Основы строения органических соединений. Методические рекомендации для студентов 2-го курса фармацевтического факультета

Шаг 1

Соединение 3-метилпентен-2 имеет двойную связь, поэтому может существовать в виде двух π-диастереомеров (цис- и транс-), различающихся физическим и химическими свойствами.

Шаг 2

Приставкой цисобозначается нахождение одинаковых заместителей, а приставкой Z- – двух старших заместителей. Поэтому эти обозначения не являются тождественными. Аналогично и для приставок транс- и E-.

Для соединения определяем старшинство заместителей. Сравниваем заместители у атома углерода, связанного с атомом водорода и СН3- группой: СН3 (6) > Н (1) (цифры в скобках это атомные номера элементов углерода и водорода). Старшим заместителем среди СН3 – и С2Н5 – является этильная группа, т. к. у нее больше атомные номера элементов второго слоя.

Шаг 3

С учетом старшинства заместителей π-диастереомеры 3- метилпентен-2 будут иметь следующее обозначение по E, Z-системе:

Заключение

3-метилпентен-2 существует в виде двух π-диастереомеров: транс-(Z) и цис-(Е) формы.

29

Тесты для самоконтроля

16.Дополните фразу.

Цис- и транс-изомеры являются _________________.

Имеют одинаковую _____________, различаются ______________ .

17.Укажите правильный ответ.

Название бутена-2 по E, Z-системе:

Тесты итогового контроля

1. Укажите правильный ответ.

Обладает оптической активностью 2, 3-дибромобутан:

CH3

Br H

H Br

CH3

а) да б) нет

2. Дополнитефразу.

Приведитесистематическоеназваниесоединения:

OH

CH3 H

H COOH

CH2OH

30

Тема 3. Электронное строение химических связей атома углерода и взаимное влияние атомов в органических молекулах

Цель изучения темы. Сформировать знания об электронном строении химических связей атома углерода, основных механизмах передачи взаимного влияния атомов в органических молекулах и об электронном строении молекул с сопряженными связями как о термодинамически устойчивых системах.

Самостоятельная работа

Исходный уровень:

1.Электронная конфигурация атома углерода.

2.Виды гибридизации атомных орбиталей атома углерода.

3.Типы ковалентной связи. Электронное строение σ- и π-связей.

Литература для самоподготовки

Белобородов, В. Л., Зурабян, С. Э., Лузин, А. П., Тюкавкина, Н. А. Основной курс органической химии / под. ред. Н. А. Тюкавкиной. – М.:

Дрофа, 2003. – c. 39–74.

Типовые обучающие задачи и эталоны их решения

Задача 1

Определите вид гибридизации атомных орбиталей атома углерода в бутене-1. Какие типы углерод-углеродных связей имеются в этом соединении?

Решение

Общий подход

Атом углерода в основном (невозбужденном) состоянии имеет два неспаренных электрона. Но в большинстве органических соединений углерод проявляет валентность, равную четырем, и образует четыре ковалентные связи. Это объясняется тем, что при переходе в возбужденное состояние один электрон переходит с 2s-орбитали на свободную 2р-орбиталь:

33

В возбужденном состоянии один электрон занимает сферическую 2sорбиталь, а три других – 2р-орбитали, имеющие форму гантелей. Но этого не достаточно для объяснения образования одинарных, двойных и тройных связей. Поэтому вводится математический прием, заключающийся в гибридизации атомных орбиталей.

Набор из одной s- и трех, двух или одной p-орбиталей заменяется набором соответственно четырех, трех или двух гибридных орбиталей одинаковой формы (неправильная восьмерка). В зависимости от числа участвующих в гибридизации орбиталей атом углерода может находиться

втрех видах гибридизации: sp3-, sp2-, sp-.

Всостоянии sp3-гибридизации (первое валентное состояние)

четыре атомные орбитали (АО) возбужденного атома углерода (одна s- и три р-) заменяются набором из четырех эквивалентных по энергии sp3- гибридных орбиталей, имеющих форму объемных восьмерок.

Sp3-гибридные орбитали располагаются в пространстве на максимальном удалении друг от друга, так что их оси симметрии направлены в вершины правильного тетраэдра под углом 109,5º друг к другу (рис. 1). Таким образом, атом углерода в sp3-гибридизации имеет тетраэдрическую (тетрагональную) конфигурацию.

34

109, 5o

Рис.1 Строение атома углерода в состоянии sp3-гибридизации

Вsp3-гибридномсостоянииатомуглероданаходитсявмолекулахалканов.

Вsp2-гибридном состоянии (второе валентное состояние) одна 2s-

АО заменяются набором из трех одинаковых sp2-гибридных орбиталей, лежащих в одной плоскости под углом 120º:

Четвертая, негибридная р-орбиталь располагается перпендикулярно к этой плоскости (рис. 2).

p

sp2

sp2

sp2 120o

120o

sp2 sp2

Рис.2 Строение атома углерода в состоянии sp2-гибридизации

Атом углерода в sp2-гибридизации имеет плоскостную (тригональную) конфигурацию.

В состоянии sp2-гибридизации атом углерода находится в молекулах алкенов, в карбонильной и карбоксильной группах.

35

Атом углерода в этом валентном состоянии характерен для алкинов и нитрилов.

Шаг 1

В молекуле бутена-1 можно выделить два фрагмента: содержащий двойную связь между первым и вторым углеродными атомами и содержащий одинарную связь междутретьим и четвертым атомами углерода:

Бутен-1

36

Атомы углерода 3 и 4 находятся в sp3-гибридизованном состоянии и связаны между собой σ-связью (рис. 4).

Рис. 4. Образование σ-связи осевого перекрывания двух sp3-гибридных орбиталей атома углерода

σ-связь – это связь, которая образуется при осевом перекрывании атомных орбиталей. Максимум электронной плотности при этом располагается на оси, соединяющей ядра атомов.

Атомы водорода связаны со всеми атомами углерода σ-связью (рис. 5).

Рис. 5. Образование σ-связи путем перекрывания sp3-гибридной орбитали атома углерода и s-орбитали атома водорода

Атомы углерода 1 и 2 связаны двойной связью и находятся в sp2- гибридном состоянии. Двойная связь представляет собой комбинацию одной σ- и одной π-связи; σ-связь образуется в результате осевого перекрывания двух sp2-гибридных орбиталей атомов углерода (рис. 6).

Атомы водорода соединены с первым и вторым атомами углерода также σ-связями; π-связь образуется за счет бокового перекрывания негибридных рz-атомных орбиталей атомов углерода.

p p

sp2

sp2

sp2

sp2

Рис. 6 Образование двойной связи

37

Заключение

В молекуле бутена-1 два атома углерода (С1 и С2) находятся sp2- гибридном состоянии и связаны двойной связью. Связанные одинарной связью атомы углерода (С3 и С4) находятся в sp3-гибридном состоянии.

Бутен-1

Тесты для самоконтроля

18.Выберите номер правильного ответа.

Неверное высказывание о σ- и π-связях в органических соединениях:

1)σ-связи между атомами органогенов образуются в результате осевого перекрывания гибридных орбиталей

2)π-связь между атомами углерода образуется только за счет бокового перекрывания р-орбиталей

3)кратные связи представляют собой сочетание σ- и π-связей

4)π-связи образуются только между атомами углерода

5)поляризуемостьсвязиобусловлена различием вэлектроотрицательности связанныхатомов

19.Установите соответствие.

38