Органическая химия. Введение

Органическая
химия
Органическая химия. Введение
1
Предметом изучения органической химии являются органические
соединения, структурную основу которых образуют атомы углерода.
Основные атомы органогены: углерод С, водород Н, азот N,
кислород О, сера S, фосфор Р.
Главные задачи органической химии, как науки:
1. Получение природных и синтез новых органических соединений
с ценными свойствами (биоактивных веществ, лекарственных
препаратов, красителей, пищевых продуктов, полимерных,
композиционных и наноразмерных материалов и пр.).
2. Установление строения синтезированных и имеющихся в
природе органических веществ.
3. Изучение закономерностей протекания и механизмов реакций
органических соединений. Установление строения
промежуточных частиц – интермедиатов реакций.
4. Внедрение достижений органической химии в практику
человеческой деятельности.
Органическая химия. Введение
2
Примеры молекул органических веществ
H
O
C
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
CH2OH
D-глюкоза
(углевод)
O
H
H C H
H
метан
H2C C
OH
NH2
глицин
(аминокислота)
O
C
COOH
O
O
C
CH3
ацетилсаллициловая
кислота (аспирин)
O
OH
OH
NH
S
O O
сахарин
(в 300 раз
слаще сахара)
S
H3C CH2
O
C
O
ализарин
(природный краситель)
H
пропантиаль-S-оксид
(луковый запах)
O
Cl CH2
CH2
S CH2
CH2 Cl
иприт (боевое отравляющее вещество)
H3 C C
CH3
O CH2 CH2 CH
CH3
изоамилацетат (грушевый запах)
Органическая химия. Введение
3
Становление теории химического строения органических соединений
Конец XVIII – начало XIX вв. – период открытия и синтеза новых
органических веществ (метана, этилена, ацетилена, бензола и др.)
1806 г. – И. Берцелиус определил органическую химию как химию
соединений углерода.
1837 г. – теория радикалов Ж. Дюма и Ю. Либиха.
1851 г. – теория типов Ш. Жерара.
1861 г. – теория химического строения А.М. Бутлерова.
«Химическое строение – это порядок соединения
атомов в молекуле»
А.М Бутлеров (1861 г.)
Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886),
Органическая химия. Введение
русский химик-органик.
4
Основные постулаты теории химического
строения органических соединений
- атомы объединены в молекулы в строго определенной
последовательности;
- атомы образуют четко определенное количество связей с
соседними атомами, т.е. атомы характеризуются определенной
валентностью (количеством образуемых связей), так в структурах
органических молекул валентность углерода – 4, кислорода – 2,
азота – 3, водорода – 1;
- органические вещества могут давать структурные изомеры –
соединения, имеющие одинаковый состав атомов в молекулах, но
различное строение;
- связанная определенным образом группа атомов составляет
функциональную группу органического соединения и придает
этому соединению характерные химические свойства.
Органическая химия. Введение
5
Электронное строение атома углерода.
Типы гибридизации атома углерода
Атом углерода С содержит 6 электронов.
переход электрона
с 2s на 2р орбиталь
2p
2p
четыре неспаренных электрона валентность углерода четыре
2p
2p
2s2
2p
2p
2s
1s2
1s2
1s22s22p2 - основное электронное
состояние атома углерода
1s22s12p3 - возбужденное электронное
состояние атома углерода
Переход в атоме углерода одного электрона с 2s на 2р орбиталь
приводит к появлению 4 неспаренных электронов, которые могут
образовать 4 ковалентные связи с другими атомами.
Атом углерода является четырехвалентным!
Органическая химия. Введение
6
sp3-Гибридизация атома углерода.
Строение метана
CH4
2p
2p
2p
s
H
2s
1s2
sp3
3
sp
s +
H
H C H
H
H
H C H
H
s H
3p
H
s
4
sp3-гибридные орбитали
C
sp3
sp3
H
s
H
109o28' - тетраэдрический угол
C
H
H
Органическая химия. Введение
H
7
sp2-Гибридизация атома углерода.
Строение этилена
2p
2p
2p
2s
1s
H
H
C
H
2
s
+
2p
-связь
H
H
2
2
sp C C sp
H
H
-связь
C
H
s
s
H
3
sp2-гибридные орбитали
p-орбиталь
sp2
sp2
2
H
2
sp sp
C
C
sp2
sp2
H
H
-связи,
s
s
2
образуемые sp -орбиталями
Органическая химия. Введение
p
H
p
H
C C
H
H
-связь перекрывание p-орбиталей
8
sp-Гибридизация атома углерода.
Строение ацетилена
H C
2p
2p
2p
2s
C
C
H
H
-связи,
образуемые sp-орбиталями
1s2
s + p
p
2
sp-гибридные
орбитали
CH
p-орбитали
p
H
C
C
H
p
p
-связи перекрывание p-орбиталей
Органическая химия. Введение
9
Длины связей в молекулах органических соединений
Связь
Длина, нм
Связь
Длина, нм
Сsp3–Csp3
0.154
Сsp3–H
0.111
Сsp2=Csp2
0.134
Сsp2–H
0.110
СspCsp
0.120
Сsp–H
0.108
С=O
0.122
O–H
0.096
Сsp2=N
0.130
N–H
0.101
CN
0.116
S–H
0.134
Энергии углерод-углеродных связей
в молекулах органических соединений
Связь
Сsp3–Csp3
Сsp2=Csp2
СspCsp
Энергия, кДж/моль
(ккал/моль)
347-356
(83-85)
611-632
(146-151)
837
(200)
Органическая химия. Введение
10
Классификация органических соединений
I. Углеводороды.
- алканы
- алкены
- алкины
H3C CH3
этан
CH4
метан
H2C CH
CH3
пропен
H2C CH2
этилен
этен
H2C CH
H2C CH3
бутен-1
H C C CH3
пропин
H C C H
ацетилен
этин
- циклоалканы
CH2
H3C
CH3
пропан
H2C
CH2
H2C
CH2
циклопропан
HC C CH2 CH3
бутин-1
CH2
H2C
CH2
CH2
H2C CH2
циклобутан
- арены – производные бензола
H
H
C
C
H2C CH2
циклопентан
H
C
H
C
C H
C
бензол
H
Органическая химия. Введение
CH3
метилбензол
(толуол)
11
II. Функциональные производные углеводородов.
Cl
- галогеналканы
- спирты
- фенолы
H3C I
иодметан
H3C OH
метанол
H3C CH2
Br
бромэтан
H3C CH2
OH
этанол
CH
H3C
CH3
2-хлорпропан
H3C CH CH3
OH
пропанол-2
OH
OH
CH3
фенол
орто-метилфенол
- карбонильные соединения – альдегиды и кетоны
H
C O
H
метаналь
H3C
O
C
CH3
пропанон
Органическая химия. Введение
12
- углеводы
H
H
O
C
H C OH
HO C H
H C OH
CH2OH
D-ксилоза
- карбоновые кислоты
и их производные
O
C
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
CH2OH
D-глюкоза
CH2OH
C O
HO C H
H C OH
H C OH
CH2OH
D-фруктоза
O
O
H3C C
OH
уксусная кислота
H 3C C
Cl
хлорангидрид
уксусной кислоты
O
H3C C
O CH2CH3
этилацетат
- азотсодержащие соединения –
амины, нитропроизводные, аминокислоты
NH2
H3C NO2
нитрометан
H3C NH2
метиламин
анилин
H O
H3C C C
OH
NH2
аланин
Органическая химия. Введение
13
Номенклатура органических соединений –
правила составления названий
Гомологический ряд алканов
Число
углеродных
атомов в алкане
Структура алкана
Название
алкана
1
CH4
метан
2
CH3–CH3
этан
3
CH3–CH2–CH3
пропан
4
CH3–CH2–CH2–CH3
бутан
5
CH3–CH2–CH2–CH2–CH3
пентан
6
CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3
гексан
7
CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3
гептан
8
CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3
октан
9
CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3
нонан
10
CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3
декан
Органическая химия. Введение
14
Алкильные радикалы
Структура радикала
Название радикала
CH3–
метил-
CH3–CH2–
этил-
CH3–CH2–CH2–
пропил-
CH3–CH2–CH2–CH2–
бутил-
CH3–CH–CH2–CH3
втор-бутил-
CH3
трет-бутил-
CH3–C–CH3
CH3
изобутил-
CH3–CН–CH2–
Органическая химия. Введение
15
Принятые IUPAC обозначения функциональных групп важнейших классов
органических соединений (старшинство групп растет сверху вниз)
Класс соединения
Функциональная группа
–Br
–I
–F
–Cl
Название в префиксе (в начале
слова)
бромиодфторхлор-
Название в суффиксе (в конце
слова)
Нитросоединения
–NO2
нитро-
в суффиксе не указываются
Алкины
–C≡C–
в префиксе не указываются
-ин
Алкены
>C=C<
в префиксе не указываются
-ен
Амины
–NН2
амино-
-амин
Спирты
–ОН
гидрокси-
-ол
Кетоны
>C=О
оксо-
-он
Альдегиды
Н–C=О
-аль
Нитрилы
–C≡N
оксо(или формил- для группы –СНО
целиком как заместителя)
циано-
Карбоновые кислоты
–CООН
карбокси-
-овая кислота
Галогеналканы
в суффиксе не указываются
-нитрил
Примечание. Названия алкенов и алкинов образуют путем замены суффикса -ан в имени алкана
на суффикс -ен и -ин соответственно. Названия других классов соединений получают
прибавлением соответствующего суффикса к имени алкана без замены суффикса -ан.
Органическая химия. Введение
16
Основные правила составления названий органических соединений
1. В качестве основы названия выбирают углеродную цепь, содержащую
самую старшую функциональную группу, при этом цепь должна быть самой
ненасыщенной и, по возможности, самой длинной. Выбранную углеродную
цепь называют согласно имени соответствующего алкана и нумеруют так,
чтобы старшая функциональная группа получила наименьший номер.
2. В названии алкана, отвечающего главной цепи, в суффиксе указывают
самую старшую функциональную группу, с обозначением после нее номера
(локанта) углеродного атома на котором эта функциональная группа
находится.
3. Оставшиеся младшие функциональные группы и все радикальные
заместители указывают в префиксе в алфавитном порядке со своими
локантами.
4. Если имеется несколько однотипных заместителей или функциональных
групп, то они называются с использованием приставок ди-, три-, тетра- и т.д.
Органическая химия. Введение
17
Примеры названий органических соединений
1
H3C
CH3
2CH
CH3
2CH
4
3
CH2
CH3
1
H3 C
4
CH2
3
CH
H3C
6
CH3
5
1
CH2
1
3
4
5 CH
CH3
H3C
CH3
H3C C C CH
1
2
4
6
5
CH2
CH2
CH3
7
2-метил-4-этилгептан
2
H2C CH
H2C CH2
CH2
CH
3
CH2
H3C
CH3
2,3-диметилгексан
2-метилбутан
CH3
2
CH
3
4
Cl
CH3
5
4-метилпентин-2
2
1
CH
3
H3 C
CH3
2-хлорпропан
6
5-метилгексен-1
1
H2C
2
CH
3
CH2
OH OH OH
пропантриол-1,2,3
5
4
H2C CH 3 H 1
2
H2C C CH3
OH
пентен-4-ол-2
Органическая химия. Введение
CH3
4
3
H3C C CH2 CH3
OH
2-метилбутанол-2
1 2
18
Примеры названий органических соединений
3
2
H3C CH2
1
O
2 3
H3C C CH2
O
1
C
H
пропаналь
5
4
CH2
CH3
CH3
3 2
H3C C CH2
H
OH 2
4 3
H3C C CH2
H
1
O
C
OH
3-гидроксибутановая кислота
O
O
5 4
3
H3C C CH2
2
1
C CH2
C
OH
3-метилбутановая кислота
O
4
C CH2
6
5
3
CH
OH
CH2
7
CH3
6-гидроксигептанон-3
O
1
CH2
H3C
пентанон-2
4
2
1
3
O
C
OH
HO
пропандиовая кислота
2
CH2
1
O
C
OH
4-оксопентановая кислота
Органическая химия. Введение
O
HO
1 H 3
C C CH2
2
пропеновая кислота
19
Изомерия органических соединений
Изомеры – соединения, имеющие одинаковый состав,
но разное строение.
Изомерия углеродного скелета
Изомеры пентана С5Н12:
CH2
H3C
CH2
н-пентан
CH2
CH3
CH3
CH
изопентан
(2-метилбутан)
CH3
H3C C CH3
CH3
неопентан
(2,2-диметилпропан)
Органическая химия. Введение
20
H3C
CH2
CH3
Геометрическая изомерия
Геометрические изомеры – стереоизомеры, различающиеся
расположением заместителей относительно двойной связи С=С.
Применяют две системы обозначений цис-, транс- и Е-, Z-.
Цис- одинаковые заместители по одну сторону связи С=С,
транс- – по разные.
H3C
CH3
C C
H
CH3
C C
H
H
цис-бутен-2
H3C
H
транс-бутен-2
Органическая химия. Введение
21
Е- (нем. entgegen – напротив) – старшие заместители по разные стороны
связи С=С, Z- (нем. zusammen – вместе) – по одну сторону двойной связи.
Старшинство заместителей определяют по порядковому номеру атома в
Периодической таблице Д.И. Менделеева.
более старший заместитель
на этом атоме углерода связи С=С
H3C
Е-изомер
CH3
C C
H
F
более старший заместитель
на этом атоме углерода связи С=С
H3CH2C
CH3
C C
Z-изомер
H3C C
более старший заместитель
на этом атоме углерода связи С=С
(во второй сфере заместителя
атом кислорода)
CH2CH3
O
Органическая химия. Введение
более старший заместитель
на этом атоме углерода связи С=С
(во второй сфере замести теля
атом углерода)
22
Конфигурационная изомерия.
Энантиомерия, хиральность, диастереомерия
Асимметрический атом углерода – атом углерода, у которого четыре разных
заместителя.
Наличие такого атома в структуре органического соединения приводит к
явлению зеркальной изомерии (энантиомерии или хиральности).
Энантиомеры – предмет и его зеркальное отображение, являющиеся
изомерными несовместимыми в пространстве объектами.
Хиральность (от греческого «хейр» – рука) – свойство объекта быть
несовместимым со своим зеркальным отображением.
Асимметрический углеродный атом является хиральным центром в
молекуле.
Диастереомеры – стереоизомеры, не являющиеся зеркальными
отображениями друг друга.
Органическая химия. Введение
23
Энантиомеры – R- и S- изомеры
Для определения R- и S- изомеров сначала устанавливают старшинство
заместителей согласно положению атомов в Периодической таблице. Затем
самый младший заместитель направляют от наблюдателя и определяют
относительное расположение трех оставшихся заместителей.
R- (лат. rectus – правый) – снижение старшинства трех старших
заместителей по часовой стрелке,
S- (лат. sinister – левый) – против часовой стрелки.
H
асимметрический

H3C C Br
атом углерода
Cl
1-бром-1хлорэтан
зеркало
движение от старшего
к младшему заместителю
против часовой стрелки
Cl

H3C
C
Cl
H
Br
S - изомер
движение от старшего
к младшему заместителю
по часовой стрелке

H C
CH3
Br
R - изомер
энантиомеры зеркальные изомеры
Органическая химия. Введение
24
Электронные эффекты в молекулах органических соединений
Индуктивный эффект – смещение электронной плотности вдоль -связи
за счет разницы электроотрицательности атомов, образующих эту связь.
Электроноакцепторные заместители притягивают к себе электроны, это
атомы и группы атомов более электроотрицательные, чем атом углерода.
Такие заместители проявляют –I эффект: F, Cl, Br, OH, OR, NH2, CO2H,
CO2R, CHO, COR, NO2, CN, SO3H.
хлорметан

H3C
смещение электронов по -связи к более
электроотрицательному атому хлора

Cl
Электронодонорные заместители отдают электроны, это атомы и
группы атомов менее электроотрицательные, чем атом углерода.
Такие заместители проявляют +I эффект: CH3, Li, Mg.
смещение электронов по -связи от менее
электроотрицательного атома лития

Li
метиллитий

H3C
Органическая химия. Введение
25
Мезомерный (резонансный) эффект – смещение электронной плотности
по системе сопряженных кратных (двойных и тройных) связей.
–М эффектом обладают электроноакцепторные заместители способные
принять на себя электронную пару: CO2H, CO2R, CHO, COR, NO2, CN, SO3H.
смещение пары электронов
H3C
H3C
C O
C O
H2C C
H2C C
H
H
мезомерные (резонансные) структуры
+М эффектом обладают электронодонорные заместители способные отдать
электронную пару: F, Cl, Br, OH, OR, NH2.
Cl
H2C C
H
Cl
H2C C
H
Органическая химия. Введение
26
Типы химических реакций органических соединений
1. Замещение
2. Присоединение
X +
C X + Y
C Y
C C
+
C C
XY
X Y
3. Отщепление
C C
C C
X Y
-XY
4. Перегруппировка –
изомерная перестройка структуры
X
A
5. Окисление –
отрыв электронов от атомов углерода
X
B
C
6. Восстановление –
присоединение электронов к атомам углерода
Органическая химия. Введение
A
B
-e
C
+e
27
Типы промежуточных частиц (интермедиатов) химических
реакций органических соединений
C
свободные радикалы
C
карбены
C
C
карбокатионы
карбанионы
C
C
катион-радикалы
анион-радикалы
Механизм реакции – последовательность отдельных элементарных
стадий, через которые поэтапно протекает химическая реакция.
Органическая химия. Введение
28
Кислотность и основность органических соединений
Кислоты и основания Бренстеда
Кислоты Бренстеда – соединения доноры протонов, способные
диссоциировать с отщеплением протонов.
H A
кислота
H+ + Aсопряженное
основание
Основания Бренстеда – соединения акцепторы протонов, способные
присоединять протоны.
B + H+
основание
B H
сопряженная
кислота
Кислоты и основания Льюиса
Кислоты Льюиса – соединения акцепторы электронов,
способные принимать электроны на вакантную орбиталь:
AlCl3, BF3, FeBr3, ZnCl2, H+, NO2+, CH3+ и др.
Основания Льюиса – соединения доноры электронов,
способные отдавать электроны: RO:H, R3N:, R2C=CR2, бензол, арены и др.
Органическая химия. Введение
29
Количественная оценка кислот и оснований Бренстеда
Количественной оценкой силы кислоты Бренстеда является величина
константы ее диссоциации в воде Ка или соответствующее значение рКа.
H A + H2O
кислота основание
A
H3O+
+
сопряженное сопряженная
основание
кислота
Количественной оценкой силы основания Бренстеда является величина
константы равновесия в воде Кb или соответствующее значение рКb.
B
+
H2O
основание кислота
HO+
BH
сопряженная сопряженное
кислота
основание
Органическая химия. Введение
30
Литература по органической химии
1. А.А. Петров, Х.В. Бальян, А.Т. Трощенко «Органическая
химия», 2002 г.
2. В.Ф. Травень «Органическая химия», М.: Академкнига, 2006 г.
3. А.О. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин «Органическая химия», М.:
Бином, 2010 г.
Органическая химия. Введение
31