Сравнительная характеристика органических и неорганических соединений и реакций с их участием

Неорганические соединения	Органические соединения
Высокополярны. Часто солеобразны. Хорошо растворимы в воде. Их растворы и расплавы электропроводны. Имеют высокие Тпл, Ткип. В реакции вступают легко, реагируют очень быстро. Для успешного осуществления реакций не требуются особые условия (температура, катализатор и др.). Выходы в реакциях высокие.	Малополярны. Не растворимы в воде. Неэлектролиты. Имеют низкие Тпл, Ткип. В реакции вступают плохо, реагируют очень медленно. Для успешного осуществления реакций требуются особые условия (температура, катализатор, облучение и др.) – дополнительная энергия для разрыва и образования ковалентных связей. Выходы в реакциях низкие. Часто образуется смесь изомеров, т.к. одновременно протекают несколько конкурирующих реакций по разным реакционным центрам субстрата.
Основная причина отличий в свойствах – природа связи в молекулах
Ионная	Ковалентная

Теория строения органических соединений.

1861 Г. А.М. Бутлеров

«Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением».

Положения теории:

1. Атомы в молекулах соединяются друг с другом в определённой последовательности, согласно их валентности. Эта последовательность атомов называется химическим строением.

Структурная формула – изображение химических связей в молекуле с учетом их валентности.

2. Свойства органических веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от того, в каком порядке соединены атомы в молекулах, т.е. от химического строения.

3. Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга.

4. Свойства органических веществ определяются их строением, и, наоборот, зная свойства, можно прогнозировать строение веществ.

Физические и химические свойства органических соединений определяются составом их молекул, а также химическим, пространственным и электронным строением.

Лекция 2. Изомерия органических соединений

1. Понятие и виды изомерии; 2. Структурная изомерия; 3. Таутомерия; 4. Геометрическая изомерия;

5. Оптическая изомерия; 6. Конформационная изомерия; 7. Конфигурационная изомерия.

Изомерия – явление существования веществ с одинаковым качественным и количественным составом, но различными свойствами

(1830 г. Берцелиус).

Причина изомерии стала понятной лишь после появления теории химического строения А.М. Бутлерова (1861 г.) – различное строение молекул, обусловленное способностью атома углерода к образованию 4-х ковалентных связей, в том числе и с др. атомами углерода.

Виды изомерии
Структурная - обусловлена разным порядком соединения атомов в молекуле.	Пространственная (стереоизомерия) - обусловлена различным расположением заместителей относительно друг друга в пространстве.
1. С-скелета;	1. Геометрическая;
2. Положения:	2. Оптическая;
а) кратных связей;	3. Конформационная;
б) заместителей;	4. Конфигурационная.
в) функциональных групп;
3. Межклассовая;
4. Таутомерия.

Структурная изомерия

Количество изомеров С-скелета очень быстро возрастает с увеличением числа С-атомов:

Гексан (6) Гептан (7) Октан (8) Нонан (9) Декан (10) Эйкосан (20)

5 изомеров 9 изомеров 18 изомеров 35 изомеров 75 возможных изомеров 366315 возможных изомеров

В случае циклоалканов изомерия скелета может быть обусловлена различным числом атомов углерода в кольце:

Изомерия положения

У органических соединений, содержащих гетероатомы, изомерия положения обусловлена расположением гетероатома как в цепи, так и в кольце:

Свойства структурных изомеров

Структурные изомеры существенно различаются между собой физическими, химическими и физиологическими свойствами.

- Т_кип у разветвленных алканов ниже, чем у неразветвленных.

- Т _пл выше у тех изомеров, которые имеют более симметричную структуру.

Разные физиологические свойства	Разные химические свойства

Таутомерия

«таутос» - тот же самый, «мерос» - доля, часть (греч.).

Таутомерия – явление динамического обратимого превращения изомеров, протекающее с разрывом и образованием связей и сопровождающееся перемещением атомов (чаще всего протона) и реже групп атомов.

Изомерные формы – таутомеры.

В отличие от структурных изомеров, таутомеры, как правило, не могут существовать отдельно друг от друга. Независимое их получение невозможно.

Основным признаком таутомерных веществ является их двойственное реагирование – способность к образованию двух рядов производных как результат раздельного и самостоятельного реагирования двух находящихся в равновесии изомерных форм одного соединения.

Виды таутомерии

1. Кето-енольная таутомерия:

2. Амид-имидольная таутомерия:

3. Кольчато-цепная таутомерия – равновесие линейной и кольчатой (полуацетальной форм)

Геометрическая изомерия

- разновидность стереоизомерии, которая определяется различием пространственного расположения в молекулах пары заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла.

Обусловлена тем, что в молекулах этих веществ свободное вращение атомов вокруг σ-связей (циклоалканы) и относительно π-связей (алкены) оказывается невозможным.

Z, E-номенклатура (для три- и тетразамещенных алкенов).

Конфигурацию изомера определяют по относительному расположению старших заместителей. По одну сторону плоскости – Z-изомер; по разные – Е-изомер.

В основе определения старшинства находится атомный номер элемента. В случае одинаковых атомов старшинство группы определяет «вторая оболочка» атомов:

-СН₃ < -СН₂СН₃ < -СН(СН₃)₂ < -СН₂NН₂ < -CH₂OH < -CH₂F

В случаях групп с различным типом связи старшинство увеличивается в рядах:

-CH₂OH < -COH < COR < COOH

-CH₂NH₂ < -CH=NH < -CN

Вследствие того, что расстояния между заместителями в молекулах изомеров различны, последние существенно различаются своими химическими и физическими свойствами. Они могут быть разделены и существовать индивидуально.

Переход одного изомера в другой – изомеризация протекает обычно при нагревании или облучении.

Цис-транс- фотоизомеризация лежит в основе фоторецепции:

Конформационная изомерия

- разновидность стереоизомерии, которая определяется различием пространственного расположения в молекулах заместителей, возникающее в результате свободного вращения вокруг σ-связей.

Такие изомеры различаются между собой стабильностью. Более стабильные конформации, которые фиксируются физико-химическими методами, называются конформерами.

Конформер – это молекула в конформации, в которую её атомы самопроизвольно возвращаются после небольших сдвигов.

Изображение конформеров – проекции Ньюмена:

Чем больше сила взаимного отталкивания атомов водорода, тем выше энергия системы; поэтому заторможенной конформации будет соответствовать минимум потенциальной энергии молекулы.

Принимая различные конформации, молекулы остаются химически однородными; конформации не являются типичными изомерами. Однако, в некоторых случаях (при тесной упаковке молекул), можно разделить различные формы.

Конформации биоорганических молекул (ферменты, витамины, белки, нуклеиновые кислоты) играют определяющую роль в проявлении последними биологической активности.

Коформации в ряду циклических углеводородов:

Конфигурационная изомерия

Объёмные структуры циклических соединений содержат разные по природе положения заместителей:

а – аксиальные (попеременно направлены в противоположные стороны от плоскости кольца); е – экваториальные (направлены радиально от плоскости и попеременно в противоположные стороны)

Оптическая изомерия

Некоторые органические соединения являются оптически активными. Они способны изменять плоскость поляризации света при прохождении его через образец вещества (1815 г. Ж. Био).

Свет – электромагнитные волны, колебания которых перпендикулярны направлению их распространения. В естественном (солнечном) свете эти колебания происходят в различных плоскостях.

Оптически активные соединения поворачивают плоскость поляризации на определённый угол вправо (правовращающие) или влево (левовращающие).

Изомеры, вращающие плоскость поляризации в разные стороны, но на один и тот же угол – антиподы (энантиомеры).

Рацемическая смесь (рацемат) – смесь, состоящая из равных количеств лево- и правовращающих изомеров. Рацемат оптически не активен.

Оптическая активность характерна для соединений содержащих sp³ гибридный атом (объёмные молекулы). Если такой атом связан с четырьмя различными заместителями, то возникают изомерные пары, в которых молекулы изомеров относятся по своей пространственной организации одна к другой так же, как соотносятся между собой предмет и зеркальное изображение.

Изображение энантиомеров

Для того, чтобы связать строение с вращением, было предложено выбрать соединение-стандарт и сравнить с ним все другие соединения, содержащие хиральный центр. В качестве стандарта был выбран 2,3-диоксипропаналь (глицериновый альдегид):

R,S- номенклатура

Для отнесения стереоизомера необходимо определить в нем старшинство заместителей (порядковый номер элемента – как в случае Z,E-изомерии). Взгляд наблюдателя направляется по оси С-младший заместитель (Н). После такой ориентации смотрят, как три заместителя располагаются в ряд в направлении от старшего к младшему. В случае R-конфигурации этот порядок соответствует направлению движения по часовой стрелке, в случае S-конфигурации – против часовой стрелки.

Если молекуле имеется несколько хиральных центров, то число изомеров возрастает и равняется 2ⁿ, где n-число хиральных центров.

В отличие от структурных изомеров энантиомеры идентичны один другому в большинстве своих свойств. Они отличаются только по своему взаимодействию с плоскополяризованным светом и взаимодействием с веществамии, которые также являются хиральными.

В организме реакции протекают с участием биокатализаторов - ферментов. Ферменты построены из хиральных молекул α-аминокислот. Поэтому они играют роль хиральных реагентов, чувствительных к хиральности взаимодействующих с ними субстратов (стереоспецифичность биохимических процессов). Это приводит к тому, что хиральные природные соединения представлены, как правило, лишь одной стереоизомерной формой (D-углеводы, L-аминокислоты).

Стереоспецифичность лежит в основе проявления биологического действия одним из энантиомеров, в то время, как другой изомер может быть неактивным, а иногда оказывать иное или даже противоположное действие.