Классификация и изомерия органических соединений

Лекция 2. Классификация и изомерия органических соединений
Особенности органических соединений
1. Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя цепи и кольца.
Цепи могут быть как линейные, так
и разветвленные. Отсюда многообразие
органических соединений.
2. В органических молекулах связь атомов ковалентная, т.е. образована
парой
электронов. Поэтому органические соединения, в основном, неэлектролиты. В
воде они не диссоциируют так легко, как неорганические соединения.
3. Особенности
6C
строения
2S
2
2
2P
атома
6C
углерода
(С).
*
1S2
Атом углерода в возбужденном состоянии может образовывать 4 связи.
4. При нагревании до 400-600оС органические соединения полностью разлагаются и
обугливаются, а в присутствии О2 сгорают. Это объясняется небольшой
прочностью связи между атомами углерода (355,6 кДж/моль).
5. В органической химии вместо понятия степень окисления применяют понятие
валентности, равной количеству связей, которое может образовать атом, т.е.
валентность атома углерода в возбужденном состоянии равна 4.
Теория химического строения органических соединений
Теория химического строения в своей основе была создана в 60-х годах XIX века. Если в
первой половине XIX века основная задача органической химии состояла в изучении
состава и свойств природных соединений, а также в разработке способов рационального
их использования, то далее, в связи с развитием промышленности и ростом городов, к
органической химии стали предъявлять все больше требований: требовались красители,
лекарства, новое освещение, новые методы переработки пищевых продуктов и т.д.
Развитие органической химии тормозилось отставанием теоретических представлений.
Не было единой химической символики. Необходимы были новые теоретические
воззрения для того, чтобы ответить на следующие вопросы:
1. Почему только два элемента С и Н образуют такое многообразие соединений, как
С2Н6, С2Н4, С6Н6, С2Н2 и т.д.?
2. Почему органических
соединений
гораздо
больше,
чем
неорганических,
соответственно: несколько миллионов – несколько тысяч?
3. Почему из формулы углеводорода нельзя определить валентность углерода?
Например, в формуле СН4 валентность С = 4; в С2Н6 валентность С = 3; в С3Н8
валентность 8/3; в С2Н2 валентность С = 1 и т.д.
4. Почему многие соединения, имея одну и ту же формулу, обладают различными
свойствами? Например, глюкоза и фруктоза С6Н12О6 ; С2Н6О – этиловый спирт и
диэтиловый эфир.
На все эти вопросы был дан ответ после разработки основополагающей теории строения
органических веществ ( 1861 год, А.М.Бутлеров). Основная идея этой теории:
химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных
составных частей, их количеством и химическим строением. Другими словами,
химические свойства молекулы определяются: а) свойствами составляющих её атомов;
б) количеством атомов; в) химическим строением молекулы.
Основные положения этой теории:
1. Атомы, образуя молекулу органического вещества, располагаются не
беспорядочно, а в строгой и определенной последовательности. Между атомами
углерода возникает ковалентная связь. Она может быть одинарной (σ-связь),
двойной (1σ и 1π – связи), тройной (1σ и 2π – связи). Ковалентная связь
характеризуется: длиной, энергией, полярностью связи. Между атомами С и Н
тоже возникает σ-связь. К цепи, состоящей из двух атомов углерода, может
присоединиться третий, четвертый атом и т.д., т.е. образуются углеродные цепи,
причем их направленность в пространстве определяется направленностью
электронного облака. Цепи могут быть линейные, разветвленные и циклические.
Во всех этих цепях атом углерода четырехвалентен.
2. Свойства вещества зависит не только от того, какие атомы и в каком количестве
входят в состав его молекулы, но и от того, в каком порядке они соединены между
собой, т.е. от химического строения молекулы. Согласно этому положению
теории, было обнаружено много органических веществ, обладающих одинаковым
составом, но разными свойствами. Это явление, открытое в 1830 году, было
названо изомерией, а вещества с одинаковым составом – изомерами.
3. Атомы или группы атомов, образуя молекулу, взаимно влияют друг на друга, от
чего зависит реакционная способность молекулы. Такое влияние особенно велико,
если атомы непосредственно связаны друг с другом. Влияние существует и в том
случае, если связь осуществляется через какой-то другой элемент. В этом случае
важно учитывать такое явление, как перераспределение в молекуле электронной
плотности ( индуктивный эффект, эффект сопряжения).
4. Зная свойства вещества, можно установить его строение, и, наоборот, химическое
строение вещества определяет его свойства.
Значение теории Бутлерова:

Теория позволила с помощью химических методов установить соединения (связи)
атомов в молекулах.

Она
дала
возможность
предвидеть
свойства
органических
соединений,
синтезировать новые вещества.

С
помощью
теории
химического
строения
удалось
научно
объяснить
накопившиеся факты в органической химии (например, существование изомеров,
гомологов и др.).

Она позволила установить зависимость химических свойств от строения и
взаимного влияния атомов в молекулах, выявила в той или иной степени
реакционную способность веществ, направление реакции.

Теория дала возможность объяснить многообразие органических веществ.

Она
внесла
новые
элементы
в
атомно-молекулярное
учение:
порядок
расположения атомов в молекулах, взаимное влияние атомов. Тем самым атомномолекулярное учение получило свое дальнейшее развитие, что имело большое
значение для химии.
Формулы (способы изображения органических соединений)
a)
Эмпирическая молекулярная формула
b)
Электронная молекулярная формула
c)
Структурная молекулярная формула
d)
Графическая молекулярная формула
e)
Краткая структурная молекулярная формула
C2H6
СН3-(СН2)5-СН3
Классификация и изомерия органических соединений
Органические соединения принято классифицировать:
1) по типу углеродного скелета;
2) по функциональным группам.
При классификации по типу углеродного скелета органические соединения разделяют
на:
а) ациклические, содержащие незамкнутую цепь атомов углерода. Они, в свою
очередь, делятся на предельные, где все связи между атомами углерода являются
насыщенными, и непредельные: этиленовые (содержат одну двойную связь), диеновые
(содержат две двойные связи), ацетиленовые (содержат тройные, связи);
б) карбоциклические, содержащие замкнутую цепь только из атомов углерода:
карбоциклические
алициклические
предельные
непредельные
ароматические
в) гетероциклические, содержащие замкнутую цепь не только из атомов углерода :
CH
Отдельно следует остановиться на названиях углеводородных заместителей.
│
СН3-СН2-СН-СН3
втор-бутил (вторичный бутил)
Из приведенных названий становится ясно, что радикалы-заместители делятся на
первичные, вторичные и третичные в зависимости от того, с каким количеством
атомов углерода связан тот углеродный атом, от которого отходит свободная связь.
Второй вид классификации — по функциональным группам. В этом случае можно
каждое органическое соединение представить в виде формулы R—X, где R — радикал,
содержащий только атомы углерода и водорода; X — функциональная группа.
1. Галогенопроизводные (R—Г):
хлорметан
трихлорметан – хлороформ
бромбензол
2. Спирты (R—ОН), которые могут быть:
а) одноатомными:
этанол
пропанол-1
пропанол-2
б) двух- и трехатомными:
этандиол-1,2
пропантриол-1,2,3
(этиленгликоль)
(глицерин)
в) многоатомными:
гексангексаол-1,2,3,4,5,6
(гексит)
г) ароматическими:
бензиловый спирт
в которых гидроксильная группа размещается в боковой цепи.
Отдельно стоят фенолы, т. е. такие производные бензола, где один или более атомов
водорода цикла замещены гидроксильной группой.
оксибензол
2-мстил-1-оксибензол
(фенол)
3. Простые эфиры (R1—O—R2):
(о-крезол)
3-метил-1 -оксибензол
(м-крезол)
4. Альдегиды
этаналь
метаналь
безальдегид
5. Кетоны
пропанон
(ацетон)
дифенилкетон
Нетрудно заметить, что кетон, в котором один из радикалов R=Н, является
альдегидом, т.е. альдегиды и кетоны относятся к группе карбонильных соединений.
6. Карбоновые кислоты
одноосновные:
метановая
(муравьиная)
двухосновные:
этандионовая
(щавелевая)
этановая
(уксусная)
бензойная
1,4-бутандионовая
(янтарная)
1,6-гександионовая
(адипиновая)
непредельные:
пропеновая
(акриловая)
2-метилпропеновая
(метакриловая)
9-октадеценовая
(олеиновая)
7. Сложные эфиры
этилэтаноат
(этилацетат)
пентилэтаноат
(амилацетат)
В этот класс входят жиры — сложные эфиры, образованные трехатомным спиртом
(глицерином) и некоторыми
непредельного
ряда
высшими
(стеариновой
(жирными)
С 17Н35СООН,
олеиновой С17Н33СООН, линолевой С17Н31СООН).
кислотами
предельного
пальмитиновой
и
C15H31COOH,
8.
Нитросоединения (R—NO2):
нитрометан
9.
2-нитропропан
1 метил-2,4,6-тринитробензол
(тротил)
Амины
метиламин
изопропиламин
фениламин
(анилин)
Следует отметить, что в нитросоединениях и аминах атом азота напрямую соединен с
атомом углерода. Что же касается такого соединения, как нитроглицерин, то оно
является не нитросоединением, а сложным эфиром глицерина и азотной кислоты:
Классы 1-9 характерны тем, что они монофункциональны (т. е. в них содержатся только
одинаковые функциональные группы). Существуют также полифункциональные
соединения. Например:
2,4,6-трибромфенол
2-оксипропановая
(молочная) кислота
кислота
2,4,6-триброманилин
м-нитробензойная
кислота
2-хлортэтановая
(монохлоруксусная)
Как было указано выше, способность атомов углерода к образованию четырех
ковалентных связей с соседними атомами определяет возможности существования
изомеров - разных соединений одного и того же молекулярного состава. Можно
выделить следующие виды изомерии.
Структурная изомерия
1. Межклассовая изомерия (когда одной и той же формуле C2H5O2N соответствуют
вещества, принадлежащие к различным классам), например:
CH3CH2NO2
нитроэтан
и
глицин
Другими примерами могут послужить:
и
пропаналь
пропанон
и
бутановая кислота
этилацетат
2. Изомерия углеродного скелета:
н. бутан
изобутан
3. Изомерия положения, заключающаяся в различном расположении:
a)
кратной связи:
бутен-1
b)
бутен-2
функциональной группы:
пропанол-1
c)
пропанол-2
радикалов-заместителей в цикле:
орто-
мета-
пара-диметилбензол
Пространственная или стереоизомерия
1. Геометрическая изомерия, характерная для соединений, содержащих двойную
связь или замкнутый цикл из атомов углерода. В таких молекулах можно провести
условную плоскость по σ-связям таким образом, что заместители, расположенные у
разных атомов углерода, могут оказаться как по одну (цис-изомер), так и по разные
стороны от этой плоскости (транс-изомер):
цис-изомер,t°плав. = -139° С
фумаровая кислота
(транс-изомер)
t°плав. = 288о С
цис-1,2-диметилциклопентан
или:
toплавл. = -54о С
транс-изомер, t°плавл. = -105° С
малеиновая кислота
(цис-изомср)
t°плав. =130о C
транс-1,2-диметилциклопентан
toплавл. = -117,5о С
2. Оптическая изомерия, в которой изомеры имеют совершенно одинаковые
физические и химические свойства,
поворачивают плоскость поляризации света на
равный угол, но (!) в противоположных направлениях. Так, например, 2-оксипропановая
(молочная) кислота имеет два изомера:
D-форма
Удельное вращение -3,82о
L-форма +3,82°
Такие изомеры являются зеркальным отражением друг друга и при вращении молекулы
не могут быть совмещены. Необходимо обратить внимание на то, что центральный
атом углерода в этих молекулах окружен четырьмя разными заместителями. Такой
атом углерода называется асимметрическим, и наличие его в молекуле является
непременным признаком того, что для этой молекулы существует оптический изомер.
И, наконец, еще один вид изомерии, который можно назвать
динамической
изомерией,— таутомерия. В этом случае вещества при установившемся равновесии
представляют собой смеси двух (или более) взаимопревращающихся изомеров —
таутомеров. Наиболее известным примером является кето-енольная таутомерия в
реакции Кучерова (гидратация ацетилена):
виниловый спирт
(енольная форма)
этаналь
(кетоформа)
Информация, которую нужно запомнить:
1. Существование соединений с одинаковым молекулярным составом, но с разным
строением называется изомерией, а сами вещества – изомерами.
2. Существуют следующие виды изомерии:
а) структурная изомерия – обусловлена порядком соединения атомов; внутри одного
класса – положением заместителя; бывает межгрупповая изомерия;
б) изомерия положения кратной связи;
в) в соединениях с двойной связью возможна цис- и транс- изомерия. Цис- и трансизомерия существует и в замещенных циклоалканах;
г) зеркальная изомерия – энантиомерия; д) динамическая изомерия – таутомерия.