Тема 2.2 Углеводороды
Углеводороды являются значительным классом органических соединений, которые отличаются строением.
Углеводороды подразделяют на:
- предельные (содержат только одинарные связи между атомами углерода) – алкны и циклоалканы;
- непредельные (содержат кратные связи между атомами углерода) – алкены, диеновые, алкины;
- ароматические (содержат кратные связи между атомами углерода, имеют циклическое строение) - арены.
Краткая характеристика углеводородов представлена в Приложении Е.
Предельные углеводороды (парафины, алканы, насыщенные) – вещества с открытой цепью углеводородных атомов, где все валентности до предела насыщены водородом. Общая формула: CnH(2n+2)
Гомологический ряд – ряд соединений одного плана, отвечающих общей молекулярной формуле, где последующее отличается от предыдущего на разность( –CH2-).
Ряд алканов:
CH4 – метан, C2H6 – этан, C3H8 – пропан, C4H10 - бутан, C5H12 - пентан и т.д.
Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp3-гибридизации - все 4 гибридные орбитали атома С равны по форме и энергии, 4 электронных облака направлены в вершины тетраэдра под углами 109°28'. За счёт одинарных связей между атомами С возможно свободное вращение вокруг углеродной связи. Тип углеродной связи - σ-связи, связи малополярны и плохо поляризуемы. Длина углеродной связи - 0,154 нм.
Общая формула гомологического ряда циклоалканов С2Н2n. Точно такой же формулой описывается гомологический ряд алкенов, из чего следует, что каждому циклоалкану изомерен соответствующий алкен - это приме так называемой межклассовой изомерии.
По размеру цикла циклоалканы делятся на ряд групп, из которых мы рассмотрим малые (С3, С4) и обычные (С5-С7) циклы.
Названия циклоалканов строятся путем добавления приставки цикло- к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода. Нумерацию в цикле производят таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера.
Структурная изомерия циклоалканов обусловлена размером цикла (например, циклобутан и метилцикло-пропан - изомеры) и положением заместителей в цикле (например, 1,1- и 1,2-диметилбутан).
Для циклоалканов характерен еще один вид изомерии — пространственная изомерия, связанная с различным расположением заместителей относительно плоскости цикла. При их расположении по одну сторону от плоскости цикла получается цис-изомер, по разные стороны -транс-изомер.
Первые два члена этого ряда - газы, С5-С16 - жидкости, начиная с С17 и выше - твердые вещества. Температуры кипения и плавления циклоалканов несколько выше, чем у алканов при одинаковом числе атомов углерода.
Тема 2.3 Кислородсодержащие органические соединения
Кислородсодержащие органические соединения – соединения, содержащие помимо углерода и водорода, еще один элемент – кислород.
Атом кислорода содержится в различных функциональных группах, определяющих принадлежность соединения к конкретному классу.
К кислородосодержащим органических соединениям относится большой класс органических соединений: спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры, и т.д.
Соединения каждого класса образуют различные производные. Например, к производным спиртов относятся простые эфиры ROR', к производным карбоновых кислот – сложные эфиры RCOOR', амиды RCONH2, ангидриды (RCO)2O, хлорангидриды RCOCl и т.д.
Кроме того, большую группу составляют гетерофункциональные соединения, содержащие различные функциональные группы:
- гидроксиальдегиды HO–R–CHO,
- гидроксикетоны HO–R–CO–R',
- гидроксикислоты HO–R–COOH и т.п.
К важнейшим гетерофункциональным кислородсодержащим соединениям относятся углеводы Cx(H2O)y, молекулы которых включают гидроксильные, карбонильные и производные от них группы.
Строение и, следовательно, свойства соединений кислорода определяются характером его химических связей и типом гибридизации, влияющей на форму молекулы.
Тип гибридизации кислорода |
Электронная конфигурация |
Число гибридных орбиталей |
Валентный угол |
sp3 |
1s2(2sp3)6
|
4 |
108,5 |
sp2 |
1s2(2sp2)52p1
|
3 |
120 |
За счет двух одноэлектронных АО кислород способен к образованию двух ковалентных связей с другими атомами по обменному механизму. В этом случае кислород проявляет валентность 2 и имеет две неподеленные электронные пары. Такой атом кислорода может выступать донором пары электронов, образуя третью связь по донорно-акцепторному механизму. При этом кислород приобретает валентность 3 и заряд +1 (например, в ионе гидроксония H3O+ или алкилгидроксония RH2O+).
Такое взаимодействие кислородсодержащих соединений играет важную роль при проведении реакций в присутствии сильных минеральных кислот в качестве катализаторов (кислотный катализ).
Положительно заряженный атом кислорода может участвовать в образовании ионной связи. Например, в хлориде метилгидроксония:
Электроотрицательности кислорода, водорода, углерода, соответственно, равны 3.5, 2.1 и 2.5. Поэтому связи кислорода с Н или С являются ковалентными полярными.
В этих связях электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому кислорода, создавая на нем частичный отрицательный заряд, а на углероде или водороде - частичный положительный.
Распределение электронной плотности на атомах молекулы определяет ее реакционную способность: полярный характер связей кислорода с водородом и углеродом способствует гетеролитическому их разрыву и протеканию реакций по ионному механизму.