II. Квантово-механическое представление в органической химии

Вид материала

Реферат

Содержание Ионная химическая связь Разность электроотрицетельности (∆Х) двух элементов Водородная связь Межмолекулярные связи (силы Ван-дер-Ваальса) Донорно-акцепторная связь Изомерия алканов Ненасыщенные углеводороды (алкены (СnH2n), алкины (СnH2n–2)) Пример.СН3 – СН = СН – СН3 Бутен 2Пример. Функциональные группы СnH2n+2 Гетеролитический разрыв (гетеро — разный) Типы реагентов Кето-енольная таутомерия

Подобный материал:

• Етодические особенности изучения органической химии место органической химии в школьном, 462.44kb.
• Программа элективного курса «Теоретические основы органической химии», 128.29kb.
• Элективный курс по химии для 10 класса естественнонаучного профиля «Механизмы реакций, 49.19kb.
• Тематическое планирование по органической химии для 10 класс, 550.27kb.
• Примерный перечень экзаменационных вопросов по органической химии, специальность 260303, 53.85kb.
• Элективный курс по химии для 10 класса профильного уровня. Тема: «Избранные вопросы, 93.44kb.
• Новые органические лиганды n 2 s 2 ­ -типа и их комплексные соединения с ni(II), Co(II),, 232.86kb.
• Утверждаю, 425.07kb.
• Утверждаю, 318.85kb.
• Методы органической химии, 158.45kb.

Ионная химическая связь


Молекулы, в которых существует ионная связь, встречаются реже, чем молекулы с ковалентной связью. Такая связь возникает за счет электростатического взаимодействия разноименно заряженных ионов, которые образуются при смещении электрона от одного атома к другому.

Разность электроотрицетельности (∆Х) двух элементов является мерой ионности между ними. При ∆Х > 2,5 связь условно считается ионной.

Ионная связь из-за электростатического характера взаимодействия является не насыщенной и не обладает преимущественной направленностью в пространстве. Следовательно, соединения с большой долей ионной связи представляют собой не отдельные молекулы, а твердое тело с ионным кристаллическим строением.

При ионной связи происходит переход электрона с орбитали одного атома (Na) на орбиталь другого (Cl).

Изучение поляризации позволило определить эффективные заряды атомов в молекуле.


Пример.


Na^+0,8Cl^-0,8

Mg^+0,9Cl₂^-0,45


Однако, при решении ряда вопросов (окислительно-восстановительные реакции, горение топлива) используются гипотетические заряды атомов, вводя представление об окислительном числе.


Водородная связь


Водородная связь – это дополнительная связь, осуществляется атомами водорода, ковалентно соединенными в молекуле с атомами электроотрицательного элемента. Большая плотность положительного заряда, из-за очень малого радиуса и отсутствия электронов у протонированного атома водорода, способствует взаимодействию атомов водорода с электроотрицательными атомами чужой или даже своей молекулы.


Пример.


Н^δ+ О^δ- – Н^δ+

| |

Н^δ+ – О^δ- ••• Н^δ+


Водородная связь менее прочная, чем ковалентная. Ее энергия меньше 10 кДж/Моль.

Образование водородных связей в молекуле приводит к тому, что при обычных условиях вода является жидкостью.


Межмолекулярные связи (силы Ван-дер-Ваальса)


Силы Ван-дер-Ваальса имеют электростатическую природу. Под названием сил Ван-дер-Ваальса объединяют три вида взаимодействия:

1. Ориентационное взаимодействие.
   

Полярные молекулы при сближении ориентируются относительно друг друга противоположно заряженными диполями. Такое взаимодействие сильно зависит от температуры.

2. Индукционное взаимодействие.
   

Под влиянием электростатического поля полярной молекулы в неполярной молекуле возникает временный дипольный момент, а затем обе молекулы взаимодействуют как диполи. Энергия индукционного взаимодействия растет с ростом поляризуемости молекул.

3. Дисперсное взаимодействие.
   

Данный вид взаимодействия проявляется в неполярных молекулах (Н₂, Cl₂, СН₄).

Из-за движения электронов изменяется симметричность распределения зарядов положительного и отрицательного электричества, в следствие чего появляются мгновенные диполи.

Т.к. силы Ван-дер-Ваальса имеют электростатическую природу, то они характеризуются отсутствием насыщаемости и специфичности. Такие силы малопрочны. Их энергия на порядок меньше энергии ковалентной связи. Энергия равна отношению единицы к радиусу в седьмой степени.


Донорно-акцепторная связь


Донорно-акцепторная связь образуется при взаимодействии двух атомов, у одного из которых имеется неподеленная пара электронов (спаренные электроны квантовой ячейки), а у другого- свободная атомная орбиталь (незаполненная квантовая ячейка).




Донорно-акцепторная связь является разновидностью ковалентной связи, но отличается образованием. Число связей атома могут превышать его ковалентность.


Пример.


Со

4s² 3d⁷

n = 4

l = 0,1,2,3

s,p,d,f

внутренняя связь

ионная связь

внешняя сфера [Co²⁺(NH₃) ₄ ] Cl₂ внешняя сфера


донорно-акцепторная связь


Co²⁺ – центральный атом, комплексообразователь;


Наиболее характерные комплексообразователи: ионы d-элементов (Cu, Pt, Fe, Co, Ag), атомы неметаллов (B, Si), нейтральные атомы металлов ([Ni(CO)₄]).


NH₃ – лиганды (адденды).


Лигандами обычно бывают: отрицательно заряженные ионы (Cl ⁻,P ⁻,OH ⁻,CN ⁻), нейтральные молекулы (Н₂О, СО).


4 – координационное число.


Обычно оно обычно в два раза больше чем заряд комплексообразователя. Как правило координационное число равно 2, 4, 6. Считают его по числу лиганд в комплексном ионе.

2. Углеводороды
   

1. Классификации, реакций, разрывов связей и реагентов
   

Алифатические углеводороды


Насыщенные углеводороды (алканы (С_nH_2n+2))


Углеводороды – соединения, в состав которых входят только углерод и водород.


Номенклатура (UPAK)

1. Выделяют и называют наиболее длинную неразветвленную цепь;
   
2. Называют заместители;
   
3. Номеруют положения, в которых находятся заместители. При этом номер замещенного положения должен иметь наименьшее значение;
   
4. Заместители перечисляют в алфавитном порядке.
   

Пример.




СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН – СН₃

| 4 метилгептан

С₃Н₈


Задание.

Назовите соединение.


СН₃ – СН – СН₂ – СН – СН₃

| | 2-бром 4-хлоргексан

Сl Br


Задание.

Назовите соединение.


СН₃ – СН – СН₂ – СН – СН₃

| | 4-метил 2,3-дихлоргексан

Сl СН₃

Получают смесь углеводородов путем первичной нефтеперегонки.


Изомерия алканов


Изомерия – это явление существования разных соединений с одинаковой молекулярной формулой, но с разной структурой.


Пример.


СН₃ – СН – СН₃ СН₃ – СН₂ – СН₂ – СН₃

|

СН₃ Бутан

Изобутан или 2 метил пропан (Ткип. = – 0,5°С)

(Ткип. = – 12°С)


Ненасыщенные углеводороды (алкены (С_nH_2n), алкины (С_nH_2n–2))


Пример.


Алкены Алкины

С₂Н₄ – этилен С₂Н₂ – ацетилен

С₃Н₆ – пропен С₃Н₄ – пропин


Номенклатура


Направление нумерации главной цепи выбирается таким образом, чтобы лакант, указывающий положение кратной связи имел наименьшее значение. А затем определяется положение лакантов-заместителей.

Если есть двойные и тройные связи, то преимущество в получении наименьшего лаканта отдается двойным связям. Двойная связь придает молекуле повышенную реакционную способность по сравнению с алканами.


Пример.


СН₃ – СН = СН – СН₃

Бутен 2


Пример.


СН₃ – СН = СН – С ≡ СН

Пент – 2-ен – 4-ин


Алициклические углеводороды


Примеры



СН₂ – СН₂

СН₂


Циклопропан Циклогексан


Ароматические углеводороды (арены)

СН₃

| С₆Н₅ – фенильная группа

С

С₆Н₆ – бензол;

С₆Н₅СН₃ – толуол;

С₁₀Н₈ – нафталин.


Функциональные группы СnH₂n+₂

Название	Формула
Алкильная группа	R –
Спирты	R – OH
Альдегиды	O R – C H
Кетоны	R1 – C – R2 || O
Карбоновые кислоты	O R – C ОH
Простые эфиры	СН3 – СН3 или R1 – О – R2 О
Сложные эфиры	O R1– C О – R2
Ангидриды	O R1 – C О R2 – C О

Общие типы реакций

1. Замещение;
   

С₂Н₅Cl + NaOH → С₂Н₅OH + NaCl

2. Присоединение;
   

СН₂=СН₂ + Br₂ → СН₂ – СН₂

| |

Br Br

3. Отщепление;
   

t°, kat


С₂Н₅OH СН₂= СH₂ + Н₂О (дегидротация)

4. Превращение;
   

Типы разрыва связей

1. Гемолитический разрыв (гомо — одинаковый);
   

При разрыве сохраняется по одному электронному радикалу.


СН₃ – СН₂ – СН₃ → СН₃ – СH₂ • + • СH₃

1 молекула → 2 радикала


hν


Сl₂ 2Сl₂ •

2. Гетеролитический разрыв (гетеро — разный);
   

Электронная пара остается на одном из атомов и образуется анион


(СН₃)₃ССl → (СН₃)₃ C⁺ + Сl ¯

(анион)

СН₃

|

СН₃ – С – Сl

|

СН₃


Типы реагентов


1) Нуклеофильные (отрицательные ионы);


Нуклеофильные реагенты – вещества, имеющие неподеленную пару электронов или отрицательно заряженные ионы (ОН ¯ ), которые атакуют положительно заряженный конец полярной ковалентной связи.

2. Электрофильные.
   

Электрофильные реагенты – атакуют отрицательно заряженный конец полярной ковалент-

ной связи (SO₃, NO₂⁺).


2. Изомерия

1. Структурная;
   

Структурная форма показывает последовательность соединения атомов. Изомерия цепи появляется, если два соединения построены с помощью различных цепей углеродных атомов. При этом они имеют одинаковые функциональные группы и принадлежат к одному гомологическому ряду.


Пример.

CH₃ – CH – CH₃

С₄Н₈ |

Бутан CH₃

2 метилпропан

2. Позиционная;
   

Молекулы различаются положением функциональных групп.


Примеры.


CH₃ – CH₂ – CH₂ – СH₂ОН CH₃ – CH – CH₂ – CH₃

и |

ОН


Сl Сl Cl

| Cl | |

Cl

|

Cl

ОРТО – МЕТА – ПАРА –

В случае позиционной изомерии изомеры могут принадлежать к различным гомологическим рядам, т.е. могут иметь различные функциональные группы.


Примеры.

1. Соединение C₂H₆О может быть как спиртом (C₂H₅ОН – этиловый спирт), так и простым эфиром (CH₃ – О – C₂H₆ – диметиловый эфир) .
   
2. А соединение с формулой C₃H₆О может быть представлен как пропаналь, так и как кетон.
   

(CH₃ – C – CH₃).

||

О

3. Таутомерия;
   

Два изомерных соединения могут существовать в динамическом равновесии друг с другом. Отличаются они положением атома водорода.


Кето-енольная таутомерия


Пример.


CH₃ – C – CH₃ ↔ CH₃ – C = CH₂

|| |

О ОН

4. Стереоизомерия.
   

Соединения имеют одинаковые молекулы и структурные формулы. Различаются они только положением связей в пространстве.

0. 
   
1. 
   
2. 
   
3. 
   
4. 
   
5. 4.1. Геометрическая
   

НООC COOH

C = C ЦИС–бутендионовая кислота

H H (малеиновая) (Тпл. = 135°С)


НООC H

C = C ТРАНС–бутендионовая кислота

H СООH (Фумаровая кислота. Ее кристаллы имеют фруктовый вкус)

(Тпл. = 287°С)


Невозможность вращения вокруг двойной связи приводит к появлению ЦИС – ТРАНС изомерии. Свойства двух таких соединений различны: растворимость, дипольные моменты, температура плавления.


Пример.

О

Н С H O

С О Н t = 160°C C – C

|| || O + Н₂О

С О C – C (ангидрид)

Н С H O

ОН

При нагревании 160°С малеиновая кислота образует ангидрид.

ТРАНС – кислота ангидрида при нагревании не дает.

0. 4.2. Конформационная;
   

Циклогексан может быть в виде:


CH₂ CH₂ CH₂ CH₂

CH₂

CH₂ – CH₂ и CH₂

CH₂ CH₂ CH₂ CH₂

«Ванна» «Кресло»

0. 4.3. Оптическая.
   
1. 
   

Оптическая активность – способность вращать плоскость поляризации плоско-поляризованного света. Положительным вращением считают вращение по часовой стрелке, а отрицательным – против.

Оптически активные вещества хиральны (их молекулы не имеют плоскости, оси и центра симметрии). Такие вещества образуют два типа молекул, которые относятся друг к другу как предмет и его зеркальное отображение. Эти молекулы называются энантиомерами.


Пример.

О

CH₃ – СН – C

| ОН 2(α)-гидрокси (окси) пропионовая кислота (молочная)

ОН (имеет 3 формы)


Молочная кислота является рацемической смесью, которая содержит оптически неактивные молекулы (число положительно направленных молекул равно числу отрицательно направленных), т.к. содержит эквимолярную смесь положительных и отрицательных энантиомеров (содержится в кислом молоке). Положительные энантиомеры есть только в живых тканях. Отрицательных энантиомеров в природе не существует. Все три формы молочной кислоты имеют одинаковые химические свойства, а положительно и отрицательно направленные – одинаковые физические свойства.


Задание.

Назовите соединение:

О О

С – СН – СН – НС

HО | | ОН

ОН ОН


Ответ: 2,3 дигидроксибутадионовая кислота (винная).