24.Электронная природа одинарной, двойной и тройной связи в органических соединениях. Виды гибридизации.

Химические связи в органических соединениях представлены в основном ковалентными связями.

Ковалентной называют химическую связь, образованную в результате обобществления электронов связываемых атомов.

Эти обобществленные электроны занимают молекулярные орбитали (МО). Как правило, МО является многоцентровой орбиталью и заполняющие ее электроны делокализованы (рассредоточены). Таким образом, МО, как и АО, может быть вакантной, заполненной одним электроном или двумя электронами с противоположными спинами.

Существуют два типа ковалентной связи: σ (сигма)- и π (пи)-связи.

σ-Связью называют ковалентную связь, образованную при перекрывании АО по прямой (оси), соединяющей ядра двух связывае- мых атомов с максимумом перекрывания на этой прямой.

σ-Связь возникает при перекрывании любых АО, в том числе и гибридных.

π-Связью называют связь, образованную при боковом перекрывании негибридизованных p-АО с максимумом перекрывания по обе стороны от прямой, соединяющей ядра атомов.

Встречающиеся в органических соединениях кратные связи являются сочетанием σ- и π-связей: двойная - одной σ- и одной π-, тройная - одной σ- и двух π-связей.

1.Все органические вещества содержат углерод. В молекулах органических веществ углерод переходит в возбуждённое состояние: возбуждении атома углерода происходит при получении им дополнительной энергии. При этом происходит перегруппировка внешних валентных электронов: один электрон с 2S – орбитали переходит на свободную 2p орбиталь.

2.Органическим соединениям свойственны ковалентные связи.

Ковалентная связь в молекулах характеризуется: энергией, длиной, насыщаемостью и пространственной направленностью.

Ковалентная связь образуется за счёт перекрывания электронных облаков, при этом выделяется энергия, чем больше перекрывание, тем больше выделяется энергии и тем прочнее связь.

Типы перекрываний электронных облаков в порядке возрастания их прочности и энергии выделяемой при образовании:

σ(s – s) < σ(s – p) < σ (p – p)

б) Длина связи определяется расстоянием между центрами ядер связывающихся атомов и измеряется в нанометрах (1 нм = 10-9 м). С повышением кратности связи (одинарная, двойная, тройная) длина становится меньше, а энергия выше:

(С – С) < (C = C) < (C ≡ C)

в) Под насыщаемостью связи понимают способность образовывать строго определённое количество ковалентных связей.

г) Направленность ковалентной связи определяется взаимным расположением электронных облаков, участвующих в образовании химической связи. Ковалентная связь образуется в направлении максимального перекрывания электронных орбиталей взаимодействующих атомов.

Гибридизация АО – это выравнивание валентных АО по форме и энергии в процессе образования химической связи.

1. sp-гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов элементов 2-ой группы периодической системы в молекулах типа ЭХ₂ (например, в молекулах галогенидов бериллия, цинка, кадмия и ртути), а также для атома С в молекулах алкинов (при тройной связи), карбина, СО₂.

2. sp²-гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов элементов 3-ей группы периодической системы в молекулах типа ЭХ₃ (например, в соединениях бора – галогенидах, борной кислоте, триметилборе), а также для атома С в графите, молекулах алкенов, алкадиенов (при двойных связях), бензола.

3. sp³-гибридизация. Такой вид гибридизации характерен для атомов 4-ой группы (например, углерода, кремния, германия) в молекулах типа ЭХ₄, а также для атома С в алмазе, молекулах алканов, для атома N в молекуле NH₃, NH₄⁺, атома О в молекуле Н₂О и т.д.

25.Классы органических соединений. Функциональные группы в молекулах органических соединений. Номенклатура. Привести примеры.

Алифатические и алициклические углеводороды могут содержать прямые (неразветвленные), разветвленные или замкнутые в кольца цепи углеродных атомов. Если четыре углеродных атома соединены один с другим только простыми (одинарными) связями, образуется углеводород бутан C₄H₁₀ с открытой (неразветвленной) цепью.

Насыщенные (предельные) углеводороды – алканы (парафины) – содержат только простые (одинарные) связи между атомами углерода (например, метан, бутан, изобутан и циклобутан).

Алканы обычно химически инертны, поскольку все валентные электроны углерода и водорода прочно связаны в сильных ковалентных связях. Метан, бутан и изобутан представляют собой алканы. Циклоалканы, представителями которых являются циклобутан и метилциклопропан, – алканы, содержащие кольцо из углеродных атомов. У не насыщенных углеводородов реакционный центр находится по месту кратной связи. Они вступают в разнообразные химические реакции гораздо легче, чем насыщенные углеводороды.

Если в молекуле присутствует кратная (двойная, тройная) связь, соединение называют ненасыщенным (или непредельным) – это алкены (олефины) и алкины (ацетилены).

Ароматические углеводороды содержат шестичленные кольца условно с тремя двойными связями, чередующимися с тремя простыми. Простейшим соединением этого типа является бензол.

Функциональная группа — структурный фрагмент органической молекулы (некоторая группа атомов), определяющий её химические свойства.

Известно более 100 функциональных групп.

1. Функциональные группы, содержащие атом кислорода:

   • гидроксильная –ОН,

   • карбонильная >С=O

   • карбоксильная –COOH

   • алкоксильная –OR (типа –ОСН₃) и др.

2. Функциональные группы, содержащие атом азота:

   • аминогруппа –NH₂

   • нитрогруппа –NO₂

   • нитрозогруппа –NO

   • нитрильная группа или цианогруппа –CN

   • гидразинная –NHNH₂

   • амидная –CONH₂ и др.

3. Функциональные группы, содержащие атом серы:

   • тиольная (сульфгидрильная, меркапто-) –SH

   • сульфидная >S

   • дисульфидная –S–S–

   • сульфоксидная >S=O,

   • сульфонная >SO₂ и др.

4. Функциональные группы, содержащие ненасыщенные углерод-углеродные связи:

   • двойные и тройные связи (в том числе сопряжённые диеновые системы) –С=С–, –С≡С–

   • ароматические фрагменты –С₆H₅ и др.

5. Функциональные группы, содержащие прочие атомы:

   • атомы металлов –Li

   • атомы галогенов –Cl, и др.

Молекулы, в состав которых входит больше чем одна функциональныая группа называются полифункциональными.

При построении названия органического соединения, согласно номенклатуре ИЮПАК, отталкиваются от наличия в данном соединении функциональных групп.

В настоящее время в органической химии общепринятой является систематическая номенклатура, разработанная Международным союзом чистой и прикладной химии (IUPAC). Наряду с ней сохранились и используются тривиальная и рациональная номенклатуры.

Тривиальная номенклатура:

Состоит из исторически сложившихся названий, которые не отражают состава и строения вещества. Они являются случайными и отражают природный источник вещества (молочная кислота, мочевина, кофеин), характерные свойства (глицерин, гремучая кислота), способ получения (пировиноградная кислота, серный эфир), имя первооткрывателя (кетон Михлера, углеводород Чичибабина), область применения (аскорбиновая кислота). Преимуществом тривиальных названий являетсяих лаконичность, поэтому употребление некоторых из них разрешено правилами IUPAC.

Систематическая номенклатура:

Яявляется научной и отражает состав, химическое и пространственное строение соединения. Название соединения выражается при помощи сложного слова, составные части которого отражают определенные элементы строения молекулы вещества. В основе правил номенклатуры IUPAC лежат принципы заместительной номенклатуры, согласно которой молекулы соединений рассматриваются как производные углеводородов, в которых атомы водорода замещены на другие атомы или группы атомов. При построении названия в молекуле соединения выделяют следующие структурные элементы.

Родоначальная структура – главная цепь углеродная цепь или циклическая структура в карбо- и гетероциклах.

Углеводородный радикал – остаток формульного обозначения углеводорода со свободными валентностями (см. таблицу 2.2).

Характеристическая группа – функциональная группа, связанная с родоначальной структурой или входящая в ее состав (см. таблицу 2.3).

При составлении названия последовательно выполняют следующие правила.

1. Определяют старшую характеристическую группу и указывают ее обозначение в суффиксе (см. таблицу 2.3).

2. Определяют родоначальную структуру по следующим критериям в порядке падения старшинства: а) содержит старшую характеристическую группу; б) содержит максимальное число характеристических групп; в) содержит максимальное число кратных связей; г) имеет максимальную длину. Родоначальную структуру обозначают в корне названия в соответствии с длиной цепи или размером цикла: С₁ – “мет”, С₂ – “эт”, С₃ – “проп”, С₄ – “бут”, С₅ и далее – корни греческих числительных.

3. Определяют степень насыщенности и отражают ее в суффиксе: “ан” – нет кратных связей, “ен” – двойная связь, “ин” – тройная связь.

4. Устанавливают остальные заместители (углеводородные радикалы и младшие характеристические группы) и перечисляют их названия в префиксе в алфавитном порядке.

5. Устанавливают умножающие префиксы – “ди”, “три”, “тетра”, указывающие число одинаковых структурных элементов (при перечислении заместителей в алфавитном порядке не учитываются).

6. Проводят нумерацию родоначальной структуры так, чтобы старшая характеристическая группа имела наименьший порядковый номер. Локанты (цифры) ставят перед названием родоначальной структуры, перед префиксами и перед суффиксами.

26.Гидроксикислоты. Молочная кислота. Какими качественными реакциями можно обнаружить молочную кислоту?

Гидроксикислоты – это органические вещества, в состав которых входят гидроксильная и карбоксильная группы.

Например, СН₂–СООН – гидроксиуксусная кислота.

׀

ОН

Для гидроксикислот различают понятия основности и атомности. Основность гидроксикислот измеряется числом карбоксильных групп в молекулах, а атомность – числом гидроксилов, включая и гидроксилы кислотных групп. Так, молочная кислота является одноосновной и двухатомной, яблочная – двухосновной и трёхатомной.

Простейшие гидроксикислоты обычно имеют тривиальные названия по природным источникам их получения: молочная, яблочная, винная и т.д.

Гидрксикислоты могут быть названы как гидроксипроизводные карбоновых кислот. Положение гидроксила относительно карбоксила указывается греческими буквами α, β, γ и т.д.

Названия гидроксикислот по номенклатуре ИЮПАК происходят от названий соответствующих карбоновых кислот с добавлением приставки гидрокси-, указывающей на гидроксил. Нумерация начинается с карбоксильной группы.

Изомерия гидроксикислот определяется изомерией углеродного скелета, числом и взаимным расположением групп –ОН и –СООН.

Физические свойства:

Низшие гидроксикислоты – жидкие вещества, хорошо растворимые в воде. Остальные гидроксикислоты при комнатных условиях кристаллические вещества. Растворимость их в воде несколько лучше, чем у соответствующих карбоновых кислот.

 

Химические свойства:

Присутствие в молекулах гидроксикислот двух функциональных групп обуславливает их реакции как спиртов и кислот. Естественно, взаимное влияние гидроксила и карбоксила накладывает отпечаток на их свойства. Особенно ярко это влияние проявляется когда обе группы находятся по соседству, т.е. в α-гидроксикислотах.

Молочная кислота образуется при молочнокислом брожении сахаров, в частности, в прокисшем молоке, при брожениивина и пива.

Была открыта шведским химиком Карлом Шееле в 1780 году.

В 1807 году Йенс Якоб Берцелиус выделил из мышц цинковую соль молочной кислоты.

Молочная кислота формируется при распаде глюкозы. Иногда называемая «кровяным сахаром», глюкоза является главным источником углеводов в организме человека. Это основное топливо для мозга и нервной системы, так же как и для мышц во время физической нагрузки. Когда расщепляется глюкоза, клетки производят АТФ (аденозинтрифосфат), который обеспечивает энергией большинство химических реакций в организме. Уровень АТФ определяет, как быстро и как долго наши мышцы смогут сокращаться при физической нагрузке.

Производство молочной кислоты не требует присутствия кислорода, поэтому этот процесс часто называют «анаэробным метаболизмом»

Молочную кислоту можно обнаружить по следующим качественным реакциям: