Классификация органических соединений и реакций. Изомерия. Лекция 2

Классификация органических соединений

1. По строению углеродной цепи

Алициклические соединения – соединения с открытой (незамкнутой) углеродной цепью. Эти соединения называются также алифатическими
Среди ациклических соединений различают предельные (насыщенные), содержащие в скелете только одинарные связи С-С и непредельные (ненасыщенные), включающие кратные связи С=С и С≡С

Циклические соединения – соединения с замкнутой углеродной цепью.
В зависимости от природы атомов, составляющих цикл, различают карбоциклические и гетероциклические соединения.
Карбоциклические соединения содержат в цикле только атомы углерода.
Они делятся на две существенно различающихся по химическим свойствам группы: алифатические циклические (алициклические) и ароматические соединения.

Гетероциклические соединения содержат в цикле, кроме атомов углерода, один или несколько атомов других элементов – гетероатомов – кислород, азот, серу и другие.

2. По функциональным группам
В каждом из типов углеродного скелета все соединения распределяются по классам в зависимости от входящих в их состав функциональных групп.
Функциональной группой называют атом или группу атомов, определяющих принадлежность соединения к конкретному классу и ответственных за его химические свойства.
Например, класс спиртов (группа -ОН), класс аминов (группа -NH2), класс карбоновых кислот (группа -СООН), класс металлоорганических соединений и т. д.:
Кратную связь также можно рассматривать как функцию. Соответственно углеводороды, содержащие кратные связи, подразделяются на алкены, алкины, диены и т. д.
Соединения с несколькими одинаковыми функциональными группами называются полифункциональными
Если в молекуле содержатся разные функциональные группы, то соединение относят к классу гетерофункциональных

Классификация органических реакций

Классификацию органических реакций проводят на основе общих для всех реакций признаков: строение и состав исходных и конечных продуктов; изменение степеней окисления реагирующих частиц; тепловой эффект реакции; ее обратимость и т.п.
Наиболее часто органические реакции классифицируют по следующим признакам:
по конечному результату реакции (на основе сопоставления строения исходных и конечных продуктов);
по минимальному числу частиц, участвующих в элементарной реакции;
по механизму разрыва ковалентных связей в реагирующих молекулах.
Тип многостадийных реакций определяют по самой медленной (лимитирующей) стадии. Различные способы классификации часто сочетаются друг с другом.

1. Классификация реакций по конечному результату
В основе этой классификации лежит сопоставление числа, состава и строения исходных и конечных продуктов по уравнению реакции. В соответствии с конечным результатом различают следующие типы органических реакций:
Замещение (S) (от англ. substitution) ;
Присоединение (A) (от англ. addition);
Отщепление (элиминирование) (E) (от англ. elimination);
Изомеризация (перегруппировка);
Разложение.
Если процесс сопровождается изменением степени окисления атома углерода в органическом соединении, то выделяют также реакции окисления и восстановления.

Реакции замещения
Атом или атомная группировка в молекуле органического соединения замещается на другой атом (или атомную группировку):
АВ + С→ АС + В

Реакции присоединения
В реакциях присоединения молекула органического соединения и молекула простого или сложного вещества соединяются в новую молекулу, при этом другие продукты реакции не образуются:
А + В→С
полимеризация этилена

Реакции отщепления
В реакции отщепления (элиминирования) происходит отрыв атомов или атомных групп от молекулы исходного вещества при сохранении ее углеродного скелета
А → В + С
отщепление хлороводорода (при действии на хлоралкан спиртовым раствором щёлочи)
CH3-CH2Cl →CH2=CH2 + HCl
отщепление воды (при нагревании спирта с серной кислотой)
CH3-CH2OH→CH2=CH2 + H2O дегидратация отщепление водорода от алкана (в присутствии катализатора)
CH3-CH3 →CH2=CH2 + H2 дегидрирование

Реакции изомеризации или перегруппировки
В органическом соединении происходит переход (миграция) отдельных атомов или групп атомов от одного участка молекулы к другому без изменения ее качественного и количественного состава:
А → В
В этом случае исходное вещество и продукт реакции являются изомерами (структурными или пространственными).

Реакции окисления и восстановления
Окислительно-восстановительные реакции - реакции, в ходе которых меняется степень окисления атомов, входящих в молекулу. Для органических реакций этого типа применимы те же законы, что и для неорганических.
Вещество окисляется, если оно теряет атомы H и (или) приобретает атомы O. Кислородсодержащий окислитель обозначают символом [O]:
Вещество восстанавливается, если оно приобретает атомы H и (или) теряет атомы O. Восстановитель обозначают символом [H]:

2. Классификация реакций по числу частиц, участвующих в элементарной стадии
По этому признаку все реакции можно разделить на диссоциативные (мономолекулярные) и ассоциативные (бимолекулярные, тримолекулярные).
Мономолекулярные реакции – реакции, в которых участвует только одна молекула (частица):
А → В + . . .
К этому типу относятся реакции распада и изомеризации.
Бимолекулярные реакции - реакции типа
А + В → С + . . . , в которых происходит столкновение двух молекул (частиц).
Это самый распространенный тип элементарных реакций.
Тримолекулярные реакции – реакции типа
2А + В → С + . . . , в которых происходит столкновение трех молекул.

3. Классификация реакций по механизму разрыва связей
В зависимости от способа разрыва ковалентной связи в реагирующей молекуле органические реакции подразделяются на радикальные и ионные реакции.
Ионные реакции в свою очередь делятся по характеру реагента, действующего на молекулу, на электрофильные и нуклеофильные.
Разрыв ковалентной связи может происходить двумя способами, обратными механизмам ее образования.
Разрыв связи, при котором каждый атом получает по одному электрону из общей пары, называется гомолитическим:
В результате гомолитического разрыва образуются частицы, каждая из которых имеет неспаренный электрон - свободные радикалы.

Если при разрыве связи общая электронная пара остается у одного атома, то такой разрыв называется гетеролитическим:
В результате образуются разноименно заряженные ионы – катион и анион. Если заряд иона сосредоточен на атоме углерода, то катион называют карбокатионом, а анион - карбанионом.
Электрофильной называется реакция, в которой молекула органического вещества подвергается действию электрофильного реагента.
Электрофильные («любящие электроны») реагенты или электрофилы – это частицы (катионы или молекулы), имеющие свободную орбиталь на внешнем электронном уровне.
Примеры электрофильных частиц: H+, CH3+ и другие карбокатионы, NO2+

Нуклеофильной называется реакция, в которой молекула органического вещества подвергается действию нуклеофильного реагента.
Нуклеофильные («любящие ядро») реагенты, или нуклеофилы - это частицы (анионы или молекулы), имеющие неподеленную пару электронов на внешнем электронном уровне.
Примеры нуклеофильных частиц: OH-, Cl-, Br-, CN-, H2O, CH3OH, NH3.
Благодаря подвижности π-электронов, нуклеофильными свойствами обладают также молекулы, содержащие π-связи: CH2=CH2, CH2=CH–CH=CH2, C6H6

Изомерия органических соединений

Изомерия – это явление существования отличающихся по свойствам химических соединений с одинаковым качественным и количественным составом и молекулярной массой, т. е. с одинаковой молекулярной формулой
Виды изомерии:
Структурная
Динамическая
Пространственная

1. Структурная изомерия
Структурные изомеры – это изомеры, имеющие разную структурную формулу, т. е. разный порядок соединения атомов в молекуле.
Различное строение имеет следствием существенное отличие в физических и химических свойствах изомеров.
Виды структурной изомерии:
Изомерия углеродного скелета
Изомерия положения заместителя и взаиморасположения функциональных групп
Метамерия

Изомерия углеродного скелета

Изомерия положения и взаиморасположения функциональных групп

Метамерия
Метамерами называются изомеры, отличающиеся величиной углеводородных радикалов у одного и того же многовалентного атома. В качестве такого атома может быть кислород, сера, азот и др.
Метамерия характерна для простых эфиров, аминов, гетероциклов и др. соединений.

2. Динамическая изомерия
Таутомерия – явление равновесной динамической изомерии, при которой происходит быстрое обратимое самопроизвольное превращение структурных изомеров, сопровождаемое миграцией подвижной группы между двумя или несколькими центрами в молекуле.
Кето-енольная
Цикло-цепная

кето-форма
енольная-форма
биурет

3. Пространственная изомерия
Пространственные изомеры (стереоизомеры) – это вещества, имеющие одинаковую структурную формулу, т. е. одинаковый порядок соединения атомов молекуле, но различное их пространственное положение.
Виды:
Геометрическая
Оптическая
Конформационная

Геометрическая изомерия
Геометрические изомеры отличаются пространственным расположением заместителей относительно связи (или системы связей), вращение вокруг которой невозможно или сильно затруднено и при обычных условиях не происходит.

Оптическая изомерия
В 1815 году французский физик Ж.Б. Био обнаружил, что некоторые природные органические вещества в жидком состоянии и в растворе проявляют особенные свойства: при пропускании через них луча плоскополяризованного света они отклоняют его плоскость поляризации на некоторый угол в одну или другую сторону.
Это явление называют вращением плоскости поляризованного света, а вещества, обладающие такой способностью – оптически активными веществами.
В 1848 году французский химик и микробиолог Л. Пастер обнаружил различную оптическую активность у веществ, имеющих одну и ту же структурную формулу.

Оптической активностью обладают соединения, в молекулах которых есть асимметрический атом.
Асимметрический атом углерода – это атом, связанный с четырьмя разными заместителями. В этом случае возможно два способа расположения заместителей по углам тетраэдра.
При этом возникают две формы молекулы, которые нельзя совместить в пространстве и которые относятся друг к другу как предмет и его зеркальное отображение. Такие стереоизомеры называются энантиомерами

Конформационная изомерия
Конформационная (поворотная) изомерия обусловлена вращением атомов или атомных групп вокруг одной или нескольких простых σ-связей.
В результате вращения вокруг С–С-связей молекулы могут иметь различные пространственные формы, которые называют конформациями
Молекула этана вследствие вращения вокруг углерод-углеродной связи может принимать бесконечное множество конформаций. Две крайние конформации называют заслоненной и заторможенной.