Органічні речовини

Багато органічних молекул містять відразу кілька функціональних груп. Такі сполуки називають поліфункціональними. До них відносять

вуглеводи, амінокислоти, білки, нуклеїнові кислоти тощо.

загальна характеристика ОрганіЧних спОлук

У 1861 році видатний російський учений Олександр Михайлович Бутлеров, спираючись на колосальний експериментальний і теоретичний досвід, сформулював один з основних законів органічної хімії про будову органічних сполук, що з деякими змінами дійшов і до наших днів. Значення теорії будови в органічній хімії можна порівняти хіба що з відкриттям Періодичного закону в неорганічній хімії.

хімічна структура та хімічна будова

Перший постулат Бутлерова. У молекулах речовин існує певний порядок зв’язування атомів, що називається хімічною структурою, або будовою речовини.

Кожній індивідуальній речовині відповідає одна-єдина певна хімічна структура.

Ворганічній хімії Карбон завжди перебуває

вчотиривалентному стані, тобто може утворювати щонайбільше чотири хімічні зв’язки.

Розгляньмо будову молекули метану CH4. У цій сполуці ступінь окиснення атома Карбону дорівнює –4, а атомів Гідрогену +1. У просторі атоми Гідрогену можуть перебувати в такий спосіб: або

вплощині у вершинах квадрата, або у вершинах трикутної піраміди, так званого тетраедра. Це

можна проілюструвати за допомогою структурних формул, в яких зв’язки між атомами позначають рисками:

H

H H

CCH

H H H H

Однак форма квадрата неможлива, тому що через відштовхування атомів Гідрогену один від одного відбуватиметься деформація структури, і насамкінець молекула досягне стану, в якому атоми Гідрогену перебувають у вершинах тетраедра. При рентгеноструктурному аналізі метану було з’ясовано, що довжина зв’язків C −H дорівнює 0,11 нанометрів (1 нм дорівнює 10—9 метра), а з погляду стереометрії було з’ясовано, що кут HCH дорівнює 109,28°.

Отже, наочно будову молекули метану можна подати так:

H

0,11 нм C 109,28o

H

H

H

У принципі, і в більш складних органічних молекулах, в яких атоми Гідрогену заміщені різними замісниками, кути й довжини зв’язків будуть прагнути до наведених вище значень, тобто ланцюжок атомів Карбону (довжина C −C зв’язку дорівнює 0,154 нм) буде не лінійним, а зигзагоподібним, з кутом CCC, який приблизно дорівнює 110°. Наприклад, будову молекули пентану C5H12 можна подати так:

Брутто, структурні та електронні формули сполук

Другий постулат Бутлерова. Хімічні реак-

ційні здатності певних груп атомів суттєво залежать від їхнього хімічного оточення, тобто від того, з якими атомами або групами атомів сусідить певна група.

Формули сполук, якими ми користалися при вивченні неорганічної хімії, відображають тільки кількість атомів того чи іншого елемента в моле-

кулі. Такі формули називають «бруттоформулами», або «молекулярними формулами».

Як випливає з першого постулату Бутлерова, в органічній хімії важлива не тільки кількість тих чи інших атомів у молекулі, а ще й порядок їхнього зв’язування, тобто брутто-формули не завжди доцільно використовувати для органічних сполук. Наприклад, для наочності при розгляді структури молекули метану ми використовували структурні формули — схематичне зображення порядку зв’язування атомів у молекулу. При зображенні структурних формул хімічний зв’язок позначають рискою, подвійний зв’язок — двома рисками тощо.

Електронна формула (або формула Льюїса) дуже схожа на структурну формулу, але в цьому випадку зображають не утворені зв’язки, а електрони, як ті, що утворюють зв’язок, так і ті, що його не утворюють.

Наприклад, уже розглянуту сульфатну кислоту можна записати за допомогою таких формул. Брутто-формула — H2SO4 , структурна й електронна формули мають такий вигляд:

структурні формули органічних сполук

Майже всі органічні речовини складаються з молекул, склад яких виражається хімічними формулами, наприклад CH4, C4H10, C2H4O2 .А яку будову мають молекули органічних речовин? Це питання ставили собі в середині XIX століття засновники органічної хімії — Ф. Кекуле і О.М. Бутлеров. Досліджуючи склад і властивості різних органічних речовин, вони прийшли до наступних висновків:

—атоми в молекулах органічних речовин з’єднані хімічними зв’язками в певній послідовності, відповідно до їх валентності. Цю послідовність прийнято називати хімічною будовою;

—атоми Карбону у всіх органічних сполуках чотиривалентні, а інші елементи виявляють характерні для них валентності.

Ці положення є основою теорії будови органічних сполук, сформульованої О.М. Бутлеровим

в1861 році.

Хімічну будову органічних сполук наочно подають структурними формулами, в яких хімічні зв’язки між атомами позначають рисками. Загальне число рисок, що відходять від символу кожного елемента, дорівнює валентності його атома. Кратні зв’язки зображують двома або трьома рисками.

На прикладі насиченого вуглеводню пропану C3H8 розглянемо, як скласти структурну формулу органічної речовини.

1.Зображуємо карбоновий кістяк. У даному випадку ланцюг складається з трьох атомів Карбону:

С— С — С

2.Карбон чотиривалентний, тому від кожного атома Карбону зображуємо недостатні риски таким чином, щоб поряд з кожним атомом було по чотири риски:

C C C

3. Дописуємо символи атомів Гідрогену:

H H H

H C C C H

H H H

Часто структурні формули записують у скороченому вигляді, не зображуючи зв’язки С—Н. Скорочені структурні формули набагато компактніше, ніж розгорнуті:

СН3 — СН2 — СН3.

Структурні формули показують тільки послідовність з’єднання атомів, але не відображують просторової будови молекул, зокрема валентні кути. Відомо, наприклад, що кут між зв’язками C в пропані дорівнює 109,5°. Проте структурна формула пропану виглядає так, начебто цей кут дорівнює 180°. Тому вірніше було б записувати структурну формулу пропану в менш

зручному, але у більш правдивому вигляді:

CH2

CH3 CH3

Професійні хіміки використовують такі структурні формули, в яких взагалі не показані ні атоми Карбону, ні атоми Гідрогену, а зображений лише карбоновий кістяк у вигляді з’єднаних між собою С—С-зв’язків, а також функціональні групи. Для того щоб кістяк не виглядав однією суцільною лінією, хімічні зв’язки зображують під кутом один до одного. Так, у молекулі пропану C3H8 усього два зв’язки С—С,тому пропан зображують двома рисками:

гомологічні ряди органічних сполук

Розглянемо структурні формули двох сполук одного класу, наприклад спиртів:

Молекули метилового CH3OH й етилового C2H5OH спиртів мають однакову функціональну групу OH, загальну для всього класу спиртів, але відрізняються довжиною карбонового кістяка: в етанолі на один атом Карбону більше. Порівнюючи структурні формули, можна помітити, що при збільшенні карбонового ланцюга на один атом Карбону склад речовини змінюється на групу CH2 , при подовженні карбонового ланцюга на два атоми — на дві групи CH2 тощо.

Сполуки одного класу, що мають подібну будову, але відрізняються за складом на одну або кілька груп CH2 , називають гомологами.

Групу CH2 називають гомологічною різницею. Сукупність всіх гомологів утворює гомологічний ряд. Метанол і етанол належать до гомологічного ряду спиртів. Усі речовини одного ряду мають подібні хімічні властивості, а їхній склад можна виразити загальною формулою. Наприклад, загальна формула гомологічного ряду спиртів — CnH2n+1OH, де n — натуральне число.

явище ізомерії

Третій постулат Бутлерова. Деякі різні ре-

човини мають однакову хімічну формулу, але різну структуру. Таке явище називають ізомерією.

Із проявом ізомерії вперше зіштовхнувся німецький учений Фрідріх Велер. Він розжарював розчин амоній ціанату (NH4CNO) й одержав се-

човину ((NH2 )2 CO). Очевидно, що ці дві сполуки мають однакову брутто-формулу N2H4CO,але відповідають різним структурним формулам. Амоній ціанат — типова йонна сполука, а сечовина — ковалентна:

Веллер провів реакцію ізомеризації амоній ціанату. Ізомерія — це дуже розповсюджене явище. З явищем ізомерії значною мірою пов’язане величезне різноманіття органічних сполук. Кількість ізомерів з великою швидкістю зростає при збільшенні кількості атомів Карбону. Наприклад, кількість ізомерів бутану C4H10 дорівнює 2, декану C10H22 — 75, а ейкозану C20H42 — вже

336 319!

ізомери

Одній молекулярній формулі можуть відповідати різні речовини. Наприклад, для сполуки зі складом C4H10 можна запропонувати дві структурні формули, в яких карбоновий кістяк буде містити чотири атоми, з’єднані один з одним двома різними способами:

Складніші алкани мають схожу будову — це комбінація декількох тетраедрів. Завдяки такій особливості утворення зв’язків в алканах карбоновий ланцюг не утворює лінію, а є зигзагоподібним, причому кут між хімічними зв’язками становить приблизно 109,5 °. В молекулах алканів карбоновий кістяк може по-різному розташовуватися в просторі завдяки вільному обертанню атомів Карбону навколо одинарних зв’язків. Наприклад, карбоновий ланцюг пентану C5H12 може виглядати так:

C C C C C C C C C C C C C

C C C

Але всі ці карбонові кістяки відповідають одній речовині з нерозгалуженим ланцюгом:

СН3—СН2—СН2—СН2—СН3.

В молекулах ненасичених вуглеводнів атоми Карбону також чотиривалентні, але хімічні зв’язки вони утворюють не чотирма іншими атомами, а з меншою кількістю. Тому атоми Карбону також мають бути в певному стані гібридизації.

В молекулі етилену атоми Карбону з’єднуються з трьома атомами: два атоми Гідрогену і один атом Карбону. Для утворення такого числа зв’язків атом Карбону перебуває в стані sp2-гіб- ридизації:

У такому стані в атома Карбону є три sp2- гібридизовані орбіталі, що розташовані в одній площині під кутом 120° одна до одної. А одна p-орбіталь, що не бере участі в гібридизації, розташована перпендикулярно до площини гібридизованих орбіталей.

При утворенні хімічних зв’язків такий атом Карбону за участю гібридизованих орбіталей утворює по одному зв’язку (одній спільній електронній парі), з двома атомами Гідрогену і з іншим атомом Карбону. А p-орбіталі двох сусідніх атомів Карбону утворюють додатковий зв’язок:

Таким чином між двома атомами Карбону утворюються дві спільні електронні пари:

Завдяки такому розташуванню орбіталей молекула етилену є плоскою: всі атоми розташовані в одній площині, і всі валентні кути в ній по 120 °:

0,111HM

H H

CC 120o

H H

0,133 HM

На відміну від етилену, в ацетилені атоми Карбону перебувають у стані sp-гібридизації. В такому стані в атома є тільки дві гібридизовані орбіталі, що розташовані на одній лінії, тобто під кутом 180 °:

А дві p-орбіталі, що не беруть участі в гібридизації, розташовані взаємно перпендикулярно до гібридизованих орбіталей. При утворенні хімічних зв’язків в ацетилені гібридизовані орбіталі утворюють зв’язки з одним атомом Гідрогену й одним атомом Карбону. При цьому між атомами Карбону утворюється ще два додаткові зв’язки за участю негібридизованих p-орбіталей:

Таким чином між атомами Карбону утворюється три спільні електронні пари, що відпові-

є лінійною: всі атоми розташовані на одній прямій. І зі збільшенням кратності зв’язку зменшується його довжина: якщо в алканах довжина зв’язку С—С становить 0,154 нм, в алкенах зв’язок С=С має довжину 0,133 нм, то в ацетилені потрійний зв’язок вже 0,121 нм.