившихся названий органических соединений (пример: ацетон, уксусная кислота, формальдегид и т. д.).



Рациональная номенклатура позволяет строить название вещества на основании его структуры с более простым соединением, выбранным в качестве прототипа. Способ такого построения иллюстрируют следующие примеры:

Изомерия. Выше было показано, что способность атомов углерода к образованию четырех ковалентных связей, в том числе и с другими атомами углерода, открывает возможность существования нескольких соединений одного элементного состава — изомеров. Все изомеры делят на два больших класса — структурные изомеры и пространственные изомеры.

Структурными называют изомеры, отвечающие различным структурным формулам органических соединений (с разным порядком соединения атомов).

Пространственные изомеры имеют одинаковые заместители у каждого атома углерода и отличаются лишь их взаимным расположением в пространстве.

Структурные изомеры. В соответствии с приведенной выше классификацией органических соединений по типам среди структурных изомеров выделяют три группы:

1) соединения, содержащие различные функциональные группы и относящиеся к различным классам органических соединений:



2) соединения, отличающиеся углеродными скелетами:



3) соединения, отличающиеся положением заместителя или кратной связи в молекуле:



Пространственные изомеры (стереоизомеры). Стереоизомеры можно разделить на два типа: геометрические изомеры и оптические изомеры.

Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойную связь или цикл. В таких молекулах часто возможно провести условную плоскость таким образом, что заместители у различных атомов углерода могут оказаться по одну сторону (цис-) или по разные стороны (транс-) от этой плоскости. Если изменение ориентации этих заместителей относительно плоскости возможно только за счет разрыва одной из химических связей, то говорят о наличии геометрических изомеров. Геометрические изомеры отличаются своими физическими и химическими свойствами.



Оптическими изомерами называют молекулы, зеркальные изображения которых несовместимы друг с другом.

Таким свойством обладают молекулы, имеющие асимметрический центр — атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями. Например, в виде двух оптических изомеров существует молекула молочной кислоты СН₃СН(ОН)—СООН, содержащая один асимметрический центр.

Взаимное влияние атомов в молекуле. Молекула органического соединения представляет собой совокупность атомов, связанных в определенном порядке, как правило, ковалентными связями. При этом связанные атомы могут различаться по величине электроотрицательности. Величины электроотрицательностей в значительной степени определяют такие важнейшие характеристики связи, как полярность и прочность (энергия образования). В свою очередь, полярность и прочность связей в молекуле в значительной степени определяют возможности молекулы вступать в те или иные химические реакции.

Электроотрицательность атома углерода зависит от состояния его гибридизации. Это связано с долей s-орбитали в гибридной орбитали: она меньше у sр³- и больше у sр²-и sр-гибридизованных атомов.
Лекция: Основные теоретические положения органической химии.
Общие представления
По способности атомов соединяться друг с другом в длинные цепи углерод занимает особое положение в периодической системе. Углерод может соединяться почти со всеми химическими элементами с образованием молекул цепной и циклической (кольчатой) структуры самых различных размеров. В состав цепей и циклов молекул органических соединений, кроме атомов С, могут входить Н, О, S, N, P, As, Si, Ge, Sn, Pb, B, Ti и другие элементы.

Органическая химия – это химия соединений углерода, атомы которого связаны с атомами других элементов ковалентными, преимущественно мало поляризованными связями.

Органические соединения, или соединения углерода, отличаются от неорганических многочисленностью и многообразием превращений. Если неорганических соединений насчитывается порядка 200 тысяч, то органических соединений известно свыше 2 миллионов.

Законы химии управляют поведением как неорганических, так и органических веществ. Однако органические соединения имеют ряд отличительных особенностей. Так, большинство неорганических соединений – тугоплавкие вещества, а для органических соединений характерно состояние газов, жидкостей и низкоплавких твердых тел; большинство неорганических соединений не горючи, органические легче окисляются и горят, чем неорганические.

К низкомолекулярным относят органические соединения с длиной цепи от 2 до 50 углеродных атомов, к высокомолекулярным – с длиной цепи порядка 200-200000 углеродных атомов и молекулярным весом порядка 10⁴-10⁶ у.е.

Органические соединения при длине цепи порядка 200 атомов углерода обладают уже смолоподобными и каучукоподобными свойствами.

Если цепи атомов кислорода, азота, фосфора, серы, бора и других элементов мало устойчивы, то длинные цепи атомов углерода в силу большой энергии С-С - связи (339 КДж) - весьма устойчивы.
Области применения
Лекарственные вещества.

Высокомолекулярные органические соединения: синтетические смолы и органическое стекло; пластические массы (пластмассы) и синтетические волокна; синтетический каучук.

Красящие вещества (красители).

Гербициды (вещества, уничтожающие сорняки).

Инсектициды и фунгициды (вещества, уничтожающие, соответственно насекомых и грибы).

Дефолианты (вещества, ускоряющие опадение листьев; применение их укоряет созревание хлопчатника и облегчает машинную уборку).

Десиканты (соединения, способствующие высушиванию растений на корню).

Витамины (сложные физиологически активные органические вещества, отсутствие которых в пище человека или животных ведет к нарушению нормальных функций организма).

Ферменты (сложные органические соединения, являющиеся биологическими катализаторами, вызывающими процессы брожения, расщепления жиров, белков и т.п.)

Консерванты (органические вещества, предохраняющие от закисания и порчи вина, соки, варенья, маринады и другие пищевые продукты).

Органическая химия достигла огромных успехов в изучении состава и переработке каменного угля, нефти и природного газа; таким образом, она тесно связана с угольной, нефтяной и газовой отраслями промышленности, обеспечивающими с одной стороны, получение различных видов топлива, с другой – сырьем различные производства. Так, каменный уголь используют не только как топливо, путем переработки из него добывают необходимый для металлургии кокс, а так же светильный газ и каменноугольный деготь. Последний, свою очередь служит источником для получения многочисленных органических соединений, необходимых для синтеза ВМС, красителей, лекарственных и взрывчатых веществ и т.п. Из нефти путем её перегонки получают различные виды горючего, смазочные материалы и другие ценные продукты. Природный газ, особенно попутный нефтяной газ, также представляет собой ценное химическое сырье и топливо, используемое как в промышленности, так и в быту.
Теория химического строения
Создана в 1858-1861 г.г. в русским химиком А. М. Бутлеровым.

Основные положения теории химического строения:

1. 
   Молекулы веществ - представляют собой реально существующие материальные частицы, обладающие определенным химическим строением. Т.е. атомы, образующие их, соединяются друг с другом в определенной, характерной для каждого вещества последовательности и взаимно влияют друг на друга.
   
2. 
   Строение молекул вещества познаваемо и может быть установлено путем изучения свойств вещества, продуктов его превращений, а также путем его разложения и синтеза.
   
3. 
   Свойства вещества определяются его качественным и количественным составом и химическим строением его молекул. Вещества, имеющие одинаковые состав и молекулярный вес, но различное строение, отличаются по своим свойствам; в этом заключается явление изомерии.
   
4. 
   Взаимное влияние атомов, образующих молекулу, определяет реакционную способность каждого из них; химический характер одних и тех же атомов в различных молекулах зависит от того, с какими атомами они связаны в данной молекуле.
   
5. 
   Углерод в органических соединениях, как правило, четырехвалентен; атомы его способны соединяться не только с другими атомами, но и друг с другом, образуя цепи; последние могут замыкаться с образованием циклов. Это свойство углерода и явление изомерии и обуславливают многообразие органических веществ.
   

В развитии и обосновании теории химического строения большую роль сыграли русские химики – ученики и последователи А.М. Бутлерова: В.В. Марковников, А.М. Зайцев, Е.Е. Вагнер, Н.Д. Зелинский, М.И. Коновалов, А.Е. Фаворский и др.
Электронное строение органических соединений
Характер связей в органических соединениях

Для молекул органических соединений наиболее характерны ковалентные связи. Как известно, атом углерода имеет четыре валентных электрона. В соответствии с его положением в периодической системе элементов (2 период,  группа, порядковый номер 6) углерод прочно удерживает электроны в своем внешнем слое и в то же время не склонен отнимать электроны у других атомов. Поэтому связь атомов углерода с атомами различных элементов и друг с другом осуществляется путем образования обобщенных пар, т.е. при помощи ковалентных связей. Электронные структурные формулы, например, простейших углеводородов – метана и этана – имеют следующий вид (для сравнения рядом с ними приведены обычные структурные формулы):

Н Н Н Н Н Н

. .  . . . .  

Н : C : Н НCН Н : C : C : Н НCCН

. .  . . . .  

Н Н Н Н Н Н

Рис. 1 Электронная и обычная структурные формулы метана и этана.
Атом углерода, как правило, образует четыре ковалентные связи, т.к. только в этом случае у него создается устойчивый восьмиэлектронный внешний слой. Этим объясняется то, что в большинстве случаев валентность углерода равна четырем. В молекуле метана углерод образует ковалентные связи с четырьмя атомами водорода, у каждого из которых создается устойчивый двухэлектронный слой. В молекуле этана одна из электронных пар осуществляет ковалентную связь между двумя углеродными атомами.

Из сопоставления электронных формул метан и этана с обычными структурными формулами следует, что каждая простая связь между атомами осуществляется одной обобщенной электронной парой. Соответственно в веществах с кратными связями двойная связь возникает вследствие образования соединяющимися атомами двух, а тройная – трех обобщенных электронных пар. Электронные структуры и обычные структурные формулы, например, этилена и ацетилена имеют вид:
Н Н

. . . . Н Н

C::C >C = C< Н : C:::C : Н HC  CH

. . . . Н Н

Н Н

Н₂С = СН₂ НС  СН
Рис. 2. Электронная и обычная структурные формулы метана и этана.
Состояние валентных электронов в атоме углерода

Из курса неорганической химии известно, что электронная структура невозбужденного атома углерода может быть выражена формулой 1s²2s²2p², т.е. во втором (внешнем) электронном слое у него два спаренных (с противоположными спинами) s- электрона и только два неспаренных p-электрона, которые могут участвовать в образовании ковалентных связей. Следовательно, углерод должен был бы проявлять валентность, равную двум, однако в большинстве своих соединений он четырехвалентен – образует четыре ковалентные связи. Это объясняется тем, что при затрате некоторой энергии происходит "расспаривание" 2s- электронов: один из них переводится на свободную орбиту подуровня 2p, и атом переходит в возбужденное состояние (2s²2p² 2s¹2p³), или графически:

2p

2p

2s

2s

С

C*

нормальное состояние возбужденное состояние

Таким образом, у атома углерода, участвующего в образовании четырех ковалентных связей, во внешнем электронном слое, как было показано ранее, четыре валентных электрона. Состояние их не одинаково. Один из них (s- электрон), двигаясь вокруг ядра образует шаровое облако (рис.3), подобное облаку электрона в атоме водорода (s-состояние электрона). Облака трех


а б в г д

Рис. 3. Негибридизованные 2р(_{x y z}) (а, б, в) и 2s орбитали (г) атома

углерода и орбитали атома углерода в состоянии sp³-гибриди-

зации (д).
других электронов (p- электроны) имеют форму объемных восьмерок (гантелей) с "перетяжкой" в области ядра и ориентированных в трех взаимно перпендикулярных направлениях (p- состояния электрона).

Когда углерод, проявляя валентность четыре, соединяется простыми (ординарными) связями с четырьмя другими атомами, электронная плотность облаков всех четырех валентных электронов перераспределяются. Происходит гибридизация одного s- состояния и трех p- состояний электронов. В результате во внешнем электронном слое связанного углеродного атома возникают четыре одинаковых гибридных состояния. Занимая эти состояния, валентные электроны образуют гибридные облака, имеющие вид деформированной восьмерки (Рис.3 д), большая часть которой направлена от ядра по линии связи с другим атомом.

Такое состояние валентных электронов атома углерода называют sp³- гибридизацией (первое валентное состояние углерода). Все четыре гибридных облака имеют определенную направленность в пространстве под углом 109^о28' друг к другу, что соответствует о тетраэдрической направленности связей атома углерода.

Образование простых связей

Как показано ранее, простая ковалентная связь между атомами образуется парой обобщенных электронов. Образование этой пары в свете представлений квантовой механики заключается во взаимном перекрывании облаков электронов, осуществляющих связь; перекрывание происходит при сближении атомов на определенное расстояние. Между этими атомами на прямой, соединяющей их центры, возникает наибольшая электронная плотность (область максимального перекрывания облаков). К этой области повышенной плотности отрицательного заряда притягиваются положительно заряженные ядра атомов, следствием чего и является возникновение химической cвязи.

На рис. 4 представлены схемы образования некоторых связей. Простая связь между атомами водорода и углерода H-C (или H:C) является следствием перекрывания шарообразного облака электрона атома водорода и гибридного облака одного из валентных электронов атома углерода. Простая связь между двумя углеродными атомами C—C (или C:C) осуществляется вследствие перекрывания двух гибридных облаков углеродных атомов.





Рис. 4. Различные виды перекрывания орбиталей при образовании

-связей: а- перекрывания 1s - орбиталей атомов водорода (Н — Н);

б- перекрывание 1s-орбитали атома водорода с гибридной орбиталью атома углерода (С—Н); в- перекрывание двух гибридных орбиталей атомов углерода (С—С).
Связи указанного типа, в которых максимальное перекрывание электронных облаков осуществляется на линии между центрами атомов, называются -связями, а электроны, участвующие в их образовании,  - электронами. Каждая ковалентная связь характеризуется определенным расстоянием между ядрами соединенных атомов. Это расстояние называется межъядерным расстоянием, или длиной связи. Длина простой связи C—C составляет 1,54 А (0,154 нм).
Образование двойных связей

Двойная связь, например связь C=C, образована двумя обобществленными электронными парами C::C. Но состояние каждой из них не одинаково. Например, в молекуле этилена H₂C=CH₂ при образовании двойной связи в каждом из атомов углерода образуется лишь три гибридных состояния - в результате гибридизации s- состояния и двух p- состояний (sp²- гибридизация). В этом случае у каждого углеродного атома одно из p- состояний не участвует гибридизации и остается неизменным.

Три гибридных облака каждого из углеродных атомов этилена участвуют в образовании трех -связей (второе валентное состояние углерода). В этилене всего пять -связей (четыре C—H и одна С—С). Все они расположены в одной плоскости, каждая под углом 120^о к соседней связи (рис. 5):

Таким образом, одна из электронных пар двойной связи между атомами углерода осуществляют обычную -связь, вторая электронная пара образуется электронами не участвующими в гибридизации и сохранившими p-состояние. Облака этих электронов, сохранившие форму объемных восьмерок, направлены перпендикулярно к плоскости, в которой расположены -связи молекулы этилена и перекрываются над и под этой плоскостью.
Р
ис. 5. Перекрывание двух негибридизованных 2р-обриталей в молекуле этилена: а- объемное изображение перекрывающихся негибридизованных 2р-орбиталей; б- схематическое изображение этих орбиталей на плоскости.
Связь, осуществляемую такой парой электронов, называют -связью, а образующие ее электроны - - электронами. Как показано на рис. 6 , -связь возникает в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения -связей.

Двойная связь, являющаяся сочетанием - и -связей, по характеру существенно отличается от простой связи. Центры углеродных атомов в этилене находятся на расстоянии 1,34 А (0,134 нм), т.е. длина двойной связи несколько меньше, чем простой.
Образование тройных связей

Тройная связь CC образована тремя парами обобществленных электронов C:::C. Состояние этих пар не одинаково, так же как в случае двойной связи. Одна из них представляет собой -связь, две другие - -связи. Поясним это на примере ацетилена HCCH. При образовании тройной связи в каждом углеродном атоме гибридизируется одно s- и одно p- состояния электронов (sp-гибридизация). У каждого углеродного атома образуется два гибридных состояния, а два p- состояния не участвуют в гибридизации и сохраняют свою конфигурацию (рис. 6).

Два гибридных облака каждого атома С в ацетилене участвуют в образовании двух -связей (третье валентное состояние углерода). В ацетилене всего три -связи (одна C—C и две C—H), расположенные на одной прямой. В результате же перекрывания облаков электронов, сохранивших p-состояние, возникают две -связи, образованны и двух взаимно перпендикулярных плоскостей (рис. 6). Тройная связь в ацетилене имеет длину 1,20 А (0,120 нм), т.е. углеродные атому сближены еще больше, чем в случае двойной связи.
Р
ис. 6. Перекрывание четырех негибридизованных 2р-орбиталей в молекуле ацетилена: а- объемное изображение четырех перекрывающихся 2р-орбиталей; б- схематическое изображение этих орбиталей в двух взаимно перпедикулярных плоскостях.

Изомерия
Еще в 1814 г. французский ученый Гей-Люссак установил, что некоторые вещества при одном и том же качественном и количественном составе обладают различными физическими и химическими свойствами. Например, состав C₂H₆O и, соответственно, молекулярный вес 46,07 имеют два различных изомерных органических вещества: этиловый спирт – жидкость, кипящая при 78,4 ^оС, смешивающаяся с водой в любых соотношениях, и диметиловый эфир – газ, почти не растворимый в воде и существенно отличающийся от этилового спирта по химически свойствам.

Это явление, заключающееся в существовании нескольких химических соединений с одинаковым качественным и количественным составом, но отличных по физическим и химическим свойствам, было названо изомерией. Указанные соединения получили название изомеров.

Сущность явления изомерии была раскрыта в теории Бутлерова. Выяснилось, что изомерия обусловлена различным химическим строением, т.е. различием в порядке соединения атомов в молекулах при одном и том же составе и молекулярном весе веществ.

Для каждого из трех простейших углеводородов (метана, этана и пропана) возможно по одной структурной формуле:

H H H H H H

     

HCH; HCCH; HCCCH.

     

H H H H H H

В молекуле пропана четвертый углеродный атом может быть присоединен либо к одному из двух крайних углеродных атомов, либо к среднему. Цепь из четырех атомов углерода, как видим, дает начало двум изомерным молекулам состава C₄H₁₀ с различными углеродными скелетами:

H H H H H H H

      

HCCCCH (1), HCCCH (2)

      

H H H H H HCH H



H

изображаемым сокращенно:

CH₃—CH₂—CH₂—CH₃ (1), CH₃—CH—CH₃ (2).



CH₃

Первый изомер углеводорода бутана C₄H₁₀ имеет прямую (нормальную) цепь. Второй изомер – изобутан – разветвленную цепь атомов углерода.

Для углеводорода пентана C₅H₁₂ различия в последовательности связи углеводородных атомов приводят к образованию трех изомеров:

нормальный пентан изопентан

СН₃—СН₂—СН₂—СН₂—СН₃ СН₃—СН—СН₂—СН₃

СН₃ 

 СН₃

тетраметилметан СН₃—С—СН₃



СН₃

С увеличением числа атомов углерода в молекуле резко возрастает число изомеров. Известны все 9 структурных изомерных гептанов C₇H₁₆, предсказанных теорией химического строения. Для углеводородов C₁₀H₂₂ возможно 75 структурных изомеров, для C₁₁H₂₄ 159 изомеров, для C₁₂H₂₆ 802 изомера, для C₁₄H₃₀ 1858 изомеров, для – C₂₀H₄₂ 366319 изомеров.

Явление изомерии – одна из важнейших причин существования большого числа органических соединений.

Свойства органических соединений зависят от присутствия – функциональных групп (—ОН у спиртов; С=О у альдегидов и кетонов; —СООН у карбоновых кислот; —NH₂ у аминосоединений; F, Cl, Br, J у галогенпроизводных и так далее). Функциональные группы обуславливают важнейшие свойства и прежде всего химическое поведение молекул. Изучение спектров молекул показало, что функциональные группы имеют характеристические частоты, мало отличающиеся для отдельных представителей каждого класса органических соединений.

Изомерия характерна не только для линейных, но и для циклических молекул:

СН₃

Ц иклогексан СН₂ метилциклопентан 

СН₂ СН₂ СН

СН₂ СН₂

СН₂ СН₂

СН₂ СН₂—СН₂

Структурная изомерия может иметь место и при одинаковом углеродном скелете, если функциональные группы занимают различное положение в молекуле. Порядок связи атомов в молекуле пропана выражается одной структурной формулой: CH₃—CH₂—CH₃. Замещение одного из атомов водорода пропана гидроксильной группой приводит к получению двух изомерных спиртов:

CH₃—CH₂—CH₂OH (1) CH₃—CHOH—CH₃ (2)

пропиловый спирт изопропиловый спирт

Эти структурные изомеры отличаются положением в молекуле функциональной гидроксильной группы, характерной для класса спиртов.

Взаимное влияние атомов
Химическое поведение – реакционная способность одного и того же атома, изменяющаяся в различных молекулах под влиянием непосредственно связанных с ним атомов, а также под влиянием отдаленных атомов и атомных групп.

Т ак, например, атом водорода в соединении с хлором, кислородом и азотом (H—Cl, H—O—H, N— ) проявляет различные свойства. Водород соляной кислоты сильно поляризован (протонирован) и легко замещается металлами, водород воды менее сильно поляризован и поэтому замещается только активными металлами и, наконец, водород аммиака очень слабо протонирован и может быть замещен лишь самыми активными металлами. Различное влияние атомов Cl, O и N на процесс протонизации – причина различной активности атомов водорода в рассматриваемых молекулах.

Влияние атомов кремния и углерода в молекулах тетрахлоридов- кремния SiCl₄ и углерода CCl₄ проявляется в различном химическом поведении в этих соединениях атомов хлора. Так, при действии воды в молекуле SiCl₄ атомы хлора очень легко замещаются на гидроксильные группы, тогда как в молекуле ССl₄ обмена атомов хлора на гидроксильные группы не происходит.

Атом каждого элемента влияет определенным образом на химическое поведение других атомов, составляющих молекулу, и вместе с тем, сам подвергается влиянию всей молекулы в целом. Теория химического строения не только раскрыла единство части и целого в молекуле и в химическом взаимодействии непосредственно связанных друг с другом атомов, но и указала на существование в молекулах химического влияния атомов, непосредственно не связанных друг с другом. Например, в молекулах хлорэтана (хлористого этила) CH₃—CH₂—Cl и хлорэтилена (хлористого винила) CH₂=CH—Cl различное влияние на атом хлора этильной (CH₃—CH₂—) и винильной (CH₂=CH—) групп обуславливает и различную его реакционную способность. Если в хлорэтане атом хлора весьма подвижен и обладает высокой реакционной способностью, то в молекуле хлорэтилена атом хлора инертен.

Структурные формулы выявляют главные, непосредственные связи и сильные химические взаимодействия атомов в молекуле, характеризуя основные особенности ее химического строения и реакционной способности.

Главная заслуга в становлении законов и правил взаимного влияния атомов в молекуле принадлежит В.В. Марковникову (1837-1904).
Общие представления о стереохимии
Дальнейшим развитием теории строения явилось создание стереохимии – учения о пространственной структуре органических молекул. В 1874г. голландский химик Я. Вант-Гофф и французский химик Ле-Бель одновременно и независимо друг от друга высказали гипотезу о том,

что молекулы органических веществ имеют пространственное, объемное строение.

Пространственное строение молекул обусловлено тем, что валентные связи углеродного атома расположены не в плоскости, а определенным образом направлены в пространстве; атом углерода, связанный с четырьмя одновалентными атомами или атомными группами, является как бы центром тетраэдра – четырехгранной пирамиды (рис. 7), а его валентные связи направлены к вершинам тетраэдра (H). В этих вершинах помещаются соединенные с атомом углерода одновалентные атомы или атомные группы. В результате молекулы органических веществ имеют объемность, пространственное строение.



Рис. 7 Модели пространственного строения молекулы метана:

А – тетраэдрическая; б – шаростержневая; в – по Бригдебу.

Оказалось, что и при одинаковой последовательности связей в молекулах, возможна изомерия, обусловленная различным расположением атомов в пространстве. Этот вид изомерии называется пространственной изомерией или стереоизомерией.

Стереоизомеры могут содержать асимметричный атом углерода, соединенный с четырьмя различными атомами или атомными группами (рис. 8). Органические вещества, содержащие асимметричный углеродный атом, существуют в виде двух изомерных молекул с различным пространственным расположением атомов. Эти стереоизомерные молекулы относятся друг к другу как предмет к зеркальному изображению и называются энантиомерами (асимметричный атом углерода в формулах обозначается звездочкой):

CH₃—C^*HOH—COOH молочная кислота

Стереоизомеры, обладая одинаковыми химическими и физическими свойствами, отличаются между собой оптической активностью, т.е. по отношению к поляризованном свету. Каждый из них вращает плоскость поляризованного луча в противоположном направлении, являясь оптическим антиподом.
Классификация органических соединений
Органические соединения делят на три большие группы:

1. 
   Органические соединения с открытой цепью (ациклические) атомов углерода (алифатический или жирный ряд). К этой группе органических соединений относят углеводороды и их производные, не содержащие в молекулах колец, или циклов.
   

Алифатические соединения подразделяются на насыщенные (или

предельные), содержащие в молекулах ординарные углерод- углеродные связи, и ненасыщенные (или непредельные - олефины), содержащие в

молекулах двойные и тройные углерод - углеродные связи.

2. 
   Карбоциклические (алициклические) соединения – органические
   

соединения, содержащие замкнутые в кольцо цепи атомов углерода:

Алициклические могут быть соединениями – насыщенными (циклопропан,

циклобутан, циклопентан и т.д.) и ненасыщенные;

Ароматические соединения, содержащие бензольное ядро (и другие соединения отвечающие правилу ароматичности Хюккеля). Часто к ароматическим соединениям относят только соединения с бензоидной системой связей, т.е. арены (бензол и полициклические соединения, построенные из конденсированных бензольных колец) и их замещенные.

3. 
   Гетероциклические соединения – соединения, в построении колец которых
   

Участвуют не только атомы углерода, но и атомы других химических

элементов.

Органические соединения образуют гомологические ряды. Каждый последующий член гомологического ряда отличается от предыдущего на метиленовую группу CH₂, которая называется гомологической разностью. Гомологические ряды объединяют органические соединения с общими химическими свойствами и сходным химическим строением.

Лекция: Насыщенные (предельные) ациклические соединения.