Органическая химия (стр. 2 )

Введение

Предмет органической химии. Причины выделения органической химии в самостоятельную науку.

Органическая химия – основа изучения биологической химии, микробиологии и других дисциплин, формирующих специалиста технолога – рыбника. Важнейшие этапы развития промышленности органического синтеза. Вопросы охраны окружающей среды.

Т е м а 1. Некоторые теоретические представления

в органической химии

Теория строения органических соединений . Развитие теории строения, стереохимическая гипотеза Вант-Гоффа и Лебеля. Тетраэдрическая модель. Современные данные о строении органических соединений.

Виды химической связи. Ионная и ковалентная связи. Природа ковалентной связи, δ- и π – связи. Типы гибридизации атомных орбиталей углерода / Sp3, Sp2, Sp /. Основные характеристики ковалентной связи: энергия, длина, валентный угол, полярность и поляризуемость. Взаимное влияние атомов в молекуле. Индукционный эффект. Эффект сопряжения.

Основные типы реакций: замещения, присоединения, отщепления, разложения, изомеризации, полимеризации. Гетеролитический /ионный/ и гомолитический /радикальный/ разрыв ковалентной связи. Электрофильные и нуклеофильные реагенты.

Классификация органических соединений. Гомология. Функциональные группы.

Методические указания

При обработке данной темы студент должен ознакомиться с предметом и задачами органической химии – основы в изучении биологической химии, микробиологии, физиологии и других дисциплин.

Самое серьезное внимание следует обратить на теорию химического строения, являющейся методологической основой органической химии, основные положения которой были высказаны в 1861г. и кратко могут быть сформулированы следующим образом: свойства веществ определяются их химическим строением, т. е. порядком и характером связей между атомами в молекулах. Химическое строение изображается структурными формулами. При наличии этих формул следует руководствоваться следующими правилами:

1.  Химическая связь изображается одной чертой, соединяющей связанные атомы.

2.  Количество связей у каждого атома соответствует валентности элемента.

3.  С целью упрощения формул изображение некоторых связей
(чаще всего С – Н) опускается, например:

Возможность образования различных структур, соответствующих определенному молекулярному составу, обусловлена следующими свойствами элемента углерода:

1.  В органических соединениях атом углерода четырехвалентен.

2.  Атомы углерода могут соединяться в цепи и циклы.

3.  Атомы углерода могут быть связаны между собой и с другими атомами простыми и кратными двойными и тройными связями.

Теория химического строения объяснила явление изомерии – существование веществ, имеющих одинаковый состав (и одинаковую молекулярную формулу), но различные свойства (вследствие различного химического строения). Так в этиловом спирте один атом водорода, связанный с кислородом, способен замещаться на натрий; диметиловый эфир этим свойством не обладает. Этиловый спирт – жидкость, растворимая в воде, диметиловый эфир – газ, нерастворимый в воде.

Зная структурную формулу соединения, легко объяснить и запомнить его свойства. И наоборот, зная свойства вещества, можно установить его строение.

Дальнейшим этапом развития представлений о строении органических соединений явилась стереохимическая теория (Вант-Гофф, Лебель, 1874г.). Согласно этой теории валентные связи атома углерода в предельных соединениях жирного ряда направлены к вершинам тетраэдра (отсюда и название – тетраэдрическая теория). Стереохимические представления – представления о пространственном строении молекул – позволили объяснить геометрическую цис-транс и оптическую (зеркальную) изомерию органических соединений. Пространственные изомеры при одинаковом порядке связи атомов в молекуле отличаются их ориентацией в пространстве. В основе современного объяснения химических явлений и в особенности взаимного влияния атомов в молекуле лежит электронная теория.

Квантовая теория дала возможность установить взаимосвязь геометрического и электронного строения молекул. Необходимо твердо усвоить понятие о трех валентных состояниях атома углерода (Sp3, Sp2, Sp- гибридизации) и соответствующих им типах связей углерода (δ- и π – связей: простая, двойная, тройная), а также о геометрическом строении молекул насыщенных и ненасыщенных (этиленовых, ацетиленовых) углеводородов.

Современные достижения теории строения органических веществ способствовали развитию представлений о влиянии строения веществ на их реакционную способность и о механизмах химических реакций. При различных химических превращениях ковалентная связь может распадаться и образовываться вновь двояким образом. В одном случае обобщенная электронная пара, образующая связь между атомами, распадается так, что остается по одному электрону у каждого атома:

В приведенном примере после распада остается атом водорода с одним электроном и атом брома с семью электронами. При этом происходит образование двух электронейтральных частиц – свободных радикалов, обладающих большой реакционной способностью вследствие наличия неспаренного электрона. Такой тип разрыва связи называется гомолитическим, или радикальным. Реакциям, протекающим по радикальному механизму, способствует высокая температура, облучение, действие инициаторов. Пример: хлорирование метана.

В другом случае после разрыва ковалентной связи электронная пара целиком переходит к одному из связанных ею атомов, который при этом превращается в отрицательный ион. Этот тип распада называется гетеролитическим, или ионным:

Гетеролитическому разрыву связи способствуют: полярный характер связи, полярные растворители, ионные реагенты и ионные катализаторы.

Реакции, протекающие по ионному механизму, подразделяются в свою очередь на электрофильные и нуклеофильные в зависимости от характера атакующей частицы реагента. Примером электрофильной реакции может служить присоединение HBr к пропилену, примером нуклеофильной реакции – присоединение HCN к альдегиду.

Изучая химические свойства того или ионного класса органических соединений, очень важно уметь определить, к какому типу относится рассматриваемая химическая реакция. В основу классификации органических реакций положены изменения, происходящие с одним из реагирующих веществ, обязательно органическим, называемым субстратом. Взаимодействующее с ним вещество называется реагентом.

Если не происходит изменения углеродного скелета, то в зависимости от характера взаимодействия субстрата и реагента различают следующие типы реакций:

1.  Замещения, например:

2.  Присоединения, например:

3.  Отщепления, т. е. реакции, обратные реакциям присоединения, например:

4.  Изомеризации, например:

Важнейшими из реакций, протекающих с изменением углеродного скелета, являются:

5.  Реакции разложения, например:

6.  Полимеризации, например:

7.  В особую группу выделяют также реакции окисления – восстановления, например:

Изучая вводную, общетеоретическую часть органической химии, необходимо четко усвоить принципы классификации органических соединений углеводородов – по строению углеродного скелета, включая порядок и типы связей; производных углеводородов – по характеру функциональных групп, а в пределах одного класса – по типу углеводородного радикала.

Важно до изучения отдельных классов понять принципы номенклатуры органических соединений. Наиболее широко применяется систематическая номенклатура, которая использует многие положения так называемой "женевской номенклатуры", принимающей за основу чаще всего название углеводорода с наиболее длинной углеродной цепью. Кратные связи включают в главную цепь. Если в молекуле есть цикл, за основу принимают циклический углеводород. Название атомов (кроме водорода) и групп, не входящих в главную цепь, обозначают греческими числительными, их расположение в главной цепи – цифрами.

Углеродные атомы основной цепи пронумерованы, в названии основа подчеркнута.

Широко применяются рациональные названия по радикалу:

CH3 – СН2Cl хлористый этил

CH2 =CН – СН=СН2 дивинил

ПРИМЕР 1. Опишите геометрическое строение молекул бутана, бутена-2, бутина-2.

ОТВЕТ:

а) Бутан CH3 – CH2 – CH2 – CH3

Каждый из четырех атомов углерода имеет по 4δ- связи, т. е. находится в первом валентном состоянии (Sp3), которому соответствуют валентные углы 109028. Форма молекулы бутана непрерывно меняется в результате теплового движения. Пространственных изомеров нет.

второй и третий атомы углерода имеют по три δ- связи и по одной π- связи, т. е. находятся во втором валентном состоянии (Sp2), которому соответствуют валентные углы 1200. Если учесть, что π- связь препятствует вращению атомов относительно друг друга, становится ясно, что бутен-2 существует в виде двух пространственных изомеров: