Химия . (стр. 2 )

Органические соединения, молекулы которых содержат, кроме одинарных, также и кратные (двойные и тройные) связи, называются непредельными (ненасыщенными).

К ациклическим соединениям относятся не только углеводороды, но и вещества, содержащие в молекуле различные функциональные группы:

1)        галогенопроизводные углеводородов – органические вещества, содержащие в молекуле, кроме атомов углерода и водорода, атомы галогенов. Галогенопроизводные углеводородов могут и не содержать в молекуле атомов водорода. По числу атомов галогена в молекуле различают моно-, ди-, три-, и т. д. галогенопроизводные.

  2)        гидроксильная группа (- ОН) является функциональной группой спиртов

  СН3ОН  СН3 – СН2 – ОН 

метиловый спирт  этиловый спирт

  ( метанол)  (этанол) 

       О

3) карбонильная группа (- С -  ) атомов входит в состав соединений двух

  O  O

классов: альдегидов (R – C – H) и кетонов (R – C – R)

  O  O

CH3 – C – H  CH3 – C – CH3

уксусный альдегид  ацетон

  (этаналь)  (пропанон)

В молекулах кетонов карбонильная функциональная группа связана с двумя атомами углерода, а в молекулах альдегидов – с одним атомом углерода и атомом водорода.

  О

4) карбоксильная группа (- С  ) входит в состав карбоновых кислот:

  ОН

  О  О

СН3 – С – ОН  СН3 – СН2 – СН2 - С

  ОН

  уксусная кислота  масляная кислота

  этановая кислота  бутановая кислота

Карбоксильная группа атомов может рассматриваться как объединение других известных вам функциональных групп – карбонильной и гидроксильной.

5) Простые эфиры можно рассматривать как продукты замещения атома водорода в гидроксильной группе спиртов на углеводородный радикал.

В молекулах этих соединений два углеводородных радикала связаны через оксигруппу – О –, которую часто называют «кислородным мостиком».

Общая формула:  R – O – R2  H3C – O – CH3  - диметиловый эфир

6)        Сложные эфиры содержат в молекуле функциональную группу атомов, которую так и называют – сложноэфирная. 

  O

  CH3 – C – O – CH2 – CH3 

  этиловый эфир уксусной кислоты

  ( этилацетат)

7) Нитросоединения содержат в молекуле нитрогруппу – NO2

  СН3 – СН2 – NO2

  нитроэтан

8) Замещая в молекуле аммиака атомы водорода на углеводородные радикалы, можно получить первичные (RNH2), вторичные (R2NH) амины:

  CH3NH2  CH3 - CH2 -  NH - CH2  -  CH3  N(CH2  -  CH3)3

  метиламин  диэтиламин  триэтиламин

В состав молекул органических соединений может входить несколько одинаковых (полифункциональные соединения) или разных (гетерофункциональные соединения) групп:

.CH2 – CH – CH2

OH  OH  OH

  глицерин

(пропантриол - 1,2,3)  - полифункциональное соединение.

Среди важных гетерофункциональных соединений выделили углеводы (альдегидоспирты и кетоноспирты) и аминокислоты.

4.2 Карбоциклические ( алициклические) соединения

Карбоциклическими ( алициклическими) соединениями называются органические вещества, содержащие в молекуле замкнутую цепь атомов углерода (цикл). Цикл может содержать разное количество атомов углерода, связанных одинарными или кратными связями.

CH2 – CH2  CH2  OH  Циклогексанол

CH2 – CH2  CH2  CH2  CH

циклобутан

  CH2  CH2  CH2  CH2

  CH2  CH2  CH2 

  циклогексан

  CH2

  циклогексанол 

Следует особо отметить ароматические соединения – арены – разновидность карбоциклических соединений, содержащих в молекуле специфическую систему чередующихся двойных и одинарных связей:

  NH2  CH3  CHO  COOH

  бензол  нафталин  анилин  толуол  бензальдегид  бензойная 

  кислота

4.3 Гетероциклические соединения

Гетероциклические соединения – это соединения, в которых гетероатомы (O, N, S) входят в цикл (скелет молекулы) и в состав функциональных групп:

  O

  \\

  N 

  N  СOOH

  NH  N  N  NH  S

пирролидин  пиридин пиримидин  морфолин тиоден никотиновая кислота

Гетероциклические соединения играют важную роль в биохимических процессах: они входят в состав многих биологически важных веществ – белков и нуклеиновых кислот.

Виды связей
Образование одинарной связи

       Атом углерода состоит из ядра, имеющего положительный заряд +6 (т. к. содержит шесть протонов), и электронной оболочки, на которой находятся шесть электронов, расположенных на двух энергетических уровнях.

С +6 ) )  1s22s22p2 

  2  4  1s  2s  2p

«Живущий» в пространстве вокруг ядра электрон обладает одновременно свойствами и частицы (имеет массу 1/1840 от массы протона или нейтрона), и волны (способен к огибанию препятствий – дифракции, характеризуется определенной амплитудой, длиной волны, частотой колебаний).

Нельзя точно определить положение электрона в пространстве вокруг ядра. Поэтому говорят о большей или меньшей вероятности пребывания электрона в данной области пространства. Если сфотографировать атом, то на снимке положение электрона отразится в виде точки, при наложении огромного числа таких снимков получится картина электронного облака. Чем больше плотность

этого облака, тем с большей вероятностью электрон находится в этой области. Пространство вокруг ядра, в котором заключено 90% электронного облака, называют орбиталью.

Атом углерода имеет два вида орбиталей: S – орбитали сферической формы и Р – орбитали в форме гантели или объемной восьмерки:

S – орбиталь  Р – орбиталь

       

Эти орбитали отличаются друг от друга не только формой, но и удаленностью от ядра атома. Чем более удалена от ядра орбиталь, тем большую энергию имеет электрон на этой орбитали.

Чтобы различать энергетические уровни, их нумеруют в порядке удаления от ядра.

Валентность химического элемента чаще всего определяется числом неспаренных электронов. Атом углерода имеет два неспаренных электрона, с их участием могут образовываться две электронные пары, осуществляющие две ковалентные связи.

В органических соединениях углерод всегда четырехвалентен.

Это объясняется тем, что в возбужденном атоме происходит распаривание  2 S - электронов и переход одного из них на 2 Р - орбиталь.

С* 

  2s  2p

Такой атом имеет четыре неспаренных электрона и может принимать участие в создании четырех ковалентных связей. Для образования ковалентной связи необходимо, чтобы орбиталь одного атома перекрывалась с орбиталью другого. При этом чем больше перекрываний, тем прочнее связь.

В молекуле водорода Н2 образование ковалентной связи происходит за счет перекрывания S-орбиталей.

  Н  Н 

  Н  Н

  +

                               

Расстояние между ядрами атомов водорода составляет 7,4•10-2 нм, а ее прочность – 435 кДж/моль.

В молекуле фтора F2 ковалентная связь образуется за счет перекрывания двух  Р-орбиталей.

 

  Длина связи фтор – фтор равна 14,2•10-2 нм, а прочность связи – 154 кДж/моль.

Химические связи, образующиеся в результате перекрывания электронных орбиталей вдоль линии связи, называются у - связями (сигма – связи).

Линия связи – прямая, соединяющая ядра атомов.

Для S-орбиталей возможен лишь единственный способ перекрывания – с образованием у - связей.

P-орбитали могут перекрываться с образованием у - связей, а также могут перекрываться в двух областях, образуя ковалентную связь другого вида – за счет «бокового» перекрывания:

 

Химические связи, образующиеся в результате «бокового» перекрывания электронных орбиталей вне линии связи, т. е. в двух областях, называются

р-связями (пи – связями). 

При образовании молекулы метана СН4 атом углерода из основного состояния переходит в возбужденное состояние и имеет четыре неспаренных электрона: один S - и три P-электрона, которые и участвуют в образовании четырех у – связей с четырьмя атомами водорода. Три связи С – Н, образова - нные за счет спаривания трех P-электронов атомов углерода с тремя S-электронами трех атомов водорода (S – P), должны бы отличаться от четвертой (S – S) связи прочностью, длиной, направлением. Но эксперименты показывают, что все связи в СН4 одинаковы. Следовательно, при образовании молекулы метана ковалентные связи возникают за счет взаимодействия не «чистых», а так называемых гибридных, т. е. усредненных по форме и размерам орбиталей.

Гибридизацией орбиталей называется процесс выравнивания их по форме и энергии.

Число гибридных орбиталей равно сумме исходных орбиталей.

В молекуле метана и в других алканах, а также во всех органических молекулах по месту одинарной связи атомы углерода будут находиться в состоянии Sp3 – гибридизации, т. е. у атома углерода гибридизации подверглись орбитали одного S - и трех Р-электронов и образовались четыре одинаковые гибридные орбитали.

В результате перекрывания четырех гибридных Sp3 – орбиталей атома углерода и S-орбиталей четырех атомов водорода образуется тетраэдрическая молекула метана с четырьмя одинаковыми у - связями под углом 1090 28’ .