Начала органической химии

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Изучает соединения углерода, их строение, способы получения и практического использования.
Углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера.
Иногда включаются металлические фрагменты: магний, калий, кальций и др.
Из чего состоят органические соединения?
Первые органические соединения получены из веществ растительного и животного происхождения. Поэтому до середины XIX в. Химики думали, что органические вещества образуются из неорганических только в живых организмах под влиянием «жизненной силы».
В 1828 г. Ф. Велер впервые из неорганического вещества — циановокислогоаммония — получил органическое вещество — мочевину:
NH4OCN → NH2CONH2
Цианат аммония
Карбамид (мочевина)
to

СОСТОЯНИЕ УГЛЕРОДА В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ
С
С*
Валентность 2
Валентность 4
Углерод находится в возбуждённом состоянии, имеет валентность 4.
Образует открытые разветвлённые и неразветвленные, а так же замкнутые цепи.
CH3 – CH2 – CH2 – CH3
C
Первичный
Вторичный
Третичный
Четвертичный
Связан с одним атомом углерода.
Связан двумя атомами углерода.
Связан тремя атомами углерода.
Связан четырьмя атомами углерода.
CH3 –
– CH2 –

ТЕОРИЯ БУТЛЕРОВА (1869 Г.)
Александр Михайлович Бутлеров 1828—1886
Атомы в молекуле соединены друг с другом в определённой последовательности, согласно их валентности.
Свойства веществ зависят от химического состава и химического строения вещества.
По свойствам вещества можно определить строение его молекулы, а по строению предвидеть свойства.
Химическое строение можно определить химическими методами.
Атомы и группы атомов взаимно влияют друг на друга.

ТИПЫ ФОРМУЛ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Формула
Структурная
Молекулярная
Простейшая
Отображает порядок связей в молекуле (химические строение)
Отображает качественный и количественный состав (брутто-формула)
Отображает качественный состав и наименьшее соотношение атомов в молекуле. Может совпадать с молекулярной формулой, а может и нет.
Полная
Сокращенная
Скелетная
C5H10
CH2 – простейшая формула, но такого соединения нет.
C2H4 – подходящая молекулярная формула.

Изомеры – соединения с одинаковой молекулярной формулой, но разной структурной:
Гомологи – вещества одного класса, схожие по строению, отличающиеся на одну или несколько гомологических разниц (CH2 – групп): CH4, C2H6, C3H8, C4H10
ИЗОМЕРЫ И ГОМОЛОГИ

ТИПЫ ИЗОМЕРИИ
Изомерия
Структурная
Пространственная
Углеродной цепи
Межклассовая
Положения кратной связи (= и ≡)
Положения функциональной группы
н-бутан
изо-бутан
пропен
циклопропан
бутен-1
бутен-2
пропанол-1
пропанол-2
Оптическая
Геометрическая (цис-транс)
Транс-изомер
Цис-изомер
Цис-изомер
Транс-изомер

ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ
CH4 – метан
C2H6 – этан
C3H8 – пропан
C4H10 – бутан
C5H12 – пентан
C6H14 – гексан
C7H16 – гептан
C8H18 – октан
C9H20 – нонан
C10H22 – декан
пропен –
C3H6
бутен –
пентен –
гексен –
гептен –
октен –
нонен –
децен –
C4H8
C5H10
C6H12
C7H14
C8H16
C9H18
C10H20
– циклопропан
– циклобутан
– циклопентан
– циклогексан
– циклогептан
– циклооктан
– циклононан
– циклодекан
C2H2 – этин
пропин –
бутин –
пентин –
гексин –
гептин –
октин –
нонин –
децин –
C3H4
C4H6
C5H8
C6H10
C7H12
C8H14
C9H16
C10H18
– пропадиен
– бутадиен
– пентадиен
– гексадиен
– гептадиен
– октадиен
– нонадиен
– декадиен
C2H4 – этен

НАЗВАНИЯ РАДИКАЛОВ И ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ
Алкильные радикалы:
-CH3
метил
-C2H5
этил
-C3H7
пропил:
CH3 – CH2 – CH2 –
н-пропил
изо-пропил
-C4H9
бутил:
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 –
н-бутил
втор-бутил
изо-бутил
трет-бутил
Непредельные радикалы:
винил
CH2 = CH –
фенил
бензил
Кислородсодержащие:
– OH
гидроксил
карбонил
карбоксил
Другие заместители:

ТИПЫ ПЕРЕКРЫВАНИЯ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ
Молекулярная орбиталь – результат перекрывания атомных орбиталей, область наиболее вероятного нахождения электрона в электрическом поле двух и более ядер атомов.
Связь
π-связь
σ-связь
Осевое перекрывание – есть во всех молекулах
Боковое перекрывание – есть в молекулах с кратной (двойной и тройной) связью.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ
Форма электронных облаков атома углерода
Гибридизация атомных орбиталей – взаимодействие орбиталей разных оболочек одного атома (разных по типу, форме), но близких по энергии, с образованием одинаковых орбиталей по форме и энергии.
Молекулярная орбиталь – результат перекрывания атомных орбиталей разных атомов, область наиболее вероятного нахождения электрона в электрическом поле двух и более атомов.
sp3 – гибридизация – преобразуются 1 s и 3 p-орбитали в 4 гибридные орбитали.
Форма расположения орбиталей – тетраэдр. Характерна для насыщенных углеводородов (алканы, циклоалканы).
Молекула метана.
Валентный угол – угол между орбиталями атома углерода.
sp3-гибридный атом С.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ
sp2 – гибридизация – преобразуются 1 s- и 2 p-орбитали в 3 гибридные орбитали, а четвертая остаётся негибридной.
При sp2 – гибридизации происходит π-перекрывания электронных облаков. π-связь возникает только если σ-связь уже есть.
Форма расположения орбиталей – треугольник. Характерна для углеводородов с двойной связью (алкены, циклоалкены, диены, карбоновые кислоты, альдегиды и др.).
Молекула этена.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ
sp – гибридизация – преобразуются 1 s- и 1 p-орбитали в 2 гибридные орбитали, а две остаются негибридными.
При sp – гибридизации происходит π-перекрывания электронных облаков перпендикулярно друг другу. Валентный угол – 180о
Форма расположения орбиталей – линейная. Характерна для углеводородов с тройной связью (алкины).
Молекула этина (ацетилена).
s
p
sp

СОПРЯЖЕННАЯ Π-СИСТЕМА
Сопряженные системы – возникают у sp2-гибридных атомов, расположенных друг за другом (двойные связи через 1 атом С)
Бензол
Бутадиен-1,3

КЛАССЫ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Органические вещества
углеводороды
насыщенные
ненасыщенные
алканы
циклоалканы
алкены
алкины
алкадиены
арены
кислородсодержащие
спирты
простые
эфиры
сложные эфиры
и жиры
алифатические
ароматические
(фенолы)
одноатомные
двухатомные
(диолы)
многоатомные
карбонильные
соединения
карбоновые
кислоты
монокарбоновые
дикарбоновые
поликарбоновые
ароматические
углеводы (сахара)
моносахариды
дисахариды
олигосахариды
полисахариды
азотсодержащие
нитросоединения
амины
аминокислоты
белки
альдегиды
кетоны
карбоксильные
соединения
CnH2n+2O
CnH2n
CnH2n
CnH2n-2
CnH2n-2
CnH2n-6, n≥6
CnH2n+2
CnH2n+2O
CnH2n+2O2
CnH2n+2Ox
CnH2n-6Ox, n≥6
CnH2nO
CnH2nO
CnH2nO2
CnH2nO2
CnH2n-2O4
CnH2n-6O2, n≥6
CnH2n+1NO2
CnH2n+1NO2
sp3
sp3
sp2
sp2, сопряженная
π-система
sp2, сопряженная
π-система
sp
Есть sp2
Есть sp2
Есть sp2
=
2=
≡
sp2, сопряженная
π-система
CnH2n+3N
sp2, сопряженная
π-система

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В МОЛЕКУЛАХ
Органические ионы
электрофилы
нуклеофилы
Способны предоставить пару электронов на образование связи С-С.
Отрицательно заряженные ионы: OH-, OR-, CN-, Cl-
Нейтральные частица с НЭП: NH3, HOH, R-OH, RN3
Молекулы с π-электронами: алкены, алкины, арены и др.
Имеют вакантную орбиталь и образуют связь за счет электронов углерода.
Положительные ионы: H+, Br+, NO2+, Na+
Положительно заряженные части молекул: Brδ+→ Brδ-, C δ+ =O,
Нейтральные молекулы с вакантной орбиталью: AlCl3, SnCl4, FeBr3, BF3
Электронные эффекты в молекулах
Мезомерный (μ)
Индуктивный (I)
Смещение электронной плотности по цепи σ-связь из-за разности электроотрицательности атомов. Быстро затухает через 1-2 связи.
Эффект сопряжения (делокализация) – смещение электронной плотности по π-связи. Распространяется на всю π-систему. В сопряжение могут входить р-орбитали, НЭП, «+», неспаренные электроны радикалов.
+I - эффект
-I - эффект
+ μ - эффект
-μ - эффект
Смещают ЭП к атому С. Растёт с длиной цепи.
Смещают ЭП к себе. Растёт с увеличением ЭО.
Повышает электронную плотность в сопряженной системе.
Понижает электронную плотность в сопряженной системе.

ЭЛЕКТРОНОДОНОРНЫЕ И ЭЛЕКТРОНОАКЦЕПТОРНЫЕ ЗАМЕСТИТЕЛИ
Знаки М и I- эффектов у одного заместителя могут не совпадать. Донор или акцептор определяется по самому сильному эффекту.
Электронодонорные заместители (ЭД) стабилизируют карбокатионы, и радикальные частицы.
Электроноакцепторные заместители (ЭА) дестабилизируют карбокатионы и радикальные частицы.
Свободнорадикальные частицы имеют неспаренный электрон: Cl•, Br•, CH3•

МЕХАНИЗМЫ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Радикальные реакции идут с участием свободных радикалов.
Нуклеофильные реакции – новая ковалентная связь образуется за счёт пары электронов реагента.
Электрофильные реакции – новая связь образуется за счёт электронной пары субстрата, а реагент – электрофил.
Cl• + CH4 → CH3• + HCl
Радикальная реакция
Нуклеофильная реакция
Электрофильная реакция
Гомолитический разрыв – образуюся радикалы.
Гетеролитический разрыв – образуются ионы.
A••B → A• + B•
A••B → A + B
-
+

ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ