Лекция : Теория органического строения. Алканы, циклоалканы.

      Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова

1) Строение атома углерода.

Электронное строение атома углерода изображается следующим образом: 1s22s22p2 или схематически

Углерод в органических соединениях четырехвалентен. 

Это связано с тем, что при образовании ковалентной связи атом углерода переходит в возбужденное состояние, при котором электронная пара на 2s- орбитали разобщается и один электрон занимает вакантную p-орбиталь. Схематически:
  ––   

 В результате имеется уже не два, а четыре неспаренных электрона.

2) Сигма и пи-связи.

Перекрывание атомных орбиталей вдоль линии, связывающей ядра атомов, приводит к образованию σ-связей. 

    Между двумя атомами в химической частице возможна только одна σ-связь. Все σ-связи обладают осевой симметрией относительно межъядерной оси.

При дополнительном перекрывании атомных орбиталей, перпендикулярных линии связи и параллельных друг другу, образуются

π-связи. 

В результате этого между атомами возникают кратные связи:

3) Гибридизация. 

    Поскольку четыре электрона  у атома углерода различны (2s- и 2p- электроны), то должны бы быть различны и связи, однако известно, что связи в молекуле метана равнозначны. Поэтому для объяснения пространственного строения органических молекул используют метод гибридизации.

     1. При обобществлении  четырех орбиталей возбужденного атома углерода (одной 2s- и трех 2p- орбиталей) образуются четыре  новых равноценных sp3- гибридных орбитали, имеющие форму вытянутой гантели. Вследствие взаимного отталкивания sp3- гибридные орбитали направлены в пространстве к вершинам тетраэдра и углы между ними равны 109028' (наиболее выгодное расположение). Такое состояние атома углерода называют первым валентным состоянием.

     2. При sp2-гибридизации смешиваются одна s- и две р-орбитали и образуются три гибридные орбитали, оси которых расположены в одной плоскости и направлены относительно друг друга под  углом 120°. Такое состояние атома углерода называют вторым валентным состоянием.

    3. При sp-гибридизации сливаются одна s- и одна р-орбитали и образуются две гибридные орбитали, оси которых расположены на одной прямой и направлены в разные стороны от ядра рас сматриваемого атома углерода под углом 180°. Такое состояние атома углерода называют третьим валентным состоянием.

ТИПЫ ГИБРИДИЗАЦИИ в органических веществах.

4) Изомерия.

Изомеры – вещества, имеющие одинаковый состав (число атомов каждого типа), но разное взаимное расположение атомов – разное строение. 

      Например, веществ с молекулярной формулой С4Н10 существует два:

 н-бутан (с линейным скелетом):  СН3 – СН2 – СН2 – СН3 и   изо-бутан, или 2-метилпропан: СН3 – СН – СН3   

                                     ‌│

                                   СН3        Они являются изомерами. 

Изомерия бывает структурная и пространственная.

Структурная изомерия.

       1.Изомерия углеродного скелета - обусловлена различным порядком связи между атомами углерода, образующими скелет молекулы (см. бутан и изобутан).

       2.Изомерия положения кратной связи или функциональной группы  -обусловлена различным положением какой-либо реакционноспособной группы при одинаковом углеродном скелете молекул. Так, пропану соответствуют два изомерных спирта:

СН3 – СН2 – СН2 – ОН   - пропанол-1 или н-пропиловый спирт

 и  СН3 – СН – СН3

             │

             ОН             - пропанол-2 или изопропиловый спирт.

Изомерия  положения кратной связи, например, в бутене-1  и бутене-2

СН3 – СН2 – СН=СН2   - бутен-1

СН3 – СН=СН – СН3     - бутен-2.

       3. Межклассовая изомерия – изомерия веществ, отонсящихся к разным классам органических соединений:

        - алкены и циклоалканы (с С3)

        - алкины и диены (с С3)

        - спирты и простые эфиры (с С2)

        - альдегиды и кетоны (с С3)

        - одноосновные предельные карбоновые кислоты и сложные эфиры (с С2)

Пространственная изомерия   - подразделяется на два вида: геометрическую  (или цис-транс-изомерию) и оптическую.

       Геометрическая изомерия свойственна соединениям, содержащим двойные связи или циклопропановое кольцо; она обусловлена невозможностью свободного вращения атомов вокруг двойной связи или в цикле. В этих случаях заместители могут быть расположены либо по одну сторону плоскости двойной связи или цикла (цис-положение), либо по разные стороны (транс-положение).

          Понятия «цис» и «транс» обычно относят к паре одинаковых заместителей, а если все заместители разные, то условно к одной из пар.
- две формы этилен-1,2-дикарбоновой кислоты — цис-форма, или малеиновая кислота (I), и транс-форма, или фумаровая кислота (II)    

     (I)                                      (II)

 Оптическая изомерия свойственна молекулам органических веществ, не совмещающимся со своим зеркальным отображением (т.е. с молекулой, соответствующей этому зеркальному отображению). Чаще всего оптическая активность обусловлена наличием в молекуле асимметрического атома углерода, т.е. атома углерода, связанного с четырьмя различными заместителями. Примером может служить молочная кислота:

   CH3-C*HCOOH   

           \

            ОН   (асимметрический атом углерода отмечен звёздочкой).

  Молекула молочной кислоты ни при каком перемещении в пространстве не может совпасть со своим зеркальным отображением. Эти две формы кислоты относятся друг к другу, как правая рука к левой, и называются оптическими антиподами (энантиомерами).

Физические и химические свойства оптических изомеров часто очень похожи, но они могут сильно отличаться по биологической активности, вкусу и запаху.  

Классификация органических веществ.

Номенклатура органических веществ

Корни

С1 – мет                                         С6 – гекс

С2 – эт                                                   С7 – гепт

С3 – проп                                         С8 – окт

С4 – бут                                                 С9 – нон

С5 – пент                                         С10 – дек

Окончания

-ан – есть только одинарные связи С−С в молекуле

-ен – есть одна двойная связь С=С в молекуле

-ин – есть одна тройная связь С≡С в молекуле

-диен – есть две двойные связи С=С в молекуле

 Старшинство функциональных групп в молекуле