Краткий курс лекций

Раздел I Основы строения и реакционная способность органических соединений

1.1 Теория строения органических соединений

В 60-х гг XIX в. русский химик-органик А.М. Бутлеров создал теорию химического строения органических соединений. Основные положения этой теории сводятся к следующему:

1. Атомы в органических молекулах соединены между собой в определенном порядке химическими связями в соответствии с их валентностью. Этот порядок называется химическим строением. Углерод во всех органических соединениях четырехвалентен.

2. Химическое строение можно выразить структурной формулой, в которой химические связи между атомами изображаются черточками. Общее число черточек, отходящих от каждого атома, равно его валентности.

В сокращенных формулах не показывают атомы углерода и водорода и связи С–Н. Так, метилциклобутан можно изобразить следующим образом:

Структурная формула показывает порядок соединения атомов, но не всегда правильно отражает пространственное строение молекулы, в частности, углы между связями. Например, угол между связями С–С в алканах равен 109,5⁰. Тем не менее, структурная формула пропана СН₃-СН₂-СН₃,выглядит так, как будто этот угол равен 180⁰.

3. Физические и химические свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от строения молекул. Например, составу С₂Н₆О соответствуют два вещества – этанол и диметиловый эфир:

этанол диметиловый эфир

Этанол - жидкость с температурой кипения 78,4 ⁰С; обладает слабовыраженными кислотными свойствами и способен вступать в реакцию с металлическим натрием. Диметиловый эфир – это газ с температурой кипения 23,7 ⁰С, он проявляет свойства слабого основания за счет неподеленной электронной пары атома кислорода.

Вещества, описываемые одинаковой молекулярной формулой, но имеющие разное строение и, следовательно, разные физические и химические свойства, называются изомерами.

4. Атомы в молекуле оказывают друг на друга взаимное влияние. Свойства каждого атома зависят не только от его природы, но и от его окружения. Так, в молекуле уксусной кислоты СН₃СООН атом водорода в группе СООН, обладая кислотными свойствами, может отщепляться в водном растворе в виде иона Н⁺, а атом водорода в группе СН₃ прочно связан с атомом углерода и не обладает кислотными свойствами.

Все положения структурной теории, сформулированные еще в XIX веке, сохранили свое теоретическое и практическое значение до настоящего времени.

1.2 Классификация органических соединений

Все органические соединения условно можно разделить на две большие группы: углеводороды и производные углеводородов.

Углеводороды (УВ) – это простейшие органические вещества, молекулы которых состоят из атомов только двух элементов: углерода С и водорода Н. Например, метан СН₄, ацетилен С₂Н₂, бензол С₆Н₆ и т.д.

Производные УВ – это продукты замещения атомов «Н» в молекулах УВ на другие атомы или группы атомов. Например, аминометан СН₃NH₂, хлорметан СН₃Cl, метанол СН₃OH можно рассматривать как производные метана СН₄.

В молекуле любого органического соединения выделяют углеродный скелет – это каркас органической молекулы, который представляет собой последовательность химически связанных между собой атомов углерода.

Ниже представлена схема, показывающая классификацию органических веществ по строению углеводородного радикала:

Ациклические соединения – соединения с открытой (незамкнутой) цепью углеродных атомов. Циклические соединения – соединения, в которых углеродные атомы образуют циклы:

циклический скелет алифатический скелет

Циклические скелеты, в свою очередь, подразделяют на карбоциклические (содержащие в цикле только атомы углерода) и гетероциклические (содержащие в цикле гетероатомы, другие атомы: атомы азота, кислорода, серы и т.д.):

карбоциклический скелет гетероциклический скелет

Ациклические скелеты не могут содержать гетероатомов, например, в молекуле этанола СН₃-СН₂-ОН углеродный скелет имеет вид С-С, а не C-C-О. Атом кислорода в данном случае относят к функциональной группе.

Ациклические углеродные скелеты бывают разветвленные и неразветвленные. В неразветвленных, или нормальных, скелетах каждый атом углерода связан с одним или двумя атомами углерода, а в разветвленных скелетах хотя бы один атом углерода связан с тремя или четырьмя атомами углерода:

неразветвленный скелет разветвленный скелет

В образующихся цепях атом углерода может быть связан либо с одним атомом углерода (первичный), с двумя (вторичный), тремя (третичный) и четырьмя – четвертичный:

1 – первичные атомы углерода; 2 – вторичный атом углерода;

3 – третичный атом углерода; 4 – четвертичный атом углерода.

Поскольку атомы углерода могут образовывать между собой не только одинарные, но и кратные (двойные и тройные) связи, то существует классификация по кратности связи: соединения, содержащие только одинарные связи углерод-углерод, называют насыщенными, или предельными; к которым относятся алканы (ациклические УВ) и циклоалканы (циклические УВ). Соединения с кратными связями (например, С=С) называют ненасыщенными, или непредельными. К ним относятся алкены, алкины, алкадиены.

В состав органических соединений кроме углеродного скелета могут входить и различные функциональные группы. Функциональные группы образуют все атомы, кроме водорода, или группы атомов, связанные с атомом углерода. Функциональные группы – это активные центры органических молекул. Классификацию органических соединений также проводят по функциональным группам. Важнейшие группы и соответствующие им классы соединений перечислены в таблице 3 в порядке возрастания старшинства.

Соединения, имеющие одинаковые функциональные группы, но отличающиеся числом атомов углерода называют гомологами. Они принадлежат одному классу, но отличаются друг от друга по составу на целое число групп СН₂. Группа атомов СН₂ называется гомологической разностью. Совокупность всех гомологов образует гомологический ряд.

Таблица 3 – Важнейшие функциональные группы и классы органических соединений

Функциональная группа	Название группы	Классы соединений
-NO2	Нитро	Нитросоединения
-F, -Cl, -Br, -I	Галоген	Галогенпроизводные
-OR	Алкокси	Простые эфиры
-NH2	Аминогруппа	Амины
-SH	Меркапто	Меркаптосоединения
-ОН	Гидроксил	Спирты, фенолы
>С=О	Карбонил	Альдегиды, кетоны
-СООН	Карбоксил	Карбоновые кислоты