Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы органической химии. Органические полимерные материалы
.pdf
Данные открытия означали, что природные органические
вещества можно получать из неорганических.
На смену анализу природных веществ пришел этап синтеза
новых соединений in vitro (лат. – «в пробирке»).
1.2. Теория химического строения органических соединений
Начало теории строения органических веществ было положено
А.Л. Лавуазье, когда было определено, что органические соединения
состоят из углерода, водорода, кислорода, реже азота, серы, фосфора.
Ему вместе с Луи Гитоном де Морво принадлежит и первая попытка
упорядочить разрозненные представления о строении органических
веществ – теория радикалов
. Химиками было обнаружено, что при
химических превращениях группы из нескольких атомов в
неизменном виде переходят из молекулы одного вещества в молекулу
другого вещества. Такие неизменные группы атомов были названы
радикалами. Строение самих радикалов в те годы было неизвестно.
Многочисленные эксперименты лишь подтверждали принцип их
неизменности при химических реакциях.
На смену теории радикалов пришла теория химических типов
созданная Шарлем Фредериком Жераром. Все органические
соединения в ней сводились к четырем основным типам: воды,
,
водорода, хлороводорода и аммиака. Во многих случаях одно и то же
соединение изображали десятками типических формул. По мере
накопления экспериментального материала теория типов зашла в
тупик.
11
Однако вплоть до 60-х годов XIX века никто даже не ставил
перед собой задачу выяснить, как же атомы связаны между собой в
молекуле. Первым понял важность определения строения соединения
выдающийся русский ученый А.М. Бутлеров. Он ввел термин
«структура» для обозначения взаимной связи между атомами и
утверждал, что структура вместе с составом определяет физические и
химические свойства соединений.
Основные принципы теории химического строения изложены
А.М. Бутлеровым в докладе «О теории химического строения» на
международном съезде естествоиспытателей и врачей в 1861 г. в
Шпейере.
Основные положения этой теории сводятся к следующему:
1. Атомы в молекулах соединены в определенном порядке
химическими связями согласно их валентности, углерод во всех
органических соединениях четырехвалентен;
2. Свойства вещества определяются не только
качественным составом, но и его строением, взаимным влиянием
атомов, как связанных между собой химическими связями, так и
непосредственно не связанных;
3. Строение молекул может быть установлено на основании
изучения их химических свойств.
1.3. Типы гибридизации атома углерода
Органическая химия по праву называется химией углерода.
Особенности строения атома углерода и определяют многообразие
12
органических соединений. Рассмотрим строение атома углерода и его
валентные возможности.
Атом углерода имеет валентную электронную конфигурацию
2s22p2 и может образовывать две, три и четыре равноценные
химические связи, несмотря на то, что исходные электроны находятся
на орбиталях различных по форме и энергии. Данный факт объясняет
модель гибридизации. Под гибридизацией понимают
гипотетический процесс «выравнивания» близких по энергии
орбиталей по форме и энергии, в результате которого образуется
то же число гибридных облаков одинаковой формы и энергии (рис.
1).
Рис. 1.Орбитали возбужденного атома углерода:
1 – негибридизованные;2 – sp3-гибридные;
3 –sp2-гибридные; 4 – sp-гибридные
13
В результате sp3-гибридизации образуется тетраэдрическая
структура, классическим примером которой служит молекула метана
(рис. 2).
Рис. 2. Молекула метана
При sp2- гибридизации гибридные орбитали расположены в
одной плоскости и позволяют атому углерода создавать плоские
структуры. В этом случае у атома углерода остается еще один, не
участвующий в гибридизации электрон на р-орбитали. При
перекрывании р-орбиталей двух соседних атомов углерода
образуется π-связь, что имеет место, например, в молекуле этилена
(рис. 3). Двойная связь в молекуле этилена состоит из одной σ- и
одной π -связи.
14
Рис. 3. Молекула этена (этилена)
В молекуле ацетилена (рис. 4) гибридные sp-орбитали
ориентированы вдоль одной линии и позволяют атомам углерода
создавать линейную структуру. У каждого атома углерода остается
еще по два электрона на р-орбиталях. Эти электроны образуют между
собой две π-связи, ориентированные в двух взаимно
перпендикулярных плоскостях, которые проходят через эти атомы.
Таким образом, тройная связь в молекуле ацетилена состоит из одной
σ-связи и двух π-связей.
Рис. 4. М
олекула этина (ацетилена)
15
В ароматических соединениях р-электроны шести атомов
углерода каждого углеродного цикла делокализуются, образуя π-
электронное облако (рис. 5).
1 2
3 4
Рис. 5. Молекула бензола:
1,2 – строение молекулы бензола; 3 – система σ-связей;
4 – система π-связей
Классификация органических соединений представлена схемой
на рис. 6.
2. Классификация органических соединений
16
ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
гетероциклические
ациклические
(алифатические) соединения с незамкнутой
цепью
насыщенные
(предельные)
ненасыщенные
(непредельные)
алициклические
циклические
соединения с замкнутой
цепью
карбоциклические
цикл состоит
только из
атомов
углерода
Рис. 6. Классификация органических соединений
Органические соединения рассматриваются состоящими из
родоначальной структуры и заместителей.
цикл состоит
из атомов
углерода и
других
элементов
ароматиче ские
Родоначальная структура – это главная цепь атомов в
молекуле. Заместители делятся на углеводородные радикалы и
характеристические группы.
Характеристическая группа – это атом или группа атомов,
определяющая основные физические и химические свойства
определенного ряда соединений. Таким образом, характеристическая
группа определяет принадлежность вещества к определенному
классу. Характеристические группы делятся на функциональные и
нефункциональные. Функциональные характеристические
группы чаще всего называют просто функциональными.
В зависимости от строения углеродного скелета органические
соединения делятся на ациклические (простейшими
представителями являются алифатические углеводороды) и
циклические.
17
Ациклические соединения – соединения с открытой
(незамкнутой углеродной цепью) могут быть насыщенными (алканы)
и ненасыщенными (алкены, алкины, алкадиены).
Циклические соединения – соединения с замкнутой цепью. В
зависимости от природы атомов, составляющих цикл, различают
карбоциклические и гетероциклические. Карбоциклические
содержат в цикле только атомы углерода и делятся на
алифатические циклические (сокращенно алициклические) и
ароматические соединения.
Простейшим представителем насыщенных алициклических
углеводородов служит циклопропан, содержащий трехчленный цикл
(рис. 7). Число атомов углерода в циклах может быть различным.
Известны циклы, состоящие из тридцати и более атомов углерода.
а б в
Рис. 7. Примеры циклоалканов:
а - циклопропан; б - циклобутан; в – циклопентан
Родоначальником ароматических углеводородов (аренов)
является бензол. Нафталин и фенантрен относятся к
полициклическим аренам, так как содержат конденсированные
бензольные кольца (рис. 8).
18
а б в
Рис. 8. Примеры аренов:
а - бензол; б - нафталин; в – антрацен
Гетероциклические соединения содержат в цикле, кроме
атомов углерода, один или несколько атомов других элементов –
гетероатомов – кислород, азот, серу и др. (рис. 9).
N
O
H
S
а б в
Рис. 9. Гетероциклические соединения с одним гетероатомом:
а - этиленоксид; б - пирролидин; в – тиофен
Исторически сложилась традиция не рассматривать такие
гетероатомы как функциональные группы, а считать их частью
углеродного скелета.
19
2.1. Гомологические ряды органических соединений
Гомологи – вещества сходные по строению и свойствам и
отличающиеся на одну или несколько групп – СН2. СН
-называется
2
гомологической разностью.
Органические соединения, состоящие из атомов углерода и
водорода, называются углеводородами. Различают шесть основных
гомологических рядов углеводородов: алканы, алкены, алкадиены,
алкины, циклоалканы, арены (табл. 2).
Алканы – ациклические углеводороды, в молекулах которых
атомы углерода связаны одинарными связям и соответствующие
формуле CnH
лкены – ациклические углеводороды, содержащие в молекулах
А
одну двойную связь и соответствующие общей формуле CnH
2n+2
.
2n+2
.
Название класса
соединений
1 2 3 4
Алканы CnH
Углеводороды
Общая формула
Все связи
2n+2
Особенности
строения
одинарные
Таблица 2
Тип
гибридизации
атома углерода
Все атомы
углерода
находятся в
состоянии sp3-
гибридизации
Алкены CnH2n Имеется одна Атомы углерода
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]