Структура органических соединений

Классификация органических соединений основана на анализе двух аспектов строения молекул – строения углеродного скелета и наличия функциональных групп.

Рис. 1. Классификация органических соединений по строению углеродного скелета.

Основные классы производных углеводородов по наличию функциональных групп:

– галогенопроизводные;

– спирты и фенолы;

– эфиры простые;

– эфиры сложные;

– карбонильные соединения: альдегиды и кетоны;

– карбоновые кислоты;

– сульфокислоты;

– амины;

– нитросоединения;

– элементорганические (в том числе металлорганические) соединения.

Конечно, представленная классификация далеко не полна. Более того, внутри каждого из указанных классов возможны и, конечно, существуют свои интересные и очень ценные классификации.

Очень полезно рассматривать классы органических соединений как гомологические ряды – ряды сходных по строению соединений, обладающих близкими химическими свойствами, в котором отдельные члены ряда отличаются друг от друга лишь количеством групп –СН₂–, эта группа называется гомологической разностью. Отметим, что М(СН₂) равна 14 г/моль. Следовательно, молярные массы ближайших членов гомологического ряда отличаются на 14 г/моль. У членов гомологического ряда подавляющее большинство реакций протекает одинаково. Следовательно, зная химические реакции лишь одного члена ряда, можно с большой степенью вероятности утверждать, что такого же типа превращения протекают и с остальными членами гомологического ряда.

Для любого гомологического ряда может быть выведена общая формула, отражающая соотношение между атомами углерода и водорода у членов этого ряда; такая формула называется общей формулой гомологического ряда.

Приведем примеры. Забегая несколько вперед и полагая, что читатели учебного пособия знакомы с курсом химии в программе средней школы, отметим следующие.

Общая формула гомологического ряда алкановых углеводородов С_nН_2n+2, где n – число атомов углерода в молекуле химического соединения. Замена одного атома водорода в любом алкане на гидроксильную группу приводит к образованию предельных одноатомных спиртов на их основе с общей формулой гомологического ряда С_nН_2n+1ОН. Замена двух атомов водорода приводит к возникновению двухатомных спиртов. Общая формула таких гомологов С_nН_2n(ОН)₂ и так далее. В общем случае имеем формулу гомологического ряда спиртов С_nН_2n+2-m(ОН)_m, где m — число атомов водорода в молекуле алкана, замещённых на гидроксильную группу.

Формула гомологического ряда алкеновых углеводородов (одна двойная связь в молекуле соединений) имеет соответственно вид С_nН_2n. Тогда замена одного атома водорода приводит к соответствующим одноатомным спиртам с формулой гомологического ряда С_nН_2n-1ОН. Далее – все как в предыдущем случае. Но заменять атом водорода в алкане можно не только на группу ОН. Замена его на атом галогена приводит к образованию галогенопроизводных с общей формулой гомологического ряда С_nН_2n+1Hal, где Hal – F, Cl, Br или I. Замена двух атомов водорода на галоген ведет к образованию дигалогенпроизводных и т. д.

Точно таким же образом можно получить формулы гомологических рядов предельных С_nН_2n+2-m(СООН)_m либо непредельных (одна двойная связь) –С_nН_2n-m(СООН)_m карбоновых кислот.

Приведем условные молекулярные формулы некоторых других классов органических соединений.R₁–O–R₂ – простые эфиры, продукты взаимодействия молекул спиртов одной (R₁  R₂) или различной природы, R_i – углеводородные радикалы. Если они не имеют двойных либо иных ненасыщенных связей, то можно записать во втором случае С_nН_2n+1–О–С_mH_2m+1 или С_n+mН_4n+2О. В более простом первом случае имеем (С_nН_2n+1)₂О.

– сложные эфиры (продукты взаимодействия одноатомных спиртов и одноосновных карбоновых кислот). Вновь, если в углеводородных радикалах отсутствуют ненасыщенные связи, можно записать дляR₁  R₂

или С_m+nH_2(m+n)CO₂.

Молекулярные формулы карбонильных соединений имеют вид:

R–CHO– альдегиды или С_nН_2n+1СНО;

R₁–СO–R₂– кетоны или дляR₁R₂С_nН_2n+1–СОС_mH_2m+1. Можно последнюю условную молекулярную формулу упростить С_m+nН_2(m+n)+2СО. Приведем примеры условных молекулярных формул других классов:

R–SO₃H– сульфокислоты или С_nН_2n+1SO₃H;

R–NH₂– первичные амины или С_nН_2n+1NH₂;

R–(NH₂)₂– вторичные амины или С_nН_2n(NH₂)₂.

Подобные формулы соответствуют гомологическим рядам предельных аминов (не содержащих ненасыщенных связей в молекулах).

R–NО₂– нитросоединения или общая формула предельных соединений С_nН_2n+1NО₂.

Знание формул гомологических рядов важно во многих случаях:

1) для установления конкретных молекулярных формул соединений различных химических классов.

2) для проведения самых различных количественных расчетов. Приведем некоторые примеры.

Задача 1.Получить молекулярную формулу алкана, масса углерода в молекуле которого превышает массу водорода в 5 раз.

Общая формула гомологического ряда алканов, указанная ранее, имеет вид С_nН_2n+2.

Пусть имеется один моль алкана. Тогда масса углерода равна nM(C), или 12n, г; а масса водорода – (2n+2)M(H).M_i– молярная (так удобнее) масса химического элемента. Учитывая, что для атомарного водорода М(Н) = 1 г/моль, суммарная масса водорода в 1 моле алкана равна (2n+2), г.

Исходя из условий задачи, можно записать

12n/(2n+2) = 5

n= 5 и молекулярная формула алкана имеет вид С₅Н₁₂.

Задача 2.Усредненная массовая доля водорода в эквимолярной смеси (равное количество различных молекул) двух алканов равна 0,2. Определить молекулярные формулы входящих в смесь соединений.

Пусть первое соединение имеет формулу С_kН_2k+2, второе – С_pН_2p+2.

Примем, что в состав смеси входят по 1 моль первого и второго вещества. Если в состав смеси входят количества вещества в иных соотношениях, ничего не меняется помимо некоторого усложнения расчетов. Масса первого алкана равна М(С_kН_2k+2), г, второго М(С_pН_2p+2), г. Суммарная масса водорода в смеси (2k+ 2p+ 4), г, то есть 2(k+p+ 2), г.

Используя условие задачи, запишем

.

Из последнего уравнения легко получить зависимость

2(k + p) + 4 = 2,8(k + p) + 0,8; k + p = 4.

Следовательно, k= 1 иp= 3 или наоборот. Отметим, чтоk=p= 2 невозможно, так как смесь не может быть представлена одним (индивидуальным) веществом. Молекулярные формулы алканов СН₄и С₃Н₈.

Укажем на интересный факт. В этом случае вопреки математике можно оценить величины двух неизвестных, имея одно уравнение. Это становится возможным, так как вторую зависимость представляют закономерности органической химии. Однако, это наблюдается только в частных случаях. Например, в несколько более усложненном варианте подобной задачи необходимы дополнительные данные для составления двух уравнений. В качестве примера предлагаем читателям самостоятельно решить следующую задачу.

Задача 3.Усредненная массовая доля водорода в эквимолярной смеси двух алканов равна 0,182, а отношение их молярных масс составляет 0,222. Определить молекулярные формулы входящих в смесь соединений.

Ответ: СН₄и С₅Н₁₂.

А мы рассмотрим решение следующей задачи.

Задача 4.Оценить отношение масс углерода и водорода в молекулах этиленовых углеводородов. Можно ли в случае этих соединений определить молекулярную формулу вещества, зная подобные соотношения?

Пусть имеется некоторый алкен с молекулярной формулой С_nН_2n. Тогда отношение масс углерода и водорода легко определить, если принять, что имеется 1 моль веществ. В этом случае масса углерода равна 12n, г, а водорода – 2n, г, что следует из равенства их молярных масс М(С) и М(Н) соответственно 12 г/моль и 1 г/моль. Отношение масс указанных химических элементов для соединений этого класса равно

.

Следовательно, оно постоянно для всех соединений гомологического ряда алкенов и определить строение конкретного вещества нельзя.