Лекция Классификация и изомерия органических соединений

Вид материала

Содержание

Теория химического строения органических соединений
Формулы (способы изображения органических соединений)
Классификация и изомерия органических соединений
Структурная изомерия
Пространственная или стереоизомерия

Подобный материал:

Лекция 2. Классификация и изомерия органических соединений

Особенности органических соединений

Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя цепи и кольца. Цепи могут быть как линейные, так и разветвленные. Отсюда многообразие органических соединений.
В органических молекулах связь атомов ковалентная, т.е. образована парой электронов. Поэтому органические соединения, в основном, неэлектролиты. В воде они не диссоциируют так легко, как неорганические соединения.
Особенности строения атома углерода (С).

Атом углерода в возбужденном состоянии может образовывать 4 связи.

При нагревании до 400-600^оС органические соединения полностью разлагаются и обугливаются, а в присутствии О₂ сгорают. Это объясняется небольшой прочностью связи между атомами углерода (355,6 кДж/моль).
В органической химии вместо понятия степень окисления применяют понятие валентности, равной количеству связей, которое может образовать атом, т.е. валентность атома углерода в возбужденном состоянии равна 4.

Теория химического строения органических соединений

Теория химического строения в своей основе была создана в 60-х годах XIX века. Если в первой половине XIX века основная задача органической химии состояла в изучении состава и свойств природных соединений, а также в разработке способов рационального их использования, то далее, в связи с развитием промышленности и ростом городов, к органической химии стали предъявлять все больше требований: требовались красители, лекарства, новое освещение, новые методы переработки пищевых продуктов и т.д.

Развитие органической химии тормозилось отставанием теоретических представлений. Не было единой химической символики. Необходимы были новые теоретические воззрения для того, чтобы ответить на следующие вопросы:

Почему только два элемента С и Н образуют такое многообразие соединений, как С₂Н₆, С₂Н₄, С₆Н₆, С₂Н₂ и т.д.?
Почему органических соединений гораздо больше, чем неорганических, соответственно: несколько миллионов – несколько тысяч?
Почему из формулы углеводорода нельзя определить валентность углерода? Например, в формуле СН₄ валентность С = 4; в С₂Н₆ валентность С = 3; в С₃Н₈ валентность 8/3; в С₂Н₂ валентность С = 1 и т.д.
Почему многие соединения, имея одну и ту же формулу, обладают различными свойствами? Например, глюкоза и фруктоза С₆Н₁₂О₆ ; С₂Н₆О – этиловый спирт и диэтиловый эфир.

На все эти вопросы был дан ответ после разработки основополагающей теории строения органических веществ ( 1861 год, А.М.Бутлеров). Основная идея этой теории: химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, их количеством и химическим строением. Другими словами, химические свойства молекулы определяются: а) свойствами составляющих её атомов; б) количеством атомов; в) химическим строением молекулы.

Основные положения этой теории:

Атомы, образуя молекулу органического вещества, располагаются не беспорядочно, а в строгой и определенной последовательности. Между атомами углерода возникает ковалентная связь. Она может быть одинарной (σ-связь), двойной (1σ и 1π – связи), тройной (1σ и 2π – связи). Ковалентная связь характеризуется: длиной, энергией, полярностью связи. Между атомами С и Н тоже возникает σ-связь. К цепи, состоящей из двух атомов углерода, может присоединиться третий, четвертый атом и т.д., т.е. образуются углеродные цепи, причем их направленность в пространстве определяется направленностью электронного облака. Цепи могут быть линейные, разветвленные и циклические. Во всех этих цепях атом углерода четырехвалентен.
Свойства вещества зависит не только от того, какие атомы и в каком количестве входят в состав его молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены между собой, т.е. от химического строения молекулы. Согласно этому положению теории, было обнаружено много органических веществ, обладающих одинаковым составом, но разными свойствами. Это явление, открытое в 1830 году, было названо изомерией, а вещества с одинаковым составом – изомерами.
Атомы или группы атомов, образуя молекулу, взаимно влияют друг на друга, от чего зависит реакционная способность молекулы. Такое влияние особенно велико, если атомы непосредственно связаны друг с другом. Влияние существует и в том случае, если связь осуществляется через какой-то другой элемент. В этом случае важно учитывать такое явление, как перераспределение в молекуле электронной плотности ( индуктивный эффект, эффект сопряжения).
Зная свойства вещества, можно установить его строение, и, наоборот, химическое строение вещества определяет его свойства.

Значение теории Бутлерова:

Теория позволила с помощью химических методов установить соединения (связи) атомов в молекулах.
Она дала возможность предвидеть свойства органических соединений, синтезировать новые вещества.
С помощью теории химического строения удалось научно объяснить накопившиеся факты в органической химии (например, существование изомеров, гомологов и др.).
Она позволила установить зависимость химических свойств от строения и взаимного влияния атомов в молекулах, выявила в той или иной степени реакционную способность веществ, направление реакции.
Теория дала возможность объяснить многообразие органических веществ.
Она внесла новые элементы в атомно-молекулярное учение: порядок расположения атомов в молекулах, взаимное влияние атомов. Тем самым атомно-молекулярное учение получило свое дальнейшее развитие, что имело большое значение для химии.

Формулы (способы изображения органических соединений)

Эмпирическая молекулярная формула C₂H₆

Электронная молекулярная формула
С

труктурная молекулярная формула
Графическая молекулярная формула

Краткая структурная молекулярная формула СН₃-(СН₂)₅-СН₃

Классификация и изомерия органических соединений

Органические соединения принято классифицировать:

по типу углеродного скелета;
по функциональным группам.

При классификации по типу углеродного скелета органические соединения разделяют на:

а) ациклические, содержащие незамкнутую цепь атомов углерода. Они, в свою очередь, делятся на предельные, где все связи между атомами углерода являются насыщенными, и непредельные: этиленовые (содержат одну двойную связь), диеновые (содержат две двойные связи), ацетиленовые (содержат тройные, связи);

б

) карбоциклические, содержащие замкнутую цепь только из атомов углерода:

) гетероциклические, содержащие замкнутую цепь не только из атомов углерода:

Отдельно следует остановиться на названиях углеводородных заместителей.

│

СН₃-СН₂-СН-СН₃

втор-бутил (вторичный бутил)

Из приведенных названий становится ясно, что радикалы-заместители делятся на первичные, вторичные и третичные в зависимости от того, с каким количеством атомов углерода связан тот углеродный атом, от которого отходит свободная связь.

Второй вид классификации — по функциональным группам. В этом случае можно каждое органическое соединение представить в виде формулы R—X, где R — радикал, содержащий только атомы углерода и водорода; X — функциональная группа.

1. Галогенопроизводные (R—Г):

хлорметан трихлорметан – хлороформ бромбензол

2. Спирты (R—ОН), которые могут быть:

а) одноатомными:

этанол пропанол-1 пропанол-2

б) двух- и трехатомными:

этандиол-1,2 пропантриол-1,2,3

(этиленгликоль) (глицерин)

в) многоатомными:

гексангексаол-1,2,3,4,5,6

(гексит)

г) ароматическими:

бензиловый спирт

в которых гидроксильная группа размещается в боковой цепи.

Отдельно стоят фенолы, т. е. такие производные бензола, где один или более атомов водорода цикла замещены гидроксильной группой.

оксибензол 2-мстил-1-оксибензол 3-метил-1 -оксибензол

(фенол) (о-крезол) (м-крезол)

3. Простые эфиры (R₁—O—R₂):

4. Альдегиды

метаналь

этаналь

безальдегид

5
пропанон (ацетон)
. Кетоны

дифенилкетон

Нетрудно заметить, что кетон, в котором один из радикалов R=Н, является альдегидом, т.е. альдегиды и кетоны относятся к группе карбонильных соединений.

6. Карбоновые кислоты

о

дноосновные:

двухосновные:

непредельные:

7. Сложные эфиры

этилэтаноат (этилацетат)

пентилэтаноат (амилацетат)

В этот класс входят жиры — сложные эфиры, образованные трехатомным спиртом (глицерином) и некоторыми высшими (жирными) кислотами предельного и непредельного ряда (стеариновой С₁₇Н₃₅СООН, пальмитиновой C₁₅H₃₁COOH, олеиновой С₁₇Н₃₃СООН, линолевой С₁₇Н₃₁СООН).

Нитросоединения (R—NO₂):

Амины

ледует отметить, что в нитросоединениях и аминах атом азота напрямую соединен с атомом углерода. Что же касается такого соединения, как нитроглицерин, то оно является не нитросоединением, а сложным эфиром глицерина и азотной кислоты:

Классы 1-9 характерны тем, что они монофункциональны (т. е. в них содержатся только одинаковые функциональные группы). Существуют также полифункциональные соединения. Например:

2,4,6-трибромфенол 2,4,6-триброманилин м-нитробензойная

кислота

2-оксипропановая 2-хлортэтановая

(молочная) кислота (монохлоруксусная) кислота

Как было указано выше, способность атомов углерода к образованию четырех ковалентных связей с соседними атомами определяет возможности существования изомеров - разных соединений одного и того же молекулярного состава. Можно выделить следующие виды изомерии.

Структурная изомерия

Межклассовая изомерия (когда одной и той же формуле C₂H₅O₂N соответствуют вещества, принадлежащие к различным классам), например:

H₃CH₂NO₂

нитроэтан и

глицин

Другими примерами могут послужить:

Изомерия углеродного скелета:

Изомерия положения, заключающаяся в различном расположении:

кратной связи:

функциональной группы:

радикалов-заместителей в цикле:

Пространственная или стереоизомерия

Геометрическая изомерия, характерная для соединений, содержащих двойную связь или замкнутый цикл из атомов углерода. В таких молекулах можно провести условную плоскость по σ-связям таким образом, что заместители, расположенные у разных атомов углерода, могут оказаться как по одну (цис-изомер), так и по разные стороны от этой плоскости (транс-изомер):

или:

Оптическая изомерия, в которой изомеры имеют совершенно одинаковые физические и химические свойства, поворачивают плоскость поляризации света на равный угол, но (!) в противоположных направлениях. Так, например, 2-оксипропановая (молочная) кислота имеет два изомера:

Такие изомеры являются зеркальным отражением друг друга и при вращении молекулы не могут быть совмещены. Необходимо обратить внимание на то, что центральный атом углерода в этих молекулах окружен четырьмя разными заместителями. Такой атом углерода называется асимметрическим, и наличие его в молекуле является непременным признаком того, что для этой молекулы существует оптический изомер.

И, наконец, еще один вид изомерии, который можно назвать динамической изомерией,— таутомерия. В этом случае вещества при установившемся равновесии представляют собой смеси двух (или более) взаимопревращающихся изомеров — таутомеров. Наиболее известным примером является кето-енольная таутомерия в реакции Кучерова (гидратация ацетилена):

виниловый спирт этаналь

(енольная форма) (кетоформа)

Информация, которую нужно запомнить:

1. Существование соединений с одинаковым молекулярным составом, но с разным строением называется изомерией, а сами вещества – изомерами.

2. Существуют следующие виды изомерии:

а) структурная изомерия – обусловлена порядком соединения атомов; внутри одного класса – положением заместителя; бывает межгрупповая изомерия;

б) изомерия положения кратной связи;

в) в соединениях с двойной связью возможна цис- и транс- изомерия. Цис- и транс-изомерия существует и в замещенных циклоалканах;

г) зеркальная изомерия – энантиомерия; д) динамическая изомерия – таутомерия.

Blog